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RÉSUMÉ
Les machines synchrones sont des machines électriques dont la vitesse de rotation de l’arbre de sortie est égale à la vitesse de rotation du champ tournant. Suivant leur mode de fonctionnement, elles permettent soit de générer un courant électrique (mode "génératrice"), soit de produire un mouvement de rotation du rotor (mode "moteur"). Cet article se concentre sur le mode autopiloté d'une machine synchrone. Ce procédé permet de contrôler le champ d'induit de façon optimisée, afin d'améliorer très sensiblement les performances. Sont détaillés ici les principes de fonctionnement des machines synchrones autopilotées « idéales » (à forces électromotrices et courants sinusoïdaux), qui offrent les meilleures performances globales, ainsi que ceux d'autres solutions que nous qualifions de spéciales.
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Hamid BEN AHMED : Maître de conférences à l'ENS Cachan – Antenne de Bretagne - Chercheur au laboratoire SATIE (UMR CNRS 8029)
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Nicolas BERNARD : Maître de conférences à l'UIT de Saint-Nazaire - Chercheur au laboratoire IREENA
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Gilles FELD : Professeur agrégé à l'ENS Cachan
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Bernard MULTON : Professeur des universités à l'ENS Cachan – Antenne de Bretagne - Chercheur au laboratoire SATIE (UMR CNRS 8029)
INTRODUCTION
Les machines synchrones occupent, au sein des machines électriques, une place croissante tant en génération d'énergie qu'en actionnement. Leur principe, leur modélisation, ainsi que leur fonctionnement en régime permanent ont été décrits respectivement dans les dossiers [D 3 520], [D 3 521] et [D 3 522].
Le fonctionnement autopiloté, décrit dans ce dossier, consiste à contrôler le champ d'induit de façon optimisée, afin d'améliorer très sensiblement les performances. Tout d'abord, le risque de décrochage inhérent aux moteurs synchrones non autopilotés est complètement éliminé ; ensuite, l'optimisation de l'amplitude du champ induit et de l'angle qu'il fait avec le champ inducteur permet des améliorations très sensibles des performances, qu'il s'agisse du rendement énergétique ou de l'extension de la courbe enveloppe de la puissance à haute vitesse. Que ce soit en modes moteur ou générateur ou sur des structures tournantes ou linéaires, le fonctionnement autopiloté a permis d'accroître considérablement les possibilités d'application des machines synchrones, et plus particulièrement, celles à aimants dont la pénétration est continue dans quasiment tous les secteurs, notamment parce que le coût des aimants a fortement diminué, tout du moins relativement au coût des autres matières premières (cuivre et fer). Mais, pour obtenir un fonctionnement autopiloté et les possibilités de contrôle évoquées, il est nécessaire d'avoir un onduleur, un système de contrôle et a priori des capteurs de position et de courant. Dans ce dossier sont décrits les principes de fonctionnement des machines synchrones autopilotées « idéales » (à forces électromotrices et courants sinusoïdaux), qui offrent les meilleures performances globales, ainsi que ceux d'autres solutions que nous qualifions de spéciales. Ces dernières permettent d'un côté d'atteindre de très hauts niveaux de puissance grâce à l'emploi de thyristors ou d'un autre côté d'obtenir des systèmes économiques grâce à une simplification du captage de position et du contrôle, solutions rencontrées plutôt dans le domaine des petites puissances.
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Machines autopilotées spéciales
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2. Contrôle du couple dans une machine synchrone
2.1 Expression du couple
2.1.1 Expression du couple en fonction des courants dans les enroulements abc
Pour déterminer l'expression du couple dans une machine synchrone, nous allons étudier une machine élémentaire à pôles saillants dont la vue en coupe est donnée par la figure 10. Cette machine à p paires de pôles (ici p = 1) est constituée d'un inducteur bobiné à pôles saillants parcouru par un courant I f et d'un induit triphasé. Cette modélisation permet aussi de décrire le fonctionnement d'une machine à inducteur à aimants permanents en considérant un courant I f équivalent.
On suppose les circuits magnétiques à caractéristique linéaire et les forces magnétomotrices à répartition spatiale sinusoïdale. On ne considère que le fondamental de la perméance superficielle d'entrefer. Dans ces conditions, le couple électromagnétique instantané s'écrit :
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Contrôle du couple dans une machine synchrone
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BERNARD (N.), BEN AHMED (H.), MULTON (B.) - Axial field Synchronous machine with homopolar flux in the airgap for a flywheel accumulator. - IEEE Trans. On Industry Applications, vol. 40, no 3, p. 755-762, mai/juin 2004.
-
(2) - LACROUX (G.) - Les actionneurs électriques pour la robotique et les asservissements. - 2e édition, Technique et Documentation, Lavoisier, ISBN : 2-85206-978-4 (1994).
-
(3) - MULTON (B.), LUCIDARME (J.), PREVOND (L.) - Analyse des possibilités de fonctionnement en régime de désexcitation des moteurs à aimants permanents. - Journal de physique III, p. 623-640, mai 1995.
-
(4) - HOANG (E.), AMARA (Y.), LECRIVAIN (M.), GABSI (M.) - Machine synchrone à commutation de flux. Structure à commutation et à concentration de flux. Principes et résultats expérimentaux. - Électronique du futur (2001).
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(5) - MILLER (T.J.E.) - Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives. - Oxford Science Publications (1989).
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