Variation de vitesse des moteurs synchrones

VARIATION DE VITESSE DES
MOTEURS SYNCHRONES
1
Principes
2
On a une machine dont il faut asservir la fréquence
d’alimentation (f = p.N) sur la fréquence de rotation.
Il faut donc utiliser des convertisseurs statiques à
fréquence variable.
Ces convertisseurs vont permettre soit :
•
Une alimentation en tensions sinusoïdales.
•
Une alimentation en courant.
Les sources d’énergie sont du type continu, alternatif
monophasé ou triphasé.
3
Source d’alimentation continue
L’alimentation en tension se fait par un onduleur de tension.
Conversion directe continu/alternatif
4
On utilise la modulation de largeur d’impulsion (MLI) pour
obtenir une tension moyenne sinusoïdale
5
Source d’alimentation continue
L’alimentation en courant se fait par commutateur.
Conversion indirecte continu/continu/alternatif
6
Avec la commutation en courant, le dispositif
joue le rôle de "collecteur électronique".
Il y a conflit de source (machines inductives).
⇒ Impose commutation lente.
⇒Transitoires électriques et mécaniques lents.
⇒Utilisation
machines)
TGV
et
laminoirs
(grosses
7
Alimentation par le réseau
L’alimentation en tension se fait par un onduleur.
Conversion indirecte alternatif/continu/alternatif
8
Types de machines
On définie le type de machine en fonction de la répartition du
champ magnétique dans l’entrefer.
⇒ Répartition sinusoïdale : implicitement machines à pôles
lisses.
⇒ Répartition rectangulaire ou plutôt trapézoïdale car le
champ magnétique ne subit pas de discontinuité spatiale
9
Modèle MS à pôles lisses et fem sinusoïdales
R : Résistance d'un
enroulement.
L : Inductance
cyclique.
K : Constante de
fem. EMAX / Ω =
p.ΦMAX
p : Nombre de
paires de pôles.
J : Moment d'inertie
10
Modèle MS à pôles lisses et fem trapèzes
R : Résistance d'un
enroulement.
L : Inductance
cyclique.
K : Constante de
fem. EMAX / Ω =
p.ΦMAX
p : Nombre de
paires de pôles.
J : Moment d'inertie
Remarque
Le neutre de la machine étant supposé non relié, il est nécessaire de supprimer
la composante homopolaire éventuelle de fem. Cette composante se traduit par
un déplacement du point neutre de la machine sans engendrer de courant. Dans
le cas d'une machine à fem trapézoïdales, les harmoniques multiples de trois
forment un système homopolaire.
11
Critère de choix technologique
Entre « trapèze » (squarewave) et « sinus » (sinewave)
Alimentation Précision
par onduleur (basses
de tension
vitesses)
Pulsations
de couple
Couple
massique/
volumique
Facilité de
réalisation
machine
Facilité de
commande
Coût
Machine «
sinus »
+
+
-
-
-
-
Machine «
trapèze »
-
-
+
+
+
+
Exemples de tendance:
• moteur de positionnement avec couple à l’arrêt (robotique): SINUS
• moteur sans contrainte de travail à basses vitesses: TRAPEZE
12
Alimentation par le réseau
L’alimentation en courant se fait par commutateur.
Conversion indirecte alternatif/continu/alternatif
13
Chaque séquence de conduction impose une direction fixe du champ
statorique tandis que le champ rotorique se déplace à la vitesse du rotor.
K1 = K’2 =1
K1 = K’3 =1
14
L’angle ξ évolue entre deux commutations, à cause du
déplacement du rotor, ce qui entraîne une ondulation du
couple. Cela peut être gênant si la charge a une faible inertie.
⇒ vibrations
L’alimentation en courant permet d’imposer la position
angulaire même à vitesse nulle ⇒ peu de précision.
15
Alimentation par le réseau
L’alimentation en tension se fait par un cycloconvertisseur
Exemple de conversion directe alternatif/alternatif pour une phase moteur
16
Forme de la tension de sortie
17
Avec les convertisseurs précédents, il est
possible de régler la fréquence, l’amplitude et la
phase de la tension ou du courant (couple de la
machine).
