MACHINE SYNCHRONE MACHINE BRUSHLESS … préparation oraux... · • Alternateur de centrale...

TSI2 CI10 PILOTAGE DYNAMIQUE DES SYSTEMES : MACHINE SYNCHRONE

J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON sur 12 01/2014

MACHINE SYNCHRONE

MACHINE BRUSHLESS (SYNCHRONE AUTOPILOTE)

SOMMAIRE

1. GENERALITES ........................................ ............................................................................................................2 1.1. Domaines d’emploi ...........................................................................................................................................2 1.2. Constitution sommaire et symboles normalisés des machines synchrones ....................................................3 1.3. Principe de base d’une machine synchrone de type « PAS A PAS » à 2 pôles et 2 enroulements.................3 1.4. Types de rotor (figures 3 a et b) et alimentation (figures 4a et 4.b) .................................................................4 1.5. Alimentation de l’induit, création du champ tournant et allures des courants : ................................................4

1.6. Relations magnétiques entre rotor et stator .....................................................................................................5 2. RELATIONS DE BASE ET MODELE SIMPLIFIE (Modèle de BE HN ESCHENBURG ou à une réactance)...5

2.1. Vitesse de rotation ou de synchronisme Ωs ou Ns. .........................................................................................5 2.2. Modèle électrique simplifié pour un enroulement ou phase en convention générateur ...................................5 2.3. Relations en convention générateur (ALTERNATEUR)...................................................................................6

3. BILAN DE PUISSANCE ................................. ......................................................................................................7 4. CARACTERISTIQUE ELECTROMECANIQUE [C = F( Ω)]..................................................................................7

4.1. Pour une machine autopilotée..........................................................................................................................8 4.2. Pour une machine raccordée au réseau ..........................................................................................................8 4.3. Limites ..............................................................................................................................................................8

5. CONTROLE D’UNE MACHINE SYNCHRONE PAR ONDULEUR...... ................................................................9 6. DEVELOPPEMENTS DE LA COMMANDE...................... .................................................................................10 7. AVANTAGES ET INCONVENIENTS. ........................ ........................................................................................10



MACHINE SYNCHRONE ET MOTEUR BRUSHLESS (SYNCHRONE AUTOPILOTE)

Une machine synchrone (MS) est un convertisseur électromécanique réversible, elle peut fonctionner soit en génératrice (alternateur ), soit en moteur. 1. GENERALITES

1.1. Domaines d’emploi

Petites puissances, (de 1 W à 100 W environ) • Entraînement de programmateurs horaires, ventilateurs sur micro-ordinateurs, enregistrement et reproduction

audio-vidéo, modélisme (auto, trains et engins volants). • Instrumentation médicale, micro mécanismes automobile.

Moyennes puissances, (de 100 W à 100 kW environ) • Machines d’usinage numérique (UGV), commande de mécanismes (aéronautique et espace…). • Alternateur automobile classique (1 à 3 kW), entraînement direct du tambour des lave linge modernes… • Motorisation de véhicules électriques ou hybrides (vélo à assistance électrique, scooter, Prius Toyota…).

Fortes puissances, (de 100 kW à 1,5 GW environ) • Motorisation ferroviaire (TGV atlantique à rotor bobiné 800KW, 1100kg / PSE à rotor aimants : 722kW, 720kg,

4570tr/min maxi), entrainement d’hélices de bateaux de croisières ( • Alternateur de centrale nucléaire (1300 MW, 1500 tr/min), hydraulique (480 MW, 107 tr/min). • Industrie : compresseur, centrifugeuse, mélangeuse.

Moteur brushless spécialement conçu pour l'AR.Drone PARROT quadrirotor. et sa carte de contrôle. - 4 MS Pu = 15 W, N variable de 10350 à

41400 tr/min. N = 28000 tr/min en vol stabilisé, soit 3300 tr/min pour les hélices.

- Contrôle par microcontrôleur basse consommation 8bits.

Usinage à grande vitesse, vitesse de coupe de 1000 m/min dans l’acier, 10 fois la vitesse d’usinage traditionnelle. Moteur de broche UGV Pu = 2 kW, N = 40000 tr/min.

