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Moteur synchrone autopilotéMoteur brushless


OBJECTIFS

• 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


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 2 Rappel 3 Constitution 4 M synchrone 5 Autosynchrone 6 Choix

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 ATLTGV PSE : 1560 kg 535 Kw (726 cv)

TGV ATL : 1580 kg 1100 Kw (1494 cv)

U=Umsin (ωt+4∏/3) U=Umsin (ωt+2∏/3)

2- RAPPEL : Champs Magnétiques tournants


2∏/3

U=Umsin ωt HVitesse ω

principeTrois 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.

2- RAPPEL : Champs Magnétiques tournants


principeTrois 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/sns = f en tr/s

Pour une machine possédant p paires de pôlesΩs = 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



Rotor : deux possibilités

Machine synchrone : l’inducteur est constitué d’un bobinage parcouru par un courant continu

Exemple : moteur du TGV ATL





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





Moteur brushless (sans balais) : l’inducteur est constitué d’aimants permanents

4- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR SYNCHRONE


Pôle nord

Pôle sud

Phase 1

Phase 2Phase 3

t


Le champ tournant crée des pôles fictifs

Pôle nord

Pôle sud

t

Phase 1

Phase 2Phase 3



N

S

Pôle nord

Pôle sud

t

Phase 1

Phase 2Phase 3


S

N


Ceux-ci attirent les pôles réels du rotor

Fonctionnement à vide

N

S

Pôle nord

Pôle sud

t

Phase 1

Phase 2Phase 3


Hs

Hr

Θ

L’angle Θ (champ rotorique/champ statorique) dépend du couple développé Plus le couple résistant augmente, plus l’angle Θaugmente

Fonctionnement en charge

S

N

Hr

N

S

Pôle nord

Pôle sud

t

Phase 1

Phase 2Phase 3


HsΘ

Hr

L’angle Θ (champ rotorique/champ statorique) dépend du couple développé Plus le couple résistant augmente, plus l’angle Θaugmente

Fonctionnement en charge

4- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR SYNCHRONE


Équivalence mécanique

θ

ressortcharge

Ω

F F

N

S

Pôle nord

Pôle sud

t

Phase 1

Phase 2Phase 3


SN

Lorsque θ=π/2 le couple est maximal

Θ

Hs

Hr

Fonctionnement à charge maximale

Pôle nord

Pôle sud

Phase 1

Phase 2Phase 3


Lorsque θ=π/2 le couple est maximal

Au-delà le phénomène d’attraction disparaît, la machine s’arrête il y a décrochage

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)

N

S

SN

Démarrage

5- PRINCIPE DE BASE D’UN FONCTIONNEMENT AUTOSYNCHRONE


principeUn 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


principeUn 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 ".

codeur

Codeur+

variateur

6- CHOIX D’UN MOTEUR BRUSHLESS


1 Allure de la caractéristique couple/vitesse

La valeur du couple indiqué sur la plaque signalétique est celle du couple rotor bloqué en régime permanent (point A)

3000

2000

1000

2 4 6 8

Vitesse en tr/mn

Couple en NmA

Zone de fonctionnement permanent possible accroissement de température ≤ 60°

∆θ=60°



1 Allure de la caractéristique couple/vitesse

3000

2000

1000

2 4 6 8

∆θ=100°

Zone de fonctionnement permanent possible accroissement de température ≤ 100°

Vitesse en tr/mn

Couple en Nm



2 Couple en régime transitoire

3000

2000

1000

2 4 6 8

Vitesse en tr/mn

Couple en Nm10 12 14 16 18

Imax=28A eff

Zone de fonctionnement transitoire possible



2 Couple en régime transitoire

3000

2000

1000

2 4 6 8

Vitesse en tr/mn

Couple en Nm10 12 14 16 18

Imax=28A eff

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.



3 Critères de choix

• Vitesse moyenne

N moy = Σ (Ni x ti)/ T

• Couple thermique équivalent sur un cycle

Cmte = ( Ci² x ti)/T

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