Avril 2014

TP Alternateur

Barrière Kevin

Vaussanvin Amaury

FRANCOIS BURET

TABLE DES MATIERES

TABLE DES MATIERES .............................................................................................................................................. 0

Table des Illustrations ............................................................................................................................................. 0

Introduction ............................................................................................................................................................ 1

I] Alternateur en fonctionnement autonome......................................................................................................... 2

1.1. Détermination des éléments du modèle de la réactance synchrone .............................................. 2

a) Caractéristique à vide .................................................................................................................... 3

b) Caractéristique de court-circuit ........................................................................................................... 4

1.2. Caractéristique en charge ....................................................................................................................... 5

II] Alternateur sur le réseau .................................................................................................................................... 6

2.1. Couplage de la machine synchrone ........................................................................................................ 6

2.2. Échanges de puissance avec le réseau ................................................................................................... 6

Conclusion............................................................................................................................................................... 9

TABLE DES ILLUSTRATIONS Graphique 1 : Essai à vide : E = f(Ie) ........................................................................................................................ 3 Graphique 2 : Essai en court-circuit : Icc = f(Ie) pour une vitesse Ω=1500 tr/min ................................................. 4 Graphique 3 : Essai en court-circuit : Icc = f(Ie) à Ω=1500 tr/min .......................................................................... 5 Graphique 4 : Alternateur sur le réseau : courbe P = f(Q) à courant d'excitation constant ................................... 6 Graphique 5 : Alternateur sur le réseau : courbe Q = f(Ie) à puissance mécanique constante ............................. 7

Figure 1 : Schéma électrique .................................................................................................................................. 2 Figure 2 : Diagramme de Fresnel de la machine synchrone ................................................................................... 7

INTRODUCTION

Protocole de synchronisme : Afin de synchroniser notre alternateur sur le réseau on veut que la machine tourne à 1500tr/min, soit que l’arbre tourne à une fréquence de 25Hz.

Afin de régler notre vitesse avec précision, on utilisera une lampe à sodium qui a une fréquence de décharge égale au double de sa fréquence d’alimentation, dans notre cas 100Hz. Une croix est dessinée en bout d’arbre. Elle a pour but de fixer notre vitesse de rotation. En effet, lorsque l’on perçoit la croix immobile cela signifie que l’arbre a une fréquence de 25 Hz, soit 1500tr/min.

Le système d’entrainement : Une machine à courant continu (MCC) entraine la machine synchrone qui fa i t fon ct ionner i c i une turbine. Celle-ci ne peut fonctionner qu’en mode moteur à cause de la structure de son alimentation. En effet, le pont redresseur qui l’alimente impose un courant positif à travers le moteur.

Nota : la tension V sera aussi positive

Les équations qui décrivent la MCC sont les suivantes : C = k*I

V = RI + kΩ

On remarque que pour augmenter le couple délivré par la machine à courant continu, il faudra augmenter I (par conséquent la valeur de la tension V). Pour cela, on agit sur la position du curseur de l’autotransformateur de manière à augmenter la tension alternative qu’il délivre et qui alimente le pont redresseur.

1

I] ALTERNATEUR EN FONCTIONNEMENT AUTONOME

1.1. DETERMINATION DES ELEMENTS DU MODELE DE LA REACTANCE SYNCHRONE

Voici ci-dessous le schéma de modélisation de l’alternateur :

Figure 1 : Schéma électrique

Dans cette première partie, nous allons déterminer la valeur de la réactance synchrone Xs, ainsi que sa valeur réduite. Rs est négligeable car il est largement inférieur à Xs ; pour cela, nous ne chercherons pas à déterminer sa valeur.

2

a) Caractéristique à vide

La courbe ci-après présente le relevé de la force électromotrice à vide de la machine (mesure de 𝑉𝑉𝑠𝑠 lorsque 𝐼𝐼𝑠𝑠=0).

Pour que les mesures soient exploitables certaines conditions ont été imposées :

• La machine à courant continu doit tourner à la vitesse de synchronisme sur l’ensemble de l’essai. Pour

cela, on utilise le dispositif optique présenté précédemment. Il permet de contrôler la vitesse de synchronisme par effet stroboscopique.

• Le courant d’excitation est augmenté de manière monotone au long de cet essai. Pour placer la tension simple nominale « Vn » sur la courbe, on divise la tension nominale composée indiquée sur la plaque signalétique de l’alternateur par √3 :

Vn =Un√3

=380√3

= 220𝑉𝑉

Cette tension est représentée par un segment horizontal dessinée sur le graphique ci-dessous.

