M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE MACHINE SYNCHRONE MACHINE SYNCHRONE

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE SOMMAIRE SOMMAIRE Généralités Modèle équivalent Bilan énergétique en génératrice Bilan énergétique en moteur Variation de vitesse

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE GENERALITES► INTRODUCTION INTRODUCTION La machine synchrone (ou MS) est une machine réversible (moteur ou génératrice) fonctionnant sur un réseau triphasé. Sa construction est robuste du fait de sa structure simple. Cependant, cette machine reste plus complexe à construire qu’une machine asynchrone. Elle ne peut en général être utilisée en moteur sans un variateur. L’ensemble MS + Variateur est appelé MSAP (Machine Synchrone Auto-Pilotée) ou plus souvent moteur brushless (moteur sans balais). Application en génératrice : Génération de courant électrique. Applications en moteur : Positionnement et autres applications nécessitant une grande précision (machine-outil, robotique, etc.). Motorisation de forte puissance (maritime, ferroviaire, etc.).

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE GENERALITES► SYMBOLE SYMBOLE Pour une machine à rotor bobiné : Pour une machine à aimants permanents :

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE GENERALITES ► CONSTRUCTION INTERNE CONSTRUCTION INTERNE

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE GENERALITES ► ROTOR ROTOR L’inducteur est le rotor de la machine. Il se comporte comme un aimant permanent et est constitué : Soit d’aimants permanents (!) ; Soit d’un ou plusieurs bobinages alimentés en courant continu. Le courant d’excitation peut alors être produit soit par une source externe soit par auto-excitation.

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE GENERALITES ► STATOR STATOR Le stator est l’induit de la machine. Il est constitué de 3p bobines décalées de 2π/3p entre connectées à un système de tension triphasées de fréquence f. Si la machine fonctionne en moteur, le stator sera alimenté par un système de tensions triphasées. Si la machine fonctionne en génératrice, le stator fournira au réseau triphasé une certaine puissance.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE GENERALITES ► PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Fonctionnement en moteur : Les 3p bobines créent un champ magnétique tournant à la pulsation de synchronisme ΩS (rad/s) qui se répartit sinusoïdalement dans l'entrefer (espace entre le rotor et le stator) de la machine. Le rotor, assimilable à un aimant permanent, tournera à la même vitesse que le champ statorique, c’est pourquoi on parle de machine synchrone. La fréquence de rotation n’est donc fonction que de la fréquence f des courants alimentant la machine.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE GENERALITES ► PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Fonctionnement en génératrice : Le rotor, assimilable à un aimant permanent, est entrainé en rotation par une source extérieure. Il crée un flux ϕ. Le rotor tournant, chaque bobine est soumise à un champ magnétique variable. Par conséquent il se crée une tension alternative sinusoïdale e(t) aux bornes de chaque enroulement du stator de valeur efficace : Avec : K coefficient de Kapp, N nombre de conducteurs actifs d’une phase, f fréquence des signaux et ϕ le flux maximal pour une spire. De plus : Avec : p nombre de paires de pôles et n fréquence de rotation en tr/s. E est proportionnelle au courant d’excitation iE circulant dans l’inducteur de la machine si celui–ci est continu.

MODELE EQUIVALENT D’UNE PHASE M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE MODELE EQUIVALENT ► MODELE EQUIVALENT D’UNE PHASE MODELE EQUIVALENT D’UNE PHASE Moteur : Le stator de la machine étant constitué seulement de bobinages, le modèle équivalent est le suivant : R X I V EPN

MODELE EQUIVALENT D’UNE PHASE M2204MOTORISATION ELECTRIQUE MODELE EQUIVALENT ► MODELE EQUIVALENT D’UNE PHASE MODELE EQUIVALENT D’UNE PHASE Génératrice : Le modèle équivalent est le suivant : EPN R X V I Le diagramme de Fresnel sera le suivant (voir ci-contre) :

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE MODELE EQUIVALENT ► DETERMINATION DE EPN DETERMINATION DE EPN L’essai doit être réalisé à vide et le stator couplé en étoile. Pour une valeur fixe de la fréquence de rotation n, la caractéristique EPN=f(iE) est la suivante : On considèrera que EPN ne dépend que de iE.

