Moteur brushless

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
magnétiqu
e
Pièce
polaire
aimant
Cale
amagnétique
1
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 :Φrotorique=cte
 Nous supposerons pour des raisons de simplicité la machine alimentée par des courants sinusoïdaux
2
b) Schéma électrique équivalent
:
Alimentation du stator
ROTOR
M3
∼
Lws
Is
V
Fem induite dans le stator par le champ rotorique (liée au rotor)
Ev
STATOR
V= Ev + jLws * Is
Le champ tournant statorique tourne à ws=2πfs avec fs fréquence d’alimentation du stator
Le champ tournant rotorique tourne à w=2πn.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
ϕ
ψ
V
ϕ
jLws.Is
θ
Br
Ev
3
d) Calcul
:
P= 3Ev.Is.cosψ
Cem=P/Ωs=3Ev.Is.cosψ/Ωs
avec Ev proportionnelle à ws (Ev=kws) et Ωs=ws/p, on obtient :
Cem= 3.p.k.ws.cosψ/ws=3pkIs cosψ
Cem=K.Is.cosψ
Avec k=3pΦr
Autre expression :
P=3.V.I.cosϕCem=3pVIcosϕ/ws
avec lwsIscosϕ=Evsinθ, on obtient Cem=3pEvsinθ/L(ws)²
or Ev=k.ws donc Cem=3pk(V/ws)sinθ.
Cem=K(V/ws)sinθ.
I.4. remarques sur les machines à pôles saillants :
Vqs
Vs
Vds
Xqs.Iqs
δ
Iqs
Ids
ϕ
EV
Axe q
Xds.Ids
ψ
Axe d
Vqs = Ev + Xds Ids
Vds = Xqs . Ids
Cem=3.p.Φr.Is.cosΨ ­ 3/2.p.(lds­lqs).Is².sin(2Ψ)
Vs = Ev + Xds. Ids + j Xqs Iqs
Avec Vs= Vds + j Vqs et Is = Ids + jIqs
4
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
θ
Ev
ws
ws=2πfs
❐ On augmente ws  w ne varie pas instantanément (inertie).
1) θ augmente  sinθ augmente  Cem=ksinθ augmente si le couple moteur augmente, le synchronisme peut s’établir à nouveau
2) Si θ dépasse π/2  sinθ diminue Cem=ksinθ diminue si le couple moteur dimùinue w diminue, il n’y a plus synchronisme des champs : on a un décrochage.
5
2) Alimentation en courant.
Is
MS
3∼
Onduleur de
courant
fs
21) Is en retard sur Ev : (avec circuit d’aide à la commutation)
Ev
w
ψ
Is
ws
22) Is en avance sur Ev (commutation assistée par les tensions si Is en avance sur Vs)
Is
w
ψ
Ev
ws
❐ On augmente ws.
ψ diminue Cem augmente (cosψ augmente) accélération synchronisation.
ψ augmente Cem diminue (cosψ 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.
6
III. L’autopilotage : principe  III.1 Commande en tension.
Capteur de position
qui repère l’axe du
rotor
Onduleur de tension
Vs
MS
3∼
Commande
+
Vs
θ
Cem=k.(Vs/ws).sinθ
Le capteur de position règle l’instant d’amorçage et de blocage des interrupteurs de manière à avoir le θ
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
MS
3∼
Commande
+
Is
ψ
Cem = K.Is.cosψ
Le capteur de position fixe l’instant d’amorçage et de blocage des interrupteurs de manière à avoir le ψ
désiré. La vitesse de rotation fixe la pulsation des courants statoriques et assure le synchronisme de champs.
7
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
MS
3∼
Is2
Is3
Dissipation
Filtre
Asservissemen
t
x
sin(ψ-x-2π/3)
sin(ψ-x)
sin(ψ-x+2π/3)
Angle de
commande x
Is consigne
(Amplitude)
Cem=k.Is.cosψ
C
Puissance
constante
cosψ ↑
Is↑
CN
fsN
fs
8
 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 (Φ
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).
9
Moteur brushless
Caractéristiques générales
MCC à aimants
Caractéristiques générales
 Pas d’entretien (pas de collecteur)  Simplicité du variateur (hacheur).
 Utilisable en atmosphère  Pris bas.
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
1
 BP mécanique <<MS
1
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)
θ
Onduleur
de tension
(type 120°)
Cem=k.(vs/ws).sinθ
C
sinθ ↑
P=PN=Cte
CN
fsN
fs
On maintient Vs/fs=cte jusqu'à vitesse nominale, au delà, Vs=cte.
Application brushless: ■ Entraînement de disques, ventilateurs sur micro­ordinateurs.
■ Enregistrement et reproduction audio­vidéo.
■ Instrumentation aéronautique et spatiale.
1
 VI.2 Très fortes puissances.
Id
Is
MS
ψ
Irèf
Cem= K.Is.cosψ
C
cosψ ↑
I↑
P=PN=ct
e
CN
fsN
fs
Applications :
■ TGV atlantique (800KW).
■ Alternateur de centrale hydraulique (1MW).
■ Génie chimique : compresseur, centrifugeuse, mélangeuse.
1