Machines synchrones — moteurs, générateurs et compensateurs
Les machines synchrones sont des machines électriques à courant alternatif dans lesquelles le rotor et le champ magnétique des courants du stator tournent de manière synchrone.
Les générateurs synchrones triphasés sont les machines électriques les plus puissantes. La puissance unitaire des générateurs synchrones dans les centrales hydroélectriques est de 640 MW et dans les centrales thermiques de 8 à 1200 MW. Dans une machine synchrone, l'un des enroulements est relié à un réseau alternatif et l'autre est excité par du courant continu. L'enroulement de courant alternatif est appelé enroulement d'induit.
Le bobinage d'induit convertit toute la puissance électromagnétique de la machine synchrone en puissance électrique et inversement. Par conséquent, il est généralement placé sur un stator, appelé armature. La bobine d'excitation consomme 0,3 à 2% de la puissance convertie, elle est donc généralement située sur un rotor rotatif, appelé inducteur, et la faible puissance d'excitation est fournie par des bagues collectrices ou des dispositifs d'excitation sans contact.
Le champ magnétique de l'induit tourne à une vitesse synchrone n1 = 60f1 / p, rpm, où p = 1,2,3 … 64, etc. est le nombre de paires de pôles.
Avec une fréquence de réseau industriel f1 = 50 Hz, plusieurs vitesses synchrones à un nombre de pôles différent : 3000, 1500, 1000, etc.). Le champ magnétique de l'inducteur étant fixe par rapport au rotor, pour l'interaction continue des champs de l'inducteur et de l'induit, le rotor doit tourner à la même vitesse synchrone.
Construction de machines synchrones
Le stator d'une machine synchrone à enroulement triphasé ne diffère pas par sa construction stator de machine asynchrone, et le rotor avec une bobine excitatrice est de deux types : pôle proéminent et pôle implicite. À des vitesses élevées et un petit nombre de pôles, des rotors à pôles implicites sont utilisés car ils ont une structure plus durable, et à des vitesses faibles et un grand nombre de pôles, des rotors à pôles saillants de construction modulaire sont utilisés. La résistance de ces rotors est moindre, mais ils sont plus faciles à fabriquer et à réparer. Rotor polaire apparent :
Ils sont utilisés dans les machines synchrones avec un grand nombre de pôles et un n faible en conséquence. Centrales hydroélectriques (hydrogénérateurs). fréquence n de 60 à plusieurs centaines de tours par minute. Les hydrogénérateurs les plus puissants ont un diamètre de rotor de 12 m avec une longueur de 2,5 m, p = 42 et n = 143 tr/min.
Rotor indirect :
Enroulement - diamètre d = 1,2 - 1,3 m dans les canaux du rotor, la longueur active du rotor ne dépasse pas 6,5 m TPP, NPP (générateurs à turbine). S = 500 000 kVA dans une machine n = 3000 ou 1500 tr/min (1 ou 2 paires de pôles).
En plus de la bobine de champ, un amortisseur ou une bobine d'amortissement est situé sur le rotor, qui est utilisé pour le démarrage des moteurs synchrones. Cette bobine est réalisée à l'instar d'une bobine de court-circuit à cage d'écureuil, mais de section beaucoup plus petite, puisque le volume principal du rotor est occupé par la bobine de champ.Dans les rotors à pôles non uniformes, le rôle de l'enroulement amortisseur est joué par les surfaces des dents pleines du rotor et les cales conductrices dans les canaux.
Le courant continu dans l'enroulement d'excitation d'une machine synchrone peut être fourni à partir d'un générateur de courant continu spécial installé sur l'arbre de la machine et appelé excitateur, ou à partir du secteur via un redresseur à semi-conducteur. 
Voir aussi sur ce sujet :
But et disposition des machines synchrones
Comment fonctionnent les turbos et hydrogénérateurs synchrones
Une machine synchrone peut fonctionner en génératrice ou en moteur. Une machine synchrone peut fonctionner comme un moteur si un courant de réseau triphasé est fourni à l'enroulement du stator. Dans ce cas, du fait de l'interaction des champs magnétiques du stator et du rotor, le champ du stator entraîne le rotor avec lui. Dans ce cas, le rotor tourne dans le même sens et à la même vitesse que le champ statorique.
Le fonctionnement en génératrice des machines synchrones est le plus courant et la quasi-totalité de l'énergie électrique est générée par des génératrices synchrones.Les moteurs synchrones sont utilisés avec une puissance supérieure à 600 kW et jusqu'à 1 kW en tant que micromoteurs. Les générateurs synchrones pour des tensions jusqu'à 1000 V sont utilisés dans les unités pour les systèmes d'alimentation autonomes.
Les unités équipées de ces générateurs peuvent être fixes et mobiles. La plupart des unités sont utilisées avec des moteurs diesel, mais elles peuvent être alimentées par des turbines à gaz, des moteurs électriques et des moteurs à essence.
Un moteur synchrone ne diffère d'un générateur synchrone que par une bobine d'amortissement de démarrage, qui doit assurer de bonnes propriétés de démarrage du moteur.
