Actionneurs et Transducteurs

Transcription

1 Plan Cahier des harges Choix de l ationneur Choix du réduteur Choix de l alimentation Choix de la ommande 1

2 Cahier des harges Contraintes physiques : Contraintes de définition : Elles sont liées au régime permanent, yliques ou non, et orrespondent, pour un régime S 1, aux onstantes nominales de définition méaniques néessaires pour satisfaire aux besoins de l'appliation (puissane utile, vitesse, ouple). Si le régime est défini par un profil inématique quelonque, il onvient de trouver le ouple thermique et, le régime de fontionnement normalisé, équivalents. Contraintes dynamiques : Elles sont liées aux régimes transitoires de la harge et aux valeurs maximales à supporter (aélérations maximales, temps de réponse, dépassements, vitesse et ouple maxima...) Contraintes d environnement : Elles limitent parfois la masse ou le volume de l'ationneur ou de l'ensemble de la haîne. Elles fixent une ambiane plus ou moins sévère en température, pression, humidité, possibilité de refroidissement et bruit aoustique et életromagnétique maximal toléré. Elles exigent un type de fixation et d'aouplement, Elles limitent le niveau de perturbations életromagnétiques onduites et ou rayonnées ainsi que la pollution harmonique tolérable. Enfin elles préisent les failités de maintenane de surveillane ou la sûreté de fontionnement. 2

3 Contraintes éonomiques éonomiques, juridiques ontratuelles ou normatives, ommeriales politiques 3

4 Choix de l ationneur Il faut satisfaire les ontraintes de définition dans le plan ouple-vitesse ou puissane-vitesse et les ontraintes méaniques maximales. Celle-i fixent les types de mahines possibles dans les gammes proposées par les onstruteurs. Pour les faibles puissanes toutes les mahines sont envisageables. Dans la gamme des moyennes puissanes les mahines à rélutane variable, les brushless et les mahines à ourant ontinu sont très bien plaées. Pour les fortes puissanes seules les mahines lassiques rivalisent, ave une limite en vitesse prohe de 2000 tours/minute pour les mahines à olleteur. Aux très faibles puissanes et faibles tensions les mahines à ourant ontinu se plaent enore le mieux. Le hoix se réduit ensuite par la prise en ompte des ontraintes dynamiques, en omparant elles-i aux performanes des mahines retenues (inerties, onstantes de temps, onstantes de qualité, et). En partiulier les aélérations maximales permettent de fixer l'inertie de l'ationneur assoiée à elle de la harge. Une bonne règle onsiste à hoisir une inertie moteur égale à elle de la harge ramenée ôté moteur, pour une première itération. Enfin les ontraintes d'environnement réduisent enore le hoix possible. A fontions identiques les solutions à ourant ontinu sont généralement plus éonomiques dans les petites puissanes, mais ompte tenu des oûts rapidement dégressifs des variateurs à ourants alternatifs il onvient d'opérer une omparaison éonomique systématique des diverses solutions possibles. 4

5 MACHINE ALIMENTATION APPLICATION TYPE Moteurs à ourant ontinu - bobiné - aimants permanents haheur ou redresseur ommandé ou non entrainements industriels (aieries, papeteries) et tration (bus, métro, train...) véhiules életriques, auxiliaires automobile et avion. Asservissements de vitesse et position. Robotique. - brusless DC - brusless AC onduleur à réneaux de ourants 120 à 180 onduleur sinusoïdal triphasé Asservissements vitesse et position ationneurs avioniques, peri-informatique, mahines outils. 5

6 MACHINE ALIMENTATION APPLICATION TYPE Moteurs Asynhrones monophasé à age triphasé bobiné sinusoïdale monophasée ou gradateur sinusoïdale triphasée ou asade hyposynhrone entraînements faible puissane, bas prix, domestiques et industriels entraînements de grande puissane plage de vitesse limitée 6

7 Mahine Moteur synhrones - exitation bobinée (ave bagues ou diodes tournantes) Alimentation sinusoïdale triphasée ou onduleur ourant Appliation type Entraînement ventilateurs et ompresseurs de grande puissane - exitation par aimants sinusoïdale triphasée (ou biphasée selon la mahine) ou onduleur MLI entraînements faible et moyenne puissane néessitant une synhronisation - à relutane variable ave age de démarrage sinusoïdale triphasée (ou biphasée selon la mahine) ou onduleur MLI entraînements faible et moyenne puissane néessitant une synhronisation 7

8 Mahine Alimentation Appliation type Moteurs pas à pas tous types ontinue ommutée réneaux de tension ou de ourant péri-informatique (imprimantes, traeurs). Asservissements de position Moteurs à rélutane variable polyphasés ontinue ommutée entraînements sans balais faible oût - grande plage de vitesse pour faible et moyenne puissane. Appliations domestiques et avioniques. monophasé ontinue ommutée ou sinusoïdale entraînements synhrones de faible et très faible puissane. 8

9 Choix du réduteur C1 red,η C2 fa f Ja J Ca ωa ω C Ationneur Réduteur Charge méanique J a, J : inertie moteur, inertie harge (bobine) ω a, ω : vitesse moteur, vitesse harge f a, f : oeffiient de frottement visqueux moteur, oeffiient de frottement visqueux harge (bobine) red, η : rapport et rendement du réduteur a, 1, 2, : ouple életromagnétique, entrée réduteur, sortie réduteur, harge 9

