MOTEUR SYNCHRONE
Le stator est le même que celui du moteur asynchrone : alimenté en courant alternatif, il produit un champ magnétique tournant dont la vitesse est fixée par la fréquence du courant et le nombre de pôles du bobinage. Le rotor est un aimant permanent ou un électroaimant à courant continu. On peut dire de façon imagée que l’aimant du rotor s’accroche au champ tournant du stator et tourne à la même vitesse. Ou encore, que les pôles magnétiques Nord et Sud du rotor sont entraînés à la même vitesse par les pôles de noms contraires du champ tournant du stator. Quand il fonctionne, le moteur synchrone s’adapte aux variations de la charge par de faibles variations de distance angulaire entre les pôles des champs tournants du stator et du rotor, conduisant au final à la variation de la puissance active absorbée par le stator. La vitesse du rotor reste toujours égale à la vitesse du champ tournant.
Si le moteur synchrone est alimenté par le réseau 50 Hz, la vitesse du rotor est exactement égale à un sous-multiple de 50 tours par seconde (autrement dit à un sous-multiple de 3000 tr/min). De nombreux petits moteurs synchrones monophasés, à rotor à aimant permanent, et dans une configuration à démarrage spontané, sont « depuis toujours » appréciés pour leur vitesse rigoureusement constante, liée à la fréquence
réseau : programmateurs en électroménager par exemple (lave-linge, four, …).
Pour les applications industrielles, le moteur synchrone est resté longtemps marginal car il présente deux inconvénients quand il est alimenté directement par le réseau :
– il ne démarre pas spontanément, car le rotor ne peut pas tourner instantanément pour
suivre le champ tournant du stator qui démarre, lui, sans aucune inertie ;
– si la charge augmente trop, le rotor « décroche » du champ tournant statorique, il cale brusquement et se met à vibrer.
Dans les années 80, le développement des alimentations électroniques triphasées à fréquence réglable a d’abord révolutionné l’utilisation des moteurs synchrones, avec la génération des moteurs synchrones « auto-pilotés », avant d’atteindre le domaine des moteurs asynchrones une dizaine d’années plus tard. Dans les moteurs synchrones auto-pilotés,
la fréquence des courants du stator (et par conséquent la vitesse du champ tournant
entraînant le rotor) est contrôlée par des capteurs mesurant en permanence la position du champ magnétique du rotor par rapport à la position du champ magnétique tournant. Les
problèmes de démarrage et de décrochage sont résolus, et la vitesse devient réglable par une action extérieure sur la fréquence.
La robotique, les centres d’usinage à commande numérique, l’usinage à très grande vitesse, utilisent des moteurs synchrones auto-pilotés à rotor à aimants permanents, en
raison de leur très grande puissance massique (en kW/kg), des possibilités de vitesses de rotation élevées, et en raison de l’absence de pertes Joule et de pertes magnétiques au
rotor. Les puissances peuvent aller jusqu’à la dizaine de kW. L’industrie textile les utilise pour la facilité qu’ils offrent de créer des mouvements parfaitement synchrones : tous
les moteurs alimentés avec la même fréquence tournent exactement à la même vitesse.
En très petite puissance, ils donnent aux disques durs de micro-ordinateurs et aux têtes de lecture de magnétoscopes, des vitesses de rotation parfaitement maîtrisées. Les lecteurs de disquettes informatiques et les cabestans de magnétoscopes (entraînement de la bande) sont en général à moteur synchrone triphasé auto-piloté à champ axial, pour
être les plus plats possible. Les bobines du stator, l’électronique de commande, les capteurs à effet Hall, tout est sur le même circuit imprimé. Le champ se referme par une plaque de fer opposée, et le rotor est un disque en aimant permanent, entre les deux plans parallèles du stator.
