Le contrôle de la vitesse des moteurs à courant alternatif s'effectue dans la plupart des cas à l'aide d'un variateur de fréquence (VFD). Bien que de nombreux scénarios impliquent l'utilisation de VFD avec des moteurs à induction dotés d'enroulements de stator pour générer un champ magnétique rotatif, ils peuvent également obtenir un contrôle précis de la vitesse à l'aide de capteurs de retour de vitesse ou de position comme référence au VFD.
Dans certaines situations, il est possible d'obtenir un contrôle de vitesse comparablement précis sans avoir recours à des capteurs de rétroaction. Ceci est rendu possible grâce à un moteur à aimant permanent (PM) et un processus appelé « méthode d’injection de signal haute fréquence ».
1. Moteurs PM
A Moteur PM est un moteur à courant alternatif qui utilise des aimants intégrés ou fixés à la surface du rotor du moteur. Les aimants sont utilisés pour générer un flux moteur constant au lieu de nécessiter que le champ statorique en génère un en se liant au rotor, comme c'est le cas avec un moteur à induction. Un quatrième moteur, appelé moteur PM à démarrage en ligne (LSPM), intègre les caractéristiques des deux moteurs. Un moteur LSPM intègre les aimants d'un moteur PM dans le rotor et les barres de rotor d'un moteur à cage d'écureuil pour maximiser le couple et l'efficacité.
2. Forme d'onde back-emf
La force contre-électromotrice est l'abréviation de force contre-électromotrice, mais elle est également connue sous le nom de force contre-électromotrice. La force contre-électromotrice est la tension qui se produit dans les moteurs électriques lorsqu'il y a un mouvement relatif entre les enroulements du stator et le champ magnétique du rotor. Les propriétés géométriques du rotor détermineront la forme de la forme d’onde de la force électromotrice. Ces formes d'onde peuvent être sinusoïdales, trapézoïdales, triangulaires ou quelque chose entre les deux.
Les machines à induction et PM génèrent des formes d'onde back-emf. Dans une machine à induction, la forme d'onde de la force électromotrice se désintégrera à mesure que le champ résiduel du rotor se désintégrera lentement en raison de l'absence de champ statorique. Cependant, avec une machine PM, le rotor génère son propre champ magnétique. Par conséquent, une tension peut être induite dans les enroulements du stator chaque fois que le rotor est en mouvement. La tension contre-électromotrice augmentera linéairement avec la vitesse et constitue un facteur crucial pour déterminer la vitesse de fonctionnement maximale.
3. Comprendre le couple de la machine PM
Le couple d'une machine électrique peut être décomposé en deux composantes : le couple magnétique et le couple de réluctance. Le couple de réluctance est la « force agissant sur le matériau magnétique qui tend à s’aligner avec le flux principal pour minimiser la réluctance ». En d’autres termes, le couple de réluctance est le couple généré par l’alignement de l’arbre du rotor sur le champ de flux du stator. Le couple magnétique est le « couple généré par l'interaction entre le champ de flux de l'aimant et le courant dans l'enroulement du stator ».
Couple de réluctance : le couple de réluctance concerne le couple généré par l'alignement du rotor qui se produit lorsque le champ magnétique force un flux direct souhaité du pôle nord du stator au pôle sud du stator.
Couple magnétique : Les aimants permanents génèrent un champ de flux dans le rotor. Le stator génère un champ qui interagit avec le champ magnétique du rotor. Changer la position du champ du stator par rapport au champ du rotor provoque le déplacement du rotor. Le décalage dû à cette interaction est le couple magnétique.
4. SPM contre IPM
Un moteur PM peut être divisé en deux catégories principales : les moteurs à aimant permanent de surface (SPM) et les moteurs à aimant permanent intérieur (IPM). Aucun des deux types de conception de moteur ne contient de barres de rotor. Les deux types génèrent un flux magnétique grâce aux aimants permanents apposés sur ou à l’intérieur du rotor.
