1

VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS SYNCHRONES

2

Principes

3

On a une machine dont il faut asservir la fréquence d’alimentation (f = p.N) sur la fréquence de rotation.

Il faut donc utiliser des convertisseurs statiques à fréquence variable.

Ces convertisseurs vont permettre soit :

• Une alimentation en tensions sinusoïdales.

• Une alimentation en courant.

Les sources d’énergie sont du type continu, alternatif monophasé ou triphasé.

4

L’alimentation en tension se fait par un onduleur de tension.

Source d’alimentation continue

Conversion directe continu/alternatif

5

On utilise la modulation de largeur d’impulsion (MLI) pour obtenir une tension moyenne sinusoïdale

6

Source d’alimentation continue

L’alimentation en courant se fait par commutateur.

Conversion indirecte continu/continu/alternatif

7

Avec la commutation en courant, le dispositif joue le rôle de "collecteur électronique".

Il y a conflit de source (machines inductives).

⇒ Impose commutation lente.

⇒Transitoires électriques et mécaniques lents.

⇒Utilisation TGV et laminoirs (grosses machines)

8

Alimentation par le réseau

Conversion indirecte alternatif/continu/alternatif

L’alimentation en tension se fait par un onduleur.

9

Types de machines

On définie le type de machine en fonction de la répartition du champ magnétique dans l’entrefer.

⇒ Répartition sinusoïdale : implicitement machines à pôles lisses.

⇒ Répartition rectangulaire ou plutôt trapézoïdale car le champ magnétique ne subit pas de discontinuité spatiale

10

Modèle MS à pôles lisses et fem sinusoïdales

R : Résistance d'un enroulement.

L : Inductance cyclique.

K : Constante de fem. EMAX / Ω = p.ΦMAX

p : Nombre de paires de pôles.

J : Moment d'inertie

11

Modèle MS à pôles lisses et fem trapèzesR : Résistance d'un enroulement.

L : Inductance cyclique.

K : Constante de fem. EMAX / Ω = p.ΦMAX

p : Nombre de paires de pôles.

J : Moment d'inertie

Remarque

Le neutre de la machine étant supposé non relié, il est nécessaire de supprimer la composante homopolaire éventuelle de fem. Cette composante se traduit par un déplacement du point neutre de la machine sans engendrer de courant. Dans le cas d'une machine à fem trapézoïdales, les harmoniques multiples de trois forment un système homopolaire.

12

+

-

Facilité de commande

+

-

Coût

+

-

Facilité de réalisation machine

+--Machine « trapèze »

-++Machine « sinus »

Couple massique/volumique

Pulsations de couple

Précision (basses vitesses)

Alimentation par onduleur

de tension

Exemples de tendance:

• moteur de positionnement avec couple à l’arrêt (robotique): SINUS

• moteur sans contrainte de travail à basses vitesses: TRAPEZE

Entre « trapèze » (squarewave) et « sinus » (sinewave)

Critère de choix technologique

13

Alimentation par le réseau

Conversion indirecte alternatif/continu/alternatif

L’alimentation en courant se fait par commutateur.

14

Chaque séquence de conduction impose une direction fixe du champ statorique tandis que le champ rotorique se déplace à la vitesse du rotor.

K1 = K’2 =1 K1 = K’3 =1

15

L’angle ξ évolue entre deux commutations, à cause du déplacement du rotor, ce qui entraîne une ondulation du couple. Cela peut être gênant si la charge a une faible inertie.

⇒ vibrations

L’alimentation en courant permet d’imposer la position angulaire même à vitesse nulle ⇒ peu de précision.

16

Alimentation par le réseau

Exemple de conversion directe alternatif/alternatif pour une phase moteur

L’alimentation en tension se fait par un cycloconvertisseur

17

Forme de la tension de sortie

18

Avec les convertisseurs précédents, il est possible de régler la fréquence, l’amplitude et la phase de la tension ou du courant (couple de la machine).

