Présentation du moteur synchrone à aimants permanents (MSAP)

Présentation du moteur synchrone à aimants permanents (MSAP)

Principe de fonctionnement de la MSAP

Toute machine électrique dans laquelle la vitesse de rotation du rotor est égale à la vitesse de rotation du champ tournant est appelé machine synchrone. Pour l’obtention d’un tel fonctionnement, le champ magnétique rotorique doit être généré soit par des aimants, soit par un circuit d’excitation. Cela dit, qu’en mode permanent la position du champ magnétique rotorique est alors fixe par rapport au rotor, ceci impose une vitesse de rotation identique entre le rotor et le champ tournant statorique [OUB10].

• Le stator : ou l’induit est la partie fixe de la machine, il se compose de trois enroulements parcourus par des courants alternatifs décalés de 120° dans l’espace et dans le temps, logés dans les encoches du circuit magnétique fixe [MAH12].
• Le rotor : ou inducteur est la partie mobile de la machine se compose d’aimants permanents. Ce dernier présente l’avantage d’éliminer les balais et les pertes rotoriques, ainsi que la nécessité d’une source pour fournir le courant d’excitation. Cependant, on ne peut pas contrôler l’amplitude du flux rotorique [AID13].

Il existe deux types de rotor, ayant pour rôle de générer le champ d’induction rotorique. Les rotors à pôles lisses et les rotors à pôles saillants.

Catégories de la MSAP

Il existe quatre catégories de machines synchrones à aimants permanents du point de vue construction mécanique :

➤ Machines synchrones à aimants permanents montés en surface (MSAPS) : Cette structure est la plus simple à construire parce que des aimants permanents à aimantation radiale sont disposés directement sur la périphérie du rotor. Les aimants ont généralement une forme de tuile et sont collés sur une culasse cylindrique. Cette structure de machine rentre dans la catégorie des machines à pôles lisses.

➤ Machine synchrones à aimants permanents insérés (MSAPI) : A partir de la structure précédente, on entaille des logements pour insérer les aimants permanents dans le rotor afin de faciliter l’assemblage mécanique. Les parties de fer entre les aimants permanents sont des espaces inter polaires qui rajoutent de la saillance. Toutefois, les caractéristiques de cette structure restent fondamentalement proches de la MSAPS.

➤ Machines synchrones à aimants permanents chapeautés (MSAPC) : Cette structure est déduite de celles avec des aimants permanents montés en surface. On place sur les aimants des pièces polaire généralement en acier doux. La combinaison des aimants et des pièces polaires crée une anisotropie du rotor et rajoute une saillance. Les pièces polaires permettent de contrôler la forme de la f.e.m au stator en agissant sur le profil de la pièce.

➤ Machines synchrones à aimants permanents enterrés (MSAPE) : Le principe de cette structure est d’augmenter l’induction magnétique dans l’entrefer par rapport à l’induction rémanente des aimants permanents. En fait, les pièces polaires canalisent le flux généré par les aimants permanents à aimantation tangentielle dont la surface latérale est supérieure à la demi-surface de la pièce polaire prise au niveau de l’entrefer [HAM13].

Avantages de la MSAP

Les machines synchrones à aimants permanents présentent plusieurs avantages par rapport aux autres types de machines :
✓ Puissances massiques élevées.
✓ Absence de contacts glissants.
✓ Un bon rendement
✓ Absence des balais et d’alimentation continue.
✓ Possibilité de supporter des surcharges transitoires importantes et un bon comportement dynamique en accélération et en freinage.
✓ Fonctionnement en survitesse.

Cette machine est donc bien indiquée pour les systèmes embarqués et peut être employée pour des systèmes de faible puissance (petits moteurs) ou de puissance plus importante (jusqu’à quelques dizaines de MW en fonctionnement moteur) [BID11].

Inconvénients de la MSAP

Comme inconvénients de la MSAP on cite :
✓ Technologie coûteuse liée au coût des aimants.
✓ Interaction magnétique due au changement de structure.
✓ Ondulations de couple.

