Schémas typiques de démarrage de moteurs électriques synchrones

Les moteurs synchrones sont largement utilisés dans l'industrie pour les entraînements électriques fonctionnant à vitesse constante (compresseurs, pompes...). Récemment, en raison de l'avènement de la technologie des semi-conducteurs à commutation, des entraînements électriques synchrones contrôlés ont été développés.

Les avantages des moteurs synchrones

Un moteur synchrone est un peu plus compliqué qu'un moteur asynchrone, mais il présente un certain nombre d'avantages, ce qui permet de l'utiliser dans certains cas à la place d'un moteur asynchrone.

1. Le principal avantage du moteur électrique synchrone est la possibilité d'obtenir un mode optimal pour l'énergie réactive, qui s'effectue en ajustant automatiquement le courant d'excitation du moteur. Un moteur synchrone peut fonctionner sans consommer ni fournir d'énergie réactive au réseau, à un facteur de puissance (cos fi) égal à l'unité. Si l'entreprise a besoin de générer de la puissance réactive, un moteur synchrone fonctionnant avec une surexcitation peut la fournir au réseau.

2.Les moteurs synchrones sont moins sensibles aux fluctuations de la tension secteur que les moteurs asynchrones. Leur couple maximal est proportionnel à la tension de ligne, tandis que le couple critique d'un moteur à induction est proportionnel au carré de la tension.

3. Les moteurs synchrones ont une capacité de surcharge élevée. De plus, la capacité de surcharge d'un moteur synchrone peut être augmentée automatiquement en augmentant le courant d'excitation, par exemple en cas d'augmentation soudaine et à court terme de la charge sur l'arbre du moteur.

4. La vitesse de rotation d'un moteur synchrone reste inchangée pour toute charge d'arbre dans sa capacité de surcharge.

Méthodes de démarrage d'un moteur synchrone

Les méthodes suivantes de démarrage d'un moteur synchrone sont possibles : démarrage asynchrone à pleine tension de ligne et démarrage à basse tension via une réactance ou autotransformateur.

Le démarrage d'un moteur synchrone s'effectue comme un démarrage asynchrone. Le couple de démarrage interne d'une machine synchrone est faible, tandis que celui d'une machine à pôles implicites est nul. Pour créer un couple asynchrone, le rotor est équipé d'une cage de démarrage à cage d'écureuil dont les barres sont insérées dans les fentes du système de pôles. (Bien sûr, il n'y a pas de tiges entre les pôles dans un moteur à pôles saillants.) La même cellule contribue à augmenter la stabilité dynamique du moteur lors des pics de charge.

En raison du couple asynchrone, le moteur démarre et accélère. Il n'y a pas de courant d'excitation dans l'enroulement du rotor pendant l'accélération.La machine est démarrée sans excitation, car la présence de pôles excités compliquerait le processus d'accélération, créant un couple de freinage similaire à celui d'un moteur à induction lors d'un freinage dynamique.

Lorsque le soi-disant Vitesse sous-synchrone, qui diffère de synchrone de 3 à 5%, le courant est fourni à la bobine d'excitation et le moteur, après plusieurs oscillations autour de la position d'équilibre, est attiré vers le synchronisme. Les moteurs à pôles exposés, en raison du couple réactif aux faibles couples d'arbre, sont parfois mis en synchronisme sans fournir de courant à la bobine de champ.

Dans les moteurs synchrones, il est difficile de fournir simultanément les valeurs requises du couple de démarrage et du couple d'entrée, qui s'entend comme le couple asynchrone développé lorsque la vitesse atteint 95% de la vitesse synchrone. Conformément à la nature de la dépendance du couple statique à la vitesse, c'est-à-dire selon le type de mécanisme pour lequel le moteur est conçu, les paramètres de la cellule de démarrage doivent être modifiés dans les usines de fabrication de machines électriques.

Parfois, afin de limiter les courants lors du démarrage de moteurs puissants, la tension aux bornes du stator est réduite, y compris en série les enroulements de l'autotransformateur ou des résistances. Il convient de garder à l'esprit que lorsqu'un moteur synchrone est démarré, le circuit de l'enroulement d'excitation est fermé à une grande résistance, dépassant de 5 à 10 fois la résistance de l'enroulement lui-même.

Sinon, sous l'action des courants induits dans l'enroulement lors du démarrage, il se produit un flux magnétique pulsé dont la composante inverse, en interaction avec les courants statoriques, crée un couple de freinage.Ce couple atteint sa valeur maximale à une vitesse légèrement supérieure à la moitié de la vitesse nominale et, sous son influence, le moteur peut arrêter l'accélération à cette vitesse. Laisser le circuit de champ ouvert pendant le démarrage est dangereux car l'isolation de l'enroulement peut être endommagée par la FEM qui y est induite.

Film fixe éducatif - "Moteurs synchrones" produit par l'usine de matériel éducatif en 1966. Vous pouvez le visionner ici : Film fixe «Moteur synchrone»

Démarrage asynchrone d'un moteur électrique synchrone

Le circuit d'excitation d'un moteur synchrone avec une excitatrice connectée en aveugle est assez simple et peut être utilisé si les courants d'appel ne provoquent pas une chute de tension dans le réseau supérieure au couple admissible et statistique Ms <0,4 Mnom.

Le démarrage asynchrone d'un moteur synchrone s'effectue en connectant le stator au réseau. Le moteur est accéléré comme un moteur à induction à une vitesse de rotation proche du synchronisme.

