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Autrefois utilisés en alternateur, le développement de l’électronique de puissance et la généralisation des aimants comme inducteur permettent aujourd’hui d’employer les moteurs synchrones dans une large gamme de puissance. La machine synchrone, dans la très grande majorité des cas, est utilisée en triphasé. Elle se comporte en convertisseur réversible d’énergie électromagnétique : on peut l’utiliser en moteur ou en générateur. WEG conçoit de nouvelles technologies, à l’instar de celle des moteurs à aimants permanents combinée à réluctance synchrone, pour toujours améliorer l’efficience énergétique des applications industrielles.
Moteur synchrone triphasé : stator et rotor
Le stator, est un cylindre métallique, c’est la partie fixe du moteur. Trois bobines, chacune alimentée par une phase, sont placées autour de l’axe du stator avec un décalage de 120°, elles sont donc équidistantes.
Le rotor est un aimant ou bien peut être lui aussi une bobine alimentée par un courant continu
Une fois alimentées, les bobines deviennent des électro-aimants.
- La bobine du rotor alimentée par un courant continu crée un champ magnétique permanent
- Les bobines du stator alimentées par un courant triphasé provoquent un champ magnétique, son opposé, ou aucun champ magnétique selon la variation de la tension créant le champ magnétique tournant. Celui-ci entraîne la rotation de l’aimant central et du rotor.
Les lignes de flux du stator passent au travers du rotor et sont à l’origine de courants induits et donc d’un champ magnétique. Ils créent des pertes et de la chaleur.
Un aimant permanent génère son propre champ magnétique de manière autonome et sans avoir besoin de courant induit. Il n’y a ni perte fer ni perte par effet Joule dans le rotor.
Pour le moteur synchrone, la vitesse du rotor est donc proportionnelle à la fréquence du courant triphasé alimentant le stator. Le moteur synchrone est susceptible de se comporter, selon la tension, soit en «moteur » soit en «générateur» ou «alternateur».
La variation du champ magnétique fait de la machine synchrone un moteur réversible !
- En fonctionnement moteur, l’énergie électrique apportée par la source est transformée en énergie mécanique.
- En fonctionnement générateur ou alternateur, l’énergie mécanique est transformée en énergie électrique redirigée vers la source.
Des technologies innovantes pour des moteurs toujours plus efficaces
Les moteurs synchrones à aimants permanents, également appelés moteurs « brushless » (selon leur type de commande), ont permis le développement de nouvelles technologies de motorisation telles que les moteurs à reluctance synchrone (MSR), les moteurs à reluctance variable (MRV), ainsi que les moteurs à aimants permanents avec rotor externe ou à commutation électronique. Ils permettent aussi des applications de démarrage direct, grâce à l’absence de frottement lié aux balais.
Les moteurs synchrones, alimentés en courant alternatif, se distinguent des moteurs asynchrones par leur capacité à conserver une synchronisation parfaite entre la fréquence d’alimentation et la vitesse de rotation de l’arbre. La notion de glissement ne concerne pas les moteurs de type synchrone.
Grâce à la suppression des pertes Joule rotoriques, on obtient alors une réduction de la température de fonctionnement et une réduction de la taille de la carcasse. Ce type de moteur est fortement usité dès lors que les applications nécessitent un couple constant.
Moteurs à reluctance synchrone (MSR)
Le moteur à réluctance synchrone est une machine de dernière génération dont le rotor ne possède ni aimants permanents ni bobinages. Le champ magnétique tournant est créé par un stator constitué de bobines fixées sur des pôles et alimentées par un courant électrique alternatif. Les zones de faible et forte réluctance dans le rotor cherchent à s’aligner avec le champ du stator, produisant ainsi le couple de rotation.
Les variations de réluctance dans le rotor des moteurs à réluctance synchrone permettent de développer une puissance élevée tout en étant plus efficaces énergétiquement que les moteurs à aimants permanents classiques. Robustes, ces moteurs sont idéaux pour des applications dans des environnements difficiles et/ou nécessitant une vaste plage de vitesses (tr/min ou rpm) et de hautes performances.
Aujourd’hui encore, WEG avec sa nouvelle gamme W23, confirme son cap obstinément orienté vers l’efficacité énergétique et œuvre pour la création d’une nouvelle norme IE6 pour des machines dont les pertes sont réduites de 20 % par rapport à la classe IE5.
