Modélisation de l’actionneur MRV

Modélisation de l’actionneur MRV

Aperçu historique 

Premiers Travaux (1820-1870) :

Les moteurs réluctants furent parmi les premiers moteurs électriques développés dans la période entre 1830 et 1850. Leurs origines remontent à l’électroaimant en fer à cheval de William Sturgeon en 1824, qui fut amélioré ensuite par Joseph Henry en 1831, en essayant de transformer une seule attraction en un mouvement oscillatoire continu. En 1833 le révérend William Ritchie, semble être le premier ayant établi une sorte de loi des circuits magnétiques. Néanmoins la première machine à réluctance reconnaissable fût  réalisée par le plus célèbre Davidson comme commande de traction pour une locomotive électrique en 1838. Cependant, jusqu’au début des années 1870, une période d’essai et d’erreur, subsistait avec l’apparition des moteurs les plus insolites .

Début des Moteurs Réluctants (1870-1920) : 

Le développement des premiers commutateurs dans les années 1870, et la découverte de la loi du circuit magnétique en 1880 ont permis le développement et l’entrée en force des moteurs à courant continu et à courant alternatif, qui ont certes fait de l’ombre au moteur réluctant. Ce n’est qu’après la parution des travaux de John Hopkinson en 1886, qu’on a commencé à effecteur des calculs systématiques sur les moteurs électriques. Une idée à l’esprit commence à être appréciée, celle que le révérend William Ritchie a initiée, en préconisant de garder le circuit magnétique le plus court possible. Jusqu’à la fin du XIXe siècle, le moteur réluctant fut le jouet des bricoleurs de machines, au grand profit  d’une percée des moteurs à Courant Continu et à Courant Alternatif. A l’aube du XXe siècle, le Français Boucherôt réalisa un moteur réluctant synchrone et oscillant, mettant à profit les progrès dans le domaine du courant alternatif. Depuis, plusieurs travaillèrent sur ce nouveau type de moteur, notamment en tant que convertisseur de fréquence.

Le Moteur Pas à Pas « M » (1924-1930) :

Le moteur pas à pas « M » représente une autre étape capitale dans l’histoire du moteur réluctant. Développé par Clausen en 1924, dans le cadre de vastes travaux initiés après la première guerre mondiale, et ce pour servir à bord des navires de la British Navy pour la commande à distance des batteries de cannons. Le moteur type M comprend trois phases, avec stator complètement bobiné, et un rotor en tôles empilées axialement figure 1.1. Ce moteur fut utilisé jusqu’au milieu des années 1950. Le moteur « M » a surtout marqué une convergence entre les deux technologies des moteurs pas à pas et les moteurs synchrones .

L’ère moderne des moteurs à réluctance variable (1965-Aujourd’hui) : 

