Moteur synchrone : le moteur à haut rendement

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.

Moteur synchrone triphasé : stator et rotor

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 

w22 magnet moteur synchrone

Une fois alimentées, les bobines deviennent des électro-aimants.

  • 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.
champ magnetique moteur weg w22
Moteur asynchrone

Les lignes de flux du stator passent au travers du rotor et sont à l’origine de courants induits et donc d’un champ magnétique. Ils créent des pertes et de la chaleur.

champ magnetique moteur synchrone w22 magnet
Moteur à aimants permanents

Un aimant permanent génère son propre champ magnétique de manière autonome et sans avoir besoin de courant induit. Il n’y a ni perte fer ni perte par effet Joule dans le rotor.

Pour le moteur synchrone, la vitesse du rotor est donc proportionnelle à la fréquence du courant triphasé alimentant le stator. Le moteur synchrone est susceptible de se comporter, selon la tension, soit en «moteur » soit en «générateur» ou «alternateur».

La variation du champ magnétique fait de la machine synchrone un moteur réversible !

  • 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.

Moteur à aimants permanents WMAGNET

Les moteurs synchrones, alimentés en courant alternatif, se distinguent des moteurs asynchrones par leur capacité à conserver une synchronisation parfaite entre la fréquence d’alimentation et la vitesse de rotation de l’arbre. La notion de glissement ne concerne pas les moteurs de type synchrone.

Grâce à la suppression des pertes Joule rotoriques, on obtient alors une réduction de la température de fonctionnement et une réduction de la taille de la carcasse. Ce type de moteur est fortement usité dès lors que les applications nécessitent un couple constant.

En éliminant les pertes Joule rotorique, le moteur synchrone WEG WMagnet offre un rendement énergétique IE5 !

Principe du moteur synchrone

Les vitesses angulaires des champs statorique et rotorique sont identiques et donc synchrones. L’attraction mutuelle des pôles de noms contraires est à l’origine des forces développées entre eux. 

Le rotor composé d’un barreau aimanté est soumis à une induction B provoquée par les bobinages statoriques. 

Le couple développé est alors égal à :
C = M . B . sin θ

induction moteur w22
rotor weg w22

L’angle θ augmente avec le couple résistant :

En fonctionnement si la valeur du couple résistant augmente et entraîne une valeur de θ qui dépasse le système devient instable : pour une augmentation de charge, le couple moteur diminue.

Au démarrage lorsque le moteur est raccordé directement sur le réseau triphasé, la montée en vitesse du champ tournant statorique est telle qu’il est probable que l’inertie et le couple résistant de la charge à entraîner empêche la montée en vitesse du rotor, l’angle θ va varier de 0 à 2π avec une valeur moyenne nulle de sin θ. Le moteur ne démarre pas.

L’angle θ augmente avec le couple résistant :

En fonctionnement si la valeur du couple résistant augmente et entraîne une valeur de θ qui dépasse le système devient instable : pour une augmentation de charge, le couple moteur diminue.

Au démarrage lorsque le moteur est raccordé directement sur le réseau triphasé, la montée en vitesse du champ tournant statorique est telle qu’il est probable que l’inertie et le couple résistant de la charge à entraîner empêche la montée en vitesse du rotor, l’angle θ va varier de 0 à 2π avec une valeur moyenne nulle de sin θ. Le moteur ne démarre pas.

Zone Bleue : fonctionnement stable démarrage possible grâce à un convertisseur de fréquence

Le convertisseur de fréquence grâce à un dispositif permettant de mesurer la position angulaire du rotor par rapport au champ statorique peut contrôler l’angle θ et donc le couple moteur.

Moteur synchrone en fonctionnement générateur

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.

Autres applications des moteurs synchrones

Hors les exemples cités dans les éoliennes, les centrales électriques et le secteur automobile, les moteurs synchrones sont utilisés dans les applications où il est nécessaire d’avoir des vitesses de rotation précises et constantes. C’est notamment le cas dans l’industrie chimique concernant la vitesse de certains réacteurs.

Le moteur synchrone est également utilisé pour la motorisation des ascenseurs. Ce moteur revient en force parallèlement au développement des variateurs de vitesse.

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