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Chapitre I Modélisation du moteur synchrone à aimants permanents 3 Modélisation

Chapitre I Modélisation du moteur synchrone à aimants permanents 3 Modélisation du moteur synchrone à aimants permanents I.1 Introduction Les machines électriques sont, en général, modélisées par des équations non linéaires. Cette non linéarité est due aux inductances et coefficients des équations dynamiques qui dépendent de la position rotorique, donc du temps. Un changement de variable est souvent utilisé afin de diminuer la complexité de ce modèle dynamique, par la réduction du nombre de variables et l’élimination de la position du rotor dans les coefficients des équations différentielles. Dans ce cas, les conditions du régime permanent peuvent être déterminées beaucoup plus facilement et l’analyse de stabilité se fait plus aisément, ainsi que la synthèse de la commande [HCH 99]. I.2 Structure des machines synchrones triphasées Les machines synchrones sont devenues compétitives vis-à-vis des machines asynchrones. Elles couvrent une très grande gamme de puissances, dans les systèmes d’entraînements, allant de quelques centaines de watts jusqu'à plus de 50MW [SMI 00]. A l’origine, les machines synchrones étaient essentiellement des alternateurs alimentés par un courant continu et qui produisaient plus de 99% de l’énergie électrique consommée dans le monde. I.2.1 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 120ο électriques dans l’espace. Lorsqu’ on alimente les enroulements statoriques par un système triphasé équilibré de tensions, il y a création d’un champ tournant le long de l’entrefer. La vitesse de rotation du champ tournant est proportionnelle au nombre de pôles de la machine et à la pulsation des courants statoriques [SMI 00]. On note : ω : La pulsation des courants statoriques [ rad / s ]. p : Le nombre de paire de pôles de la machine. Ω : La vitesse de rotation de la machine [ rad / s ]. Soit : p ω Ω= (I.1) Chapitre I Modélisation du moteur synchrone à aimants permanents 4 I.2.2 Le rotor Le rotor de ces machines peut être à pôles lisses (figure 1.1.a), ou à pôles saillants (figure 1.1.b). Puisque l’entrefer est plus faible sur l’axe direct de la machine, alors l’inductance directe d L dans la machine à pôles saillants, est plus grande que celle de l’axe indirect (quadratique) q L . Avec la possibilité de commutation naturelle, les applications industrielles de ces machines dans les systèmes d'entraînement se sont d’abord développées dans le domaine des fortes puissances ( 0.5MW à 50MW ). Elles sont utilisées comme moteurs de compresseurs ou ventilateurs de très fortes puissances, ainsi que dans les systèmes de traction. On peut aussi rencontrer des applications de fortes puissances de ces machines avec les cycloconvertisseurs, dont l’intérêt essentiel de la machine est encore la possibilité d’utiliser la commutation naturelle [HCH 99]. Le moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) présente un stator semblable au stator de toutes les machines électriques triphasées. Le changement du bobinage rotorique par des aimants permanents apporte beaucoup de simplicité comme l'élimination des ballais (donc les pertes rotoriques). Cependant, le flux rotorique n’est plus commandable. Le développement des matériaux magnétiques permet aux MSAP d’être de plus en plus utilisées dans différents domaines de l’industrie. La densité de puissance massique élevée, le rendement élevé, l’augmentation de la constante thermique et l'augmentation de la fiabilité (due à l’absence des contacts glissants bagues- ballais de ces machines) leurs permettent de concurrencer fortement les machines asynchrones et à courant continu. a. Machine à pôles lisses b. Machine à pôles saillants R S c c’ a a’ b’ b S R b’ c a b c’ a’ Figure 1.1: Formes simplifiées de la machine synchrone à inducteur bobiné. Chapitre I Modélisation du moteur synchrone à aimants permanents 5 Le rotor possède différentes configurations [BUH 97], [LAA 01]. La figure 1.2 montre trois cas typiques pour un rotor à quatre pôles. • Une configuration du rotor à pôles saillants possédant des pièces polaires servant à la concentration du flux est montrée à la figure 1.2.a. Les aimants permanents sont magnétisés dans le sens radial. • Une