30/09/08 1 Technologie des AsservissementsEdouard Laroche([email protected]) Bernard Bayle ([email protected]Jacques Gangloff ([email protected]) http://eavr.u-strasbg.fr/~laroche/student/ Université Louis Pasteur, ENSPS Option ISAV Master ISTI-AR
164
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Technologie des Asservissements - eavr.u-strasbg.freavr.u-strasbg.fr/~laroche/student/MasterISTI/TechnoAsserv1.pdf · • Control of Electrical Drives, W. Leonard, SpringerVerlag,
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Jacques Gangloff ([email protected]strasbg.fr)http://eavr.ustrasbg.fr/~laroche/student/
Université Louis Pasteur, ENSPS Option ISAV
Master ISTIAR
2
Objectifs
• Connaître les différents systèmes électriques d’actionnement (moteur + électronique de puissance)
• Connaître les différents types de commande d’actionneur électrique.
• Être capable de choisir et de mettre en œuvre une solution moteur + variateur
3
Bibliographie 1
• Electrotechnique industrielle, Guy Séguier et Francis Notelet, Tech et Doc, 1994
• L’Electronique de puissance, Guy Séguier, Dunod, 1990
• Modélisation et commande de la machine asynchrone, J.P. Caron et J.P. Hautier, Technip, 1995
• Control of Electrical Drives, W. Leonard, SpringerVerlag, 1996
4
Bibliographie 2
• Vector control of AC machines, Peter Vas, Oxford university press, 1990
• Commande des machines à vitesse variable, Techniques de l’ingénieur, vol D3.III, n°3611, 1996
• Actionneurs électriques, Guy Grellet et Guy Clerc, Eyrolles, 1997
• Modélisation contrôle vectoriel et DTC, sous la direction de C. Canudas de Wit, Hermes, 2000
5
Plan
1. Introduction à l’Électrotechnique (E.L.)2. Les actionneurs électriques (E.L.)3. Les convertisseurs statiques (E.L.)4. Les variateurs (B.B.)5. Architecture de la commande (J.G.)
6
ch 1. Introduction à l’électrotechnique
• Exemple d’ensemble moteur + convertisseur
• Grandeurs électriques• Lois des circuits électriques• Lois de la magnétostatique
7
1.1. Les chaînes d’alimentation des moteurs (1)
• moteur à courant continu : redresseur, filtre et hacheur
≈
réseau 50 Hz
redresseur
filtre hacheur MCC
8
Alimentation des moteurs (2)
• moteurs à courant alternatif (synchrone et asynchrone) : redresseur, filtre et onduleur
≈
réseau 50 Hz
redresseur
filtre onduleur MS ou MAS
9
1.2. Lois des circuits électriques
• éléments de base• conventions• puissance• régime sinusoïdal• régime alternatif non sinusoïdal,
(µ r > 1, ex: µ r ≅ 10000 pour un ‘bon’ matériau magnétique)
HB
0µ=
HB
µ=
41
Loi de comportement 2• Matériau magnétique doux : tôles utilisées pour
réaliser les circuits magnétiques (transformateurs et moteurs)
400 300 200 100 0 100 200 300 4002
1.5
1
0.5
0
0.5
1
1.5
2
H (A/m)
B (T
)
Caractéristique d'un matériau magnétique doux
42
Loi de comportement 3
• Matériau magnétique dur : aimants permanents (excitation des MCC et MS de petites puissances)
• B = µ 0(Hc+H) = M+µ 0H
B
H
43
Bobine à noyau de fer
• circuit magnétique homogène composé d’un matériau magnétique linéaire de section uniforme S, de longueur l avec µ r>>1
• circuit électrique composé de n spires enroulées autour du circuit magnétique
