Les moteurs asynchrones et synchrones créent au stator un champ magnétique tournant de la même manière avec une alimentation triphasée ; la distinction entre les deux réside dans la façon dont le rotor établit sa relation avec ce champ. Cette différence détermine de nombreuses caractéristiques, de la stabilité de vitesse au rendement, du comportement au démarrage au besoin de commande. Ci-dessous, nous comparons en détail les deux types de moteurs du point de vue du principe de fonctionnement, des performances et de l'application.

La distinction fondamentale : y a-t-il glissement ou non

Dans un moteur asynchrone, le rotor tourne toujours légèrement en retard par rapport au champ tournant du stator. Ce retard est appelé « glissement » et permet l'induction d'un courant dans le rotor, donc la production de couple. Dans un moteur synchrone, le rotor tourne exactement à la même vitesse que le champ, c'est-à-dire à la vitesse synchrone, et le glissement est nul. Cette différence fondamentale est aussi l'origine du nom des deux moteurs : le rotor synchrone tourne de manière synchronisée avec le champ, le rotor asynchrone ne le peut pas. Alors que dans le moteur asynchrone le glissement augmente avec la charge, dans le moteur synchrone la vitesse reste constante même si la charge augmente.

Différence de structure du rotor

Le rotor du moteur asynchrone est généralement de type à cage d'écureuil ; il ne comporte aucune source magnétique alimentée de l'extérieur, le champ étant entièrement créé par induction. Cette structure, qui consiste simplement en barres d'aluminium ou de cuivre réunies par des anneaux de court-circuit, est extrêmement robuste. Dans le moteur synchrone, le rotor porte son propre champ magnétique grâce à un bobinage alimenté par une excitation à courant continu séparée, à des aimants permanents ou à des pôles saillants. Le rotor synchrone verrouille ainsi pour ainsi dire le champ statorique et tourne avec lui. Cette différence structurelle influe aussi directement sur le coût de fabrication et sur le besoin de commande.

Comportement en vitesse et stabilité sous charge

L'avantage le plus marquant du moteur synchrone est que la vitesse reste exactement constante même si la charge varie ; la vitesse ne dépend que de la fréquence du réseau et du nombre de pôles. Dans le moteur asynchrone, en revanche, le glissement augmente à mesure que la charge croît et la vitesse baisse légèrement. Cette différence est déterminante dans les applications exigeant une vitesse constante comme les horloges, l'entraînement de générateur ou le suivi synchrone. En contrepartie, dans de nombreux entraînements industriels une petite variation de vitesse ne pose pas de problème et la simplicité du moteur asynchrone prend le dessus. Si la stabilité de vitesse n'est pas critique, le moteur asynchrone est presque toujours la solution la plus économique.

Pourquoi le moteur synchrone ne peut-il pas démarrer seul ?

Le moteur asynchrone peut démarrer de lui-même en étant raccordé directement au réseau ; c'est une grande commodité sur le terrain. Le moteur synchrone classique, lui, ne peut produire aucun couple de démarrage lorsqu'il est raccordé seul au réseau ; il est mis en service soit à l'aide d'un bobinage de démarrage auxiliaire, soit par élévation progressive de la fréquence avec un onduleur de fréquence. Cette situation augmente le besoin d'équipements de commande supplémentaires pour les moteurs synchrones et complique le processus de mise en service.

  • Asynchrone : démarrage autonome, mise en service simple, démarrage par étoile-triangle ou démarreur progressif.
  • Synchrone : nécessite un démarrage contrôlé par excitation externe ou onduleur de fréquence.

