Machine synchrone autopilotée : application aux asservissements

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MACHINE SYNCHRONE
MACHINE BRUSHLESS (SYNCHRONE AUTOPILOTE)
SOMMAIRE
1 GENERALITES ................................................................................................................2
1.1 DOMAINES D’EMPLOI .............................................................................................................................................................. 2
1.2 CONSTITUTION SOMMAIRE ET SYMBOLES NORMALISES DES MACHINES SYNCHRONES .............................................................................. 3
1.3 PRINCIPE D’UNE MACHINE SYNCHRONE DE TYPE PAS A PAS A 2 POLES ET 2 ENROULEMENTS ..................................................................... 3
1.4 TYPES DE ROTOR (GEOMETRIE ET MODE D’EXCITATION) ................................................................................................................... 4
1.5 ALIMENTATION DE L’INDUIT, CREATION DU CHAMP TOURNANT ET ALLURES DES COURANTS ...................................................................... 4
2 RELATIONS DE BASE ET MODELE SIMPLIFIE DE BEHN ESCHENBURG ................................5
2.1 VITESSE DE ROTATION OU DE SYNCHRONISME S OU NS. ................................................................................................................ 5
2.2 MODELE ELECTRIQUE SIMPLIFIE POUR UN ENROULEMENT OU PHASE (CONVENTION GENERATEUR) ............................................................. 5
2.4 BILAN DE PUISSANCE ......................................................................................................................................................... 7
3 CARACTERISTIQUE ELECTROMECANIQUE [C = F(Ω)] ........................................................7
3.1 POUR UNE MACHINE AUTOPILOTEE ............................................................................................................................................. 8
3.2 POUR UNE MACHINE RACCORDEE AU RESEAU ................................................................................................................................ 8
3.3 LIMITES OU ENVELOPPE DE FONCTIONNEMENT .............................................................................................................................. 8
4 CONTROLE D’UNE MACHINE SYNCHRONE PAR ONDULEUR, AUTOPILOTAGE...................8
4.1 DEVELOPPEMENTS DE LA COMMANDE .............................................................................................................................. 9
4.2 PILOTAGE VECTORIEL ...................................................................................................................................................... 10
4.3 AVANTAGES ET INCONVENIENTS. .................................................................................................................................... 11
4.4 MOTORISATION D’UN VEHICULE HYBRIDE (TYPE TOYOTA PRIUS) ...................................................................................................... 12

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MACHINE SYNCHRONE ET MOTEUR BRUSHLESS (SYNCHRONE AUTOPILOTE)
Une machine synchrone (MS) est un convertisseur électromécanique réversible, elle peut fonctionner soit en
moteur, soit en génératrice. On la nomme alors alternateur.
1 GENERALITES
1.1 Domaines d’emploi
Petites puissances, (de 1 W à 100 W environ)
 Entraînement de programmateurs horaires, ventilateurs sur micro-ordinateurs, enregistrement et reproduction audio-
vidéo, modélisme (auto, trains et engins volants).
 Instrumentation médicale, micro mécanismes automobile, modélisme, mini drone…
Moyennes puissances, (de 100 W à 100 kW environ)
 Machines d’usinage numérique (UGV), commande de mécanismes (aéronautique et espace…).
 Alternateur automobile classique (1 à 3 kW), entraînement direct du tambour des lave linge modernes…
 Motorisation de véhicules électriques ou hybrides (vélo à assistance électrique, scooter, Prius Toyota…).
Fortes puissances, (de 100 kW à 1,5 GW environ)
 Motorisation ferroviaire (TGV atlantique à rotor bobiné 800KW, 1100kg / PSE à rotor aimants : 722kW, 720kg,
4570tr/min maxi), entrainement d’hélices de bateaux de croisières (
 Production d’énergie électrique, alternateur de centrale thermique (nucléaire 900 MW à 1300 MW, 1500 tr/min) ou
hydraulique (480 MW, 107 tr/min), éolienne (5 MW).
 Industrie : compresseur, centrifugeuse, mélangeuse.
AR.Drone PARROT quadrirotor.
Moteur brushless spécialement conçu et sa
carte de contrôle.
Pu = 15 W, N variable de 10350 à 41400 tr/min
N = 28000 tr/min en vol stabilisé, soit 3300
tr/min pour les hélices, contrôle par
microcontrôleur basse consommation 8bits.
Usinage à grande vitesse (UGV)
vitesse de coupe de 1000 m/min
dans l’acier, 10 fois la vitesse
d’usinage traditionnelle.
Moteur de broche UGV
Pu = 2 kW, N = 40000 tr/min
Paquebot de croisière Star Princess :
Propulseur «POD» avec moteur intégré dans
une nacelle orientable fixée sous la coque,
entraînant une hélice à pas fixe et vitesse
variable.
Pumax = 14 MW à f = 29Hz ; 24 pôles

