Moteur synchrone autopiloté Moteur brushless

Moteur synchrone autopiloté OBJECTIFS Moteur brushless Identifier une machine synchrone Définir son principe de fonctionnement Définir le principe d un fonctionnement autosynchrone Choisir un moteur brushless Analyser les caractéristiques couple/vitesse

Moteur synchrone autopiloté Moteur brushless PLAN 1. Présentation 2. Rappel : champs magnétiques tournants 3. Constitution générale 4. Principe de fonctionnement du moteur synchrone 5. Principe de base d un fonctionnement autosynchrone 6. Choix d un moteur brushless

1- PRÉSENTATION Avantages du moteur synchrone / moteur à courant continu Excellente fiabilité Puissance massique élevée (encombrement réduit) Faible niveau sonore Excellent rendement (>90%) Faible inertie (temps de démarrage très court) Gamme de vitesse importante Couple à l arrêt Vitesse constante avec la charge Inconvénients Vitesse liée à la fréquence du réseau Risque de décrochage Ne démarre pas Comparatif TGV PSE et ATL TGV PSE : 1560 kg 535 Kw (726 cv) TGV ATL : 1580 kg 1100 Kw (1494 cv)

2- RAPPEL : Champs Magnétiques tournants principe Trois bobines décalées dans l espace de 2 /3 et alimentées par des tensions sinusoïdales déphasées de 2 /3 électrique créent un champ tournant à la vitesse angulaire ω. U=Umsin ωt Vitesse ω H 2 /3 U=Umsin (ωt+4 /3) U=Umsin (ωt+2 /3)

2- RAPPEL : Champs Magnétiques tournants principe Trois bobines décalées dans l espace de 2 /3 et alimentées par des tensions sinusoïdales déphasées de 2 /3 électrique créent un champ tournant à la vitesse angulaire ω. Ωs = ω (ω = 2πf) Ωs vitesse de synchronisme en rd/s ns = f en tr/s Pour une machine possédant p paires de pôles Ωs = ω/p ns = f /p

3- CONSTITUTION GÉNÉRALE Stator : idem moteur asynchrone L induit est constitué de trois enroulements parcourus par des courants alternatifs logés dans les encoches du circuit magnétique Exemple : moteur du TGV ATL

3- CONSTITUTION GÉNÉRALE Rotor : deux possibilités Machine synchrone : l inducteur est constitué d un bobinage parcouru par un courant continu Exemple : moteur du TGV ATL

3- CONSTITUTION GÉNÉRALE Rotor : deux possibilités Machine synchrone : l inducteur est constitué d un bobinage parcouru par un courant continu Moteur brushless (sans balais) : l inducteur est constitué d aimants permanents. Exemple, aimant en samarium cobalt (SmCo5, Sm2Co17), dont les performances du point de vue de l énergie spécifique sont exceptionnelles

3- CONSTITUTION GÉNÉRALE Rotor : deux possibilités Machine synchrone : l inducteur est constitué d un bobinage parcouru par un courant continu Moteur brushless (sans balais) : l inducteur est constitué d aimants permanents

4- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR SYNCHRONE

Phase 1 Le champ tournant crée des pôles fictifs Pôle nord Pôle sud Phase 3 Phase 2 t

Fonctionnement à vide Le champ tournant crée des pôles fictifs Ceux-ci attirent les pôles réels du rotor Phase 1 N S Pôle nord Pôle sud N Phase 3 S Phase 2 t

Fonctionnement en charge L angle Θ (champ rotorique/champ statorique) dépend du couple développé Plus le couple résistant augmente, plus l angle Θ augmente Phase 3 Hr Θ Phase 1 N S N Hs Hr S Phase 2 Pôle nord Pôle sud t

Fonctionnement en charge L angle Θ (champ rotorique/champ statorique) dépend du couple développé Plus le couple résistant augmente, plus l angle Θ augmente Hr Phase 1 N Pôle nord Pôle sud Phase 3 Θ Hs Phase 2 S t

4- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR SYNCHRONE Équivalence mécanique F Ω F charge ressort θ

Phase 1 Fonctionnement à charge maximale N Lorsque θ=π/2 le couple est maximal Pôle nord Pôle sud S N Hr Phase 3 Θ Hs Phase 2 S t

Phase 1 N Lorsque θ=π/2 le couple est maximal Au-delà le phénomène d attraction disparaît, la machine s arrête il y a décrochage N S Pôle nord Pôle sud Phase 3 Phase 2 Démarrage S Au moment du démarrage, les pôles fictifs tournent à la vitesse de synchronisme, les pôles réels du rotor sont à l arrêt et tantôt attirés tantôt repoussés par les pôles fictifs. Le moteur synchrone ne démarre pas Solution : entraîner artificiellement le rotor à une vitesse proche de celle du synchronisme (cage d écureuil, augmentation progressive de la fréquence)

5- PRINCIPE DE BASE D UN FONCTIONNEMENT AUTOSYNCHRONE principe Un capteur (codeur ou resolver) détecte la position exacte du rotor et permet au convertisseur de fréquence de maintenir un angle θ de 90 entre le champ tournant statorique Hs et le champ rotorique Hr, de façon à ce que le couple moteur puisse toujours être maximal. Hs, modulé en amplitude, fixe la valeur du couple. Il n y a plus possibilité de décrochage. Le capteur donne également l information " vitesse ".

5- PRINCIPE DE BASE D UN FONCTIONNEMENT AUTOSYNCHRONE principe Un capteur (codeur ou resolver) détecte la position exacte du rotor et permet au convertisseur de fréquence de maintenir un angle θ de 90 entre le champ tournant statorique Hs et le champ rotorique Hr, de façon à ce que le couple moteur puisse toujours être maximal. codeur Hs, modulé en amplitude, fixe la valeur du couple. Il n y a plus possibilité de décrochage. Le capteur donne également l information " vitesse ". Codeur + variateur

6- CHOIX D UN MOTEUR BRUSHLESS 1 Allure de la caractéristique couple/vitesse Vitesse en tr/mn 3000 2000 θ=60 La valeur du couple indiqué sur la plaque signalétique est celle du couple rotor bloqué en régime permanent (point A) 1000 Zone de fonctionnement permanent possible accroissement de température 60 A 2 4 6 8 Couple en Nm

6- CHOIX D UN MOTEUR BRUSHLESS 1 Allure de la caractéristique couple/vitesse Vitesse en tr/mn 3000 2000 θ=100 1000 Zone de fonctionnement permanent possible accroissement de température 100 2 4 6 8 Couple en Nm

6- CHOIX D UN MOTEUR BRUSHLESS Vitesse en tr/mn 3000 2 Couple en régime transitoire Zone de fonctionnement transitoire possible 2000 Imax=28A eff 1000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Couple en Nm

6- CHOIX D UN MOTEUR BRUSHLESS 2 Couple en régime transitoire Vitesse en tr/mn 3000 2000 Imax=28A eff 1000 Le couple maximal peut être supérieur au couple nominal. Il faut cependant que l échauffement qui en résulte soit admissible (cycle). L échauffement est proportionnel à I²t. 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Couple en Nm

6- CHOIX D UN MOTEUR BRUSHLESS 3 Critères de choix Vitesse moyenne N moy = Σ (Ni x ti)/ T Couple thermique équivalent sur un cycle Cmte = ( Ci² x ti)/t