Électrotechnique
xxModule 5 : xx "Machine synchrone " |
Chapitre 5.4
Commande |
1.1 Principe
Le moteur synchrone ne peut fournir un couple qu’à la vitesse de synchronisme ns = 60.f / p ; pour faire varier la vitesse du moteur il faut donc agir sur la fréquence f; pour cela nous devons alimenter le moteur par un convertisseur alternatif fonctionnant à fréquence variable.
Nous pouvons utiliser un onduleur autonome, convertisseur continu-alternatif. Dans ce type de convertisseur, la fréquence est généralement imposée par la commande du convertisseur indépendamment de la charge; ce mode de fonctionnement ne convient pas ici car le risque de voir décrocher le moteur lors des variations de fréquence ou lors des variations de charge est important.
Supposons un moteur à 2 pôles alimentés à f = 50Hz; il tourne à ns = 3 000tr /min. Amenons brusquement la fréquence à f ' =25 Hz: l’inertie électrique étant faible, le champ tournant prend quasi instantanément la vitesse n’s = 1 500 tr /min; l’inertie mécanique ne pouvant être négligée, le rotor continue à tourner à ns , le moteur est désynchronisé et son couple moteur s’annule; freiné par sa charge, le rotor se bloque très rapidement et n’a pas le temps de se synchroniser au passage à n’s ; il y a décrochage.
Pour éviter cela, il faut que la commande de l’onduleur soit asservie à la vitesse et à la position du rotor; à chaque instant les phases du rotor doivent être alimentées de telle sorte que le champ tournant reste synchrone du rotor avec une avance fonction du couple demandé. Le moteur va donc donner les ordres de commande des interrupteurs de son convertisseur de commande; nous dirons que le moteur est auto-piloté suivant le schéma de principe de la fig.2.
La machine synchrone auto-pilotée devient analogue à une machine à courant continu: l’alimentation de l’onduleur se fait par un générateur continu et le système de pilotage remplace le collecteur de la machine continue. Dans celle-ci le système balais-collecteur aiguille le courant d’induit vers les sections de façon à obtenir une répartition stationnaire des courants de barres pour que les champs magnétiques inducteur et induit soient de même nature c’est à dire fixes dans le temps. Dans la machine auto-pilotée l’onduleur et sa commande doivent créer au stator un champ de même nature que le rotor, c’est à dire un champ tournant à la vitesse du champ rotor.
Nous verrons par la suite que le moteur synchrone auto-piloté a des caractéristiques semblables à celles de la machine continue.
1.2 Choix de l’onduleur
Il existe deux types d’onduleur:
l’onduleur de tension
le convertisseur est alimenté par un générateur de tension continue et impose l’onde de tension aux bornes de la charge. Ce type d’onduleur est aisément réalisé avec des interrupteurs commandés formés par un transistor et une diode tête-bêche; dans ce cas la commande est simplifiée puisque les interrupteurs sont commandés à l’ouverture et à la fermeture.
l’onduleur ou commutateur de courant
le convertisseur est alors alimenté par un générateur de courant continu et impose l’onde de courant dans la charge. Ce type d’onduleur est le plus souvent réalisé avec des thyristors en recherchant la commutation naturelle pour éviter les circuits de blocage.
Nous étudierons par la suite ce mode de commande.
2.1 Principe du moteur piloté en courant
Un générateur idéal de courant continu Io alimente un onduleur PD3 formé de six thyristors. Les trois phases A, B,C du stator sont supposées couplées en étoile.