Le milieu des années 1960 peut être considéré comme un tournant dans l’histoire des MRV, renforcé principalement par quatre développements industriels, qui ont tous vu le jour à la fin des années 1960 et le début des années 1970, et qui ont continué ensuite avec une modeste allure, jusqu’à la moitié des années 1980 où le rythme s’est nettement accéléré : 1. Le développement des transistors de puissance, transistors bipolaires à jonction (BJT), transistors à effet de champ (MOSFET), transistors à grille isolée (IGBT) et les transistors ouvrables par gâchette (GTO), 2. Le développement des microprocesseurs et des circuits intégrés dédiés, servant à l’implémentation des différents algorithmes de commande, 3. Le développement des calculateurs à très grande vitesse avec des langages de programmation avancés, qui ont contribué au développement des méthodes numériques puissantes pour l’analyse des éléments finis, 4. La généralisation de l’emploi des moteurs à vitesse variable pour des applications de plus en plus étendues. Avec une telle capitalisation de savoir et de savoir-faire, les ingénieurs en Europe, aux Etats-Unis et au Japon ont commencé à contempler les nouvelles possibilités offertes par les moteurs à réluctance variable. On cite ci-après les principaux travaux qui ont contribué à l’essor du MRV jusqu’à nos jours : – Entre 1966 et 1968, le trio Cruickshank, Andersen et Menzies a réalisé un moteur réluctant à champ variable. Leur travail reste une référence majeure pour les brevets qui ont suivi, mais il a été possiblement de quelques années en avance pour tirer profit des facteurs technologiques cités plus haut. – A la General Electric Company à New York, B. D. Bedford a publié deux brevets en 1972, décrivant presque toutes les principales propriétés du moteur à réluctance moderne et son circuit de commande. Avec son travail, Bedford a signé un acte de naissance du MRV moderne. – Lawrenson et Stephenson de l’université de Leeds ont commencé à travailler sur les MRV dès le début des années 1970. Ils ont pu développer au sein de la société SR Drives les premiers MRV commerciaux, qui ont atteint au début des années 1980 la moitié du volume du marché du MRV. – Le Professeur J. V. Byme et ses collaborateurs ont effectué un travail appréciable sur les MRV, avec un nombre réduit de phases et moins de transistors de puissance dans le circuit de commande. Il a en outre contribué dans la compréhension de l’influence des matériaux dans le phénomène de saturation dans les MRV. Les résultats de ses recherches furent happés par les industriels au milieu des années 1980. – Le nombre des applications commerciales reste très faible, ne dépassant guère la vingtaine. Seulement un ou deux de ces applications réussissent aujourd’hui à dépasser les 100000 unités produites par an, les autres sont fabriqués en très faible quantité (10 – 10 000 par an), notamment pour des applications très spécialisées. Les structures de MRV sont très variées et l’imagination des ingénieurs et chercheurs n’a guère eu de limite. Deux structures retiennent plus particulièrement l’attention à l’heure actuelle parce qu’elles présentent une grande simplicité de construction et donc des possibilités de réduction du coût, ce sont les machines dites « synchrones à réluctance variable » (Synchronous Reluctance Machines dans la littérature anglo-saxonne) à champ tournant et les moteurs à réluctance variable à double saillance -MRVDS- (Swttched Reluctance Machines pour les Anglo- Saxons) à champ puisé. La première structure possède un rotor à pôles saillants sans excitation. Au stator, le champ est généralement créé par des enroulements triphasés parcourus par des courants alternatifs sinusoïdaux. Le second est à « champ puisé », on peut assimiler le stator à une succession d’électroaimants qui attirent des pôles saillants rotoriques. Des moteurs pas à pas ont été réalisés sur ce principe dès les années 1920. Une particularité importante est leur alimentation en courant unidirectionnel : un électroaimant attire toujours une pièce ferromagnétique quelque soit le signe du courant. La figure 1.2 montre les deux structures des machines à réluctance variable .

Définitions :

Le moteur réluctant est un moteur électrique dans lequel le couple est produit par la tendance de ses parties mobiles, à se déplacer vers une position où l’inductance de l’enroulement excité est maximale. Alors que le moteur à réluctance variable (MRV), est un moteur électrique sans balais comportant un rotor à encoches passif (ni bobinages, ni aimants) se positionnant dans la direction de la plus faible réluctance, correspondant à la position de l’inductance maximale. Sa double saillance (denture au stator et au rotor) lui permet une variation de l’énergie magnétique emmagasinée et donc la production d’un couple électromagnétique avec une bonne utilisation des semi-conducteurs de l’onduleur .

Alimentation électronique  : 

Circuit de puissance :

Le moteur à réluctance variable se contente d’une alimentation unidirectionnelle pour chaque phase puisque le sens du courant n’a aucune importance pour les phénomènes de réluctance variable. Ce courant, en forme de créneau, doit s’établir rapidement, être maintenu à peu près constant, puis décroître rapidement. Plusieurs solutions existent pour réaliser le circuit de puissance de l’alimentation du moteur. La complexité du convertisseur dépend bien sûr du nombre de phases de la machine, mais aussi des exigences sur les performances et la souplesse d’emploi du montage.

Avantages et inconvénients du MRV :

Avantages :
• Structure simple :
– Une géométrie simple ce qui explique une simplicité de fabrication maximale.
– Le MRV ne possède ni balai, ni collecteur, ni aimants permanents, ni bobinage au rotor.
– Le couple du moteur est indépendant de la polarité du courant de phase. Ainsi, le convertisseur pour la commande du MRV requiert seulement un interrupteur par phase.
• Performance
– Un couple beaucoup plus grand et avec le même (sinon un peu plus grand) rendement que celui d’un moteur à induction.
– Le rotor étant passif, il peut tourner à des vitesses élevées sans poser les problèmes d’équilibrage et de tenue mécanique d’éventuels éléments assemblés.
– Une efficacité constante maintenue sur une très large gamme de vitesse.
– Un fonctionnement en basse vitesse avec le maintien du couple à sa valeur nominale en basses vitesses jusqu’à une vitesse nulle.
– Une grande performance en vitesse et en accélération : jusqu’à 100 000 tr/min avec une commande appropriée et des arrangements mécaniques.
– Faible inertie due à la légèreté du rotor.
– La température maximale que peut supporter le rotor est plus grande comparée avec celle d’autres types de moteurs d’une puissance nominale similaire.
• Rendement
– Le MRV est avantageux par son rapport couple/volume qui est très satisfaisant.
– Un rapport couple/inertie élevé.
• Robustesse
– Il convient parfaitement pour une utilisation en environnement hostile, comme en haute température ou dans un milieu de fortes vibrations.
– En général, sa simplicité de construction fait sa robustesse.
• Faible coût
– II présente un faible coût de fabrication, des matériaux et de maintenance grâce à sa simplicité.
• Fiabilité
– Une durée de vie très longue avec une performance très fiable.
– Chaque enroulement de phase du MRV est indépendant des autres, et cela rend le moteur très fiable.
– Elimination des problèmes liés à l’utilisation des aimants permanents
(notamment la magnétisation et la démagnétisation).
• Encombrement réduit
– Avec des rapports de rendement qui reste très satisfaisants.
– Cet encombrement réduit implique une utilisation intelligente des matériaux et une faible inertie.
• Fonctionnement dans les 4 quadrants
– Sa configuration se prête à un emploi en tant que moteur, comme en tant que générateur.
• Forme adaptable
Il peut être allongé, rétréci, et peut être conçu pour s’adapter à l’espace disponible.
• Refroidissement
Une grande partie de la chaleur est générée au niveau du stator, ce qui rend facile son refroidissement.

