Qu'est-ce que le contrôle orienté champ ?

Qu'est-ce que le contrôle orienté champ ?

Définition du contrôle orienté champ

Le contrôle orienté champ est une technique sophistiquée qui gère les moteurs à induction en courant alternatif en contrôlant indépendamment le couple et le flux magnétique, de manière similaire aux moteurs en courant continu.

Principe de fonctionnement du contrôle orienté champ

Le contrôle orienté champ consiste à contrôler les courants du stator représentés par un vecteur. Ce contrôle est basé sur des projections qui transforment un système triphasé dépendant du temps et de la vitesse en un système invariant dans le temps avec deux coordonnées (repères d et q).

Ces transformations et projections mènent à une structure similaire à celle du contrôle d'une machine en courant continu. Les machines FOC ont besoin de deux constantes comme références d'entrée : la composante de couple (alignée avec la coordonnée q) et la composante de flux (alignée avec la coordonnée d).

Les tensions, courants et flux triphasés des moteurs en courant alternatif peuvent être analysés en termes de vecteurs spatiaux complexes. Si nous prenons ia, ib, ic comme les courants instantanés dans les phases du stator, alors le vecteur de courant du stator est défini comme suit :

Où (a, b, c) sont les axes du système triphasé. Ce vecteur spatial de courant représente le système triphasé sinusoïdal. Il doit être transformé en un système de coordonnées invariant dans le temps. Cette transformation peut être divisée en deux étapes :

(a, b, c) → (α, β) (la transformation de Clarke), qui donne des sorties d'un système de deux coordonnées variant dans le temps.

(α, β) → (d, q) (la transformation de Park), qui donne des sorties d'un système de deux coordonnées invariant dans le temps.

La projection (a, b, c) → (α, β) (transformation de Clarke) Les grandeurs triphasées, que ce soit des tensions ou des courants, variant dans le temps le long des axes a, b et c, peuvent être mathématiquement transformées en tensions ou courants biphasés variant dans le temps le long des axes α et β par la matrice de transformation suivante :

En supposant que l'axe a et l'axe α soient dans la même direction et que β soit orthogonal à eux, nous avons le diagramme vectoriel suivant :

La projection ci-dessus modifie le système triphasé en un système orthogonal bidimensionnel (α, β) comme indiqué ci-dessous :

Mais ces deux courants biphasés (α, β) dépendent toujours du temps et de la vitesse. La projection (α, β) → (d, q) (transformation de Park) C'est la transformation la plus importante dans le FOC. En fait, cette projection modifie le système orthogonal fixe biphasé (α, β) en un système de référence rotatif d, q. La matrice de transformation est donnée ci-dessous :

Où θ est l'angle entre le système de coordonnées rotatif et fixe.

Si vous considérez l'axe d aligné avec le flux du rotor, la figure 2 montre la relation entre les deux systèmes de référence pour le vecteur de courant :

Où θ est la position du flux du rotor. Les composantes de couple et de flux du vecteur de courant sont déterminées par les équations suivantes :

Ces composantes dépendent des composantes du vecteur de courant (α, β) et de la position du flux du rotor. Si vous connaissez la position précise du flux du rotor, alors, par l'équation ci-dessus, les composantes d et q peuvent être facilement calculées. À cet instant, le couple peut être contrôlé directement car les composantes de flux (isd) et de couple (isq) sont maintenant indépendantes.

Module de base pour le contrôle orienté champ

Les courants des phases du stator sont mesurés. Ces courants mesurés sont introduits dans le bloc de transformation de Clarke. Les sorties de cette projection sont nommées isα et isβ. Ces deux composantes du courant entrent dans le bloc de transformation de Park qui fournit le courant dans le repère d, q. 

Les composantes isd et isq sont comparées aux références : isdref (la référence de flux) et isqref (la référence de couple). À cet instant, la structure de contrôle a un avantage : elle peut être utilisée pour contrôler soit des machines synchrones, soit des machines à induction en changeant simplement la référence de flux et en suivant la position du flux du rotor. Dans le cas des PMSM, le flux du rotor est fixe, déterminé par les aimants, donc il n'est pas nécessaire d'en créer un. 

Par conséquent, lors du contrôle d'un PMSM, isdref devrait être égal à zéro. Comme les moteurs à induction nécessitent une création de flux du rotor pour fonctionner, la référence de flux ne doit pas être égale à zéro. Cela élimine facilement l'un des principaux inconvénients des structures de contrôle "classiques" : la portabilité des entraînements asynchrones vers les entraînements synchrones. 

Les sorties des contrôleurs PI sont Vsdref et Vsqref. Ils sont appliqués au bloc de transformation inverse de Park. Les sorties de cette projection, Vsαref et Vsβref, sont alimentées dans l'algorithme de modulation de largeur d'impulsion par vecteur spatial (SVPWM). Les sorties de ce bloc fournissent des signaux qui pilotent l'onduleur. Ici, les transformations de Park et inverse de Park nécessitent la position du flux du rotor. Ainsi, la position du flux du rotor est essentielle au FOC.

L'évaluation de la position du flux du rotor est différente si nous considérons le moteur synchrone ou le moteur à induction. Dans le cas des moteurs synchrones, la vitesse du rotor est égale à la vitesse du flux du rotor. Alors, la position du flux du rotor est déterminée directement par un capteur de position ou par l'intégration de la vitesse du rotor.

Dans le cas des moteurs asynchrones, la vitesse du rotor n'est pas égale à la vitesse du flux du rotor en raison du glissement ; par conséquent, une méthode particulière est utilisée pour évaluer la position du flux du rotor (θ). Cette méthode utilise un modèle de courant, qui nécessite deux équations du modèle du moteur à induction dans le repère d, q rotatif.

Diagramme simplifié du FOC indirect

Classification du contrôle orienté champ

Le FOC pour l'entraînement des moteurs à induction peut être largement classé en deux types : FOC indirect et FOC direct. Dans la stratégie DFOC, le vecteur de flux du rotor est soit mesuré par un capteur de flux monté dans l'entrefer, soit estimé à partir des équations de tension en partant des paramètres de la machine électrique.

Mais dans le cas de l'IFOC, le vecteur de flux du rotor est estimé en utilisant les équations de contrôle orienté champ (modèle de courant) nécessitant une mesure de la vitesse du rotor. Parmi les deux schémas, l'IFOC est plus couramment utilisé car, en mode boucle fermée, il peut facilement fonctionner sur toute la plage de vitesse, de la vitesse zéro à la vitesse élevée en affaiblissement de champ.

Avantages du contrôle orienté champ

• Réponse de couple améliorée.

• Contrôle du couple à faibles fréquences et à faible vitesse.

• Précision dynamique de la vitesse.

• Réduction de la taille du moteur, du coût et de la consommation d'énergie.

• Fonctionnement dans les quatre quadrants.

• Capacité de surcharge à court terme.