Paquebot de croisière Star Princess : Propulseur «POD» avec moteur intégré dans une nacelle orientable fixée sous la coque, entraînant une hélice à pas fixe et vitesse variable. Pumax = 14 MW à f = 29Hz ; 24 pôles.



1.2. Constitution sommaire et symboles normalisés d es machines synchrones L'induit est porté par le stator Il est constitué d’un, deux ou trois enroulements (machine monophasée, biphasée ou triphasée) parcourus par des courants alternatifs. L'inducteur est porté par le rotor. On le désigne aussi « roue polaire ». Il est constitué soit, d'électroaimants parcourus par un courant continu ou d'aimants permanents.

Symboles

Induit Stator

Inducteur Rotor Roue polaire

MS MS 3~

Monophasé Triphasé

1.3. Principe de base d’une machine synchrone de type « PAS A PAS » à 2 pôles et 2 enroulements

Commande en pas entier (90°/pas) : Sur la figure a), le premier bobinage est alimenté seul, le sens de I1 est tel qu’il crée un pôle Sud en vis-à-vis du pôle Nord du rotor. Les deux pôles de noms contraires s’attirent, d’où la position du rotor. Pour une rotation dans le sens horaire, compléter les figures b) c) et d), en plaçant les courants dans les bobines et la position du rotor avec le pôle nord.

a)

b)

c) d)

COMMANDE EN PAS ENTIER (avance de 90°/pas) : Complé ter le tableau suivant pour les 2 sens de rotation.

Sens horaire Sens anti horaire

a) b) c) d) a) b) c) d)

I1 I2

COMMANDE EN DEMI PAS (avance de 45°/pas): On alimen te simultanément 2 bobines, le rotor se place dans une position médiane. Compléter le tableau suivant pour le sens de rotation horaire.

a) b) c) d) e) f) g) h)

I1 I2

I1 = + I

I2 = 0 I2 =

I1 =

I2 =

I1 =

I2 =

I1 =



1.4. Types de rotor (figures 3 a et b) et alimentat ion (figures 4a et 4.b)

Rotor à pôles saillants (fig.3.a) :

Pour des vitesses périphériques réduites. Ce sont les alternateurs de vitesse < 1500 tr/min, produisant l’énergie à 50 Hz dans les centrales hydrauliques, et dans les éoliennes.

Figure 3.a : rotor à pôles saillants

Rotor à pôles lisses (fig.3.b) :

Cette construction assure une grande robustesse mécanique. Elle est adoptée pour les alternateurs de fortes puissances dont la fréquence de rotation est élevée (3000 et 1500 tr/min), associé aux turbines à vapeur (centrales thermiques et nucléaires.

Figure 3.b : rotor à pôles lisses

Rotor bobiné (fig. 4.a)

L’enroulement rotorique est bobiné et alimenté au travers de 2 bagues tournantes et de 2 balais.

Rotor à aimants (fig. 4.b)

Plus de bagues et balais, les aimants en terre rare (Samarium Sm60; Néodyme Nd62) sont collés.

Fig.4.a Rotor bobiné + bagues +

balais

Fig.4.b Rotor à aimants permanents

1.5. Alimentation de l’induit, création du champ to urnant et allures des courants :

Pour une machine synchrone triphasée (figure 5), l’induit est constitué de trois groupes de conducteurs logés dans les encoches du stator, et décalés d'un angle convenable les uns par rapport aux autres. Ils sont parcourus par trois courants qui forment un système triphasé. La force magnétomotrice totale crée un champ tournant.

Ondes sinusoïdales pour les alternateurs de puissance ou les moteurs reliés au réseau.

Fig.5 MACHINE TRIPHASEE

Disposition spatiale des 3 enroulements, Machine bipolaire

Ondes en créneau pour les machines alimentées par onduleur (moteur autopilotés ou brushless).



1.6. Relations magnétiques entre rotor et stator On envisage une machine bipolaire. - L’inducteur seul (aimant ou rotor bobiné) génère le flux ψf dans la totalité d’une phase d’induit.

- L’induit seul, avec ses trois enroulements, génère le flux ψI dans la totalité d’une phase d’induit. - Il en résulte pour l’ensemble inducteur et induit le flux ψt dans la totalité d’une phase d’induit.