i(t)
v(t)
44
Bobine à noyau de fer 2
• Pour un courant positif, déterminez le sens et l’amplitude du champ magnétisant
• Déterminez le flux vu du circuit électrique• Déterminez l’inductance L de la bobine• Donnez l’équation différentielle liant v(t) et
i(t)
45
Méthode de résolution
• Théorème d’Ampère → H• Loi de comportement → B• Intégration sur la surface → Φ (flux dans le
matériau)• Multiplication par n → ϕ (flux vu par la bobine)• Loi de Faraday → fem• Prise en compte de la résistance et du flux de fuite
→ équation de détermination de la tension
46
Loi d’Hopkinson
F=Rψforce magnéto
motrice = ni (A.tr)
reluctance du circuit
magnétique (H1)
flux (Wb)
∫ µ=
Sdl1
R
Sl
µ=R dans le cas d’une section S et d’une
perméabilité µ uniformes
RL
2n=
47
Transformateur 1
• circuit magnétique (µ r) de section S et de longueur l
• circuit électrique primaire de n1 spires de résistance R1; circuit électrique secondaire de n2 spires de résistance R2;
i1(t)
v1(t)
i2(t)
v2 (t)
48
Transformateur 2• On suppose les circuits électriques primaire et
secondaire respectivement parcourus par les courants i1 et i2 positifs
• Déterminez l’amplitude du champ magnétisant• Déterminez le flux vu des circuits électriques
primaires et secondaires• Déterminez les inductances propres L1 et L2 du
primaire et du secondaire ainsi que la mutuelle inductance M
• En tenant compte des chutes de tensions ohmiques, donnez les équations différentielles liant u1(t), u2(t), i1(t) et i2(t)
49
Bobine avec entrefer 1
• circuit magnétique homogène composé de matériau magnétique linéaire de section uniforme S, de longueur l avec µ r>>1
• le circuit est interrompu sur une longueur e<<l.
• circuit électrique composé de n spires enroulées autour du circuit magnétique
50
Bobine avec entrefer 2
• Donnez l’expression de l’inductance• Généralement, on néglige la réluctance du
fer devant celle de l’entrefer
51
Circuit magnétique avec aimant
• circuit magnétique composé d’un matériau magnétique linéaire de section uniforme S, de longueur lf avec µ r>>1 et d’un aimant de même surface et de longueur la produisant un champ à vide M (T)
• Calculez le flux traversant le circuit magnétique
52
Résistance du circuit électrique
Sl
Sl
Rσ
=ρ= 1
résistance (Ω )
résistivité (Ω m)
conductivité (Ω 1m1)
section du conducteur
(m2)
longueur du conducteur (m)
53
Fuites du circuit magnétique
• Une partie du flux qui traverse le primaire n’arrive pas au secondaire mais se boucle sur luimême
mff
mff
nil
nil
Ψ+=ψ+ψ=ψ
Ψ+=ψ+ψ=ψ
2222122
1111211
54
Pertes dans les matériaux magnétiques
• Pertes par hystérésis
• Pertes par courant de Foucault
→ feuilletage des circuits magnétiques
ω∝ 2B
22ˆ ω∝ B
55
Système électromécanique
• La partie électrique reçoit la puissance p=v.i• La partie mécanique fournit la puissance Ω .C• La partie magnétique couple les parties électriques
et mécaniques et stocke une partie de l’énergie
i(t)
v(t)
Ω , C
56
Détermination du couple (1)
• Bilan d’énergie
mécamage WdWW δ+=δθ⋅=δ
ϕ⋅=⋅⋅=δdCW
didtivW
méca
e
θ⋅θ∂
∂+ϕ⋅
ϕ∂∂
=
θ−ϕ⋅=
=ϕ=θ
dW
dW
CddidW
cste
mag
cste
mag
mag
θ∂∂
−=
=ϕ∂
∂
⇒
=ϕ
=θ
cste
mag
cste