Facteur de puissance et rendement

Les moteurs synchrones peuvent, en réglant l'excitation du rotor, fonctionner avec un facteur de puissance en avance, c'est-à-dire de manière capacitive ; cette propriété est même utilisée dans le but de corriger le facteur de puissance global de l'installation. Les moteurs asynchrones absorbent en revanche toujours de l'énergie réactive et fonctionnent avec un facteur de puissance arrière, c'est-à-dire inductif ; c'est pourquoi ils sont assistés par des armoires de compensation dans les grandes installations. Du point de vue du rendement, des niveaux élevés sont possibles dans les deux types ; dans les moteurs asynchrones, le rendement est classé de IE1 à IE5 dans le cadre de la norme IEC 60034-30-1 et la classe de rendement premium IE3 constitue l'attente minimale dans de nombreuses applications.

Relation entre champ magnétique et fréquence

Dans les deux types de moteurs, la vitesse est directement liée à la fréquence du réseau. Sur un réseau 50 Hz, la vitesse synchrone d'un moteur à quatre pôles est de 1500 tr/min et celle d'un moteur à deux pôles de 3000 tr/min. Alors que le moteur synchrone conserve cette valeur à l'identique même sous charge, dans le moteur asynchrone la vitesse réelle reste légèrement en dessous de cette valeur à cause du glissement. Avec une alimentation par onduleur de fréquence, la vitesse des deux types de moteurs peut être réglée sur une large plage ; c'est une méthode fréquemment employée dans les systèmes d'entraînement modernes. La vitesse variant proportionnellement à la fréquence, le fonctionnement sur onduleur se distingue dans les applications exigeant une souplesse de commande.

Coût, entretien et robustesse

Comme le rotor à cage d'écureuil du moteur asynchrone ne comporte ni balai, ni bague, ni aimant permanent, la structure est extrêmement robuste et son entretien réduit. Dans les moteurs synchrones, le système d'excitation, le dispositif bague-balai ou la structure d'aimants de précision entraînent un entretien et un coût supplémentaires. Dans les machines synchrones à aimants, le prix du matériau magnétique augmente aussi le coût total. C'est pourquoi, dans les entraînements courants comme les pompes, les ventilateurs et les convoyeurs, le moteur asynchrone se distingue tant sur l'investissement initial que sur le coût d'exploitation.

Bruit, vibration et confort de fonctionnement

Les moteurs asynchrones à cage d'écureuil fonctionnent généralement avec de faibles vibrations et un faible bruit grâce à leur structure simple. Dans les moteurs synchrones, le caractère de fonctionnement peut varier selon la structure du rotor et le mode d'excitation ; les moteurs synchrones à aimants permanents offrent un couple élevé à basse vitesse et un fonctionnement silencieux. La sensibilité au bruit de l'application, le mode de refroidissement et la tolérance aux vibrations sont également pris en considération dans le choix du type de moteur. Un équilibrage correct et le choix de roulements de qualité augmentent nettement le confort de fonctionnement dans les deux types.

Lequel pour quelle application

Le choix se fait selon la priorité de l'application :

  • Si une vitesse constante et précise, une très forte puissance et la correction du facteur de puissance sont importantes : moteur synchrone.
  • Si une structure simple, le démarrage autonome, un faible entretien et une solution économique sont importants : moteur asynchrone.

En pratique, la grande partie des lignes industrielles de pompes, ventilateurs, compresseurs et convoyeurs est entraînée par des moteurs asynchrones ; le moteur synchrone est privilégié sur les très gros compresseurs, les broyeurs et les applications spéciales exigeant une vitesse précise. Dans notre contenu consacré aux moteurs asynchrones AC, nous détaillons les critères de sélection par application.

Évaluation pour un choix correct

Les deux types de moteurs ne sont pas concurrents, mais des solutions complémentaires répondant à des besoins différents. Pour décider, on pèse ensemble la stabilité de vitesse, le comportement au démarrage, l'objectif de facteur de puissance, la capacité d'entretien et le budget. Un choix de type erroné peut engendrer à la fois un coût inutile et des difficultés d'exploitation. DRG Motor, basé à İzmir, apporte un support technique dans la détermination de la puissance et de la structure polaire adaptées aux besoins d'entraînement asynchrones comme synchrones, et fournit ses options de produits via DRG Motor.