Moteurs synchrones

3.4.1 Généralités et utilisations

Vers 1890, aux USA, alors que Thomas Edison faisait une intense promotion des technologies de production et de motorisation électrique à courant continu, Nikola Tesla et George Westinghouse introduisaient les technologies à courant alternatif. Ils en avaient compris les avantages, à savoir la facilité de transport d’énergie à grandes distances grâce aux transformateurs, et la maintenance simplifiée par absence de collec-teur. L’histoire de la technique a montré qu’ils eurent raison.

Tous les alternateurs, qui transforment l’énergie mécanique en énergie électrique, sont en fait des moteurs synchrones, fonctionnant en mode générateur. Les plus gros réalisés à ce jour atteignent 1'600 MW (20% de la consommation moyenne en Suisse pour fixer un ordre de grandeur). Nous verrons plus loin que la vitesse de rotation est liée à la fréquence de l’alimentation. Comme celle-ci est constante, les alternateurs sont tou-jours accélérés progressivement par la turbine (à gaz ou à eau) avant d’être connectés au réseau. Après, leur vitesse de rotation est fixe (par exemple, 3'000 tr/min, soit 50 tours par seconde, pour un turboalternateur à vapeur).

Figure 3-22 Alternateur de 1'320 MW de la centrale nucléaire de Leibstadt. Les turbines à vapeur qui l’entraînent sont en arrière-plan

(source : Kernkraftwerk Leibstadt (CH) – www.kkl.ch)

Les entraînements de forte puissance, dans les cimenteries et laminoirs comme dans les trains et navires, font également appel aux moteurs synchrones. Avant l’introduction de l’électronique de puissance dès 1970, leur démarrage n’était possible qu’à l’aide de moteurs auxiliaires, continus ou asynchrones. La vitesse va-riable était simplement impossible, et restait l’apanage quasi exclusif des moteurs DC, tant dans les chemins de fer que dans les machines de production et installations.

Figure 3-23 Moteur de 50 MW, utilisé par exemple dans une cimenterie

(source : ABB (CH) – www.bbc.com)

Ce ne fut qu’à partir de 1970 que les progrès en électronique de puissance et en informatique de régulation permirent enfin de faire profiter toutes les machines de production des avantages technologiques du moteur synchrone. Les servomoteurs DC sont maintenant remplacés par des servomoteurs « sans balais », qui ne sont rien d’autre que des moteurs synchrones à aimants permanents, dans une gamme de puissance de ~50 W à ~10 kW.

Figure 3-24 Servomoteurs « sans balais », donc synchrones à aimants permanents

3.4.2 Principe de fonctionnement

La grande différence entre le moteur à courant continu et le moteur synchrone réside dans la permu-tation de l’excipermu-tation et de l’induit. Contrairement au moteur à courant continu, le moteur synchrone dis-pose de son excitation au rotor et de son induit au stator. Ainsi, l’alimentation des bobines de l’induit se fait directement, sans collecteur. Lorsque l’excitation est réalisée par des aimants permanents, il n’y a aucun courant électrique qui circule au rotor. Même lorsqu’elle est réalisée par des électro-aimants, le courant con-tinu nécessaire est transmis au rotor à l’aide d’un système de bagues moins sujet à usure qu’un collecteur, ou d’un système à transformateur tournant sans contact direct.

Figure 3-25 Différence de principe entre le moteur DC (à gauche, avec les aimants au stator) et le moteur synchrone (à droite, avec les aimants au rotor)

(source : HEIG-VD – C. Besson)

La difficulté résulte cependant dans le fait que, si les bobines du stator sont alimentées en courant continu, les aimants du rotor vont simplement s’aligner en face de ces bobines, puis rester arrêtée à cet angle. Pour que le rotor tourne, l’alimentation des bobines du stator doit être variable au cours du temps. L’idée consiste à les alimenter de manière à créer un champ magnétique tournant.

Comme le montre la Figure 3-26, un aimant permanent en fer à cheval qui pivote autour de son axe de symé-trie crée un champ magnétique tournant. Une aiguille de boussole placée entre ses pôles suivrait le mouve-ment de rotation.

