Moteurs synchrones

Vous avez vu dans l'étude sur le champ magnétique tournant que si l'on place une aiguille aimantée au milieu d'un champ magnétique tournant, elle sera entraînée en rotation à la même vitesse que le champ, c'est-à-dire à la vitesse synchrone.

Les moteurs synchrones fonctionnent sur le même principe : leur rotor est constitué de pôles magnétiques, et comme l'aiguille aimantée, ils tournent exactement à la vitesse du champ magnétique tournant, d'où leur nom.

Puisque la vitesse est définie par la fréquence de la tension d'alimentation, on peut en déduire que la vitesse des moteurs synchrones sera rigoureusement constante quelle que soit la variation de la charge.

Quoique cette caractéristique puisse sembler intéressante à première vue, vous verrez que l'utilisation industrielle des moteurs synchrones ne résulte pas nécessairement de leur vitesse constante.

Dans cette étude, vous vous familiariserez avec :

• la construction ;
• le fonctionnement des moteurs synchrones.

Vous étudierez aussi le comportement de ces moteurs en fonction de leur capacité à varier le facteur de puissance.

Les moteurs synchrones sont construits de la même manière que les alternateurs triphasés. Il est toutefois possible de les modifier pour les doter de certaines caractéristiques convenant à des applications particulières.

Stator :

Le stator du moteur synchrone est identique à celui de l'alternateur triphasé : il possède trois enroulements distincts, déphasés de 120°, de manière à former les trois phases du système triphasé et à créer le champ tournant.

Rotor :

Le rotor est formé d'un ensemble de pôles saillants, dont le nombre est égal au nombre de pôles du stator. Les pôles du rotor sont alimentés par une source de courant continu, par l'entremise de bagues collectrices pour constituer des pôles magnétiques alternativement N et S.

Le rotor comporte également une cage d'écureuil pour permettre le démarrage du moteur de la même manière qu'un moteur asynchrone.

Comme tous les moteurs, le moteur synchrone se comporte différemment au démarrage et lorsqu'il est en charge. Il convient donc d'étudier ces deux situations séparément.

Démarrage :

Au démarrage, les pôles du rotor ne sont pas alimentés par la source de courant continu. Le moteur synchrone démarre donc comme un moteur asynchrone, à cause de la cage d'écureuil disposée sur le rotor.

Lorsque le moteur approche de la vitesse synchrone, un interrupteur permet d'alimenter le rotor avec du courant continu. Une grande attraction s'établit alors entre les pôles nord du rotor et les pôles sud du stator ; ils se maintiennent donc exactement vis-à-vis les uns des autres.

On dit alors que le moteur est "accroché" : le rotor tourne à sa vitesse synchrone sous l'effet du changement continuel de la polarité des pôles du stator.

La figure suivante montre l'alignement parfait des pôles inverses du rotor et du stator.

Alignement des pôles du rotor et du stator d'un moteur synchrone :

Moteur en charge :

Lorsque la charge mécanique du moteur augmente, le rotor a tendance à se décaler de son axe central, comme l'illustre la figure suivante. Si la charge devenait trop importante, les pôles du rotor décrocheraient des pôles du stator, provoquant ainsi l'arrêt du moteur.

Pour prévenir ce phénomène, un dispositif de commande automatisé augmente le courant d'excitation dans les pôles du rotor.

Moteur synchrone en charge :

Effet du courant d'excitation :

Lorsque le stator du moteur est branché à la source d'alimentation, une tension est induite dans les enroulements de phase, à cause du champ magnétique créé dans le moteur.

Si le courant est nul dans les enroulements du rotor, la totalité du champ magnétique est produite par le stator. De ce fait, le stator laisse un faible facteur de puissance (F.P.) arrière. Le moteur se comporte alors comme un moteur asynchrone.

A mesure que le courant d'excitation du rotor augmente, il contribue à la production du champ magnétique, ce qui provoque une augmentation du facteur de puissance.

Dès l'instant où le rotor produit le champ magnétique nécessaire pour éliminer les effets de la tension induite dans le stator, le F.P. devient unitaire et les courants de ligne atteignent leur valeur minimale.

Si l'on augmente encore le courant d'excitation, le moteur joue le rôle d'un condensateur et le F.P. devient avant.

La possibilité de faire varier le courant d'alimentation des moteurs synchrones permet de les utiliser pour augmenter le facteur de puissance.

Lorsqu'ils sont destinés à cet usage, on leur donne le nom de compensateurs synchrones.

La figure suivante illustre les courbes produites par le courant d'un moteur synchrone pour différentes valeurs de charge en fonction du courant d'excitation.

Courbes du courant d'un moteur synchrone soumis à différentes charges et à différents courants d'excitation :

Applications :

Les moteurs synchrones conviennent parfaitement à des applications nécessitant des vitesses de rotation inférieures à 600 min^-1, telles que les broyeurs de minerai.

En plus de pouvoir transmettre l'énergie mécanique du moteur à la charge, on peut régler le F.P. de celui-ci à 1 en surexcitant le rotor.

EDF met à profit cette propriété des moteurs synchrones pour augmenter le F.P. sur ses réseaux de distribution.

En résumé sur les moteurs synchrones :

Suite à cette étude, vous devriez retenir particulièrement les points suivants :

- Les moteurs synchrones sont construits de manière identique ou semblable aux alternateurs triphasés.

- Le rotor des moteurs synchrones tourne en synchronisme avec le champ magnétique tournant généré par le stator.

- On peut faire varier le facteur de puissance (F.P) des moteurs synchrones en variant le courant d'excitation.

- Lorsqu'il est sous-excité, le moteur synchrone a un F.P. arrière. Au contraire, lorsqu'il est surexcité, il a un F.P. avant.

- On désigne par l'expression "compensateur synchrone" un moteur synchrone tournant à vide et dont la fonction est d'augmenter le F.P. du réseau.

- Pour des applications à basse vitesse (600 min^-1 ou moins), les moteurs synchrones offrent un meilleur rendement que les moteurs asynchrones.