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ETUDE DE LA MACHINE SYNCHRONE
Tableau récapitulatif des paramètres mesurés
Pour modéliser la machine un choix entre les différents essais a dû être fait. Pour la résistance du rotor le choix a été fait de prendre la mesure avec le courant DC. En effet celle-ci ne dépend pas de résolution graphique et le courant dans la bobine est constant. Il n’y a donc pas de risque d’avoir une mesure perturbée par la cage d’amortissement. Pour déterminer Lf la mesure à l’aide d’un courant AC a été choisi car elle possède un 𝑑𝑖.𝑑𝑡 ⁄ moins important que le saut de tension. La résistance longitudinale est déterminée à l’aide de l’essai à vide et CC. La réactance transversale est déterminée avec l’essai à faible glissement.
Déroulement d’une synchronisation
Avant de connecter la génératrice sur le réseau électrique, il est nécessaire de respecter plusieurs étapes ainsi que certaines conditions.
Mise en rotation de la turbine
La première étape pour la synchronisation est la mise en rotation de la génératrice. Dans le cadre d’une centrale hydraulique, le réglage de la vitesse de la génératrice se fait en modifiant le débit d’eau dans l’injecteur en changeant l’ouverture du pointeau. La turbine est ainsi progressivement accélérée et peut atteindre sa vitesse nominale. La turbine met en moyenne 1 minute pour atteindre la vitesse de rotation nominale.
Enclenchement de l’excitation
Une fois la turbine entrainée à vitesse nominale, le courant d’excitation de la génératrice doit être réglé pour que celle-ci produise une tension induite égale à la tension réseau. Si la tension est trop basse le courant d’excitation doit être augmenté. La centrale hydraulique de Grimsel enclenche l’excitation quand la vitesse de rotation atteint 90%.
Synchronisation la génératrice
Pour synchroniser la machine sur le réseau, plusieurs critères doivent être remplis :
La tension efficace de la génératrice doit être la même que la tension réseau. A noter qu’il est également essentiel que l’ordre des phases soit respecté entre la génératrice et le réseau.
La fréquence de l’alternateur doit aussi correspondre à la fréquence du réseau ou être légèrement plus rapide. En effet lors de la synchronisation la machine doit légèrement ralentir, ce qui signifie que la génératrice transmet de la puissance au réseau.
L’angle de phase entre la tension de la machine et la tension réseau doit être le plus petit possible pour avoir une différence de tension la plus petite possible.
En effet si l’on suppose que la tension du réseau et celle de la génératrice sont égales, il est possible de tracer le vecteur de tension réseau à 230V et supposé fixe. Le vecteur de tension du générateur lui est mobile. Lors de la synchronisation, il faut que la différence de potentiel entre les deux vecteurs soit la plus petite possible pour éviter un trop grand courant d’appel et limiter les chocs mécaniques.
Le diagramme de la Figure 24 permet de représenter les vecteurs de tension et leurs résultantes pour différents déphasages.
Le graphique de la Figure 25 représente la norme du vecteur de la tension différentielle en fonction de l’angle α. Ce graphique permet de constater que la tension différentielle augmente très rapidement, pour un déphasage de 20° la tension différentielle est de 80V soit 35% de la tension nominale de la machine.
Augmentation de la puissance
Une fois la génératrice connectée au réseau, la puissance de la turbine hydraulique peut être augmentée en augmentant le débit d’eau. Comme la vitesse de la turbine est fixée par la fréquence du réseau, le couple sur la génératrice va augmenter.
Régulation de la puissance active
En modifiant le courant d’excitation, il est possible de sous exciter la machine et donc d’être en fonctionnement inductif ou alors de surexciter la machine et d’être en fonctionnement capacitif. En effet si la machine est sous excitée la force électromotrice est plus petite que la tension du réseau, le moteur absorbe donc de la puissance tout comme peut le faire un moteur asynchrone. Lorsque le courant d’excitation est plus important, la FEM est plus grande que la tension réseau, le moteur produit de la puissance réactive.
