Les machines synchrones sont des machines électriques dont la vitesse de rotation de l’arbre de sortie est égale à la vitesse de rotation du champ tournant. Suivant leur mode de fonctionnement, elles permettent soit de générer un courant électrique (mode "génératrice"), soit de produire un mouvement de rotation du rotor (mode "moteur"). Cet article se concentre sur le mode autopiloté d'une machine synchrone. Ce procédé permet de contrôler le champ d'induit de façon optimisée, afin d'améliorer très sensiblement les performances. Sont détaillés ici les principes de fonctionnement des machines synchrones autopilotées « idéales » (à forces électromotrices et courants sinusoïdaux), qui offrent les meilleures performances globales, ainsi que ceux d'autres solutions que nous qualifions de spéciales.

Des machines synchrones occupent une place croissante tant en génération d’énergie qu’en actionnement. Il existe des structures variées, avec des modes de fonctionnement diversifiés. Cette diversité a conduit à des approches d’analyse de comportement historiquement variées. Mais on peut mettre en parallèle des approches pour comprendre qu’il y a finalement peu de différences entre ces fonctionnements qui ont longtemps semblé si éloignés.

Cet article propose des modélisations aux différentes utilisations des machines synchrones en régime permanent, qu’elles soient associées à un réseau électrique ou à un convertisseur statique. Il traite tout d’abord des machines synchrones à champs tournants non saturées, avec les machines à pôles lisses, caractérisées par une distance constante entre les deux parties ferromagnétiques de l’entrefer, puis celles à pôles saillants avec une valeur d’inductance d’induit variable. La méthode de Potier, puis le diagramme de Blondel, permettent d’aborder la saturation magnétique. Pour terminer, la méthode des travaux virtuels offre un modèle rigoureux capable d’envisager l’amélioration des principales non-linéarités.

Les développements de l’électronique de puissance et de commande ont largement contribué à la  diffusion des machines synchrones et de leur grande variété : traction électrique, équipement d’usinage à très grande vitesse, mais aussi en robotique et dans l’industrie automobile, sans compter depuis peu en fonctionnement moteur à vitesse variable. Les avantages de ces convertisseurs électromécaniques sont nombreux : rendement naturellement supérieur à celui des autres machines, capacité à régler la puissance réactive et souplesse de conception.