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 NORMALISES DES MACHINES SYNCHRONES PRINCIPE D UNE MACHINE SYNCHRONE DE TYPE PAS A PAS A 2 POLES ET 2 ENROULEMENTS TYPES DE ROTOR (GEOMETRIE ET MODE D EXCITATION) ALIMENTATION DE L INDUIT, CREATION DU CHAMP TOURNANT ET ALLURES DES COURANTS RELATIONS DE BASE ET MODELE SIMPLIFIE DE BEHN ESCHENBURG VITESSE DE ROTATION OU DE SYNCHRONISME S OU NS MODELE ELECTRIQUE SIMPLIFIE POUR UN ENROULEMENT OU PHASE (CONVENTION GENERATEUR) BILAN DE PUISSANCE CARACTERISTIQUE ELECTROMECANIQUE [C = F(Ω)] POUR UNE MACHINE AUTOPILOTEE POUR UNE MACHINE RACCORDEE AU RESEAU LIMITES OU ENVELOPPE DE FONCTIONNEMENT CONTROLE D UNE MACHINE SYNCHRONE PAR ONDULEUR, AUTOPILOTAGE DEVELOPPEMENTS DE LA COMMANDE PILOTAGE VECTORIEL AVANTAGES ET INCONVENIENTS MOTORISATION D UN VEHICULE HYBRIDE (TYPE TOYOTA PRIUS) 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 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 audiovidéo, 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 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 (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 = 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 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 Symboles Induit Stator Inducteur Rotor Roue polaire Triphasé 1.3 Principe d une machine synchrone de type pas à pas à 2 pôles et 2 enroulements MS 3~ I 2 = 0 I 2 = I 1 = + I I 1 = a) 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 (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. 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) 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. Figure 3.b : rotor à pôles lisses 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). 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 N s est directement liée à la fréquence f de l alimentation et au nombre de paires de pôles p. s en rd/s p f n s en tr/s p 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 = L p + 2.M avec L p Inductance propre d un bobinage ; M mutuelle entre bobinages ; L inductance synchrone ou de Behn Eschenburg E I jx = jl.ω R V J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 5 sur 12 01/2014

6 2.3 Relations en convention générateur (ALTERNATEUR) Couplage Electromagnétique en tension E = j.ωψ. f f = E (loi de Faraday) 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 P = V.I dipôle est le produit scalaire Pour 3 phases identiques (machine équilibrée) et le régime permanent, en sortie aux bornes de l induit la puissance électrique P est : P = 3.V.I.cosφ la puissance électromagnétique Pem est : P em 3. E. I.cos P 3. R. I 2 Remarque : Si on néglige la résistance R d un enroulement, Puissance réactive (VAR) P = Pem et V.cosφ = E.cosψ En sortie Dans l entrefer Q Q em = 3V..I.sinφ 3. E. I.sin Q 3. X. I 2 avec angle entre le courant I et la fem E, somme de l angle interne et du déphasage Couple électromagnétique C em C em P em s 3. E. I.cos s 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 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. J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 6 sur 12 01/2014

7 2.4 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. 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. 2f / p / 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 / s 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 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) s p 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.. J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 8 sur 12 01/2014

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

10 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 cicontre). 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 φ et au courant Ia, sous une forme simplifiée Cem rotor /stator = KT. φ ʌ Ia. Ce couple est maximal si φ et perpendiculaire à Ia. 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. J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 10 sur 12 01/2014

11 4.3 AVANTAGES ET INCONVENIENTS. Avantages Inconvénients 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. 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 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, collecteur). 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 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. J-C ROLIN G. EIFFEL DIJON Page 11 sur 12 01/2014

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

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