Machines synchrones Suite

1
Machines synchronesSuite
ELEC 2310 Convertisseurs électromécaniques

• E. MATAGNE

2
L alternateur

• Dispositions constructives

3
Types d alternateurs
Nous avons déjà noté au premier cours différentes
dispositions constructives nous allons les
reprendre et les compléter. On sait que la
fréquence f (en Hz) dépend de la vitesse de
rotation N (en tours par minute) et du nombre p
de paires de pôles
En pratique, la vitesse dépend du type de moteur
d entraînement. Dans le cas des alternateurs
fonctionnant à une fréquence imposée (50 Hz en
Europe), celle-ci va donc déterminer le nombre de
paires de pôles. p 1 entraîne N 3000 t/m p
2   N 1500 t/m p 3  
N 1000 t/m ...
4
Dire quune machine est une machine à grande ou
faible vitesse dépend de sa taille. En effet, un
des principaux obstacles à une vitesse élevée est
la  force centrifuge , qui peut abîmer le
rotor. La vitesse est aussi cause de déformations
du rotor (flexion notamment) qui peuvent rendre
son mouvement instable. Pour une machine
puissante comme les alternateurs de centrale, des
vitesses de 3000 t/m , et même 1500 ou 1000 t/m ,
doivent être considérées comme de grandes
vitesses. Par contre, une petite génératrice peut
tourner beaucoup plus vite . à condition que sa
fréquence électrique ne soit pas imposée. Exemple
génératrice incorporée aux réacteurs dun avion.
5
Si l alternateur est entraîné par une turbine à
vapeur ou à gaz, il fonctionnera à vitesse élevée
(3000, 1500 ou 1000 tours/minute). Il doit alors
avoir un diamètre faible pour résister à la force
centrifuge, d où une forme allongée. Par
exemple, 100 MVA à 3000 t/m diamètre rotor 1 m
, longueur 5 m
Le rotor est fait d une pièce en acier forgé et
usiné. L enroulement d excitation est réparti
dans des encoches fraisées dans la masse du
rotor. Le nombre de paires de pôles est petit. Un
tel alternateur est appelé turbo-alternateur. Puis
quil y a beaucoup dencoches par pôle, on peut
souvent considérer quil sagit dune machine à
pôles lisses. On se rappellera que ces machines
vérifient la théorie de Potier.
6
Si la vitesse est plus faible (ce qui est le cas
avec certaines turbines hydrauliques), on
augmente le diamètre du rotor pour garder une
vitesse périphérique suffisamment grande. Le
rapport longueur-diamètre diminue. Par exemple,
300 t/m diamètre 5 m , longueur 1 m. La
construction du rotor est complètement différente
roue formée d une jante (assurant le retour du
flux magnétique des pôles) sur laquelle sont
fixés les pôles, chacun avec son bobinage.
7
Refroidissement

• Le refroidissement des grosses machines se fait
  en circuit fermé, actuellement à l hydrogène
  sous pression.
• masse volumique faible (masse moléculaire 2 au
  lieu de 29), donc pertes de ventilation réduites
  même sous pression ,
• bonne conductivité thermique (pour la même
  raison),
• l hydrogène n attaque pas les isolants
• pas de risque d incendie interne (mais
  attention aux fuites et à la procédure de
  remplissage et d évacuation utilisation de
  CO2)
• Les grosses machines comportent en outre un
  refroidissement par liquide, eau ou huile.