Il n’est pas possible d’alimenter le moteur par un onduleur autonome (ne tient pas compte de l’angle Ψ) sans obtenir de décrochage :

⇒ il faut un autopilotage en fréquence toujours égal à la fréquence de rotation du rotor.

⇒ MACHINE SYNCHRONE AUTOPILOTEE

19

Autopilotage scalaire : pilotage des courants ou tensions par asservissement sur une consigne sinusoïdale.

Autopilotage vectoriel : pilotage des tensions ou courants par asservissement sur une consigne constante après transformation vectorielle.

Il existe deux type d’autopilotage:

20

Autopilotage scalaire

21

Moteur Brushless (moteur sans balais)

C’est un moteur synchrone, à aimants permanents, autopiloté, alimenté en courant.

Définition

22

Le pilotage en courants rectangulaires par commutateur de courant est plus simple à réaliser et ne nécessite qu'un capteur de position du rotor à faible résolution ( 6 informations par période ).

Les différents pilotages moteurs à aimantspilotage rectangulaire (rotor sans pièces polaires)

rotor à " aimants déposés "

(sans pièces polaires)

23

Les différents pilotages moteurs à aimantspilotage sinus (rotor avec pièces polaires)

rotor à " concentration de flux "

(avec pièces polaires)

pilotage sinus (rotor avec pièces polaires)

Le pilotage du moteur en courants sinusoïdaux permet de supprimer les commutations brutales ( sources de bruit ) et d'obtenir une meilleure régularité du couple moteur. La génération de courants sinusoïdaux est faite par onduleur à modulation de la tension M.L.I.

24

Schéma de principe d’un autopilotage scalaire en courant (couple)

25

La vitesse en régime permanent dépend du couple résistant CEM = CR.

26

Schéma de principe d’un autopilotage scalaire en vitesse

27

Inconvénients de l’autopilotage scalaire

Il permet d’imposer la valeur maximale du flux seulement en régime permanent en agissant sur la fréquence statorique et la valeur efficace de la tension ou du courant statorique qui sont des grandeurs scalaires.

Le flux n’est pas contrôlé en régime transitoire, on contrôle uniquement sa valeur maximale en régime permanent.

⇒ performances médiocres en régime transitoire.

Pour obtenir des régimes transitoires performants, notamment en temps de réponse , il faut faire appel à une commande vectorielle.

28

Autopilotage vectoriel

29

Commande des courants de phase de type ″abc″ ou ″ sinus ″

30Commande dans le repère de la base liée au stator

Structure de commande des courants de phase

de type ″abc″ ou ″ sinus ″

Schéma fonctionnel

31

Les fonctions « PWM GEN » contiennent un correcteur d’asservissement et un système de modulation de largeur d’impulsions.

Structure de commande des courants de phase

de type ″abc″ ou ″ sinus ″

32

Dans tous les cas, on dispose d’une information numérique de position, le courant peut alors être régulé directement par calculateur (régulation numérique --> rapidité de calcul) ou analogiquement en effectuant une conversion analogique. Le capteur de position balaye trois mémoires contenant des sinusoïdes de référence pour les trois courants ia

, ib et ic

, l’amplitude de ces références (consigne du couple) est réglable par utilisation de MDAC (Multiplier Digital Analog Converter) ; un MDAC est un convertisseur numérique–analogique dont la tension (ou le courant) de référence est commandable par une tension externe, on obtient ainsi en sortie une multiplication de l’entrée numérique par cette tension externe. L’angle d’autopilotage est ajusté selon la vitesse pour obtenir une désexcitation au delà de la vitesse de base.

Commande des courants de phase de type abc

33

Commande en d q

34

Commande en d qOn cherche une base de vecteurs dans laquelle les équations décrivant le fonctionnement d'une machine électrique soient découplées, c'est à dire que les grandeurs relatives à une phase ne dépendent pas des autres phases (en particulier de leur flux).