Les moteurs synchrones de forte puissance ont un rotor à électroaimant excité en courant continu. De tels moteurs, auto-pilotés, sont utilisés en traction électrique (TGV
Atlantique, locomotives Sybic) où ils ont assuré la transition, pour les matériels fabriqués dans les années 80, entre les moteurs à courant continu et les moteurs asynchrones. Dans
certaines applications de grande puissance et de fonctionnement permanent comme l’entraînement de pompes en pétrochimie, de compresseurs ou de gros ventilateurs, des
moteurs synchrones de l’ordre des MW étaient utilisés bien avant l’arrivée des moteurs auto-pilotés, malgré le problème du démarrage. Ils étaient appréciés pour leur excellent rendement (pouvant être supérieur à 95 %), leur alimentation sous plusieurs kV ainsi que leurs possibilités de réglage de la puissance réactive. En effet, pour une même puissance mécanique fournie sur l’arbre et une même puissance électrique active absorbée (en watts), le moteur synchrone peut fonctionner sans puissance réactive (en var), il peut aussi en absorber, ou en fournir au réseau, suivant les besoins, par un réglage de l’intensité d’excitation de l’électroaimant rotorique en courant continu (ça se complique, n’est-ce pas ?!).
Si les problèmes de démarrage et de décrochage ont longtemps exclu les moteurs synchrones de la plupart des usages industriels et les ont cantonnés à quelques applications seulement, on pourrait maintenant en trouver partout, grâce aux alimentations électroniques auto-pilotées à fréquence réglable. En fait, s’il y a le choix, les moteurs asynchrones retiennent la préférence des industriels car ils sont beaucoup moins coûteux et peuvent dorénavant couvrir la plupart des besoins. Après une décennie de gloire, les moteurs
synchrones semblent donc à nouveau dévolus à occuper seulement quelques « niches » où leurs qualités sont irremplaçables.
Quand le rotor est à aimant permanent, les moteurs synchrones sont en général qualifiés de « moteurs brushless » (sans balais). Bien sûr, les moteurs asynchrones sont eux
aussi sans balais, mais l’appellation brushless ne les concerne pas. Elle a commencé d’être utilisée quand les moteurs synchrones auto-pilotés et à aimants permanents sont
apparus, à cause de leurs propriétés très voisines de celles des moteurs à courant continu, qui ont des balais. Depuis, le nom a été conservé, et même, certains moteurs synchrones
auto-pilotés à aimants permanents ont des comportement tellement proches des moteurs à courant continu qu’on les appelle « moteurs brushless à courant continu » !
On ne peut finir cet exposé sans mentionner que les alternateurs des centrales hydroélectriques réversibles fonctionnent en moteurs synchrones pour remonter l’eau dans le lac supérieur pendant les heures creuses (les turbines fonctionnent alors en pompes). Les puissances en jeu sont considérables.
Autrefois utilisés quasi exclusivement en alternateur, le développement de l'électronique de puissance et la
généralisation des aimants comme inducteur permettent aujourd'hui d'employer les machines synchrones en
tant que moteurs dans une large gamme de puissance. La machine synchrone dans la très grande majorité
des cas est utilisé en triphasee
1.CONSTITUTION
Comme tout moteur, la machine synchrone est constitué d'une partie mobile : le rotor et d'une partie fixe :
le stator.
Stator :
Le stator est habituellement l'induit (siège de la transformation de puissance). Le stator est constitué d'un
bobinage triphasé généralement couplé en étoile, découpé en p paire de pôles. Les bobinages sont insérés
dans des encoches au sein de culasse en ferrite.
Rotor :
De la même manière, l'inducteur est généralement le rotor. Suivant la technologie utilisée, le champ
magnétique est créé par des bobinages ou des aimants permanents. (cf. diaporama durant le cours).
Lorsque que l'inducteur est bobiné, il est nécessaire de conserver des balais afin de l'alimenter (mais cette
fois sans commutation).
Cette année, seule la machine synchrone brushless (sans balai, donc à aimants permanents) est au
programme. Cette structure réserve plusieurs avantages :
- pas de pertes au rotor
- pas besoin de bobinage et de balais au rotor
- Un rotor plus léger (car aimants plus légers que les bobinages) -> servomoteurs à faible inertie donc très
réactifs
- Pour les faibles dimensions, induction plus importante.
