Michel Girardin et Bernard Schneider Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du

Michel Girardin et Bernard Schneider Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud CH-1400 Yverdon-les-Bains Moteur synchrone Moteur synchrone et et commande vectorielle commande vectorielle Mécatronique MET2 EEM / EN 2 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Table des matières Principe de fonctionnement Production du couple Commande scalaire Commande vectorielle 1 3 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Principes de fonctionnement Production du couple Commande scalaire Commande vectorielle 4 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Mis au point vers 1890 par Nikola Tesla et George Westinghouse Utilisations production d’énergie électrique Æ 1’600 MW entraînements Æ 300 MW servomoteurs sans balais (~10 W à ~20 kW) 5 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Le moteur synchrone est … comme un servomoteur DC à aimants permanents, mais tourné à l’envers ! … et sans collecteur d’où son immense intérêt 6 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Champ tournant produit avec un aimant lorsque l’aimant tourne, il entraîne l’ensemble des lignes de champ avec lui l’aiguille aimantée suit le champ elle suit le champ tournant 7 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Champ tournant produit par électro-aimants une seule bobine ne suffit pas l’amplitude varie, mais les lignes de forces ne bougent pas considérons 3 bobines identiques, dont les axes sont décalés de 120° alimentons-les par un système triphasé de courants, à 50 Hz Æ excitation triphasée l’aiguille aimantée tourne spontanément Æ champ tournant sa vitesse est de 50 t/s Æ vitesse synchrone le champ tourne comme le phaseur spacial (vecteur tournant) 8 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Allure du champ tournant 3 bobines (lent) 3 bobines (lent) 3 bobines (rapide) 3 bobines (rapide) 1 bobine 1 bobine 9 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Servomoteur synchrone l’interaction du champ tournant et de l’aimant crée un couple électromagnétique il dépend de l’angle entre le phaseur du courant rotorique et celui du champ magnétique de l’aimant Tem  +Tk -Tk     0 frein moteur stable stable instable instable BSR20070902_C.des Trés 10 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Servomoteur synchrone alimenté à fréquence constante le moteur DOIT tourner à la vitesse synchrone le couple produit est ~proportionnel au déphasage au-delà de 90°, le moteur décroche Tem  +Tk -Tk     0 frein moteur stable stable instable instable BSR20070902_C.des Trés p f ns ⋅ = 60 11 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Servomoteur synchrone alimenté par un servo amplificateur celui-ci mesure l’angle du rotor à l’aide d’un capteur il oriente le phaseur courant à 90° de celui du rotor il ajuste l’amplitude du phaseur en fonction du couple désiré … comme pour un moteur DC Tem  +Tk -Tk     0 frein moteur stable stable instable instable BSR20070902_C.des Trés 12 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Servomoteur synchrone le moteur synchrone à aimants permanents est idéal pour les entraînements réglés avantages pas de collecteur ni balais moins d’usure, vitesses plus élevées rapport couple / inertie environ 2 fois plus élevé mouvements plus dynamiques pertes cuivre au stator, non au rotor moins d’erreurs en usinage dues aux dilatations thermiques inconvénient capteur de position indispensable pour ajuster les courants même si le moteur ne doit pas être positionné, mais seulement fournir du couple 13 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Servomoteur synchrone dit « DC brushless » à vitesse constante, le servo amplificateur génère 3 tensions d’allure rectangulaires déphasées de 120° entre elles un seul courant DC circule dans le moteur (2 phases à la fois, sur 3) le servo amplificateur commute ce courant dans les phases en fonction de la position du rotor avantage le capteur de position est plus simple (sondes de Hall), moins cher inconvénient le couple produit est saccadé (source : HES Berne, Patrick Fuhrer) 14 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Servomoteur synchrone dit « AC brushless » à vitesse constante, le servo amplificateur génère 3 tensions triphasées sinusoïdales déphasées de 120° entre elles fréquence et phase ajustées sur la vitesse et l’angle du moteur avantage le couple produit est très régulier donc, précision d’usinage meilleure inconvénient un capteur de position absolu est indispensable pour obtenir le couple un capteur incrémental, moins coûteux, ne convient pas (source : HES Berne, Patrick Fuhrer) 15 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Allure des courants de phases 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 −1 0 1 Répartition sinusoïdale des courants (per unit) ωs(t) Îs(t) θs(t) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 −2 0 2 is1(t) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 −2 0 2 is2(t) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 −2 0 2 is3(t) t [s] f_03_60_1.eps 16 MET2-E / Moteur synchrone 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud 8 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Principes de fonctionnement 2 Choix des capteurs de position pour la régulation en position la qualité de l’asservissement est liée à la précision du capteur un capteur incrémental suffit (non absolu) prise de « zéro machine » possible pour l’orientation du courant statorique la précision du capteur n’est pas critique mais il doit être de type « absolu » à la mise sous tension, le courant ne peut être orienté une prise de « zéro magnétique » est parfois possible mais pas sur les axes verticaux, à cause du frein uploads/Industriel/ met2-e-cv2-cde-vectorielle.pdf

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