Caractéristiques magnétiques :
A cause de la non linéarité très forte des caractéristiques magnétiques du moteur à réluctance variable à double saillance, il est difficile de prédire son comportement dynamique avec des simples calcules analytiques, donc il est nécessaire de bien connaître ces caractéristiques magnétiques dans l’ordre de calculer le couple généré. Une des méthodes qui permet de déterminer ces caractéristiques dont les résultats ont été utilisés dans ce travail est le calcul par les éléments finis .

Allure de l’inductance :
L’allure de l’inductance L (Ө, i) obtenue par les méthodes des éléments finis analytique est présentée sur la figure 2.6. L’inductance est minimale dans la position d’opposition d’autre part, elle prend sa valeur maximale dans la position d’alignement où le régime de saturation est facilement atteint. La courbe d’inductance n’est pas linéaire et on remarque bien que pour des valeurs de courants élevées l’effet de saturation est important La figure 2.6 admet deux axes de symétries Ө = 0° et Ө = 45°, position d’opposition et d’alignement respectivement.

Allure de la caractéristique du flux magnétique :
Comme il est montré sur la figure (2.7) le flux magnétique est une fonction non linéaire de deux paramètres le courant et la position rotorique . A la position d’opposition, l’effet de la saturation est absent à cause de la faible magnétisation dans ce cas. Contrairement, la courbe de magnétisation est fortement saturée.

Si on s’approche de la position d’alignement, le couple par phase diminue. Cela est du à l’effet de la saturation ou la variation de la coénergie diminue. Le modèle établi est prend en compte la caractérisation magnétique linéaire de mrv sous les hypothèse de travaille admise dans la littérateur spécialise citée dans la partie bibliographie. Nous allons donc passer au troisième chapitre pour étudier les résulta des simulations .

Simulation du modèle non linéaire de l’actionneur MRV :

A cause de l’effet réluctant qui existe entre le stator et le rotor ainsi que sa conception. Le couple des MRV est pulsatoire dont le principal défaut des MRV est la grande difficulté à maitriser les ondulations du couple qui sont indésirables et généralement nuisibles au bon fonctionnement du dispositif. Plusieurs solutions ont été proposées dans différentes étude. Devant les nombreuses possibilités offertes par l’électronique de puissance, une réflexion doit être menée sur ce problème de manière à aboutir à une meilleure connaissance des phénomènes mis en jeu en vue de dégager des formes de courant minimisant les ondulations du couple. Dans ce chapitre en a simulé deux types de moteur à réluctance variable, donc en doit devisé la simulation en deux parties :

Première partie :
Simulation non linéaire du MRV à grande puissance pour atteindre des valeurs de vitesses élevées jusqu’à 8000tr/min et pour avoir l’influence de la variation des angles d’amorçage et de blocage sur le couple et le courant. Dans cette partie nous présentons les deux principales techniques de commande de MRV connues dans la littérature qui agissent surtout sur l’alimentation du moteur.
– La commande en plein tension dite aussi « single pulse ».
– Réglage des courants par hystérésis.
Ces deux techniques sont appliquées au MRV puis simulées pour conduire à une étude qui illustre la possibilité de chacune d’eux.

