Un moteur synchrone est un moteur dans lequel le rotor tourne normalement à la même vitesse que le champ tournant de la machine. Le stator est similaire à celui d’une machine à induction constituée d’un cadre cylindrique en fer avec des enroulements, généralement triphasés, situés dans des fentes autour de la périphérie interne. La différence réside dans le rotor, qui contient normalement un enroulement isolé relié par des bagues collectrices ou d’autres moyens à une source de courant continu (voir figure).
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Le principe de fonctionnement d’un moteur synchrone peut être compris en considérant que les enroulements du stator sont reliés à une alimentation en courant alternatif triphasé. L’effet du courant statorique est d’établir un champ magnétique tournant à 120 f/p tours par minute pour une fréquence de f hertz et pour p pôles. Un courant continu dans un enroulement de champ à p pôles sur le rotor produira également un champ magnétique tournant à la vitesse du rotor. Si la vitesse du rotor est rendue égale à celle du champ du stator et qu’il n’y a pas de couple de charge, ces deux champs magnétiques auront tendance à s’aligner l’un sur l’autre. Lorsqu’une charge mécanique est appliquée, le rotor recule d’un certain nombre de degrés par rapport au champ tournant du stator, développant un couple et continuant à être entraîné par ce champ tournant. L’angle entre les champs augmente à mesure que le couple de charge augmente. Le couple maximal disponible est atteint lorsque l’angle de retard du champ du rotor par rapport au champ du stator est de 90°. L’application d’un couple de charge plus important fera caler le moteur.
Un avantage du moteur synchrone est que le champ magnétique de la machine peut être produit par le courant continu dans l’enroulement de champ, de sorte que les enroulements du stator n’ont besoin de fournir qu’une composante de puissance du courant en phase avec la tension statorique appliquée – c’est-à-dire que le moteur peut fonctionner à un facteur de puissance unitaire. Cette condition minimise les pertes et l’échauffement dans les enroulements du stator.
Le facteur de puissance de l’entrée électrique du stator peut être directement contrôlé par le réglage du courant de champ. Si le courant de champ est augmenté au-delà de la valeur requise pour fournir le champ magnétique, le courant du stator change pour inclure une composante pour compenser cette surmagnétisation. Il en résulte un courant statorique total qui conduit la tension statorique en phase, fournissant ainsi au système électrique les voltampères réactifs nécessaires pour magnétiser d’autres appareils connectés au système tels que les transformateurs et les moteurs à induction. Le fonctionnement d’un grand moteur synchrone à un tel facteur de puissance de tête peut être un moyen efficace d’améliorer le facteur de puissance global des charges électriques dans une usine de fabrication pour éviter les taux d’alimentation électrique supplémentaires qui peuvent autrement être facturés pour les charges à faible facteur de puissance.
Les moteurs synchrones triphasés trouvent leur principale application dans les situations industrielles où il y a une grande charge mécanique raisonnablement stable, généralement supérieure à 300 kilowatts, et où la capacité de fonctionner à un facteur de puissance de tête est de valeur. En dessous de ce niveau de puissance, les machines synchrones sont généralement plus coûteuses que les machines à induction.
Le courant d’excitation peut être fourni par un redresseur à commande externe par l’intermédiaire de bagues collectrices, ou, dans les moteurs de plus grande taille, il peut être fourni par un redresseur monté sur l’arbre avec un transformateur ou un générateur rotatif.
Un moteur synchrone avec seulement un enroulement d’excitation transportant un courant continu ne serait pas auto-démarrant. A toute vitesse autre que la vitesse synchrone, son rotor subirait un couple oscillant de valeur moyenne nulle car le champ magnétique tournant passe de façon répétée devant le rotor qui se déplace plus lentement. Normalement, un enroulement court-circuité similaire à celui d’une machine à induction est ajouté au rotor pour fournir un couple de démarrage. Le moteur est démarré, soit avec une tension statorique complète ou réduite, et amené à environ 95 % de la vitesse synchrone, généralement avec l’enroulement de champ court-circuité pour le protéger d’une tension induite excessive. Le courant de champ est alors appliqué et le rotor se met en synchronisme avec le champ tournant.
Cet enroulement supplémentaire du rotor est généralement appelé enroulement amortisseur en raison de sa propriété supplémentaire d’amortir toute oscillation qui pourrait être causée par des changements soudains de la charge sur le rotor lorsqu’il est en synchronisme. L’ajustement aux changements de charge implique des modifications de l’angle de retard du champ du rotor par rapport au champ du stator et donc des changements à court terme de la vitesse instantanée. Ceux-ci provoquent des courants induits dans les enroulements de l’amortisseur, produisant un couple qui agit pour s’opposer au changement de vitesse.
La protection des moteurs synchrones est similaire à celle employée avec les gros moteurs à induction. La température peut être détectée à la fois dans les enroulements du stator et du champ et utilisée pour couper l’alimentation électrique. Un échauffement considérable se produit dans l’enroulement rotor-amortisseur pendant le démarrage, et une minuterie est fréquemment installée pour empêcher les démarrages répétés dans un intervalle de temps limité.