Test de synchronisation manuel
Afin de dimensionner au mieux les équipements de mesures, des premiers tests de synchronisation ont été réalisés de manière manuelle. Ces tests permettent d’identifier les grandeurs en jeu lors d’une synchronisation telle que le couple, le courant ainsi que la tension au moment de la synchronisation avec le réseau.
Méthodologie de mesures
Le schéma de la mesure de la Figure 27 a été utilisée pour réaliser les mesures de synchronisation.
La génératrice est entrainée par un moteur synchrone à aimants permanents qui est lui-même contrôlé par un variateur. Pour simplifier la réalisation de ces mesures le moteur est régulé en vitesse. Un capteur de couple et vitesse est positionné sur l’arbre entre la génératrice et la machine de charge.
L’excitation de la génératrice est réglée pour que la tension de celle-ci corresponde à la tension du réseau une fois arrivée à vitesse nominale.
L’oscilloscope mesure la tension simple L1 de la génératrice ainsi que la tension de réseau L1. Ces deux mesures permettaient de déterminer le déphasage entre l’alternateur et le réseau. Les sondes de courant sur IL1 et IL2 permettent de mesurer les courants transitoires.
Mesures
Synchronisation en phase
Le premier test est un test de synchronisation idéale avec la phase, la tension ainsi que de fréquence correspondant au réseau.Cet essai démontre les pics de courants de ligne lors d’une synchronisation idéale. Ils sont d’environ 5A crête. Le couple mécanique lui ne varie pratiquement pas. Plusieurs tests avec une synchronisation idéale ont été réalisés pour s’assurer de la pertinence de ces mesures. En effet, le moment ou la synchronisation se réalise ne se fait pas toujours au même moment et des différences de pics de courants peuvent apparaitre.
Synchronisation déphasée de 60°
Une autre série de mesures a été réalisée, cette fois avec une synchronisation avec un angle de déphasage entre la tension du réseau et la tension de la génératrice d’environ 60°.
Cette deuxième série de mesures démontre que le courant crête dans la ligne peut atteindre les 30-40A suivant les conditions de synchronisation. Quant au couple mécanique appliqué sur l’arbre de la génératrice, il ne dépasse même pas 1Nm.
Réalisation du banc de test
Ce présent chapitre traite de la conception du banc de test, du dimensionnement ainsi que de la réalisation et de la programmation de celui-ci.
Principe de fonctionnement
Pour réaliser ce banc de test, un banc déjà existant qui permet de caractériser et mesurer automatiquement les moteurs synchrones à aimants permanents va être utilisé et modifié.
L’installation avec les variateurs de fréquence ainsi que le moteur d’entrainement a été reprise d’un ancien projet. Le rapport celui-ci est disponible en référence [8].
