KROWINSKI Baptiste MASTER Mécatronique NGUYEN Trong Hieu Energies TP n°4 : Moteur Asynchrone alimenté par Onduleur 1. Introduction Les moteurs asynchrones (moteurs à induction) sont d’une conception moins coûteuse que les actionneurs à courant continu et synchrone mais leur commande est rendue plus complexe du fait que le flux n’est pas imposé par un inducteur mais obtenu par induction. Ils sont généralement utilisés en vitesse variable pour les puissances supérieure à la dizaine de kilowatt. Durant ce TP, on se propose d’étudier une solution d’actionnement composée d’un moteur asynchrone, d’un onduleur et de boucles d’asservissement permettant d’asservir le couple. La simulation sera faite avec le logiciel Matlab ainsi que l’interface graphique Simulink. 2. L’onduleur à MLI Onduleur triphasé Structure : L’onduleur triphasé est composé de trois bras de pont. Chaque bras de pont (a, b, c) est alimenté de manière indépendante. Prenons par exemple le bras a. Son signal de commutation booléen est noté Ca. Pour Ca=1, l’interrupteur du haut (T1) est fermé et celui du bras (T4) est ouvert. Pour Ca=0, c’est l’inverse. Notons va, vb et vc les tensions entre le point milieu d’un bras et la cathode du générateur v1. On peut écrire va= Ca*v1. De même, pour les autres phases, on a vb=Cb*v1 et vc=Cc*v1. Pour le courant i1, la contribution de ia est Ca*ia et cela va de même pour les autres courants. D’où : i1 = Ca*ia + Cb*Ib +Cc*Ic. v = v1*C i1 = iT*C On simule et évalue le fonctionnement de l’onduleur sur une charge RL triphasée couplée en étoile avec une alimentation sinusoïdale à 50Hz. Les valeurs numériques suivantes sont : - Tension d’alimentation continue 600V - Valeur efficace de la tension sinusoïdale à 50 Hz - R=2Ω - L=100mH - Fréquence de hachage de 10 kHz Onduleur triphasé alimentant une charge couplée en étoile Le schéma du Subsystem de l’onduleur triphasé qui est donnée dans l’énoncé et on ajoute une charge RL triphasée et trois sinusoïdales déphasées de 2π/3 l’une de l’autre à une fréquence de 50Hz. Le schéma Simulink se trouve ci-dessous: On observe ainsi les trois signaux de courants I2a, I2b et I2c ainsi que la tension V2c, les signaux obtenus sont les suivants : Nous voyons bien que les courants I2a, I2b et I2c varient entre + et - 10A et qui correspondent bien à la valeur souhaitée. On remarquera que les trois courants ici sont bien déphasés de 2π/3. Dans un premier temps, La valeur obtenue de la tension était le double du résultat ci-dessus. Car le hacheur était configuré en 4 quadrants. Il fallait donc modifier la formule pour l’avoir en 2 quadrants pour avoir les valeurs souhaitées. On note bien que la fréquence de hachage est de 10 khz. Après modification, la tension V2c a bien les caractéristiques d’un onduleur, et varie bien entre +/2E/3. La valeur de E est celui de la tension V1 qui est de 600V. 3. Moteur Asynchrone On implante le modèle de simulation du moteur asynchrone accouplé à une charge inertielle. Les valeurs numériques suivantes des paramètres sont : - Inductance cyclique statorique Lcs = 100mH - Inductance cyclique rotorique Lcr = 100 mH - Mutuelle inductance cyclique MC=900 mH - Résistance statorique Rs= 1Ω - Résistance rotorique Rr=1 Ω - Puissance nominale 2 kW - 4 pôles (2 paires de pôles) - Inertie J = 10 g.m² - Coefficient de frottement fluide f = 0 à 0.01 N.m / (rad/s) - Moteur alimenté par un système triphasé équilibré de tension de fréquence de 50Hz et de valeur efficace 230V. Le schéma du Subsystem de la machine synchrone est donnée dans l’énoncé