10 Mise en équation dω = + f ω + dω J a a = a + faωa J dt dt ω a = red ω 2 = η red 1 Après élimination de 1, 2 et ω a a = red. J a J + η. red dω dt + red. f a f + ω η. red + η. red L'aélération de harge à vitesse nulle et en négligeant frottements et ouple de harge est maximal pour J red opt = ηj Si, sous harge, on impose l aélération max de la harge, le rapport de rédution onduisant à une valeur minimale de ouple d aélération est donnée par: red opt = J ηj M a γ + C γ M γ M aélération max de la harge 10

11 Caratérisation dynamique de l'ationneur (exemple de la MCC) Constante de temps életrique τ me. Constante de temps méanique t ma. Aélération angulaire (à ouple de harge et frottement nul) : γ = ave Couple= k.i Puissane transitoire ou fateur de mérite (dérivée de la puissane instantanée pour une vitesse nulle et à ouple donné) : C 2 J Couple d'aélération (valeur moyenne du ouple életromagnétique pour atteindre une vitesse nominale N n en une durée t 0 ) : Ca J. π. N n =. 30. t 0 ki n J Il doit être ompris entre Cu (ouple nominal) et Cimp (ouple impulsionnel). 11

12 Caratérisation du réduteur Soient γ m,l'aélération maximale de la harge, ω m, la vitesse maximale de la harge, n, le ouple nominal Soient ω am vitesse maximale de l'ationneur, P am puissane maximale du moteur Valeur maximale du ouple d'aélération : C am On doit vérifier C am red. J a J + γ η. red red + red. f ω am ω m m a f + ω η. red m + n η. red Red doit don satisfaire aux inégalités 2 η J aγ m + f aωm red ηcam. red + J γ m + fωm + h [ ] [ ] 0 red ω ω am m 12

13 Il apparaît néessaire que les raines du trinôme du seond degré red 1 et red 2 soient réelles et la ondition sur les déterminants donnent : am [ J aγ m + f aωm ][ J γ m + fωm ] η C + 2 n 1 Le rapport de rédution doit être ompris entre red 1 et red 2. Il doit aussi être inférieur à ω m /ω M. Il doit être le,plus élevé possible pour réduire la onstante de temps. En prenant un fateur de séurité de 20%, la puissane maximale est donnée par: P am = 1. 2 η [ J γ m + f ω m + n ] ω m 13

14 Choix de l alimentation En ourant ontinu le haheur à transistor pour les faibles puissanes, puis à IGBT pour les puissanes supérieures onstitue une exellente solution. Le redresseur ommandé intervient ensuite. En ourant alternatif l'onduleur de tension lassique ou à MLI à transistor, puis IGBT, assoié au moteur asynhrone ou à rélutane variable ouvre la gamme des petites et moyennes puissanes ave des ommandes salaires. L'onduleur MLI permet en plus la ommande vetorielle des mahines synhrones brushless et asynhrones. Pour les fortes puissanes, en ourant alternatif les interrupteurs types thyrisistors ou GTO deviennent néessaires. En ommutation forée les onduleurs de tension ou de ourant lassiques, ou à MLI, assoiés au moteur asynhrone permettent tous les types de ommandes. En ommutation naturelle par le réseau le système de asade hyposynhrone utilise un moteur asynhrone bobiné et en ommutation de ourant par la harge les mahines synhrones autopilotées ou les moteurs asynhrones ommandés en V/f ave apaités offrent des solutions aeptables. La définition des ourants et tensions maxima s'opère à partir des besoins de la mahine pour qu'elle puisse fournir les ouples et vitesse maxima. 14

15 15

16 Alimentation Commande apteurs Asservissement Moteurs à ollevteur de vitesse de position de ouple Commande de Tria Génératrie tahymétique Codeur de position, synhrorésolveur Couplememètre, apteur de ourant Capteur de ourant (limitation) 16

17 Alimentation Commande apteurs Autopilotage 1. Par apteurs Détetion de phase Détetion de position Capteur à effet hall Capteur optique Moteurs synhrones 2. Sans apteur externe Proédés de traitement du signal Proédé de résonane Capteur magnétique Capteurs de ourant (limitation) 17

18 Alimentation Commande apteurs Commande salaire Contrôle de flux U/f Moteurs asynhrone Commande vetorielle Asservissement de vitesse position ouple Capteur de position ou vitesse (autopilotage) Capteurs de ourant (limitation) 18

19 Moteurs piézo életrique Alimentation Commande apteurs Fontionnement en boule ouverte Capteur de position Moteurs életrostatiqu es Fontionnement en boule ouverte ou autopilotage Capteur de position 19

20 Choix de la ommande Commande des mahines à ourant alternatif omportement à basse vitesse adapté aux survitesses Sensiblité aux variations de paramètres Contrôle en régime permanent Contrôle en régime transitoire Commande salaire médiore oui ave des performanes médiore oui pour ertains algorithmes oui non ommande vetorielle bon trop omplexe beauoup oui oui Contrôle diret du ouple médiore oui ave de bonnes performanes moyen oui oui 20

21 Tehnologie Performanes Complexité Appliation Couple/Flux Vitesse et position Analo gique ASIC µc DSP Salaire Vetorielle Régulateurs PID oui oui oui oui moyen faible oui (selon ommande) oui oui RST non oui oui oui bon moyenne oui Retour d'état non oui oui oui très bon dépend de l'ordre du système oui oui 21

22 Tehnologie Performanes Complexité Appliation Couple/Flux Vitesse et position Analogi que ASIC µc DSP Salaire Vetorielle Synthèse H oui oui oui oui ompromis stabilité/per formanes dépend de l'ordre du système oui oui Commande adaptative non non non oui prise en ompte des variations paramétriques mais pas du bruit ni des dynamiques négligées. élevée oui (variation des paramètres) oui (J et T f inonnus) 22

23 Fin du hapître 23