Figure 3-26 Champ magnétique tournant créé à l’aide d’un aimant permanent

(source : HEIG-VD – C. Besson)

Pour réaliser un champ tournant à l’aide d’électro-aimants, une seule bobine ne suffit pas. En effet, même en l’alimentant avec un courant variable, le champ magnétique ainsi créé varierait en intensité, mais les lignes de forces resteraient immobiles. Une aiguille de boussole placée en face vibrerait peut-être, mais ne tourne-rait pas. Pour réaliser un champ tournant à l’aide d’électro-aimants, il est nécessaire de disposer, par exemple, de 3 bobines au stator, décalées de 120 degrés, et de les raccorder à une alimentation alternative triphasée. Le champ magnétique résulte de la somme des 3 champs créés par chaque bobine individuelle-ment. Si la fréquence de l’alimentation est de 50 Hz, le champ magnétique tourne exactement à 50 tours par seconde, soit 3'000 tr/min, ou ~314 rad/s, et pourrait entraîner à cette vitesse une aiguille aimantée.

Si l’on permute deux des trois courants alimentant ce bobinage triphasé, par exemple i2(t) et i3(t), on pro-voque l’inversion du sens de rotation du champ tournant.

Figure 3-27 Trois enroulements alimentés en courants triphasés sinusoïdaux produisent un champ tournant, dans un sens ou dans l’autre

(source : HEIG-VD – C. Besson)

Définition 3.7 L’ensemble des trois enroulements forme une excitation triphasée.

Définition 3.8 Alimentée en triphasé, cette excitation produit un champ tournant.

Définition 3.9 La vitesse de rotation du champ tournant est appelée vitesse synchrone.

Figure 3-28 Exemple de réalisation de l’excitation d’un moteur synchrone

(source : HEIG-VD – C. Besson)

Définition 3.10 Un stator de moteur est réalisé avec des tôles de fer empilées, dans lesquelles sont décou-pées des encoches. La Figure 3-28 montre comment est réalisé un bobinage triphasé.

La Figure 3-29 montre l’allure des lignes de force pendant une demi-période, lorsque ces bobines sont ali-mentées par un système de courants triphasés sinusoïdaux. On remarque qu’après une demi-période, le champ magnétique a pivoté d’un demi-tour.

Figure 3-29 Représentation du champ tournant sous l’action d’une alimentation tripha-sée

(source : HEIG-VD – C. Besson)

Si l’on double le nombre d’encoches, il est possible de créer 6 bobines au lieu de 3, puis de les connecter en série deux à deux, l’ensemble forme toujours un jeu de bobines triphasé.

Figure 3-30 Exemple de réalisation d’une excitation triphasée avec 6 bobines

(source : HEIG-VD – C. Besson)

La Figure 3-31 montre l’allure des lignes de force lorsque ces 6 bobines, connectées deux par deux en série, sont alimentées par un système de courants triphasés sinusoïdaux. On remarque que, pendant demi-période, les lignes de force n’ont pivoté que d’un quart de tour.

Figure 3-31 Représentation du champ tournant sous l’action d’une alimentation en cou-rants triphasée dans un jeu de 6 bobines placées en série deux à deux

(source : HEIG-VD – C. Besson)

Lorsque l’excitation d’un moteur comporte un enroulement par phase comme montré dans la Figure 3-28, on dit qu’elle a une paire de pôles, ce que l’on note par p1. Le champ tourne d’un tour par période de l’alimentation.

Avec deux enroulements par phase comme montré dans la Figure 3-30, on dit qu’elle a deux paires de pôles, ce que l’on note par p2. La vitesse de rotation du champ tournant est deux fois plus faible.

Si l’on augmente encore le nombre de bobines par phase, la vitesse synchrone diminue encore, comme le montre l’équation suivante :

Équation 3.33 ^{60 ∙} tr/min ou 2 ∙

rad/s où f est la fréquence en Hz et p le nombre de paires de pôles

La table ci-dessous montre la vitesse synchrone en fonction du nombre de paires de pôles, pour des alimenta-tions triphasées européenne (à 50 Hz) et américaine (à 60 Hz).

1 paire de pôles

2 paires de pôles

3 paires de pôles

4 paires de pôles

etc.

f = 50 Hz 3'000 r/min 1’500 r/min 1’000 r/min 750 r/min etc.

f = 60 Hz 3'600 r/min 1’800 r/min 1’200 r/min 900 r/min etc.

Table 3.1 Vitesses synchrones en fonction de la fréquence et du nombre de pôles

Définition 3.11 Toutes les bobines connectées en série dans le stator d’un moteur synchrone constituent une phase. Ainsi, un moteur triphasé comporte toujours 3 phases, constituées chacune de 1, 2 ou plusieurs bobines.

