Les machines synchrones convertissent l’énergie mécanique en énergie électrique (alternateurs) ou vice versa (moteurs synchrones), elles nécessitent pour produire le champ magnétique inducteur une alimentation en courant continu (inducteur bobiné) ou des aimants permanents. L’existence d’un inducteur bobiné permet, suivant le cas, de régler la tension ou la puissance réactive de la machine synchrone.

La machine synchrone est très fiable et efficace pour la conversion d’énergie, son fonctionnement est, comme tous les dispositifs électromécaniques de conversion d’énergie est basés sur la loi de Faraday de l’induction électromagnétique. Les performances obtenues doivent être en accord avec les conditions d’exploitation, en particulier les protections de la machine synchrone elle-même et, éventuellement, celles du réseau électrique auquel elle est reliée. La machine synchrone est surtout utilisée en générateur dans les centrales de production de l’énergie électrique de type thermique et hydraulique, où elle est presque sans concurrent, mais elle est également utilisée en moteur dans un certain nombre de domaines.

Le terme de machine synchrone regroupe toutes les machines dont la vitesse de rotation du rotor est égale à la vitesse de rotation du champ tournant du stator. Pour obtenir un tel fonctionnement, le champ magnétique rotorique est généré soit par des aimants, soit par un circuit d’excitation. La position du champ magnétique rotorique est alors fixe par rapport au rotor, ce qui impose le synchronisme entre le champ tournant statorique et le rotor, d’où le nom de machine synchrone.

Histoire de la machine synchrone

Les premières machines électriques ont été imaginé durant le dix-neuvième siècle, leurs principes pour leur majorité exploitant l’expérience d’Oersted (1820), basée sur l’interaction mécanique entre une aiguille aimantée et un conducteur parcouru par un courant électrique. Le courant continu étant la seule forme d’énergie électrique disponible (piles et batterie électrochimiques, …) et les structures les plus performantes étant à courant alternatif, il a fallu imaginer dès le départ des commutateurs mécaniques (collecteurs). La seule machine électrique réellement à courant continu était la roue de Barlow , mais elle est restée marginale et n’a donné lieu qu’à de très rares applications industrielles.

Les génératrices électriques allaient ainsi pouvoir convertir les ressources hydrauliques relativement abondantes, en effet la tradition des moulins à eau était bien ancrée, et les machines à vapeur à bois, puis au charbon. Vers 1870, la machine de Gramme   était la machine à courant continu par excellence [39], surtout après la découverte de sa réversibilité, elle pouvait ainsi fonctionner en moteur ou en générateur en passant d’un mode à l’autre de façon absolument continue [36].

Enfin vers 1890, le courant alternatif commença à s’imposer grâce à l’invention du transformateur électromagnétique qui permettait d’adapter la tension aisément, et aux générateurs électriques à courant alternatif (machines synchrones ou alternateurs). Le moteur asynchrone, qui venait d’être également inventé, permettait de satisfaire les applications de force motrice si demandé, et ceci dans des conditions de fiabilité inégalées par rapport aux moteurs à collecteur. Au début du vingtième siècle, la théorie des machines électriques commençait à être bien établie et ce siècle fut celui d’améliorations continues et de quelques découvertes de nouvelles structures, mais sans révolutions majeures, si ce n’est peut-être l’arrivée d’aimants permanents performants à partir des années 1960 [20].

Dans le domaine de la production d’électricité, en dehors du cas très particulier de la génération photovoltaïque, ce sont des génératrices électriques qui convertissent de l’énergie mécanique, souvent issue d’une turbine. Les machines synchrones règnent en maître avec des puissances dépassant le GW, mais en dessous de la dizaine de MW, les machines asynchrones peuvent trouver leur place. Notons qu’il n’y a plus depuis bien longtemps, de machines à courant continu dans ce domaine [30].

Grâce aux travaux de Nikola Tesla, le courant alternatif avait gagné la bataille du transport de l’électricité à distance et son utilisation va se trouver profondément bouleversée. C’est ainsi que la première expérience de transport d’électricité s’est faite en Allemagne dans les années 1890, sur une distance de 175 km, avec un rendement de 75%. Nikola Tesla préconisa d’abord l’utilisation des courants polyphasés et réussit à créer un champ magnétique tournant qui permit d’entraîner en rotation une armature mobile.

Domaines d’application des machines synchrones

La machine synchrone est réversible, ainsi elle peut fonctionner en génératrice (alternateur) ou en moteur.
– Fonctionnement en alternateur : L’inducteur, sur le rotor, entraîné par une turbine tournant à la vitesse ns, crée dans l’entrefer de la machine un champ tournant à la vitesse ns. Ce champ tournant induit aux bornes de l’induit (stator) une f.e.m. sinusoïdale de fréquence f.
– Fonctionnement en moteur : Les courants alternatifs de fréquence f parcourant l’induit (stator) créent dans l’entrefer de la machine, un champ magnétique tournant à la vitesse ns. Le rotor, siège d’un champ magnétique constant, suit le champ tournant à la même vitesse. La quasi-totalité des générateurs de courant alternatif sont des alternateurs. Leur puissance apparente peut dépassée les 1600 MV A. L’alternateur transforme l’énergie mécanique, fournie par la machine l’entraînant, en énergie électrique. Il est conçu pour produire des tensions et des courants sinusoïdaux monophasés ou polyphasés, mais plus particulièrement triphasés. Il constitue le générateur le plus employé dans la production d’énergie électrique.

Le moteur synchrone effectue la conversion énergétique inverse, il transforme l’énergie électrique en énergie mécanique. Il est utilisé pour l’entraînement des systèmes électromécaniques de grandes puissances comme les navires et les trains à grandes vitesses (TGV de la deuxième génération). Il équipe également certains dispositifs dont la vitesse de rotation doit être rigoureusement constante (horloges synchrones, …).

Différentes structures de la machine synchrone

La machine synchrone se compose essentiellement d’une partie tournante : le rotor et d’une partie fixe : le stator, séparées par un entrefer et d’un axe de rotation appelé arbre. Il y a différents types de structures de machines synchrones selon la forme du rotor. On peut les classer en deux groupes : les machines à pôles lisses et les machines à pôles saillants.

Le stator : C’est la partie fixe de la machine, identique à celui d’une machine asynchrone triphasée , il supporte les enroulements statoriques, appelés enroulements induit dans le cas du fonctionnement en générateur, car ils sont siège de courants alternatifs. Les conducteurs sont placés dans des encoches autour de la carcasse de la machine et sont groupés en bobine. Dans une machine triphasée, le stator comporte trois enroulements monophasés identiques décalés d’un angle de 120˚et il possédant p paires de pôles magnétique par phase. Il peut être bipolaire p = 1 ou multipolaire p > 1.

Le rotor : Le rotor est entraîné par un système mécanique et porte l’enroulement inducteur de la machine, il est alors alimenté en courant continu via un dispositif constitué par des bagues et des balais. Il produit le même nombre de paires de pôles p que le stator. Si le rotor est bobiné, son alimentation est effectuée en courant continu par une source d’énergie auxiliaire. Il est parfois constitué d’aimants permanents et donc ne nécessite ni bagues ni balais (Machine Brushless) [10].

Les tensions triphasées d’une génératrice synchrone triphasée dépendent de la vitesse de rotation de son rotor et de l’intensité du champ magnétique. La fréquence dépend, quant à elle, de la vitesse de rotation et du nombre de pôles de l’inducteur. Le nombre de paires de pôles d’un alternateur est imposé par la vitesse du rotor et la fréquence des tensions à produire.