La commande électronique des machines

416 Pages·2013·19.201 MB·French

by  Michel Pinard

La commande
électronique
des machines
En 65 fichEs-outils
Michel Pinard
Maquette intérieure : Belle Page
© Dunod, Paris, 2013
ISBN 978-2-10-059355-2
Sommaire
Les cahiers techniques, mode d’emploi ............................6
Dossier 1 Le flux magnét ique dans les machines ..............8
Fiche 1 Magné tisme : sys tème à un seul bobi nage ........12
Fiche 2 Magné tisme : sys tème à deux bobi nages ..........18
Fiche 3 Sources à cou rant continu ...............................22
Fiche 4 Sources à cou rant alter na tif mono phasé ..........24
Fiche 5 Source à cou rant alter na tif tri phasé .................27
Fiche 6 Théo rème de Ferraris. Trans for ma tions ............31
Fiche 7 Trans for ma tion de Park ...................................38
Dossier 2 Conver tis seurs de Puiss ance .............................44
Fiche 8 Les hacheurs (Choppers) ...................................48
Maquette intérieure : Belle Page
Fiche 9 Le hacheur en uti li sation pra tique ....................51
Fiche 10 Les redresseurs à diodes (Rectifiers)...................57
Fiche 11 Redres seur à thy ris tors
(Thyristor- based rec ti fier bridge) ............................60
Fiche 12 Les Onduleurs mono pha sés
(Single phase inverters) ........................................67
Fiche 13 Les Gradateurs monop ha sés
(The power dimmers) ..........................................74
Fiche 14 Les Onduleurs auto nomes trip ha sés
(The three phase inverters) ...................................78
Fiche 15 L’Onduleur tri phasé à modulation de largeur
d’impulsion vec to rielle (The SVPWM inverter) ....84
Fiche 16 L’onduleur assisté (The load- controlled inverter) ....90
élit. Dossier 3 Uti li sation du moteur à cour ant continu .......93
d
n
u
est Fiche 17 Le moteur à cou rant continu
© Dunod, Paris, 2013 ée en régime sta tion naire (DC motor) ....................96
ISBN 978-2-10-058481-9 oris Fiche 18 Le moteur à cou rant continu : ali men ta tion
ut
n a par hacheur ...................................................105
o
n n Fiche 19 Le moteur à cou rant continu :
o
cti régime dyna mique ..........................................110
u
od Fiche 20 Le moteur à cou rant continu : étude de cas ....118
pr
e re Fiche 21 Le moteur à cou rant continu : modèle d’état ..123
ut Fiche 22 Moteur à cou rant continu.
o
T
– Uti li sation en robo tique .................................131
d
no Fiche 23 Commande d’un moteur à cou rant continu :
u
D
© frein age .........................................................139
3
Sommaire SSoommmmaaiirree
Dossier 4 Uti li sation du moteur à cou rant alter na tif ...145
Fiche 24 Moteur série uni ver sel ....................................148
Fiche 25 Moteur asyn chrone mono phasé
et moteur diphasé ..........................................154
Fiche 26 Machine syn chrone à pôles lisses
en régime sta tion naire linéaire ........................159
Fiche 27 Machine syn chrone à pôles saillants
en régime sta tion naire linéaire ........................165
Fiche 28 Machine syn chrone en régime sta tion naire
non- linéaire ...................................................169
Fiche 29 Machine syn chrone en régime dyna mique .......175
Fiche 30 Machine syn chrone : uti li sation
de la Trans for mée de Park ..............................183
Fiche 31 Machine asyn chrone en régime sta tion naire :
modé li sa tion ..................................................192
Fiche 31 (suite) Machine asyn chrone en régime
sta tion naire : Couple. Essais expé ri ment aux ....198
Fiche 32 Moteur asyn chrone en régime dyna mique .......206
Fiche 33 Déter mi na tion expé ri men tale des élé ments
du modèle de la machine asyn chrone .............216
Dossier 5 Contrôle asser visse ment commande .............223
Fiche 34 Contrôle en vitesse d’un moteur .....................226