3.4.3 Principe de fonctionnement du moteur synchrone à fréquence fixe

Le 2^ème principe de l’électromagnétisme exposé au paragraphe 3.1.2 expliquait comment un conducteur, par-couru par un courant et placé dans un champ magnétique, est soumis à une force susceptible de le mettre en mouvement. L’inverse est aussi vrai, en vertu du principe de l’action et de la réaction : Si les conducteurs sont fixes et les aimants produisant le champ sont mobiles, ce sont les aimants qui se mettent en mouvement.

C’est le même principe qui explique le fonctionnement du réacteur d’avion : Si celui-ci éjecte les gaz de combustion en leur appliquant une certaine force, il est lui-même soumis à une force équivalente de sens opposé, utilisée pour propulser l’avion.

Ainsi, dans un moteur synchrone, le système triphasé de courants parcourant les bobines du stator crée un champ tournant, mais les bobines et leurs conducteurs restent immobiles. C’est l’aimant, fixé au rotor, qui entraîne celui-ci dans son mouvement de rotation à la vitesse synchrone.

Par analogie, si on représente le champ tournant par un disque en rotation et le rotor par un second disque tournant sur le même axe, la force électromagnétique peut être comparée à l’effet de ressorts reliant ces 2 disques. Si le rotor est freiné par un couple résistant Trés, les ressorts se tendent jusqu’à ce que leur déforma-tion corresponde à une force contrebalançant exactement le couple résistant. Si le couple résistant cesse, les ressorts se détendent et ne transmettent pratiquement plus qu’une petite force pour compenser les frottements internes.

De la même manière, pour fournir un couple à l’arbre, le rotor d’un moteur synchrone prend un petit angle de retard sur le champ tournant, soit un déphasage juste suffisant pour que le couple électromagnétique contre-balance exactement le couple à l’arbre. Ce déphasage est appelé angle de charge . Si le couple à l’arbre est constant, l’angle de charge est également constant, et la vitesse de rotation du rotor reste identique à la vi-tesse du champ tournant. Si le couple résistant excède une certaine limite Tk, le couple électromagnétique fourni par le moteur ne peut plus le contrebalancer. On dit que le moteur décroche, et le rotor finit par s’arrêter. Tout se passe comme si, dans l’analogie des 2 disques et des ressorts, ceux-ci cassaient après avoir été trop sollicités.

Figure 3-32 Caractéristique de couple d’un moteur synchrone, où



La limite de décrochage, soit le couple maximum T_k que peut fournir un moteur synchrone, dépend essentiel-lement de facteurs constructifs. Dans la pratique, si un moteur synchrone décroche, c’est presque toujours dû à une augmentation du couple résistant suite à une perturbation au niveau de la charge (surcharge mécanique, dégradation des paliers ou des alignements, etc.)

Lorsqu’un moteur synchrone est alimenté par une source triphasée de tension et de fréquence constantes, il tourne à la vitesse synchrone qui est constante. L’angle de charge  se stabilise à une valeur telle que le couple électromagnétique T_em contrebalance exactement le couple résistant T_rés. La Figure 3-32 montre que le point de fonctionnement est stable s’il se trouve à une valeur de  comprise entre -/2 et +/2. En dehors de cette zone, il est instable.

Comme les moteurs triphasés sont conçus pour charger l’alimentation de manière parfaitement équili-brée, les 3 courants efficaces sont identiques. Un tel moteur est caractérisé par les relations de puissances suivantes :

Équation 3.34 _é √3∙ ∙ ∙ W

où _é est la puissance électrique active fournie au moteur,

où Uc est la tension efficace composée de l’alimentation triphasée, constante, où est le courant efficace, égale pour chacune des 3 phases, variable en fonction du couple fourni,

où est le facteur de puissance qui tient compte du déphasage entre courant et tension, variable en fonction du couple fourni.

Équation 3.35 _{méc rés} ∙ W

où _méc est la puissance mécanique délivrée à l’arbre,

où _rés est le couple résistant exercé par la charge, a priori variable,

où est la vitesse de rotation, égale à la vitesse synchrone selon Équation 3.33, donc dépendante de la fréquence.

Si la tension et la fréquence sont constantes, la vitesse de rotation est également constante. Par ailleurs, les pertes internes sont généralement faibles. Si nous les négligeons, nous pouvons déduire de ces équations que le courant consommé est proportionnel au couple électromagnétique produit, exactement comme pour les moteurs DC.