mag
WC
iW
57
Détermination du couple (2)• Énergie magnétique – coénergie magnétique
ϕ⋅=+
⋅ϕ+ϕ⋅=+
⋅ϕ=
ϕ⋅=
∫∫
ϕ
iWW
didiWddW
diW
diW
magmag
magmag
i
mag
mag
~
~
~0
0
θ⋅θ∂
∂+⋅
∂∂
=
θ+⋅ϕ=
==θ
dW
dii
W
CddiWd
cstei
mag
cste
mag
mag
~~
~
cstei
magWC
=θ∂
∂=⇒
~
58
Détermination du couple (3)
• Cas linéaire (non saturé) :
• Cas linéaire multivariable:
2
21
iddL
Cθ
=
iLiθ
=θ
= ∑∑= = d
dii
ddL
Cn
k
n
llk
kl T
1 1 21
21
=
=
nnn
n
n LL
LL
i
i
1
1111
, Li
59
ch 2. Les convertisseurs statiques
4.1. Les composants (interrupteurs)4.2. Les redresseurs à Diodes (rectifier)4.3. Les hacheurs (chopper)4.4. L’onduleur (inverter)
60
2.1. Les composants de l’électronique de puissance
• Diode• Thyristor• Transistor, Thyristor GTO• Transistor et Diode en antiparallèle• Plages de tension et courant
61
• interrupteur passif monodirectionnel en courant et en tension
• condition de mise en conduction: vD≥ 0• condition de blocage: iD≤ 0• 2 technologies: diodes de redressement (50 Hz) et
diodes rapides (diodes shotky) pour hacheurs et onduleurs
Diode
iD
vD
iD
vD
62
• diode commandable à la mise en conduction• interrupteur passif monodirectionnel en courant et
bidirectionnel en tension• condition de mise en conduction: vT≥ 0 et un
courant dans la gachette• condition de blocage: iT≤ 0
Thyristor
iT
vT
iT
vT
63
• interrupteur passif monodirectionnel en courant et bidirectionnel en tension
• commandable à la mise en conduction et au blocage• condition de mise en conduction: vT≥ 0 et un courant
dans la gachette• condition de blocage: iT≤ 0• techno: bipolaire, mosfet, IGBT, GTO
Transistor et thyristor GTO
iT
vT
iT
iT
vT
64
Association transistor et diode
• interrupteur bidirectionnel en courant• commandable à la mise en conduction et au
blocage dans le sens iT >0 • mise en conduction et blocage automatiques dans
le sens iT<0
vT
iT
iT
vT
65
Gammes d’utilisation
fréquence
puissance1 MW100 kW100 kW
100 kHz
10 kHz
1 kHz
10 kW
MOSFET
IGBT
GTOthyristor
prix
limite technologique
à un instant donné
innovation
66
2.2. Les redresseurs à Diodes
• Redresseur monophasé• Conduction discontinue• Redresseur triphasé • Modélisation fine
• Cas T1 et T4 passants, T2 et T3 bloqués – v2 = v1 , i1 = i2
– condition : v1 > 0
• Cas T1 et T4 bloqués, T2 et T3 passants– v2 = v1 , i1 = i2
– condition : v1 < 0
70
Conduction discontinue
• blocage de toutes les diodes si i2 < 0,• alors
– le circuit amont est coupé du circuit aval– i1 = i2 = 0, v2 = v3,
• Fin de la séquence de bloquage si v2th > v2 où– v2th = |v1| est la tension que délivrerait le redresseur seul– v2 = v3 est imposé par le circuit aval.
monodirectionnel en tension et en courant bidirectionnel en
tension et en courant
= charge
T1 T2
T3 T4v2
i2
v1
i1
= charge
v2
i2
v1
i1
75
Hacheur 4Q : formes d’ondes (1)
• Commande alternée: sur une période T, T1 et T4 sont mis en conduction pendant α T (T2 et T3 sont alors ouverts); T2 et T3 sont mis en conduction pendant (1α )T (T1 et T4 sont alors ouverts);
∀ α est appelé rapportcyclique (0≤ α ≤ 1)• des temps morts sont appliqués à la mise en
conduction afin d’éviter un courtcircuit de la source à travers un bras de pont.