Fiche 35 Commande en couple d’un moteur élect rique ....232
Fiche 36 Les Cap teurs ..................................................238
Fiche 37 Méthodes de Strejc, Broïda
et Ziegler- Nichols ...........................................246
Fiche 38 Sys tèmes bou clés ana lo giques ........................250
Fiche 39 Les avan tages de la commande numé rique .....255
Fiche 40 Cor rec tion des sys tèmes ana lo giques
et numé riques ................................................263
Fiche 41 Simu la tion d’une régu la tion de vitesse
à moteur à cou rant continu ...........................273
Dossier 6 machine syn chrone : commande .....................283
Fiche 42 Cou plage d’une machine syn chrone
sur le réseau ...................................................287
Fiche 43 Cou plage d’un moteur syn chrone
sur le réseau ...................................................299
Fiche 44 Auto pilotage d’un moteur sync hrone ..............306
Fiche 45 Pilo tage d’une machine syn chrone
par DSP ou FPGA ..........................................316
Fiche 46 Moteurs à réluctance variable .........................324
Fiche 47 Moteurs pas à pas .........................................332
4
Sommaire SSoommmmaaiirree
Dossier 7 machine asyn chrone : commande ...................333
Fiche 48 Cou plage sur le réseau d’une machine
asyn chrone ....................................................336
Fiche 49 Commande en vitesse du moteur async hrone .....341
Fiche 50 Commande en boucle ouverte du moteur
asyn chrone ....................................................348
Fiche 51 Auto pilotage scal aire du moteur asyn chrone ...356
Fiche 52 Contrôle vec to riel du moteur asyn chrone ........359
Fiche 53 Commande à flux orienté du moteur
asyn chrone ....................................................369
Fiche 54 Pilo tage par pro ces seur : commande directe
du couple par DSP ou FPGA ..........................377
Dossier 8 Le moteur élec trique en milieu indus triel ......381
Fiche 55 Les sys tèmes indus triels ..................................385
Fiche 56 Le moteur élec trique dans l’envi ron ne ment
indus triel .......................................................390
Fiche 57 Utilisation d’un moteur à cou rant continu ......391
Fiche 58 Uti li sation d’un moteur syn chrone
auto piloté ......................................................392
Fiche 59 Le moteur asyn chrone dans les sys tèmes
indus triels ......................................................399
Fiche 60 Commandes d’axes ........................................405
Fiche 61 Choix entre les divers moteurs
et leur commande ..........................................413
Annexes ......................................................................414
Index ......................................................................415
5
LaLL eecsso ccmaamhhiiaeerrnssd tteee écchhlennciitqqrouueenssiq,, ummeoo dddeees dd m’’eeammchppillnooeii s
Les cahiers techniques,
mode d’empLoi
Les fiches sont
classées par dossier
Une introduction reprenant Un menu déroulant des
les grandes thématiques fiches du dossier
du dossier
6
LaLL eecsso ccmaamhhiiaeerrnssd tteee écchhlennciitqqrouueenssiq,, ummeoo dddeees dd m’’eeammchppillnooeii s Fiche
Une signalétique claire
Une partie savoir-
faire qui détaille
la mise en œuvre
Mise en avant
de l’objectif
de la fiche
Une partie repères
pour définir
les bases
Des compléments
d’information pour
aller plus loin
Des schémas
clairs et complets
Une partie en pratique
pour une application
terrain
7
1 Le FLUx magné tiqUe
DanS LeS maChineS
r
e
i
S
S
Cas géné ral
o
Comment obtient- on un couple moteur dans un conver tis seur (ou machine)
D
élec tro mé ca nique ?
D’une manière géné rale, toute machine (moteur ou génér a trice) asso ciée à
une charge méca nique peut être consi dé rée comme un sys tème où les gran -
deurs phy siques d’entrée sont :