Pour l’étude de la machine synchrone en régime transitoire, il est nécessaire de placer l’inducteur dans un repère fixe (Od,Oq) et de transformer le système triphasé d’induction en système biphasé dans ce repère (Od,Oq) .

Cette méthode du flux orienté est conçue sur la base d’un modèle défini grâce à la transformation de Park qui, d’un point de vue de la conversion, conduit à considérer la machine synchrone comme l’association électromécanique de deux machines à courant continu.

35

(MCC)

36

37

Dans l’hypothèse de la linéarité du circuit magnétique, le flux propre et le courant i sont liés par l’inductance propre L de l’enroulement.

La loi de Faraday exprime la relation entre la tension ν aux bornes d’une bobine de résistance R, le courant i, et la variation du flux totalisé Φt telle que :

Φt = Φ + Φc

Où Φ représente le flux propre de la bobine et un flux Φc de couplage magnétique avec d’autres enroulements.

38

39

40

41

42

43

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49

50

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53

Avec l’alignement sur d la projection sur q devient nulle

54

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59

60

Consignes de courant constantes

Automate de Commande Rapprochée

Commande en″d q″

61

Quelles valeurs prendre pour idref et idq ?

Si on veut un couple maximum, il faut idref= 0 (déphasage de 90° entre axe du rotor et champ statorique).

La valeur de Idq permet de régler le couple.

62

63

Technologie

64

Grande variété dans les technologies de fabrication pour les moteurs synchrones permettant:

• adaptation aux contraintes d’encombrement

• augmentation des couples massiques et/ou volumique

Au-delà de la distinction classique trapèze/sinus

Plusieurs gammes de moteurs au sein d’un même constructeur:

Exemple Parvex: ACG, LS, NX, LX, HW, HV,…

Contrairement aux moteurs à induction

65

12 bobines/ 3 phases (stator) petite puissance

Machine synchrone à rotor extérieur à flux radial

aimants

66

Moteur clocheStator tétraphasé

Rotor à aimants permanents

67

Moteur cloche Escap

Moteurs disques (discoïdes) (flux axial)

EscapDes exemples

68

Extrait de doc KAMAN

69

Moteur discoïde à flux axial Sondes

à effet HallLes sondes à effet Hall permettent de définir les instants de commutation

des références de courantsDoc Escap

70

Schéma d’une structure triphasée à 6 dents et 2 paires de pôles.

Induit d’un moteur Sony (diamètre d’entrefer environ 3 cm)

Petit moteur triphasé à rotor extérieur et bobinages concentrés.

71

Moteurasynchrone

Réseautriphasé

EDF

Puissance en jeu : qq 100 kW

Enrouleuse

de papeterie

Exemple d’application moyenne puissance

triphasé

continu

continu

triphasé

72

LAMINOIR

73

74COMPRESSEURS

75

COMPRESSEURS

76COMPRESSEURS

77PROPULSION NAVALE

20MW, 200 tr/mn

78PROPULSION NAVALE

79

Secteur

automobile

80

81

82

83

84

85ISG Honda_prius

HONDA_PRIUS: véhicule hybride commercialisé

86

Alterno-démarreurs

87

Moteur brushless utilisé en robotique

88

CONSTITUTIONLe moteur est généralement constitué:• d ’un rotor à aimants permanents,• d ’un stator constitué d ’un enroulement

triphasé,• d ’un capteur de position (résolver ou

codeur),• d ’une sonde de température,• d ’un frein électromécanique.

89capteurs

Câblagepuissance

freinsonde

Câblagerésolver Câblage

codeurCM

statoriqueEnroulements

statoriques

Aimantspermanents

Sonde detempérature

Frein àdisque

resolver codeur

carcasse

90

Carcasse

Réalisée en alliage d’aluminium.

Recouvert d’une peinture noire afin d’améliorer l’échange thermique par rayonnement.

De forme carrée au début des années 80, les premiers servomoteurs étaient de section rectangulaire pour des facilités d’intégration dans les machines outils. Depuis tous les constructeurs ont gardé cette forme rectangulaire.