Il n’est pas possible d’alimenter le moteur par un
onduleur autonome (ne tient pas compte de
l’angle Ψ) sans obtenir de décrochage :
⇒ il faut un autopilotage en fréquence toujours
égal à la fréquence de rotation du rotor.
⇒
MACHINE SYNCHRONE AUTOPILOTEE
18
Il existe deux type d’autopilotage:
Autopilotage scalaire : pilotage des courants ou tensions
par asservissement sur une consigne sinusoïdale.
Autopilotage vectoriel : pilotage des tensions ou
courants par asservissement sur une consigne constante
après transformation vectorielle.
19
Autopilotage scalaire
20
Définition
Moteur Brushless (moteur sans balais)
C’est un moteur synchrone, à aimants
permanents, autopiloté, alimenté en
courant.
21
Les différents pilotages moteurs à aimants
pilotage rectangulaire (rotor sans pièces polaires)
Le pilotage en courants rectangulaires par commutateur de
courant est plus simple à réaliser et ne nécessite qu'un capteur
de position du rotor à faible résolution ( 6 informations par
période ).
rotor à " aimants déposés "
(sans pièces polaires)
22
Les différents pilotages moteurs à aimants
pilotage sinus (rotor avec pièces polaires)
Le pilotage du moteur en courants sinusoïdaux permet de supprimer
les commutations brutales ( sources de bruit ) et d'obtenir une
meilleure régularité du couple moteur. La génération de courants
sinusoïdaux est faite par onduleur à modulation de la tension M.L.I.
rotor à " concentration de flux "
(avec pièces polaires)
pilotage sinus (rotor avec
pièces polaires)
23
Schéma de principe d’un autopilotage scalaire
en courant (couple)
24
La vitesse en régime permanent dépend du couple
résistant CEM = CR.
25
Schéma de principe d’un autopilotage
scalaire en vitesse
26
Inconvénients de l’autopilotage scalaire
Il permet d’imposer la valeur maximale du flux
seulement en régime permanent en agissant sur la
fréquence statorique et la valeur efficace de la tension
ou du courant statorique qui sont des grandeurs
scalaires.
Le flux n’est pas contrôlé en régime transitoire, on
contrôle uniquement sa valeur maximale en régime
permanent.
⇒ performances médiocres en régime transitoire.
Pour obtenir des régimes transitoires performants,
notamment en temps de réponse , il faut faire appel à
une commande vectorielle.
27
Autopilotage vectoriel
28
Commande des courants de phase de
type ″abc″ ou ″ sinus ″
29
Structure de commande des courants de phase
de type ″abc″ ou ″ sinus ″
Schéma fonctionnel
Commande dans le repère de la base liée au stator
30
Structure de commande des courants de phase
de type ″abc″ ou ″ sinus ″
Les fonctions « PWM GEN » contiennent un correcteur d’asservissement et
un système de modulation de largeur d’impulsions.
31
Commande des courants de phase de type abc
Dans tous les cas, on dispose d’une information numérique de
position, le courant peut alors être régulé directement par
calculateur (régulation numérique --> rapidité de calcul) ou
analogiquement en effectuant une conversion analogique. Le
capteur de position balaye trois mémoires contenant des
sinusoïdes de référence pour les trois courants ia , ib et ic ,
l’amplitude de ces références (consigne du couple) est réglable
par utilisation de MDAC (Multiplier Digital Analog Converter)
; un MDAC est un convertisseur numérique–analogique dont la
tension (ou le courant) de référence est commandable par une
tension externe, on obtient ainsi en sortie une multiplication de
l’entrée numérique par cette tension externe. L’angle
d’autopilotage est ajusté selon la vitesse pour obtenir une
désexcitation au delà de la vitesse de base.
32
Commande en d q
33
Commande en d q
On cherche une base de vecteurs dans laquelle les équations
décrivant le fonctionnement d'une machine électrique soient
découplées, c'est à dire que les grandeurs relatives à une phase ne
dépendent pas des autres phases (en particulier de leur flux).
