Actionneurs Electriques

Plan • Cahier des charges • Choix de l ’actionneur • Choix du réducteur • Choix de l ’alimentation • Choix de la commande

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Cahier des charges

Contraintes physiques : •

Contraintes de définition

: Elles sont liées au régime permanent, cycliques ou non, et correspondent, pour un régime

S 1

, aux constantes nominales de définition mécaniques nécessaires pour satisfaire aux besoins de l'application (puissance utile, vitesse, couple).

Si le régime est défini par un profil cinématique quelconque, il convient de trouver le couple thermique et, le régime de fonctionnement normalisé, équivalents.

•

Contraintes dynamiques

: Elles sont liées aux régimes transitoires de la charge et aux valeurs maximales à supporter (accélérations maximales, temps de réponse, dépassements, vitesse et couple maxima...) •

Contraintes d ’environnement

: Elles limitent parfois la masse ou le volume de l'actionneur ou de l'ensemble de la chaîne.

Elles fixent une ambiance plus ou moins sévère en température, pression, humidité, possibilité de refroidissement et bruit acoustique et électromagnétique maximal toléré.

Elles exigent un type de fixation et d'accouplement, Elles limitent le niveau de perturbations électromagnétiques conduites et ou rayonnées ainsi que la pollution harmonique tolérable .

Enfin elles précisent les facilités de maintenance de surveillance ou la sûreté de fonctionnement.

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Contraintes économiques •économiques, •juridiques contractuelles ou normatives, •commerciales •

politiques

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Choix de l ’actionneur

Il faut satisfaire les

contraintes de définition

dans le plan couple-vitesse ou puissance-vitesse et les contraintes mécaniques maximales. Celle-ci fixent les types de machines possibles dans les gammes proposées par les constructeurs.

Ä Pour les faibles puissances toutes les machines sont envisageables.

Ä Dans la gamme des moyennes puissances les machines à réluctance variable, les brushless et les machines à courant continu sont très bien placées.

Ä Pour les fortes puissances seules les machines classiques rivalisent, avec une limite en vitesse proche de 2000 tours/minute pour les machines à collecteur. Aux très faibles puissances et faibles tensions les machines à courant continu se placent encore le mieux.

Le choix se réduit ensuite par la prise en compte des

contraintes dynamiques

, en comparant celles-ci aux performances des machines retenues (inerties, constantes de temps, constantes de qualité, etc).

En particulier les accélérations maximales permettent de fixer l'inertie de l'actionneur associée à celle de la charge. Une bonne règle consiste à choisir une inertie moteur égale à celle de la charge ramenée côté moteur, pour une première itération.

Enfin

les contraintes d'environnement

réduisent encore le choix possible. A fonctions identiques les solutions à courant continu sont généralement plus économiques dans les petites puissances, mais compte tenu des coûts rapidement dégressifs des variateurs à courants alternatifs il convient d'opérer une comparaison économique systématique des diverses solutions possibles.

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MACHINE

Moteurs à courant continu - bobiné

ALIMENTATION APPLICATION TYPE

- aimants permanents hacheur ou redresseur commandé ou non entrainements industriels (acieries, papeteries) et traction (bus, métro, train...) véhicules électriques, auxiliaires automobile et avion.

Asservissements de vitesse et position. Robotique.

- brusless DC - brusless AC onduleur à créneaux de courants 120 à 180° onduleur sinusoïdal triphasé Asservissements vitesse et position actionneurs avioniques, peri-informatique, machines outils.

