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Les moteurs synchrones
synchrone
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Les générateurs les plus courants fonctionnent en mode synchrone, c.à.d. synchronisées au réseau. Il existe également des moteurs dont la vitesse de rotation est synchronisée au réseau électrique.
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Moteurs synchrones


Fonctionnement de la bague déphaseuse (bague de Frager)

Moteur synchrone qui utilise une bague déphaseuse pour produire le champ tournant.
Le rotor est un aimant permanent.


Hystérésis du rotor d'un moteur synchrone à hystérésis

Le moteur synchrone

Le rotor d'un moteur synchrone se compose d'un aimant permanent tandis que le stator produit un champ tournant.

Le champ tournant est généralement réalisé par l'utilisation du courant triphasé, mais la plupart des moteurs synchrones ont une puissance relativement faible, ce qui fait que le triphasé est un "overkill". On produit un champ tournant

  • par un second bobinage, également alimenté par le monophasé, mais qui a un condensateur en série. Le condensateur produit un déphasage du courant par rapport au secteur. Les deux bobinages sont placés en quadrature, puisque le déphasage est de 90°. Ce système est plus complexe et plus cher que le suivant mais a un meilleur rendement.

  • par deux bagues de démarrage (une sur chaque pôle) qui vont retarder le champ dans l'encoche qui est entourée par la bague (spire de Frager). Ces moteurs on un faible couple au démarrage et un mauvais rendement, mais ne nécessitent qu'un seul bobinage.

La gravure 1 montre une réalisation pratique d'un moteur à bague de démarrage. La bague de démarrage ou bague déphaseuse est une spire en cuivre. Le champ magnétique dans le pôle produit un courant. Quand le champ magnétique diminue, le courant dans la spire fait que le champ ne disparait pas immédiatement mais avec un petit retard.

Moteur synchrone à hystérésis

Le moteur synchrone à hystérésis a un rotor qui n'est pas aimanté. Le rotor se compose d'un cylindre d'un métal qui peut facilement être magnétisé (acier dopé au cobalt). Quand le moteur est alimenté, il produit un champ magnétique dans le rotor, qui le magnétise. Quand le champ magnétique est tournant, le rotor tente de suivre le champ magnétique et se met également à tourner. Dans le rotor, seul les aciers à fort hystérésis peuvent être utilisés (donc pas du fer doux). C'est l'hystérésis qui fait apparaitre le champ magnétique fixe (c'est le magnétisme rémanent) et qui détermine le couple maximal que le moteur peut atteindre.

Ce moteur est utilisé pour des applications où un faible couple est suffisant (horloges, horodateurs, petits mécanismes,...). Comme le moteur a un faible rendement, il n'est utilisé que dans lers petits moteurs. La puissance fournie est environ 1/4 de la puissance d'un moteur asynchrone de même taille. Le moteur décroche facilement et ne peut entrainer que de faibles charges. Le couple est relativement constant pendant le démarrage et la montée en vitesse, jusqu'au moment où la vitesse de synchronisme est atteinte.

Pour ces petites puissances, on utilise du courant monophasé et on produit le champ tournant par des bagues de Frager.

Moteurs synchrones de grande puissance

Une application totalement différente des moteurs synchrones, c'est dans l'industrie. On ne les utilise pas nécessairement pour leur vitesse synchrone, mais parce qu'ils ont un meilleur rendement que les moteurs asynchrones. Le glissement d'un moteur asynchone, c'est une pure perte qui se traduit par un échauffement de la cage d'écureuil et donc de tout le rotor. Un gros moteur asynchrone peut avoir un rotor qui atteint une température de plus de 100° en charge nominale. Cela réduit la durée de vie des roulements.

Ces moteurs synchrones dont le couple au démarrage est très faible utilisent une cage d'écureuil résistive pour démarrer (voir moteur asynchrone). Une fois lancés, c'est le couple synchrone qui prend le dessus et la cage d'écureuil qui ne voit plus de champ magnétique variable n'a plus aucune fonction.

Le stator d'un moteur industriel est identique, que ce soit pour un moteur asynchrone ou synchrone. Par contre il n'existe pas de moteur dahlander synchrone.

Pour créer le champ magnétique, on utilise des aimants, ce qui rend le moteur relativement cher. De plus le montage et le démontage nécessite des précautions particulières. Utilisé en surcharge ou à une température trop élevée, les aimants peuvent perdre leur magnétisation, rendant le rotor inutilisable.

