Machine synchrone autopilotée : application aux asservissements : moteur brushless Cours non exhaustif destiné aux étudiants de BTS maintenance industrielle (les textes en italiques ne sont pas à être pris en compte par les élèves) I. Machine synchrone à aimant: I.1 quelques notions I.1 Exemples de structure : (ici : machine à 4 pôles) Machine sans pièces polaires Cales amagnétiques Rotor Stator Noyau magnétique aimant Rotor de machine avec pièces polaires Noyau magnétiqu e Pièce polaire aimant Cale amagnétique 1
La forme d onde d alimentation de la machine dépend de sa structure magnétique : on rencontre des champs à répartitions spatiales sinusoïdales (machines à pôles saillant : entrefer variable, d arc polaire 120 )ou trapézoïdale (machines à pôles lisses d arcs polaires 180 alimentés par des créneaux de courant à 120 ou d arc polaire 120 alimentés par des créneaux de courant à 180 ). On alimentera la machine soit par des créneaux de courant (champ trapézoïdal) soit par des ondes sinusoïdales (champ sinusoïdal) I.3 Calcul du couple électromagnétique d une machine synchrone en régime permanent. a) Hypothèses : machine à pôle lisse machine non saturée Aimant permanent :Φrotorique=cte Nous supposerons pour des raisons de simplicité la machine alimentée par des courants sinusoïdaux 2
b) Schéma électrique équivalent : ROTOR M3 Alimentation du stator V Lws Ev Fem induite dans le stator par le champ rotorique (liée au rotor) STATOR V= Ev + jlws * Le champ tournant statorique tourne à ws=2πfs avec fs fréquence d alimentation du stator Le champ tournant rotorique tourne à w=2πn.p avec n fréquence de rotation (mécanique) du rotor. Pour que cette machine fonctionne, il faut synchronisme des champs : ws=w en régime permanent. c) Diagramme espace temps Rotor ϕ ψ V ϕ θ jlws. Br Ev 3
d) Calcul : P= 3Ev..cosψ Cem=P/Ωs=3Ev..cosψ/Ωs avec Ev proportionnelle à ws (Ev=kws) et Ωs=ws/p, on obtient : Cem= 3.p.k.ws.cosψ/ws=3pk cosψ Avec k=3pφr Cem=K..cosψ Autre expression : P=3.V.I.cosϕ Cem=3pVIcosϕ/ws avec lwscosϕ=evsinθ, on obtient Cem=3pEvsinθ/L(ws)² or Ev=k.ws donc Cem=3pk(V/ws)sinθ. Cem=K(V/ws)sinθ. I.4. remarques sur les machines à pôles saillants : Vqs Vds Vs Xqs.Iqs Iqs δ Ids ϕ ψ EV Xds.Ids Axe q Axe d Vqs = Ev + Xds Ids Vds = Xqs. Ids Vs = Ev + Xds. Ids + j Xqs Iqs Avec Vs= Vds + j Vqs et = Ids + jiqs Cem=3.p.Φr..cosΨ 3/2.p.(lds lqs).².sin(2ψ) 4
II. La machine synchrone alimentée à fréquence variable. La fréquence de rotation d une machine synchrone dépend uniquement de sa fréquence d alimentation : n=fs/p Nous étudieront 2 cas : Alimentation en tension à fréquence variable Alimentation en courant à fréquence variable. 1) Alimentation en tension. Vs/fs=cte : on fonctionne à flux constant et nominal Onduleur Vs 3 fs θ Vs w Ev ws ws=2πfs On augmente ws w ne varie pas instantanément (inertie). 1) θ augmente sinθ augmente Cem=ksinθ augmente si le couple moteur augmente, le synchronisme peut s établir à nouveau 2) Si θ dépasse π/2 sinθ diminue Cem=ksinθ diminue si le couple moteur dimùinue w diminue, il n y a plus synchronisme des champs : on a un décrochage. 5
2) Alimentation en courant. Onduleur de courant 3 fs 21) en retard sur Ev : (avec circuit d aide à la commutation) Ev w ψ ws 22) en avance sur Ev (commutation assistée par les tensions si en avance sur Vs) ψ w Ev ws On augmente ws. ψ diminue Cem augmente (cosψ augmente) accélération synchronisation. ψ augmente Cem diminue (cosψ diminue) décélération décrochage. Conclusion : on voit que dans tous les cas, la pulsation statorique ws qui est une consigne indépendante entraîne une instabilité ou une stabilité très précaire. 6
III. L autopilotage : principe III.1 Commande en tension. Capteur de position qui repère l axe du rotor Onduleur de tension Vs 3 Commande Vs - + θ Cem=k.(Vs/ws).sinθ Le capteur de position règle l instant d amorçage et de blocage des interrupteurs de manière à avoir le θ voulu. La vitesse de rotation fixe la fréquence d alimentation de la machine et impose le synchronisme entre Vs et Ev. III.2 Commande en courant. Capteur de position qui repère l axe du rotor Onduleur de courant 3 Commande - + ψ Cem = K..cosψ Le capteur de position fixe l instant d amorçage et de blocage des interrupteurs de manière à avoir le ψ désiré. La vitesse de rotation fixe la pulsation des courants statoriques et assure le synchronisme de champs. 7
