Intérêt industriel

1. Problèmes du démarrage

Pour faire démarrer un moteur asynchrone, il n’est pas possible de connecter son stator sur un réseau triphasé alors que le rotor est immobile.

Le champ statorique, tournant à ns, produirait sur le rotor un couple s’exerçant tantôt dans un sens tantôt dans l’autre, c’est-à-dire la valeur moyenne est nulle, le rotor ne se mettrait pas à tourner. D’autre part le courant absorbé par le stator serait très considérable et risquerait de griller l’enroulement.

En conséquence on peut opérer de la façon suivante : on court-circuite l’inducteur sur lui-même, on applique un système de tensions réduites sur le stator (par exemple à l’aide d’un transformateur triphasé). Le champ statorique obtenu induit des courants dans l’inducteur et dans les amortisseurs :

d’après la loi de Lenz, il en résulte un couple sur le rotor, l’entraînant dans le sens du champ (il s’agît d’un fonctionnement analogue à celui d’un moteur asynchrone à cage).

Lorsque la fréquence de rotation n est voisine de ns (ce qui est atteint si le moteur est à vide ou peu chargé), on fait passer le courant J dans l’inducteur : le rotor s’accroche alors au champ tournant et l’on a désormais n = ns.

2. Avantages et inconvénients

La fréquence de rotation est rigoureusement constante : selon les applications, cette propriété est un avantage ou un inconvénient.

a) Avantages du moteur synchrone :

- Facteur de puissance réglable : on peut réaliser cos ϕ = 1 ou même fournir de l’énergie réactive au réseau en agissant sur le courant J.
- Rendement excellent (aucun type de moteur ne présente un rendement meilleur).

b) Inconvénients du moteur synchrone :

- Nécessité d’un excitateur débitant le courant inducteur J.
- Démarrage en régime « asynchrone ».
- Risque de décrochage.

3. Applications

On trouve peu de moteurs synchrones dans l’industrie : cependant, dans le cas de très grande puissance et de fonctionnement ininterrompu, il est supérieur à toute autre solution.
A part ce genre d’utilisation, on peut classer les applications du moteur synchrone en quatre grandes catégories :

- Fonctionnement en compensateur synchrone

Un moteur synchrone, tournant à vide, absorbe un courant purement réactif si ses pertes sont négligeables. En sous-excitation le moteur absorbe de la puissance réactive, en surexcitation il fournit de la puissance réactive. En plus cette puissance réactive est réglable par l’intermédiaire du courant d’excitation J. Ainsi on peut améliorer le facteur de puissance d’un réseau. On dit alors que le moteur est un compensateur synchrone.

- Groupes réversibles

De nombreuses centrales électriques fonctionnent en permanence à pleine puissance : centrales thermiques (classiques ou nucléaires), centrales au fil de l’eau; pour adapter, à tout moment, la production de l’énergie électrique aux besoins, le producteur doit emmagasiner de l’énergie durant les heures creuses et la récupérer durant les heures de pointe.

Or, l’énergie électrique ne peut pas être stockée : la seule solution est de disposer une centrale hydraulique entre un premier lac L1 (de basse altitude) et un second lac L2 (de haute altitude). Durant les heures creuses, de l’énergie électrique est consommée pour faire passer une certaine masse d’eau de L1 dans L2 : les machines synchrones de la centrale fonctionnent en moteur, les machines hydrauliques fonctionnent en pompe.

Durant les heures de pointe, l’eau repasse de L1 en L2 , tout en étant turbinée si bien que de l’énergie électrique est fournie au réseau: les machines synchrones de la centrale fonctionnent en alternateur, les machines hydrauliques fonctionnent en turbine.

Les groupes « machine synchrone – machine hydraulique » sont alors dits réversibles.

- Moteur synchrone auto-piloté

La propriété essentielle du moteur synchrone est que la fréquence de rotation ns (en tr/s) est liée directement à la fréquence f des tensions statoriques (ns = f/p).

Tant que f est restée fixe et égale à 50 Hz, le moteur synchrone, de vitesse rigoureusement constante, a vu ses applications limitées par suite de son manque de souplesse. Or, depuis quelques années, il existe des convertisseurs électroniques capables d’alimenter les moteurs synchrones en fréquence variable : tout en conservant les avantages indiscutables de ce moteur, on le rend capable de tourner
à des vitesses très différentes. C’est le moteur synchrone auto-piloté dont l’avenir est très prometteur dans le domaine de la traction électrique.

- Moteur synchrone monophasé

Le stator, monophasé, crée deux champs, tournant en sens inverse, qui agissent tous les deux sur le rotor; néanmoins, grâce à un artifice technologique, l’un des champs est prédominant et le démarrage est possible. Aucun courant inducteur n’est nécessaire car le rotor fonctionne comme un aimant permanent.

