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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)