91

Rotor à aimants permanents

N

N

N

SS

S

Les aimants sont disposés en tuiles.Ils peuvent être collés, vissés ou enserrés dans une frette amagnétique

Cette solution est adoptée pour des géométries longues mais étroites . On favorise les vitesses élevées.

rotor

Machine 6 pôles

92

Rotor à aimants permanents

N NS

S rotor

Pièces polaires (concentration du flux)

aimants

Cette disposition permet d’avoir des inductions de 3 à 5 fois supérieures à la structure précédente

On peut plus facilement augmenter le nombre de pôles

Machine 6 pôles

93

Stator

Carcasse

Circuit magnétique feuilletéetôle à « grains orientés »

à 3,5% de siliciumpertes fer 1,4 W/kg sous 1,8T

Pertes Pf dans le fer

222

fBmeVPfρ

=

V : volume de tôlese : épaisseur des tôlesρ : résistivité des tôlesBm : induction maximumf : fréquence

94

Le frein mécanique

Disqueacier

Aimantpermanent

Entrefer 0,3 mmbobine

ressortmoyeu Surface de

friction

L ’aimant produit un champ magnétique qui attire le disque acier contre la surface de friction.⇒ blocage du moteur

La bobine est alimentée en courant continu. Elle produit un champ inverse à l’aimant.⇒ Le disque acier est libéré

Le frein est du type « à manque de courant »

95

Le frein mécanique

Avantages par rapport au frein à ressort :

- temps de blocage très rapide ( ≈ 40 ms) pour 150 à 200 ms avec les freins à ressorts.

- pas de rebondissement du disque.

- frein plus compact.

Sa vocation n ’est pas d ’effectuer des freinages dynamiques mais d ’assurer un blocage du rotor.On l ’appelle « frein de parking ».

96

Le frein mécaniqueCaractéristique du couple de freinage Cf

24V 28V16V0 Tension d ’alimentation du frein

Cf

97

Contrainte thermique

convection naturelle

rayonnement

Échauffement principal du moteur par les pertes statoriques

98

Contrainte thermiqueDéclassement du couple moteur

document CEGELEC

Moteur CEGELEC 3000 trs / min 75 DSB 600

% o

f rat

ed to

rque

B (∆T=60°C)

F (∆T=100°C)H (∆T=125°C)

10 20 30 40 50 60

100

90

80

110

70

60

Ambient temperature (°C)

99

Contrainte thermique

Attention

La température de la carcasse peut atteindre des températures de 110 °C pour une température de 140 °C des bobinages

DANGER

100

Contrainte thermiqueC ’est la classe des isolants qui détermine la température maximale admissible sur les enroulements d ’un moteur

Nécessité de surveiller la température des enroulements par sonde thermique

Classe Y A E B F H Céchauffement maximal(°C)

45 60 75 80 100 125 ...

température maximaled'emploi (°C)

90 105 120 130 155 180 > 180

Extrait de la norme C51 111

La température maximale est définie pour une température ambiante de 40°C

On retrouve principalement 3 classes d ’isolant

101

sondes de température PTCElles permettent la surveillance de la température des enroulements.Elles sont noyées dans les bobinages

3,5mm

15mm

Thermistance Palpeur triple

Tension de service maximale (V) U max 25

Température de réponse nominale( °C) θTNF V référence

Tolérance (K) T ±5Temps de réponse thermique (s) ta <5

Température maximale de service (°C) θ max 200

Caractéristiques techniques

102

Capteur de position :le resolverC’est un transformateur tournant constitué

d’un stator

d’un rotor

103

rotor

stator

inducteur

induits

VS1

VS2

θ

PRINCIPE

entrée

104

rotor

stator

inducteur

induitsVS1

VS2θ

entrée10 kHz

VS1

VS2

PRINCIPE

105

entrée = U sin ωt

VS1 = kU sin ωt sin θ

VS2 = kU sin ωt cos θ

PRINCIPE

Par un traitement des signaux VS1 et VS2, on obtient l’information de position nécessaire à l’auto pilotage et à l’asservissement de vitesse et de position.

