1. Contexte de la conduite du téléphérique

L'environnement d'exploitation spécifique des téléphériques de transport de passagers impose des exigences particulières à leurs systèmes d'entraînement électrique. Premièrement, de nombreux téléphériques sont construits en haute montagne, sur des collines à haute altitude ou dans des régions isolées, loin des villes et des transports en commun difficiles. L'environnement naturel est rude, l'achat d'accessoires est difficile et les canaux d'assistance technique sont instables. Par conséquent, les équipements du téléphérique, en particulier les composants clés comme les moteurs d'entraînement, doivent présenter une structure simple, une forte adaptabilité environnementale, une résistance aux dommages et une maintenance aisée. Deuxièmement, la vitesse du téléphérique varie fréquemment en cours d'exploitation en fonction du flux de passagers. Il est donc essentiel que son contrôle de vitesse soit pratique et facile à régler. De plus, quel que soit le dénivelé du téléphérique et les variations de charge, il doit toujours assurer un fonctionnement fluide sans dérive de vitesse, ce qui impose des exigences élevées en matière de régulation de vitesse du moteur. Enfin, en tant qu'outil de transport aérien de passagers, le système d'entraînement du téléphérique doit également être doté d'équipements fiables et d'une technologie mature pour garantir un fonctionnement stable et réduire les pannes.

Dans les premiers systèmes d'entraînement motorisé, en raison de la complexité du système de régulation de vitesse des moteurs à courant alternatif et de leurs performances incomparables à celles des moteurs à courant continu, ces derniers sont principalement utilisés pour les applications nécessitant une régulation de vitesse, tandis que les moteurs à courant alternatif sont principalement utilisés dans les cas où cette régulation n'est pas nécessaire. Il en va de même pour les systèmes d'entraînement de téléphériques. Les petits téléphériques, notamment les téléphériques à pince fixe, ne nécessitent généralement pas de régulation de vitesse en raison de leur faible vitesse de fonctionnement. Même si une régulation de vitesse est nécessaire, elle ne l'est pas pour une régulation à grande vitesse en raison du faible nombre de passagers et de la faible charge. C'est pourquoi on utilise principalement des variateurs de vitesse à vitesse fixe ou des variateurs de vitesse à résistance série à courant alternatif. Cependant, les téléphériques de grande capacité, notamment les téléphériques débrayables circulaires, nécessitent des changements de vitesse fréquents en raison de leur vitesse de fonctionnement élevée. De plus, la complexité du terrain, les importants dénivelés, la capacité d'accueil importante et les variations constantes de la charge imposent des exigences élevées en matière de régulation et de performance de la vitesse des téléphériques. C'est pourquoi la plupart d'entre eux utilisent des systèmes d'entraînement à moteur à courant continu.

Ces dernières années, grâce au développement des théories de contrôle modernes, des technologies de l'électronique de puissance et des technologies de contrôle intelligent, ainsi qu'à l'amélioration continue des performances des aimants permanents à base de terres rares, et aux avantages des moteurs à courant alternatif (structure simple, petite taille, légèreté et quasi-absence d'entretien), les systèmes de régulation de vitesse des moteurs à courant alternatif ont connu un développement croissant. En particulier, l'utilisation de moteurs synchrones à aimants permanents, associée à un variateur de vitesse à fréquence variable, simplifie non seulement la structure du moteur, mais offre également des performances de régulation de vitesse comparables à celles des moteurs à flux primaire. Ainsi, l'entraînement électrique des grands téléphériques domestiques a également connu une évolution, passant de la prédominance des moteurs à courant continu redresseurs à l'introduction progressive des variateurs de fréquence pour moteurs asynchrones à courant alternatif, jusqu'à l'apparition des moteurs synchrones hydromagnétiques à entraînement direct à fréquence variable.

La structure d'un moteur synchrone à aimants permanents est similaire à celle d'un moteur à courant alternatif classique. Elle comprend principalement la base, le noyau du stator, l'enroulement du stator, le noyau du rotor, l'aimant permanent, l'arbre du rotor, le roulement et le couvercle d'extrémité. De plus, on trouve généralement des orifices de ventilation ou des conduits d'eau de refroidissement, des boîtes de jonction, etc. La particularité du moteur à aimants permanents réside dans le fait qu'en plus du noyau, de l'arbre, du roulement, etc., son rotor est également équipé d'aimants permanents. La section transversale du noyau du rotor permet l'installation d'aimants permanents et d'arbres de rotor. La présence d'aimants permanents générant un champ magnétique, il n'est plus nécessaire de générer un champ électromagnétique par l'alimentation électrique. Une fois le rotor démarré par une méthode appropriée, un pôle magnétique rotatif se forme. Sous l'effet du champ magnétique rotatif du stator, ce pôle magnétique est entraîné en rotation synchrone et produit une énergie mécanique stable.