Schéma d'un générateur synchrone à six pôles.Les coupes transversales des enroulements d'une phase (trois enroulements connectés en série) sont représentées. Les enroulements des deux autres phases s'insèrent dans les fentes libres indiquées sur la figure. Les phases sont connectées en étoile ou en triangle.
Mode générateur : le moteur (turbine) fait tourner le rotor dont la bobine est alimentée en tension constante ? il y a un courant qui crée un champ magnétique permanent. Le champ magnétique tourne avec le rotor, traverse les enroulements du stator et induit une FEM de même amplitude et fréquence mais décalée de 1200 (système triphasé symétrique).
Mode moteur : l'enroulement du stator est connecté à un réseau triphasé, et l'enroulement du rotor à une source de courant continu. En raison de l'interaction du champ magnétique tournant de la machine avec le courant continu de la bobine d'excitation, un couple Mvr se produit, qui entraîne le rotor à tourner à la vitesse du champ magnétique.
La caractéristique mécanique d'un moteur synchrone — dépendance n (M) — est une section horizontale.
Film fixe éducatif - "Moteurs synchrones" produit par l'usine de matériel éducatif en 1966.
Vous pouvez le visionner ici : Film fixe «Moteur synchrone»
Application des moteurs synchrones L'utilisation massive de moteurs asynchrones avec une sous-charge importante complique le fonctionnement des systèmes et des centrales électriques : le facteur de puissance dans le système diminue, ce qui entraîne des pertes supplémentaires dans tous les appareils et lignes, ainsi que leur utilisation insuffisante dans termes de puissance active. Par conséquent, l'utilisation de moteurs synchrones est devenue nécessaire, en particulier pour les mécanismes à entraînement puissant.
Les moteurs synchrones ont un gros avantage par rapport aux moteurs asynchrones, à savoir que, grâce à l'excitation CC, ils peuvent fonctionner avec cosphi = 1 et ne consomment pas de puissance réactive du réseau, et pendant le fonctionnement, lorsqu'ils sont surexcités, ils donnent même de la puissance réactive au réseau. En conséquence, le facteur de puissance du réseau est amélioré et la chute de tension et les pertes y sont réduites, ainsi que le facteur de puissance des générateurs fonctionnant dans les centrales électriques.
Le couple maximal d'un moteur synchrone est proportionnel à U, et pour un moteur asynchrone U2.
Par conséquent, lorsque la tension chute, le moteur synchrone conserve une capacité de charge plus élevée. De plus, l'utilisation de la possibilité d'augmenter le courant d'excitation des moteurs synchrones permet d'augmenter leur fiabilité en cas de chutes de tension d'urgence dans le réseau et d'améliorer dans ces cas les conditions de fonctionnement du système électrique dans son ensemble. En raison de la plus grande taille de l'entrefer, les pertes supplémentaires dans l'acier et dans la cage du rotor des moteurs synchrones sont plus faibles que celles des moteurs asynchrones, donc le rendement des moteurs synchrones est généralement plus élevé.
D'autre part, la construction des moteurs synchrones est plus compliquée que celle des moteurs à induction à cage d'écureuil, et de plus, les moteurs synchrones doivent avoir un excitateur ou un autre dispositif pour alimenter une bobine CC. En conséquence, les moteurs synchrones sont dans la plupart des cas plus chers que les moteurs asynchrones à cage d'écureuil.
Lors du fonctionnement des moteurs synchrones, des difficultés considérables sont apparues pour leur démarrage.Ces difficultés ont déjà été surmontées.
Le démarrage et le contrôle de la vitesse des moteurs synchrones sont également plus difficiles. Cependant, l'avantage des moteurs synchrones est si grand qu'à des puissances élevées, il est conseillé de les utiliser partout où des démarrages et des arrêts fréquents et un contrôle de la vitesse ne sont pas nécessaires (moteurs générateurs, pompes puissantes, ventilateurs, compresseurs, broyeurs, concasseurs, etc.). ).
Voir également:
Schémas typiques de démarrage de moteurs synchrones
Propriétés électromécaniques des moteurs synchrones
Compensateurs synchrones
Les compensateurs synchrones sont conçus pour compenser le facteur de puissance du réseau et maintenir le niveau de tension normal du réseau dans les zones où les charges des consommateurs sont concentrées. Le mode de fonctionnement surexcité du compensateur synchrone est normal lorsqu'il fournit de la puissance réactive au réseau.
À cet égard, les compensateurs, ainsi que les batteries de condensateurs ayant les mêmes objectifs, installés dans les sous-stations de consommation, sont également appelés générateurs de puissance réactive. Cependant, en période de charge réduite des utilisateurs (par exemple, la nuit), il est souvent nécessaire d'utiliser des compensateurs synchrones et en mode de sous-excitation, lorsqu'ils consomment du courant inductif et de la puissance réactive du réseau, car dans ces cas, la tension du réseau a tendance à augmenter, et pour le maintenir à un niveau normal, il est nécessaire de charger le réseau avec des courants inductifs, ce qui provoque des chutes de tension supplémentaires dans celui-ci.
A cet effet, chaque compensateur synchrone est équipé d'un régulateur automatique d'excitation ou de tension, qui régule l'amplitude du courant d'excitation afin que la tension aux bornes du compensateur reste constante.