Pour l’étude de la machine synchrone en régime transitoire, il est
nécessaire de placer l’inducteur dans un repère fixe (Od,Oq) et de
transformer le système triphasé d’induction en système biphasé
dans ce repère (Od,Oq) .
Cette méthode du flux orienté est conçue sur la base d’un modèle
défini grâce à la transformation de Park qui, d’un point de vue de
la conversion, conduit à considérer la machine synchrone comme
l’association électromécanique de deux machines à courant
continu.
34
(MCC)
35
36
La loi de Faraday exprime la relation entre la tension
ν aux bornes d’une bobine de résistance R, le
courant i, et la variation du flux totalisé Φt telle que :
Φt = Φ + Φ c
Où Φ représente le flux
propre de la bobine et un flux
Φc de couplage magnétique
avec d’autres enroulements.
Dans l’hypothèse de la linéarité du circuit magnétique, le
flux propre et le courant i sont liés par l’inductance propre
L de l’enroulement.
37
38
39
40
41
42
43
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45
46
47
48
49
50
51
52
Avec l’alignement sur d la
projection sur q devient nulle
53
54
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56
57
58
59
Commande en″d q″
Automate de Commande
Rapprochée
Consignes de courant constantes
60
Quelles valeurs prendre pour idref et idq ?
Si on veut un couple maximum, il faut idref= 0 (déphasage
de 90° entre axe du rotor et champ statorique).
La valeur de Idq permet de régler le couple.
61
62
Technologie
63
Au-delà de la distinction classique trapèze/sinus
Grande variété dans les technologies de fabrication pour les moteurs
synchrones permettant:
• adaptation aux contraintes d’encombrement
• augmentation des couples massiques et/ou volumique
Plusieurs gammes de moteurs au sein d’un même constructeur:
Exemple Parvex: ACG, LS, NX, LX, HW, HV,…
Contrairement aux moteurs à induction
64
12 bobines/ 3 phases
(stator) petite puissance
Machine synchrone à rotor
extérieur à flux radial
aimants
65
Moteur cloche
Stator tétraphasé
Rotor à aimants
permanents
66
Moteur cloche Escap
Escap
Des
exem
ples
Moteurs disques (discoïdes) (flux axial)
67
Extrait de doc KAMAN
68
Moteur discoïde à flux axial
Les sondes à effet Hall permettent de
définir les instants de commutation
des références de courants
Sondes
à effet Hall
69
Doc Escap
Petit moteur triphasé à rotor extérieur et bobinages concentrés.
Schéma
d’une
structure
triphasée à 6 dents et 2
paires de pôles.
Induit d’un moteur Sony (diamètre
d’entrefer environ 3 cm)
70
Exemple d’application moyenne puissance
Enrouleuse
Puissance en jeu :
qq 100 kW
de papeterie
Réseau
triphasé
EDF
triphasé
continu
continu
triphasé
Moteur
asynchrone
71
LAMINOIR
72
73
COMPRESSEURS
74
COMPRESSEURS
75
COMPRESSEURS
76
20MW,
200 tr/mn
PROPULSION NAVALE
77
PROPULSION NAVALE
78
Secteur
automobile
79
80
81
82
83
84
ISG Honda_prius
HONDA_PRIUS: véhicule hybride commercialisé
85
Alterno-démarreurs
86
Moteur brushless
utilisé en robotique
87
CONSTITUTION
Le moteur est généralement constitué:
• d ’un rotor à aimants permanents,
• d ’un stator constitué d ’un enroulement
triphasé,
• d ’un capteur de position (résolver ou
codeur),
• d ’une sonde de température,
• d ’un frein électromécanique.
88
carcasse
Enroulements
statoriques
Aimants
permanents
CM
statorique
Sonde de
température
Câblage
puissance Câblage
frein
résolver
sonde
Frein à
disque
Câblage
codeur
resolver
codeur
capteurs 89
Carcasse
Réalisée en alliage d’aluminium.
Recouvert d’une peinture noire afin d’améliorer
l’échange thermique par rayonnement.
De forme carrée
au début des années 80, les premiers servomoteurs étaient de section
rectangulaire pour des facilités d’intégration dans les machines outils.
Depuis tous les constructeurs ont gardé cette forme rectangulaire.