Tenant compte des différentes simulations effectuées, on a constaté que le véritable handicap des MRV est l’ondulation du couple engendrée par les formes d’onde des courants de phase. Pour améliorer ses performances on a sélectionné deux techniques utilisées pour agir directement sur alimentation des MRV tout en minimisant les pulsations du couple relativement à la plage de vitesses sur un MRV à grande puissance. La première technique utilisée est la technique dite « alimentation à pleine tension ». Elle est basée sur le choix des angles de commutation des interrupteurs du convertisseur, nous avons montré par différentes combinaisons des angles d’amorçages et de blocage des semi conducteurs l’influences de chacun d’eux, ainsi on a constaté que le choix de l’angle d’allumage dans la zone où l’inductance est constante permet de développer un couple élevé ainsi l’optimisation de blocage permet d’éviter la production du couple négatif. Pour une alimentation à pleine onde du MRV, l’optimisation de l’angle Өon et Өoff est nécessaire pour atteindre la vitesse souhaitée et le couple moins ondulé. Toute fois cette méthode atteint ses limites en basses vitesses lorsque l’amorçage doit se faire à la fin de la zone où l’inductance (flux) est constante ce qui est néfaste pour une meilleure production du couple de démarrage. Et devant cette insuffisance on est passé à une autre technique connue par « le contrôle du courant par hystérésis ». On a montré qu’en faisant le choix optimal des angles de commutations, on peut atteindre des vitesses moyennes et basses avec un couple moins ondulé sous différentes tension d’alimentations et on ajuste le couple par le réglage des courants dans une bande de référence, assurant ainsi la production d’un couple régulé en minimisant son ondulation d’une façon considérable. La technique de contrôle par hystérésis est surtout caractérisée par sa fiabilité et sa simplicité de réalisation. Après, on est passé à un moteur à réluctance variable à faible puissance et en travaillant avec une seule commande c’est la commande par la technique dite « pleine tension »pour avoir l’influence de la variation des angles d’amorçage et de blocage sur ce type de moteur.

Conclusion Générale :

Etant donné que le fonctionnement de cette machine est base sur le principe de l’attraction magnétique l’effet de la saturation joue un grand rôle sur son comportement, cet effet est bien démontré par les allures des caractéristiques électromagnétiques de l’inductance, du couple et de flux en fonction du courant et de la position rotorique. Dans cette conclusion, on va retracer dans ces grandes lignes l’étude effectuées sur la modélisation non-linéaire développée de ce moteur. Afin d’entamer cette étude, la première partie du mémoire à été consacrée à la présentation des différentes parties constitutives de son alimentation tout en citant ses avantages et ses inconvénients dans le but de mieux exposer la problématique. En second temps, on a établi un modèle électrique sous formes d’équations mathématiques qui décrivent le fonctionnement réel de ce type de moteur tout en prenant en compte l’effet de la saturation du circuit magnétique. Une fois ce modèle adopté, on a utilisé comme base une simulation du modèle non-linéaire du moteur à réluctance variable sous l’environnement MATLAB/SIMULINK, pour les deux structures du MRV (6/4) et (8/6). Comme toute machine à réluctance variable, l’handicap des ondulations du couple engendrées par les formes d’ondes des courants de phases et des forces électromotrices FEM de la machine persiste toujours .

Table des matières

Chapitre I. Généralités sur le MRV 
1.1.1 Aperçu historique
1.2 Définitions
1.2.1 Constitution
1.3 Principe de fonctionnement du MRV
1.4 Différentes topologie du MRVDS
1.5 Alimentation électronique
1.5.1 Montage en demi-point
1.5.2 Montage avec un interrupteur commun
1.5.3 Montage avec un interrupteur partagé
1.6 Avantages et inconvénient du MRV
1.6.1 Avantages
1.6.2 Inconvénients
1.7 Applications du MRV
Chapitre II. Modélisation de l’actionneur MRV
2.1 Introduction
2.2 Modélisation du MRV
2.2.1 Couple électromagnétique
2.2.2 Modèle Electrique
2.3 Caractéristiques magnétiques
2.3.1 Allure de l’inductance
2.3.2 Allure de la caractéristique du flux magnétique
2.3.3 Allure de la caractéristique du couple électromagnétique
Chapitre III. Simulation du modèle non linéaire de l’actionneur MRV
3.1 Introduction
3.2 Première partie
3.2.1 Description du modèle à simuler
3.2.2 Différentes stratégies de commande du MRV
3.2.3 Commande par la technique pleine tension
Résultats de simulation
3.2.4 Commande du convertisseur par hystérésis
3.2.5 Principe du contrôle par hystérésis
Résultats de simulation
3.3 Deuxièmes parties
3.3.1 Première structure du MRV (6/4)
Résultat de simulation
3.3.2 Deuxième structure du MRV (8/6)
Résultats de simulation
3.3.3 Comparaison des deux topologies MRV (6/4) et (8/6)
3.4 Conclusion
Conclusion Générale.

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