Angle interne δ :

L’angle entre ψt et ψf noté δest appelé angle interne, il correspond aussi à l’angle entre V et E.

Cet angle est caractéristique de l’état de charge et du mode de fonctionnement de la machine (Moteur ou générateur).

Il est donc fondamental pour le point de fonctionne ment de la machine et de sa charge mécanique, ainsi que pour le pilotage de la machine. 2. RELATIONS DE BASE ET MODELE SIMPLIFIE (Modèle de BEHN ESCHENBURG ou à

une réactance) 2.1. Vitesse de rotation ou de synchronisme ΩΩΩΩs ou Ns. Comme l’indique son nom, la machine synchrone à un rotor (inducteur) dont la rotation est synchronisée sur le champ tournant produit par le stator (induit), elle n’a pas de glissement. La vitesse ΩΩΩΩs ou Ns est directement liée à la fréquence f de l’alimentation et au nombre de paires de pôles p.

ps

ω=Ω en rd/s p

fns = en tr/s

2.2. Modèle électrique simplifié pour un enroulemen t ou phase en convention générateur Ce modèle est réduit à un circuit R, L, E série.

E est la fem, V la tension simple aux bornes de

l’enroulement et J (ou I) le courant le traversant

R est la résistance d’un enroulement

L est l’inductance synchrone* (on pose également X =

Lw réactance) de l’enroulement.

E fem développée par la rotation du rotor aux bornes d un enroulement, est directement proportionnelle à la vitesse et au flux ΦΦΦΦ sous un pôle qui dépend de l’excitation magnétique fournie par l’inducteur tournant soit bobiné soit à aimants permanents. * L est une inductance qui tient compte du couplage magnétique entre les trois enroulements et le rotor. Elle est valable seulement en régime établi et pour les machines à pôles lisses, d’où une des principales limite du modèle…

L = L p + 2.M avec Lp Inductance propre d’un bobinage ; M mutuelle entre bobinages ; L inductance synchrone ou de Behn Eschenburg

I

jX = jL.ω R

E V



2.3. Relations en convention générateur (ALTERNATEU R)

Couplage Electromagnétique en tension

EΨ.ω.jE ff == (loi de Faraday)

On gardera désormais la notation E pour la fem résultante en charge Ef pour un enroulement.

Loi des mailles Electrique

Ij.X.-IR.-E=V

Puissance active (W)

Rappel : En régime sinusoïdal la puissance active

d’un dipôle est le produit scalaire I.VP =

Pour 3 phases identiques (machine équilibrée) et le régime permanent, en sortie aux bornes de l’induit

la puissance électrique P est :

φ3.V.I.cos=P

la puissance électromagnétique Pem est :

2..3cos...3 IRPIEPem +== ψ

Remarque : Si on néglige la résistance R d’un enrou lement, PemP = et ψcos.Eφcos.V =

Puissance réactive (VAR)

En sortie = φsin.I.V.3Q

Dans l’entrefer 2..3sin...3 IXQIEQem +== ψ

ψ = δ + ϕ ψ = δ + ϕ ψ = δ + ϕ ψ = δ + ϕ avec ψ ψ ψ ψ angle entre le courant I et la fem E, somme de l’a ngle interne δ δ δ δ et du déphasage ϕϕϕϕ

Couple électromagnétique C em

ss

emem

IEPC

Ω=

Ω= ψcos...3

Dans le cas le plus général, le contrôle de la machine synchrone peut se faire en agissant sur 3 paramètres: • La fem E par le courant d’excitation Iex si la machine est à inducteur bobiné, en agissant sur la valeur du flux

ΦΦΦΦ sous un pôle. Ceci est impossible si la machine est à aimants per manents. • Le courant I dans les phases lorsque la machine est associée à un convertisseur de puissance avec contrôle

de courant (capteur à effet Hall nécessaire). • L’angle ψ lorsque la position du rotor est contrôlée par capteur angulaire (fourche optique, codeur

incrémental, synchro résolver). L’alimentation des 3 phases est alors coordonnée à l’information de ce capteur (pilotage des interrupteurs d’un onduleur). Il s’agit alors d’un autopilotage.