Les domaines d’application de MSAP

Maintenant on présente des exemples d’application des MSAP utilisées dans différentes plages de puissance.

♦ Applications aux petites puissances (P<600W) :
• Micro Ventilateur
• Disque Dur
• Fraise de dentiste
• Programmateur Mécanique
♦ Applications aux moyennes puissances (500W<P<100kW) :
• Vélo a assistance
• Voiture électrique (Toyota Prius)
• Machine outil
• Robot industrie
♦ Applications aux fortes puissances
• Traction ferroviaire
• Propulsion navale

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : GENERALITE SUR LA MACHINE SYNCHRONE A
AIMANTS PERMANENTS
I.1 Introduction
I.2 Présentation du moteur synchrone à aimants permanents (MSAP)
I.2.1 Principe de fonctionnement de la MSAP
I.2.2 Catégories de la MSAP
I.2.3 Avantages de la MSAP
I.2.4 Inconvénients de la MSAP
I.2.5 Les domaines d’application de MSAP
I.3 Modélisation de la MSAP
1.3.1 Hypothèses simplificatrices
I.3.2 Les équations de la machine synchrone dans le référentiel (a, b, c)
I.3.2.1 Equations électriques
I.3.2.2 Equation mécanique
I.3.2.3 Equation électromagnétique
I.3.3 La transformation de Park
I.3.3.1.Principe de transformation de Park
I.3.4 Les équations de la machine asynchrone dans le référentiel (d,q)
I.3.4.1 les équations électriques
I.3.4.2 Equation mécanique
I.3.4.3 Equation électromagnétique
I.3.5 Equations générales d’état
I.4 L’autopilotage des Machines Synchrones
I.5 Conclusion
CHAPITRE II : Modélisation de l’association onduleur-MSAP
II.1 Introduction
II.2 Convertisseur statique continu-alternatif
II.2.1 Définition de l’onduleur
II.2.2 Onduleur de tension
II.3 Modélisation de l’association Onduleur de tension-MSAP
II.3.1 Modélisations de la redresseuse triphasée double alternance
II.3.2 Modélisation du filtre
II.3.3 Modélisation de l’onduleur de tension
II.4 Stratégies de commande de l’onduleur
II.4.1 Contrôle par modulation de largeurs d’impulsions (MLI)
II.4.1.1 Modulation naturelle (sinus -triangle)
II.4.1.2 Contrôle par hystérésis
II.4.1.3 contrôle par MLI vectorielle
II.5 Simulation de l’association MSAP-Onduleur
II.6 Interprétation des résultats
II.7 Conclusion
Chapitre III : Commande vectorielle du MSAP
III.1 Introduction
III.2 Principe de la commande vectorielle
III.3 Commande vectorielle de la MSAP alimentée en tension
III.3.1 Description du système global
III.4 Découplage
III.4.1 Découplage par compensation
III.5 Synthèse des différents régulateurs
III.5.1 calcule des régulateurs
III.5.1.1. Régulateur de courant
III.5.1.2 Régulateur de courant
III.5.1.3 Régulateur de la vitesse
III.6 Résultats de simulation de la commande vectorielle de la MSAP
III.7 Interprétation de résultat
III.4 Conclusion
Chapitre IV : COMMANDE PAR BACKSTEPPING Du MSAP
IV.1 Introduction
IV.2 Principe de la commande Backstepping
IV.2.1 Fonctions de Lyapunov
IV.3 Exemple d’application
IV.4 Application de la commande par Backstepping à la MSAP
IV.4.1 1ère étape -Calcul de la loi de commande
IV.4.2 2ème étape – Calcul de la loi de commande virtuelle
qref i
IV.4.3 3ème étape -Calcul de la loi de commande finale
qref v
IV.5 Résultats de simulation de la commande par Backstepping
IV.6 Commande par Backstepping avec action intégrale pour la MSAP
IV.7 Etude comparative
IV.8 Conclusion
Conclusion générale