8
Enroulements Dans les grosses machines, on
utilise des conducteurs plats pour mieux remplir
les encoches. Comme la section des conducteurs
peut être grande, la densité de courant nest pas
spontanément uniforme (elle serait plus faible au
fond des encoches). On subdivise donc les
conducteurs et on fait passer chaque  brin ,
lors du changement dencoche, à une profondeur
différente pour que tous les filets de courant
aient globalement le même environnement
magnétique (et donc que le courant se partage
également entre tous les conducteurs en
parallèle). Dans les très grosses machines, on
réserve des espaces dans les encoches pour y
faire circuler un fluide de refroidissement, et
les conducteurs peuvent même être creux.
9

• Dans les encoches, les conducteurs sont protégés
  des efforts électrodynamiques (F B l i ) qui se
  produisent lors des court-circuits violents car
• le champ magnétique est faible dans les encoches
  (il passe surtout par les dents),
• les conducteurs sont calés dans les encoches.
• Par contre, un soin particulier doit être accordé
  aux têtes de bobine (passage dune encoche à
  lautre).

10
Circuit magnétique Le stator doit être feuilleté
puisquil est le siège de champs magnétiques
alternatifs. Il est calé dans une carcasse qui en
assure la rigidité mécanique et létanchéité. Le
rotor peut être massif, ce qui est bien utile du
point de vue de la tenue mécanique. Dans le cas
de petites machines, il est parfois feuilleté
aussi pour éviter les pertes par courants de
Foucault dues aux harmoniques.
11
Excitatrice Pour les machines rapides,
lexcitatrice se trouve presque toujours en bout
darbre. On a vu au cours précédent que cela
permet déviter des contacts glissants. Pour les
alternateurs lents, lexcitatrice est souvent sur
un autre axe, tournant à vitesse plus élevée.
Cela permet une construction plus compacte, et
réduit son inertie magnétique (donc permet une
commande plus rapide du groupe). Ces excitatrices
peuvent être entraînée par courroie, par
engrenage ou par un moteur auxiliaire.
12
Puissance nominale Comme pour les
transformateurs, la puissance nominale est
exprimée en kVA et non en kW. En effet, ces
dispositifs peuvent être utilisés avec différents
facteurs de puissance ( ? cos j ) en fonction de
leur charge. Or, leur échauffement dépend du
courant qui les parcourt (à cause des pertes
Joule) et du flux magnétique (à cause des pertes
magnétiques, par hystérésis et courants de
Foucault, et de laugmentation des pertes liée à
celle du courant magnétisant). En outre, à
fréquence fixée, la tension induite est
proportionnelle au flux. Cest donc surtout une
combinaison de la tension efficace et du courant
efficace qui détermine les pertes. En triphasé,
on aura donc Ceci dit, on peut parler dune
puissance nominale en kW dans le cas dun groupe
moteur-alternateur, car la puissance que peut
fournir le moteur est souvent inférieure à la
puissance nominale de lalternateur seul (pour
pouvoir utiliser la pleine puissance du moteur
même si le cos j de la charge nest pas
idéal). Une troisième contrainte vient de ce que
le courant dinducteur est, lui aussi, limité.
Sur charge inductive, on ne peut pas toujours
atteindre la puissance (apparente) nominale.
13

• Pertes Rendement
• Comme pour toutes les machines électriques, on
  cherche à diviser les pertes en
• pertes constantes (mécaniques, magnétiques,
  excitation)
• pertes quadratiques (par effet Joule)
• Ce nest pas une séparation rigoureuse, mais elle
  donne une vue globale intéressante ! Les courbes
  de rendement en fonction de la puissance débitée
  présentent donc un maximum. Dans les machines
  fonctionnant toujours à pleine charge, ce maximum
  est souvent proche du régime nominal. Il peut
  être inférieur dans le cas de machines utilisées
  à charge variable.
• A puissance apparente constante, si le facteur de
  puissance diminue, la puissance active diminue,
  mais les pertes restent à peu près les mêmes.
  Donc le rendement diminue quand le cos j est
  moins bon.
• Exemple si un alternateur de 100 MVA présente 2
  MW de pertes en pleine charge.
• En pleine charge, si le cos j 1, le rendement
  vaut h 100/102 98
• En pleine charge, si le cos j 0.5, le rendement
  vaut h 50/52 96

