Généralités

La machine synchrone est de loin la plus facile à piloter car le flux magnétique du rotor est créé uniquement soit par le moment magnétique de l’aimant permanent du rotor, soit par le courant inducteur continu envoyé dans le bobinage rotorique.

En particulier, il ne dépend pas de courants induits en provenance du stator, et donc de la variation du flux statorique; ce dernier sera utilisé uniquement pour effectuer un contrôle simple du couple électromagnétique.

Les mécanismes de base du pilotage de la machine synchrone pourront ensuite être transposés pour être utilisés dans le pilotage de la machine asynchrone pour laquelle le flux rotorique est intimement lié au flux statorique; ceci provient du fait que le moment magnétique créé au rotor par les courants induits sont dûs à la variation du flux statorique vue du rotor.

Tentative de commande de la vitesse en boucle ouverte

Pour entraîner le rotor à vitesse variable, on crée à l'aide des courants au stator un champ statorique qui doit exercer sur le rotor un couple optimal; cela veut dire que le flux statorique doit rester orienté entre 0 et 90° (de préférence voisin de 90°) en avance sur le rotor. On réalise immédiatement que sans information de la position du rotor (en boucle ouverte) il s'agit d'une mission impossible ! L'animation ci-dessous montre comment s'effectue l'entraînement du rotor, la commande de rotation du champ statorique étant préalablement choisie pour que le rotor puisse suivre. On remarquera le point limite de décrochage lorsque l'angle entre les deux flux tend à devenir plus grand que 90°. Pour une commande quelconque du flux statorique la machine n'est pas pilotable car elle décroche sans arrêt.

Contrôle du couple moteur de la machine

Pour contrôler la rotation du rotor à vitesse variable, il faut à tout instant contrôler la valeur de son couple moteur. Nous avons vu dans l'introduction que ce couple est le résultat du produit vectoriel entre le champ magnétique B créé par le stator et le moment magnétique M du rotor: Le moment magnétique M est celui de l'aimant permanent ou de l'électro-aimant rotorique. La commande du couple se réduit à contrôler le module de B, c'est à dire le flux, et son orientation dans l'espace par rapport au rotor. L'animation montre que dans un repère (d,q) tournant en synchronisme avec le rotor, les flux au rotor et au stator sont immobiles (appuyer sur le bouton pour arrêter le repère) et que l'angle entre les deux vecteurs est parfaitement caractérisé. Par convention, et pour simplifier, on prendra le champ rotorique aligné suivant l'axe d; la position du champ statorique dans ce repère est donc la résultante des 2 courants continus (en régime permament) Id et Iq dans les bobines fictives tournantes du stator. Une fois les valeurs des courants fictifs Id et Iq dans le repère tournant déterminées, il convient de calculer les courants réels dans les vraies bobines du stator.

Le champ B est modélisé par un système de 2 bobines mobiles disposées à 90° tournant en synchronisme avec le champ et parcourues par des courants continus Id et Iq.

Pour celà, on utilise la matrice de rotation [ R(q) ] pour calculer les valeurs des courants diphasés au stator:          d'où:  Ia = Id cos(q) - Iq sin(q)    et    Ib = Id sin(q) + Iq cos(q) Dnans le cas d'une machine triphasée, le calcul des 3 courants de phase du stator s'effectue par la transformation diphasé-triphasé faisant appel à la matrice de concordia [C32]:               L'association des 2 matrices donne la matrice de Park [P32(q)] = [C32] . [R(q)] et permet de transformer directement les courants fictifs Id et Iq dans le repère tournant en courants statoriques triphasés I1, I2, I3

Le champ B est créé par un système de 2 bobines fixes disposées à 90° montées sur le stator et parcourues par un système de courants alternatifs diphasés Ia. et Ib.

Contrôle de la vitesse à l’aide d’un commutateur de courant auto-piloté

On remarque que ce dispositif élémentaire d’auto-pilotage réalise bien un contrôle vectoriel du flux statorique puisqu’il permet de caractériser à tout instant le vecteur flux statorique par son module (de la forme L.Io) et son orientation déterminée par les séquences de conduction des 6 interrupteurs du commutateur.

On notera également que les 6 séquences de conduction des interrupteurs déterminent dans les 3 bobinages du stator 6 orientations du flux statorique.

La commutation des courants statoriques est assurée par un capteur de position monté sur l’arbre indiquant le passage du rotor par des positions angulaires précises.

On remarque donc que la fréquence des courants au stator est asservie à la rotation du rotor de manière à maintenir le synchronisme entre le champ créé par les courants du stator et le moment magnétique du rotor. Il en découle que le champ statorique "tourne" à la vitesse du rotor; en particulier, à l’arrêt du rotor, le champ statorique est immobile; c’est le principe de l’auto-pilotage.

On en déduit que le vecteur flux statorique n’est pas un vecteur tournant au sens classique, mais un vecteur "sautant" occupant 6 positions distinctes dans l’espace.

De ce fait l’écart angulaire entre le flux statorique et le flux rotorique, qui tourne à vitesse pseudo-constante du fait de l’inertie du rotor, subit une variation d’environ 60° ce qui entraîne une ondulation importante du couple autour de sa valeur moyenne.

Contrôle de la vitesse à l’aide d’un onduleur MLI de tension auto-piloté

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