Les moteurs SPM ont des aimants fixés à l'extérieur de la surface du rotor. Du fait de ce montage mécanique, leur tenue mécanique est plus faible que celle des moteurs IPM. La résistance mécanique affaiblie limite la vitesse mécanique maximale de sécurité du moteur. De plus, ces moteurs présentent une saillance magnétique très limitée (Ld ≈ Lq). Les valeurs d'inductance mesurées aux bornes du rotor sont cohérentes quelle que soit la position du rotor. En raison du rapport de saillance proche de l'unité, les conceptions de moteurs SPM s'appuient de manière significative, sinon entièrement, sur le composant de couple magnétique pour produire du couple.
Les moteurs IPM ont un aimant permanent intégré dans le rotor lui-même. Contrairement à leurs homologues SPM, l'emplacement des aimants permanents rend les moteurs IPM très solides sur le plan mécanique et adaptés au fonctionnement à des vitesses très élevées. Ces moteurs se définissent également par leur rapport de saillance magnétique relativement élevé (Lq > Ld). En raison de leur saillance magnétique, un moteur IPM a la capacité de générer un couple en tirant parti à la fois des composants de couple magnétique et de réluctance du moteur.
5. Structures motrices PM
Les structures de moteurs PM peuvent être séparées en deux catégories : intérieures et superficielles. Chaque catégorie a son sous-ensemble de catégories. Un moteur PM de surface peut avoir ses aimants sur ou insérés dans la surface du rotor, pour augmenter la robustesse de la conception. Le positionnement et la conception d’un moteur à aimant permanent intérieur peuvent varier considérablement. Les aimants du moteur IPM peuvent être insérés sous forme d'un grand bloc ou décalés à mesure qu'ils se rapprochent du noyau. Une autre méthode consiste à les intégrer dans un motif de rayons.
6. Variation de l'inductance du moteur PM avec la charge
Seule une quantité limitée de flux peut être liée à un morceau de fer pour générer un couple. Finalement, le fer saturera et ne permettra plus au flux de se lier. Le résultat est une réduction de l'inductance du trajet emprunté par un champ de flux. Dans une machine PM, les valeurs d'inductance des axes d et q diminueront avec l'augmentation du courant de charge.
Les inductances des axes d et q d'un moteur SPM sont presque identiques. Étant donné que l’aimant se trouve à l’extérieur du rotor, l’inductance de l’axe q chutera au même rythme que l’inductance de l’axe d. Cependant, l'inductance d'un moteur IPM diminuera différemment. Encore une fois, l'inductance de l'axe d est naturellement inférieure car l'aimant se trouve dans le trajet du flux et ne génère pas de propriété inductive. Par conséquent, il y a moins de fer à saturer sur l’axe d, ce qui entraîne une réduction de flux significativement plus faible par rapport à l’axe q.
7. Affaiblissement/intensification du flux des moteurs PM
Le flux dans un moteur à aimant permanent est généré par les aimants. Le champ de flux suit un certain chemin, qui peut être renforcé ou opposé. Augmenter ou intensifier le champ de flux permettra au moteur d'augmenter temporairement la production de couple. S'opposer au champ de flux annulera le champ magnétique existant du moteur. Le champ magnétique réduit limitera la production de couple, mais réduira la tension contre-électromotrice. La tension back-emf réduite libère la tension pour pousser le moteur à fonctionner à des vitesses de sortie plus élevées. Les deux types de fonctionnement nécessitent un courant moteur supplémentaire. La direction du courant du moteur sur l’axe D, fournie par le contrôleur du moteur, détermine l’effet souhaité.
8. Auto-détection versus fonctionnement en boucle fermée
Les progrès récents dans la technologie des entraînements permettent aux entraînements CA standard de « s'auto-détecter » et de suivre la position de l'aimant du moteur. Un système en boucle fermée utilise généralement le canal z-pulse pour optimiser les performances. Grâce à certaines routines, le variateur connaît la position exacte de l'aimant du moteur en suivant les canaux A/B et en corrigeant les erreurs avec le canal z. Connaître la position exacte de l'aimant permet une production optimale de couple résultant en une efficacité optimale.