14
Pour être plus précis, notons que, à même
puissance et même cos j , le rendement est un peu
meilleur en capacitif (on parle par abus de cos j
capacitif). En effet, la force électromotrice Eo
est plus faible en capacitif, comme on la déjà
dit (voir diagrammes phasoriels ci-dessous). Le
courant dexcitation nécessaire est donc plus
petit, ainsi que les pertes dexcitation (pertes
Joule à linducteur). La force électromotrice E
est également un peu plus faible en capacitif,
donc aussi le champ principal, et donc les pertes
magnétiques.
15
Machines synchrones

• Marche en parallèle des alternateurs

16
Prise de parallèle
Les réseaux interconnectés comprennent de
nombreux générateurs débitant en parallèle. Il
est évident quelles doivent fonctionner toutes à
la même fréquence, et avec des différences de
tension et des différences de phase petites.
Ceci implique quun certain nombre de
précautions doivent être prises lors de la
connexion dun alternateur en parallèle sur le
réseau ou un autre alternateur. Nous allons
considérer le cas de la connexion de deux
alternateurs le cas dun alternateur à
connecter au réseau est similaire.
17
Procédure de prise de parallèle On ne peut faire
la mise en parallèle que si le voltmètre V
indique 0 . Pour y arriver, on règle (par les
moteurs !) la vitesse des deux groupes de façon à
obtenir à peu près la même fréquence (soient w et
w les pulsations électriques).
On règle aussi les deux tensions à des valeurs
proches (ce qui nécessite deux voltmètres
supplémentaires) en ajustant les courants
dinducteur. Il reste à vérifier que les phases
sont correctes. Cela peut se faire en observant
la tension mesurée par le voltmètre placé en
parallèle sur la clé.
18
Soit
Cest une tension de pulsation (ww)/2 dont
lamplitude varie lentement (battement). Si w
nest pas identique à w, il arrive un moment où
la tension est nulle. Attention! Comme le système
est triphasé, la clé est triple. Il faut encore
vérifier avant de fermer la clé que la même
condition est remplie pour les deux autres
phases, ce qui sera automatiquement le cas si les
systèmes sont tous les deux directs ou tous les
deux inverses. Une façon élégante de vérifier
cette condition est dutiliser un dispositif à
trois lampes nommé  feu tournant .
19
Montage des feux tournants
Note les  ampoules  doivent supporter le
double de la tension de phase. ? Des feux
battants indiquent que la condition nest pas
remplie il faut permuter deux lignes dune des
deux machines ! ? Des feux tournants indiquent
que la condition est remplie La fermeture de la
clé doit se faire au moment où la lampe disposée
au sommet du triangle est éteinte, les deux
autres brillant du même éclat.
Il existe des dispositifs (synchronoscopes) qui
présentent une aiguille en rotation lente (il
sagit de petits moteurs asynchrones à rotor
bobiné). On doit fermer la clé au moment où
laiguille passe par une position déterminée. Ces
appareils peuvent être mis en service quaprès
sêtre assuré (par un feu tournant) que lordre
des phases est correct. On les déconnecte
habituellement une fois la mise en parallèle
effectuée. Il existe aussi des dispositifs
automatiques qui nautorisent la mise en
parallèle que si toutes les conditions sont
remplies.
20
Stabilité de la mise en parallèle
Il ne suffit pas que les machines synchrones
connectées à un réseau fonctionnent au moment de
leur mise en parallèle à la même fréquence, et
avec des différences de tension et des
différences de phase petites et constantes. Il
faut encore que ces conditions restent vérifiées
par la suite. Comme les machines se trouvent à
distance lune de lautre, il est très
souhaitable que ces conditions soient
automatiquement satisfaites. Nous allons
considérer le cas dun alternateur connecté à un
réseau caractérisé par une source de tension en
série avec une impédance. Le cas de deux
alternateurs connectés en parallèle est similaire.
21
est limpédance du réseau est la force
électromotrice du réseau
La partie de gauche du schéma représente la
machine synchrone. Posons
Normalement, ZT est essentiellement inductif.
22
Égalité des forces électromotrices Une fois la
mise en parallèle effectuée, il existe un
mécanisme qui tend à maintenir légalité des
phases. Supposons que les f.é.m. de la machine et
du réseau soient alignées, mais que Eo soit
légèrement plus grande que Eoo .
