Différentes structures des moteurs synchrones à aimant permanent Type du rotor Moteur PMSM

Historique du Véhicule électrique:

La Voiture électrique est l’un des sujets les plus importants de ce XXlème siècle, malgré le fait que celle-ci date du XIXème siècle, car les premiers prototypes de voiture électrique ont été inventée entre 1834 et 1881 , elle connaît naturellement un succès durant ce temps grâce au perfectionnement des Batteries par Gaston planté en 1865 et par Camille Faure et 1881 [4]. Les efforts de recherches actuel dans le domaine des véhicules électriques, concentrés sur certaines difficultés telles que l’accumulation de l’Electricité dans le véhicule, la faible autonomie, le manque de station de recharge rapide, n’ont pas encore aboutie à des résultats satisfaisants. De ce fait, l’utilisation de ce type de véhicule est limitée aux transports urbains. Initialement considéré comme une transition entre les véhicules classiques et les véhicules électriques, les véhicules hybrides restent une alternative qui gagne du terrain, car ils combinent les avantages des deux types de véhicules qui sont: les véhicules classiques et les véhicules électriques. Il existe trois types de véhicules hybrides à savoir: Véhicules Hybride série (VHS), Véhicules Hybride Parallèle (VHP) et Véhicules Hybride Mixte [5]. La variation des prix du carburant et le réchauffement climatique sont les principaux motifs de l’abandon par les populations de l’utilisation des véhicules classiques, qui dépendent entièrement du carburant. La quête des hydrocarbures alternatifs a augmenté ces dernières années [6] et de nombreux véhicules avancés tels que les véhicules à pile à combustible (VPC), les véhicules électriques hybrides, font l’objet d ‘ intenses Travaux de recherches. Les systèmes véhicules électriques hybrides incorporent le stockage de l’énergie dans leur groupe motopropulseur pour améliorer leur efficacité. Les véhicules à pile à combustible utilisent l ‘hydrogène comme carburant pour produire de l’électricité afin de pouvoir propulser le véhicule [7] Exemple de véhicule à pile à combustible du Constructeur Toyota, la marque est MIRAI à voir dans la figure 1-2 suivante.

Puisque l’électricité est générée par une réaction chimique impliquant de l’hydrogène, les VPC ne produisent pas de polluants et sont donc considérés comme sans émission. Même si les VPC ont un fonctionnement plus silencieux et produisent moins d’émissions de gaz à effet de serre, elles nécessitent de nouvelles infrastructures pour leur fabrication et leur maintenance ainsi que la production et la distribution d’hydrogène, ce qui les rend coûteux et difficile de faire leur entré dans le marché mondial d’automobile. Les véhicules électriques hybrides (HEV) consomment peu de carburant grâce à la récupération de l’énergie cinétique lors du freinage par récupération et également en raison de la présence de source d’ énergie électrique réduisant la dépendance au carburant [9] Les VHE utilisent un système de moteur à combustion interne (MCI) pour convertir l’énergie chimique stockée dans l’essence en énergie mécanique et enfin électrique utilisée pour entraîner le moteur électrique de traction. Le choix de la traction électrique la mieux adaptée pour ces applications fait encore l’ objet de beaucoup de débats. Les moteurs électriques que l’on retrouve le plus dans ces applications, sont les moteurs asynchrones et les moteurs synchrones à aimant permanent, comme nous pouvons le remarquer dans le Tableau 2-1 ci-dessous [10] C’est en cherchant une réponse à la question suivante: Pourquoi retrouve t’on le plus souvent ces deux types de moteurs électriques dans les appl ications de véhicules électriques, qu’ i 1 m’est venu à l’esprit de faire de cette question un thème de mémoire, qui fera l’objet de mes recherches. Les travaux de ce mémoire qui entrent dans le cadre du programme de la maîtrise en génie électrique avec mémoire de l’UQTR sont présentés de la manière suivante: Le second chapitre a fait l’objet d’une étude du moteur asynchrone à cage dans son ensemble, partant de sa structure jusqu’à sa modélisation en passant par sa représentation dans le repère de Park et dans la même lancé, la même étude a aussi été faite pour le moteur synchrone à aimant permanent

Moteur asynchrone monophasé

Il y a probablement plus de moteurs à induction monophasés utilisés aujourd’hui que le total de tous les autres types mis ensemble. Il est logique que le moteur le moins coûteux et qui nécessite le moins d’entretien soit utilisé le plus souvent. Le moteur à induction monophasé convient le mieux à cette description. Le moteur asynchrone monophasé se constitue essentiellement d’un rotor à cage identique à celui des moteurs triphasés, et d’un stator. Le stator porte un enroulement principal bobiné de façon à former des pôles dont le nombre détermine la vitesse du moteur. Il porte aussi un enroulement auxiliaire qui fonctionne seulement durant la brève période de démarrage. L’enroulement auxiliaire a le même nombre de pôles que l’enroulement principal et est disposé à 90° de ce dernier. L’enroulement principal produit un flux <l>s et l’enroulement auxiliaire, un flux <l>a. Si ces deux flux sont déphasés l’un par rapport à l’autre, il en résulte un champ tournant.