autre possibilité consiste à disposer les aimants permanents radialement (aimants noyés dans le rotor). Les aimants sont magnétisés tangentiellement comme le montre la figure 1.2.b. • Enfin la figure 1.2.c représente le cas ou les aimants permanents sont distribués uniformément sur la surface cylindrique du rotor. L’aimantation des aimants est radiale. A cause de l’isotropie existante dans ce cas de machine, l’inductance d L sur l’axe direct est égale à l’inductance q L sur l’axe en quadrature. Par contre, elles sont différentes dans les autres cas. (c) (1) (a) (1) (2) (b) (1) Figure 1.2: Différents types de rotors d’une MSAP. (a) aimants permanents (1) et pièce polaire saillante (2). (b) aimants permanents (1) noyés. (c) aimants permanents (1) distribués sur la surface du rotor. Chapitre I Modélisation du moteur synchrone à aimants permanents 6 Stator Rotor Figure 1.3: Représentation d’une machine synchrone à aimants permanents. I.3 Modélisation de la machine synchrone à aimants permanents La mise sous forme d’un modèle mathématique d’une MSAP est nécessaire pour l'étude de sa commande dans les différents régimes de fonctionnements transitoire et permanent. Avant d'établir le modèle mathématique nous devons nous imposer quelques hypothèses : • le circuit magnétique de la machine n'est pas saturé, • les f.e.m sont à répartition sinusoïdale, • l’effet de la température sur les résistances est négligeable, • l’hystérésis et les courants de Foucault sont négligeables, • l’effet de peau qui augmente les résistances et réduit les inductances est négligeable, • l’entrefer est d’épaisseur uniforme. I.3.1 Mise en équation de la MSAP La figure 1.3 donne la représentation des enroulements pour une machine synchrone triphasée à aimants permanents. A partir de la figure 1.3, nous écrivons les équations de la machine synchrone dans le repère fixe au stator, en notation matricielle : o Expression des tensions statoriques [ ] [ ] [ ] [ ] s s s s d v R i dt = ⋅ + φ d q θ sf φ 0 a (I.2) b a i b i c i a v b v c v a c 0 Chapitre I Modélisation du moteur synchrone à aimants permanents 7 o Expression des flux statoriques [ ] [ ] [ ] [ ] s ss s sf L i φ = ⋅ + φ où : [ ] [ ] T s a b c v v v v = : Vecteur tensions statoriques [ ] [ ] T s a b c i i i i = : Vecteur courants statoriques [ ] [ ] T s a b c φ = φ φ φ : Vecteur flux statoriques [ ] s s s s R 0 0 R 0 R 0 0 0 R     =       : Matrice résistance du stator [ ] a ab ac ss ab b bc ac bc c L M M L M L M M M L     =       : Matrice inductance du stator [ ] [ ] T sf af bf cf φ = φ φ φ : Vecteur flux créé par l’aimant à travers l’enroulement statorique. L’étude analytique du comportement des équations (I.2) et (I.3) est relativement laborieuse, vu le grand nombre de coefficients variables. On utilise alors des transformations mathématiques qui permettent de décrire le comportement du moteur à l’aide d’équations différentielles à coefficients constants. L’une de ces transformations est la transformation de Park. I.3.2 Application de la transformation de Park La transformation de Park est souvent appelée transformation à deux axes. Physiquement, l’application de cette transformation à la MSAP correspond à une transformation des trois bobines (statoriques) à deux bobines équivalentes reprenant les mêmes considérations ou aspects en termes de f.m.m, de flux, de couple ou du moins une image qui leur sera parfaitement proportionnelle [SMI 00],[CAR 95]. On définit une matrice unique de transformation pour les courants, les tensions et les flux. Elle conserve l’invariance de la puissance et est orthogonale. De plus, ou fait l’hypothèse que toutes les grandeurs homopolaires sont nulles. La transformation qui traduit ce passage du système triphasé (a, b, c) au système biphasé (d,q) est donnée par : (I.3) Chapitre I Modélisation du moteur synchrone à aimants permanents 8 [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ] dq0 abc dq0 abc dq0 abc V T v I T i T  =    =     φ = φ   tel que : [ ] T : est la matrice de Park normalisée, définie par : cos cos( 2 /3) cos( 4 /3) sin sin( 2 /3) sin( 4 /3) 2 [T] 3 1 1 1 2 2 2 θ θ −π θ −π     − θ − θ −π − θ−π   =       I.3.2.1 Modèle de la machine synchrone à aimants permanents dans le repère lié au rotor La figure 1.4 illustre la uploads/Industriel/ chapitre1-2.pdf