Moteurs synchrones

Machines à courant alternatif 1955

Tous les moteurs tournant à vitesse synchrone sont des moteurs synchrones c'est-à-dire des moteurs dont le rotor tourne à là même vitesse que celle du champ tournant du stator.

Cette vitesse se calcule selon la formule:

N = 120f / P

N = révolutions par minute f = fréquence P = pôles

Le nombre de pôles et la fréquence déterminent la vitesse du moteur synchrone, la vitesse étant directement proportionnelle à la fréquence et inversement proportionnelle au nombre de pôles.

Les moteurs synchrones tournent à une vitesse constante pour toutes les charges en-dedans de leur puissance pourvu que la fréquence soit constante.

En cas de trop grande surcharge, il se produit, suivant la sorte de moteur, un décrochage {pull ont) ou un arrêt du moteur.

On peut comparer le moteur synchrone à deux engrenages ayant un certain jeu mais le même nombre de dents, le champ tournant du stator étant un engrenage qui entraîne le rotor, lui-même un autre engrenage.

Comme pour les engrenages, le champ tournant et le rotor tournant exactement à la même vitesse, il ne se produit aucun glissement. On emploie tous ces moteurs pour les applications qui nécessitent une vitesse parfaitement constante.

A. Moteurs synchrones à courant polyphasé

1. Moteur synchrone à courant triphasé à pôles saillants
(three-phase salient pôle synchronous motor)

Les alternateurs, lorsque synchronisés et raccordés à la ligne, peuvent s'utiliser comme moteurs synchrones (Fig. 93 et 94).

Fig. 93. — Moteur synchrone à pôles saillants à courant triphasé avec son excitatrice

Fig. 94. — Moteur synchrone à pôles saillants à courant triphasé

Les moteurs synchrones à courant triphasé à pôles saillants sont des alternateurs à pôles saillants plus ou moins modifiés dans le but d'obtenir les caractéristiques et les formes appropriées à diverses applications.

L'enroulement du stator est relié au réseau et l'enroulement inducteur du rotor est alimenté de courant continu fourni par un excitatrice comme dans un alternateur.

Ce moteur démarre comme un moteur d'induction grâce au champ magnétique tournant et à l'enroulement amortisseur ou cage d'écureuil du rotor.

Lorsque la vitesse du rotor atteint environ démarrage variant de 30% à 200% environ. En marche, la cage d'écureuil sert seulement d'amortisseur.

En conséquence, pour une application particulière il s'agit de choisir le moteur ayant le couple qui convient le mieux.

Facteur de puissance. On varie le facteur de puissance du moteur synchrone sur une grande portée en variant simplement son courant d'excitation.

En sous-excitation, le facteur de puissance est arrière et augmente avec le courant d'excitation jusqu'à excitation normale alors qu'il est à l'unité. En surexcitation, le facteur de puissance est avant et diminue à mesure que le courant d'excitation augmente.

Puissance

On indique la puissance d'un moteur synchrone normal pour un facteur de puissance réglé à l'unité et aussi pour un facteur de puissance avant de 0.8 ou 0.9.

Dans ces deux derniers cas, le moteur est plus grand ou construit pour supporter l'augmentation de courant dans son induit causée par la surexcitation.

On fabrique de ces moteurs à partir de quelques H.P. jusqu'à plusieurs milliers de H.P., par exemple 60,000 H.P.; on pourrait en fabriquer aussi de plus grands.

Influence de l'excitation et courbes en V d'un moteur synchrone

L'intensité du courant d'excitation If affecte beaucoup l'intensité du courant absorbé par le moteur IL.

Pour vérifier cet énoncé on fait un essai qui permet de tracer les courbes en V qui indiquent les variations de IL par rapport à If.

Courbes en V à vide

Le moteur étant synchronisé et à vide, on ajuste If de sorte que IL soit au minimum ; on réduit ensuite If pour que IL augmente jusqu'à 125%.

On note les lectures de IL et If et on augmente ensuite graduellement If de 0.25 ampère à la fois pour une machine de 5 kilovoltam-pères. A chaque réglage, on note IL et If et on augmente If jusqu'à ce que IL soit de nouveau à 125%.