On obtient un champ tournant parfait quand <l>s et <l>a sont égaux et déphasés de 90°. Dans ces conditions, le couple de démarrage atteint sa valeur maximale et le moteur fonctionne en moteur diphasé. Cependant, comme on le verra plus loin, le déphasage est généralement inférieur à la valeur idéale de 90°. Différentes techniques existent pour déphaser les flux, la plus utilisée aujourd’hui consiste en la mise en série d’un condensateur avec l’enroulement auxiliaire. Le moteur agit comme un véritable moteur diphasé seulement lorsqu’il fonctionne à pleine charge. Dans ces circonstances, les courants la et Is créés par les deux enroulements sont égaux et déphasés de 90°. Par conséquent, pour ce type de moteur, la vibration qui caractérise les moteurs monophasés est éliminée lorsqu’il fonctionne à pleine charge. Cependant, la vibration réapparaît aux faibles charges. Notons aussi que la vitesse synchrone d’un moteur monophasé obéit à la même loi qu’un moteur triphasé. Le moteur à induction monophasé ne démarre pas automatiquement. Lorsque le moteur est connecté à une alimentation monophasée, le bobinage principal est alimenté en courant alternatif. En fonction des différentes techniques de démarrage, les moteurs à induction monophasés sont en outre classés comme décrit dans les sections suivantes:

• (A) Moteur asynchrone monophasé à démarrage par phase auxiliaire

• (B) Moteur asynchrone monophasé à lancement manuel

Etude comparative

Les systèmes de commande électrique modernes consistent en une électronique de puissance transformateurs, contrôleurs analogiques / numériques et capteurs ou observateurs. Les moteurs à courant continu (MCC), asynchrones et synchrones sont des types de moteurs fréquemment utilisés avec ces systèmes de pilotage. De nouveaux types de moteurs sont développés, tels que les moteurs linéaires, les moteurs pas à pas, les moteurs à réluctance à commutation et les moteurs synchrones à aimants permanents. Les moteurs synchrones à aimants permanents sont utilisés là où les exigences en matière de stabilité de la vitesse et de fonctionnement synchrone d’un ou de plusieurs moteurs interconnectés sont nécessaires. Du fait que le Rotor du MSAP soit synchronisé avec la fréquence du courant d’alimentation et que sa vitesse reste constante sous différentes charges variables, il est donc idéal pour le matériel de pilotage à vitesse constante. La plupart des applications de moteurs industriels utilisent des MAS. Les raisons en sont notamment la robustesse, la fiabilité, les prix bas et le rendement élevé.

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Les industries ont de nombreuses applications, où une vitesse de fonctionnement variable est une exigence primordiale. Dans de nombreuses applications, le fait d’utiliser l’installation à une vitesse réduite lorsque le plein rendement n’est pas nécessaire présente un autre avantage important: économies d’énergie et réduction des coûts. L’usure des installations et, par conséquent, les exigences de maintenance, sont également minimisées par un fonctionnement à vitesse réduite. Les moteurs synchrones à aimants permanents (MSAP) sont largement utilisés dans les applications à faible et moyenne puissance telles que les périphériques équipements, robotique, l’instrumentation, les machines et contrôle de processus, des variateurs de vitesse et véhicules électriques. La croissance sur le marché des entraînements électriques dans lesquels le MSAP est utilisé, a fait naître le besoin d’un outil de simulation nous permettant de réaliser de ces systèmes dynamiques complexes à MSAP. Les outi ls de simulation nous donnent la capacité de réaliser des simulations dynamiques d’entraînements par moteur dans un environnement visuel de manière à faci liter le développement de nouveaux systèmes. Dans ce travail, la simulation d’un contrôle de couple direct de MSAP est développée à l’aide de Simulink. Le contrôle de couple direct est l’une des plus performantes stratégies de contrôle pour la machine à courant alternatif. La comparaison se portera uniquement sur l’analyse des paramètres et sur l’évaluation de l’efficacité. Ces moteurs étant de loin les plus utilisé, nous ferons leur analyse et leur évaluation en nous référant aux expérimentations réalisées sur ces types de moteurs [83][84][85].

Commande vectorielle du MSAP

La commande vectorielle du moteur synchrone à aimant permanent triphasé est difficile en raison de son modèle mathématique dans le repère de Park qui est non linéaire et qui est fortement couplé du fait de l’existence d’un couplage complexe entre les deux armatures rotorique et statorique [86J. Le découplage des armatures statorique et rotorique du MSAP est réalisé en lui appliquant la commande directe par orientation de flux rotorique, notée FOC (Field Oriented Control). Cette méthode a été proposée en 1971 par Blaschke. Son principe est de séparer la commande du flux de celle du couple en orientant le flux selon l’axe direct du repère choisi. Nous avons ici deux choix à faire, le premier étant celui des variables d’état, le second celui du repère. Cela nous donne d’avoir une structure de commande découplée [87J La commande vectorielle basée sur une régulation classique Proportionnel-Intégral (PI), associe dans sa structure des termes de compensation qui permettent de découpler l’axe d (qui sera utilisé pour le réglage du flux), de l’axe q (qui sera utilisé pour le réglage du couple).