76
Hacheur 1Q : modèle
• C : signal de commutation– C = 1 : le transistor conduit (v2 = v1 ; i1 = i2)– C = 0 : le transistor est bloqué (v2 = 0 ; i1 = 0)
21
12
iCi
vCv
⋅=⋅=
α=CHacheur
MLIα
v1
i2
v2
i1
C
77
Hacheur 4Q : modèle
• C : signal de commutation– C = 1 : le transistor conduit (v2 = v1 ; i1 = i2)– C = 0 : le transistor est bloqué (v2 = v1 ; i1 = i2)
( )( ) 21
12
12
12
iCi
vCv
⋅−=⋅−=
α=C
78
Hacheur 4Q : formes d’ondes (2)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2100
50
0
50
100u1
, i1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2100
50
0
50
100
t (ms)
u2, i
2charge RL; α =0,7; fH=10 kHz
79
• Hacheur 1Q (v2∈v1,0)
• Hacheur 4Q (v2∈v1,v1)
• Limiter de α entre 0 et 1 (ou ε et 1 ε ; ε = qque %)
Hacheurs : commande
( )
+=α⇒⋅−α=
1
*2
12 12112
vv
vv T
1
*2
12 vv
vv T =α⇒α=valeur
estimée de v1
valeur de référence
80
2.4. L’onduleur
• Structures• onduleur monophasé : structure et formes
d’ondes• onduleur triphasé : structure et formes
d’ondes
81
L’onduleur : structures
= charge
T1 T2
T3 T4v2
i2
v1monophasé
triphasé
i1
v1= charge
T1 T3
T4 T6 v2a
i2aT2
T5
i1
82
Onduleur monophasé : modèle
• Idem au hacheur 4Q
Onduleur monophasé
MLIα
v1
i2
v2
i1
C
83
L’onduleur monophasé : commande
( ) 12 12 vvT
⋅−α=
+=α
1
*1
21
vv
Comme pour le hacheur 4Q, on a:
Pour réaliser une tension v* quelconque, il suffit de choisir:
)cos(2* tVv ω=
avec:
84
L’onduleur monophasé :formes d’ondes
0 5 10 15 20 25 301000
500
0
500
1000
u1, i
1
0 5 10 15 20 25 301000
500
0
500
1000
t (ms)
u2, i
2charge RL; fH = 1 kHz; V = 230 V
85
L’onduleur triphasé : modèle (1)
−=−=−=
0
0
0
~
~
~
vvv
vvv
vvv
cc
bb
aa
On a : avec:
Neutre nonconnecté ⇒ ia+ib+ic ≡ 0
===
1
1
1
~
~
~
vCv
vCv
vCv
cc
bb
aa
( ) 10 31
vCCCv cba ⋅++=⇒
va
Onduleurv1 = av~ia
v0
dtdi
LRiv
dtdi
LRiv
dtdi
LRiv
ccc
bbb
aaa
+=
+=
+=
Charge équilibrée : ⇒ va+vb+vc = 0
86
L’onduleur triphasé : modèle (2)
−−
−−
−−
⋅=
⇒
c
b
a
M
c
b
a
C
C
C
v
v
v
v
32
31
31
31
32
31
31
31
32
1
[ ]
⋅=⋅+⋅+⋅=
c
b
a
cbaccbbaa
i
i
i
CCCiCiCiCi1
Onduleur triphasé
MLI
v1
ia, ib, ic i1
va, vb, vc
α a, α b, α c
Ca, Cb, Cc
87
L’onduleur triphasé : modèle (3)
−=−=−=
acc
cbb
baa
vvu
vvu
vvu
~~
~~
~~
On a : avec
===
1
1
1
~
~
~
vCv
vCv
vCv
cc
bb
aa
ua
Onduleurv1 = av~
iaja
−=−=−=
acc
cbb
baa
jji
jji
jji
et
[ ]
⋅=⋅+⋅+⋅=
c
b
a
cbaccbbaa
i
i
i
CCCiCiCiCi1avec
Onduleur triphasé
MLIα a, α b,
α c
v1
ja, jc, jc i1
Ca, Cb, Cc
ua, uc, uc
88
L’onduleur triphasé : commande (1)
−⋅α=
−⋅α=
−⋅α=
01
01
01
vvv
vvv
vvv
cc
bb
aa