90
Rotor à aimants permanents
Machine 6 pôles
S
N
N
rotor
S
S
N
Les aimants sont disposés en
tuiles.
Ils peuvent être collés, vissés ou
enserrés dans une frette
amagnétique
Cette solution est adoptée pour des géométries longues
mais étroites . On favorise les vitesses élevées.
91
Rotor à aimants permanents
Machine 6 pôles
Pièces polaires (concentration du flux)
S
S
NN
rotor
aimants
Cette disposition permet d’avoir
des inductions de 3 à 5 fois
supérieures à la structure
précédente
On peut plus facilement augmenter le nombre de pôles
92
Stator
Pertes Pf dans le fer
2
e
2 2
Pf = V Bm f
ρ
V : volume de tôles
e : épaisseur des tôles
ρ : résistivité des tôles
Bm : induction maximum
f : fréquence
Circuit magnétique feuilletée
tôle à « grains orientés »
à 3,5% de silicium
pertes fer 1,4 W/kg sous 1,8T
Carcasse
93
Le frein mécanique
Entrefer 0,3 mm
Disque
acier
bobine
Aimant
permanent
L ’aimant produit un champ
magnétique qui attire le
disque acier contre la
surface de friction.
⇒ blocage du moteur
La bobine est alimentée en
courant continu. Elle produit
un champ inverse à l’aimant.
⇒ Le disque acier est libéré
moyeu
ressort
Surface de
friction
Le frein est du type « à manque de courant »
94
Le frein mécanique
Sa vocation n ’est pas d ’effectuer des freinages
dynamiques mais d ’assurer un blocage du rotor.
On l ’appelle « frein de parking ».
Avantages par rapport au frein à ressort :
- temps de blocage très rapide ( ≈ 40 ms) pour 150 à
200 ms avec les freins à ressorts.
- pas de rebondissement du disque.
- frein plus compact.
95
Le frein mécanique
Caractéristique du couple de freinage Cf
Cf
0
16V
24V
28V
Tension
d ’alimentation
du frein
96
Contrainte thermique
rayonnement
convection naturelle
Échauffement principal du moteur par les pertes statoriques
97
Contrainte thermique
Déclassement du couple moteur
document CEGELEC
110
% of rated torque
100
90
H (∆T=125°C)
F (∆T=100°C)
B (∆T=60°C)
80
70
60
10
20
30
40
50
60
Ambient temperature (°C)
Moteur CEGELEC 3000 trs / min
75 DSB 600
98
Contrainte thermique
A
tte
n
o
i
nt
DA
La température de la carcasse peut atteindre
des températures de 110 °C pour une
température de 140 °C des bobinages
NG
ER
99
Contrainte thermique
C ’est la classe des isolants qui détermine la
température maximale admissible sur les
enroulements d ’un moteur
Classe
échauffement maximal
(°C)
température maximale
d'emploi (°C)
Y
45
A
60
E
75
90
105
120
Extrait de la norme C51 111
B
F
H
C
80
100
125
...
130
155
180
> 180
La température maximale est définie pour une température ambiante de 40°C
On retrouve principalement 3 classes d ’isolant
Nécessité de surveiller la température
des enroulements par sonde thermique
100
sondes de température PTC
3,5mm
Elles permettent la surveillance de la
température des enroulements.
Elles sont noyées dans les bobinages
Thermistance
15mm
Palpeur triple
Tension de service maximale (V)
U max
25
θTNF
V référence
Tolérance (K)
T
±5
Temps de réponse thermique (s)
ta
<5
θ max
200
Température de réponse nominale( °C)
Température maximale de service (°C)
Caractéristiques techniques
101
Capteur de position :le resolver
C’est un transformateur tournant constitué
d’un stator
d’un rotor
102
PRINCIPE
VS1
induits
stator
θ
VS2
rotor
inducteur
entrée
103
PRINCIPE
VS1
VS1
stator
induits
θ
VS2
rotor
inducteur
entrée
10 kHz
VS2
104
PRINCIPE
entrée = U sin ωt
VS1 = kU sin ωt sin θ
VS2 = kU sin ωt cos θ
Par un traitement des
signaux VS1 et VS2, on
obtient l’information de
position nécessaire à
l’auto pilotage et à
l’asservissement de
vitesse et de position.
