christian koechli - epfl

Electromécanique I

13 Moteur synchrone Christian Koechli

13. Moteur synchrone

Objectifs du cours

• Principe de fonctionnement

• Equations de tension induite

• Equations de couple

• Modes d’alimentation

13. Moteur synchrone

Principe de fonctionnement

• Champ tournant statorique ws≠0

• Champ continu rotorique wr=0

• Le rotor tourne à vitesse synchrone (= vitesse du champ

tournant)

• Le couple est dû à l’interaction de ces deux champs

13. Moteur synchrone

N

S

N

S

Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques

13. Moteur synchrone

N

S

d

Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques

13. Moteur synchrone

Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques

13. Moteur synchrone

N

S

N

S

Bs

Br

N S

S

N

N

S

S N

Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques

13. Moteur synchrone

N

S

d

d

N

N

S N S

S

S

N

Bs

Br

Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques

13. Moteur synchrone

N

N

S

N S

S

S N

Bs

Br

Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques

13. Moteur synchrone

Champ tournant statorique

13. Moteur synchrone

Champ tournant statorique

13. Moteur synchrone

Champ tournant statorique

13. Moteur synchrone

Champ rotorique

N

13. Moteur synchrone

Champs en phase: couple nul

N

13. Moteur synchrone

Champs déphasés (moteur)

13. Moteur synchrone

Champs déphasés (génératrice)

13. Moteur synchrone

Modes d’utilisation

• Autocommutation

=> angle entre les champs statorique et rotorique fixe

=> fonctionnement à vitesse variable

=> le couple moteur varie en fonction du courant.

• Fonctionnement en boucle ouverte

=> angle dépendant de l’état de charge

=> fonctionnement à vitesse fixe

=> le couple moteur varie en fonction de la charge.

13. Moteur synchrone Moteur synchrone structures rotoriques

13. Moteur synchrone

Moteur à aimants tangentiels éléments finis

13. Moteur synchrone

Moteur à magnétisation tangentielle (Bosch ebike)

Source:ebikee.com

13. Moteur synchrone

Variantes

13. Moteur synchrone

Moteur CCSC de pompes immergées

13. Moteur synchrone Moteurs à rotor externe

13. Moteur synchrone

Moteur à rotor externe

rcuniverse.com

13. Moteur synchrone

Bobinage concentrique

13. Moteur synchrone

Bobinage réparti

13. Moteur synchrone

Bobinage dans l’entrefer

13. Moteur synchrone

Moteur à flux axial

13. Moteur synchrone

g

dra

hg

ef

dmi

dma

m ef

ax

cgbg

g

N S N

S

S

Rotor à griffes

13. Moteur synchrone

Equation de tension induite

11 1

1 1 1

1 1

111 1

ss

s s e

e e e

es s e

du R i

dt

L i

N

diu R i L N

dt

13. Moteur synchrone

Equation de tension induite

11

1

1

111 1

11 1

ˆ cos( )

ˆ sin( ) sin( )

sin( )

ee e

e es

e es e e

es s e

s s e

u N

p

u p N p k t

diu R i L N

dt

diu R i L k t

dt

w

w

Ke: coefficient de tension induite [Vs]

13. Moteur synchrone

Schéma équivalent

ÛS

RS jXS

Ûes = ke.Ω

ÎS

Ûs = Rs.Îs + j Xs.Îs + Ûe

13. Moteur synchrone Diagramme tension - courant

Ûe

Û

ε

φ Î

ψ

RsÎ

ZsÎ

φS

jXsÎ

Ûs = Rs.Îs + j Xs.Îs + Ûe

jXsÎ

Ûe

Î

Û

RsÎ ZsÎ

φS

ε,φ

ψ = 0

jXsÎ

Ûe

Î

Û

RsÎ ZsÎ

φS

ε,φ

ψ = π

13. Moteur synchrone

Expression du couple

1 2 31 2 3

e e ee e eM N i N i N i

13. Moteur synchrone

Autocommutation

• On détermine la position du champ tournant en fonction

de la position du rotor

• => Capteurs de position du rotor

• Modes d’alimentation

– En courant

– En tension

13. Moteur synchrone

Couple en régime sinusoïdal

M = 3/2 ke.Îs.cosψ

Source de courant

M = 3/2 ke/Zs.[Ûs.cos(φs – ε) – ke.Ω.cosφs]

Source de tension

M = 3/2 ke/Zs.[Ûs.cos(φs – ε) – ke.Ω.cosφs] = Mr Circuit ouvert

M = 3/2 ke/Zs.[Ûs.cos(φs – ε) – ke.Ω.cosφs] = Mr

Auto-commuté

13. Moteur synchrone

Choix pour l’autocommutation

• Alimentation en courant

• Alimentation en tension: maximum de couple

• Alimentation en tension: maximum de rendement

• Alimentation en tension: angle de commutation fixe

M = 3/2 ke.Îs.cosψ

M = 3/2 ke/Zs.[Ûs.cos(φs – ε) – ke.Ω.cosφs]

13. Moteur synchrone

Caractéristique de couple

13. Moteur synchrone

Réalisation de l’autocommutation: pont triphasé

UDC

T1

T2

T3

T4

Rshunt: mesure de courant

T5

T6

13. Moteur synchrone

Modes de fonctionnement

• Boucle ouverte, sinus

• Boucle ouverte, mode pas-à-pas

• Boucle fermée, 120°

• Boucle fermée, 180° (historique)

• Boucle fermée, sinus

• Boucle fermée, sensorless

13. Moteur synchrone

Alimentation à 120°

UDC

T1

T2

T3

T4

Rshunt: mesure de courant

T5

T6

13. Moteur synchrone

Alimentation à 120°

UDC

T1

T2

T3

T4

Rshunt: mesure de courant

T5

T6

13. Moteur synchrone

X V

Y

X

U

X

X W

Z

Champ «tournant» en 120°

U-W+

U+W-

V-W+

V+W-

U+V-

U-V+

13. Moteur synchrone

T3

T5

T/2 T

T1

T2

T4

T6

uph

Commutation à 120°

13. Moteur synchrone

Alimentation 3 phases ON

UDC

T1

T2

T3

T4

Rshunt: mesure de courant

T5

T6

13. Moteur synchrone

Boucle fermée sinus

• Le moteur est alimenté avec un courant triphasé

sinusoïdal

• Le courant est déterminé à partir de la position du rotor

13. Moteur synchrone

Commutation sans capteur

La position du rotor est déterminée à partir de la mesure

des grandeurs électriques (tension, courant) du moteur

uniquement

111 1

11 1 sin( )

es s e

s s e

diu R i L N

dt

diu R i L k t

dt

w

13. Moteur synchrone

Example: alimentation 120°

UDC

T1

T2

T3

T4

T5

T6

Motor

En un instant donné, seulement deux des trois phases

sont alimentées. La troisième est utilisée pour

déterminer la position à partir du passage par zéro de

sa tension induite

13. Moteur synchrone

Zero crossing measurements

Phase current 0.1A/div

Phase voltage

5V/div Passage par zéro de

la tension induite

Phase ON OFF ON OFF

ON Time

500 ms/div

13. Moteur synchrone

Sensorless: sinus

13. Moteur synchrone

Sensorless sinus

13. Moteur synchrone

Ventilateurs triphasés (sensorless)