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Table des matières
1. INTRODUCTION
1.1. BUT DU PROJET
1.2. OBJECTIF
2. ETUDE DE LA MACHINE SYNCHRONE
2.1. DÉFINITION
2.2. STRUCTURE DE LA MACHINE
2.3. MACHINE À PÔLES SAILLANTS
2.3.1. FONCTIONNEMENT NON SATURÉ
2.3.2. SCHÉMA ÉQUIVALENT
2.3.3. FONCTIONNEMENT TRANSITOIRE
3. IDENTIFICATION DES PARAMÈTRES DE LA GÉNÉRATRICE
3.1. SPÉCIFICATION DE LA GÉNÉRATRICE DE TEST
3.2. MESURES DES BOBINAGES
3.3. ESSAI DE LA GÉNÉRATRICE À VIDE
3.4. ESSAI DE LA GÉNÉRATRICE EN COURT-CIRCUIT
3.5. ESSAI À FAIBLE GLISSEMENT
3.6. ESSAI D’EXCITATION NÉGATIVE
3.7. MESURE DE L’INDUCTANCE D’EXCITATION
3.8. MESURE DE L’INDUCTANCE AVEC SAUT DE TENSION
3.9. TABLEAU RÉCAPITULATIF DES PARAMÈTRES MESURÉS
4. DÉROULEMENT D’UNE SYNCHRONISATION
4.1. MISE EN ROTATION DE LA TURBINE
4.2. ENCLENCHEMENT DE L’EXCITATION
4.3. SYNCHRONISATION LA GÉNÉRATRICE
4.4. AUGMENTATION DE LA PUISSANCE
4.5. RÉGULATION DE LA PUISSANCE ACTIVE
5. TEST DE SYNCHRONISATION MANUEL
5.1. MÉTHODOLOGIE DE MESURES
5.2. MESURES
5.2.1. SYNCHRONISATION EN PHASE
5.2.2. SYNCHRONISATION DÉPHASÉE DE 60°
6. RÉALISATION DU BANC DE TEST
6.1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
6.2. DÉTAILS DES COMPOSANTS
6.2.1. COUPLEMÈTRE
6.2.2. ALIMENTATION DC PILOTABLE
6.2.3. VARIATEUR DE FRÉQUENCE
6.2.4. ACQUISITION DES TENSIONS ET COURANTS
6.2.5. MOTEUR DE CHARGE
6.3. PROGRAMMATION
6.3.1. COMMUNICATION AVEC LES APPAREILS
6.3.2. MODE MANUEL
6.3.3. MODE AUTOMATIQUE
6.3.4. ANALYSE
7. SIMULATION
7.1. PARAMÈTRES DU MODÈLE DE LA MACHINE
7.1.1. FACTEUR DE BOBINAGE
7.1.2. INDUCTANCE DE FUITE DU STATOR
7.1.3. INDUCTANCE MAGNÉTISANTE NON SATURÉE
7.1.4. RÉSISTANCE DE L’EXCITATION RÉFÉRENCÉE AU STATOR
7.1.5. INDUCTANCE DE FUITE DE L’EXCITATION
7.1.6. RÉSISTANCE DE L’AMORTISSEUR
7.1.7. INDUCTANCE DE FUITE DE L’AMORTISSEUR
7.1.8. RATIO DE SPIRES
7.1.9. DÉTERMINATION DU FLUX MAGNÉTISANT
7.1.10. DÉTERMINATION DE L’INERTIE ET DES FROTTEMENTS
7.1.11. TABLEAU RÉCAPITULATIF DES PARAMÈTRES
7.2. SCHÉMA DE SIMULATION
7.3. VALIDATION DU MODÈLE
7.3.1. FONCTIONNEMENT À VIDE
7.3.2. FONCTIONNEMENT EN CHARGE
7.3.3. ESSAI DE DÉCÉLÉRATION
7.3.4. DÉMARRAGE ASYNCHRONE
8. COMPARAISON ET ANALYSE
8.1. MÉTHODOLOGIE DES ESSAIS
8.2. VARIATION DU DÉPHASAGE
8.2.1. SYNCHRONISATION IDÉALE
8.2.2. DÉPHASAGE DE 20°
8.2.3. DÉPHASAGE DE 50°
8.2.4. COMPARAISON DU COURANT
8.2.5. COMPARAISON DE LA VITESSE
8.3. VARIATION DE LA TENSION INDUITE
8.4. VARIATION DE LA FRÉQUENCE
9. DÉVELOPPEMENT FUTUR
9.1. BANC DE TEST
9.2. MODÉLISATION D’UNE GÉNÉRATRICE
9.3. ETUDE DES TOLÉRANCES DE SYNCHRONISATION
9.3.1. IMPACTE DE LA TOLÉRANCE DE DÉPHASAGE
9.3.2. IMPACTE DE LA TOLÉRANCE DE FRÉQUENCE ET TENSION
10. CONCLUSIONS
11. ABRÉVIATIONS ET SYMBOLES
12. RÉFÉRENCES
13. ANNEXES
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