105
L’intérêt de ce capteur réside dans sa
robustesse et sa grande fiabilité, du fait
qu’il n’y a pas de contacts glissants.
Sa précision est de l’ordre de ±1
minutes d’angle. La résolution peut être
de 393 216 points / tours.
Par contre ce capteur nécessite une
électronique un peu plus complexe.
106
Capteur de position
C’est un codeur de type incrémental
(minimum de 2000 points)
107
Caractéristiques
La plaque signalétique est une source importante pour connaître
le domaine d ’utilisation et les limitations d’un moteur
108
Caractéristiques
Couple
C (Nm)
6,9
Couple crête
Servomoteur CEGELEC
3000 trs / min
75 DSB 300 + VFTB 4003
Fonctionnement
transitoire
Couple à l’arrêt
2,3
2,1
Couple nominal
Plus les fréquences sont
élevées, plus les pertes fer
augmentent.
Fonctionnement
permanent
Vitesse
N (trs/min)
3000
Vitesse maximale donnée
par la fréquence maximale
du variateur
On retrouve ces informations sur les caractéristiques C = f(N)
109
Caractéristiques
Couple
C (Nm)
7
Couple crête
Limitation en puissance
du moteur (hyperbole de
dissipation).
Fonctionnement
transitoire
Couple à l’arrêt
3,4
3
Couple nominal
Servomoteur PARVEX
3000 trs / min
HX420CW + DIGIVEX4/8-400
Fonctionnement
permanent
Vitesse
N (trs/min)
4300
Le point de fonctionnement doit se situer obligatoirement à
l ’intérieur des aires de fonctionnement transitoire ou permanent.
110
Caractéristiques
Moteur CEGELEC
3000 trs / min
75 DSB 300
Données tirées de documents constructeurs
couple permanent
couple nominal
couple crête
vitesse nominal
courant permanent
puissance nominal
constante de couple
constante de fcem
résistance entre phases
inductance entre phases
constante de temps thermique
inertie du rotor
poids
unité
Nm
Nm
Nm
trs/min
Arms
kW
Nm / Arms
Vrms / ktrs/min
Ω
mH
seconde
kgm2 x 10-3
kg
75 DSB 300
2,3
2,1
6,9
3000
1,5
0,7
1,6
98
30
70,3
1500
0,11
3,7
couple maximal
couple
disponible
qui peut
être
couple
maximal
sur
l'arbre
dans
développé
sansqui
peut
êtreobtenue
développé
les
conditions
échauffement
vitesse
sur
unletemps
très
nominales
courant
efficace
excessif
avec
couple
pour
les
court
permanent
qui
nominal
puissance
isolants en vitesse
n'entraîne
pas
un
disponible
rapport
dusur
couple
très lente.
échauffement
constante
desur
force
l'arbre
permanent
dans
les
le
temps
requis
pour
résistance
entre 2
excessif des
contre
courant
permanent
conditions
augmenter
la
phases
inductance
entre 2
électromotrice
isolantsà 20°C
nominales
température
de
(arbre
phases
bloqué)
mesurée
(aussi liée
au à 1
25°C
à 100°C
kHz
(arbre
couplage
desbloqué)
(bride aluminium)
enroulements)
111
Dimensionnement
Le servomoteur n’est pas choisi en fonction de sa puissance
Ce sont essentiellement les paramètres de couple et de
vitesse qui vont guider le dimensionnement et le choix
Il est bien évident que d’autres paramètres entrent
en ligne de compte :
- inertie,
- encombrement,
- température,
- coût,
- etc …
112
Dimensionnement
Il est parfois difficile de déterminer des valeurs nominales
suivant le profil de vitesse et de couple d’une application.
On définit alors un couple thermique et une vitesse moyenne.
Ce calcul intervient si les régimes transitoires sont supérieurs
ou égaux à 20 % du cycle complet d’une application.
Ce couple thermique et cette vitesse moyenne doivent se
situer dans l ’aire de fonctionnement permanent.