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MACHINE

Moteurs Asynchrones monophasé à cage triphasé bobiné

ALIMENTATION APPLICATION TYPE

sinusoïdale monophasée ou gradateur sinusoïdale triphasée ou cascade hyposynchrone entraînements faible puissance, bas prix, domestiques et industriels entraînements de grande puissance plage de vitesse limitée

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Machine

Moteur synchrones - excitation bobinée (avec bagues ou diodes tournantes)

Alimentation

sinusoïdale triphasée ou onduleur courant

Application type

Entraînement ventilateurs et compresseurs de grande puissance - excitation par aimants sinusoïdale triphasée (ou biphasée selon la machine) ou onduleur MLI entraînements faible et moyenne puissance nécessitant une synchronisation - à reluctance variable avec cage de démarrage sinusoïdale triphasée (ou biphasée selon la machine) ou onduleur MLI entraînements faible et moyenne puissance nécessitant une synchronisation

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Machine Alimentation Application type

Moteurs pas à pas tous types continue commutée péri-informatique créneaux de tension ou de courant (imprimantes, traceurs).

Asservissements de position Moteurs à réluctance variable polyphasés continue commutée entraînements sans balais faible coût - grande plage de vitesse pour faible et moyenne puissance. Applications domestiques et avioniques.

monophasé continue commutée ou sinusoïdale entraînements synchrones de faible et très faible puissance.

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Choix du réducteur

fa Ja Ca Actionneur C1 red,

h w

a Réducteur C2 fc

w

c Jc Cc Charge mécanique

J a , J c : inertie moteur, inertie charge (bobine) ω a , ω c : vitesse moteur, vitesse charge f a , f c : coefficient de frottement visqueux moteur, coefficient de frottement visqueux charge (bobine) red , η : rapport et rendement du réducteur c a , c 1 , c 2 , c c : couple électromagnétique, entrée réducteur, sortie réducteur, charge

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Mise en équation

c a

=

J a d ω a dt

+

f a ω a

+

c

1

ω a

=

red ω c

Après élimination de c 1 , c 2 et ω a

c c

2 2 = =

η d ω J c red dt c

1

c

+

f c ω c

+

c c c a

=   

red

.

J a

+

J c η

.

red

  

d ω c dt

+   

red

.

f a

+

f c η

.

red

  

ω c

+

c c η

.

red

L'accélération de charge à vitesse nulle et en négligeant frottements et couple de charge est maximal pour red opt =

J η J c a

Si, sous charge, on impose l’accélération max de la charge, le rapport de réduction conduisant à une valeur minimale de couple d’accélération est donnée par:

red opt

=

J c η γ J cM c γ

+

cM C c

g cM accélération max de la charge

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Caractérisation dynamique de l'actionneur (exemple de la MCC)

Constante de temps électrique τ me .

Constante de temps mécanique t ma .

Accélération angulaire (à couple de charge et frottement nul) :

γ

=

kI n

avec Couple= k.I

J

Puissance transitoire ou facteur de mérite (dérivée de la puissance instantanée pour une vitesse nulle et à couple donné) :

C

2

J

Couple d'accélération (valeur moyenne du couple électromagnétique pour atteindre une vitesse nominale N n en une durée t 0 ) :

Cacc

=

J

.

π

.

N n

.

30 .

t

0 Il doit être compris entre Cu (couple nominal) et Cimp (couple impulsionnel).

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Caractérisation du réducteur

Soient γ cm ,l'accélération maximale de la charge, ω cm , la vitesse maximale de la charge, c cn , le couple nominal Soient ω am vitesse maximale de l'actionneur, P am puissance maximale du moteur Valeur maximale du couple d'accélération : C acm On doit vérifier

C accm

≥

red

.

J a

+

J c η

.

red

 

γ cm red

+ ≤

ω am ω cm red

.

f a

+

f c η

.

red

 

ω cm

+

η

.

c cn red

Red doit donc satisfaire aux inégalités

η

[

J a γ cm

+

f a ω cm

]

red

2 −

η C accM red

≤ .

red ω am ω cm

+ [

J c γ cm

+

f c ω cm

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+

c ch

] ≤ 0

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Il apparaît nécessaire que les racines du trinôme du second degré red 1 et red 2 soient réelles et la condition sur les déterminants donnent :

C accm

≥ 2 [

J a γ cm

+

f a ω cm

][

J c γ cm

+

f c ω cm

+

c cn

]

η

1 Le rapport de réduction doit être compris entre red 1 et red 2 . Il doit aussi être inférieur à w m / w cM .

Il doit être le,plus élevé possible pour réduire la constante de temps.

