Procédure de synchronisation

La vitesse synchrone est déterminée par l’addition des deux fréquences du stator (III.14) ; la fréquence du BP (fp) est fixée par la fréquence du réseau (50Hz) et la fréquence du BC (fc) peut être variable.

Si l’on alimente la machine selon la relation (III.14) pendant quelque temps, la machine oriente elle-même ses flux magnétiques. De cette manière, il existe un transitoire d’auto-synchronisation. Une fois dans le mode de fonctionnement synchrone, le couple de la machine est donné par l’angle de charge.

Si la vitesse du rotor ne se maintient pas constante il est très difficile d’arriver à synchroniser la machine, puisqu’on ne peut pas maintenir la relation (III.14) pendant le temps

suffisant et nécessaire pour la synchronisation. Une solution est la synchronisation de la machine à vitesse nulle et, par la suite, de commander la vitesse du rotor avec la fréquence du BC. Cette solution est un peu compliquée parce qu’il faut maintenir le rotor à vitesse nulle. Une autre solution plus simple est le démarrage de la BDFM avec le BC court-circuité ou connecté à une résistance triphasée. Avec cette configuration la fréquence du BC peut être adaptée facilement pour satisfaire l’équation de synchronisme (III.14).

Dans la suite, on montrera, en simulation, le démarrage de la machine avec une seule alimentation. On utilisera une tension d’alimentation Vp_max=311V (50Hz).

La dynamique de démarrage dépend des paramètres mécaniques du système. Dans le premier exemple, on considère la machine sans couple de charge et avec un coefficient de frottement visqueux faible, D=0.03Kgm²/s. On a pris une valeur d’inertie J égale à 0.1Kgm². La Fig. V.1.a montre la vitesse pendant le démarrage. Pour analyser la synchronisation des courants induits dans le rotor par les deux bobinages du stator, on a calculé les vitesses de glissement correspondantes. La Fig. V.1.b montre que initialement le glissement du BC est

complètement différent de celui du BP. Après environ 1.25 secondes le courant du BC atteint la fréquence correspondante au synchronisme.

Fig. V.1 : Vitesse du rotor et glissement dans le démarrage : BC en court-circuit (D=0.03, J=0.1).

La Fig. V.2 montre les valeurs temporelles des courants de la phase a pour les deux bobinages du stator. On observe qu’une fois que la vitesse synchrone est atteinte (w_r=77.88rad/s), la fréquence du BC correspondant au mode de fonctionnement synchrone est assez petite (f_c=-0.42Hz).

Fig. V.2 : Courant du bobinage de puissance et commande : BC en court-circuit (D=0.03, J=0.1).

Le couple électromagnétique lors du démarrage (Fig. V.3) est pareil à celui des machines asynchrones : On peut affirmer que la BDFM avec le BC en court-circuit se comporte comme une machine asynchrone à cage.

Fig. V.3 : Couple électromagnétique et amplitude des courants : BC en court-circuit (D=0.03, J=0.1).

Une fois dans le mode synchrone, on peut alimenter le BC par un convertisseur. Pour éviter des transitoires brusques, on effectue le changement d’amplitude et de fréquence de la tension du BC sous forme de rampe. Un autre problème c’est la détermination de l’amplitude adéquate de tension pour chaque valeur de fréquence. Dans les simulations en régime permanent du Chapitre IV on a traité cet aspect et on a montré que pour maintenir les courants du stator, la tension du BC doit suivre une courbe qui maintient constante la relation Vc/fc. La Fig. V.4 montre la variation de vitesse avec une relation Vc_max/wc=0.7. On bascule de la situation en court-circuit à une consigne de fc=-2Hz (t=5s), et après on diminue une autre fois la consigne jusqu’à –4Hz (t=8s).

Les oscillations du premier transitoire de la Fig. V.4 (t=5s) sont très fortes, ce qui est normal du fait de l’échelon de phase au moment de la connexion du BC. Les oscillations sont plus petites une fois qu’on a un fonctionnement normal en double alimentation, comme c’est le cas lors du deuxième transitoire (t=8s).

On vient de montrer les simulations de démarrage de la machine en considérant un coefficient visqueux faible. Dans ce cas la machine accélère sans problème et arrive aux alentours de la vitesse naturelle synchrone. Mais si la machine est couplée à un système mécanique lourd avec un couple de frottement grand, la machine ne pourra pas démarrer. Une solution possible pour améliorer le couple de démarrage de la machine est la connexion du BC à une résistance triphasée (on modifie la courbe de couple de la machine en modifiant son impédance équivalente). La machine démarre donc avec une résistance de valeur adéquate dans le BC et une fois qu’on atteint une vitesse de rotor fixe, on passe à une alimentation avec convertisseur de fréquence. Pour éviter la perte de synchronisme, la fréquence de la tension du convertisseur au moment de sa connexion devrait être égale à celle dans le BC. A cause du changement d’alimentation il se produit un transitoire dont l’amplitude dépend de la différence entre les tensions du BC avant et après le moment de la connexion.

La Fig. V.5 montre le cas du démarrage de la machine avec un coefficient visqueux égal à 0.275Kgm²/s. Dans ce cas la machine avec le BC en court-circuit n’arrive qu’à une vitesse du rotor égale à 8rad/s. Cette vitesse est insuffisante pour éviter l’arrêt de la machine dans le transitoire suivant. On choisit donc de connecter le BC à une résistance triphasée de valeur égale à 30Ω. Ainsi, on obtient une vitesse en régime permanent égale à 21.6rad/s. Puis on règle le convertisseur à la même fréquence et on change la connexion. La Fig. V.5 montre des oscillations de vitesse de très hautes fréquences. Ce fait est dû aux différences d’amplitude entre les potentiels du BC et du convertisseur au moment de la connexion. Une fois que la vitesse du rotor est stabilisée, on peut changer la consigne de fréquence du BC. Avec une consigne de fc convenable on passe à une vitesse du rotor égale à 75.4rad/s.

Fig. V.5 : Vitesse du rotor et couple électromagnétique : Variation de w_c (D=0.275, J=0.1).