MACHINE SYNCHRONE MACHINE BRUSHLESS ... et TD par...CI22 Machines électriques alternatives et leur contrôle J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 1 sur 12 01/2014 MACHINE SYNCHRONE MACHINE

CI22 Machines électriques alternatives et leur contrôle

J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 1 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 NORMALISES DES MACHINES SYNCHRONES .............................................................................. 3 1.3 PRINCIPE D’UNE MACHINE SYNCHRONE DE TYPE PAS A PAS A 2 POLES ET 2 ENROULEMENTS ..................................................................... 3 1.4 TYPES DE ROTOR (GEOMETRIE ET MODE D’EXCITATION) ................................................................................................................... 4 1.5 ALIMENTATION DE L’INDUIT, CREATION DU CHAMP TOURNANT ET ALLURES DES COURANTS ...................................................................... 4

2 RELATIONS DE BASE ET MODELE SIMPLIFIE DE BEHN ESCHENBURG ................................5

2.1 VITESSE DE ROTATION OU DE SYNCHRONISME S OU NS. ................................................................................................................ 5 2.2 MODELE ELECTRIQUE SIMPLIFIE POUR UN ENROULEMENT OU PHASE (CONVENTION GENERATEUR) ............................................................. 5 2.4 BILAN DE PUISSANCE ......................................................................................................................................................... 7

3 CARACTERISTIQUE ELECTROMECANIQUE [C = F(Ω)] ........................................................7

3.1 POUR UNE MACHINE AUTOPILOTEE ............................................................................................................................................. 8 3.2 POUR UNE MACHINE RACCORDEE AU RESEAU ................................................................................................................................ 8 3.3 LIMITES OU ENVELOPPE DE FONCTIONNEMENT .............................................................................................................................. 8

4 CONTROLE D’UNE MACHINE SYNCHRONE PAR ONDULEUR, AUTOPILOTAGE...................8

4.1 DEVELOPPEMENTS DE LA COMMANDE .............................................................................................................................. 9 4.2 PILOTAGE VECTORIEL ...................................................................................................................................................... 10 4.3 AVANTAGES ET INCONVENIENTS. .................................................................................................................................... 11 4.4 MOTORISATION D’UN VEHICULE HYBRIDE (TYPE TOYOTA PRIUS) ...................................................................................................... 12



MACHINE SYNCHRONE ET MOTEUR BRUSHLESS (SYNCHRONE AUTOPILOTE) Une machine synchrone (MS) est un convertisseur électromécanique réversible, elle peut fonctionner soit en moteur, soit en génératrice. On la nomme alors alternateur.

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, modélisme, mini drone…

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 (

Production d’énergie électrique, alternateur de centrale thermique (nucléaire 900 MW à 1300 MW, 1500 tr/min) ou hydraulique (480 MW, 107 tr/min), éolienne (5 MW).

Industrie : compresseur, centrifugeuse, mélangeuse.

AR.Drone PARROT quadrirotor. Moteur brushless spécialement conçu et sa carte de contrôle. 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 (UGV) 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 des 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.

Symboles

Induit

Stator

Inducteur

Rotor

Roue polaire

MS MS

3~

Monophasé Triphasé

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.

1.3 Principe d’une machine synchrone de type pas à 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) : Compléter 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 alimente 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 (géométrie et mode d’excitation) 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 tournant 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.

Fig.5 MACHINE TRIPHASEE

Disposition spatiale des 3 enroulements, Machine bipolaire

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

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 δ est 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).

L’angle interne est fondamental pour le point de fonctionnement de la machine et de sa charge mécanique, ainsi que pour le pilotage de la machine.

2 RELATIONS DE BASE ET MODELE SIMPLIFIE DE BEHN ESCHENBURG

2.1 Vitesse de rotation ou de synchronisme s 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 s ou Ns est directement liée à la fréquence f de l’alimentation et au nombre de paires de pôles p.

ps

en rd/s

p

fns en tr/s

2.2 Modèle électrique simplifié pour un enroulement ou phase (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 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 = Lp + 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 (ALTERNATEUR) 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

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

Puissance réactive (VAR)

En sortie = φsin.I.V.3Q

Dans l’entrefer 2..3sin...3 IXQIEQem

avec angle entre le courant I et la fem E, somme de l’angle interne et du déphasage

Couple électromagnétique Cem

ss

emem

IEPC

cos...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 pôle. Ceci est impossible si la machine est à aimants permanents.

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 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 vulgarisée « 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



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

Des pertes joules au stator (induit) PJS = 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 (alternateur) donné dans les techniques de l’ingénieur.

3 CARACTERISTIQUE ELECTROMECANIQUE [C = F(Ω)]

IMPORTANT : Une machine synchrone ne peut être raccordée directement sur le réseau 50 Hz sans dispositif de démarrage.

Soit il est nécessaire de mettre une machine entraînant son rotor pour la synchroniser en augmentant la vitesse

soit un onduleur avec autopilotage permet la montée progressive de f donc de ppf //2 .

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.

3.1 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.

3.2 Pour une machine raccordée au réseau

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

s

.

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).

3.3 Limites ou enveloppe de fonctionnement Les limites de la machine sont dans 3 domaines :

Domaine électrique (Imax et Vmax)

Domaine mécanique (Ωmax et Cmax)

Domaine thermique (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 augmente également.

est limité à une valeur de décrochage à ne jamais atteindre au risque de désynchroniser la machine est 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.