Cette configuration permet de réaliser des systèmes d’actionnement électriques ayant les performances exigées par les domaines d’application [88J . Cette commande a été rendue possible grâce au développement des technologies de semiconducteurs dans les convertisseurs statiques (diminution des temps de commutation) et dans les unités de calcul (DSP) [89J. Ce chapitre présente la commande vectorielle appliquée à la MSAP. La boucle de courant et la boucle de vitesse sont régulées à l’aide de correcteurs PI. Des résultats de simulation sont présentés pour montrer les performances de la régulation proposée [56J[90J[91J Par rapport aux autres formes de moteur, Le moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) a une meilleure performance dynamique, avec une taille plus petite et une plus haute Efficacité. Ces dernières années, avec le développement rapide de l’électronique de puissance, la découverte des terres rares, des matériaux magnétiques permanents et de plus en plus de recherche sophistiquée dans domaine du moteur à aimant permanent. MSAP est largement utilisé dans la défense nationale, l’agriculture et la vie quotidienne [92J[93J

Table des matières

Résumé
Remerciements
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des symboles
1. Introduction générale
1.1 Problématique
1.2 Objectif
1.3 Méthodologie
2. Types de moteurs utilisés dans le VE
2.1 Moteur Asynchrone
2.1.1 Introduction
2.1.2 Moteur asynchrone monophasé
2.1.3 Moteur à induction triphasé
2.1.4 Construction de base et principe de fonctionnement
2.1.5 Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone triphasé
2.1 .6 Constitution d’ un moteur asynchrone triphasé
2.1.7 Rotor
2.1.8 Type du rotor d’un moteur asynchrone
2.1.9 Stator
2.1.10 Les paliers
2.1.11 Couple du MAS à cage en fonction de la vitesse
2.1.12 Avantages et inconvénients des MAS
2.1.13 Classification des rotors de à cage d’écureuiL
2.1.14 Domaines d’applications
2.2. Modélisation triphasée du moteur asynchrone à cage
2.2.1 Introduction
2.2.2 Représentation schématique du moteur asynchrone
2.2.3 Hypothèses simplificatrices
2.2.4 Modèle dynamique dans le repère triphasé
2.2.5 Équations électriques
2.2.6 Équations magnétiques
2.2.7 Équation mécanique
2.2.8 Transformation de Park
2.2.9 Application de la transformée de Park au modèle triphasé
2.2.10 Conclusion
2.3. Présentation du moteur synchrone à aimant permanent PMSM(MSAP)
2.3.1 Principe de fonctionnement du moteur synchrone à aimant permanent
2.3.2 Différentes structures des moteurs synchrones à aimant permanent Type du rotor Moteur PMSM Les aimants permanents
2.3.3 . Couple du PMSMIMSAP
2.3.4 Avantages
2.3.5 Inconvénients
2.3.6 Domaines d’applications
2.4 Modélisation de l’ensemble MSAP et onduleur autonome
2.4.1 Introduction
2.4.2 Onduleurs
2.4.3 Modélisation d’ un onduleur de tension
2.4.4 Stratégie de commande de l ‘onduleur
2.4.5 Hypothèses simplificatrices
2.4.6 Mise en équation du MSAP dans le repère triphasé
2.4.7 Équation électrique
2.4.8 Équation mécanique
2.4.9 Équation magnétique
2.4.10 Transformation de Park
2.5 Conclusion
3 Étude comparative
3.1 Introduction
3.2 Moteur Synchrone à amant permanent MSAP(PMSM)
3.3 Moteur asynchrone à cage (MAS)
3.4 Constitution du MAS et du MSAP
3.5 Analyse des paramètres
3.6 Evaluation d’ efficacité
3.7 Conclusion de la comparaison
4. Commande vectorielle du MSAP
4.1 Introduction
4.2 Principe de la commande vectorielle
4.3 Commande vectorielle du MSAP alimenté en Tension
4.4 Découplage
4.5 Découplage par compensation
4.6 Avantages et inconvénients de la commande vectorielle
4.6.1 Avantages de la commande vectorielle
4.6.2 Inconvénients de la commande vectorielle
4.7 Choix des régulateurs
4.7.1 Concevoir un régulateur
4.7.2 Calcul des r/gulateurs
4.8 Simulation de la commande vectorielle du MSAP piloté par onduleur de tension
4.9 Interprétation des résultats de la simulation
4.10 Conclusion
5 Conclusion générale
Références
Annexe

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