113
Dimensionnement
Ω
(rad/s)
150
Vitesse moyenne
0,5
Cm
Exemple
2
0,4
0,5.150
0,4.150
+ 2.150 +
2
2
t (s) Vmoy =
0,5 + 2 + 0,4 + 0,6
0,6
Vmoy = 105 rad/s
8
(Nm)
2
Couple thermique
t (s)
Cth =
82.0,5 + 2 2.2 + (− 6) 2 .0,4 + 2 2.0,6
0,5 + 2 + 0,4 + 0,6
-6
Attention : l’axe des temps n’est pas linéaire.
Cth = 4 Nm
114
Dimensionnement
Vitesse moyenne
Vmoy =
∑
i≥ 0
ni .ti
T
Couple thermique
Cth =
∑
2
i i
C .t
i≥ 0
T
115
Dimensionnement
Vmoy = 105 rad/s
Cth = 4 Nm
Ce couple thermique et cette vitesse moyenne déterminent
un point qui doit se situer dans l’aire de fonctionnement
permanent du moteur.
Par ailleurs il faudra vérifier que les valeurs maximales sont
compatibles avec l’association variateur + moteur.
116
Traction électrique
117
Moteur synchrone autopiloté
Le choix politique de l’augmentation de la vitesse des trains ainsi que celle des
performances des trains de marchandises a conduit la SNCF à s’orienter vers
l’utilisation des moteurs triphasés – synchrone et asynchrone – à partir de la
décennie quatre-vingt.
Ces moteurs se caractérisent par une plus grande puissance massique et
volumique que les moteurs à courant continu. Cette démarche s’avère nécessaire,
car la masse de l’engin de traction constitue une grandeur critique notamment sur
la limitation de la vitesse du train à cause des problèmes de dégradation des voies
ferrées.
Depuis la fin de la décennie quatre-vingt, cette motorisation se généralise sur
l’ensemble des nouveaux matériels roulants : automotrices de banlieue et de
région, motrices TGV et locomotives.
Le pilotage des moteurs triphasés s’effectue au moyen d’onduleurs alimentés
depuis :
- une source de courant continu pour les moteurs synchrone et asynchrone ;
- une source de tension continue seulement pour le moteur asynchrone.
La SNCF n’a pas choisi l’utilisation du moteur synchrone alimenté depuis une
source de tension continue, car la structure de l’onduleur est nettement plus
complexe et coûteuse par rapport à celle retenue.
Moteur synchrone autopiloté
• Ce choix de motorisation n’est devenu intéressant que grâce à
l’évolution récente et progressive (depuis deux décennies) des
semiconducteurs de puissance. L’optimisation de la masse et
du volume des équipements embarqués étant un critère
essentiel, il est nécessaire de minimiser le nombre de
semiconducteurs de puissance et on se situe, fréquemment, à la
limite du savoir-faire technologique du moment.
• L’alimentation de l’engin de traction depuis la caténaire
implique l’adaptation de la tension et/ou du courant
d’alimentation des onduleurs triphasés en utilisant des
structures de convertisseurs d’entrée plus ou moins
complexes. Avant de concevoir la structure et le pilotage des
convertisseurs d’entrée, il est important de définir leur
compatibilité
électromagnétique
vis-à-vis
de
l’environnement ferroviaire et public.
119
Moteur synchrone autopiloté
Les engins de traction équipés de moteurs synchrones sont conçus uniquement par
Alsthom Transport et exploités depuis la fin de la décennie quatre-vingt.
Parmi les différents matériels roulants, en exploitation ou en cours de livraison,
citons :
• réseau SNCF : locomotive BB 26000, TGV-Atlantique, TGV-Réseau, TGVDuplex, TGV-Thalys... ;
• exportation : TGV Espagne, TGV Corée...
Caractéristiques spécifiques au ferroviaire
• En traction ferroviaire, le moteur triphasé synchrone équipé d’un rotor bobiné à
pôles saillants est utilisé et est constitué de 3 ou 4 paires de pôles, selon les
performances exigées. Le rotor comporte un circuit amortisseur.