Les principes de fonctionnement sont :
v La continuité du courant source impose qu'il y ait à chaque instant deux thyristors passants, un du groupe en anodes communes 1, 2, 3 et un du groupe en cathodes communes 4, 5, 6.
v Le courant dans chaque phase du moteur ne peut prendre que trois valeurs : Io, 0 et -Io
v Le champ magnétique créé par chaque phase du stator est porté par l'axe de cette phase
v Il ne peut y avoir que deux phases stator alimentées simultanément, l'une parcourue par Io et l'autre par - Io . Le champ stator est créé par la composition des champs des deux phases alimentées.
v L'alimentation du stator doit être telle que l'angle entre les champs stator Bs et rotor Br reste constant
Envisageons la séquence de commande des thyristors permettant le pilotage du moteur:
v A l’instant t = 0, nous amorçons les thyristors 1 et 5; les intensités dans les phases du stator sont: jA = Io ;
jB = -Io ; jC = 0 ; avec les sens représentés sur la fig..4.a, la phase A crée le champ BA dirigé suivant l’axe NA , la phase B crée le champ BB de même module et dirigé suivant l’axe -NB et la phase C crée un champ nul; le champ résultant stator Bs est porté par la bissectrice de l’angle (NA, -NB); il est donc dans le plan CC’.
Envisageons le cas où le moteur tourne dans le sens horaire et où le rotor réel a un retard de 60° sur le rotor fictif; nous pouvons alors placer le champ rotor Br suivant cet axe, donc dans le plan BB'. Si la machine a deux pôles et est alimenté à la fréquence f; nous avons la vitesse angulaire W = w /p = w = 2.p.f =2.p / T.
v Faisons tourner le rotor de 60° (fig.4.b); le temps mis pour cette rotation est : t = p /3.W= T/ 6; le champ rotor est dans le plan AA', le champ stator doit avoir tourné également de 60° donc doit se trouver dans le plan BB'; nous voyons que les intensités de phase doivent être: jA = Io ; jB = 0 ; jC = -Io ; les thyristors amorcés doivent donc être 1 et 6.
v Sur les fig.4.c à 4.f sont représentées la position du rotor réel tous les 1/ 6 de période, la position du champ stator 60° en avant et le sens des intensités dans les enroulements; nous en déduisons la suite de combinaisons de thyristors amorcés.
Chaque thyristor conduit donc pendant T/ 3 et il y a six commutations décalées de T / 6 par période; nous retrouvons le fonctionnement normal d’un pont PD3. Le capteur de position fixé sur l’arbre de la machine repère la position de l’axe du rotor par rapport à l’axe de la phase A. Il fournit donc un signal de fréquence proportionnelle à la fréquence de rotation donnant une information sur le décalage du rotor; ce signal est utilisé pour élaborer les signaux de commande des thyristors; par exemple sur la fig..4, le thyristor 1 est amorcé à 0, T, 2T, ... L’axe du rotor repéré par Br passe sur l’axe de la phase A à 7.T/ 12 (état entre fig.4.c et 4.d). La commande de gâchette de 1 doit donc intervenir avec un retard de 5.T/12 par rapport au passage du rotor sur l’axe de la phase A.
La machine synchrone fonctionnant en moteur, la puissance active est transférée de la source continue à la source alternative constituée par les f.é.m. du moteur; le pont fonctionne en onduleur. Les redresseurs à thyristors peuvent fonctionner en redresseur ou en onduleur, assurant la réversibilité du transfert de puissance active; mais le transfert de puissance réactive n’est pas réversible: la puissance réactive doit être fournie par la source alternative quel que soit le fonctionnement; le moteur autopiloté en courant doit donc fournir de la puissance réactive c’est à dire fonctionner en surexcitation.
La commutation naturelle exige cette condition pour que dans chaque phase l’intensité s’annule avant le tension. C’est donc la f.é.m de la machine qui assure les blocages des thyristors; celle-ci doit être suffisante pour jouer ce rôle; en particulier au démarrage la f.é.m. est nulle et il faudra trouver un artifice pour assurer le fonctionnement du pont.
2.2 Montage complet
Le capteur de position permet de fixer le déphasage y entre le fondamental du courant ja et la f.é.m ea de la phase.