On a : avec: ( )Ev cba α+α+α=31
0
ααα
−−
−−
−−
=
c
b
a
M
c
b
a
v
v
v
v
32
31
31
31
32
31
31
31
32
1d’où
89
L’onduleur triphasé : commande (2)
+α=α
+α=α
+α=α
1
*
0
1
*
0
1
*
0
vv
vv
vv
cc
bb
aa
Pour réaliser les tensions va*, vb*, vc*, il suffit de choisir:
( )
π−ω=
π−ω=
ω=
34
cos2
32
cos2
cos2
*
*
*
tVv
tVv
tVv
c
b
a
avec:
90
L’onduleur triphasé : formes d’ondescharge RL; fH = 1 kHz; V = 230 V
0 5 10 15 20 25200
0
200
400
600v1
, i1(
x8)
0 5 10 15 20 25500
0
500
v2a,
v2a
*, i2
a(x8
)
0 5 10 15 20 2540
20
0
20
40
t (ms)
i2a,
i2b
i2c
91
ch. 3. Les actionneurs électriques
• Généralités• Moteur à courant continu• Moteur synchrone • Moteur asynchrone• Autres moteurs : MRV, pasàpas et
piézoélectrique
92
3.1. Généralités
• Nomenclature• Technologies• Terminologie• Principe général
93
Nomenclature
• Type de mouvement: linéaire / rotatif• Type d’Alimentation: courant continu /
Vu la dynamique de la partie mécanique, on peut considérer le courant d’induit comme égal à sa valeur moyenne
On considère le flux comme étant réglable de manière indépendante
ϕ ue(t)
ie(t)
induit
E
R
u(t)
i(t)
inducteur
102
MCC à aimants : équations
)()(
)()()(
)()()()(
tCtCdtd
J
dtdi
LtRitEtu
tKitC
tKtE
rm
m
−=Ω
++=
=Ω=
E (V) : fem ; Ω (rad/s) : vitesse de rotation ; K (N.s ou N.m.A1) : constante de fem ou de couple ; Cm (N) : couple moteur ; u (V) : tension d’induit ; i
• Il s’agit d’un MCC à excitation série• En notant ϕ = Li et kϕ = kLi = k1i :
• Cm = kϕ i = k1i2
• Le couple est positif quelque soit le signe de i• Alimentation à partir d’un gradateur
monophasé• Solution faible coût (ex.: perceuse)
105
3.3. La machine synchrone
• Principe• Technologie• Modèle
106
Principe
• L’excitation du rotor et les courants alternatifs du stator produisent deux champs tournants qui s’attirent.
• En fonctionnement normal, les deux champs sont synchrones.
• Pour alimenter correctement le stator, il est nécessaire de connaître la position du rotor (autopilotage)
107
Technologies• Stator = induit : bobinage triphasé placé dans des
encoches réalisées au sein d’un matériau magnétique feuilleté. Il réalise dans l’entrefer un champ tournant à la vitesse ω /p où ω est la pulsation des courants et p le nombre de paires de pôles du bobinage
• Rotor = inducteur = excitation : roue polaire à p paires de pôles produisant un champ tournant synchrone avec sa position. On distingue des rotors:– à pôles lisses ou à pôles saillants– à aimants permanents (PMSM) ou bobinés.