• Le moteur synchrone se caractérise par la possibilité de faire varier la
puissance réactive absorbée ou fournie à l’alimentation. Cette caractéristique
intrinsèque a favorisé le choix sur le principe d’alimentation du moteur en
retenant l’onduleur de courant.
120
Moteur synchrone autopiloté
DESCRIPTION ET APPLICATION AU TGV
•
•
Les brillants résultats du prototype TGV-PSE à moteurs synchrones ont permis de
retenir cette motorisation pour le TGV A puis pour les TGV Nord Europe ainsi que
les TGV Duplex par la suite. C’est une version améliorée du prototype qui équipe
les nouvelles rames. Ces moteurs de 1100 kW en régime continu permettent de
disposer de 8800 Kw (11000 cv).
En régime continu l’échauffement du moteur ne dépasse pas 130 °C alors que
l’isolation appliquée à ces moteurs autorise un échauffement double. Le dispositif
de commutation assistée d’une masse de 30 kilos par équipement de bogie moteur
permet de faire développer au démarrage un effort de traction deux fois supérieur à
celui d’un moteur équipant le TGV SE.
TABLEAU COMPARATIF MASSE TGV SE et TGVA
• TGV PSE : 1560 kg
535 Kw (726 cv)
• TGV ATL : 1580 kg
1100 Kw (1494 cv)
Ainsi avec ce supplément de masse de seulement 20 kg, il est possible de
développer une puissance 2 fois plus grande ainsi qu’un effort au démarrage 1,6
fois plus élevé.
121
Moteur synchrone autopiloté
CONCEPTION et FONCTIONNEMENT
• Emplacement des moteurs synchrones dans le bogie TGV/A.
122
Montage du ROTOR et du STATOR
123
Vue d'ensemble du moteur monté
124
MOTEUR SYNCHRONE AUTOPILOTÉ
Structure de l’onduleur de courant et allure des grandeurs statoriques
125
Moteur synchrone autopiloté
Allure du couple électromagnétique
•
•
Le couple électromagnétique se décompose en :
- un couple constant dû à la composante fondamentale du courant statorique ;
- un couple périodique à 6 fois la fréquence d’alimentation du stator.
En décomposant en série de Fourier l’allure du couple électromagnétique, on
démontre que l’amplitude crête du couple harmonique d’ordre 6 atteint 6 % du
couple moyen
126
Moteur synchrone autopiloté
• L’onduleur triphasé de courant est constitué de 6 thyristors
qui fonctionnent en commutation naturelle, sauf aux
premiers instants de démarrage du moteur synchrone.
• La commutation du courant entre les thyristors est appelée
« commutation naturelle » lorsqu’elle s’effectue au
moyen de la tension du réseau alternatif, dans ce cas le
moteur.
• Aux premiers instants de démarrage du moteur,
l’amplitude de la tension de la machine est trop faible et la
commutation des thyristors est assurée par un circuit
auxiliaire ; ce mode de fonctionnement est appelé
« commutation assistée ».
127
Moteur synchrone autopiloté
Analyse de la commutation assistée
• Pour que la commutation naturelle puisse être assurée, lors
du fonctionnement en traction, il faut que la tension aux
bornes du moteur atteigne une amplitude suffisante. Ce
mode de fonctionnement est envisageable au-delà de 10 %,
environ, de la vitesse nominale (jusqu’à 80km/h pour le
TGVA et 15km/h pour la BB26000).
• Lorsque le moteur est à l’arrêt et pour les très faibles
vitesses, l’onduleur fonctionne en commutation assistée.
Ce mode de fonctionnement se caractérise par la
commutation du courant entre les thyristors de l’onduleur
au moyen d’un circuit annexe comprenant un condensateur
et deux thyristors.
128
Moteur synchrone autopiloté
Dans ce mode de fonctionnement, il est judicieux de
fonctionner avec un déphasage nul (cosϕ = 1) entre l’onde
fondamentale du courant statorique et la tension simple
interne. Cette caractéristique de fonctionnement est
intéressante pour les deux aspects suivants :
- le couple électromagnétique est obtenu avec une amplitude
minimale des courants statorique Is et rotorique J ;
- l’amplitude du couple pulsatoire est minimale.