Un pilotage complet donne lieu à un ensemble dit BRUSLESS (traduction mot à mot « sans balais »), par comparaison à la fonction réalisée par l’ensemble collecteur + balais d’une MCC. On lit souvent dans la littérature scientifique vul garisée « machine DC sans balais » ce qui est faux. Le développement très rapide de solutions de petites dimensions peu coûteuses (moteur + capteurs + contrôle complet) donne un servomoteur appelé SERVO par les habitués, qui est par exemple utilisé en modélisme.

ou E



3. BILAN DE PUISSANCE Les pertes de la machine synchrone triphasée sont :

• Des pertes joules au stator (induit) P JS = 3.RS.I²

(RS résistance d’un enroulement statorique et I courant dans un enroulement)

• Des pertes mécaniques Pm

Frottements mécaniques fonction essentiellement de la vitesse de rotation pour les machines usuelles ou du carré de la vitesse à cause des effets aérodynamiques pour les machines ayant une vitesse élevée par exemple Broche UGV à NS = 20 000 tr/min.

• Des pertes fer ou magnétiques Pfe

On regroupe parfois les pertes mécaniques et fer sous le nom de pertes collectives PC = Pm + Pfe

• Les pertes d’excitation si l’inducteur de résistance Rex est bobiné Pex = Rex. Iex2 = Uex.Iex

Ci-dessous bilan donné en mode générateur (alternat eur) donné dans les techniques de l’ingénieur.

4. CARACTERISTIQUE ELECTROMECANIQUE [C = F( Ω)] IMPORTANT : Une machine synchrone ne peut être raccordée direct ement sur le réseau 50 Hz sans dispositif de démarr age.

Soit il est nécessaire de mettre une machine entraînant son rotor pour la synchroniser en augmentant la vitesse mécanique Ω, soit un onduleur avec autopilotage permet la montée progressive de f donc de ppf //2 ωπ ==Ω .

L’usage d’une électronique complète (MS autopilotée) permet le démarrage et le fonctionnement dans un large domaine de couple et vitesse en mode moteur ou générateur.

Un exemple d’emploi se développe très rapidement dans l’automobile est l’alterno-démarreur (système STOP-START) conçu au départ par BOSH.



On donne ci-dessous la représentation dans le plan couple = f(vitesse) des modes de fonctionnement de la machine synchrone.

4.1. Pour une machine autopilotée

• De 0 à Ωs, la vitesse est ajustée par la fréquence, le couple par l’angle interne

• Au-delà de Ωs, la vitesse peut augmenter, mais la puissance demeure constante à Pnominale.

4.2. Pour une machine raccordée au réseau

• La vitesse est fixée par la fréquence du réseau « infiniment puissant » à ps

ω=Ω .

• Le couple varie soit par la variation de charge mécanique en moteur, soit par le couple mécanique transmis par la source puissance mécanique (turbine hydraulique, à vapeur, hélice d’éolienne).

4.3. Limites

Les limites de la machine sont de 3 ordres : • Electrique (Imax et Vmax) • Mécanique (Ωmax et Cmax) • Thermiques (Tmax = 50°C pour des aimants Samarium Cobalt actuellement… !).

Lorsque le couple résistant augmente (plus de puissance mécanique demandée en moteur, ou plus de puissance électrique débitée en générateur), l’angle interne δ augmente également.

δδδδ est limité à une valeur de décrochage à ne jamais atteindre au risque de désynchroniser la machine es t de la bloquer mécaniquement.

La limite thermique impose souvent les limites électriques et mécaniques sur des temps longs selon la constante de temps thermique de la machine, et les matériaux utilisés.

Fonctionnement à puissance constante C = Pnom / ΩΩΩΩs

Evolution de l’angle interne en fonction du couple



5. CONTROLE D’UNE MACHINE SYNCHRONE PAR ONDULEUR Associé à son électronique de commande, cette machine est équivalente à un MCC car l'ensemble capteurs + onduleur joue le rôle d'un collecteur électronique, sans les inconvénients (usure, étincelle, vitesse limite) du collecteur mécanique.