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE MODELE EQUIVALENT ► DETERMINATION DE R DETERMINATION DE R Le plus simple est de connecter hors tension un ohmmètre entre deux phases de l’alternateur, celui-ci étant connecté en étoile. La résistance r mesurée est celle de deux enroulements en série puisque le stator est en étoile. La résistance d’un enroulement est donc : R est souvent négligeable devant la réactance synchrone X.

DETERMINATION DE LA REACTANCE SYNCHRONE M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE MODELE EQUIVALENT ► DETERMINATION DE LA REACTANCE SYNCHRONE DETERMINATION DE LA REACTANCE SYNCHRONE L’essai doit être réalisé en court-circuit, à la fréquence de rotation nominale n. On considèrera que pour n et pour iE connu on connait EPN grâce à un essai à vide. On détermine alors la valeur de X par : On montre aussi que :

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE BILAN ENERGETIQUE EN GENERATRICE ► PUISSANCE ABSORBEE PUISSANCE ABSORBEE Pour toute la partie bilan énergétique, il convient de ne pas oublier d’enlever le terme uE.iE dans le cas de machines à aimants permanents ou auto-excitées. On considère le cas de la machine fonctionnant en alternateur. Pour entrainer l’alternateur une source extérieure fournit une puissance mécanique : L’alimentation de l’excitation absorbe la puissance : Donc :

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE BILAN ENERGETIQUE EN GENERATRICE ► PUISSANCE UTILE PUISSANCE UTILE Supposons que l’alternateur alimente une charge triphasée possédant un facteur de puissance cos(φ) et absorbant un courant d’intensité I le tout avec une tension entre phase U. La puissance utile vaut :

M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE BILAN ENERGETIQUE EN GENERATRICE ► PERTES PERTES Pertes par effet joule dans l’inducteur : Pertes par effet joule dans l’induit avec R la résistance mesurée et r la résistance d’un enroulement : Pertes dites « constantes » (déterminées lors de l’essai à vide) :

BILAN DES PUISSANCES & RENDEMENT M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE BILAN ENERGETIQUE EN GENERATRICE ► BILAN DES PUISSANCES & RENDEMENT BILAN DES PUISSANCES & RENDEMENT

BILAN DES PUISSANCES & RENDEMENT M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE BILAN ENERGETIQUE EN MOTEUR ► BILAN DES PUISSANCES & RENDEMENT BILAN DES PUISSANCES & RENDEMENT

COUPLE ELECTROMAGNETIQUE M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE VARIATION DE VITESSE► COUPLE ELECTROMAGNETIQUE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE Le couple électromagnétique développé par le moteur s’écrit : Avec HR, champ rotorique et HS champ statorique et θ l’angle entre les deux champs appelé aussi angle électrique. On en déduit que le couple augmente avec l’angle et est maximum lorsque θ=π/2. Si on dépasse cet angle limite, il se produit alors un décrochage du champ rotorique par rapport au champ statorique et la machine s’arrête. Afin de piloter la machine sur le plan couple vitesse, il est donc nécessaire de contrôler l’angle électrique et la fréquence des courants d’alimentation de la machine. On parle alors de machine synchrone autopilotée (MSAP) ou de moteur brushless (dans le cas d’un rotor à aimants permanents).

CONTROLE DE L’ANGLE ELECTRIQUE M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE VARIATION DE VITESSE► CONTROLE DU L’ANGLE ELECTRIQUE CONTROLE DE L’ANGLE ELECTRIQUE L’angle électrique est contrôlé par une boucle d’asservissement : Au moyen d’un capteur (ou résolveur) intégré à la machine qui contrôle en permanence la valeur de l’angle. Il faut donc une machine spécialement conçue intégrant ce capteur. Via un algorithme de reconstruction qui, à partir du modèle équivalent électrique de la machine ainsi que des tension, courants et fréquences d’alimentation permet de calculer l’angle. Dans ce cas, une machine sans capteur (coût moindre) peut être utilisée.

CONTROLE DE LA FREQUENCE M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE VARIATION DE VITESSE► CONTROLE DE LA FREQUENCE CONTROLE DE LA FREQUENCE Redresseur + Onduleur La fréquence ainsi que l’amplitude des courants d’alimentation de la machine sont générés par un variateur dont la structure est représentée ci-dessus. Redresseur : obtention d’un générateur de tension continue variable. Onduleur : création à partir de la source continue d’un système de tensions triphasées à fréquence et amplitude variable.  = = 