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MOTEURS SYNCHRONES

CI3 : Chaîne d’énergie

MOTEURS SYNCHRONES - MOTEURS BRUSHLESS COURS

Edition 2 - 22/01/2018

Lycée Jules Ferry - 06400 Cannes [email protected] 1/11

CHAÎNE D’INFORMATION

ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER

CHAÎNE D’ENERGIE

ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE

ACTI

ON

mailto:[email protected]


PROBLEMATIQUE

« Le développement de l’électronique de puissance autorise

l’utilisation des machines synchrones dans les quadrants moteurs.

Les moteurs brushless sont également des moteurs synchrones.»

B : MODELISERB : MODELISERB : MODELISERB1 : Identifier et caractériser les grandeurs physiques agissant sur un système

Identifier les pertes d’énergie dans un convertisseur statique d’énergie, dans un actionneur ou dans une liaison

C : RESOUDREC : RESOUDREC : RESOUDREC2 : Procéder à la mise en oeuvre d’une démarche de résolution analytique

Déterminer les caractéristiques mécaniques de l’actionneur



Problématique Edition 2 - 22/01/2018




SommaireA. _______________________________________________________________Généralités! 4

A.1.Domaines d’emploi 4

A.2.Constitution 4

B. _________________________________________________Principe de fonctionnement! 5

C. __________________________________________________________Modèle électrique! 6

C.1.Modèle de Behn Eschenburg 6

C.2.Equations électriques 6

C.3.Bilan des puissances 7

C.4.Couple électromagnétique 8

D. _____________________________________________________Stratégie de commande! 9

D.1.Généralités 9

D.2.Détails de la commande 9



Sommaire Edition 2 - 22/01/2018




A. Généralités

A.1. Domaines d’emploi

Les machines synchrones peuvent fonctionner en alternateur comme en moteur. Historiquement, ces machines étaient essentiellement utilisées en génératrice, mais le développement de l’électronique de puissance rend maintenant possible le fonctionnement en moteur.

Les moteurs Brushless se trouvent dans de nombreuses applications industrielles, pour une large gamme de puissance (de quelques watt au gigawatt).

Le drone Parrot utilise des moteurs Brushless d’une puissance de 15W, le TGV Atlantique met en oeuvre des moteurs synchrones de 800 kW

A.2. Constitution

L’inducteur est le rotor, qui peut être soit bobiné, soit à aimants permanents. Nous n’étudierons que les rotors à aimants permanents, qui sont donc sans balais (brushless).

L’induit est quant à lui logé dans le stator.



Généralités Edition 2 - 22/01/2018

Notes


Aimant du rotor

Bobinages du stator



B. Principe de fonctionnementL’alimentation des enroulements du stator génère un champs magnétique tournant.

Cette alimentation est de forme sinusoïdale lorsque le moteur est connecté directement au réseau

Lorsque le moteur est alimenté par l’intermédiaire d’un onduleur (moteurs autopilotés, moteurs brushless), les

ondes sont en forme de créneau :

Comme pour les machines asynchrones, la pulsation du champs magnétique dépend de la fréquence de l’alimentation f et du nombre de paires de pôles p :

Ω =2π fp

Les p aimants du rotor vont s’aligner sur ce champs magnétique, et vont générer une rotation à la même

pulsation Ω : la machine est dite synchrone car les deux pulsations (rotor et stator) sont identiques



Principe de fonctionnement Edition 2 - 22/01/2018

Notes




C. Modèle électrique

C.1. Modèle de Behn Eschenburg

Dans le cas d’une machine non saturée, et à rotor à pôles lisses, la phase d’une machine synchrone peut se modéliser grâce au modèle de Behn Eschenburg.

Dans ce modèle, chaque phase est modélisée par une réactance synchrone, une résistance synchrone, et une fcém en série.

Les valeur de R et X sont constantes.