Le découplage des grandeurs mécaniques couple et vi tesse, permet l’emploi de la machine synchrone dans une gamme de puissance très étendue. Du rotor d’hél ice de l’AR DRONE PARROTS à l’entraînement des TGV. Le dispositif ci-dessous, très rudimentaire et peu coûteux, permet de délivrer les impulsions de commande aux interrupteurs aux bons instants. Il y a autopilotage

Le principe d’alimentation des enroulements par onduleur est illustré ci-dessous.



6. DEVELOPPEMENTS DE LA COMMANDE Un même ensemble (commande + machine synchrone) peut désormais assurer :

• Un pilotage en vitesse

• Un pilotage en position

• Un comportement pas à pas (positionnement boucle ouverte)

• Un comportement boite de vitesse électrique

Vu côté électronique, il possède les mêmes équations électromécaniques : Fem : E = Kv.ΩΩΩΩ Couple : Cm = Kc.I (avec : I : intensité dans une phase) L’ajout d’une régulation de vitesse, donne une précision améliorée vis-à-vis d’une MCC, grâce aux propriétés du MS. 7. AVANTAGES ET INCONVENIENTS.

Moteur brushless MCC à aimants

Ava

nta

ges Caractéristiques générales

• Pas d’entretien (pas de collecteur) Utilisable en atmosphère explosive, corrosive.

• Excellente dissipation thermique. (Pj au stator seulement).

Caractéristiques dynamiques et statiques • Puissance massique >> (P/m : kW/kg). • Vitesse max >>. (pas de collecteur). • Faible inertie (forte accélération) d’où une bande

passante mécanique >> (rotor saucisson).

Caractéristiques générales • Simplicité du variateur (hacheur). • Pris bas. • Pas d’électronique interne. Caractéristiques dynamiques et statiques • Bien adaptée aux basses vitesses où elles

ont une régularité de marche excellente.

Inco

nvé

nien

ts

Caractéristiques générales • Electronique interne. • Prix en forte baisse car la production devient

importante. • Alimentation et de régulation complexe mais

maîtrisée. Caractéristiques dynamiques et statiques • A basse vitesse les harmoniques peuvent créer

des ondulations de couple.

Caractéristiques générales • Entretien (balais, colllecteurs). • Se dégrade en atmosphère corrosive,

explosive. Caractéristiques dynamiques et statiques • Vitesse max limitée par le collecteur. • Puissance massique <<MS • Inertie >>MS d’où une BP mécanique <<MS



Alternateur de centrale électrique Descente du rotor (Φ =18,8 m, 80 pôles, 75 tr/min) d’un alternateur 700MW au barrage des trois gorges Chine Entraînement par des turbines Francis de Φ = 25m

Eolienne Stator d’une éolienne ENERCON E112 4,5 MW nominal Multipolaire à entraînement direct (8 à 13 rpm) Rotor de 21 tonnes

Hélice Φ =114m Alternateur automobile • Génération d’énergie à vitesse variable • Triphasés 2,5 kW à 5 kW (24 V) en automobile • Rotor à griffes : grand nombre de pôles, enroulements globalisés, faibles pertes Joules.

Alterno-démarreur Valéo Citroên C3 STOP and START

MS à aimants, fréquence fixe Ex : Moteur de presse fruit , de lave linge… • Condition de démarrage direct sur la fréquence réseau :

• Inertie totale ramenée sur l’arbre faible • Couple résistant quasi nul

En monophasé le champ est pulsant solution : couple de détente ou bague de déphasage. À deux pôles (Aimants ferrite) et dissymétrie du stator Quelques dizaines de Watts, plus petit et moins cher que les asynchrones.



Motorisation et contrôle de l’énergie électrique d’ un véhicule hybride (type Toyota Prius) On améliore les performances ‘un véhicule thermique classique en récupérant l’énergie cinétique ou potentiel mécanique grâce à une MS en mode générateur. L’énergie récupérée est stockée dans des batteries, puis réutilisée en phase d’accélération (en ville) la MS fonctionnant alors en moteur, en parallèle ou non avec le moteur thermique.

Le répartiteur de puissance mécanique est réalisé p ar un train épicycloïdal, dont le pilotage se fait par la MS en couple et vitesse.

L’association d’un moteur électrique et d’un moteur thermique, permet d’avoir une large plage de coupl e élevé

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