Dans le processus de démarrage asynchrone, l'enroulement d'excitation est fermé à la résistance de décharge pour éviter la destruction de l'enroulement d'excitation lors du démarrage, car à faible vitesse du rotor, des surtensions importantes peuvent s'y produire. A une vitesse de rotation proche du synchrone, le contacteur KM est déclenché (le circuit d'alimentation du contacteur n'est pas représenté sur le schéma), la bobine d'excitation est déconnectée de la résistance de décharge et connectée à l'induit de l'excitatrice. Le début se termine.

Unités typiques de circuits d'excitation de moteurs synchrones utilisant des excitateurs à thyristors pour démarrer des moteurs synchrones

La faiblesse de la plupart des entraînements électriques à moteurs synchrones, qui complique grandement le fonctionnement et augmente le coût, a été l'excitatrice des machines électriques pendant de nombreuses années. De nos jours, ils sont largement utilisés pour exciter les moteurs synchrones. les excitateurs à thyristors… Ils sont livrés en ensemble.

Les excitateurs à thyristor des moteurs électriques synchrones sont plus fiables et ont un rendement plus élevé. par rapport aux excitateurs de machines électriques. Avec leur aide, les questions sur la régulation optimale du courant d'excitation pour maintenir la constance sont facilement résolues. cos phi, la tension du jeu de barres à partir duquel le moteur synchrone est alimenté, ainsi que la limitation du courant rotor et stator du moteur synchrone en mode secours.

Les excitateurs à thyristors sont équipés de la plupart des gros moteurs électriques synchrones fabriqués. Ils remplissent généralement les fonctions suivantes :

• démarrer un moteur synchrone avec une résistance de démarrage incluse dans le circuit d'enroulement de champ,
• arrêt sans contact de la résistance de démarrage après la fin du démarrage du moteur synchrone et sa protection contre la surchauffe,
• alimentation automatique de l'excitation au moment opportun du démarrage du moteur électrique synchrone,
• réglage automatique et manuel du courant d'excitation
• excitation forcée nécessaire en cas de fortes chutes de tension sur le stator et de brusques sauts de charge sur l'arbre d'un moteur synchrone,
• extinction rapide du champ d'un moteur synchrone lorsqu'il est nécessaire de réduire le courant de champ et d'éteindre le moteur électrique,
• protection du rotor d'un moteur synchrone contre les surintensités permanentes et les courts-circuits.

Si le moteur électrique synchrone est démarré à tension réduite, alors lors d'un démarrage «léger», il est excité jusqu'à ce que l'enroulement du stator s'allume à pleine tension, et lors d'un démarrage «lourd», l'excitation est fournie à pleine tension dans le circuit du stator. Il est possible de connecter l'enroulement de champ du moteur à l'induit de l'excitateur en série avec la résistance de décharge.

Le processus d'alimentation d'excitation d'un moteur synchrone est automatisé de deux manières : en fonction de la vitesse et en fonction du courant.

Le système d'excitation et le dispositif de commande des moteurs synchrones doivent fournir :

• démarrage, synchronisation et arrêt du moteur (avec excitation automatique en fin de démarrage) ;
• excitation forcée avec un facteur non inférieur à 1,4 lorsque la tension du secteur chute à 0,8 Un ;
• la possibilité de compenser par le moteur la puissance réactive consommée (fournie) par les récepteurs électriques adjacents dans la limite des capacités thermiques du moteur ;
• arrêter le moteur en cas de panne du système d'excitation ;
• stabilisation du courant d'excitation avec une précision de 5% de la valeur de consigne lorsque la tension secteur passe de 0,8 à 1,1 ;
• régulation de l'excitation par déviation de la tension statorique avec une zone morte de 8% ;
• lorsque la tension d'alimentation du stator du moteur synchrone passe de 8 à 20%, le courant passe de la valeur de consigne à 1,4 In, augmentant le courant d'excitation pour assurer une surcharge maximale du moteur.

Dans le schéma représenté sur la figure, l'excitation est fournie à un moteur synchrone à l'aide d'un relais électromagnétique à courant continu KT (Sleeving Time Relay).La bobine de relais est connectée à la résistance de décharge Rdisc via la diode VD. Lorsque l'enroulement du stator est connecté au secteur, une fem est induite dans l'enroulement d'excitation du moteur. Le courant continu traverse la bobine du relais KT, dont l'amplitude et la fréquence des impulsions dépendent du glissement.

Alimentation d'excitation d'un moteur synchrone en fonction de la vitesse

Au démarrage, glissement S = 1. Au fur et à mesure que le moteur accélère, il diminue et les intervalles entre les alternances corrigées du courant augmentent ; le flux magnétique diminue progressivement le long de la courbe Ф (t).

A vitesse proche du synchrone, le flux magnétique du relais parvient à atteindre la valeur du flux de retombée du relais Fot au moment où le courant ne traverse pas le relais KT. Le relais perd de la puissance et à travers son contact crée un circuit de puissance du contacteur KM (le circuit de puissance du contacteur KM n'est pas représenté sur le schéma).

Considérez le contrôle de l'alimentation dans la fonction courant à l'aide d'un relais de courant. Avec le courant de démarrage, le relais de courant KA est activé et ouvre son contact dans le circuit du contacteur KM2.

Graphique des variations de courant et de flux magnétique dans le relais temporisé KT

Surveillance de l'excitation d'un moteur synchrone en fonction du courant

A une vitesse proche du synchrone, le relais KA disparaît et ferme son contact dans le circuit du contacteur KM2. Le contacteur KM2 s'active, ferme son contact dans le circuit d'excitation de la machine et shunte la résistance Rres.

Voir également: Sélection d'équipements pour le démarrage de moteurs synchrones