ZT étant essentiellement inductif, le courant de
circulation I est en quadrature arrière sur DEo ,
donc aussi sur Eo . Ce courant est donc
démagnétisant pour la machine synchrone, car il
cause une chute de tension sur Xr qui fait que E
est plus faible que Eo . Il tend donc à réduire
le déséquilibre initial (peu de différence entre
E et Eoo ).
23
Égalité des phases Il existe aussi un mécanisme
qui tend à maintenir légalité des phases.
Supposons que la force électromotrice Eo prenne
de lavance sur E? . Soit d langle entre ces
deux grandeurs.
La différence des forces électromotrices DEo
nest plus nulle, donc il apparaît un courant de
circulation
24
ZT étant très inductive, I est pratiquement en
quadrature avec DEo .
Langle y entre Eo et I est donc petit. Dans la
machine, on a une conversion de puissance
mécanique en puissance électrique 3 Eo I cos y
(on néglige les pertes magnétiques). Cette
puissance correspondra à une diminution de
lénergie cinétique. La machine va donc ralentir,
de sorte que langle d va diminuer.
25
Expression de la puissance en fonction de
d Considérons à nouveau le cas où une des
machines tente de tourner plus vite que lautre,
les f.é.m. étant égales en grandeur. Appelons jT
largument de ZT .
Il est aisé de voir que DEo 2 Eo sin (d/2)
On montre que
Indication montrer dabord que y jT 90
d/2
26
Les puissances converties, donc aussi la
puissance échangée, sont limitées. La limite vaut
Si jT 90 (pas de pertes), les puissances
converties sont égales, et égales à la puissance
électrique échangée entre les deux machines.
Lexpression de la puissance échangée est
La limite de puissance échangée est alors
27
Considérons le réseau comme une seconde machine
synchrone. On peut calculer la puissance
réellement reçue par le réseau de la même façon.
On a (en changeant le signe de d et de lensemble)
Avec comme valeur maximum
Notons que Pconv est plus grande que Pconv oo car
elle inclut les pertes. (Pconv - Pconv oo ) / 3
ZT Icirc2 cos jT
28
La figure ci-dessous représente Pconv oo pour
deux valeurs de jT , en fonction de d .
En fait, la machine qui simule le réseau
fonctionne en moteur. Nous venons donc détudier
un fonctionnement de machine synchrone en moteur
! Ce type de fonctionnement sera étudié en tant
que tel plus loin.
29
Marche en parallèle en charge Considérons deux
alternateurs couplés en parallèle et débitant une
puissance totale P dans un réseau commun.
30
Négligeons les pertes des deux machines. Soit U
la tension aux bornes du circuit de charge et Z
son impédance. On admet le circuit équivalent
ci-dessous.
31
Par rapport à la tension U, chaque alternateur a
sa f.é.m. Eo décalée en avant dun angle d1 ou d2
.
La puissance fournie par les alternateurs vaut
respectivement (on néglige les pertes)
32
Si les machines sont identiques, reliées à la
charge par des impédances égales et ont les mêmes
réglages dexcitation et des couples des moteurs
dentraînement, les deux diagramme sont
identiques la puissance consommée, tant active
que réactive, se partage de façon égale entre les
deux machines. On peut cependant modifier cette
répartition. Modification de la répartition de
puissance active Si on augmente le couple fourni
à lun des deux moteurs dentraînement,
lalternateur correspondant, soit A1 , tend à
accélérer. Langle d1 augmente et, pour maintenir
la fréquence, il faut réduire la puissance
appliquée à A2 . Langle d2 va donc diminuer.
Ceci peut théoriquement se poursuivre jusquà ce
que d1 atteigne 90 ou que d2 atteigne -90. A ce
moment, une augmentation de d1 entraîne une
réduction de puissance (avec le facteur sin d1).
Lalternateur qui tendait à accélérer se trouve
déchargé, ou bien celui qui tendait à ralentir
reçoit moins de puissance. La situation est
instable. Elle conduit à une perte de
synchronisme entre le deux alternateurs. Des
surcourants importants se produisent et les
disjoncteurs déclenchent. En pratique, on tâchera
de rester en deçà du tiers de la puissance
maximum théorique pour conserver une marge de
sécurité.
33
Modification de la répartition des puissances
réactives Supposons que U et la répartition de
puissances restent inchangées. Soit la moitié du
courant absorbé par la charge et j imposé par la
charge.
On suppose que les excitations varient en sens
opposés pour garder U constant. I1 et I2 se
décalent en sens opposés, mais gardent constante
leur composante active.
34

