Soutenance mémoire
Structures des Machines Synchrones
Machine synchrone à inducteurs bobinés
Le stator : Les machines synchrones triphasées, qu’elles soient à pôles saillants ou à pôles lisses, ont un stator composé de trois enroulements identiques décalés de 120° dans l’espace. Ces enroulements sont logés dans les encoches du circuit magnétique. Dans la grande majorité des cas, les trois enroulements sont couplés en étoile, ce qui annule la composante homopolaire de courant. Lorsqu’on alimente les enroulements statoriques par un système triphasé équilibré de courants, il y a création d’un champ tournant est proportionnelle au nombre de pôles de la machine et à la pulsation des courants statoriques [1], [2], [5]. On note :
w : la pulsation des courants statoriques, exprimée en rad/ s,
p : le nombre de paires de pôles de la machine,
Ω : la vitesse de rotation de la machine, exprimée en rad/ s,
Soit :
Ω= w / p
Rotor à pôles saillants : Où les aimants sont montés entre les pièces polaires de la machine dite de structure (APP). Le rotor est constitué de pôles, autour desquels est bobiné l’enroulement inducteur . Le sens de réalisation du bobinage est alterné à chaque pôle. Cet enroulement est traversé par un courant continu, et donne naissance à une force magnétomotrice le long de l’entrefer. Les pôles sont munis d’épanouissements polaires, dont la forme est étudiée de manière à obtenir une répartition quasi sinusoïdale de la force magnétomotrice créée par l’inducteur.
Lorsque l’inducteur est alimenté, il donne naissance à un champ magnétique qui entre en interaction avec le champ tournant créé par le stator, ce qui engendre un couple électromagnétique et entraîne le rotor en rotation. En régime permanent, la vitesse de rotation du rotor est identique à celle du champ tournant créé par le stator, d’où l’appellation « machine synchrone ».
Rotor à pôles lisses : Où les aimants utilisés sont sans pièces polaires (machines de structure SPP) sont disposés au niveau de l’entrefer sur un noyau ferromagnétique . L’enroulement inducteur, traversé par un courant est logé dans ces encoches, il donne naissance à une force magnétomotrice que l’on supposera répartie sinusoïdalement le long de l’entrefer. Comme dans la machine à pôles saillants, l’interaction entre le champ tournant créé par le stator et le champ dû à l’inducteur donne naissance à un couple électromagnétique qui entraîne la rotation du rotor. En régime permanent le rotor tourne à la même vitesse que le champ tournant produit par le stator.
Machine Synchrone à Aimant Permanent
Les aimants permanents sont des matériaux magnétiques durs, créant un champ magnétique à l’extérieur du volume qu’ils occupent. L’aimant possède des régions où la polarisation présente une composante normale à la surface. Les pôles sont représentés par une flèche indiquant le sens de l’aimantation .
Les aimants permanents utilisés dans les machines synchrones ont pour fonction principale la création du flux inducteur. Ils doivent permettre l’obtention d’une puissance massique élevée, ce qui réduit le volume de la machine. D’autre part une faible sensibilité à la température est également indispensable, ce qui limite la désaimantation en fonctionnement normal. Dans ces conditions on peut obtenir le couple nominal pour tous les régimes de fonctionnement.
Moteurs synchrones à aimants permanents sans pièce polaire
a- Aimantation radiale :
On utilise des aimants permanents à aimantation radiale, que l’on peut répartir sur toute la circonférence du rotor, en alternant les pôles. Au niveau des aimants, on obtient une induction dans l’entrefer égale à celle de l’aimant. La perméabilité magnétique relative des aimants étant proche de l’unité.
b- Aimantation tangentielle :
En utilisant des aimants à aimantation tangentielle, on peut réaliser des machines à induction sinusoïdale en répartissant convenablement les aimants et les cales le long de la circonférence du rotor.
Moteurs synchrones à aimants permanents avec pièce polaire
a- Aimantation tangentielle :
Une structure classique, permettant d’obtenir des machines synchrones de qualité, l’aimant est à base de terre rare, et les pièces polaires permettent de concentrer le flux. L’alimentation de l’entrefer est parallèle à l’entrefer, et les flux s’ajoutent au niveau des pièces polaires. On obtient ainsi une induction dans l’entrefer supérieure à celle de l’aimant, ce qui accroît le couple massique à volume d’aimant donné.
b- Aimantation radiale :
Le moteur synchrone à aimantation radiale donne naissance à une induction constante face à chaque pôle. En plaçant des pièces polaires sur la périphérie des aimants, on peut modifier la répartition.
Avantages des Machines Synchrones À Aimants Permanents
Les avantages associés à l’utilisation des machines à courant alternatif asynchrone et synchrone à aimants permanents ne sont pas à démontrer en terme de robustesse et de fiabilité. Aujourd’hui, avec le progrès actuel des aimants permanents, le moteur synchrone est de plus en plus utilisé dans les systèmes d’entraînement à vitesse variable à hautes performances. Son choix dans ce domaine est devenu attractif et concurrent de celui des moteurs à courant continu et des moteurs asynchrones. Cela est dû principalement à ses avantages multiples, relativement à ces deux types d’actionneurs [3]. On cite principalement :
❖ Facteur de puissance et rendement élevé par rapport à ceux des moteurs asynchrones;
❖ Robustesse incontestée par rapport au moteur à courant continu;
❖ Puissance massique élevée et précision de sa commande;
❖ Développement de la technologie des composants de l’électronique de puissance, et l’apparition des processeurs numériques à fréquence élevée et à forte puissance de calcul, surmontant ainsi le problème de l’implantation d’algorithmes de commande de l’onduleur assurant l’auto pilotage du MASP;
❖ Augmentation de la constante thermique et de la fiabilité, à cause de l’absence de contacts bague-balais dans ces machines.
