Un moteur synchrone est un type de moteur électrique dont la vitesse de rotation du rotor est synchronisée avec la fréquence du courant alternatif (CA) qui alimente le stator. Autrement dit, le rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique tournant généré par le stator, ce qui est la définition de la "synchronisation".
Principe de fonctionnement
Le moteur synchrone fonctionne sur le principe de l'induction électromagnétique. Le stator est alimenté par un courant alternatif, créant un champ magnétique tournant. Le rotor, quant à lui, est conçu pour tourner à la même vitesse que ce champ magnétique, ce qui entraîne une rotation synchrone.
Types de moteurs synchrones
Il existe deux types principaux de moteurs synchrones :
- Moteur synchrone à excitation externe (moteur à rotor bobiné) : Le rotor est équipé d’un enroulement, auquel on fournit un courant continu (ou un champ magnétique externe), créant ainsi un champ magnétique permanent.
- Moteur synchrone à rotor permanent (moteur à aimants permanents) : Le rotor possède des aimants permanents qui génèrent un champ magnétique propre.
Caractéristiques principales
Les moteurs synchrones se distinguent par plusieurs caractéristiques clés :
- Vitesse constante : La vitesse de rotation du moteur synchrone est déterminée par la fréquence du courant alternatif et le nombre de pôles du moteur, selon la formule :
ns=60×fpn_s = frac{60 times f}{p}
où :
- nsn_s : la vitesse synchrone (en tr/min),
- ff : la fréquence du courant alternatif (en Hz),
- pp : le nombre de pôles du moteur.
Cette vitesse est constante tant que la fréquence du courant reste stable.
- Facteur de puissance : Un moteur synchrone peut fonctionner avec un facteur de puissance unitaire (à la condition que l'excitation soit bien réglée), contrairement aux moteurs à induction qui ont tendance à avoir un facteur de puissance inférieur à un.
- Démarrage : Les moteurs synchrones nécessitent généralement un dispositif de démarrage (par exemple, un moteur à induction auxiliaire ou un démarrage par fréquence variable), car ils ne démarrent pas en synchronisme avec la fréquence du réseau. Le rotor doit atteindre la vitesse synchrone avant de se synchroniser avec le champ tournant.
- Réglage de la vitesse : La vitesse est strictement liée à la fréquence du courant alternatif. Pour changer la vitesse du moteur synchrone, on doit modifier la fréquence de l'alimentation (ce qui est possible avec un variateur de fréquence, mais cela est moins courant dans les applications classiques).
Avantages des moteurs synchrones
Les moteurs synchrones offrent plusieurs avantages significatifs :
- Haute efficacité : Grâce à leur facteur de puissance qui peut être corrigé, les moteurs synchrones sont plus efficaces que les moteurs à induction dans certaines applications.
- Stabilité : Ils maintiennent une vitesse constante, même si la charge varie.
- Capacité de correction du facteur de puissance : Un moteur synchrone peut être utilisé pour améliorer le facteur de puissance dans un réseau électrique en générant ou absorbant de l'énergie réactive, selon son excitation.
Inconvénients
Malgré leurs avantages, les moteurs synchrones présentent aussi des inconvénients :
- Démarrage difficile : Le démarrage d’un moteur synchrone peut être plus compliqué, car il ne peut pas démarrer à une vitesse nulle. Il faut donc un dispositif de démarrage approprié.
- Coût et complexité : Ils sont plus coûteux et complexes à fabriquer que les moteurs à induction.
Applications
Les moteurs synchrones sont utilisés dans diverses applications où la stabilité de la vitesse est cruciale, notamment :
- Dans les grandes installations industrielles,
- Dans les générateurs électriques (pour produire de l’électricité),
- Pour les applications nécessitant un contrôle précis de la vitesse,
- Pour la correction du facteur de puissance dans les réseaux électriques.
En résumé, un moteur synchrone est idéal pour des applications où la vitesse constante et la correction du facteur de puissance sont importantes. Un moteur synchrone se définit par le fait que le rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique créé par les bobinages du stator.
La conception du stator est dans de nombreux cas similaire à celle des moteurs à induction, avec des enroulements distribués. Certains fabricants utilisent des enroulements concentriques (en fente) qui permettent une conception de moteur plus compacte et nécessitent moins de cuivre. Les économies d'énergie réalisées par la réduction de l'utilisation du cuivre sont cependant souvent englouties par des pertes supplémentaires, qui résultent des harmoniques dans le flux de l'entrefer provoqués par la construction par evea solution.
Pour le moteur synchrone, la vitesse du rotor est donc proportionnelle à la fréquence du courant triphasé alimentant le stator. Les moteurs asynchrones et synchrones se différencient par leur rotor. Celui des moteurs synchrones est composé d’un aimant ou d’un électroaimant. Grâce à ce dispositif, il n’y a pas de perte de vitesse de rotation, et ces moteurs affichent un bon rendement. Si les moteurs synchrones sont très appréciés pour leur rendement, les moteurs asynchrones restent les moteurs les plus utilisés dans l’industrie. Il est à noter que le rotor comporte autant de pôles que le stator.
Les machines synchrones sont réversibles, c'est à dire qu'elles peuvent fonctionner aussi bien en moteur qu'en alternateur (notamment dans les phases de freinage). Dans ce mémoire, nous nous limitons à l'analyse des machines synchrones en fonctionnement moteur correspondant au cahier des charges fixé par les industriels partenaires de ces travaux.
Les moteurs synchrones dits classiques ont leurs inducteurs bobinés et leurs induits peuvent êtres alimentés par une alimentation continue ou bien sinusoïdale. Le type d'alimentation utilisé dépend de la répartition du flux magnétique dans l'entrefer. Dans une machine à pôles saillants, la tension magnétique d'entrefer peut être considérée comme constante sur le pas polaire et la répartition spatiale de l'induction ne dépend que de la forme de l'entrefer. Il en va de même pour les moteurs brushless. Ainsi, un moteur brushless SPM (Surface Permanent Magnet) sans pièce polaire présente donc une répartition spatiale de l'induction trapézoïdale. Ces pôles sont lisses d'où un entrefer constant et utilisent des aimants d'arc polaire de radians. radians. radians et une alimentation en triangle par créneaux de courants de radians. Ces moteurs présentent les propriétés des moteurs à courant continu (brushless DC). Les moteurs brushless AC (SPM avec pièce polaire, IPM) sont alimentés par des références de courant ou de tension sinusoïdales et présentent des propriétés identiques aux machines classiques synchrones à flux sinusoïdal.
Lorsque l'on fait tourner un aimant, on crée un champ magnétique tournant. Le champ tournant des moteurs synchrones est crée exactement de la même façon que celui des moteurs asynchronnes.
Du point de vue du rotor (qui tourne) ce champ magnétique est vu comme un champ tournant. Soit le circuit de commande déduit la position du rotor grâce à la messure de la force contre-électromorice générée par le rotor. Pour les petites puissances, le controleur peut même être directement intégré au moteur.
La différence entre un moteur synchrone et un générateur synchrone est leur fonction. Un moteur synchrone convertit l'énergie électrique en énergie mécanique, tandis qu'un générateur synchrone convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
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