108
Modèle
• I et V sont les grandeurs représentatives du courant et de la tension statoriques ;
∀ ϕ r (Wb) : flux produit par le rotor ;
• E (V) : fem à vide ; • R (Ω ) : résistance statorique ; • L (H) : inductance synchrone+fuites
E
LR
V(t)
I(t) ILjIREV
jE
s
r
⋅ω⋅⋅+⋅+=
ϕω=schéma électrique
équivalent par phase
q
dIIq
E=jω ϕ r
R.Ij.ω .L.I
ϕ r
V
pθ
rotor
stator
qrem IpC ϕ=
109
MS : structure (2)
110
MS : structure (3)
111
Inductance de deux circuits
• deux enroulements au stator ou au rotor décalés d’un angle α
• l’inductance mutuelle est de la forme:
)cos(12 α= MM
α
112
Flux du stator sur luimême
• 3 circuits (a, b et c) décalés de 2π /3p
++=ϕ++=ϕ++=ϕ
csbsassc
csbsassb
csbsassa
iLiMiM
iMiLiM
iMiMiL
−=
+=
0
0
2
1ss
sfss
LM
LlL
a
b
c
⋅
=
ϕϕϕ
c
b
a
s
sss
sss
sss
sc
sb
sa
i
i
i
LMM
MLM
MML
h h hhM
Lso : inductance correspondant au flux principal ; lfs : inductance correspondant au flux de fuite
113
Flux mutuel entre le stator et le rotor• le rotor est à la position θ par rapport au stator• cela correspond à la position pθ en angle électrique
(période 2π /p ramenée à 2π )
a
b
c
rotor
pθ
( )
π+θ=ϕ
π−θ=ϕ
θ=ϕ
3
2cos
3
2cos
cos
piM
piM
piM
frsrc
frsrb
frsra
( )
π+θ
π−θ
θ
⋅ϕ=
ϕϕϕ
3
2cos
3
2cos
cos
p
p
p
f
rc
rb
ra
114
Équations du modèle triphasé
ϕ+=
ϕ+=
ϕ+=
tiRv
tiRv
tiRv
ccsc
bbsb
aasa
ddd
dd
d
ϕ+ϕ=ϕϕ+ϕ=ϕϕ+ϕ=ϕ
rcscc
rbsbb
rasaa
( )
)1(
32cos
32cos
cos
π+θ
π−θ
θ
⋅ϕ+
⋅=
ϕϕϕ
p
p
p
i
i
i
f
c
b
a
s
c
b
a
M
ϕϕϕ
⋅+
⋅=
c
b
a
c
b
a
s
c
b
a
ti
i
i
R
v
v
v
dd
115
Expression du couple (1)
ϕϕϕ
θ⋅
⋅=⋅
θ⋅⋅=
c
b
a
c
b
a
i
i
i
dd
Cdd
21
21
T
T iLi
( )
[ ]( )
π+θ
π−θ
θ
⋅⋅ϕ⋅
−=
π+θ⋅+
π−θ⋅+θ⋅⋅
ϕ⋅−=
32
sin
32
sin
sin
2
32
sin3
2sinsin
2
p
p
p
iiip
pipipip
C
cbaf
cbaf
116
3.4. Le moteur asynchrone triphasé
• Structure• Technologie• Principe• Fonctionnement sur réseau alternatif
117
Structure de la MAS• stator identique à celui du moteur synchrone
(enroulement triphasé à 2p pôles)• rotor :
à cage (le plus courant) : système de barres reliées par un anneau de courtcircuit et placé dans un empilement de tôles magnétiques bobiné : système d’enroulements triphasés à 2p pôles (courtcircuités en fonctionnement normal) massif, composé d’un seul matériau avec un compromis entre la conductivité et la perméabilité
118
Technologie
• stator : identique à celui du MS (enroulement triphasé à 2p pôles parcourus par des courants à la pulsation ω produisant un champ tournant à la vitesse ω /p).
