Machine synchrone fonctionnant en moteur

1/ Description :

L’enroulement triphasé statorique est alimenté par un système de tensions triphasé équilibré. On obtient dans l’entrefer un champ tournant dont la vitesse est donnée par (rad/s).

Le rotor, alimenté par un courant continu, est le siège d’un champ fixe. Le champ tournant rotorique entraîne le rotor à sa vitesse : accrochage. Il n’est donc possible d’avoir un couple moteur que si le rotor tourne à la vitesse du synchronisme ; d’ou l’appellation Moteur Synchrone.   

2/ Démarrage :

Un moteur synchrone ne peut démarrer seul (le rotor ne s’accroche pas au champ tournant statorique) ; il faut amener le rotor au synchronisme par le biais de l’un des artifices :

 

P Entraînement momentané par un moteur auxiliaire jusqu’à ce que la vitesse de synchronisme soit atteinte. On alimente alors le stator.

P On court-circuite momentanément l’inducteur sur lui-même et l’on effectue alors un démarrage en asynchrone d’un moteur synchrone.

P On alimente le stator par un convertisseur électronique de fréquence et l’on fait augmenter la fréquence depuis zéro jusqu’à 50Hz.

3/ Modèle équivalent en charge:

Comme pour un alternateur, le modèle de Behn Echenburg correspond à un machine à pôles lisses non saturée.

La loi des mailles s’écrit :

Le diagramme vectoriel correspondant :

4/ Bilan des puissances:

5/ Couple moteur :

Le couple moteur est donné par

Lorsque le couple résistant augmente trop, les pôles rotoriques se décrochent des pôles statoriques et le moteur s’arrête brusquement.

6/ Facteur de puissance :

La puissance réactive est une puissance magnétisante. Dans un moteur synchrone, le stator et le rotor produisent chacun un champ.

Si le courant d’excitation Ie est faible, le stator doit produire la majeure partie du champ tournant et consomme alors une puissance réactive.

Si le courant d’excitation augmente, le rotor participe à la production du champ tournant et peut même produire sa totalité. Dans ce cas, la puissance réactive absorbée par le stator est nulle.

Si l’on fait augmenter encore le courant d’excitation, le rotor peut transférer une puissance réactive au stator qui la fournit au réseau. Le facteur de puissance devient capacitif (facteur avant). Dans ce cas le moteur synchrone fonctionne en mode compensateur synchrone.

7/ Variation de vitesse :

Pour varier la vitesse d’un moteur synchrone, il faut varier la fréquence des courants statoriques :

8/ Compléments :

P Avantages :

La machine synchrone est plus facile à réaliser et plus robuste que le moteur à courant continu.

Son rendement est proche de 99%.On peut régler son facteur de puissance  en modifiant le courant d’excitation Ie.

P Inconvénients :

Un moteur auxiliaire de démarrage est souvent nécessaire.

Il faut une excitation, c’est-à-dire une deuxième source d’énergie.

Si le couple résistant dépasse une certaine limite, le moteur décroche et s’arrête.

P Utilisation :

Ils sont utilisés en forte puissance (1 à 10 MW - compresseur de pompe, concasseur); toutefois pour faire varier la vitesse, il faut faire varier la fréquence des courants statoriques.

Il a donc fallu attendre le développement de l’électronique de puissance pour commander des moteurs auto synchrones ou synchrones autopilotés (T.G.V. Atlantique - 1981).

Dans le domaine des faibles puissances, les rotors sont à aimants permanents. L’intérêt de ces moteurs réside dans la régularité de la vitesse de rotation (tourne-disque, appareil enregistreur, programmateur, servomoteur).

Le moteur synchrone peut également être utilisé comme source de puissance réactive Q pour relever le facteur de puissance  d’une installation électrique.