Il existe également des moteurs synchrones à électro-aimant, le courant est apporté par deux bagues et des frotteurs. Le courant pour l'électro-aimant doit être redressé. Ce moteur a un moins bon rendement et nécessite plus d'entretien.

Le moteur synchrone peut être utilisé en générateur électrique (c'est même le type de générateur le plus souvent utilisé). Le champ magnétisant est produit par un bobinage alimenté par des bagues et balais ou par un second générateur inversé sur le même axe. Cette construction permet de se passer de balais et de bagues.

Démarrage de moteurs synchrones

Un moteur synchrone classique ne démarre pas automatiquement quand il est alimenté, et même lancé il n'arrive pas à accélérer jusqu'à la vitesse de synchronisme. Un étudiant d'une haute école de Liège m'a demandé d'expliquer comment cela se fait, car il n'arrivait pas à comprendre les explications de son prof (maintenant il a compris).

Prenons un moteur qui se trouve dans la situation à droite. Nous avons un champs magnétique statorique tournant dans les sens des aiguilles d'une montre. Le rotor est fixe. Nous alimentons le moteur. Le pole sud passe successivement aux bobinages Z1, Z2 et puis Z3 pour recommencer.

Au début, comme le pole sud se trouve à Z1, le rotor aura tendance à tourner vers la gauche, puisque les poles contraires s'attirent. Mais très rapidement le pole sud se trouve à Z2, forçant le moteur à tourner vers la droite. Les deux forces qui sont identiques s'annullent et le moteur n'arrive pas à démarrer.

Ce n'est que si le moteur tourne à une vitesse proche de sa vitesse synchrone qu'il va s'accrocher au champs tournant. Le moteur synchrone dispose toujours d'une cage d'écureuil résistive pour permettre le démarrage comme un moteur asynchrone.

Mais notre moteur fonctionnerait très mal avec ses trois bobinages qui vont provoquer des à-coups. Dès que la vitesse varie un peu de la vitesse de synchronisme, un tel moteur déchroche. Pour éviter ces inconvénients, les moteurs synchrones ont tout comme les générateurs (mais pour des raisons différentes) des enroulements répartis qui font évoluer le champs magnétique de Z1 à Z2 de façon souple. Cela ne permet toujours pas le démarrage, mais une fois qu'il tourne, il tourne souplement sans grondement. Les enroulements répartis sont également utilisés avec les moteurs asynchrones. Et vous, vous avez compris maintenant? (le rotor a également trois poles, mais c'est trop difficile à dessiner)


Le moteur à réluctance variable est décrit sur une page séparée. Il s'agit également d'un moteur synchrone.

Les petits moteurs pas-à-pas utilisés dans certaines applications (imprimantes à jet d'encre,...) sont des moteurs à réluctance variable. Ils permettent un positionnement très précis, à un "pas" près.

On a redécouvert les moteurs à réluctance variable et on les utilise dans certaines applications grâce à leur très bon rendement et leur construction simple (voitures électriques, gros moteurs de ventilateurs, de pompes et de compresseurs,...)

Moteur asynchrone classiqueMoteur synchrone à (électro-)aimantMoteur à réluctance variable
Construction simple, utilisée dans pratiquement toute l'industrie. En modifiant la forme des barres de la cage d'écureuil, on peut fabriquer des moteurs avec une courbe de couple différente. Nécessite des aimants permanents ou des électro-aimants et un système de bagues et de frotteurs. Les aimants ou les électro-aimants introduisent des contraintes que le moteur asynchrone n'a pas. Type de moteur peu connu dans l'industrie. Le moteur est très simple et facile à fabriquer. A puissance égale le moteur peut être plus petit, car le rotor dissipe moins de chaleur.

Bon rendement, est utilisé dans toutes les applications courantes

Très bon rendement, est utilisé là où le rendement est primordial (très gros moteurs et voitures électriques)

Très bon rendement, est utilisé dans les voitures électriques

Avec ou sans variateur de fréquence, moteurs double ou triple vitesse possible sans variateur

Est utilisé avec variateur à cause de la taille du moteur ou de l'application

Nécessite un variateur de fréquence adapté

Très souple, peut être utilisé partout

Très cher, limité aux applications spécifiques

Cher parce que peu utilisé, idéal pour les régimes variables

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