129
Moteur synchrone autopiloté
Schéma de l’onduleur avec le circuit de commutation assistée
Inconvénient: le couple électromagnétique est divisé par 2 pendant la commutation
130
Moteur synchrone autopiloté
Allure du couple électromagnétique en commutation assistée,
pour un moteur simple étoile
131
BB 26000
132
Moteur synchrone autopiloté
La locomotive BB 26000
• La locomotive BB 26000 constitue une réponse au caractère
d’universalité de service voyageurs-marchandises tel qu’il est défini par
la SNCF et elle est destinée aux 2 types de missions :
a- train de voyageurs : 16 voitures Corail à 200 km/h en rampe de 2,5 ‰ ;
b- train de marchandises : 2 050 t à 80 km/h en rampe de 8,8 ‰.
•
Cette locomotive est équipée de 2 moteurs synchrones (bogie
monomoteur) et sa puissance nominale est de 5 600 kW à la jante pour
les 2 types de tension d’alimentation : 25 kV à 50 Hz et 1 500 V continu.
133
BB 26000
134
BB 26000
135
Fonctionnement en traction
BB26000
136
•
Fonctionnement en freinage
BB 26000
137
BB 26000
138
TGV-Atlantique
139
TGV-Atlantique
•
•
•
•
•
Les études des rames TGV-Atlantique ont été conduites avec 2 nouveaux
objectifs par rapport au TGV-Paris Sud-Est qui est équipé de moteurs de
traction à courant continu, soit :
augmenter la capacité « voyageurs » en portant de 8 à 10 le nombre de
remorques ;
augmenter la vitesse d’exploitation de 10 % en la fixant à 300 km/h sous
caténaire monophasée 25 kV à 50Hz.
Rappelons qu’une rame TGV-PSE se compose de 8 remorques voyageurs et
de 2 motrices équipées chacune de 6 moteurs à courant continu de 535 kW.
Une rame TGV-Atlantique se compose de 10 remorques voyageurs et de 2
motrices équipées chacune de 4 moteurs synchrones simple étoile de
1 100 kW, ce qui implique une puissance totale de 8 800 kW à la jante sous
caténaire 25 kV à 50 Hz. La composition d’un train est souvent constituée de 2
rames accouplées, mais, dans ce cas, on procède à une réduction de la
puissance sur chacune des 2 rames à cause des contraintes imposées à
l’alimentation.
140
TGV-Atlantique
141
TGV A
142
BIBLIOGRAPHIE
Polycopié transmission de puissance électrique de l’ENSAM Lille , Eric Semail.
Séminaire CPGE TSI 2004 <<modélisation aux systèmes électriques>>, Philippe
DEGOBERT.
<<Variation de vitesse des machines à courant alternatif>> Philippe Ladoux
Polycopiés de l’école d’ingénieurs du Canton de Vaud de Michel Etique
143
Complément machines synchrones
144
CENTRALES ELECTRIQUES
145
Centrales électriques
146
Centrales électriques
147
Centrales électriques
148
Centrales électriques
149
Centrales électriques
150
Centrales électriques
151
Turbines
Turbines
Pelton
Francis
Kaplan
152
Turbines
Choix des turbines en fonction
hauteur de chute/ débit
153
Turbines
Lieu
Type
Montpezat
2jets
Grand Maison
5 jets
Hauteur de chute Paires de
(m)
poles
625
7
926
7
Vitesse
(tr/mn)
428
Puisance
(MW)
60
428
157
Turbines Pelton
154
Turbines
155
Turbines
Lieu
Vianden Luxembourg
Hauteur de chute
(m)
287
Vitesse
(tr/mn)
428
Puisance
(MW)
105
Tucuriu Brésil
58
81
369
Manicuagan
155
_
1292
Turbines Francis
156
Turbines
157
Turbines
Lieu
Donzères Mondragon
Hauteur de chute
(m)
22
Vitesse
(tr/mn)
107
Puisance
(MW)
54
St laurent
24
75
-
Porto Primavera
18
75
103
Turbines Kaplan
158
Turbines
159
Turbines
160
Turbines
161
FIN
162