Les moteurs synchrones à aimants permanents se caractérisent par des procédés de fabrication simples, un faible coût, un rendement énergétique et un facteur de puissance élevés, un encombrement réduit et un faible bruit à puissance égale. Ils présentent également les caractéristiques de structure simple des moteurs à courant alternatif et une bonne régulation de vitesse des moteurs à courant continu, ce qui explique leur large utilisation. Ces dernières années, ce type de moteur synchrone à aimants permanents à courant alternatif a été largement utilisé dans les téléphériques à entraînement direct (DD).

2. Démarrage du moteur synchrone à aimant permanent

Grâce à l'analyse du modèle mathématique du moteur synchrone à aimants permanents, nous pouvons savoir qu'il existe la relation suivante entre la vitesse du rotor n (r/min) et la vitesse du champ magnétique rotatif du stator n (r/min), ainsi que la fréquence d'alimentation du stator f (Hz) et le nombre de paires de pôles magnétiques P du moteur : n=n,=(60f)/P

Une analyse plus approfondie révèle également que le couple électromagnétique d'un moteur PMSM n'est stable qu'en fonctionnement synchrone. À vitesse asynchrone, le couple électromagnétique moyen est nul. Au démarrage du moteur, la vitesse du rotor augmente, ce qui correspond au fonctionnement asynchrone. Le couple électromagnétique étant nul, le rotor ne peut pas être accéléré, et le moteur synchrone ne peut donc pas démarrer seul. D'après la formule de vitesse n=n,=(60f)/P ci-dessus, on constate que la vitesse est liée à la fréquence d'alimentation du stator et au nombre de paires de pôles du moteur. Une fois ce nombre déterminé, le démarrage et la régulation de la vitesse peuvent être assurés par la modification de la fréquence d'alimentation du stator. Le dispositif capable de fournir cette alimentation à fréquence variable est appelé variateur de fréquence (VFD), également appelé onduleur (VVVF).

Entraînement direct de la régulation de vitesse à fréquence variable du moteur synchrone à aimant permanent

La formule de la vitesse du moteur synchrone n = （60f）/P permet de calculer que, lorsque le nombre de paires de pôles du moteur P = 45 et la fréquence f = 16.5 Hz, la vitesse n = 22 tr/min. Pour une roue motrice de diamètre D de 5.2 m, la vitesse linéaire L est :

L=(πD*n)=(3.14*5.2*22)/60=6m/s

Il répond parfaitement aux exigences d'une vitesse de fonctionnement maximale de 6 m/s pour le téléphérique. Avec une fréquence de commande du variateur comprise entre 0 et 16.5 Hz, le téléphérique peut fonctionner à une vitesse comprise entre 0 et 6 m/s sans nécessiter de réducteur. La régulation de vitesse à fréquence variable du moteur synchrone à aimants permanents permet également de répondre parfaitement aux exigences de faible vitesse et de couple élevé au démarrage. Cela permet également l'entraînement direct à fréquence variable du moteur synchrone à aimants permanents.

Conclusion

L'analyse ci-dessus montre que le moteur synchrone à aimants permanents présente la même structure simple qu'un moteur à courant alternatif classique, et que la régulation de fréquence variable du moteur synchrone offre les mêmes performances supérieures que la régulation de vitesse du moteur à courant continu par redresseur. Grâce à l'amélioration continue des performances des aimants permanents à base de terres rares, leurs propriétés magnétiques et leur stabilité thermique répondent parfaitement aux exigences d'utilisation des moteurs. De plus, le moteur synchrone présente une meilleure tolérance aux perturbations de couple que le moteur asynchrone et une réactivité relativement rapide. Tant que l'angle de puissance du moteur est ajusté à temps, sa vitesse reste synchrone et les variations de couple résistant n'affectent pas sa stabilité, ce qui est particulièrement adapté aux charges à couple constant telles que les téléphériques. Parallèlement, le champ magnétique permanent du rotor du moteur synchrone permet un fonctionnement stable à des fréquences extrêmement basses, ce qui permet un démarrage direct à basse fréquence et un entraînement direct sans réducteur. Par conséquent, il est prévisible que le moteur synchrone à aimant permanent à entraînement direct à fréquence variable sera de plus en plus utilisé dans les téléphériques à passagers à forte charge.

Cependant, il faut également tenir compte de l'impact d'une série de problèmes, tels que la sensibilité à la température et aux vibrations du matériau de l'aimant permanent du moteur, sur la fiabilité de fonctionnement. Seule une maintenance rigoureuse des équipements, comme la dissipation thermique, la prévention de la poussière et la réduction des vibrations, permettra à ce nouveau système d'entraînement électrique de fonctionner au mieux de ses capacités.