Commande Vectorielle MSAP: Modélisation et Régulation de Machines Synchrones

Commande Vectorielle MS
Table des mati`eres
1 INTRODUCTION 1
2 G´en´eralit´e sur les machines synchrones `a aimants permanents (MSAP) 2
2.1 Introduction................................... 2
2.2 G´en´eralit´es sur les machines ´electriques `a aimants permanents . . . . . . . 3
2.3 Les machines synchrones `a aimants permanents (MSAP) . . . . . . . . . . 4
2.3.1 Les rotors de la machine `a aimants permanents . . . . . . . . . . . 5
2.3.2 Rotors `a pˆoles lisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.3 Rotors `a pˆoles saillants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.4 Pr´esentation de la machine synchrone `a aimants permanents . . . . 6
2.4 Exemples usuels des moteurs `a aimants permanents . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 Analyse du fonctionnement de la MSAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6 Domaines d’application des MSAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7 Principe de l’autopilotage des machines synchrones . . . . . . . . . . . . . 12
2.8 Moteurs synchrones `a aimants permanents vs moteurs asynchrones . . . . . 13
2.9 Inconv´enients des machines synchrones `a aimants permanents . . . . . . . 13
3 Mod´elisation de la Machine Synchrone 15
3.1 ´ Equations ´electriques : flux magn´etique et tension . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Rappel sur les Transformation de Clarke et Park . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Les ´equations dans le r´ef´erentiel (d, q)..................... 19
3.3.1 Choix du R´ef´erentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 Principe de la commande vectorielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5 Avantages et inconv´enients de la commande vectorielle . . . . . . . . . . . 26
3.6 Commande vectorielle de la MSAP aliment´ee en tension . . . . . . . . . . 27
3.7 Mod`ele de la MSAP aliment´ee en tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.8 D´ecouplage par compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.9 Calculdesr´egulateurs............................. 30
4 Conclusion 38
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Table des figures
2.1 Structure des machines `a aimants permanents . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Machine synchrone `a aimants permanents . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Types de machines synchrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 Stator et rotor de la machine synchrone `a aimants permanents . . . . . . . 7
2.5 Machine synchrone `a aimants permanents mont´es en surface . . . . . . . . 7
2.6 Machine synchrone `a aimants permanents ins´er´es . . . . . . . . . . . . . . 8
2.7 Machine synchrone `a aimants permanents chapeaut´es . . . . . . . . . . . . 8
2.8 Machine synchrone `a aimants permanents enterr´es : (a) avec concentration
de flux, (b) structure classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.9 LesAlnicos ................................... 9
2.10 Courbes de d´esaimantation des principaux types d’aimants . . . . . . . . . 10
2.11 Caract´eristique du couple-angle ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.12 Sch´ema de principe d’autopilotage d’une machine synchrone . . . . . . . . 13
3.1 Repr´esentation d’une machine synchrone `a aimants permanents. . . . . . . 15
3.2 Diff´erents couples qui agissent sur le rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Machine ´equivalente au sens de Park. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 Le circuit ´equivalent du MSAP dans le syst`eme d’axes d-q. ......... 21
3.5 Sch´ema bloc d’une MSAP aliment´ee en tension. . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6 Principe de la commande vectorielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.7 Mod`ele de la MSAP command´e `a flux orient´e `a nul . . . . . . . . . . . . . 26
3.8 Sch´ema global de la commande vectorielle de la MSAP . . . . . . . . . . . 27
3.9 Description de couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.10 Principe de d´ecouplage par compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.11 Structure g´en´erale : (machine-d´ecouplage par compensation) . . . . . . . . 30
3.12R´egulateurPI.................................. 32
3.13 Boucle de r´egulation de courant Iq...................... 32
3.14 Boucle de r´egulation du courant Id...................... 34
3.15 Boucle de r´egulation de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.16 Sch´ema simplifi´e de la boucle de r´egulation de vitesse . . . . . . . . . . . . 35
3.17 Sch´ema du bloc de d´efluxage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
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Chapitre 1
INTRODUCTION
Les machines ´electriques jouent un rˆole fondamental dans les syst`emes industriels et
domestiques, assurant la conversion de l’´energie ´electrique en ´energie m´ecanique avec une
grande efficacit´e. Parmi elles, la machine synchrone, et plus particuli`erement la machine
synchrone `a aimants permanents (MSAP), se distingue par ses performances ´elev´ees, son
rendement ´energ´etique et sa compacit´e. Ces caract´eristiques en font un choix privil´egi´e
pour des applications exigeantes, telles que les v´ehicules ´electriques, les robots industriels
et les syst`emes d’´energie renouvelable.