IV. Association onduleur MLI / moteur bruschless Moteur dont le champ est à répartition spatiale sinusoïdale Puissance de 1 à quelques dizaines de KW Application : robotique et machine outil IV.1 Schéma de principe. Moteur brushless Codeur (résolver) 1 Redresseur Onduleur MLI 2 3 3 Filtre Dissipation Asservissemen t x sin(ψ-x-2π/3) sin(ψ-x) sin(ψ-x+2π/3) consigne (Amplitude) Angle de commande x Cem=k..cosψ C CN cosψ Puissance constante fsn fs 8
IV.2 Fonctionnement L onduleur MLI alimente la qui entraîne un capteur de position. Le capteur de position va par l intermédiaire d une mémoire déclencher 3 sinusoïdes prés programmées formant un système 3 équilibré direct. Ces sinusoïdes de référence attaquent un multiplieur. Chacune sera multipliée par Irèf qui est l amplitude de référence du courant statorique. On compare ces 3 consignes aux valeurs réelles. Les signaux issus du comparateur sont régulés puis traités pour commander l onduleur MLI. Ex : Augmentation de fs en cas de retard sur le rotor. Diminution de Vs si est trop grand IV.3 Remarques. 1) On impose la valeur instantanée du courant statorique, donc en théorie la valeur instantanée du couple. C est faux si la machine sature ou si l entrefer n est pas constant (Φ et is ne sont plus liés linéairement). 2) La MLI permet d atténuer les effets des harmoniques 5 et 7 générateurs d ondulation de couple (de période T/6). En effet cette machine est utilisée pour alimenter des à aimants permanents qui ont une bande passante mécanique très élevée. Il peut y avoir des problèmes à basse vitesse. V. Avantages / Inconvénients. Nous allons comparer les moteurs brushless à leurs concurrents les MCC à aimants. Ces 2 types de machines étant utilisées comme actionneurs électrique pour des applications demandant une dynamique très importante (robotique, machine outil). 9
Moteur brushless Caractéristiques générales Pas d entretien (pas de collecteur) Utilisable en atmosphère explosive, corrosive. MCC à aimants Caractéristiques générales Simplicité du variateur (hacheur). Pris bas. Pas d électronique interne. Excellente dissipation thermique.(pj au stator seulement). Avantages Caractéristiques dynamiques et statiques Puissance massique >> (P/m :kw/kg) Vitesse max >>. (pas de collecteur). Faible inertie (forte accélération). BP mécanique>> (dynamique >> possible. Caractéristiques dynamiques et statiques Bien adaptée aux basses vitesses où elles ont une régularité de marche excellente. Inconvénients Caractéristiques générales Electronique interne. Prix élevé. Structure d alimentation et de régulation complexe mais maîtrisée. Caractéristiques dynamiques et statiques A basse vitesse les harmoniques peuvent créer des ondulation de couple. Caractéristiques générales Entretien (balais, colllecteurs). Se dégrade en atmosphère corrosive, explosive. Caractéristiques dynamiques et statiques Vitesse max limitée par le collecteur. Puissance massique << Inertie >> 1
BP mécanique << 1
VI. Autres structures VI.1 Contrôle en V/f : Machines synchrones de faibles puissances :( qq centaines de W), moteur à réluctances variables, utilisées aussi pour les machines à pôles lisses à rotor bobinées) = = = Convertisseur statique non contrôlable ou source de tension constante (PD2) Convertisseur statique contrôle en tension (hacheur) Filtre Dissipation Onduleur de tension (type 120 ) θ Cem=k.(vs/ws).sinθ C CN sinθ P=PN=Cte fsn fs On maintient Vs/fs=cte jusqu'à vitesse nominale, au delà, Vs=cte. Application brushless: Entraînement de disques, ventilateurs sur micro ordinateurs. Enregistrement et reproduction audio vidéo. Instrumentation aéronautique et spatiale. 1
VI.2 Très fortes puissances. Id ψ Irèf Cem= K..cosψ C CN cosψ I P=PN=ct e fsn fs Applications : TGV atlantique (800KW). Alternateur de centrale hydraulique (1MW). Génie chimique : compresseur, centrifugeuse, mélangeuse. 1