Lorsque la machine synchrone fonctionne en moteur, elle absorbe de la puissance active; le pont PT fonctionne donc en onduleur, la valeur moyenne Uc est positive et l’angle de retard à l’amorçage a est supérieur à 90°. Le pont PT' doit fonctionner en redresseur avec une valeur moyenne Uc' positive et un angle de retard à l’amorçage a' inférieur à 90°.
Le pont PT ne peut fonctionner en commutation naturelle, c’est à dire sans circuit de blocage des thyristors, que si les f.é.m de la machine sont suffisantes et si le déphasage j est négatif.
Au démarrage, la vitesse donc la f.é.m est nulle et les thyristors du pont PT ne peuvent se bloquer une fois amorcés. Pour imposer le blocage, la solution choisie ici consiste à utiliser le pont PT'. Au démarrage, la fréquence de fonctionnement de PT, égale à la fréquence f = p.n / 60 du moteur, est faible devant la fréquence f ' ( par exemple pour n =10 tr/ min et p = 6 , f = 1 Hz). La durée de conduction d’un thyristor de PT est très grande devant celle d’un thyristor de PT’. Si nous faisons fonctionner PT’ en onduleur à l’instant du blocage d’un thyristor de PT, repéré par le capteur de position, la tension Uc' devient négative et le pont PT n’est plus alimenté . PT’ force alors le blocage de PT. Pour éviter des régimes transitoires sévères dans l’inductance de lissage L, le thyristor auxiliaire Taux est alors amorcé pour maintenir le courant Io dans L.
Si nous voulons freiner le moteur, nous pouvons inverser le fonctionnement de la machine synchrone qui devient génératrice; le pont PT doit alors fonctionner en redresseur et le pont PT’ en onduleur.
Si nous voulons inverser le sens de rotation de la machine synchrone, nous devons inverser le sens du champ tournant stator; ceci peut être réalisé en permutant deux des phases du moteur. Si la commande le permet, le sens de rotation peut être changé en permutant respectivement les signaux de commande des thyristors 2 et 3 d’une part, 5 et 6 d’autre part.
Le courant dans le stator n'est pas sinusoïdal ( fig.6). jA étant périodique, alternatif et pair, sa décomposition en série de Fourier ne comporte que des termes en cosinus de rang impair:
Supposons que la f.é.m est sinusoïdale:
L'angle des deux champs étant égal à p / 2 + y, pour maintenir le synchronisme la commande doit maintenir un déphasage y constant.
La f.é.m efficace E est proportionnelle à la vitesse Ws et au courant d'excitation Iex pour une machine non saturée E = K.Iex.Ws . Le moment du couple est T = Pem / Ws ; en remplaçant E et JAf par leurs expressions, il vient :
l'angle y étant constant, nous avons : T = Kt.Iex.Io. La puissance absorbée par le moteur est égale à la puissance fournie au commutateur de courant : Pem = 3.E.JAf.cos y = Uo.Io =3.V.JAf.cos j ; la tension Uo est liée à la tension par phase V et à l'angle de retard à l'amorçage a des thyristors par la relation :
Nous constatons donc que pour un moteur asynchrone auto-piloté fonctionnant à excitation constante : * la tension d'alimentation Uo du commutateur de courant fixe la vitesse de la machine * le couple résistant égal au couple moteur en régime permanent fixe le courant absorbé par le commutateur.
L'ensemble commutateur - moteur - commande d'autopilotage a les mêmes propriétés que la machine à courant continu : la tension fixe la vitesse et le couple le courant absorbé. Pour les machines de faible à moyenne puissance, les moteurs synchrones utilisés sont excités par des aimants permanents; ils prennent alors le nom de "moteurs sans balais" (brushless en anglais).
, seul le fondamental du courant de même fréquence que la f.é.m. peut créer de la puissance active Pem = 3.E.JAf.cos y. Dans la suite, nous ne considérerons donc que le fondamental du courant dans les calculs.
; de l'égalité des puissances, nous déduisons cos j = - cos a soit a = p + j et