• En conclusion
• La répartition des puissances actives se fait
  exclusivement en agissant sur les couples des
  moteurs dentraînement,
• Les puissances réactives se répartissent en
  fonction des réglages des excitations.

35
Oscillations pendulaires
Quand on augmente le couple moteur appliqué à un
alternateur, il commence à accélérer. Langle d
augmente et la puissance électrique aussi. Cette
période daccélération prend fin lorsque la
puissance électrique égale la puissance mécanique
MAIS, à ce moment, lalternateur tourne à une
vitesse trop grande et donc langle d continue
daugmenter au-delà de la position
déquilibre. Le phénomène sinverse alors et
lalternateur ralentit jusquà revenir à la
situation déquilibre ET A LA DEPASSER A
NOUVEAU. Une oscillation autour de la situation
déquilibre prend ainsi naissance. On lappelle
oscillation pendulaire. Notons que, lors de ces
oscillations, langle d peut dépasser 90 sans
perdre nécessairement le synchronisme.
36
Les oscillations pendulaires sont amorties par
les courants de Foucault rotoriques car ceux-ci
apparaissent quand le rotor tourne à une vitesse
différente de celle du champ magnétique. Par la
loi de Lenz, ces courants produisent un couple
qui soppose à la cause des courants de Foucault,
donc ralentissent le rotor quand il tourne trop
vite et vice versa. Pour augmenter cet effet, le
rotor des machines synchrones destinées à être
connectées au réseau est muni dun amortisseur
Leblanc, cest-à-dire une  cage à écureuil 
analogue à celle des moteurs asynchrones à cage.
En régime, cette cage noccasionne pas de pertes
Joule car elle nest parcourue par aucun courant.
Par contre, elle peut dissiper lénergie des
oscillations pendulaires. Les machines synchrones
dont linduit est connecté à un dispositif
électronique de puissance nont pas besoin
damortisseur Leblanc, car la stabilité peut être
assurée par la commande de lélectronique. Ces
machines sont donc un peu plus compactes.
37
Moteur à pôles saillants

• Le Rotor

Cage
8 pôles P 4
38
Puissance synchronisante
Le rappel vers la position déquilibre seffectue
de façon dautant plus énergique que la quantité
est plus grande. Cette quantité sappelle la
puissance synchronisante. La formule ci-dessus
est valide sous les mêmes hypothèses que
l expression de P, vue précédement, dont elle
dérive.
Note la réactance XT qui figure dans la formule
ci-dessus n est autre que la réactance synchrone
Xs , augmentée de la réactance interne du circuit
auquel la machine est connectée si ce circuit
n est pas une source de tension idéale.
39
Machines synchrones

