C-T Convertir Transmettre Cours C-2.2 Machine synchrone. Cours C-2.2. Commande et performances des machines synchrone

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1 Cours Cours C-2.2 Commande et performances des machines synchrone 1 Caractéristique électromécanique : TSI1 TSI2 Période La machine synchrone triphasée Cycle 6 : Convertir Transmettre Durée : 2 semaines X En l absence d électronique de contrôle Ω = Ω s = f/p, et le couple maximal est fixé par l excitation. Le moteur ne peut alors démarrer seul, lors d un raccordement direct sur le réseau 50 Hz. L usage d une électronique complète (MS autopilotée) permet le démarrage et le fonctionnement dans un large domaine de couple et vitesse. Souvent les limites sont thermiques (température maxi des aimants Samarium Cobalt = 50 C actuellement!). MS seul sans électronique de Cm puissance X Cmax couple de décrochage zone de fonctionnement stable Moteur Brushless Au-delà de Ω s, la vitesse peut augmenter, mais la puissance demeure constante à P nominale. 2 Commande de la 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. K 1 K 3 K 5 U I 0 V S N K 4 K 6 K 2 W Capteur de position Commande Lycée Jules Ferry Page 1 sur 6 TSI2

2 Le découplage des grandeurs mécaniques est effectif et permet la diffusion de la machine synchrone dans une gamme de puissance très étendue (du ventilateur de PC à l entraînement des TGV). Le dispositif ci-dessous, très rudimentaire permet de délivrer les impulsions de commande aux interrupteurs aux bons instants. Il y a autopilotage. Cet ensemble ainsi constitué s appelle le moteur brushless. Le principe d alimentation des enroulements par onduleur est illustré ci-dessous : Lycée Jules Ferry Page 2 sur 6 TSI2

3 Le couple étant proportionnel à la somme des produits e(t).i(t), il apparaît au niveau de la machine une ondulation de couple due à la présence d harmonique de courant. Il est donc nécessaire lors de la mise en œuvre d un tel système de s assurer que la fréquence de l ondulation de couple ainsi générée ne correspond pas à une fréquence de résonance mécanique du système. 3 Stratégie de commande : Commande vectorielle de la machine synchrone La commande vectorielle est un terme générique désignant l'ensemble des commandes tenant compte en temps réel des équations du système qu'elle commande. Le nom de ces commandes vient du fait que les relations finales sont vectorielles à la différence des commandes scalaires. Les relations ainsi obtenues sont bien plus complexes que celles des commandes scalaires, mais en contrepartie elles permettent d'obtenir de meilleures performances lors des régimes transitoires. Un modèle scalaire n'utilisant qu'une seule phase, il ne permet pas de connaître le module et l'orientation du champ magnétique. Afin de les déterminer, on va construire un nouveau modèle en se basant sur les relations de bases de la machine électrique utilisée. Soit, pour une machine synchrone : L : inductance propre de l'enroulement statorique M : mutuelle inductance statorique M 0 : mutuelle rotor / stator Φ : flux statorique θ : position angulaire du rotor f : indice des grandeurs de la roue polaire Afin de simplifier pour limiter le temps de calcul, on utilise une transformation mathématique qui permet de remplacer 3 enroulements (a, b et c) décalés de 120 par deux enroulements (d et q) en quadrature et solidaires du rotor de la machine. La construction du modèle diphasé dans un plan lié au rotor se fait grâce à deux transformations. La première transformation permet de ramener le modèle triphasé à un modèle diphasé ; la seconde nous ramène à une représentation de type Fresnel en modélisant la machine dans un repère tournant lié au rotor. phases statoriques d'une enroulements en quadrature (α ; β) enroulements en quadrature (d ; q) machine synchrone équivalents et liés au stator équivalents et liés au rotor. La première transformation permet de réduire le nombre d'équations, tandis que la seconde permet de les découpler. Lycée Jules Ferry Page 3 sur 6 TSI2

4 3.1 Première transformation C'est la transformée de Clarke. Elle consiste à remplacer les 3 enroulements parcourus par les courants d'intensité ia; ib; ic par deux enroulements en quadrature et traversés par deux courants d'intensité iα; iβ. Ces deux enroulements correspondent aux enroulements d et q lorsque l'angle θ est nul. 3.2 Seconde transformation C'est la transformée de Park. Elle consiste à opérer une rotation du repère précédent d'un angle θ afin de passer du couple de courants i α; i β au couple de courants i d; i q : Les commandes vectorielles pour machine synchrone ont été développées afin d améliorer les performances en régime dynamique. Les courants injectés dans la machine sont contrôlés à partir de la commande qui calcule des grandeurs intermédiaires images de la projection du champ statorique sur l axe du champ rotorique et sur un axe perpendiculaire au champ rotorique. Le contrôle de ces grandeurs permet un contrôle fin de la position du champ magnétique statorique, notamment en régime transitoire. La structure d une telle commande est particulièrement complexe, comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous : i'q i' a i a i'd Concordia Park -1-1 i'α Concordia -1 i' b i' c i b i c i'β sin θ cos θ θ I d contrôle le flux de la machine donc la vitesse, I q le couple, ce sont des grandeurs considérées comme continues. Dans ce mode de fonctionnement, la machine synchrone se rapproche de la machine à courant continu. Lycée Jules Ferry Page 4 sur 6 TSI2

5 4 Avantages et inconvénients Avantages Inconvénients Moteur brushless Pas d entretien (pas de collecteur) Utilisable en atmosphère explosive, corrosive. Excellente dissipation thermique. (Pj au stator seulement). Puissance massique >> (P/m : kw/kg). Vitesse max >>. (pas de collecteur). Faible inertie (forte accélération) d où une bande passante mécanique >> (rotor saucisson). 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. MCC à aimants Simplicité du variateur (hacheur). Pris bas. Pas d électronique interne. Bien adaptée aux basses vitesses où elles ont une régularité de marche excellente. Entretien (balais, collecteurs). Se dégrade en atmosphère corrosive, explosive. Vitesse max limitée par le collecteur. Puissance massique <<MS Inertie >>MS d où une BP mécanique <<MS Quelques exemples : 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 Lycée Jules Ferry Page 5 sur 6 TSI2

6 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 2,5kW à 5kW (24v) 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 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. Ex : Moteur de presse fruit, de lave linge Lycée Jules Ferry Page 6 sur 6 TSI2