Machine synchrone autopilotée

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
magnétique
Pièce
polaire
aimant
Cale
amagnétique
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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 :rotorique=cte
 Nous supposerons pour des raisons de simplicité la machine alimentée par des courants
sinusoïdaux
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b) Schéma électrique équivalent :
Alimentation
du stator
ROTOR
M3

Lws
Is
Fem induite
dans le stator
par le champ
rotorique (liée
au rotor)
V
Ev
STATOR
V= Ev + jLws * Is
Le champ tournant statorique tourne à ws=2fs avec fs fréquence d’alimentation du stator
Le champ tournant rotorique tourne à w=2n.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
Is


V

jLws.Is

Br
Ev
3
d) Calcul :
P= 3Ev.Is.cos
Cem=P/s=3Ev.Is.cos/s
avec Ev proportionnelle à ws (Ev=kws) et s=ws/p, on obtient :
Cem= 3.p.k.ws.cos/ws=3pkIs cos
Cem=K.Is.cos
Avec k=3pr
Autre expression :
P=3.V.I.cosCem=3pVIcos/ws
avec lwsIscos=Evsin, on obtient Cem=3pEvsin/L(ws)²
or Ev=k.ws donc Cem=3pk(V/ws)sin.
Cem=K(V/ws)sin.
I.4. remarques sur les machines à pôles saillants :
Vqs
Vs
Vds
Xqs.Iqs

Iqs
Ids

EV
Xds.Ids
Axe q

Axe d
Vqs = Ev + Xds Ids
Cem=3.p.r.Is.cos - 3/2.p.(lds-lqs).Is².sin(2)
Vds = Xqs . Ids
Vs = Ev + Xds. Ids + j Xqs Iqs
Avec Vs= Vds + j Vqs et Is = Ids + jIqs
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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
Vs
Onduleur
MS
3
fs
Vs
w

Ev
ws
ws=2fs
 On augmente ws  w ne varie pas instantanément (inertie).
1)  augmente  sin augmente  Cem=ksin augmente si le couple moteur augmente, le
synchronisme peut s’établir à nouveau
2) Si  dépasse /2  sin diminue Cem=ksin diminue si le couple moteur dimùinue w
diminue, il n’y a plus synchronisme des champs : on a un décrochage.
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2) Alimentation en courant.
Is
Onduleur de courant
MS
3
fs
21) Is en retard sur Ev : (avec circuit d’aide à la commutation)
Ev
w

Is
ws
22) Is en avance sur Ev (commutation assistée par les tensions si Is en avance sur Vs)
Is
w

Ev
ws
 On augmente ws.
21)  diminue Cem augmente (cos augmente) accélération synchronisation.
22)  augmente Cem diminue (cos 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.
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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
+

Cem=k.(Vs/ws).sin
Le capteur de position règle l’instant d’amorçage et de blocage des interrupteurs de manière à avoir le 
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
Is

Commande
Is
+

Cem = K.Is.cos
Le capteur de position fixe l’instant d’amorçage et de blocage des interrupteurs de manière à avoir le 
désiré. La vitesse de rotation fixe la pulsation des courants statoriques et assure le synchronisme de
champs.
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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)
Is1
Onduleur MLI
Redresseur
Is2
MS
3
Is3
Filtre
Dissipation
Asservissement
sin(-x-2/3)
sin(-x)
sin(-x+2/3)
x
Is consigne
(Amplitude)
Angle de
commande x
Cem=k.Is.cos
C
Puissance
constante
cos 
Is
CN
fs
fsN
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 IV.2 Fonctionnement
L’onduleur MLI alimente la MS 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 Is 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
( 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 MS 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).
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Moteur brushless
MCC à aimants
Caractéristiques générales
Caractéristiques générales
 Pas d’entretien (pas de
 Simplicité du variateur (hacheur).
collecteur) Utilisable en
 Pris bas.
atmosphère explosive, corrosive.
 Pas d’électronique interne.
 Excellente dissipation
thermique.(Pj au stator
seulement).
Avantages
Caractéristiques dynamiques et
Caractéristiques dynamiques et
statiques
statiques
 Puissance massique >>
 Bien adaptée aux basses vitesses
(P/m :kw/kg)
 Vitesse max >>. (pas de
où elles ont une régularité de
marche excellente.
collecteur).
 Faible inertie (forte accélération).
 BP mécanique>>(dynamique
>> possible.
Caractéristiques générales
Caractéristiques générales
 Electronique interne.
 Entretien (balais, colllecteurs).
 Prix élevé.
 Se dégrade en atmosphère
 Structure d’alimentation et de
corrosive, explosive.
régulation complexe mais
Inconvénients
maîtrisée.
Caractéristiques dynamiques et
Caractéristiques dynamiques et
statiques
statiques
 A basse vitesse les harmoniques
 Vitesse max limitée par le
peuvent créer des ondulation de
couple.
collecteur.
 Puissance massique <<MS
 Inertie >>MS
 BP mécanique <<MS
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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)

=
=
MS

=
Convertisseur
statique non
contrôlable ou
source de
tension
constante (PD2)
Filtre
Dissipation
Convertisseur
statique
contrôle en
tension
(hacheur)
Onduleur de
tension (type
120°)

Cem=k.(vs/ws).sin
C
sin 
P=PN=Cte
CN
fs
fsN
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.
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 VI.2 Très fortes puissances.
Id
Is
MS

Irèf
Cem= K.Is.cos
C
cos 
I
P=PN=cte
CN
fs
fsN
Applications :
 TGV atlantique (800KW).
 Alternateur de centrale hydraulique (1MW).
 Génie chimique : compresseur, centrifugeuse, mélangeuse.
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