Le moteur synchrone, c'est un alternateur qui fonctionne à l'envers : il tourne exactement à la vitesse du champ tournant, quelle que soit la charge. On règle son excitation pour qu'il fournisse même de l'énergie réactive à l'usine. L'Exetat demande sa f.c.é.m. par le diagramme vectoriel et l'effet de l'excitation.
L'essentiel
- Le rotor du moteur synchrone est un électroaimant alimenté en continu (l'excitation). Il s'accroche au champ tournant du stator et tourne exactement à ns = 60 × f/p, sans glissement. Une charge plus forte ne le ralentit pas : elle décale seulement le rotor d'un angle interne par rapport au champ.
- Il n'a pas de couple de démarrage propre : il faut le lancer. Le moteur asynchrone synchronisé démarre comme un moteur à rotor bobiné, puis on injecte du courant continu dans son rotor, qui s'accroche au synchronisme.
- Si le couple résistant dépasse son couple maximal, le rotor perd le synchronisme : le moteur décroche et s'arrête. C'est son principal inconvénient, avec l'absence de couple de démarrage.
- Diagramme par phase (résistance négligée) : V = E + jXs × I, donc E = V − jXs × I. E est la force contre-électromotrice (f.c.é.m.), Xs la réactance synchrone. On travaille avec la tension SIMPLE (400 V entre phases donne 231 V par phase en étoile).
- Calcul pratique : la chute Xs × I est perpendiculaire au courant. Courant en retard (moteur sous-excité) : E = √((V − Xs I sin φ)² + (Xs I cos φ)²), donc E < V. Courant en avance (moteur surexcité) : E = √((V + Xs I sin φ)² + (Xs I cos φ)²), donc E > V.
- À charge mécanique constante, changer l'excitation ne change ni la vitesse, ni le couple, ni la puissance active (donc ni I cos φ). Elle change la f.c.é.m., la puissance réactive, le cos φ et le courant total. Courbes en V (de Mordey) : le courant est minimal quand cos φ = 1 ; sous-excité, le moteur absorbe du réactif ; surexcité, il en fournit, comme un condensateur, et peut relever le facteur de puissance d'une usine.
- À excitation constante, si la charge augmente, la f.c.é.m. E = K N f Φ reste la même (flux et fréquence inchangés) ; c'est l'angle interne qui grandit.
Les formules
- Vitesse
- n = ns = 60 × f/p
- aucun glissement
- Équation d'une phase
- V = E + jXs × I ; E = V − jXs × I
- R négligée
- F.c.é.m., courant en retard
- E = √((V − Xs I sin φ)² + (Xs I cos φ)²)
- sous-excité, E < V
- F.c.é.m., courant en avance
- E = √((V + Xs I sin φ)² + (Xs I cos φ)²)
- surexcité, E > V
- Puissance absorbée
- P = √3 U I cos φ = 3 V I cos φ
- constante à charge constante
La méthode
- 1Prends la tension SIMPLE : V = U/√3 si l'on te donne la tension entre phases d'un moteur en étoile.
- 2Calcule la chute Xs × I, puis ses deux morceaux : Xs I sin φ (sur la direction de V) et Xs I cos φ (perpendiculaire).
- 3Repère le sens du courant : en retard (inductif, sous-excité), on retranche Xs I sin φ de V ; en avance (capacitif, surexcité), on l'ajoute.
- 4Calcule E par Pythagore avec ces deux composantes.
- 5Contrôle : moteur surexcité, E plus grand que V ; sous-excité, E plus petit.
Un exemple résolu
Un moteur synchrone triphasé absorbe 25 A par phase sous 230 V par phase, avec un facteur de puissance de 0,6 en avance (surexcité). Sa réactance synchrone vaut 5 Ω par phase (résistance négligée). Calcule sa f.c.é.m. par phase. Que deviendrait-elle avec un courant de même valeur en retard ?
- 1.cos φ = 0,6, donc sin φ = 0,8. Chute dans la réactance : Xs × I = 5 × 25 = 125 V.
- 2.Composante sur la direction de V : 125 × 0,8 = 100 V. Composante perpendiculaire : 125 × 0,6 = 75 V.
- 3.Courant en avance : on ajoute. Composante horizontale : 230 + 100 = 330 V.
- 4.E = √(330² + 75²) = √(108 900 + 5 625) = √114 525 ≈ 338 V. E > V : le moteur est bien surexcité.
- 5.Courant en retard : 230 − 100 = 130 V, d'où E = √(130² + 75²) ≈ 150 V, plus petit que V.
Réponse : E ≈ 338 V par phase en avance ; avec un courant en retard, elle ne vaudrait qu'environ 150 V.
Les pièges à éviter
- Additionner ou soustraire les modules (230 + 125 ou 230 − 125) : la chute dans la réactance n'est pas alignée avec V.
- Travailler avec 400 V au lieu de la tension simple de 231 V pour un moteur couplé en étoile.
- Se tromper de signe selon le sens du courant : en avance, E > V ; en retard, E < V.
- Croire que l'excitation règle la puissance ou la vitesse du moteur : à charge constante, elle ne change que le réactif, le cos φ et le courant total.
- Penser que le courant est minimal en forte surexcitation : il est minimal pour cos φ = 1.
À retenir
Le moteur synchrone tourne exactement à ns ; E = V − jXs I (E > V surexcité, E < V sous-excité) ; l'excitation règle le réactif, pas la puissance active.