Dans cette gamme, la technologie de reluctance synchrone est combinée à celles des aimants permanents en ferrite (PMSynRM), pour des moteurs d’une taille de 80 à 250 et, la technologie à aimants permanents en terre rare reste la base des moteurs synchrones d’une taille allant de 280 à 450.
Si le W23Sync+ offre un rendement IE5, le moteur W23Sync+ Ultra dépasse d’ores et déjà les attendus pour des machines IE5. Pour rappel, la réduction des pertes énergétiques était de l’ordre de 20 % entre les IE5 par rapport aux machines IE4. Avec cette nouvelle gamme, WEG façonne l’avenir en offrant une nouvelle réduction de 20 % des pertes d’énergie.
Les autres technologies des machines synchrones
Les moteurs à reluctance variable (MRV)
Un moteur à réluctance variable est un type de moteur dont le rotor ne contient aucune source de courant ni enroulements. Le rotor est constitué de dents en tôles magnétiques. C’est la position du rotor qui fait varier l’inductance du bobinage statorique en fonction du nombre de dents au stator et au rotor.
La conception mécanique d’un moteur à réluctance variable est simple, ce qui en fait une machine fiable et robuste. Néanmoins, la commande électronique est sophistiquée.v
Les moteurs à commutation électronique (EC)
Ce type de moteur est idéal pour les applications tertiaires et résidentielles à vitesse variable et de faible puissance telles que les systèmes HVAC. Les aimants permanents sont fixés sur la surface du rotor et les enroulements du stator sont souvent concentrés. Ils engendrent une force contre-électromotrice de forme trapézoïdale. Les moteurs EC présentent de nombreux avantages tels qu’une compacité, un rendement élevé, un faible poids et aussi un bas niveau de bruit. Leur classe de rendement est IE5.
Les moteurs permanents à rotor externe
La spécificité de ce type de moteur est que le stator est positionné à l’intérieur du moteur et le rotor à l’extérieur. Contrairement à un rotor interne, le boîtier extérieur tourne tandis que l’intérieur du stator reste statique. Le couple volumique des moteurs à aimants permanents avec rotor externe est excellent. Les bobinages du stator sont souvent concentrés, mais peuvent être répartis autour du stator.
Les moteurs à aimants permanents à démarrage direct (LSPM)
Les moteurs LSPM sont dits à rotor « hybrides ». Ils démarrent en mode asynchrone. Grâce à une cage d’écureuil et à des aimants permanents enterrés, le moteur peut fonctionner à vitesse synchrone en régime permanent. Ils présentent l’avantage, dans ce mode de fonctionnement, de ne pas subir de pertes par effet Joule dans le rotor.
Moteur synchrone en fonctionnement générateur
En fonctionnement générateur, le moteur synchrone peut rediriger l’énergie électrique. Cette application trouve des débouchés sur les éoliennes : dans sa version à rotor bobiné, la machine synchrone triphasée est le convertisseur attitré pour la production d’électricité, ceci grâce à la possibilité de fournir de l’énergie réactive en modulant le courant d’excitation.
Les alternateurs des centrales électriques qui convertissent l’énergie mécanique en énergie électrique fonctionnent sur le principe des moteurs synchrones.
Pour des puissances inférieur à environ 50 kW, les moteurs synchrones à aimants permanents (plutôt qu’à bobine) présentent des avantages certains et trouvent des applications dans le secteur automobile avec des avantages indéniables :
• Inertie et poids plus faible qu’avec un rotor bobiné. La puissance massique devient plus importante que les pour les autres moteurs électriques. Cela apporte des avantages en terme d’encombrement et de poids, ou lorsque une dynamique importante est requise.
• Rendement amélioré grâce à l’absence de consommation dans le rotor
• Entretien réduit dû à l’absence de balais.
On observe quelques limitations, dont le coût élevé des aimants et une induction non réglable, rendant es réglages plus compliqués. Il faut également prendre en compte le risque de démagnétisation des aimants et une tenue en température réduite.
La commande complexe de ces moteurs ne pose cependant plus de problème grâce aux innovations et aux nouvelles performances de l’électronique de puissance et de contrôle.
Autres applications des moteurs synchrones
Hors les exemples cités dans les éoliennes, les centrales électriques et le secteur automobile, les moteurs synchrones sont utilisés dans les applications où il est nécessaire d’avoir des vitesses de rotation précises et constantes. C’est notamment le cas dans l’industrie chimique concernant la vitesse de certains réacteurs. Le moteur synchrone est également utilisé pour la motorisation des ascenseurs. Ce moteur revient en force parallèlement au développement des variateurs de vitesse.