Cependant, pour exploiter pleinement le potentiel de la MSAP, une commande per-
formante et pr´ecise est indispensable. Contrairement aux machines `a courant continu,
o`u le couple est directement contrˆol´e par le courant d’induit, les machines synchrones
n´ecessitent des strat´egies de commande plus sophistiqu´ees pour assurer un fonctionnement
optimal. C’est dans ce contexte que la commande vectorielle, aussi appel´ee commande en
orientation de champ (Field-Oriented Control, FOC), s’impose comme la m´ethode de
r´ef´erence. Elle permet de d´ecoupler les composantes de flux et de couple, offrant ainsi une
dynamique comparable `a celle des machines `a courant continu.
Dans cet expos´e, nous aborderons d’abord les generalite sur la machine synchrone a
aimant permanent et nous illustrerons leurs applications concr`etes dans divers domaines
industriels, mettant en lumi`ere son importance dans les technologies modernes. Ensuite,
les principes de la commande vectorielle appliqu´ee `a la MSAP, en expliquant les transfor-
mations math´ematiques utilis´ees et les strat´egies de r´egulation. Enfin, nous d´etaillerons
les sch´emas de r´egulation, incluant les boucles de courant, de vitesse et de position, es-
sentielles pour garantir stabilit´e et pr´ecision.
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Chapitre 2
G´en´eralit´e sur les machines
synchrones `a aimants permanents
(MSAP)
2.1 Introduction
Toutes les machines dont la vitesse de l’arbre est ´egale `a la vitesse de rotation du
champ tournant sont appel´ees machines synchrones. Le champ magn´etique rotorique est
g´en´er´e soit par des aimants, soit par un circuit d’excitation. Ainsi, le champ magn´etique
du rotor est fixe par rapport `a celui-ci, ce qui fait que les champs tournants du rotor et
du stator tournent `a la mˆeme vitesse pendant le fonctionnement normal.
Cette famille de machines est divis´ee en plusieurs sous-familles, allant de plusieurs
centaines de m´egawatts `a quelques watts, y compris les moteurs pas `a pas. Malgr´e cela,
toutes ces machines ont une construction similaire. Le stator est g´en´eralement compos´e
de trois enroulements triphas´es dispers´es, g´en´erant des forces ´electromotrices sinuso¨ıdales
ou trap´ezo¨ıdales cr´e´ees par la rotation du champ rotorique. Les stators sont ´equivalents
`a ceux des machines asynchrones, surtout `a haute puissance.
Le champ d’induction du rotor est g´en´er´e par trois grandes familles de rotors : rotors
`a aimants, rotors spiral´es `a pˆoles lisses, et rotors spiral´es `a pˆoles ´elev´es.
Dans ce chapitre, nous aborderons les sujets suivants :
— Informations g´en´erales sur les machines ´electriques `a aimants permanents,
— Pr´esentation et analyse du fonctionnement et des domaines d’application des MSAP,
— Diff´erents modes d’alimentation et principe de l’autopilotage des MSAP,
— Avantages et inconv´enients des machines synchrones `a aimants permanents.
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2.2 G´en´eralit´es sur les machines ´electriques `a aimants
permanents
Les moteurs `a aimants permanents ont explos´e en popularit´e ces derni`eres ann´ees,
grˆace au d´eveloppement de mat´eriaux avec des aimants permanents `a haute ´energie et
aux am´eliorations dans le domaine de l’´electronique de puissance.
Ils sont utilis´es dans diverses applications de haute performance : robotique, a´eronautique,
outils ´electriques, production d’´energie renouvelable, ´equipements m´edicaux, automobiles
´electriques et hybrides, etc. Ils sont parfois pr´ef´er´es aux machines traditionnelles telles
que les moteurs `a courant continu, synchrones ou asynchrones, notamment dans les ap-
plications sp´ecifiques (servomoteur `a vitesse variable).
Voici quelques avantages des machines `a aimants permanents :
— L’absence d’enroulement rotorique annule les pertes Joule au niveau du rotor.
— Le couple volumique et la puissance massique ´elev´es assurent une meilleure com-
pacit´e.
— L’absence de collecteurs et de balais simplifie la construction et l’entretien.
— La densit´e de flux, relativement ´elev´ee dans l’entrefer, assure une tr`es bonne per-
formance dynamique.
De plus, les machines `a aimants permanents sans balais peuvent fonctionner avec un
facteur de puissance proche de l’unit´e. Avec un simple onduleur de tension triphas´e, le
couple, la vitesse et le contrˆole de position sont pr´ecis et rapides.
Les machines `a aimants permanents sont class´ees en trois types selon leur principe de
fonctionnement :
— Les machines `a courant continu `a aimants permanents (MCC),
— Les machines `a aimants permanents sans balais (MAPSB),
— Les machines synchrones `a aimants permanents sans balais (MSAP).
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