• Moteur synchrone

40
Caractéristiques
On considère I en fonction de Eo (qui est
réglable par if )
41
Lexpression semble compliquée on va rechercher
des lieux remarquables. A vide (P 0),
l expression se simplifie et on obtient deux
droites
Ces droites ont une pente qui vaut 1/Xs . Elles
se coupent pour une valeur de Eo égale à U.
Si on choisit un rapport Xs entre les échelles,
ces droites ont une pente de 45.
42
En charge (P ? 0), les caractéristiques à P
constant portent le nom de  courbes en
V . Lasymptote à droite de ces courbes nest
autre que la droite à P 0.
43
Lieu des minima Les minima des courbes en V sont
obtenus quand Cest léquation dune parabole.
On a dans ce cas Ce qui correspond à cos j 1.
44
Limite de stabilité On sait que la puissance
maximum est donnée par 3Eo U/ Xs Donc, pour
chaque puissance P, il y a un Eo minimum. On
trouve facilement le lieu des minima il est
donné par léquation
qui est le symétrique de la courbe à fp 1 .
45
Si on porte la même courbe en fonction du courant
d excitation, on obtient un diagramme déformé -
Eo ne s annule pas en même temps que if à cause
de la rémanence - les points à grand Eo sont
déplacés vers la droite à cause de la saturation.
On observera encore sur ce diagramme qu il est
possible d utiliser un moteur synchrone pour
produire de la puissance réactive (fonctionnement
capacitif) si on le surexcite (marche en
 compensateur synchrone , dit aussi par abus
 condensateur synchrone .
46
Oscillations pendulaires
Le phénomène a déjà été cité à propos des
alternateurs. La position angulaire du rotor
vaut, à une constante près, a (wt d)/p On a
alors une vitesse angulaire et une accélération
angulaire
Léquation mécanique sécrit
où K Eo sin d est le couple moteur (calculé comme
en régime !), est le couple asynchrone
(courants de Foucault et amortisseur), Ca
est le couple antagoniste et
est le couple dinertie.
47
Cette équation a pour solution de régime
Posons d dR d et, en supposant d petit,
remplaçons les sinus par leur développement de
Taylor limité au premier ordre en d . Léquation
devient
Léquation caractéristique de cette équation a
deux racines complexes conjuguées si
Cest bien le cas en pratique
48
a donc pour solution une oscillation amortie, soit
La figure ci-contre correspond à un changement
brusque de couple antagoniste, donc aussi dangle
qR.
49
Lamplitude des oscillations pendulaires peut
augmenter si une perturbation se répète avant que
leffet de la perturbation précédente ait
disparu. Exemple variations du couple
antagoniste à la fréquence des oscillations
pendulaires (compresseur à piston). On a donc
intérêt à augmenter lamortissement des machines
synchrones connectées au réseau, ce qui se fait
par un amortisseur Leblanc. Par contre, augmenter
linertie M est nuisible.

• On notera aussi que la fréquence des oscillations
  dépend des conditions de fonctionnement.
• La fréquence augmente si if augmente car Eo
  augmente alors, ainsi que cos dR .
• Laugmentation de M ou du couple de charge
  réduit la fréquence
• La résonance peut donc apparaître à la faveur
  dun changement de régime.