4 CONTROLE D’UNE MACHINE SYNCHRONE PAR ONDULEUR, AUTOPILOTAGE 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.

Fonctionnement à puissance constante C = Pnom / s

Evolution de l’angle interne en fonction du couple



Le découplage des grandeurs mécaniques couple et vitesse, permet l’emploi de la machine synchrone dans une gamme de puissance très étendue. Du rotor d’hélice de l’AR DRONE PARROTS à l’entraînement des TGV.

Le dispositif ci-contre, 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-contre, la commutation des interrupteurs est pilotée par la position du rotor. Les 6 interrupteurs agissent alors tel que l’ensemble balais + collecteur d’une MCC

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

Un pilotage en vitesse, position, accélération,

Un comportement pas à pas (positionnement boucle ouverte)

Un comportement boite de vitesse électrique

L’ajout d’une régulation de vitesse, donne une précision améliorée vis-à-vis d’une MCC, grâce aux propriétés du MS. Vu côté électronique, il possède les mêmes équations électromécaniques :

Fem : E = Kv.Ω Couple : Cm = Kc.I (avec E et I : intensité pour une phase) Pour cette machine qui est triphasée, Kv est différent de Kc. Si on raisonne aux bornes d’un enroulement on a Kc = 3.Kv



4.2 PILOTAGE VECTORIEL Remarque N°1 : Obtention d’un champ tournant

Nous avons vu lors de la présentation de la machine asynchrone, que pour obtenir un champ tournant à partir d’une alimentation en alternatif, deux bobines perpendiculaires sont suffisantes (figure ci-contre).

Il n’est à priori pas nécessaire d'avoir un système triphasé de bobines, mais néanmoins pour des raisons d’optimisation de construction (facteur de puissance électrique et de dimensionnement) il est préférable d’utiliser 3 enroulements.

Remarque N°2 : Optimisation du couple

Dans une machine à courant continu, le couple électromagnétique est proportionnel à deux grandeurs indépendantes, le flux inducteur φ du stator obtenu par aimant permanent ou enroulement d’excitation et le courant d'induit Ia au rotor.

Le couple électromagnétique Cem rotor /stator est alors égal au

produit vectoriel des vecteurs associés au flux φ⃗⃗ et au courant Ia⃗⃗⃗ ,

sous une forme simplifiée Cem rotor /stator = KT. φ⃗⃗ ʌ Ia⃗⃗⃗ .

Ce couple est maximal si �⃗⃗⃗� et perpendiculaire à 𝐈𝐚⃗⃗ ⃗.

Dans une MCC le collecteur et les balais vont toujours alimenter les conducteurs de l’induit en respectant cette condition. La MCC est par construction une machine à contrôle vectoriel de flux.

Solution : Pilotage vectoriel (MAS ou MS) Le pilotage vectoriel transforme une machine triphasée alternative réelle (3 enroulements à 120°) en machine virtuelle (2 enroulements perpendiculaires), par une électronique de contrôle et commande comprenant :

une partie mesure par capteur de position rotor (MS et MAS) ou reconstructeur de flux (MAS),

une partie traitement numérique (passage d’une matrice symétrique à une matrice diagonale),

Une partie contrôle de puissance par un onduleur triphasé à pilotage de phase du courant.

Repère des axes et matrice inductance d’une machine synchrone :

L, inductance principale

M inductance mutuelle.

La transformation d’un système 3 axes en un système 2 axes se fait usuellement par 2 matrices de passage : Celle de Concordia conserve les puissances mais pas les amplitudes, celle de Clarke conserve l’amplitude des grandeurs mais pas celles des puissances et couples, il faut alors multiplier par un coefficient 3/2.



4.3 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).


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

nie

nts


Electronique interne.

Prix en forte baisse car la production devient importante.

Alimentation et de régulation complexe mais maîtrisée.


A basse vitesse les harmoniques peuvent créer des ondulations de couple.


Entretien (balais, collecteur).

Se dégrade en atmosphère corrosive, explosive.


Vitesse max limitée par le collecteur.

Puissance massique <<MS

Inertie >>MS d’où une BP mécanique <<MS

Alternateur de centrale électrique Descente du rotor

(18,8 m, 80 pôles, 75 tr/min) d’un alternateur 700MW au barrage des trois gorges Chine Entraînement par des turbines Francis de

25m

Eolienne Stator d’une éolienne ENERCON E112 4,5 MW nominal Multipolaire à entraînement direct (8 à 13 rpm) Rotor de 21 tonnes, diamètre =114m

Alternateur démarreur automobile Valéo

Système STOP and START • 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.



4.4 Motorisation 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

.

La structure de la chaîne d’énergie associe le moteur thermique, la machine électrique et les différentes structures de conversion de la forme de l’énergie électrique. - Redresseur à découpage pour

recharger la batterie à partir de l’alternateur

- Onduleur pour alimenter la machine Synchrone triphasée à partir de la batterie

Il n’y a pas de boite de vitesses, c’est le train épicycloïdal et le pilotage de la MS qui assure l’adaptation de vitesse jusqu’aux roues.

Le répartiteur de puissance mécanique est réalisé par un train épicycloïdal.

Le pilotage se fait par la Machine Synchrone en couple et vitesse sur la couronne extérieure.

Le moteur thermique est alors utilisé dans sa zone de plus faible consommation d’essence.

L’association d’un moteur électrique et d’un moteur thermique, permet d’avoir une large plage de vitesse à couple élevé.

Au démarrage le moteur électrique fournit un couple constant est important (de 0 à 1200 tr.min-1).

Au-delà, pour les vitesses supérieures, le moteur thermique intervient alors que la machine électrique travaille à puissance constante et que son couple utile est décroissant.

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