Contrôle de la vitesse des moteurs à induction

Le contrôle de la vitesse des moteurs à induction consiste à manipuler les courants dans un moteur à induction afin d'en réguler la vitesse. Ce type de moteur, bien que fréquemment utilisé dans les applications à fréquence fixe, est également répandu dans les applications à fréquence variable, comme les transmissions industrielles et les véhicules électriques. Pour le fonctionnement en fréquence variable, l'onduleur module le courant vers les bobinages du stator.

Les moteurs à induction fonctionnent grâce à un couplage de champs magnétiques dans le stator et le rotor. Les courants dans le stator produisent un champ magnétique rotatif qui génère des courants et un champ magnétique décalé dans le rotor. L'interaction entre les champs magnétiques entraîne la rotation du rotor à une vitesse angulaire inférieure à la vitesse de rotation du champ du stator. Ce décalage dans la rotation, appelé glissement, fournit un couple au niveau de l'arbre du moteur. L'augmentation de la charge du moteur provoque une augmentation du glissement et du couple du moteur.

Pour  un moteur à induction à cage d'écureuil, le contrôle de la vitesse avec une commande vectorielle (FOC, field-oriented control) régule I_d et I_q de manière à ce que le flux soit proportionnel à I_d et le couple proportionnel à I_q. Cette approche permet d'augmenter la plage de vitesse et d'améliorer à la fois les performances dynamiques et à l'état stationnaire. Simulink^® vous permet d'utiliser la simulation multifréquence pour le design, le réglage et la vérification d'algorithmes FOC sur l'ensemble de la plage de fonctionnement du moteur avant les tests sur hardware.

Le diagramme Simulink ci-dessous illustre un algorithme FOC typique pour le contrôle de la vitesse d'un moteur à induction triphasé à cage d'écureuil.

Voici les principales composantes des stratégies de contrôle des moteurs à induction :

• Boucle interne (proportionnel-intégral, ou PI)
  • Contrôle du courant d'axe q : régule le courant d'axe q pour contrôler le couple électrique appliqué au moteur
  • Contrôle du courant d'axe d : pour le contrôle par défluxage, il régule le courant pour réduire le flux d'axe d et permettre au moteur de tourner au-delà de sa vitesse de référence au détriment du couple
• Boucle externe (PI) : boucle de contrôle de la vitesse du moteur à induction. Cette boucle a un taux d'échantillonnage plus faible que celui de la boucle interne (contrôle du courant) et génère une consigne de couple. Celle-ci est utilisée de manière à créer le courant de référence d'axe d et d'axe q pour la boucle interne.
• Transformées de Clarke, de Park et de Park inversée : conversions entre les trames synchrones stationnaires et rotatives
• Estimation de la vitesse de glissement : les moteurs à induction étant asynchrones, le glissement entre la fréquence du stator et du rotor est estimé pour calculer la vitesse synchrone et la position du rotor
• Méthode du vecteur spatial (SVM, Space Vector Modulation) : génère des impulsions modulées pour le contrôle des commutateurs d'électronique de puissance de l'onduleur
• Capteur de vitesse : la vitesse du moteur à induction peut être mesurée avec un encodeur en quadrature ou un autre capteur. Afin de contrôler un moteur à induction sans capteur, un algorithme basé sur un observateur remplace le capteur physique et estime la vitesse du moteur en temps réel.

Simscape Electrical™ et Motor Control Blockset™ proposent des exemples de développement de modèles de simulation de moteur à induction et de commande vectorielle pour le contrôle de la vitesse des moteurs à induction. La simulation du contrôle de la vitesse des moteurs à induction avec Simulink vous permet de réduire les tests de prototypes et vérifier la robustesse des algorithmes de contrôle aux scénarios dysfonctionnels qu'il serait difficile de tester sur hardware.

Avec Simscape Electrical et Motor Control Blockset, les ingénieurs spécialisés développent des systèmes de contrôle de la vitesse pour des moteurs à induction en réalisant les actions suivantes :

• Modélisation des moteurs à induction, des onduleurs et des contrôleurs de vitesse et de courant
• Réglage automatique des gains de boucle de contrôle de la vitesse des moteurs à induction avec des techniques de design de contrôle
• Design des algorithmes d'observation pour l'estimation de la position et de la vitesse du rotor
• Simulation du démarrage, de l'arrêt et des modes d'erreur et design de la logique de déclassement et de protection pour assurer un fonctionnement sûr
• Exécution des simulations du moteur et du contrôleur en boucle fermée pour tester les performances du système dans des scenarios de fonctionnement normal et anormal
• Génération de code C et HDL ANSI, ISO ou optimisés à partir du modèle pour le prototypage rapide, les tests Hardware-in-the-Loop et l'implémentation en production