Domaine d’application
Le moteur synchrone à aimants permanents est utilisé dans une large gamme de puissance, allant de centaines de Watts (servomoteurs) à plusieurs méga Watts (systèmes de propulsion des navires), dans des applications aussi diverses que le positionnement, la synchronisation l’entraînement à vitesse variable, et la traction.
● Il fonctionne comme compensateur synchrone.
● Il est utilisé pour les entraînements qui nécessitent une vitesse de rotation constante, tels que les grands ventilateurs, les compresseurs et les pompes centrifuges.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1
I Moteur Synchrone à Aimants Permanents : Modélisation, Commande
I.1 Généralité
I.1.1 Classification des moteurs synchrones
I.2 Structures des machines synchrones
I.2.1 Machine synchrone à inducteurs bobinés
I.2.2 Machine Synchrone à Aimant Permanent
I.2.2.1 Machine Synchrone à Aimant Permanent sans pièce polaire
I.2.2.2 Machine Synchrone à Aimant Permanent avec pièce polaire
I.3 Avantages des machines synchrones à aimants permanents
I.4 Domaine d’application
I.5 Différents types d’alimentation
I.5.1 Alimentation par un commutateur de courant
I.5.2 Alimentation par un onduleur de tension
I.6 Onduleur triphasé
I.7 Principes fondamentaux sur la commande
I.7.1 Commande vectorielle
I.7.2 Commande directe de couple
I.7.3 Comparaison des principes de commande
I.8 Modélisation de la machine Synchrone à Aimants Permanents
I.8.1 Introduction
I.8.2 Hypothèses simplificatrices
I.8.3 Mise en équation et modèle de Park
I.8.3.1 Mise en équation
I.8.3.2 Principe de la transformation de Concordia
I.8.3.3 Principe de la transformation de Park
I.8.3.4 Relation entre la transformation de Park et de Concordia
I.8.3.5 Équations électriques d’un enroulement triphasé dans le repère dq
I.8.3.6 Équation des flux du MSAP dans le repère de Park
I.8.3.7 Équation des tensions du MSAP dans le repère de Park
I.8.3.8 Expression du couple électromagnétique
I.9 Simulation et interprétation
I.10 Conclusion
Chapitre 2
II Onduleur de tension et commande MLI
II.1 Système d’alimentation
II.2 Onduleur de tension triphasé
II.2.1 Définition
II.2.2 Onduleur de Tension à MLI
II.2.3 Modulation de Largeur d’Impulsions Sinus-Triangle
II.2.4 MLI Vectorielle
II.3 Etude d’un exemple
II.3.1 Description de problème
II.3.2 MLI vectorielle
II.3.2.1 Principe de la modulation de largeur d’impulsion (MLI)
II.3.2.2 Principe de la MLI vectorielle
II.3.3 Modèle du système
II.3.4 Étapes de simulation
II.4 Onduleur de tension à trois niveaux
II.4.1 Modélisation et commande d’un onduleur trois niveaux
II.4.1.1 Structure topologique de l’onduleur
II.4.1.2 Modélisation de l’onduleur à trois niveaux
II.4.1.3 Modélisation par réseau de pétri de l’onduleur à trois niveaux
II.4.1.4 Modèle de commande de l’onduleur à trois niveaux
II.4.1.5 Relation entre les fonctions de connexion
II.4.1.6 Fonction de connexion des demi-bras
II.4.1.7 Table d’excitation des interrupteurs
II.4.1.8 Modèle de connaissance de l’onduleur
II.4.2 Commande à MLI à deux porteuses
II.4.2.1 Définition des ondes porteuses
II.4.2.2 Algorithme de commande
II.4.3 Simulation
II.5 Conclusion
Chapitre 3
III Commande Non Linéaire de la Machine Synchrone à Aimant Permanant
III.1 Introduction
III.2 Principes de la commande non linéaire
III.2.1 Principe de la linéarisation entrée – sortie
III.3 Contrôle non linéaire du courant et de la vitesse de la MSAP
III.3.1 Modèle non linéaire en courant de la MSAP, commandée en tension
III.3.2 Calcul des coefficients du contrôleur non linéaire
III.3.3 Elaboration de la loi de commande
III.3.4 simulation et interprétation
III.4 Contrôle non linéaire du couple et du flux de la MSAP
III.4.1 Modèle non linéaire en flux de la MSAP, commandée en tension
III.4.2 Calcul des coefficients du contrôleur non linéaire
III.4.3 Elaboration de la loi de commande
III.4.4 Calcul des références du flux et du couple
III.4.5 Simulation et interprétation
III.5 Commande non linéaire avec limitation du courant statorique par saturation
III.5.1 Boucle de courant
III.5.2 Réglage de la vitesse
III.5.3 Observateur de couple de charge
III.6 Conclusion
Conclusion générale