106

L’intérêt de ce capteur réside dans sa robustesse et sa grande fiabilité, du fait qu’il n’y a pas de contacts glissants. Sa précision est de l’ordre de ±1 minutes d’angle. La résolution peut être de 393 216 points / tours.

Par contre ce capteur nécessite une électronique un peu plus complexe.

107

Capteur de positionC’est un codeur de type incrémental

(minimum de 2000 points)

108

CaractéristiquesLa plaque signalétique est une source importante pour connaître

le domaine d ’utilisation et les limitations d’un moteur

109

Caractéristiques

VitesseN (trs/min)

CoupleC (Nm)

On retrouve ces informations sur les caractéristiques C = f(N)

Servomoteur CEGELEC 3000 trs / min

75 DSB 300 + VFTB 4003

Fonctionnementtransitoire

6,9

Fonctionnementpermanent

2,3

3000

Plus les fréquences sont élevées, plus les pertes fer augmentent.

Vitesse maximale donnée par la fréquence maximale du variateur

Couple à l’arrêt

Couple crête

Couple nominal2,1

110

Caractéristiques

VitesseN (trs/min)

CoupleC (Nm)

Couple à l’arrêt

Couple crête

Servomoteur PARVEX 3000 trs / min

HX420CW + DIGIVEX4/8-400

Fonctionnementpermanent

3,4

4300

Fonctionnementtransitoire

7Limitation en puissance du moteur (hyperbole de dissipation).

Le point de fonctionnement doit se situer obligatoirement à l ’intérieur des aires de fonctionnement transitoire ou permanent.

Couple nominal3

111

CaractéristiquesDonnées tirées de documents constructeurs

Moteur CEGELEC 3000 trs / min

75 DSB 300

unité 75 DSB 300couple permanent Nm 2,3couple nominal Nm 2,1couple crête Nm 6,9vitesse nominal trs/min 3000courant permanent Arms 1,5puissance nominal kW 0,7constante de couple Nm / Arms 1,6constante de fcem Vrms / ktrs/min 98résistance entre phases Ω 30inductance entre phases mH 70,3constante de temps thermique seconde 1500inertie du rotor kgm2 x 10-3 0,11poids kg 3,7

couple maximal qui peut être développé sans échauffement excessif pour les isolants en vitesse très lente.

couple disponible sur l'arbre dans les conditions nominales

couple maximal qui peut être développé sur un temps très court

vitesse obtenue avec le couple nominalcourant efficace permanent qui n'entraîne pas un échauffement excessif des isolants

puissance disponible sur l'arbre dans les conditions nominales

rapport du couple permanent sur le courant permanentconstante de force contre électromotrice (aussi liée au couplage des enroulements)

résistance entre 2 phases à 20°C (arbre bloqué)inductance entre 2 phases mesurée à 1 kHz (arbre bloqué)

temps requis pour augmenter la température de 25°C à 100°C (bride aluminium)

112

DimensionnementLe servomoteur n’est pas choisi en fonction de sa puissance

Ce sont essentiellement les paramètres de couple et de vitesse qui vont guider le dimensionnement et le choix

Il est bien évident que d’autres paramètres entrent en ligne de compte :

- inertie,- encombrement,- température,- coût,- etc …

113

DimensionnementIl est parfois difficile de déterminer des valeurs nominales suivant le profil de vitesse et de couple d’une application.

On définit alors un couple thermique et une vitesse moyenne.

Ce calcul intervient si les régimes transitoires sont supérieurs ou égaux à 20 % du cycle complet d’une application.

Ce couple thermique et cette vitesse moyenne doivent se situer dans l ’aire de fonctionnement permanent.

114

Dimensionnement Exemple

Attention : l’axe des temps n’est pas linéaire.

