La machine synchrone

La machine synchrone
1- Constitution générale ; Principe de fonctionnement en génératrice et moteur
2) Constitution du rotor
3) Caractéristiques en génératrice
4) Moteurs synchrones à aimants permanents (brusless)
5) échauffement des machines , bilan de puissance et rendement
6 - Domaine d'utilisation des grosses machines synchrones
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La machine synchrone
1) Constitution
Vitesse du rotor
=
:
Bs
θ
Br
2
1-a) Fonctionnement en génératrice : Schéma équivalent monophasé:
Diagramme vectoriel :
:
Equation:
1-b) Fonctionnement en moteur :
Schéma équivalent monophasé:
Diagramme vectoriel :
:
Equation:
3
2) Constitution du rotor
2-a) Rotor bobiné
Faible nombre de pôles (2 ou 4) :
rotor à pôles ________
Vitesses de rotation __________ (3000 ou 1500 tr/mn)
Rotor de _____________ longueur
Plus grand nombre de pôles : rotor à pôles ________
Vitesses de rotation __________
Ici , machine à ___pôles
Donc rotation à ______ tr/mn pour
.par exemple fournir du 50 Hz en génératrice
Attention aux ________________
Le rotor est bobiné et parcouru par du courant continu pour des grosses machines
4
En dessous de 10kW, on peut créer un champ continu au rotor grâce à ____________
S
N
N
rotor
S
S
N
Cette solution est adoptée pour des rotors
de _________ , ce qui favorisera donc
les vitesses _________.
(rotors plutôt longs donc)
Ici , machines à ___ ?
pôles
rotor
2° solution : _________________
Pièces polaires
S
NN
S
b) Rotor à aimants permanents : 2 dispositions possibles
Les aimants sont ici disposés en ______.
Ils peuvent être collés, vissés ou enserrés dans
une frette amagnétique
(concentration du flux)
aimants
Cette disposition permet d’avoir des
inductions de 3 à 5 fois supérieures à la
structure précédente
Indiquer les sens des champs magnétiques
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On peut plus facilement augmenter le nombre______
3) Caractéristiques en génératrice
Rappel :Schéma en monophasé :
Courbe Ev en fonction
du courant d'excitation J
Saturation ?
Courbe tension de sortie de l'alternateur
en fonction du courant débité :
(sur trois types de charges)
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4) Moteurs synchrones à aimants permanents (brusless)
a) Comparaison MCC - MS
D'après les caractéristiques des constructeurs données dans les deux pages suivantes
, comparer les deux moteurs (MCC et MS) vis à vis des :
puissance Constante Moment Couple par
de temps d'inertie
ampère
mécanique
masse
Constante
de temps
thermique
Machine à
courant
continu
Machine
synchrone
:
Conclusions :
7
a) Moteur à
courant continu :
exemple de
caractéristiques du
constructeur
8
.
b
M
o
t
e
u
r
s
y
n
c
h
r
o
n
e
:
e
x
e
m
pl
e
9
4) Moteurs synchrones à aimants permanents (brusless)
[SUITE]
b) Attention toutefois à la sophistication de l'électronique associée à la commande des MS brusless
Le couple moteur dépend de la position des champs tournants statorique et rotorique
Si le couple résistant augmente ,
Bs
θ
Br
Tem = K x Hr x Hs x sin θ
Convertisseur statique
Principe de l'autopilotage
:
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5) échauffement des machines , bilan de puissance et rendement
a) comparaisons
Machine à courant continu
Machine asynchrone
Machine synchrone à aimants
N
S
S
N
N
S
rotor
Où est provoquée la chaleur dans ces trois machines ?
:
Conclusions: :
Remarque
Dans le cas des: très fortes puissances :
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5-b)Rappel sur les pertes fer
e2
Pf = V Bm 2 f 2
ρ
5-b-1) Pertes par courants de Foucault
Varient très rapidement avec la fréquence
Pour limiter les pertes par courants de Foucault :
_________________________________________
V : volume de tôles
e : épaisseur des tôles
ρ : résistivité des tôles
Bm : induction maximum
f : fréquence
Attention Si l'onduleur de tension attaquant le moteur génère des champs magnétiques à haute fréquence :
____________________________________________________________________________________________
D'où l'intérêt de limiter la présence ________________________________________ (voir TP sur l'onduleur de tension)
5-b-2) Pertes par hystérésis
:
** tôle à « grains orientés » ?
:
:
*** Silicium ?
Pour limiter les pertes fer :
Circuit magnétique feuilleté tôle à « grains orientés »
à 3,5% de silicium pertes fer 1,4 W/kg sous 1,8T 12
5-c) Bilans de puissance
5-c-1) En moteur (brushless)
:
:
5-c-2 ) En génératrice (alternateur
de centrale)
stator
rotor
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6 - Domaine d'utilisation des grosses machines synchrones
D'après les diagrammes ci-contre , conclure sur le
domaine d'utilisation de la machine synchrone vis à
vis de la puissance :
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7) Exemple : Motorisation des TGV (Extrait Wikipédia)
Les premiers TGV fonctionnaient à l’aide de moteurs à courant continu alimentés par des redresseurs réversibles.
À la fin des années 1980, le développement de l’électronique de puissance a permis de substituer le moteur
synchrone au moteur à courant continu. Ces moteurs sont d’abord alimentés à l’aide d’onduleurs de courant à
thyristors (1988). À cette époque l’électronique de puissance nécessaire à leur alimentation est beaucoup plus
simple que celle requise par les moteurs asynchrones.
L’utilisation de moteurs synchrones présentait plusieurs avantages :
* moteur plus simple et plus léger à puissance égale :
o TGV Sud-Est : 12 moteurs à courant continu de 535 kW et 1 560 kg ;
o TGV Atlantique : 8 moteurs synchrones de 1 100 kW et 1 450 kg.
* couple au démarrage élevé ;
* absence de collecteurs donc pas de problèmes de commutation ;
* amélioration du facteur de puissance : toujours inférieur à 0,8 pour une rame TGV Sud-Est, toujours supérieur
à 0,95 pour une rame TGV Atlantique.
Néanmoins, le moteur synchrone est plus coûteux et nécessite plus d’entretien que le moteur asynchrone. Avec les
progrès de l’électronique de puissance (onduleur de tension à IGBT), ce dernier va supplanter le moteur synchrone
dès le milieu des années 1990 dans quasiment tous les domaines de la traction. Ce type de motorisation est installé
sur les motrices de l’Eurostar, avec des thyristors GTO, et maintenant sur le TGV POS, avec des IGBT.
* TGV Duplex Dasye : 8 moteurs asynchrones de 1 160 kW.
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