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Cours moteur synchrone

                      MOTEUR SYNCHRONE 


1. Constitution :

1.1. Rotor = inducteur :

Il est constitué d’un enroulement parcouru par un courant d’excitation Ie continu créant un champ magnétique 2p polaire. Il possède donc p paires de pôles.

Remarques :

· il faut apporter le courant à l’inducteur par l’intermédiaire de bagues et de balais.
· le rotor peut être constitué par un aimant permanent.

1.2. Stator = induit :

Les enroulements du stator sont le siège de courants alternatifs monophasés ou triphasés.
Il possède le même nombre de paires p de pôles.

1.3. Champ tournant :

Les courants alternatifs dans le stator créent un champ magnétique tournant à la pulsation :


1.4. Synchronisme :

Le champ tournant du stator accroche le champ inducteur solidaire du rotor.
Le rotor ne peut donc tourner qu’à la vitesse de synchronisme WS.

1.5. Schémas :

· Répartition du champ magnétique dans l’entrefer d’une machine synchrone.


Remarque : un champ magnétique à toujours deux pôles, un nord et un sud. C’est pourquoi on parle en terme de paire de pôles.

· Représentation de deux types de machines synchrones.

2. Symboles :

3. f.é.m induite :

Un enroulement de l’induit (stator) soumis au champ magnétique tournant de l’entrefer est le siège d’une f.é.m. e(t) de valeur efficace E.



E : f.é.m. induit (V)
K : coefficient de Kapp (caractéristique de la machine)
N : nombre de conducteurs d’une phase de la machine (1 spire = 2 conducteurs)
F : flux maximum à travers un enroulement (Wb)
f : fréquence du courant statorique
p : nombre de paires de pôles
nS : vitesse de rotation (trs/s)
K’ = KNp : constante globale (caractéristique du moteur)

Remarques :

· les enroulements sont disposés dans le stator de telle façon que la f.é.m. e(t) soit le plus possible de forme sinusoïdale ;
· en triphasé le stator comporte trois enroulements ou phases. On obtient trois f.é.m. e1(t) e2(t) et e3(t) de même valeur efficace E et déphasées de 2Pi/3.

4. Mode de fonctionnement :

La machine synchrone est réversible.

4.1. Fonctionnement en moteur :

Le champ tournant du stator « accroche » le champ lié au rotor à la vitesse WS = w/p.

4.2. Fonctionnement en alternateur (génératrice ):

Le rotor et son champ sont entraînés par une turbine. Les bobines de l’induit sont alors le siège de f.é.m. alternative de pulsation w = p.WS.

Rappel : toute variation de champs magnétique à travers une bobine créée aux bornes de la bobine une f.é.m. induite.

5. Réaction magnétique d'induit :

En charge, le courant dans l’induit crée un champ magnétique qui modifie les caractéristiques de la machine. C’est ce que l’on nomme la réaction magnétique d’induit.

6. Modèle équivalent d'un enroulement :

6.1. Schéma dans le cas de l'alternateur :



Remarques :

· l’inductance L du schéma tient compte de l’inductance réelle de l’enroulement et de la
réaction magnétique d’induit ;

· le courant est orienté en  convention générateur ;

· l’inducteur est équivalent à une résistance.


6.2. Loi des mailles :

Loi des mailles avec les grandeurs instantanées : 



Soit :



Loi des mailles avec les grandeurs vectorielles :







Loi des mailles avec les grandeurs complexes :




6.3. Diagrammes de Fresnel :














Remarque : le diagramme ci-dessus est en fait le plus simple pour une machine à pôles lisses et non saturée.

Il peut être utile de connaître deux angles :





6.4. Commentaires : alternateur couplé au réseau :

Pour un alternateur couplé au réseau, V est imposé à 220 V et f à 50 Hz.
Les grandeurs variables du réseau sont le courant I et le déphasage.

Observons l’allure du diagramme de Fresnel pour la variation de ces deux grandeurs :

On constate que pour ces deux situations la f.é.m. E doit varier.

E est donnée par la relation :           E = KNFf 

On constate que le flux F est le seul terme pouvant être modifié par l’intermédiaire du courant d’excitation Ie.

Conséquence :

· en utilisation normale, un groupe électrogène doit fournir une tension dont la valeur efficace est la plus constante possible. La charge pouvant varier dans des proportions importantes, un dispositif électronique de régulation (asservissement), agissant sur l’intensité du courant d’excitation, est donc nécessaire.


6.5. Caractéristique à vide d'une machine synchrone :


Le point de fonctionnement P se trouve généralement entre les points A et B.

Sous le point A, la machine serait sous exploitée.

Au-dessus du point B, une forte augmentation de Ie ne produit qu’une faible augmentation de Ev. 

L’asservissement devient impossible.



7. Bilan des puissances d'un alternateur :

7.1. Puissance absorbé :
La turbine, ou le moteur à essence pour un groupe électrogène, entraîne l’arbre de l’alternateur.
La puissance absorbée est mécanique.








Si l’alternateur n’est pas auto-excité il faut encore tenir compte de l’énergie électrique absorbée par l’excitation (rotor).
7.2. Puissance utile :

En triphasé avec une charge équilibrée de facteur de puissance cos j 



7.3. Bilan des pertes :


Pertes par effet joule dans l’inducteur :  




Pertes par effet joule dans l’induit : 



Pertes dites « collectives » Pcpertes mécaniques et pertes fer qui ne dépendent pas de la charge.

Remarque :
· comme les pertes mécaniques et les pertes fer dépendent de la fréquence et de la tension U, elles sont généralement constantes (50 Hz - 220V).

7.4. Rendement :






8. Moteur synchrone :



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




9. Compléments sur le moteur synchrone :

9.1. 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 cos j en modifiant le courant d’excitation Ie.


9.2. 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.


9.3. Utilisations :

9.3.1. Moteurs :

· 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 auto-pilotés (T.G.V. - 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 cos j d’une installation électrique.

9.3.2. Alternateurs :

Ils fournissent une partie de l’énergie du réseau . On les trouve dans les barrages sur les fleuves ou les lacs.

Exemple : centrale électrique.

La centrale comporte quatre alternateurs de 42000 KVA chacun : vitesse, 75 tr/mn avec turbines à axe vertical, débit 350 m3/s.



Exemple : autre centrale

Vitesse de synchronisme : 428,6 tr.mn-1
Puissance active nominale : 153 MW
Tension nominale : 15,5 kV
Intensité nominale : 6333 A
Masse du rotor : 235 t
Masse du stator : 166 t
Excitation statique par soutirage au stator
Puissance d’excitation : 323 KW
Rendement en régime nominal : 98,5%




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