L’inductance synchrone L est la somme de l’inductance propre LP à la bobine, et des inductances mutuelles M avec les 2

autres bobinages : L = LP +2M

La fcém répond à la loi Eav = kω dans le cas d’un rotor non bobiné. Elle est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor.

Cette fcém peut être soir de forme sinusoïdale, soit trapézoïdale dans le cas de moteurs à courant continu brushless (BLDC)

C.2. Equations électriquesLa loi des mailles fournit la relation dans le modèle de Behn Eschenburg, dans le cas d’un moteur :

V = E + R+ jX( ) I

où X = Lω est la réactance synchrone de la phase

Le diagramme de Fresnel qui traduit cette relation est représenté ci-contre.

Ce diagramme fait apparaître le déphasage ψ entre le courant et la fcém

E

IRI

jX IVϕ

ψ



Modèle électrique Edition 2 - 22/01/2018

Notes




Notons que dans le cas d’une génératrice synchrone (alternateur) , la loi des mailles devient :

V = E − R+ jX( ) I

Le diagramme de Fresnel d’un alternateur est alors :

E

I

RI

jX I

Vϕ ψ

C.3. Bilan des puissances

La puissance active électrique fournie est donnée par l’expression :

Pe = 3VI cosϕ

La puissance active électromagnétique est égale à :

Pem = 3EI cosψ = Pe − 3RI2

La puissance réactive électromagnétique vaut quant à elle :

Qem = 3VI sinψ =Qe − 3XI2




Notes




C.4. Couple électromagnétique

Sachant que Pem =Cemω =CemΩs , on en déduit l’expression du couple électromagnétique :

Cem =3EI cosψ

Ωs

=3pEI cosψ2π f

Le couple est maximal lorsque le courant et la fcém sont en phase (ψ = 0 ).

Ceci explique que les moteurs à fcém sinusoïdale seront alimentés par un courant sinusoïdal, tandis que les moteurs à fcem trapézoïdale seront alimentés par un courant en forme de créneau

Si la conversion de puissance est parfaite (résistance nulle), et que le moteur est correctement piloté de façon à assurer un déphasage nul entre courant et fcém, alors le couple peut s’écrire :

Cem =3VI cosϕ

Ωs




Notes




D. Stratégie de commande

D.1. Généralités

Bien que rien ne s’oppose à l’alimentation par un signal sinusoïdal d’une machine synchrone à fcém trapézoïdale( ou réciproquement), conserver un couple maximal constant demande à adapter la forme des signaux d’alimentation à la forme de la fcém.

C’est la raison pour laquelle un moteur brushless, dont la fcém est trapézoïdale, sera alimenté par des signaux en créneau.

Afin de s’assurer un déphasage ψ nul entre le courant et la fcém, il est alors indispensable de connaître la position du rotor à tout moement afin d’injecter les signaux au stator au bon moment.

On parlera alors de moteurs brushless autopilotés, et la mesure de la position du rotor se fera à l’aide d’un codeur.

Dans le cas d’une fcém trapézoïdale, il ne sera pas nécessaire de doter le rotor d’un codeur à forte résolution, contrairerment aux moteurs à fcém sinusoïdale.

La commande d’un moteur brushless se fait par l’intermédiaire d’un onduleur dont la porteuse est triangulaire et la modulante est en forme de créneaux.

D.2. Détails de la commande

Le dispositif ci-contre, bien que rudimentaire, suffit à renseigner la commande sur la position du rotor.

L’ensemble de la commande intègre le moteur, son onduleur, la mesure de l’angle rotor, et le pilotage de l’onduleur :




Notes




L e s s i g n a u x e n créneau sont fournis par un onduleur :




Notes




Vu dans sa globalité (onduleur+moteur+codeur), un tel moteur peut être assimilé à un moteur à courant continu (d’oiù le terme de moteur brushless à courant continu BLDC) :

Un moteur Brushless supprime les inconvénients du moteur à courant continu (usure des balais par frottements, étincelles).




Notes




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