Graphique 1 : Essai à vide : E = f(Ie)

On peut observer que la tension nominale arrive avant le coude de saturation du matériau magnétique, or, si on cherche à optimiser le matériau magnétique il faudrait que cette tension se trouve au début du coude de saturation. Ce graphique permet de déduire le coefficient 𝑘𝑘𝑣𝑣 de cet alternateur en prenant le coefficient directeur de la droite avant le coude de saturation :

𝒌𝒌𝒗𝒗=60 𝑽𝑽/𝑨𝑨

y = 60,046x

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tens

ion

à vi

de E

(V)

Courant d'excitation Ie (A)

Essai à vide

Vn

Série1

Linéaire (Partie linéaire)

3

b) Caractéristique de court-circuit

Le graphique ci-après présente la caractéristique de l’alternateur lorsque celui-ci est placé en court-circuit :

Graphique 2 : Essai en court-circuit : Icc = f(Ie) pour une vitesse Ω=1500 tr/min

Le coefficient 𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐 de l’alternateur est défini par le coefficient directeur de cette droite : 𝒌𝒌𝒄𝒄𝒄𝒄=𝟎𝟎.𝟔𝟔0

Ensuite, la vitesse de rotation de la MCC a été variée, le courant d’excitation est quant à lui resté invariant. L’exploitation de cet essai montre que l’effet de la vitesse sur la mesure est nul puisque l’on retombe sur le même courant de court-circuit. On peut justifier ces résultats par le calcul :

La caractéristique Icc = f(Ie) ne dépend pas de la vitesse de rotation.

Cet essai permet de déterminer les éléments du modèle de la réactance synchrone :

𝑿𝑿𝒔𝒔= 𝒌𝒌𝒗𝒗/𝒌𝒌𝒄𝒄𝒄𝒄=100 𝜴𝜴

𝐷𝐷𝑎𝑎𝑛𝑛𝑠𝑠 𝑐𝑐𝑒𝑒𝑡𝑡𝑡𝑡𝑒𝑒 𝑚𝑚𝑜𝑜𝑑𝑑é𝑙𝑙𝑖𝑖𝑠𝑠𝑎𝑎𝑡𝑡𝑖𝑖𝑜𝑜𝑛𝑛, 𝑛𝑛𝑜𝑜𝑢𝑢𝑠𝑠 𝑠𝑠𝑢𝑢𝑝𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑖𝑖𝑚𝑚𝑜𝑜𝑛𝑛𝑠𝑠 𝑙𝑙𝑎𝑎 𝑟𝑟é𝑠𝑠𝑖𝑖𝑠𝑠𝑡𝑡𝑎𝑎𝑛𝑛𝑐𝑐𝑒𝑒 𝑅𝑅𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑢𝑢 schéma, puisque 𝑅𝑅𝑠𝑠<<𝑋𝑋𝑠𝑠

Valeur réduite de la réactance synchrone : 𝒁𝒁𝒏𝒏=𝑽𝑽𝒏𝒏/𝑰𝑰𝒏𝒏=𝟐𝟐𝟐𝟐𝟎𝟎𝟒𝟒/𝟓𝟓=𝟒𝟒𝟖𝟖,𝟗𝟗 𝜴𝜴

Valeur réduite : 𝒙𝒙=𝑿𝑿𝒔𝒔/𝒁𝒁𝒏𝒏=100/𝟒𝟒𝟖𝟖,=2,05

La valeur réduite de la réactance synchrone est de 2,05, valeur proche des résultats du TD : 1.93.

Ces valeurs réduites permettent de comparer des machines de tailles différentes entre elles.

y = 0,595x

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Cour

ant e

n co

urt-

circ

uit (

A)

Courant d'excitation Ie (A)

Essai en court circuit

4

1.2. CARACTERISTIQUE EN CHARGE

Nous allons maintenant nous intéresser à la caractéristique de l’alternateur lorsqu’on lui affecte une charge. Ces dernières sont simulées par des résistances électriques purement résistives (seulement une puissance active, cos𝜑𝜑=1.

Cette courbe passe par le point de fonctionnement (voir ci-dessous, 𝑉𝑉𝑛𝑛=230𝑉𝑉 ;=0,8𝐼𝐼𝑛𝑛=3.6𝐴𝐴).

Pour cet essai, la charge va variée tout en conservant un courant d’excitation et une vitesse de rotation constante.

Voici les résultats obtenus :

Graphique 3 : Essai en court-circuit : Icc = f(Ie) à Ω=1500 tr/min

Grâce au modèle, on sait que :

𝑬𝑬=𝒋𝒋𝑳𝑳𝒘𝒘𝒔𝒔𝑰𝑰𝒔𝒔+𝑽𝑽𝒔𝒔

𝒆𝒆𝒕𝒕 𝒂𝒂𝒊𝒊𝒏𝒏𝒔𝒔𝒊𝒊: 𝑽𝑽𝒔𝒔=𝑬𝑬−𝒋𝒋𝑳𝑳𝒘𝒘𝒔𝒔𝑰𝑰𝒔𝒔

E étant constant, On remarque que si le courant Is augmente, Vs diminue de manière linéaire.

L’exploitation de la caractéristique présente ci-dessus est donc justifiée.