et on modifie les paramètres de notre moteur donnée ci-dessus. Le moteur asynchrone sera alimenté de trois tensions sinusoïdales déphasées de 2π/3 l’une de l’autre avec une fréquence de 50Hz. On placera une charge inertielle placée entre le couple moteur et sa vitesse. On en déduit que les trois courants Ia, Ib et Ic seront à nouveau de formes sinusoïdales et déphasés de 2π/3. Le schéma de simulation est le suivant : Pour que le système puisse marcher, on affecte la matrice C32 qui est la suivante : On obtient bien les courants voulu. Le bloc du rapport cyclique contient un élément qui permet de saturer les valeurs à ne pas dépasser. C’est pour cela qu’on arrive à obtenir des formes correctes. Avec une faible inertie. La vitesse ici augmente vite et se stabilise après quelques oscillations à sa vitesse nominale. Nous voulons maintenant réaliser une simulation avec une vitesse initiale différente. On a donc ajouté un intégrateur pour pouvoir affecter une valeur initiale de la vitesse (ici on a pris 50 rad/s). Voici le schéma simulink réalisé : On remarque bien que la vitesse commence avec une valeur non nulle et qui est de 50rad/s. Ce qu’on a voulu. Une montée rapide en vitesse et qui se stabilise après quelques oscillations. 4. Moteur Asynchrone avec Onduleur On simule le moteur asynchrone avec l’onduleur de tension. On considère d’abord le cas où l’onduleur est réalisé par un système triphasé équilibré de tension à la fréquence de 50 Hz On remarque les courants sont bien déphasés de 2π/3 et légèrement ondulés. La vitesse ici augmente vite et se stabilise après quelques oscillations à sa vitesse nominale. Avec U/f constant : On remplace dans les fonctions bloc sources du « sinus », 230 par U et 50 par f. Par conséquent, on peut affecter des valeurs qu’on souhaite dans Matlab afin d’avoir U/f constant. Dans l’exemple cidessous, on a remplacé dans Matlab U=46V et f=10 Hz. En agrandissant sur le courant, on constate déjà qu’il y’a moins d’ondulation. Sur cette courbe de vitesse, on constate avec une fréquence moins élevée qu’il y a une faible oscillation. 5. Commande Scalaire Les commandes des moteurs asynchrones les plus simples sont les commandes dites à U/f constant. L’idée est de faire varier la vitesse tout en conservant l’amplitude du flux constante égale à sa valeur nominale. On réalise le schéma Simulink en y mettant le moteur asynchrone, sa charge inertielle ainsi qu’une fonction permettant de déphasée les tensions Va, Vb et Vc de 2π/3. Le schéma simulink se trouve ci-dessous : Une petite variation du couple au démarrage qui se stagne sur 0 ce qui est normal car il n y a pas d’inertie. La vitesse du moteur se stabilise au bout de 0.35 secondes avec des oscillations d’amplitude de 40 rad/s pour au premier pic. 6. Conclusion Lors de cette séance, on a pu simuler le modèle d’un moteur asynchrone et d’un onduleur triphasé. On a couplé l’onduleur triphasé avec une charge RL et simuler moteur asynchrone avec une charge inertielle. Pour la suite, on a simulé le moteur asynchrone avec l’onduleur afin d’observer la vitesse du moteur. Enfin, on a terminé par une commande scalaire, ces commandes sont les plus simples des moteurs asynchrones avec U/f constant. On a fait varier la vitesse du moteur tout en conservant l’amplitude du flux constante égale à sa valeur nominale. On a pu approfondir et acquérir des connaissances sous Matlab Simulink. Pouvoir assembler pouvoir modéliser des systèmes comme le moteurs asynchrone ou l’onduleur triphasé et ainsi assembler ces différents modèles.