Ω (rad/s)

t (s)

Cm

(Nm)

150

0,5 0,4

8

2

-6

t (s)

2 0,6

Vitesse moyenne

6,04,025,02150.4,0150.2

2150.5,0

+++

++=Vmoy

Vmoy = 105 rad/s

Couple thermique

6,04,025,06,0.24,0.)6(2.25,0.8 2222

++++−++=Cth

Cth = 4 Nm

115

Dimensionnement

T

tCCth

ii

i .0

2∑≥=

T

tnVmoy i

ii∑≥= 0

.

Vitesse moyenne Couple thermique

116

Dimensionnement

Ce couple thermique et cette vitesse moyenne déterminent un point qui doit se situer dans l’aire de fonctionnement permanent du moteur.

Vmoy = 105 rad/s Cth = 4 Nm

Par ailleurs il faudra vérifier que les valeurs maximales sont compatibles avec l’association variateur + moteur.

117

Traction électrique

Moteur synchrone autopilotéLe choix politique de l’augmentation de la vitesse des trains ainsi que celle des performances des trains de marchandises a conduit la SNCF à s’orienter vers l’utilisation des moteurs triphasés – synchrone et asynchrone – à partir de la décennie quatre-vingt.Ces moteurs se caractérisent par une plus grande puissance massique et volumique que les moteurs à courant continu. Cette démarche s’avère nécessaire, car la masse de l’engin de traction constitue une grandeur critique notamment sur la limitation de la vitesse du train à cause des problèmes de dégradation des voies ferrées.

Depuis la fin de la décennie quatre-vingt, cette motorisation se généralise sur l’ensemble des nouveaux matériels roulants : automotrices de banlieue et de région, motrices TGV et locomotives.Le pilotage des moteurs triphasés s’effectue au moyen d’onduleurs alimentés depuis :- une source de courant continu pour les moteurs synchrone et asynchrone ; - une source de tension continue seulement pour le moteur asynchrone.La SNCF n’a pas choisi l’utilisation du moteur synchrone alimenté depuis une source de tension continue, car la structure de l’onduleur est nettement plus complexe et coûteuse par rapport à celle retenue.

119

• Ce choix de motorisation n’est devenu intéressant que grâce à l’évolution récente et progressive (depuis deux décennies) des semiconducteurs de puissance. L’optimisation de la masse et du volume des équipements embarqués étant un critère essentiel, il est nécessaire de minimiser le nombre de semiconducteurs de puissance et on se situe, fréquemment, à la limite du savoir-faire technologique du moment.

• L’alimentation de l’engin de traction depuis la caténaire implique l’adaptation de la tension et/ou du courant d’alimentation des onduleurs triphasés en utilisant des structures de convertisseurs d’entrée plus ou moins complexes. Avant de concevoir la structure et le pilotage des convertisseurs d’entrée, il est important de définir leur compatibilité électromagnétique vis-à-vis de l’environnement ferroviaire et public.

Moteur synchrone autopiloté

120

Moteur synchrone autopilotéLes engins de traction équipés de moteurs synchrones sont conçus uniquement par

Alsthom Transport et exploités depuis la fin de la décennie quatre-vingt.

Parmi les différents matériels roulants, en exploitation ou en cours de livraison, citons :

• réseau SNCF : locomotive BB 26000, TGV-Atlantique, TGV-Réseau, TGV-Duplex, TGV-Thalys... ;

• exportation : TGV Espagne, TGV Corée...

Caractéristiques spécifiques au ferroviaire• En traction ferroviaire, le moteur triphasé synchrone équipé d’un rotor bobiné à

pôles saillants est utilisé et est constitué de 3 ou 4 paires de pôles, selon les performances exigées. Le rotor comporte un circuit amortisseur.

• Le moteur synchrone se caractérise par la possibilité de faire varier la puissance réactive absorbée ou fournie à l’alimentation. Cette caractéristique intrinsèque a favorisé le choix sur le principe d’alimentation du moteur en retenant l’onduleur de courant.

