Contrôle par défluxage

Développer un contrôle par défluxage pour les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM)

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Le défluxage est une technique consistant à augmenter la vitesse d'un moteur électrique au-delà de sa vitesse de référence, ce qui réduit le couple. Cette technique est utilisée pour le contrôle de moteur dans les applications d'automatisation et pour le contrôle de moteur à traction des véhicules électriques et des locomotives, dans le but d'augmenter la vitesse du moteur quand un couple plus faible est acceptable.

Grâce à sa haute densité de puissance, à sa vitesse élevée et à sa réponse dynamique rapide, le moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) est fréquemment utilisé dans ces applications.  Toutefois, la vitesse des PMSM est limitée lorsque la tension aux bornes du stator atteint la limite de sortie de l'onduleur.  C'est pourquoi il est nécessaire d'appliquer le défluxage au PMSM afin de d'augmenter la vitesse de l'arbre au-delà de sa vitesse de référence.  Pour bénéficier d'une vitesse moteur plus élevée, il est possible de réguler l'électronique de puissance de l'onduleur afin de manipuler les courants de l'axe d et de l'axe q du stator, ce qui permet de contrer le flux magnétique de l'entrefer généré par les aimants du rotor.

Le contrôle par défluxage implique de réduire le flux de l'axe d obtenu,\(\lambda_{d}\), en diminuant l'effet de la liaison par flux de l'entrefer obtenue associée aux aimants permanents,\(\lambda_{pm}\). Pour ce faire, il est nécessaire de rendre négative la composante du courant statorique de l'axe d d'aimantation dans le PMSM, comme indiqué dans la Figure 1 ci-dessous.

Fig. 1 Représentation vectorielle du flux de l'axe d obtenu, λd

Fig. 1 Représentation vectorielle du flux de l'axe d obtenu, λd

Dans la Figure 2, la courbe de la caractéristique couple-vitesse montre que la force contre-électromotrice du moteur (tension statorique) augmente proportionnellement à la vitesse du moteur. Ce comportement se produit dans la région de couple constant du PMSM, où l'utilisation de la commande vectorielle (FOC) est une méthode acceptable pour réguler le moteur. Toutefois, lorsque la vitesse continue à augmenter, la tension appliquée atteint son maximum, et la tension de la force contre-électromotrice dépasse la tension appliquée, empêchant ainsi la vitesse du moteur d'augmenter. Pour augmenter la vitesse du moteur au-dessus de sa vitesse de base, le mode de défluxage est utilisé tout en maintenant une puissance de sortie constante, qui correspond au produit du couple et de la vitesse du moteur. Pendant le défluxage, le moteur peut tourner plus rapidement à la tension maximale disponible, ce qui réduit le couple maximum.

Fig. 2 Caractéristique couple-vitesse des PMSM

Fig. 2 Caractéristique couple-vitesse des PMSM

La Figure 3 illustre le fonctionnement du contrôle de défluxage à l'intersection de l'ellipse tension limite avec le cercle courant limite du côté gauche du plan des courants statoriques (id, iq).

Fig. 3 Limite de tension et de courant d'un PMSM

Fig. 3 Limite de tension et de courant d'un PMSM

Pour comprendre le défluxage, les trajectoires des vecteurs de courant peuvent être évaluées avec des trajectoires qui délimitent la région OABC de défluxage. La trajectoire I le long de OA correspond à la courbe du couple maximum par ampère (MTPA), lequel peut être obtenu en manipulant la trajectoire du vecteur de courant de sorte qu'elle corresponde à la courbe OA. La trajectoire II suit le cercle de limite du courant de A à B. La limite de courant est définie par les contraintes du bus DC et de l'électronique de puissance. La trajectoire III représente le défluxage profond le long de BC, la courbe du couple maximum par volt (MTPV).  Pendant le fonctionnement MPTV, le moteur génère la vitesse et le couple maximum autorisés dans l'ellipse de contrainte de la tension, laquelle est délimitée par le bus DC.  Quelle que soit la réponse transitoire du couple, les trajectoires de défluxage ou les points de fonctionnement optimisés sont toujours situés dans la zone grise.

La Figure 4 montre le schéma bloc au niveau système pour le contrôle par défluxage d'un PMSM dans Simulink®. La boucle de contrôle de vitesse extérieure génère une commande de couple en entrée pour le bloc MTPA field-weakening control. La boucle de courant intérieure est composée des transformées de Clarke et de Park et d'un générateur de vecteurs spatiaux.

Fig. 4 Présentation du contrôle par défluxage d'un PMSM

Fig. 4 Présentation du contrôle par défluxage d'un PMSM

Motor Control Blockset™ propose des exemples de référence illustrant le contrôle par défluxage et le déploiement de la génération de code pour vous aider à implémenter le contrôle par défluxage avec Simulink.

Pour en savoir plus sur le design et l'implémentation des algorithmes de contrôle moteur, consultez les pages Motor Control Blockset et Simscape Electrical™.

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