Moteur synchrone vs moteur asynchrone

Moteur synchrone vs moteur asynchrone

La différence déterminante est la vitesse du rotor par rapport au champ magnétique tournant du stator : a moteur synchrone Le rotor d'un moteur tourne exactement à la même vitesse que ce champ, tandis que le rotor d'un moteur asynchrone (à induction) tourne toujours légèrement plus lentement, une différence appelée glissement. Ce glissement est en fait nécessaire au fonctionnement du moteur à induction, puisque le mouvement relatif entre le rotor et le champ tournant est ce qui induit le courant du rotor qui génère le couple en premier lieu : un moteur à induction sans glissement ne générerait aucun couple.

Les moteurs synchrones évitent cette dépendance car le rotor transporte son propre champ magnétique (provenant d'aimants permanents ou d'enroulements de champ) plutôt que de compter sur un courant induit, ce qui lui permet de se verrouiller et de maintenir une synchronisation exacte avec le champ du stator plutôt que d'être perpétuellement en retard sur lui.

Guide de sélection de moteur synchrone

• Confirmez que l'application a réellement besoin d'une vitesse constante et indépendante de la charge. — si la précision de la vitesse n'est pas critique, un moteur à induction peut offrir une solution plus simple et moins coûteuse
• Évaluer les exigences de départ — la plupart des moteurs synchrones (autres que les types PMSM à démarrage automatique) nécessitent une méthode de démarrage ou un contrôle VFD
• Peser les avantages en matière d'efficacité par rapport au coût initial, en particulier pour les conceptions PMSM où le matériau magnétique augmente le coût mais offre des gains d'efficacité
• Confirmer que les exigences de couple se situent dans la limite de couple de traction du moteur sur toute la plage de fonctionnement de l'application
• Tenir compte de la valeur de correction du facteur de puissance si le système électrique plus large de l'installation bénéficierait de la capacité d'alimentation en puissance réactive d'un moteur synchrone

Comment choisir un moteur synchrone

Le choix d'un moteur synchrone spécifique pour une application commence par l'adaptation du couple, de la vitesse et de la puissance nominale requis à la charge, comme pour tout processus de sélection de moteur, mais avec une attention supplémentaire au type de moteur synchrone spécifique le mieux adapté à l'application. Les conceptions PMSM conviennent à la plupart des applications modernes en privilégiant l'efficacité et la taille compacte , tandis que les moteurs synchrones à rotor bobiné restent pertinents pour les très grandes applications industrielles où la complexité supplémentaire du système de contrôle de l'excitation est justifiée par l'échelle de l'installation et la valeur de l'excitation réglable pour le contrôle du facteur de puissance.

Comparaison de l'efficacité des moteurs synchrones

Les moteurs synchrones, en particulier les modèles PMSM, surpassent généralement les moteurs à induction en termes d'efficacité sur la majeure partie de leur plage de fonctionnement, l'écart étant généralement plus prononcé à charge partielle - une condition dans laquelle de nombreuses applications réelles passent un temps de fonctionnement important, plutôt que de fonctionner en continu à pleine charge nominale. Cet avantage en termes d'efficacité provient de l'élimination des pertes par glissement du rotor , l'échauffement résistif qui se produit dans le rotor d'un moteur à induction en conséquence directe du courant induit nécessaire pour générer le couple, un mécanisme de perte qui n'existe tout simplement pas dans le rotor à magnétisation indépendante d'un moteur synchrone.

Caractéristiques du couple du moteur synchrone

La relation couple-vitesse d'un moteur synchrone diffère fondamentalement de celle d'un moteur à induction : plutôt que le couple variant continuellement avec la vitesse à mesure que le glissement change, un moteur synchrone produit le couple nécessaire pour maintenir la vitesse synchrone, jusqu'à sa limite de couple maximale (d'extraction). Au-delà de cette limite, le moteur ne ralentit pas progressivement comme le ferait un moteur à induction. — il perd complètement la synchronisation et cale, ce qui signifie que les applications de moteurs synchrones doivent être dimensionnées avec une marge de couple adéquate au-dessus du couple de charge maximum attendu pour éviter ce mode de défaillance brutale.

