Chaque machine électrique rotative fonctionne selon la loi de Faraday. Chaque machine électrique nécessite un champ magnétique et une bobine (appelée armature) avec un mouvement relatif entre elles. Dans le cas d’un alternateur, nous fournissons de l’électricité au pôle pour produire un champ magnétique et la puissance de sortie est prélevée sur l’armature. En raison du mouvement relatif entre le champ et l’armature, le conducteur des armatures coupe le flux de champ magnétique et, par conséquent, il y aurait une liaison de flux changeante avec ces conducteurs d’armature. Selon la loi de Faraday sur l’induction électromagnétique, il y aurait une cem induite dans l’armature. Ainsi, dès que la charge est connectée à des bornes d’induit, un courant circule dans la bobine d’induit.
Dès que le courant commence à circuler dans le conducteur d’induit, il y a un effet inverse de ce courant sur le flux de champ principal de l’alternateur (ou générateur synchrone). Cet effet inverse est appelé réaction d’induit dans un alternateur ou un générateur synchrone. En d’autres termes, l’effet du flux d’armature (stator) sur le flux produit par les pôles de champ du rotor est appelé réaction d’armature.
On sait déjà qu’un conducteur porteur de courant produit son propre champ magnétique, et ce champ magnétique affecte le champ magnétique principal de l’alternateur.
Il a deux effets indésirables, soit il déforme le champ principal, soit il réduit le flux du champ principal ou les deux. Ils détériorent les performances de la machine. Lorsque le champ est déformé, on parle d’effet de magnétisation croisée. Et lorsque le flux de champ est réduit, on parle d’effet démagnétisant.
La conversion d’énergie électromécanique se fait par le champ magnétique en tant que milieu. En raison du mouvement relatif entre les conducteurs d’armature et le champ principal, une CEM est induite dans les enroulements d’armature dont l’amplitude dépend de la vitesse relative et du flux magnétique. En raison de la réaction de l’armature, le flux est réduit ou déformé, les champs électromagnétiques nets induits sont également affectés et, par conséquent, les performances de la machine se dégradent.
Réaction d’induit dans l’alternateur
Dans un alternateur comme toutes les autres machines synchrones, l’effet de la réaction d’induit dépend du facteur de puissance, c’est-à-dire de la relation de phase entre la tension aux bornes et le courant d’induit.
La puissance réactive (retard) est l’énergie du champ magnétique, donc si le générateur fournit une charge en retard, cela implique qu’il fournit de l’énergie magnétique à la charge. Comme cette puissance provient de l’excitation de la machine synchrone, la puissance réactive nette est réduite dans le générateur.
Par conséquent, la réaction d’induit se démagnétise. De même, la réaction d’induit a un effet magnétisant lorsque le générateur fournit une charge de pointe (car la charge de pointe prend la VAR de pointe) et donne en retour une VAR de retard (énergie magnétique) au générateur. En cas de charge purement résistive, la réaction d’induit est uniquement à magnétisation croisée.
La réaction d’induit de l’alternateur ou du générateur synchrone dépend de l’angle de phase entre le courant d’induit du stator et la tension induite aux bornes de l’enroulement d’induit de l’alternateur.
La différence de phase entre ces deux grandeurs, i.e. Le courant et la tension de l’armature peuvent varier de -90o à +90o
Si cet angle est θ, alors,
Pour comprendre l’effet réel de cet angle sur la réaction d’induit de l’alternateur, nous considérerons trois cas standard,
- Lorsque θ = 0
- Lorsque θ = 90o
- Lorsque θ = – 90o
Réaction d’induit de l’alternateur à un Facteur de Puissance unitaire
À un facteur de puissance unitaire, l’angle entre le courant d’induit I et la cem induite E est nul. Cela signifie que le courant d’induit et la cem induite sont dans la même phase. Mais nous savons théoriquement que les champs électromagnétiques induits dans l’armature sont dus au changement du flux de champ principal, lié au conducteur de l’armature.