En prenant un facteur de sécurité de 20%, la puissance maximale est donnée par:

P am

= 1 .

2

η

[

J c γ cm

+

f c ω cm

+

c cn

]

ω cm

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Choix de l ’alimentation

En courant continu

le hacheur

à transistor pour les faibles puissances, puis à IGBT pour les puissances supérieures constitue une excellente solution.

Le redresseur commandé

intervient ensuite.

En courant alternatif

l'onduleur de tension classique ou à MLI

à transistor, puis IGBT, associé au moteur asynchrone ou à réluctance variable couvre la gamme des petites et moyennes puissances avec des commandes scalaires. L'onduleur MLI permet en plus la commande vectorielle des machines synchrones brushless et asynchrones.

Pour les fortes puissances, en courant alternatif les interrupteurs types thyrisistors ou GTO deviennent nécessaires.

En commutation forcée les onduleurs de tension ou de courant classiques, ou à MLI, associés au moteur asynchrone permettent tous les types de commandes.

En commutation naturelle par le réseau le système de cascade hyposynchrone utilise un moteur asynchrone bobiné et en commutation de courant par la charge les machines synchrones autopilotées ou les moteurs asynchrones commandés en V/f avec capacités offrent des solutions acceptables.

La définition des courants et tensions maxima s'opère à partir des besoins de la machine pour qu'elle puisse fournir les couples et vitesse maxima

.

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Alimentation

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Commande Asservissement de vitesse de position de couple Commande de Triac capteurs Génératrice tachymétique Codeur de position, synchro résolveur Couplememètre, capteur de courant Capteur de courant (limitation)

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Alimentation

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Commande Autopilotage 1.

Par capteurs Détection de phase Détection de position capteurs Capteur à effet hall Capteur optique 2.

Sans capteur externe Procédés de traitement du signal Procédé de résonance Capteur magnétique Capteurs de courant (limitation)

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Alimentation

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Commande

Commande scalaire

Contrôle de flux U/f capteurs

Commande vectorielle

Asservissement de vitesse position couple Capteur de position ou vitesse (autopilotage) Capteurs de courant (limitation)

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Alimentation Commande

Fonctionnement en boucle ouverte

capteurs Capteur de position

Fonctionnement en boucle ouverte ou autopilotage

Capteur de position

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Choix de la commande Commande des machines à courant alternatif Commande scalaire comportement à basse vitesse

médiocre

adapté aux survitesses Sensiblité aux variations de paramètres

oui avec des performances médiocre oui pour certains algorithmes

Contrôle en régime permanent Contrôle en régime transitoire

oui non bon trop complexe beaucoup oui oui

commande vectorielle Contrôle direct du couple

médiocre oui avec de bonnes performances moyen oui oui

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Régulateurs PID

Analo gique ASIC µ C DSP oui oui oui oui

RST Retour d'état Technologie

non non oui oui oui oui oui oui

Perfor mances

moyen bon très bon

Com plexité Application

Couple/Flux Vitesse et position faible moyenne dépend de l'ordre du système Scalaire Vecto rielle oui (selon com mande) oui oui oui oui oui

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Synthèse H ∞ Commande adaptative Technologie Perfor mances Com plexité Application Couple/Flux Vitesse et position Analogi que ASIC µ C DSP Scalaire Vecto rielle oui oui oui oui oui compromis stabilité/per formances dépend de l'ordre du système non non non oui prise en compte des variations paramétri ques mais pas du bruit ni des dy namiques négligées.

élevée

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oui oui (varia tion des param ètres) oui (J et T f inconnus)

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Fin du chapître

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