Autrefois utilisés 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 triphasé.
Elle se comporte en convertisseur réversible d’énergie électromagnétique : on peut l’utiliser en moteur ou en générateur.
Stator et rotor dans un moteur synchrone triphasé
- Le stator, est un cylindre métallique, c’est la partie fixe du moteur. Trois bobines, chacune alimentée par une phase, sont placées autour de l’axe du stator avec un décalage de 120°, elles sont donc équidistantes.
- Le rotor est un aimant ou bien peut être lui aussi une bobine alimentée par un courant continu.
Une fois alimentées, les bobines deviennent des électroaimants. – La bobine du rotor alimentée par un courant continu crée un champ magnétique permanent – Les bobines du stator alimentées par un courant triphasé provoquent un champ magnétique, son opposé, ou aucun champ magnétique selon la variation de la tension créant le champ magnétique tournant. Celui-ci entraîne la rotation de l’aimant central et du rotor.
Pour le moteur synchrone, la vitesse du rotor est donc proportionnelle à la fréquence du courant triphasé alimentant le stator.
La variation du champ magnétique fait de la machine synchrone un moteur réversible. Le moteur synchrone est susceptible de se comporter, selon la tension, soit en « moteur » soit en « générateur » ou « alternateur ».
• En fonctionnement moteur, l’énergie électrique apportée par la source est transformée en énergie mécanique.
•
En fonctionnement générateur ou alternateur, l’énergie mécanique est
transformée en énergie électrique redirigée vers la source.
Application du moteur synchrone en fonctionnement générateur : les éoliennes, les barrages hydroélectriques
En fonctionnement générateur, le moteur synchrone peut rediriger l’énergie électrique. Cette application trouve des débouchés sur les éoliennes : dans sa version à rotor bobiné, la machine synchrone triphasée est le convertisseur attitré pour la production d’électricité, ceci grâce à la possibilité de fournir de l’énergie réactive en modulant le courant d’excitation.
Les alternateurs des centrales électriques qui convertissent l’énergie mécanique en énergie électrique fonctionnent sur le principe des moteurs synchrones.
Pour des puissances inférieur à environ 50 kW, les moteurs synchrones à aimants permanents (plutôt qu’à bobine) présentent des avantages certains et trouvent des applications dans le secteur automobile avec des avantages indéniables :
• Inertie et poids plus faible qu’avec un rotor bobiné. La puissance massique devient plus importante que les pour les autres moteurs électriques. Cela apporte des avantages en terme d’encombrement et de poids, ou lorsque une dynamique importante est requise.
• Rendement amélioré grâce à l’absence de consommation dans le rotor
• Entretien réduit dû à l’absence de balais.
On observe quelques limitations, dont le coût élevé des aimants et une induction non réglable, rendant es réglages plus compliqués. Il faut également prendre en compte le risque de démagnétisation des aimants et une tenue en température réduite. La commande complexe de ces moteurs ne pose cependant plus de problème grâce aux innovations et aux nouvelles performances de l’électronique de puissance et de contrôle.
Exemple de moteur synchrone triphasé WEG : le W22 Magnet à aimants permanents
En éliminant les pertes Joule rotorique, le w22 Magnet présente un rendement énergétique exceptionnel et des performances hors normes.
Autres applications des moteurs synchrones
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