En regardant la courbe obtenue (Fig. 95), on voit qu'à faible excitation le courant du moteur augmente. Le courant diminue à mesure que l'excitation augmente pour atteindre un minimum à excitation normale.

En surexcitation, le courant du moteur augmente à mesure qu'on augmente l'excitation.

En chargeant le moteur et en répétant l'essai précédent on obtient les courbes en V pour différentes charges.

Conclusions

Les conclusions des explications précédentes sont:

a) l'excitation d'un moteur synchrone normal doit être bien réglée afin que le facteur de puissance soit à l'unité et le courant de son induit au minimum;

b) l'excitation des moteurs construits pour fonctionner à des facteurs de puissance avant de 0.9 ou 0.8 se règle en conséquence;

c) la surexcitation trop élevée produit une surintensité du courant dans l'induit du moteur et réchauffement de l'induit.

Dans ce cas, on diminue la charge ou l'excitation.

Avantages. Le moteur synchrone à courant triphasé à pôles saillants a un facteur de puissance réglable qui permet d'améliorer le facteur de puissance moyen d'une distribution alimentant plusieurs moteurs d'induction.

Il possède un rendement élevé, surtout dans les moteurs de grande puissance, et une vitesse constante.

On peut le fabriquer pour de très basses et de très grandes puissances.

Usages

Le moteur synchrone est le moteur idéal pour la commande des dynamos de grande puissance.

Il sert de compensateur synchrone pour les commandes à vitesse constante ou les commandes à basse vitesse, pour la commande de compresseurs, de pompes, de souffleries, etc., c'est-à-dire partout où l'on a besoin d'un moteur de moyenne ou de grande puissance avec des conditions de démarrage et de charge convenables.

Compensateur synchrone (synchronous condenser)

Le compensateur synchrone est un moteur synchrone à courant triphasé, fonctionnant à vide et en surexcitation, utilisé pour améliorer le facteur de puissance d'une distribution. Il agit comme un condensateur.

En régime surexcité, presque toute l'énergie absorbée par le moteur est restituée au réseau sous forme d'énergie réactive ayant un facteur de puissance avant ajustable qui peut être aussi bas que 10%.

Le compensateur synchrone de petite et de moyenne puissance est utilisé pour améliorer le facteur de puissance des distributions locales qui alimentent plusieurs moteurs asynchrones à facteur de puissance moyen aussi bas que 50%.

On utilise le compensateur synchrone de grande puissance à l'extrémité d'une longue ligne de transmission car il agit seulement à partir du point où il est raccordé vers la source. Il remplace alors un condensateur.

En réglant le facteur de puissance, le compensateur synchrone augmente la capacité de transmission des lignes et contribue à maintenir la tension constante.

Pour fins de stabilité un moteur asynchrone de lancement séparé démarre souvent les grands compensateurs synchrones.

L'appareillage de commande de démarrage, de la synchronisation, du réglage du facteur de puissance et de la tension, peut être automatique.

2. Moteur supersynchrone
(supersynchronous motor)

Le moteur supersynchrone est un moteur triphasé synchrone à pôles saillants de construction spéciale ayant un embrayage construit à même le moteur (Fig. 96 et 97).

Fig. 96. — Moteur supersynchrone à courant triphasé de 125 H.P.

Fig. 97. — Principe du moteur supersynchrone à courant triphasé

Le rotor de ce moteur est identique à celui d'un moteur à pôles saillants; le bâti du stator est cylindrique et monté sur deux paliers lui permettant de tourner autour du rotor.

Comme le stator est mobile au démarrage, il possède un enroulement relié à trois bagues collectrices avec balais allant à la ligne.

Fonctionnement

Au démarrage, le frein est levé et, dès qu'on alimente l'enroulement du stator, il produit un champ tournant qui agit sur l'enroulement cage d'écureuil du rotor ; mais, ce dernier, étant relié mécaniquement à une grande charge, demeure stationnaire et le stator, libre, tourne autour du rotor. Lorsque le stator atteint environ 95% de la vitesse synchrone, on applique l'excitation et il se synchronise.

On applique alors graduellement le frein sur l'extérieur du stator. Ce dernier ralentit et, simultanément, le rotor démarre et entraîne la charge.