❯ un « vec teur ten sion » [V] compor tant une ou plu sieurs compo santes,
❯ le couple résis tant de la charge, noté T en N. m.
r,
La gran deur interne essen tielle est le « vec teur » flux magné tique [Φ].
Les gran deurs phy siques de sor tie sont :
❯ un « vec teur cou rant » [I] compor tant une ou plu sieurs compo santes,
❯ la vitesse angu laire de la machine Ω, en rad/s.
❯ la posi tion angu laire de la machine θ du rotor, en rad.
Vecteur Tension [V] Vecteur Courant [I]
Vecteur Flux
magnétique Ω
Couple charge Tr [Φ] Vitesse angulaire
θ
Position angulaire
Figure 1.1 Prin cipe de la conver sion élec tro mé ca nique
en uti li sant le logi ciel VisSim
La démarche des concept eurs de ce logic iel est simi laire à ce qui est prés enté
ci- dessus :
Les gran deurs phy siques d’entrée sont alors (cf. figure 1.2) :
❯ un « vec teur ten sion » [V] compor tant deux compo santes, l’une posi tive,
l’autre néga tive,
❯ le couple résis tant de la charge (Load Re action Torque Vector).
Les gran deurs phy siques de sor tie sont (cf. figure 1.2) :
❯ le dépla ce ment angu laire θ (Rotor Dis place ment) exprimé en rad,
8
1
dθ
❯ la vitesse angu laire Ω= (Rotor Angular Velocity) exprimé en rad/sec,
dt
❯ l’inten sité du cour ant d’induit (Rotor Dis place ment) exprimé en A.
Motor + (volts) Rotor Displacement (rad)
Basic DC Motor
Motor − (volts) Rotor Angular Velocity (rad/sec)
(Permanent Magnet) r
Load Reaction Torque Vector Motor Current (amps)
e
Figure 1.2 Logi ciel VisSim : cas du moteur à cour ant continu à aimant per manent i
S
S
équation des flux o
D
Les divers flux d’une machine
D’une manière géné rale, les n bobi nages d’une machine sont en cou plage
magné tique mutuel et on consi dère le flux « élé ment aire » d’une spire ϕ du
cp
bobi nage (ou enrou le ment) c pour la spire p.
n
On a (cid:77) (cid:32)(cid:77) (cid:14)(cid:166)(cid:77) avec d ≠ c où ϕ est le flux propre (ou d’auto-i nduction)
cp cpp cdp ccp
d(cid:32)1
et ϕ est le flux (de mutuelle induc tion) créé à tra vers la spire p par les (n-1)
cdp
autres cir cuits.
Consid é rons le flux total pour l’enroul e ment c compor tant N spires :
c
Nc Nc n
(cid:41) (cid:32)(cid:166)(cid:77) (cid:14)(cid:166)(cid:166)(cid:77) avec d ≠ c.
c cpp cdp
p(cid:32)1 p(cid:32)1d(cid:32)1
Nc
(cid:166)(cid:77)
Le pre mier terme cpp est égal au flux total propre Φ et le deuxième terme
cc
p(cid:32)1
Nc
(cid:41) (cid:32)(cid:166)(cid:77) est le flux du cou plage mutuel des cir cuits c et d.
cd cdp
p(cid:32)1
Le flux total propre Φ se décom pose en deux termes :
cc
❯ le flux total de fuites Φ qui cor res pond à la somme des flux des lignes de
fc
champ pas sant dans les spires de l’enroul e ment c et ne trav er sant aucune
spire des n-1 autres cir cuits ;
❯ le flux total de magnét i sation Φ qui cor res pond à la somme des flux des lignes
mc
de champ pas sant les spires de l’enrou le ment c et tra ver sant au moins une
spire des n-1 autres cir cuits. Alors Φ = Φ + Φ
cc fc mc.
matrice inductance
On désigne sous les termes sui vants les inductances :
Φ
❯ de magné ti sation L = mc ;
mc i
Φ c
❯ de fuites l = cf ;
f i
c
9
1
Φ
❯ propre L = cc =L +l ;
c i mc f
c
Φ
❯ mutuelle M = cd .
cd i
d Φ
Les inductances mutuelles sont symét riques : donc M = M = dc .
r cd dc i
Mise sous forme matricielle : c
e
i Φ   L M  M M  i 
S 1 1 12 1c 1n 1
     
S Φ2 M21 L2  M2c M2n i2
o   =       
     
D Φc Mc1 MMc2  Lc   ic
Φ  M M   L  i 
n n1 n2 n n
Coefficients de cou plage et de dis per sion entre deux bobi nages c et d :
Consi dé rons l’expres sion :
Φ Φ M
K = cd dc = cd
cd Φ Φ L L
dd cc c d
Par défi ni tion, K est le coeffi cient de cou plage entre les cir cuits c et d (0 < K
cd cd
< 1).
❯ Si K = 1, le cou plage est par fait ;
cd
❯ si K = 0, le cou plage est nul, par exemple, pour deux bobi nages dont les
cd
axes sont en qua dra ture (sauf cas par ti cu liers).
On appelle coeffi cient de dis per sion de Blon del la quan tité :
M2
σ =1− cd =1−K2
cd L L cd
c d
10