Ce type de moteur est assez répandu dans le domaine des petites puissances (inférieures au watt). La vitesse, rigoureusement constante, est alors un avantage (tourne-disques, appareils enregistreurs…).

Moteur synchrone

1. Diagramme de Behn –Eschenburg

Pour représenter ce diagramme on a deux possibilité :

- soit d’utiliser les conventions d’un générateur (fig. 2-26a). Dans ce cas le diagramme vectoriel est le même que celui d’un alternateur (fig. 2-22).
Toutefois, comme on raisonne en puissance fournie, la puissance fournie est alors négative pour le fonctionnement en moteur.

- soit d’utiliser les conventions d’un récepteur (fig. 2-26b). Dans ce cas on passe du diagramme précédent (fig. 2-22) au nouveau diagramme (fig. 2-26c) en changeant I en – I. Ce nouveau
diagramme , qu’on utilisera pour le fonctionnement en moteur a l’avantage de raisonner en puissance absorbée (la puissance devenant alors négative si la machine fonctionne en alternateur), le rotor est décalé en arrière de l’angle θe par rapport au champ.

Fonctionnement d’une machine synchrone en moteur
Fig. 2-26

Fonctionnement en charge
Fig. 2-22

2. Fonctionnement

Ici de même le diagramme de Behn – Eschenburg permet de prévoir approximativement le fonctionnement parce que, si le moteur reste couplé au même réseau, l’état de saturation est toujours le même et la réactance X peut être considérée comme constante.

On retrouve les deux régimes de fonctionnement comme pour l’alternateur :

a) à J = Cte (risque de décrochage)

Si le couple résistant Tr exercé sur l’arbre augmente, le rotor se décale de plus en plus en arrière par rapport au champ tournant : l’angle de décalage se fixe à la valeur θ. Dans le diagramme le vecteur E, qui fait avec le vecteur V l’angle θe = pθ, pivote autour du point O (fig. 2-27a) dans le sens négatif.
Si Tr dépasse la valeur de Tmax le décalage θe franchit la valeur π/2p : au-delà, T diminue si bien que le rotor ralentit; il s’écarte de synchronisme.
Le couple moteur moyen s’annule et le rotor s’immobilise : c’est le phénomène de décrochage. Il faut
déconnecter le moteur du réseau triphasé.

La verticale passant par le point O constitue encore la limites des régimes stables : la
stabilité augmente avec Tmax, donc avec J.

Courbes de fonctionnement
Fig. 2-27

La caractéristique mécanique est facile à construire (fig. 2-27c). C’est une droite parallèle à l’axe des couples, puisque la vitesse est invariable. Cette droite est de longueur limitée car le couple ne peut dépasser la valeur des limites stables.

La caractéristique mécanique a l’allure shunt idéale.

b) à P = Cte : courbes en V

Tout ce qui a été vu dans la machine en alternateur est transportable dans la marche en moteur.
Dans le diagramme les horizontales sont des droites d’équipuissance (mais elles sont situées « en dessous » du vecteur V et P est la puissance absorbée par le moteur).

Les courbes I = f(J) ont encore l’allure de V (fig. 2-27b). :

• en sous-excitation ⇒ ϕ > 0 : le moteur est un circuit inductif (courant enarrière de la tension).
• en surexcitation ⇒ ϕ < 0 : le moteur est un circuit capacitif (courant enavant de la tension).

Couplage des machines synchrones : Moteur synchrone

1. Couplage d’un alternateur

L’alternateur autonome est un cas particulier de fonctionnement. Les alternateurs de grande puissance (supérieure à 50 kVA) des centrales électriques sont tous interconnectés, c’est-à-dire couplés sur le même réseau de distribution. Ils reçoivent tous les jours, d’un organisme central appelé « dispatching », un programme qui prévoit et fixe pour les différentes heures l’énergie à fournir sur le Réseau National.

D’autre part, le rendement d’un alternateur est maximal aux environs de sa charge nominale. Dans ces conditions, pour obtenir le meilleur rendement global de la centrale, il faut mettre de nouvelles unités en service dans les périodes chargées de la journée et les mettre hors service durant les périodes creuses.

1.1. Conditions de couplage

Pour que le couplage n’entraîne, au moment de la fermeture de l’interrupteur tripolaire disposé entre l’alternateur te le réseau, aucun échange brutal de courant et par suite aucun choc mécanique sur le rotor, il faut que (fig : Couplage d’un alternateur sur le réseau) :

• les 3 f.é.m. à vide e1, e2 et e3 de l’alternateur.
• les 3 tensions simples v1, v2 et v3 du réseau.

soient respectivement égales (les neutres de l’alternateur et du réseau sont supposés reliés entre eux, par exemple par « mise à la terre »).