Finalement, on provoque l'arrêt du stator et le rotor à ce moment tourne à vitesse synchrone.

3. Moteur autosynchrone ou synchrone d'induction
(autosynchronous or synchron-ous induction-motor)

La construction du moteur autosynchrone ou synchrone d'induction ressemble à celle d'un moteur à courant triphasé d'induction à bagues (Fig. 98 et 99).

Fig. 98. — Moteur synchrone d'induction

Fig. 99. — Diagramme d'un moteur synchrone d'induction avec son excitatrice et ses appareils de commande

Le moteur comprend un stator à courant triphasé conventionnel et un rotor bobiné avec bagues collectrices ; le rotor est à surface lisse (non-salient pôle). On y trouve aussi une excitatrice et trois résistances.

Fonctionnement

Au démarrage, on insert toute la résistance du rhéostat dans le circuit rotorique et on applique la tension maximum à l'induit: le moteur démarre comme un moteur d'induction à bagues.

On réduit graduellement la résistance du rhéostat et la vitesse augmente; finalement, le rhéostat est court-circuité et le rotor tourne à sa vitesse maximum comme un moteur d'induction et se synchronise dès que l'excitatrice s'amorce.

Au démarrage, la fréquence du courant induit dans le rotor est la même que celle du réseau mais à mesure que la vitesse du rotor augmente et s'approche de la vitesse synchrone, la fréquence de son courant induit devient de plus en plus lente.

L'excitatrice étant dans le circuit du rotor en permanence, un courant de basse fréquence la traverse. Lorsque le rotor atteint sa vitesse maximum comme un moteur d'induction, l'onde positive ou l'onde négative amorce l'excitatrice.

Cette dernière fait circuler un courant continu qui produit des pôles définis dans le rotor et le moteur se synchronise automatiquement.

Ce moteur peut supporter une certaine surcharge et conserver son synchronisme mais, advenant une surcharge passagère notablement supérieure à la charge normale, il y a rupture du synchronisme et le moteur tourne alors à vitesse asynchrone.

Dès que la charge diminue suffisamment, le moteur autosynchrone se synchronise à nouveau automatiquement.

On règle le facteur de puissance en variant l'excitation. Dans le cas de grandes surcharges, on ajoute un régulateur qui augmente l'excitation avec la charge.

Il existe aussi des régulateurs automatiques permettant de régler le facteur de puissance.

Caractéristiques

En plus de tourner à vitesse synchrone, le moteur synchrone d'induction a les caractéristiques de démarrage d'un moteur d'induction à courant triphasé à bagues c'est-à-dire,-un fort couple et un faible courant au démarrage.

Avantages

Tout en possédant la plupart des avantages du moteur synchrone à pôles saillants avec son fort couple et un courant relativement faible au démarrage, il peut supporter des surcharges considérables.

Son démarrage facile nécessite seulement l'appareillage de commande d'un moteur induction à bagues.

Usages

On utilise le moteur autosynchrone dans la plupart des applications particulières à un moteur synchrone à pôles saillants, mais surtout dans le cas où les conditions de démarrage et de charge ne conviennent pas au moteur synchrone à pôles saillants.

B. Moteurs synchrones non excités

Les moteurs synchrones non excités se divisent en moteurs à reluctance à courant monophasé et polyphasé et en moteurs à hystérésis.

Les moteurs synchrones non excités, c'est-à-dire les moteurs qui n'ont pas de courant continu pour leur excitation, sont des moteurs de faible puissance.

Les moteurs à reluctance ont une puissance allant jusqu'à 7.5 H.P. environ. Les moteurs à hystérésis, par contre, sont de très petits moteurs.

Tous ces moteurs ont l'avantage de tourner à vitesse synchrone et, n'ayant pas d'excitation, leur construction est très simple et leur coût modique leur assurent un certain marché.

1. Moteur synchrone à reluctance (reluctance synchronous motor)
Les moteurs synchrones à reluctance sont des moteurs d'induction à rotor à cage d'écureuil modifiés (Fig. 100).

Fig. 100. — Moteur synchrone à reluctance à courant triphasé

Ils ne sont pas excités et tournent à vitesse synchrone.