Ce comportement de couple signifie également que les moteurs synchrones ne démarrent généralement pas automatiquement contre une charge stationnaire comme le font de nombreux moteurs à induction, car le champ magnétique d'un rotor stationnaire ne développe pas de couple moyen significatif contre un champ de stator en rotation rapide - la plupart des applications de moteurs synchrones nécessitent soit une méthode de démarrage qui rapproche le rotor de la vitesse synchrone avant d'engager le champ, soit un entraînement à fréquence variable qui augmente progressivement la fréquence d'alimentation à partir de zéro.

Contrôle de vitesse du moteur synchrone

Étant donné que la vitesse du moteur synchrone est directement liée à la fréquence d'alimentation, le réglage de la vitesse nécessite le réglage de cette fréquence, ce qui est exactement ce que fait un variateur de fréquence (VFD). Les moteurs synchrones contrôlés par VFD offrent à la fois un contrôle précis de la vitesse et les avantages d'efficacité du fonctionnement synchrone , une combinaison de plus en plus courante dans les systèmes d'entraînement industriels modernes et les groupes motopropulseurs de véhicules électriques, où un contrôle précis de la vitesse/du couple et un rendement élevé sont simultanément requis.

Moteur à aimant permanent vs moteur à induction

Cette comparaison couvre en grande partie le même terrain que la comparaison plus large entre synchrone et asynchrone, puisque le PMSM est la conception de moteur synchrone moderne dominante comparée aux moteurs à induction dans la plupart des discussions actuelles. Les avantages du PMSM se concentrent sur l’efficacité, la densité de puissance et un contrôle précis , tandis que les moteurs à induction restent préférés là où le coût initial inférieur, la simplicité mécanique et la capacité de démarrage automatique sans électronique de commande supplémentaire l'emportent sur les gains d'efficacité qu'un PMSM offrirait pour une application donnée.

Sélection de moteurs à haut rendement

La sélection d'un moteur à haut rendement implique de regarder au-delà d'un simple pourcentage de rendement pour déterminer comment ce rendement se maintient sur la plage de fonctionnement réelle attendue du moteur, car de nombreuses applications fonctionnent bien en dessous de la pleine charge nominale pendant des parties importantes de leur cycle de service. Examiner l'efficacité sur toute la plage de charge, et pas seulement à 100 % de charge, donne une image plus précise de la consommation d'énergie réelle et du potentiel d'économies de coûts que de s'appuyer uniquement sur une seule cote d'efficacité à pleine charge.

Comparaison des performances des moteurs électriques

Sélection de moteurs pour équipements industriels

La sélection d'un moteur pour un équipement industriel commence généralement par la définition du profil de couple et de vitesse de la charge sur toute sa plage de fonctionnement, puis par l'évaluation de la technologie de moteur qui correspond le mieux à ces exigences, en fonction de l'efficacité, de la complexité du contrôle et des contraintes budgétaires. Applications avec des charges stables et prévisibles et ne nécessitant pas de contrôle précis de la vitesse fonctionnent souvent bien avec les moteurs à induction standard, tandis que les applications exigeant une régulation précise de la vitesse, un rendement élevé ou un contrôle dynamique du couple privilégient de plus en plus les conceptions synchrones (en particulier PMSM) associées au contrôle VFD.

Facteurs à considérer lors du choix d’un moteur électrique

• Couple et vitesse requis sur toute la plage de fonctionnement, y compris les conditions de démarrage et de pointe
• Exigences d'efficacité, à pleine charge et dans des conditions de fonctionnement typiques à charge partielle
• Besoins en matière de contrôle de vitesse — vitesse fixe, vitesse variable ou contrôle précis de la position/du mouvement
• Exigences de démarrage et électronique de commande disponible (direct en ligne, VFD ou autre méthode de démarrage)
• Coût total de possession, équilibrer le coût initial du moteur et du contrôle avec les économies d'énergie attendues et les exigences de maintenance tout au long de la durée de vie de l'équipement