Autrefois, cette technologie ne permettait pas de réaliser des machines de très fortes dimensions (coût trop
important) mais avec les progrès réalisés sur les aimants, on observe une montée en puissance de ces
moteurs.
Les aimants utilisés sont généralement soit des ferrites (faible induction mais bon marché) ou du Samarium
cobalt (forte induction mais coûteux)
Symbole
2. PRINCIPE
Le stator alimenté par un système de tensions triphasé crée un champ tournant dans l'entrefer. Ce champ
magnétique tourne à la vitesse de f/p
tours par secondes avec f fréquence d'alimentation des bobinages
statoriques, et p le nombre de paires de pôles.
Le rotor composé de p aimants permanents va alors s'aligner avec le champ tournant. Le rotor tourne ainsi à
la même que le champ tournant. La vitesse de rotation du rotor est donc :
Ω =w/p
Rq 1 : Le synchronisme des champs magnétiques induit et inducteur impose une procédure spécifique de
démarrage ( de couplage au réseau en mode alternateur).
- En mode moteur : un moteur synchrone ne peut démarrer directement à pleine tension depuis le réseau
de fréquence 50Hz (Car le rotor a une vitesse nulle au démarrage Ω ≠w/p ). Pour une alimentation directe
en 50 Hz, il faudrait donc au préalable amener la charge à la vitesse nominale par un moteur auxiliaire
puis connecter l'alimentation.
Pour les moteurs brushless, la solution consiste à utiliser un onduleur (système électronique recréant un
système de tension triphasé de fréquence et d'amplitude voulu) . Autrefois, le rotor devait être lancé à la
vitesse de synchronisme par un dispositif tierce et la variation de vitesse était impossible à réaliser.
- En mode alternateur (pour les machines à rotor bobiné essentiellement) : avant de connecter la machine
synchrone au réseau, il faut lancer le rotor à la vitesse de synchronisme par un moteur annexe, puis en
modulant le courant d'induction, amener la fem crée par l'alternateur à la même valeur que la tension
du réseau.
Rq 2 : Le problème de ce mode de fonctionnement de la machine synchrone est son instabilité. Les constantes
de temps électrique étant beaucoup plus faibles que les constantes de temps mécaniques, le moindre
changement rapide de courant statorique entraîne le décrochage du champ magnétique crée par le rotor.
Pour cette raison, le moteur synchrone, en pratique, ne peut fonctionner correctement qu'en étant asservi
afin de maintenir en permanence les champs statoriques et rotoriques "en phase".
3. MODELE ELECTRIQUE :
La machine synchrone triphasée à aimants permanents peut être représentée par le schéma électrique page
suivante (schéma équivalent monophasé) :
Rq 1 : Le module de la fem dépend du champ magnétique crée par l'inducteur.
On peut l'écrire sous la forme : E=k × N× f×Q
avec : K, constante de Kapp dépendant de la machine
N : nombre de conducteurs dans un enroulement
f : fréquence d'alimentation
Q: flux max passant par une spire
Dans le cas de machine synchrone à rotor bobiné, en mode génératrice, en jouant sur le courant d'excitation,
on peut faire varier E. On modifie ainsi le comportement de l'alternateur, qui peut être réglé de manière à fournir de l'énergie réactive (on parle alors de compensateur synchrone).
Rq 2 : Lorsque l'on étudie la machine synchrone, on peut avoir une convention différente pour le courant I
mais l'étude procède de la même démarche.
Bilan de puissance
Expresion du couple
La puissance absorbée : P= 3. V.I. cosQ
Comme énoncé dans les chapitres précédents, le moteur synchrone nécessite une commande
relativement complexe comparée à celle du moteur à courant continu. Cette commande par dispositif électronique a longtemps été le frein au développement des machines synchrones en
fonctionnement moteur. L'électronique de puissance n'était pas encore assez développée pour
permettre la commutation de fortes puissances. Le schéma d'alimentation du moteur synchrone est
le suivant :