50
Limites de stabilité
Pour étudier l effet de perturbations
importantes, on ne peut pas utiliser l équation
linéarisée. Revenons à l équation de départ
On peut obtenir des informations utiles sur la
solution de cette équation sans la résoudre
complètement. Nous allons présenter ces résultats
sous forme graphique.
Supposons que le couple antagoniste Ca passe
brusquement d une valeur à une autre. Soient dR
et d R les angles correspondant aux deux valeurs
en régime permanent. Transitoirement, l angle va
osciller entre les points C et D du diagramme
ci-contre.
51
On peut montrer que, s il y a oscillation, en
l absence d amortissement, les deux surfaces
hachurées sont égales. Ceci permet de calculer la
valeur de d correspondant au point extrême D .
On voit que, dans le cas d une augmentation du
couple, l écart angulaire par rapport au nouveau
point d équilibre est plus grand du côté
droit. Nous avons déjà dit que, en transitoire,
on peut dépasser sans danger la limite de
stabilité statique ( d 90).
52
Cependant, l aire de la surface hachurée de
droite est limitée. La figure ci-contre indique
un cas où le mouvement ne peut pas être oscillant
car la partie hachurée de droite a une aire plus
petite que celle de gauche. Dans ce cas, il y
aura décrochage de la machine synchrone bien que
l angle d R soit inférieur à la limite statique.
Une fois le point critique dépassé, le
synchronisme est perdu. On a alors de grandes
oscillations de couple mais, comme leur moyenne
est proche de zéro, la machine ne pourra pas
revenir à une situation d équilibre.
53
Démarrage des moteurs synchrones
Un moteur synchrone ne développe de couple qu à
vitesse de synchronisme. Des dispositions
spéciales doivent donc être prises pour le
démarrage de ces moteurs. Elles peuvent consister
en dispositifs externes ou internes au
moteur. Démarrage par un dispositif
extérieur Moteur auxiliaire DC, asynchrone ou
non électrique. La connexion au réseau se fait
comme expliqué à propos de l alternateur. Il
n est pas nécessaire de réaliser exactement la
vitesse de synchronisme plus l inertie du
groupe est grande (taille du moteur) et plus le
problème est critique. Un problème peut cependant
se poser si on utilise un moteur asynchrone avec
le même nombre de pôles que le moteur
synchrone. On peut dépasser la vitesse de
synchronisme, puis couper l alimentation du
moteur auxiliaire et attendre que la vitesse
redescende à la bonne valeur.
54
Démarrage en asynchrone Le rotor d une machine
asynchrone destinée à être connectée au réseau
est habituellement muni d un amortisseur
Leblanc, analogue à la cage d un moteur
asynchrone, mais plus petite (pourquoi ?). Il y a
aussi des courants de Foucault dans le rotor
massif. Donc, à courant d excitation if nul, on
peut démarrer le moteur comme un moteur
asynchrone (mais avec un peu plus de mal puisque
la cage est sous-dimensionnée), On devrait
effectuer cette opération à inducteur ouvert pour
éviter le phénomène de Görges (pourquoi ?). Mais,
on doit souvent le court-circuiter pour éviter de
démolir linducteur par surtension. Le démarrage
se fait en l absence de charge mais, même ainsi,
la vitesse atteinte reste inférieure à la vitesse
de synchronisme. On applique alors le courant
d inducteur et on espère que le rotor va pouvoir
 s accrocher  au champ tournant.
55
Démarrage des moteurs à faible inertie Pour les
moteurs relativement petits, la mise sous tension
du moteur produit un transitoire dont on espère
qu il amènera le moteur à la vitesse de
synchronisme en une fraction de période
électrique. Dans le cas des moteurs à pôles
saillants, ce démarrage s effectue parfois sans
courant d excitation (mais alors, l accrochage
risque de se faire avec la mauvaise polarité) ou
avec un courant d excitation réduit.
56
Démarrage à fréquence progressive Les problèmes
de démarrage ne se posent pas dans le cas d un
moteur alimenté par un onduleur (dispositif
électronique de puissance) car on peut alors
partir d une fréquence très faible que l on
augmente progressivement. Il faut réduire la
tension lorsque la fréquence est faible car il
n y a pas beaucoup de force contre-électromotrice
. Certains moteurs synchrones destinés à être
connectés au réseau disposent cependant d une
alimentation à fréquence variable (électronique
ou autre) qui ne sert qu au moment du démarrage.
57
Réglage de la vitesse
Un moteur synchrone ne peut fonctionner qu au
synchronisme. Pour obtenir un moteur synchrone à
deux vitesses, il faudrait modifier le nombre de
paires de pôles aussi bien au stator qu au
rotor. C est plus difficile à réaliser qu avec
un moteur asynchrone (pourquoi ?). Le meilleur
moyen de faire varier la vitesse d un moteur
synchrone est de l alimenter à fréquence
variable. La tension du réseau est redressée,
puis la tension continue obtenue est transformée
en tension AC dans un onduleur (dispositif
électronique de puissance). On peut dans ce cas
obtenir du moteur de meilleures performances que
dans le cas classique (voir dia suivante).
58
Moteur synchrone autopiloté
Quand un moteur asynchrone est alimenté par un
onduleur, on peut améliorer ses performances en
le faisant fonctionner avec un décalage entre le
rotor et le courant statorique proche de 90, ce
qui est un fonctionnement instable en l absence
de régulation électronique. Le moteur est pour
cela muni d un capteur de position qui permet à
un régulateur électronique  d envoyer  le
courant dans la position la plus intéressante. On
réduit ainsi le module du courant nécessaire,
donc on diminue les pertes. Rappelons qu il
n est pas nécessaire d e prévoir un amortisseur
Leblanc dans le cas d un moteur commandé
électroniquement. L ensemble obtenu s appelle
moteur synchrone autopiloté. Ce système
s apparente à un moteur à courant continu où le
collecteur électromécanique a été remplacé par un
collecteur électronique. L analogie n est que
partielle car la répartition du champ est
sinusoïdale. Quand ce n est pas le cas, on ne
parle plus de moteur synchrone, mais de moteur à
courant continu sans balais (brushless). La
distinction entre ces deux machines n est pas
très tranchée.
59
Machine synchrone sans excitation