Pour qu’il en soit ainsi, deux premières conditions doivent être satisfaites :

• égalité des fréquences.
• égalité des valeurs efficaces.

En agissant sur la turbine qui entraîne l’alternateur on amène la fréquence de rotation n à une valeur aussi voisine possible de ns = 3000 / p (en tr/mn).

Schéma électrique

Diagramme de Fresnel

En agissant sur le courant inducteur J on obtient l’égalité de la valeur efficace E des f.é.m. et de la valeur efficace V des tensions.

Supposons que le double réglage précédent est réalisé. Les six vecteurs de même norme tourneraient exactement à la même vitesse (fig:Couplage d’un alternateur sur le réseau) si l’on avait rigoureusement n = ns. En fait, même si le réglage est fait avec précision, les vecteurs E1, E2, E3 tournent lentement mais inévitablement par rapport aux vecteurs V1, V2, V3. On ne peut pas réaliser en permanence l’égalité, mais il faut effectuer le couplage au moment où

E1 = E1,      E2 = V2,      E3 = V3

C’est-à-dire à l’instant où l’étoile des f.é.m. coïncide avec celle des tensions.

1.2. Réalisation du couplage

Pour repérer l’instant où l’interrupteur tripolaire doit être fermé on peut connecter à ses bornes trois lampes L1, L2 et L3 (fig:Réalisation du couplage).

a) Schéma électrique

b) Diagramme de Fresnel

Si la succession des phases est la même (succession supposée directe dans le cas de la fig : Couplage d’un alternateur sur le réseau b) pour les f.é.m. e1, e2, e3 d’une part et pour les tensions v1, v2, v3 d’autre part, les 3 lampes battent simultanément soumises aux tensions représentées par les vecteurs en pointilles (fig : Couplage d’un alternateur sur le réseau b). Elles s’éteignent et passent par leur éclairement maximal en même temps. (Ces lampes doivent supporter 2 fois la tension simple).

A l’instant où les lampes sont éteintes, la condition d’égalité recherchée est réalisée.

Si la succession des phases n’est pas la même pour les f.é.m. et les tensions simples, par exemple si on la succession directe pour v1, v2, v3 et la succession inverse pour e1, e2, e3, les lampes s’allument et s’éteignent successivement :

quand la lampe L1 est éteinte, L2 et L3 sont allumées (fig : Réalisation du couplage b). Il suffit alors de croiser deux fils entre l’alternateur et l’interrupteur pour revenir au cas précédent.

Lorsque les 3 lampes battent simultanément, on augmente la période de battement en agissant sur la turbine et quand la durée de chaque extinction est de quelques secondes, on ferme l’interrupteur au moment d’une extinction : la machine synchrone est couplée sur le réseau, elle ne reçoit ni ne fournit aucune puissance.

Dans une centrale le repérage des bornes de l’alternateur et du réseau est fait une fois pour toute. On obtient le quasi-synchronisme à l’aide d’un appareil appelé synchronoscope et le couplage s’effectue automatiquement.

2. Fonctionnement en alternateur

2.1. Fonctionnement à vide

Après le couplage la machine synchrone n’échange aucune puissance active avec le réseau. Si on néglige les pertes constantes le couple exercé sur l’arbre par la turbine est nul. Le diagramme de Behn – Eschenburg a l’allure représentée sur la fig :Marche à vide.

Marche à vide

Le champ magnétique B0 est dû uniquement au courant inducteur J; le courant inducteur a une valeur J0 telle que E = V (généralement la tension V du réseau est égale à la tension nominale de l’alternateur Vn).

Lorsque J varie, la f.é.m. E cesse d’être égale à la tension V et un courant prend naissance dans chaque phase statorique; si on néglige les pertes par effet Joule dans le stator et si on suppose que le couple moteur exercé par la turbine est encore nul, la puissance électrique P = 3 V I cos ϕ fournie par l’alternateur au réseau est toujours égale à zéro :

P = 3 V I cos ϕ = 0              ⇒            cos ϕ = 0             ⇒          ϕ = ± π/2

Donc les courants statoriques sont purement réactifs.

A vide, l’augmentation du courant d’excitation J provoque la fourniture et ladiminution provoque une absorption de l’énergie réactive au réseau.

2.2. Fonctionnement en charge

Le courant d’excitation, étant fixé à une valeur J, on augmente l’admission du moteur d’entraînement, le rotor tendant à accélérer, il en résulte un décalage θ en avant du champ rotorique BJ par rapport au champ résultant initial B0. (fig : Fonctionnement en charge).

