Contrôle scalaire et vectoriel des moteurs à induction - quelle est la différence ?

Moteur asynchrone — un moteur à courant alternatif dans lequel les courants dans les enroulements du stator créent un champ magnétique tournant. Ce champ magnétique induit des courants dans l'enroulement du rotor et, agissant sur ces courants, entraîne le rotor avec lui.

Cependant, pour que le champ magnétique tournant du stator induise des courants dans un rotor tournant, le rotor dans sa rotation doit être légèrement en retard par rapport au champ tournant du stator. Ainsi, dans un moteur à induction, la vitesse du rotor est toujours légèrement inférieure à la vitesse de rotation du champ magnétique (qui est déterminée par la fréquence du courant alternatif alimentant le moteur).

La décélération du rotor par le champ magnétique tournant du stator (glissement du rotor) plus elle est élevée, plus la charge du moteur est élevée. L'absence de synchronisation entre la rotation du rotor et le champ magnétique du stator est une caractéristique du moteur à induction, d'où son nom.

Le champ magnétique tournant dans le stator est généré par des bobinages alimentés par des courants déphasés. Le courant alternatif triphasé est généralement utilisé à cette fin. Il existe également des moteurs à induction monophasés où le déphasage entre les courants dans les enroulements est créé en incluant différentes réactances dans les enroulements.

Pour réguler la vitesse angulaire de rotation du rotor, ainsi que le couple sur l'arbre des moteurs sans balais modernes, une commande vectorielle ou scalaire de l'entraînement électrique est utilisée.

Contrôle scalaire

C'était le plus courant commande d'un moteur à induction scalaire, lorsque, par exemple, pour contrôler la vitesse de rotation d'un ventilateur ou d'une pompe il suffit de maintenir une vitesse de rotation constante du rotor, pour cela un signal de retour d'un capteur de pression ou d'un capteur de vitesse suffit.

Le principe du contrôle scalaire est simple : l'amplitude de la tension d'alimentation est fonction de la fréquence, le rapport tension sur fréquence étant sensiblement constant.

La forme spécifique de cette dépendance est liée à la charge sur l'arbre, mais le principe reste le même : on augmente la fréquence, et la tension augmente proportionnellement en fonction de la caractéristique de charge du moteur donné.

En conséquence, le flux magnétique dans l'espace entre le rotor et le stator est maintenu presque constant. Si le rapport tension/fréquence s'écarte de la valeur nominale d'un moteur, le moteur sera soit surexcité, soit sous-excité, ce qui entraînera des pertes de moteur et des dysfonctionnements du processus.

Ainsi, le contrôle scalaire permet d'obtenir un couple d'arbre presque constant dans la plage de fréquence de fonctionnement, quelle que soit la fréquence, mais à bas régime, le couple diminue toujours (pour éviter cela, il est nécessaire d'augmenter le rapport tension/fréquence), donc , pour chaque moteur, il existe une plage de contrôle scalaire de fonctionnement strictement définie.

De plus, il est impossible de construire un système de contrôle de vitesse scalaire sans capteur de vitesse monté sur arbre car la charge affecte considérablement le décalage de la vitesse réelle du rotor par rapport à la fréquence de la tension d'alimentation. Mais même avec un capteur de vitesse à commande scalaire, il ne sera pas possible d'ajuster le couple avec une grande précision (du moins pas économiquement réalisable).

C'est l'inconvénient de la commande scalaire, ce qui explique la relative rareté de ses applications, limitées principalement aux moteurs à induction classiques, où la dépendance du glissement à la charge n'est pas critique.

Contrôle vectoriel

Pour remédier à ces lacunes, en 1971, les ingénieurs de Siemens ont proposé d'utiliser le contrôle vectoriel du moteur, dans lequel le contrôle est effectué avec une rétroaction sur l'amplitude du flux magnétique. Les premiers systèmes de contrôle vectoriel contenaient des capteurs de débit dans les moteurs.

Aujourd'hui, l'approche de cette méthode est légèrement différente: le modèle mathématique du moteur permet de calculer la vitesse du rotor et le moment de l'arbre en fonction des courants de phase actuels (à partir de la fréquence et des valeurs des courants dans les enroulements du stator) .

Cette approche plus progressive permet un contrôle indépendant et presque inertiel du couple et de la vitesse de l'arbre sous charge, car le processus de contrôle prend également en compte les phases des courants.

Certains systèmes de contrôle vectoriel plus précis sont équipés de boucles de retour de vitesse, tandis que les systèmes de contrôle sans capteurs de vitesse sont dits sans capteur.

Ainsi, selon le domaine d'application de tel ou tel entraînement électrique, son système de contrôle vectoriel aura ses propres caractéristiques, son propre degré de précision de régulation.

Lorsque les exigences de précision pour la régulation de la vitesse autorisent un écart allant jusqu'à 1,5 % et que la plage de régulation ne dépasse pas 1 sur 100, le système sans capteur convient. Si la précision du réglage de la vitesse avec un écart ne dépassant pas 0,2% est requise et que la plage est réduite à 1 à 10 000, il est alors nécessaire d'avoir un retour pour le capteur de vitesse de l'arbre. La présence d'un capteur de vitesse dans les systèmes de contrôle vectoriel permet un contrôle précis du couple même à des fréquences basses jusqu'à 1 Hz.

Ainsi, la lutte antivectorielle présente les avantages suivants. Haute précision de la régulation de la vitesse du rotor (et sans capteur de vitesse dessus) même dans des conditions de charge dynamique de l'arbre, alors qu'il n'y aura pas de coups de pied. Rotation douce et uniforme de l'arbre à bas régime. Rendement élevé grâce à de faibles pertes dans des conditions de caractéristiques de tension d'alimentation optimales.

La lutte antivectorielle n'est pas sans inconvénients. La complexité des opérations de calcul.La nécessité de définir les données initiales (paramètres de variateur variables).

Pour un entraînement électrique de groupe, la commande vectorielle est fondamentalement inadaptée, ici la commande scalaire est meilleure.