Cet essai nous permet de valider le modèle choisi.

y = -26,461x + 316,29

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

Tens

ion

(V)

Courant (A)

Caractéristiques en charge

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II] ALTERNATEUR SUR LE RESEAU

2.1. COUPLAGE DE LA MACHINE SYNCHRONE

Conditions pour que l’alternateur puisse être couplé au réseau :

• Les tensions aux bornes de l’alternateur et du réseau doivent être en phase (fonction réalisée par des voltmètres et un boitier triphasé de mesure). Explications : le boitier triphasé est composé de trois diodes. Lorsque les trois diodes sont éteintes, cela signifie que les voltmètres mesurent une différence de potentiel entre le réseau et les bornes de la machine de 0 V. A ce moment précis, cela veut dire que nos tensions sont en phases : le couplage est réalisable.

• La valeur de ces deux tensions doivent être identiques (fonction réalisée par des voltmètres)

• L’ordre de succession des phases doit être identique pour éviter la création de court-circuit.

Lorsque les conditions décrites précédemment sont simultanément réunies, le couplage au réseau est possible. Un bouton de couplage va permettre de réaliser le couplage en fermant les contacts ouverts. Nota : Pour la suite des manipulations, la valeur du courant d’excitation ne descendra pas en dessous de 9 A.

2.2. ÉCHANGES DE PUISSANCE AVEC LE RESEAU

Lors de la suite des essais, la machine synchrone est couplée au réseau. Quatre essais seront représentés sur les graphiques, ils seront présentés ci-dessous :

1. Deux essais à courant d’excitation constant (Ie = 10 A puis 16 A). La puissance active fournie par l’alternateur variera entre -0.5 et 2.9 kW

Graphique 4 : Alternateur sur le réseau : courbe P = f(Q) à courant d'excitation constant

2. Deux essais à puissance mécanique d’entrainement constante (P = 1 kW puis 2 kW). Le courant

d’excitation variera entre 6 et 16 A

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Graphique 5 : Alternateur sur le réseau : courbe Q = f(Ie) à puissance mécanique constante

Le diagramme de Fresnel présenté ci-dessous va permettre d’expliquer les comportements observés sur

les graphiques :

Figure 2 : Diagramme de Fresnel de la machine synchrone

1. Pour la première partie des essais où le courant d’excitation est constant, nous allons déplacer notre

caractéristique P = f(Q), sur le cercle de centre O’. Voici les deux cas observés : (on ne considère pas le cas à 9A)

• Ie = 10 A : Lorsque P augmente, alors Q augmente : On se situe sur le cercle de centre O’, à une abscisse sur le segment 𝑂𝑂𝑂𝑂′

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Puiss

ance

réac

tive

Q (V

AR)

Courant d'excitation Ie (A)

Alternateur sur le réseau

P=1kW

P=2kW

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• Ie = 16 A : Lorsque P augmente, alors Q diminue : On se situe sur le cercle de centre O’, à une abscisse sur le segment 𝑂𝑂𝐴𝐴

2. Concernant l’essai à puissance mécanique d’entrainement constante, la caractéristique P = f(Q) va se

déplacer sur la droite Pméca = constante. Pour les deux cas (P = 1 kW et 2 kW), lorsque l’on augmente la valeur du courant d’excitation, on se déplace sur la droite Pméca = constante de la gauche vers la droite.

Par conséquent, pour une puissance mécanique constante, en jouant sur la valeur du courant d’excitation on peut ajuster la valeur de la puissance réactive fournit au réseau.

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CONCLUSION

Au cours de se TP, différentes manipulations ont étaient réalisé et nous avons pu mieux comprendre le fonctionnement des machines électriques. La caractérisation de l’alternateur a été réalisée grâce aux essais à vide et en court-circuit effectués sur la machine synchrone. Ces deux essais nous ont permis d’obtenir la caractérisation de l’alternateur, ils ont aussi mis en évidence les comportements physiques d’une telle machine. Nous avons pu constater l’apparition du coude de saturation lorsque l’on s’intéresse à la valeur de la tension à vide aux bornes de la machine en fonction du courant d’excitation de celle-ci. Le second résultat important de cette série d’essai est que la vitesse de rotation d’une telle machine n’a aucune influence sur la caractéristique Icc=f(Ie), cette propriété a été retrouvée par démonstration théorique. Dans la suite du TP, l’étude de la caractéristique (V, I) de la machine en charge à conforter le choix d’une telle modélisation. Le comportement en charge s’avère cohérent avec la caractérisation de l’alternateur par le modèle de la réactance synchrone.

Dans la dernière partie du TP, nous avons étudié le fonctionnement de cette machine couplée avec le réseau, l’étude de la démarche de couplage a été réalisée. Les résultats de ces essais permettent d’observer le comportement des puissances échangées entre réseau et machine synchrone, le recourt au diagramme de Fresnel permet d’expliquer les comportements observés. Il faut retenir que la puissance active et réactive fournit au réseau est pilotable dans le cas e l’utilisation d’une machine synchrone.

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