 Fonctionnement en charge

Quand une machine synchrone fonctionne en génératrice (fournie de l’énergie active) E est en avance sur V (dans le sens tournant du champ).

Pour modifier le fonctionnement d’un alternateur relié à un réseau, on peut agir sur deux grandeurs :

• l’ouverture de la vanne d’admission de la turbine.
• le courant inducteur J.

Il en résulte que , si l’on ne fait varier que l’une de ces deux grandeurs, l’alternateur présente deux régimes de fonctionnement possibles.

a) Fonctionnement à J = Cte (risque de décrochage)

Au fur et à mesure que l’on ouvre la vanne d’admission, le couple Tmot appliqué par la turbine augmente : l’angle de décalage θ, (donné par l’équation T = T sin pθ = Tmot) croît également : le vecteur E fait avec le vecteur V un angle θe = pθ de plus en plusgrand (fig:Fonctionnement à J = Cte).

Fonctionnement à J = Cte

Lorsque le décalage augmente, le couple électromagnétique résistant diminue et le groupe « turbine – alternateur » accélère; il s’écarte de synchronisme. Le couple résistant moyen s’annule et la turbine s’emballe : c’est le phénomène de décrochage.

Cet incident risque d’autant moins de se produire que le rapport entre le couple électromagnétique résistant de l’alternateur T et le couple moteur de la turbine Tmot, appelé facteur de stabilité s, soit plus grand.

L’alternateur délivrant à un réseau une puissance active donnée, les pôles de son rotor (le champ rotorique BJ) sont en avance d’un angle électrique θe = pθ parfaitement déterminé par rapport aux pôles fictifs résultants (le champ résultant B0) du rotor et du stator. Si pour une cause externe (décharge brutale d’un alternateur du réseau …) le décalage géométrique θe augmente brusquement d’un angle α = dθ, il peut en résulter des oscillations de vitesse de l’alternateur, oscillations que l’on
désigne sous le nom de « pompage ».

Pour assurer une bonne stabilité de fonctionnement d’une machine synchrone aussi bien en régime permanent qu’en régime transitoire, on a intérêt à adopter pour couple nominal une valeur assez éloignée du couple maximal (soit un rapport Tm / Tn de 2 à 2,5). Par ailleurs, comme le couple maximal est proportionnel à la f.é.m. à vide (donc sensiblement au courant d’excitation J), il est toujours souhaitable d’exciter le plus possible la machine.

Pour une puissance donnée, la stabilité du groupe « turbine – alternateur » augmente avec le courant inducteur J.

b) Fonctionnement à P = Cte : courbes en V

Si le couple électromagnétique T est égal au couple moteur Tmot et reste constant, il en est de même de la puissance électrique P = T (2π ns). Par suite, la valeur du vecteur E = OC change de façon à ce que le point C se déplacer sur une droite parallèle à V, dite droite d’équipuissance (fig:Fonctionnement à P = Cte).

Fonctionnement à P = Cte

La stabilité exige que C se trouve à droite de Cd appelé point de décrochage : à chaque valeur de la puissance P correspond une valeur minimale Jd telle que :

pour J = Jd            ⇒            E = OCd.

Puisque P = Cte, la composante active de I est une constante. Le diagramme montre
que :

* pour J < Jm (sous-excitation) ⇒ ϕ < 0 (I est déphasé en avant de V).
* pour J = Jm (excitation optimale) ⇒ ϕ = 0 (I est en phase avec V).
* pour J > Jm (surexcitation) ⇒ ϕ > 0 (I est déphasé en arrière de V).

En conséquence, alors que l’alternateur fournit toujours la puissance active

P = √3 U I cos ϕ au réseau, il n’en est pas de même de la puissance réactive
Q = √3 U I sin ϕ.

* En surexcitation (J > Jm) ⇒ Q > 0 : l’alternateur fournit au réseau de la puissance réactive Q.
* En sous-excitation (J < Jm) ⇒ Q < 0 : l’alternateur demande au réseau la puissance réactive Q.

Les courbes représentant la fonction I = f(J) avec P = Cte portent le nom de courbes en V de Mordey (fig : Courbes en V).

Courbes en V

Pour une puissance donnée, on aurait intérêt à choisir la valeur minimale de I (ce qui entraînerait des pertes par effet Joule minimales); en fait, pour améliorer la stabilité, on surexcite légèrement les alternateurs (jusqu’à ce que cos ϕ soit voisin de 0,9 par exemple).
On peut régler le point de fonctionnement de l’alternateur en agissant sur la turbine et sur le courant d’excitation.

Il faut noter que la théorie de Behn – Eschenburg n’est valable lorsque le circuit magnétique est saturé, mais elle permet de prévoir approximativement le fonctionnement.