On fabrique des moteurs synchrones à reluctance avec les moteurs d'induction à courant triphasé à rotor à cage d'écureuil et des moteurs d'induction à courant monophasé à bobines écrans, à phase auxiliaire et à capacité (ces derniers moteurs ont tous des rotors à cage d'écureuil).

La modification réside dans le fait qu'il y a autant de rainures sur la longueur du rotor qu'il y a de pôles.

La largeur de ces rainures égale 40% de la circonférence du rotor divisée par le nombre de pôles et elles ont une profondeur égale à celle des encoches du rotor. La cage d'écureuil doit être complète car, on n'enlève qu'une partie seulement des lamelles.

Lors de la fabrication, on poinçonne les tôles du rotor (Fig. 101).

Fig. 101. — Rotor d'un moteur synchrone à reluctance

Le rotor assemblé possède les rainures nécessaires et la cage d'écureuil est complète.

Un moteur avec un rotor ainsi modifié aura seulement le tiers de la puissance d'un moteur normal du même type, mais tournera à vitesse synchrone. On considère un rotor ainsi rainure comme l'inducteur non excité d'un moteur synchrone à pôles saillants.

Vu la reluctance élevée de l'entrefer des rainures entre les pôles, l'électromagnétisme induit se concentre aux projections du rotor et produit des pôles définis.

Le rotor s'accroche lorsque la vitesse s'avère suffisante. Tous ces moteurs démarrent automatiquement comme les moteurs d'induction.

On construit ces moteurs jusqu'à des puissances de 7.5 H.P.

N'ayant pas d'excitation, on ne peut utiliser les moteurs synchrones à reluctance pour corriger le facteur de puissance car leur facteur de puissance est inférieur à celui d'un moteur normal du même type.

Avantages

En utilisant ce moteur pour les petites puissances, on élimine l'excitatrice, l'enroulement inducteur, les bagues collectrices et leurs balais, le rhéostat de champ, etc., tout en obtenant la vitesse synchrone.

Usages

On utilise le moteur synchrone à reluctance pour des applications de petites puissances nécessitant une vitesse synchrone comme les appareils de commande et d'essai, les lignes de production, etc.

2. Moteurs synchrones à hystérésis (hystérésis synchronous motors)

Les moteurs synchrones à hystérésis sont de très petits moteurs dont le fonctionnement dépend de l'hystérésis du métal du rotor.

On les utilise dans les horloges, les instruments graphiques de toutes sortes, les relais et les interrupteurs chronométriques, etc.

Moteur à hystérésis « Telechron »

Le moteur à hystérésis (( Telechron » comprend un stator feuilleté bipolaire avec bobines écran et une seule bobine reliée au circuit. Son rotor consiste en une série de disques d'acier trempé ayant la forme reproduite à la figure 102.

Fig. 102. — Moteur synchrone à hystérésis

Ce moteur, grâce aux bobines écran, démarre de lui-même comme un moteur d'induction. Lorsque la vitesse du rotor est suffisante, il s'aimante, s'accroche et tourne en synchronisme.

Sous une fréquence de 60 cycles, ce moteur bipolaire tourne à une vitesse de 3600 r.p.m.

Moteur à hystérésis sous-synchrone (subsynchronous hystérésis motor)

Le stator du moteur à hystérésis sous-synchrone est feuilleté et bipolaire ; il a une seule bobine et le rotor est une roue dentée en acier trempé (Fig. 103).

Fig. 103. — Moteur sous-synchrone à hystérésis

Ce moteur, tel que décrit, ne démarre pas seul: on doit donner une impulsion au rotor. Il s'aimante alors, s'accroche et tourne à une vitesse sous-synchrone qui dépend du nombre de dents du rotor et non du nombre de pôles du stator.

Ainsi, le rotor du moteur de la figure 103 a 24 dents; sous une fréquence de 60 cycles, il tournera donc d'après la formule:

N = 120 f / P = 120 x 60 / 24 = 300 r.p.m.

Ce moteur est muni d'un petit dispositif pour donner une impulsion au rotor au démarrage. Si l'impulsion est trop forte le rotor se synchronise suivant une harmonique et tourne deux fois plus vite.