Comme le champ est excité par le courant continu, le flux de champ principal est constant par rapport aux aimants de champ, mais il serait alternatif par rapport à l’armature car il y a un mouvement relatif entre le champ et l’armature dans l’alternateur. Si le flux de champ principal de l’alternateur par rapport à l’armature peut être représenté par
Alors la fem e induite à travers l’armature est proportionnelle à, dφf / dt.
Par conséquent, à partir de ces équations (1) et (2) ci-dessus, il est clair que l’angle entre , φf et la cem induite E sera de 90o.
Maintenant, le flux d’armature φa est proportionnel au courant d’armature I. Par conséquent, le flux d’armature φa est en phase avec le courant d’armature I.
À nouveau au facteur de puissance électrique unitaire I et E sont dans la même phase. Ainsi, au facteur de puissance unitaire, φa est en phase avec E. Donc, à cette condition, le flux d’armature est en phase avec la cem induite E et le flux de champ est en quadrature avec E. Par conséquent, le flux d’armature φa est en quadrature avec le flux de champ principal φf.
Comme ces deux flux sont perpendiculaires l’un à l’autre, la réaction d’induit de l’alternateur au facteur de puissance unitaire est purement de type distorsion ou aimantation croisée.
Comme le flux d’armature pousse le flux de champ principal perpendiculairement, la distribution du flux de champ principal sous une face polaire ne reste pas uniformément répartie. La densité de flux sous les pointes de pôle arrière augmente quelque peu tandis que sous les pointes de pôle avant, elle diminue.
Réaction d’induit de l’alternateur à un facteur de puissance Nul en retard
À un facteur de puissance électrique nul en retard, le courant d’induit accuse un retard de 90o par rapport à la cem induite dans l’induit.
Comme la cem induite dans la bobine d’induit en raison du flux de champ principal, la cem conduit donc le flux de champ principal de 90o. D’après l’équation (1), nous obtenons, le flux de champ,
Par conséquent, à wt = 0, E est maximal et φf est nul.
À wt = 90o, E est nul et φf a une valeur maximale.
À wt = 180o, E est maximum et φf zéro.
À wt = 270o, E est nul et φf a une valeur maximale négative.
Ici, φf a la valeur maximale 90o avant E. Par conséquent, φf mène E de 90o.
Maintenant, le courant d’armature I est proportionnel au flux d’armature φa, et I accuse un retard E de 90o. Par conséquent, φa accuse un retard E de 90o.
On peut donc conclure que le flux de champ φf conduit E de 90o.
Par conséquent, le flux d’armature et le flux de champ agissent directement l’un en face de l’autre. Ainsi, la réaction d’induit de l’alternateur à facteur de puissance nul en retard est de type purement démagnétisant. Cela signifie que le flux d’armature affaiblit directement le flux de champ principal.
Réaction d’induit de l’alternateur au facteur de puissance de pointe
À la condition de facteur de puissance de pointe, le courant d’induit « I » conduit la cem induite E d’un angle de 90o. Encore une fois, nous avons montré que le flux de champ φf conduit la cem induite E de 90o.
Encore une fois, le flux d’induit φa est proportionnel au courant d’induit I. Par conséquent, φa est en phase avec I. Par conséquent, le flux d’induit φa conduit également E, de 90o comme I conduit E par 90o.
Comme dans ce cas, le flux d’armature et le flux de champ conduisent, la fem induite E par 90o, on peut dire que le flux de champ et le flux d’armature sont dans la même direction. Par conséquent, le flux résultant est simplement la somme arithmétique du flux de champ et du flux d’armature. On peut donc enfin dire que la réaction d’induit de l’alternateur due à un facteur de puissance électrique purement prépondérant est de type magnétisant.
Nature de la réaction d’induit
- Le flux de réaction d’induit est de magnitude constante et tourne à vitesse synchrone.
- La réaction d’induit est une aimantation croisée lorsque le générateur fournit une charge au facteur de puissance unitaire.
- Lorsque le générateur fournit une charge au facteur de puissance principal, la réaction d’induit est en partie démagnétisante et en partie magnétisante croisée.
- Lorsque le générateur fournit une charge au facteur de puissance principal, la réaction de l’induit est en partie aimantée et en partie magnétisée.
- Le flux d’armature agit indépendamment du flux de champ principal.