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1.2 Constitution sommaire et symboles normalisés des machines synchrones
L'induit est porté par le stator
Il est constitué d’un, deux ou trois
enroulements (machine monophasée,
biphasée ou triphasée) parcourus par
des courants alternatifs.
Symboles
Induit
Stator
Inducteur
Rotor
Roue polaire
MS
MS
3~
Monophasé
Triphasé
L'inducteur est porté par le rotor.
On le désigne aussi « roue polaire ».
Il est constitué soit, d'électroaimants
parcourus par un courant continu ou
d'aimants permanents.
1.3 Principe d’une machine synchrone de type pas à pas à 2 pôles et 2 enroulements
Commande en pas entier (90°/pas) :
Sur la figure a), le premier bobinage est alimenté
seul, le sens de I1 est tel qu’il crée un pôle Sud en
vis-à-vis du pôle Nord du rotor. Les deux pôles de
noms contraires s’attirent, d’où la position du
rotor.
Pour une rotation dans le sens horaire,
compléter les figures b) c) et d), en plaçant les
courants dans les bobines et la position du rotor
avec le pôle nord.
a)
b)
c)
d)
COMMANDE EN PAS ENTIER (avance de 90°/pas) : Compléter le tableau suivant pour les 2 sens de rotation.
Sens horaire
Sens anti horaire
a)
b)
c)
d)
a)
b)
c)
d)
I1
I2
COMMANDE EN DEMI PAS (avance de 45°/pas): On alimente simultanément 2 bobines, le rotor se place dans une
position médiane. Compléter le tableau suivant pour le sens de rotation horaire.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
I1
I2
I1 = + I
I2 = 0
I2 =
I1 =
I2 =
I1 =
I2 =
I1 =

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1.4 Types de rotor (géométrie et mode d’excitation)
Rotor à pôles saillants (fig.3.a) :
Pour des vitesses périphériques réduites.
Ce sont les alternateurs de vitesse < 1500
tr/min, produisant l’énergie à 50 Hz dans
les centrales hydrauliques, et dans les
éoliennes.
Figure 3.a : rotor à pôles saillants
Rotor à pôles lisses (fig.3.b) :
Cette construction assure une grande
robustesse mécanique. Elle est adoptée
pour les alternateurs de fortes puissances
dont la fréquence de rotation est élevée
(3000 et 1500 tr/min), associé aux
turbines à vapeur (centrales thermiques
et nucléaires.
Figure 3.b : rotor à pôles lisses
Rotor bobiné (fig. 4.a)
L’enroulement rotorique est bobiné
et alimenté au travers de 2 bagues
tournantes et de 2 balais.
Rotor à aimants (fig. 4.b)
Plus de bagues et balais, les aimants en
terre rare (Samarium Sm60; Néodyme
Nd62) sont collés.
Fig.4.a Rotor bobiné + bagues + balais
Fig.4.b Rotor à aimants permanents
1.5 Alimentation de l’induit, création du champ tournant et allures des courants
Pour une machine synchrone triphasée (figure 5), l’induit est constitué de trois groupes de conducteurs logés dans les encoches
du stator, et décalés d'un angle convenable les uns par rapport aux autres. Ils sont parcourus par trois courants qui forment un
système triphasé. La force magnétomotrice totale crée un champ tournant.
Fig.5 MACHINE TRIPHASEE
Disposition spatiale des 3 enroulements,
Machine bipolaire
Ondes sinusoïdales pour les
alternateurs de puissance ou les
moteurs reliés au réseau.
Ondes en créneau pour les
machines alimentées par onduleur
(moteur autopilotés ou brushless).

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1.6 Relations magnétiques entre rotor et stator
On envisage une machine bipolaire.
- L’inducteur seul (aimant ou rotor bobiné) génère le flux ψf dans la totalité d’une phase d’induit.
- L’induit seul, avec ses trois enroulements, génère le flux ψI dans la totalité d’une phase d’induit.
- Il en résulte pour l’ensemble inducteur et induit le flux ψt dans la totalité d’une phase d’induit.
Angle interne
δ
: L’angle entre ψt et ψf noté
δ
est appelé angle interne, il correspond aussi à l’angle entre V et E.
Cet angle est caractéristique de l’état de charge et du mode de fonctionnement de la machine (Moteur ou générateur).
L’angle interne est fondamental pour le point de fonctionnement de la machine et de sa charge mécanique, ainsi que pour le
pilotage de la machine.
2 RELATIONS DE BASE ET MODELE SIMPLIFIE DE BEHN ESCHENBURG
2.1 Vitesse de rotation ou de synchronisme s ou Ns.
Comme l’indique son nom, la machine synchrone à un rotor (inducteur) dont la rotation est synchronisée
sur le champ tournant produit par le stator (induit), elle n’a pas de glissement.
La vitesse s ou Ns est directement liée à la fréquence f de l’alimentation et au nombre de paires de pôles p.
p
s
en rd/s
p
f
ns
en tr/s
2.2 Modèle électrique simplifié pour un enroulement ou phase (convention générateur)
Ce modèle est réduit à un circuit R, L, E série.
 E est la fem, V la tension simple aux bornes de l’enroulement
et J (ou I) le courant le traversant
 R est la résistance d’un enroulement
 L est l’inductance synchrone* (on pose également X = Lw
réactance) de l’enroulement.
E fem développée par la rotation du rotor aux bornes d’un enroulement, est directement proportionnelle à la vitesse et au flux sous un pôle
qui dépend de l’excitation magnétique fournie par l’inducteur tournant soit bobiné soit à aimants permanents.
* L est une inductance qui tient compte du couplage magnétique entre les trois enroulements et le rotor. Elle est valable seulement en régime
établi et pour les machines à pôles lisses, d’où une des principales limite du modèle…
L = Lp + 2.M avec Lp Inductance propre d’un bobinage ; M mutuelle entre bobinages ; L inductance synchrone ou de Behn Eschenburg
I
jX = jL.ω
R
E
V