Attention : Avec tous les moteurs triphasés (synchrones ou asynchrone), il faut faire attention à ne pas confondre les différentes expressions de la vitesse de rotation avec la fréquence et la pulsation de l’alimentation électrique triphasée. La vitesse de rotation du rotor peut être exprimée en [tr/min], en [tr/s] ou en [rad/s]. La fréquence f de l’alimentation élec-trique est toujours exprimée en [Hz]. La pulsation ω de l’alimentation élecélec-trique est toujours exprimée en [rad/s].

La même abréviation ω est utilisée pour la vitesse de rotation du rotor et pour la pulsa-tion de l’alimentapulsa-tion triphasée. S’il y a risque de confusion, il conviendra d’y ajouter un indice permettant de les différentier, par exemple ω pour la rotation et ωalim pour la fréquence de l’alimentation.

3.4.4 Démarrage d’un moteur synchrone

Le fait qu’un moteur synchrone ne puisse fournir un couple que si le rotor tourne à la vitesse du champ tour-nant, comme on l’a vu au paragraphe précédent, pose un problème majeur au démarrage. Alimenté directe-ment par le réseau triphasé à 50 ou à 60 Hz, un moteur synchrone ne peut pas démarrer. C’est dû au fait qu’à l’arrêt, un couple d’accélération n’est disponible que pendant une demi-période, soit 10 ou 8,3 mil-lisecondes seulement. A la demi-période suivante, le couple électromagnétique s’inverse. Une accélération de l’arrêt à la vitesse synchrone pendant un laps de temps aussi court n’est théoriquement possible que si l’inertie du rotor et de sa charge était extrêmement faible, ce qui n’est jamais le cas en réalité.

Si par contre, on dispose d’un moyen auxiliaire pour lancer le moteur à une vitesse proche de sa vitesse syn-chrone, le moteur peut alors spontanément se mettre au synchronisme, puis tourner exactement à la vitesse synchrone. Ce moyen auxiliaire peut être réalisé comme suit :

 Ajouter un moteur externe utilisant une autre technologie adaptée à la variation de vitesse. Ainsi, un alternateur est démarré à l’aide de la turbine à gaz ou à eau, avant d’être connecté au réseau qu’il doit alimenter.

 Modifier le rotor du moteur synchrone pour qu’il se comporte comme un moteur asynchrone au démar-rage (même s’il a un mauvais rendement à ce régime). Il suffit d’ajouter quelques spires en court-circuit au rotor, en cuivre ou en aluminium. Comme nous le verrons au chapitre suivant, un moteur asynchrone est capable, sous certaines conditions, de démarrer lorsqu’il est connecté directement au réseau. On parle alors d’un moteur synchrone à démarrage asynchrone.

Le démarrage d’un moteur synchrone est également possible au moyen d’un variateur de fréquence. Celui-ci l’alimente à une fréquence qui croît progressivement de 0 Hz (arrêt) à 50 Hz (vitesse nominale), voire à des fréquences supérieures (survitesse).

Avant 1970 et l’apparition des semi-conducteurs de puissance, la réalisation d’un tel variateur n’était pos-sible qu’en accouplant plusieurs moteurs et générateurs électriques de technologies différentes. Ce n’était économiquement réalisable que pour des entraînements de très fortes puissances comme dans les cimenteries et les laminoirs.

Depuis, l’évolution de l’électronique de puissance a rendu possible la construction de variateurs de fréquence jusqu’à des puissances de l’ordre de plusieurs MW dont la performance, la fiabilité et le prix sont devenus compétitifs. Ils peuvent aussi délivrer des fréquences supérieures et amener le moteur synchrone en régime de survitesse.

C’est la raison pour laquelle ces moteurs remplacent systématiquement les moteurs à courant continu de tous types, que ce soit sur des machines de production ou en traction électrique. Même des palettiseurs alimentés par batterie, donc disposant d’une alimentation en tension continue, sont maintenant équipés de servomoteurs synchrones à aimants permanents.