• rotor : partie passive permettant la circulation de courants et perméable au champ magnétique.– rotor à cage : une cage formée de barres et d’anneaux
de courtcircuit forme le circuit électrique qui est plongé dans un empilement de tôles magnétiques (le plus répandu)
– rotor bobiné : bobinage similaire à celui du stator, généralement courtcircuité
– rotor massif (appli: frein à courant de Foucault)
119
MAS : principe• Un champ de vitesse ω /p est créé au stator• Le rotor tournant à la vitesse Ω voit le champ
tourner à la vitesse ω /p Ω• Ce champ induit donc au rotor des courants à la
pulsation ω r = ω pΩ• Ce champ induit au rotor entraîne la production
d’un couple qui tend à faire tourner le rotor à la vitesse de synchronisme Ω s = ω /p
stator
rotorchamp
tournantΩ
ω /p
120
MAS : principe 2
• On note ω r = gω où g est appelé glissement (slip en anglais)– g = 1 : arrêt– g = 0 : synchronisme
• Alimenté par un réseau 50 Hz, les vitesses de synchronisme possibles sont ω /p = 3000, 1500, 1000, 750, 600… tours/min
( )p
gω−=Ω 1
121
MAS : modèle• Schéma électrique équivalent par phase
Rs
Rr/gLm
Nr
V
I
Rs, Rr (Ω ) : résistance statorique et rotoriques ; Lm (H) : inductance magnétisante ; Nr (H) : inductance des fuites totalisées au rotor ; g (s.u.) : glissement ; ω (rad/s) : pulsation du réseau ; p : nombre de paires de pôles.
Correcteur proportionnel intégral à temps continu :
Correcteur proportionnel intégral à temps échantillonné :
)()()(
)()()(
1 kekk
kikpk
tTtItI
tIKtKtu
ε⋅+=
⋅+ε⋅=
+
Il faut penser à limiter le terme intégral (problème d’antiwindup)
144
Réglage PI
• On cherche à approcher la bande passante du système vers les hautes fréquences.
• Alors • Le hacheur peut être approché par un retard pur de
Th/2
• Il faut généralement compter une période de hachage pour le temps de calcul du correcteur
• Soit avec
( )( ) Lssusi 1≅
( )( ) Ls
esusi sτ−
≅ hT23=τ
145
Réglage PI (2)
• On approche alors l’exponentielle pour, approximation valable dans la bande passante car la bande passante est nécessaire inférieure au retard pur:
• d’où
se s
τ+≅τ−
1
1
( )( ) ( )sLssusi
τ+≅
1
1
146
Réglage PI (3)
• On cherche un correcteur sous la forme
• Une première méthode consiste à :– placer le zéro du correcteur loin du pôle du
correcteur (ex. τ i = 10 τ ),– choisir Kp de sorte qu’on respecte la marge de
phase ∆ ϕ désirée.
ss
KsCi
ip τ
τ+=
1)(
147
Réglage PI (4)
• Une seconde méthode (optimum symétrique) consiste à – placer le zéro du correcteur dans un rapport a avec le
pôle du correcteur (ex. τ i = a τ ),
– choisir a de sorte que la phase maximale soit égale à −π +∆ ϕ
– choisir Kp tel que le gain en boucle ouverte coupe l’axe 0 dB à la pulsation où la phase est de π +∆ ϕ .
148
Réglage PI (5)• optimum symétrique : calculs
( )
ssa
Lsa
K
sLsss
KsH
p
i
ipBO
τ+τ+
τ=
τ+ττ+
=
11
111
)(
2
( ) ( ) 22
22
22 1)1(1
11
)(ωτ+
−τ ω+ωτ+ωτ
=τ ω+τ ω+
ωτ=ω
a
aja
jLa
K
jja
jLa
KjH pp
BO
( ) ( )( )
ωτ+−τ ω+π−=
τ ω−τ ω+π−=ω
2211
arctan
arctanarctan)(arg
a
a
ajH BO
τ=ω
a
1*argument maximal en
149
Réglage PI (6)• optimum symétrique : calculs (suite)
aj
ajL
Kaj
a
jaj
L
KjH
p
pBO
−+τ
=
+
+τ−=ω
1
1
1
1)( *
L
KajH p
BO
τ=ω )( *
( )ajH BO arctan2
3)(arg * +π−=ω
π+ϕ∆=⇒ϕ∆+π−=ω
42tan)(arg * ajH BOτ
=⇒=ωa
LKjH pBO 1)( *
150
MCC : asservissement de vitesse
CΩ (z) MCC asservie en
courantCr
Ω ref+
—
ε iref
Ω
• généralement: correcteur PI
• besoin d’un effet intégrale fort pour rejeter les variations du couple de charge
151
Asservissement de vitesse (2)
• On modélise la boucle de courant comme un premier ordre de pulsation de coupure sa bande passante ω *.