• On peut réaliser des machines synchrones sans
  excitation (ni par aimant, ni par enroulement
  DC), pourvu que le rotor soit à pôles saillants.
  Cela se fait
• soit pour de très petites machines où la
  réduction du coût de fabrication est essentiel,
• soit pour réaliser des rotors très robustes,
  capables de supporter de grandes vitesses.
• Ces machines démarrent normalement en asynchrone
  grâce aux courants de Foucault.
• Parfois, le rotor na pas de saillances
  proprement dites, mais est fait dun matériau
  magnétique dur ( à grande hystérésis). Les pertes
  par hystérésis aident alors au démarrage, et le
  rotor garde ensuite une aimantation qui permet le
  fonctionnement en machine synchrone.

60
Machine synchrone monophasée
61
Il est possible de réaliser des machines
synchrones monophasées. Le courant dinduit donne
alors naissance à deux champs tournants, un champ
direct et un champ inverse. Nous avons déjà noté
en semaine 4 (alternateur en régime déséquilibré)
que cela entraîne lapparition dharmoniques (par
le théorème de Boucherot, harmoniques impairs au
stator et pairs au rotor). Ces moteurs peuvent
tourner dans les deux sens ils tournent dans le
sens où on les lance. Actuellement, il existe de
petits moteurs synchrones à aimant dont le rotor
peut osciller par rapport à laxe. Au démarrage,
le rotor oscille jusquà ce que lamplitude de
loscillation soit suffisante pour quil démarre.
Le sens de rotation est imprévisible si le
moteur entraîne une pompe centrifuge (vidange de
lave-linge, pompe daquarium, circulateur de
chauffage central), la pompe doit pouvoir
fonctionner quel que soit le sens de rotation
(ailettes droites).
62
Autre exemple de petit moteur synchrone monophasé
moteur à pôles saillants sans excitation qui
démarre en asynchrone, un des deux sens de
rotation étant privilégié par lartifice de
 shaded-pole . Au rayon des antiquités
horloges à moteur synchrone monophasé, avec
démarrage manuel ou par un des procédés notés
ci-dessus. Hélas ! Lexactitude de la fréquence
moyenne du réseau nest plus garantie. Parfois,
ces moteurs se mettent à fonctionner en
asynchrone !!!! (frottement trop grand ou tension
dalimentation trop faible).