MOTEURS SYNCHRONES. CI3 : Chaîne d énergie MOTEURS SYNCHRONES - MOTEURS BRUSHLESS COURS. Edition 2-22/01/2018 CHAÎNE D INFORMATION CHAÎNE D ENERGIE

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1 Edition 2-22/01/2018 MOTEURS SYNCHRONES CHAÎNE D INFORMATION ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE CHAÎNE D ENERGIE ACTION Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 1/11

2 Problématique Edition 2-22/01/2018 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 : MODELISER B1 : Identifier et caractériser les grandeurs physiques agissant Identifier les pertes d énergie dans un convertisseur statique sur un système d énergie, dans un actionneur ou dans une liaison C : RESOUDRE C2 : Procéder à la mise en oeuvre d une démarche de résolution analytique Déterminer les caractéristiques mécaniques de l actionneur Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 2/11

3 Sommaire Edition 2-22/01/2018 Sommaire A. 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 Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 3/11

4 A. Généralités Généralités Edition 2-22/01/2018 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. Bobinages du stator Aimant du rotor Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 4/11

5 Principe de fonctionnement Edition 2-22/01/2018 B. Principe de fonctionnement L 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 f p 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 Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 5/11

6 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 L P à la bobine, et des inductances mutuelles M avec les 2 autres bobinages : L = L P + 2M La fcém répond à la loi E av = 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 électriques La loi des mailles fournit la relation dans le modèle de Behn Eschenburg, dans le cas d un moteur : ( ) I V = E + R + jx où X = Lω est la réactance synchrone de la phase I ϕ E ψ V RI jx I 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 Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 6/11

7 Notons que dans le cas d une génératrice synchrone (alternateur), la loi des mailles devient : ( ) I V = E R + jx Le diagramme de Fresnel d un alternateur est alors : E jx I RI ϕ ψ V I C.3. Bilan des puissances La puissance active électrique fournie est donnée par l expression : P e = 3VI cosϕ La puissance active électromagnétique est égale à : P em = 3EI cosψ = P e 3RI 2 La puissance réactive électromagnétique vaut quant à elle : Q em = 3VI sinψ = Q e 3XI 2 Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 7/11

8 C.4. Couple électromagnétique Sachant que P em = C em ω = C em Ω s, on en déduit l expression du couple électromagnétique : C em = 3EI cosψ 3pEI cosψ = Ω s 2π 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 : C em = 3VI cosϕ Ω s Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 8/11

9 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 : Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 9/11

10 L e s s i g n a u x e n créneau sont fournis par un onduleur : Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 10/11

11 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). Lycée Jules Ferry Cannes ats.julesferry.cannes@gmail.com 11/11