121

Moteur synchrone autopilotéDESCRIPTION ET APPLICATION AU TGV

• Les brillants résultats du prototype TGV-PSE à moteurs synchrones ont permis de retenir cette motorisation pour le TGV A puis pour les TGV Nord Europe ainsi que les TGV Duplex par la suite. C’est une version améliorée du prototype qui équipe les nouvelles rames. Ces moteurs de 1100 kW en régime continu permettent de disposer de 8800 Kw (11000 cv).

• En régime continu l’échauffement du moteur ne dépasse pas 130 °C alors que l’isolation appliquée à ces moteurs autorise un échauffement double. Le dispositif de commutation assistée d’une masse de 30 kilos par équipement de bogie moteur permet de faire développer au démarrage un effort de traction deux fois supérieur à celui d’un moteur équipant le TGV SE.

TABLEAU COMPARATIF MASSE TGV SE et TGVA• TGV PSE : 1560 kg 535 Kw (726 cv)• TGV ATL : 1580 kg 1100 Kw (1494 cv)

Ainsi avec ce supplément de masse de seulement 20 kg, il est possible de développer une puissance 2 fois plus grande ainsi qu’un effort au démarrage 1,6 fois plus élevé.

122

Moteur synchrone autopiloté

CONCEPTION et FONCTIONNEMENT• Emplacement des moteurs synchrones dans le bogie TGV/A.

123

Montage du ROTOR et du STATOR

124

Vue d'ensemble du moteur monté

125

MOTEUR SYNCHRONE AUTOPILOTÉ

Structure de l’onduleur de courant et allure des grandeurs statoriques

126

Moteur synchrone autopilotéAllure du couple électromagnétique • Le couple électromagnétique se décompose en :

- un couple constant dû à la composante fondamentale du courant statorique ; - un couple périodique à 6 fois la fréquence d’alimentation du stator.

• En décomposant en série de Fourier l’allure du couple électromagnétique, on démontre que l’amplitude crête du couple harmonique d’ordre 6 atteint 6 % du couple moyen

127

Moteur synchrone autopiloté

• L’onduleur triphasé de courant est constitué de 6 thyristors qui fonctionnent en commutation naturelle, sauf aux premiers instants de démarrage du moteur synchrone.

• La commutation du courant entre les thyristors est appelée « commutation naturelle » lorsqu’elle s’effectue au moyen de la tension du réseau alternatif, dans ce cas le moteur.

• Aux premiers instants de démarrage du moteur, l’amplitude de la tension de la machine est trop faible et la commutation des thyristors est assurée par un circuit auxiliaire ; ce mode de fonctionnement est appelé « commutation assistée ».

128

Moteur synchrone autopilotéAnalyse de la commutation assistée• Pour que la commutation naturelle puisse être assurée, lors

du fonctionnement en traction, il faut que la tension aux bornes du moteur atteigne une amplitude suffisante. Ce mode de fonctionnement est envisageable au-delà de 10 %, environ, de la vitesse nominale (jusqu’à 80km/h pour le TGVA et 15km/h pour la BB26000).

• Lorsque le moteur est à l’arrêt et pour les très faibles vitesses, l’onduleur fonctionne en commutation assistée. Ce mode de fonctionnement se caractérise par la commutation du courant entre les thyristors de l’onduleur au moyen d’un circuit annexe comprenant un condensateur et deux thyristors.

129

Moteur synchrone autopiloté

Dans ce mode de fonctionnement, il est judicieux de fonctionner avec un déphasage nul (cosϕ = 1) entre l’onde fondamentale du courant statorique et la tension simple interne. Cette caractéristique de fonctionnement est intéressante pour les deux aspects suivants :

- le couple électromagnétique est obtenu avec une amplitude minimale des courants statorique Is et rotorique J ;

- l’amplitude du couple pulsatoire est minimale.