•Approximation pour les hautes fréquences (ω >>f/J) :
*1
1
ω+ s Jsf +
1iref i Ω
( )( ) ( )
ω+
≅
ω++
=Ω
** 1
1
1
1s
Jss
Jsfsi
sref
152
Technologie : capteur de courant
• La mesure de courant est généralement faite dans le variateur par une mesure de tension aux bornes d’une résistance de très faible valeur placée en série avec le moteur ; cette tension est ensuite amplifiée.
• A partir d’une certaine gamme de prix, on peut envisager d’utiliser des sonde à effet Hall (délivrent une tension proportionnelle au champ produit par le courant)
153
Technologie : capteur de vitesse
• sans capteur (mode RI) : estimation de la vitesse en tenant compte de la chute de tension résistive,
où F(s) est un filtre• avec génératrice tachymétrique (donne une tension
proportionnelle à la vitesse),• avec codeur de position (généralement un codeur
incrémental ; la vitesse est estimée à partir de la position).
( )K
iRusF
⋅−⋅=Ω
154
Technologie : capteur de position
• Pour l’asservissement de position, il est nécessaire de disposer d’un capteur de position :– codeur incrémental + butée pour l’initialisation– codeur absolu
155
4.2 MS
156
Du modèle à la commande
• Stratégie classique de commande vectorielle :– imposer I selon l’axe q (orthogonal au flux rotorique).
On parle d’autopilotage car c’est la position du rotor qui impose la position du vecteur courant
– faire varier l’amplitude du courant– nécessité de connaître la position absolue du rotor
( )qr
q
IpC
EIIECP
ϕ=⇒
==Ω= 3Re3 *
157
MS autopiloté = DC brushless
• réseau mono (<1 kW) ou tri• redresseur = pont de diodes• onduleur à transistors ou à thyristors• commande sur microcontrôleur ou microprocesseur• mesures : courant et position
≈réseau 50 Hz
redresseurà diodes
MSonduleur
Commandemesures
chargemécanique
158
4.3 MAS
159
MAS en vitesse variable
• réseau mono (<1 kW) ou triphasé• redresseur = pont de diodes• onduleur à transistors• commande sur microcontrôleur ou microprocesseur
(commande scalaire ou commande vectorielle)• mesures : courant et position ou vitesse
≈réseau 50 Hz
redresseurà diodes
MASonduleur
Commandemesures
chargemécanique
160
MAS + onduleur
• MAS couplée en triangle ou en étoile• Onduleur de tension à transistors ou GTO ∀ θ est la position angulaire du rotor∀ Ω est la vitesse angulaire du rotor• La consigne de la commande est le couple, la vitesse ou la
position
E
=T1 T3
T4 T6
T2
T5
commande
MAS
ia ib θ ,
Ω ou rienconsigne
161
Commande du moteur asynchrone
• Alimentation directe à partir du réseau (vitesse constante)
• Commande scalaire (on régule le flux et le couple en régime permanent)
• Commande vectorielle par orientation du flux avec capteur mécanique (codeur de position ou génératrice tachymétrique)
• Commande directe du couple sans capteur mécanique (inconvénient : harmoniques basse fréquence)
162
Commande scalaire: commande à U/f contant
• Tension d’alimentation proportionnelle à la fréquence (U/f constant)
• Permet de fonctionner à flux nominal quelque soit la vitesse
• Ne permet pas de variation rapide de la vitesse
• Pas de régulation des courants (protection)• Ne nécessite pas de capteur mécanique
163
Commande par orientation du flux
• FOC: flux oriented control ou FRO: flux rotorique orienté
• Dynamique du couple élevée• Mesure de la position ou de la vitesse
164
Commande directe du couple
• DTC: direct torque control• Bonne dynamique du couple• Pas de capteur mécanique• Harmoniques basse fréquence• Utilisé pour les systèmes de puissance