Différence entre moteur à courant continu et synchrone « alternatif » (en gros)
Elle est liée à leur comportement :
- un moteur à courant continu voit sa vitesse dépendre de la tension qui l’alimente. Le contrôleur doit ensuite s’adapter à cette vitesse pour déterminer la fréquence à laquelle il doit commuter les phases.
- un moteur à courant alternatif voit sa vitesse dépendre de la fréquence du réseau triphasé qui l’alimente. À charge pour le réseau d’adapter sa tension afin que le moteur puisse tourner à cette vitesse.
Les moteurs alternatifs sont alimentés par des tensions sinusoïdales ou approchantes (les onduleurs électroniques donnent des signaux qui ont une forme assez différente de la sinusoïde dans les détails mais ça devient plus un problème technologique qu’un problème de principe de fonctionnement). Pour profiter pleinement de ce fonctionnement en régime sinusoïdal, les bobinages sont réalisés de manière particulière avec des formes de noyaux de fer des armatures des bobines permettant que les variations de flux soient bien régulière et sunusoïdales aussi. La plupart de ces moteurs sont des « inrunners » (les aimants sont placés dans le rotor) et les aimants sont souvent « immergés », c’est-à-dire noyés dans les profondeurs des rotors. Là aussi la forme des aimants et des masses polaires est déterminante pour la régularité du couple. Ce moteurs ont un comportement beaucoup plus « doux » que les moteurs sans balais à courant continu (BLDC).
Et enfin, un moteur synchrone a ses trois phases alimentées en permanence alors qu’un BLDC (courant continu) ne voit que deux phases travailler à un moment donné.
Point de commutation
Un moteur BLDC est alimenté comme je l’ai montré sur le premier dessin. Mais c’est le moteur qui demande au contrôleur une certaine fréquence (liée à sa vitesse de rotation) et une certaine phase (liée à la position du rotor).
Là, la démonstration est assez compliquée mathématiquement parlant, il faut intégrer les flux, réactances, etc.. Pour la vitesse, ça semble évident : la fréquence du courant dépend de la vitesse du moteur (alors que dans un moteur synchrone « alternatif », c’est la vitesse du moteur qui dépend de la fréquence du réseau). Pour la phase, il faut imaginer le moteur comme un simple aimant tournant (en ignorant qu’il a 3 phases) donc 2 pôles, on imagine aussi qu’il a 2 bobines, donc 2 « pôles » aussi au stator. L’aimant est alternativement attiré et repoussé par les bobines en fonction du sens du champ magnétique généré par celles-ci. Si on n’est pas « en phase » avec la rotation du moteur, on risque, même à la bonne fréquence, de rappeler l’aimant en arrière si on a commuté trop tôt et si on commute trop tard, on perd une bonne partie du couple.
Le point exact de commutation dépend de la position du rotor et de « l’avance » qu’on veut donner (ce qu’on appelle « timing » sur les contrôleur. Cette avance dépend de la vitesse du moteur et des caractéristiques des aimants et des bobines (temps d’établissement du courant, etc.).
Il faut donc détecter la position du rotor.
Ça peut être réalisé de plusieurs manières :
- un capteur de position à effet hall (il détecte le passage des aimants)
- un capteur de position optique (il est couplé au rotor)
- une « boucle de flux » : c’est une petite bobine qu’on met dans l’entrefer du moteur et qui donne une image du flux.
- la lecture de la force contre électromotrice (back EMF des anglo-saxon, fcem chez nous).
Le capteur à effet hall a été (est encore) utilisé parce que très simple à gérer et ne demandant pas de réglage. Ça rajoute un composant donc une source de défaillance et un coût.
Le codeur optique demande un calage précis par rapport au rotor et une définition assez importante, c’est très coûteux pour les petits moteurs
Les boucles de flux ont été utilisées sur les gros moteurs synchrones (quelques dizaines de kW à quelque MW), le risque est que la boucle se décroche et aille se coincer dans l’entrefer. On utilise aujourd’hui des boucle de flux virtuelles qui sont créée par calcul à partir de la forme des courants.
La lecture de la force contre-électromotrice : la phase flottante d’un BLDC voit naître une force contre-électromotrice qui est générée par le déplacement de la bobine dans le champ magnétique. Sur les enroulements alimentés, le moteur a atteint sa vitesse lorsque la fcem est égale à la tension d’alimentation (aux pertes joule près), ce qui fait que le KV et le coefficient de fcem sont intimement liés d’ailleurs.
La fcem donne une bonne image de la position du rotor. Mais lorsqu’on met un oscillo là-dessus on se demande comment on peut y retrouver quelque chose d’exploitable. On est parti du principe qu’il est plus facile de détecter un passage par zéro qu’autre chose (on est positif, on est positif et hop, on devient négatif... on a trouvé ! alors que trouver un maximum oblige à garder les valeurs précédentes et de faire des comparaison ce qui peut être difficile si la courbe est assez plate : dérivée faible).
Il faut cependant filtrer intensivement le signal, les commutations parasitant énormément tout ça et ensuite décaler le point de commutation du zero trouvé (environ 60° selon l’avance). Tout ceci (les filtres sont numériques, IIR ou FIR), demande une puissance de calcul assez importante. Mais les microprocesseurs RISC actuels sont en mesure de faire tout (génération des signaux, relecture de la fcem, calcul des filtres) pour la plage de vitesse qui nous intéresse.
Cette solution s’avère très économique en matériel une fois les bons algorithmes déterminés. Les frais d’études sont complètement noyés dans la masse en raison de la grande diffusion de ces appareils.
Reste un problème délicat qui est le problème du démarrage. La fcem est complètement noyée dans le bruit et très faible en valeur lors des faibles vitesses (son amplitude dépend directement de la vitesse). Il faut donc trouver une méthode de démarrage en se passant de la fcem. Il existe de nombreuses méthodes, la plupart font l’objet de brevets, la plus simple et de démarrer le moteur comme un moteur pas à pas. On crée une table de commutations et on démarre l’onduleur avec une fréquence croissante en espérant que le rotor va suivre. Le couple est alors très mauvais (ondulation importante) et le moteur fait parfois un bruit bizarre. Comme cette phase passe très vite, c’est acceptable. Pendant le démarrage, on surveille la fcem et dès qu’on a mesuré une tension exploitable pour le traitement informatique on passe d’une phase de commutation « assistée » (dépendant de l’onduleur) à une phase de commutation « naturelle » (dépendant du moteur).
Décrochage
Un moteur synchrone reste accroché à la fréquence du réseau. Il doit fournir un couple moteur supérieur au couple résistant, sinon, il a tendance à ralentir et ne plus suivre le champ que propose le réseau (ou l’onduleur). Dès que le couple moteur devient plus faible que le couple résistant ou si le couple résistant augmente brutalement, le moteur décroche et s’arrête. La plage de syncrhonisme (écart de fréquence possible avant qu’il ne décroche) est exploitée pour accélérer ou décélérer le moteur. Si l’on va trop vite, on sort de sa plage de synchronisme et il s’arrête…
Un moteur BLDC fonctionne en mode synchrone sur une très faible plage de fréquence : si l’onduleur donne un poil plus de vitesse ou si l’augmentation de la charge le fait ralentir un poil, il va continuer à tourner. Mais au delà de ce « poil », il va faire comme le moteur synchrone, il va décrocher et ralentir de plus en plus jusqu’à s’arrêter. Il faut que le contrôleur réagisse suffisamment vite pour reprendre le contrôle sinon, on ne sait plus où l’on en est (c’est ce qui est parfois appelé « stall detection » : détection de décrochage).