130

Moteur synchrone autopiloté

Schéma de l’onduleur avec le circuit de commutation assistée

Inconvénient: le couple électromagnétique est divisé par 2 pendant la commutation

131

Moteur synchrone autopiloté

Allure du couple électromagnétique en commutation assistée, pour un moteur simple étoile

132

BB 26000

133

Moteur synchrone autopilotéLa locomotive BB 26000• La locomotive BB 26000 constitue une réponse au caractère

d’universalité de service voyageurs-marchandises tel qu’il est défini par la SNCF et elle est destinée aux 2 types de missions :

a- train de voyageurs : 16 voitures Corail à 200 km/h en rampe de 2,5 ‰ ;b- train de marchandises : 2 050 t à 80 km/h en rampe de 8,8 ‰.

• Cette locomotive est équipée de 2 moteurs synchrones (bogie monomoteur) et sa puissance nominale est de 5 600 kW à la jante pour les 2 types de tension d’alimentation : 25 kV à 50 Hz et 1 500 V continu.

134

BB 26000

135

BB 26000

136

BB26000Fonctionnement en traction

137

BB 26000• Fonctionnement en freinage

138

BB 26000

139

TGV-Atlantique

140

TGV-Atlantique • Les études des rames TGV-Atlantique ont été conduites avec 2 nouveaux

objectifs par rapport au TGV-Paris Sud-Est qui est équipé de moteurs de traction à courant continu, soit :

• augmenter la capacité « voyageurs » en portant de 8 à 10 le nombre de remorques ;

• augmenter la vitesse d’exploitation de 10 % en la fixant à 300 km/h sous caténaire monophasée 25 kV à 50Hz.

• Rappelons qu’une rame TGV-PSE se compose de 8 remorques voyageurs et de 2 motrices équipées chacune de 6 moteurs à courant continu de 535 kW.

• Une rame TGV-Atlantique se compose de 10 remorques voyageurs et de 2 motrices équipées chacune de 4 moteurs synchrones simple étoile de 1 100 kW, ce qui implique une puissance totale de 8 800 kW à la jante sous caténaire 25 kV à 50 Hz. La composition d’un train est souvent constituée de 2 rames accouplées, mais, dans ce cas, on procède à une réduction de la puissance sur chacune des 2 rames à cause des contraintes imposées à l’alimentation.

141

TGV-Atlantique

142TGV A

143

BIBLIOGRAPHIEPolycopié transmission de puissance électrique de l’ENSAM Lille , Eric Semail.

Séminaire CPGE TSI 2004 <<modélisation aux systèmes électriques>>, Philippe DEGOBERT.

<<Variation de vitesse des machines à courant alternatif>> Philippe Ladoux

Polycopiés de l’école d’ingénieurs du Canton de Vaud de Michel Etique

144

Complément machines synchrones

145

CENTRALES ELECTRIQUES

146

Centrales électriques

147

Centrales électriques

148

Centrales électriques

149

Centrales électriques

150

Centrales électriques

151

Centrales électriques

152

Turbines

Turbines

Pelton Francis Kaplan

153

Choix des turbines en fonction hauteur de chute/ débit

Turbines

154

Lieu Type Hauteur de chute(m)

Paires depoles

Vitesse(tr/mn)

Puisance(MW)

Montpezat 2jets 625 7 428 60

Grand Maison 5 jets 926 7 428 157

Turbines Pelton

Turbines

155

Turbines

156

Lieu Hauteur de chute(m)

Vitesse(tr/mn)

Puisance(MW)

Vianden Luxembourg 287 428 105

Tucuriu Brésil 58 81 369

Manicuagan 155 _ 1292

Turbines Francis

Turbines

157

Turbines

158

Turbines Kaplan

Lieu Hauteur de chute(m)

Vitesse(tr/mn)

Puisance(MW)

Donzères Mondragon 22 107 54

St laurent 24 75 -

Porto Primavera 18 75 103

Turbines

159

Turbines

160

Turbines

161

Turbines

162

FIN