MACHINE SYNCHRONE MACHINE BRUSHLESS (SYNCHRONE AUTOPILOTE)

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1 MACHINE SYNCHRONE MACHINE BRUSHLESS (SYNCHRONE AUTOPILOTE) SOMMAIRE 1. GENERALITES Domaines d emploi Constitution sommaire et symboles normalisés des machines synchrones Principe de base d une machine synchrone de type «PAS A PAS» à 2 pôles et 2 enroulements Types de rotor (figures 3 a et b) et alimentation (figures 4a et 4.b) Alimentation de l induit, création du champ tournant et allures des courants : Relations magnétiques entre rotor et stator RELATIONS DE BASE ET MODELE SIMPLIFIE (Modèle de BEHN ESCHENBURG ou à une réactance) Vitesse de rotation ou de synchronisme Ωs ou Ns Modèle électrique simplifié pour un enroulement ou phase en convention générateur Relations en convention générateur (ALTERNATEUR) BILAN DE PUISSANCE CARACTERISTIQUE ELECTROMECANIQUE [C = F(Ω)] Pour une machine autopilotée Pour une machine raccordée au réseau Limites CONTROLE D UNE MACHINE SYNCHRONE PAR ONDULEUR DEVELOPPEMENTS DE LA COMMANDE AVANTAGES ET INCONVENIENTS J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 1 sur 12 01/2014

2 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 à tr/min. N = 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 = 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. J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 2 sur 12 01/2014

3 1.2. Constitution sommaire et symboles normalisés des machines synchrones L'induit est porté par le stator Symboles 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. Monophasé MS Induit Stator Inducteur Rotor Roue polaire Triphasé MS 3~ 1.3. Principe de base d une machine synchrone de type «PAS A PAS» à 2 pôles et 2 enroulements a) I 2 = 0 I 2 = I 1 = + I I 1 = b) Commande en pas entier (90 /pas) : Sur la figure a), le premier bobinage est alimenté seul, le sens de I 1 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. I 2 = I 1 = I 2 = I 1 = 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) I 1 I 2 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. I 1 a) b) c) d) e) f) g) h) I 2 J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 3 sur 12 01/2014

4 1.4. Types de rotor (figures 3 a et b) et alimentation (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. Rotor à pôles lisses (fig.3.b) : Figure 3.a : rotor à pôles saillants 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. Rotor bobiné (fig. 4.a) Figure 3.b : rotor à pôles lisses 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 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). Disposition spatiale des 3 enroulements, Machine bipolaire J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 4 sur 12 01/2014

5 1.6. Relations magnétiques entre rotor et stator On envisage une machine bipolaire. - L inducteur seul (aimant ou rotor bobiné) génère le flux ψ f dans la totalité d une phase d induit. - L induit seul, avec ses trois enroulements, génère le flux ψ I dans la totalité d une phase d induit. - Il en résulte pour l ensemble inducteur et induit le flux ψ t dans la totalité d une phase d induit. Angle interne δ : L angle entre ψ t et ψ f 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). Il est donc 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 (Modèle de BEHN ESCHENBURG ou à une réactance) 2.1. Vitesse de rotation ou de synchronisme Ωs 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 Ω s ou N s est directement liée à la fréquence f de l alimentation et au nombre de paires de pôles p. s ω = p Ω en rd/s f n s = en tr/s p 2.2. Modèle électrique simplifié pour un enroulement 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 Φ 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 L p Inductance propre d un bobinage ; M mutuelle entre bobinages ; L inductance synchrone ou de Behn Eschenburg J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 5 sur 12 01/2014 E I jx = jl.ω R V

6 2.3. Relations en convention générateur (ALTERNATEUR) Couplage Electromagnétique en tension E = j.ωψ. E (loi de Faraday) f f = On gardera désormais la notation E pour la fem résultante en charge E f pour un enroulement. Loi des mailles Electrique V = E - R.I - j.x.i ou E Puissance active (W) Rappel : En régime sinusoïdal la puissance active d un dipôle est le produit scalaire P = V. I Pour 3 phases identiques (machine équilibrée) et le régime permanent, en sortie aux bornes de l induit la puissance électrique P est : la puissance électromagnétique Pem est : P = 3.V.I.cosφ P em = 3. E. I.cosψ = P + 3. R. I 2 Remarque : Si on néglige la résistance R d un enroulement, Puissance réactive (VAR) En sortie Q = 3V..I.sinφ P = Pem et V.cosφ = E.cosψ Dans l entrefer Q em = 3. E. I.sinψ = Q + 3. X. I 2 ψ = δ + ϕ avec ψ angle entre le courant I et la fem E, somme de l angle interne δ et du déphasage ϕ Couple électromagnétique C em C em P = Ω em s 3. E. I.cosψ = Ω 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 I ex si la machine est à inducteur bobiné, en agissant sur la valeur du flux Φ sous un 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 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 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. s J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 6 sur 12 01/2014

7 3. BILAN DE PUISSANCE Les pertes de la machine synchrone triphasée sont : Des pertes joules au stator (induit) P JS = 3.R S.I² (R S résistance d un enroulement statorique et I courant dans un enroulement) Des pertes mécaniques P m 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 N S = tr/min. Des pertes fer ou magnétiques P fe On regroupe parfois les pertes mécaniques et fer sous le nom de pertes collectives P C = P m + P fe Les pertes d excitation si l inducteur de résistance Rex est bobiné P ex = R ex. I ex 2 = U ex.i ex Ci-dessous bilan donné en mode générateur (alternateur) donné dans les techniques de l ingénieur. 4. 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 mécanique Ω, soit un onduleur avec autopilotage permet la montée progressive de f donc de Ω = 2π f / p = ω / p. 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. J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 7 sur 12 01/2014

8 On donne ci-dessous la représentation dans le plan couple = f(vitesse) des modes de fonctionnement de la machine synchrone. Evolution de l angle interne en fonction du couple Fonctionnement à puissance constante C = P nom / Ω s 4.1. Pour une machine autopilotée De 0 à Ω s, la vitesse est ajustée par la fréquence, le couple par l angle interne Au-delà de Ω s, la vitesse peut augmenter, mais la puissance demeure constante à P nominale Pour une machine raccordée au réseau La vitesse est fixée par la fréquence du réseau «infiniment puissant» à 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) Limites Les limites de la machine sont de 3 ordres : Electrique (I max et V max ) Mécanique (Ω max et C max ) Thermiques (T max = 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. δ 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. s ω p J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 8 sur 12 01/2014

9 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 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-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. J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 9 sur 12 01/2014

10 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.Ω 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 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 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. Avantages Inconvénients MCC à aimants 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. 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 J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 10 sur 12 01/2014

11 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. J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 11 sur 12 01/2014

12 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 par 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 couple élevé J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 12 sur 12 01/2014