1.1.1 Le servomoteur synchrone à aimants permanents

Le moteur synchrone dont le champ rotorique est créé par des aimants permanents est un servomoteur idéal pour les machines. Alimenté par un servo amplificateur adéquat, il est aussi facile à utiliser qu’un moteur DC à aimants permanents. Le surcoût de l’électronique est compensé par ses nombreux avantages, qui sont :

 Absence de collecteurs, donc moins de problèmes d’usure et de maintenance. Seuls les paliers et roule-ments présentent un phénomène d’usure et limitent le fonctionnement du moteur à ~30'000 heures.

 Possibilité de tourner à haute vitesse. Presque tous ces moteurs peuvent atteindre 6'000 tr/min sans pro-blème, alors que beaucoup de moteurs DC sont limités à ~2'000 tr/min. Des vitesses de 50'000 r/min sont possibles. Même 200'000 r/min peuvent être atteints si l’on utilise des paliers magnétiques.

 Les pertes provoquées par la circulation du courant électrique apparaissent au stator et non au rotor.

Elles sont donc plus faciles à évacuer. Le rotor est de ce fait moins chaud, ce qui est important pour cer-taines machines de précision.

 Même à haute vitesse, le servomoteur synchrone peut délivrer un couple impulsionnel important. En pratique, il peut atteindre 2 à 5 fois le couple nominal, alors que celui des moteurs DC est généralement limité à 1,5 fois le couple nominal.

 Le rotor des servomoteurs synchrones est généralement plus compact que celui des moteurs DC. Ainsi, le rapport couple / inertie est environ 2 fois plus favorable que pour un servomoteur DC, ce qui permet d’améliorer la dynamique des machines et leur productivité.

On appelle souvent ce type de moteur servomoteur sans balais (en anglais : « brushless motor »). En toute rigueur, c’est un moteur synchrone auto commuté à aimants permanents. Cela exprime le fait qu’un ser-vo amplificateur alimente et commute le courant dans les bobinages du stator, ajustant leurs valeurs instanta-nées en fonction de la position angulaire du rotor, celle-ci étant mesurée à l’aide d’un capteur angulaire.

L’usage veut que l’on distingue ces moteurs en fonction de la forme de leurs courants d’alimentation :

 Le moteur DC sans balais (en anglais : « DC brushless motor ») est alimenté par des courants de forme rectangulaire. En fait, il n’y a à la base qu’un seul courant qui, à l’aide des transistors de commutation, circule dans 2 phases en série, alors que la 3ème est inactive. Le choix des phases actives et la commu-tation de l’une à l’autre dépendent uniquement de la position angulaire.

Figure 3-33 Allure du courant dans les 3 phases d’un moteur DC sans balais – Le même courant traverse 2 phases en série alors que la 3^ème est inactive ; la commuta-tion a lieu à des posicommuta-tions angulaires précises

(source : HES Berne - http://www.hta-be.bfh.ch/~wwwel/studium/Diplomarbeiten/E95Fuhrer.pdf)

Tout se passe comme dans un moteur DC à aimants permanents, sauf que la commutation du courant entre les phases est réalisée par des transistors au lieu du collecteur. Les équations caractéristiques de ce moteur sont similaires à celles d’un moteur DC à aimants permanent. Voir sections 3.3.3 et 3.3.4. La seule différence est la suivante : Le courant qui intervient dans ces équations fournit l’amplitude du cou-rant IA, IB ou IC le plus élevé aux bornes du moteur. Comme l’indique la Figure 3-33, ces courants sau-tent, par exemple, de +Ii à 0, puis de 0 à -Ii , puis de -Ii à 0, et ainsi de suite.

Lorsque le moteur tourne à une vitesse supérieure à quelques centaines de tours par minute, la commu-tation du courant ne peut plus se faire aussi rapidement que nécessaire, à cause des petites inductances des bobinages, qui ne peuvent plus être négligées. Ces sauts incontrôlés provoquent des impulsions per-turbatrices de couple (en anglais : « cogging torque »). Ce phénomène peut être très gênant lorsque le mouvement doit suivre une trajectoire très précise comme dans une machine-outil à rectifier les engre-nages. Par contre, cette technique convient parfaitement à l’entraînement de petits ventilateurs ou pour les mouvements point-à-point de certains robots.

 Le moteur AC sans balais (en anglais : « AC brushless motor ») est alimenté par trois courants de forme sinusoïdale, formant un système triphasé. Ils sont déterminés comme suit :

 Le moteur AC sans balais (en anglais : « AC brushless motor ») est alimenté par trois courants de forme sinusoïdale, formant un système triphasé. Ils sont déterminés comme suit :