Tendances de l'efficacité du contrôle moteur

Introduction

L'efficacité est le Saint Graal dans toutes les applications basées sur le contrôle de moteurs électriques. Si l'on regarde les différentes applications qui utilisent aujourd'hui les moteurs électriques, on observe la tendance à l'amélioration continue vers une plus grande efficacité et un moindre coût.

Par exemple, dans les voitures, l'entraînement des pompes et des ventilateurs sous le capot était basé sur des courroies de transmission. Maintenant, bien que ce soit un moyen pratique d'utiliser la rotation du moteur pour contrôler ces entraînements, ce n'est pas très efficace. Dans ces mêmes variateurs, l'incorporation de moteurs ajoute de la flexibilité et améliore l'efficacité. Un autre exemple est celui des machines à laver, qui utilisaient traditionnellement un moteur à induction à courant alternatif. Compte tenu des exigences accrues liées à l'efficacité énergétique des appareils électroménagers et à un meilleur contrôle du cycle de lavage pour réduire la consommation d'eau, les moteurs synchrones à aimants permanents ont dominé les nouvelles conceptions.

Bien sûr, cette tendance a été fortement dépendante des progrès des composants semi-conducteurs nécessaires à l'étage inverseur et de commande.

Dans le passé, le coût du moteur d'entraînement requis pour la commutation électronique a été un facteur important limitant l'utilisation de moteurs synchrones dans de nombreuses applications. Aujourd'hui, les coûts ont diminué et ces moteurs sont la norme dans de nombreuses applications.

Options de moteur

Les principaux types de moteurs pris en compte dans la plupart des applications où l'efficacité et le contrôle dynamique sont importants sont :

Moteur à induction CA (moteur à induction CA, ACIM)

Moteur CC sans balais (CC sans balais, BLDC)

Moteur synchrone à aimant permanent à montage en surface (PMSM ou SPM)

Moteur synchrone à aimant permanent interne (IPMSM ou IPM)

Moteur à réluctance commutée (SRM)

Moteur à réluctance synchrone (SyncRM)

Le rendement des différents types de moteurs peut être classé comme suit, du plus au moins efficace : IPMSM, PMSM, BLDC, SynchRM, SRM et ACIM, pour un même ordre de puissance/densité de couple.

L'ACIM est la bête de somme des applications industrielles et le moteur le plus largement utilisé dans les applications à haute puissance (>1kW). Cependant, avec la demande croissante d'une plus grande efficacité, de nombreux ACIM installés avec des entraînements à commutation électronique sont modernisés pour améliorer l'efficacité.

Dans les applications qui nécessitent un contrôle plus dynamique, il est plus logique de recourir au PMSM. Dans certaines applications où le coût est crucial et où des facteurs tels que le rapport poids/couple et la robustesse sont importants, le SRM est utilisé. Une autre application traditionnelle de l'ACIM dans l'industrie concerne les compresseurs de grande puissance (>15 CV). Les moteurs SyncRM ont commencé à apparaître dans ce segment car leur structure est très similaire à ACIM, y compris la même conception de stator avec un moteur différent. Cependant, pour la même taille de cadre, le couple et l'efficacité peuvent être augmentés, ou la taille du cadre peut être réduite.

Il existe également des applications où il n'y avait pas de moteurs, comme sous le capot de la voiture. Ici, le moteur électrique est utilisé comme substitut de la courroie d'entraînement mécanique avec une augmentation conséquente de l'efficacité car la charge peut aller et venir avec les moteurs, tandis que la courroie est toujours là, même si elle n'est pas nécessaire.

Aujourd'hui, tout compte en matière d'efficacité et d'économie de carburant. En ce sens, la tendance va de la courroie au moteur BLDC et au PMSM. Une autre application dans les voitures qui utilisent des moteurs électriques est la conduite par câble. Dans ce cas, les SRM sont utilisés, par exemple, pour entraîner les pompes hydrauliques des freins. La capacité de vitesse élevée du SRM peut augmenter rapidement la pression pour permettre une réponse rapide.

Un autre segment d'application très différent et dans lequel l'utilisation de moteurs à commutation électrique a un impact important est celui des outils et appareils alimentés par batterie. Grâce aux améliorations des technologies de batterie, telles que le lithium-ion, nous disposons désormais d'aspirateurs et d'outils électriques qui tirent parti de l'efficacité des moteurs BLDC.

Initialement, ces applications utilisaient principalement des moteurs à courant continu à balais, mais avec une vitesse et un couple limités. La densité de puissance/couple plus élevée des moteurs BLDC permet d'atteindre un poids, une longévité et des performances proches de ceux de la version brossée.

Dans les appareils électroménagers tels que les machines à laver, les réfrigérateurs, les lave-vaisselle, les climatiseurs, etc., le principal cheval de bataille, comme le segment industriel, a été ACIM. Depuis le début du nouveau millénaire, les moteurs synchrones sans balais ont gagné en importance, principalement les moteurs BLDC et PMSM. La principale raison tient aux exigences d'efficacité administrative. Le problème de cette transition des ACIM vers le segment grand public a toujours été le coût, à la fois pour le moteur et le circuit d'entraînement. Heureusement, le coût a considérablement baissé pour permettre à la plupart des nouveaux appareils d'utiliser la technologie la plus efficace. 

technologie d'entraînement 

Comme indiqué précédemment, le circuit d'entraînement est une partie importante lors de l'utilisation de moteurs à commutation électronique, et en effet il est essentiel. Sans elle, rien n'est produit. La structure du circuit de commande est très similaire pour pratiquement tous les moteurs dont nous parlons (Figure 2a).

L'exception est le SRM (Figure 2b). La plus grande différence entre ces types de moteurs réside dans les commandes, c'est-à-dire la manière dont le signal d'entraînement est généré pour les circuits de la figure 2. Ceci est lié à la construction de chaque moteur, ce qui se traduit par un comportement électromagnétique distinct. Ceci doit être pris en compte lors de la génération des formes d'onde de tension/courant pour le moteur, afin qu'il fonctionne de manière optimale/efficace.

Au cours de la première phase de la transition vers les moteurs à commutation électronique, de nombreuses applications qu'ils ciblaient étaient très sensibles aux coûts, et pour cette raison, le moteur BLDC a été sélectionné car il pouvait être contrôlé avec un microcontrôleur 8 bits via une commutation trapézoïdale. Même ainsi, le coût était encore élevé dans certains cas. Quinze ans plus tard, les coûts des microcontrôleurs hautes performances et des contrôleurs de signaux numériques ont suffisamment baissé pour permettre aux applications sensibles aux coûts d'utiliser des algorithmes de contrôle plus avancés, tels que le contrôle orienté champ (Field Oriented Control, FOC) sans capteur. Cela se voit clairement, par exemple, dans les pompes de circulation pour les systèmes de chauffage domestique ou les ventilateurs de refroidissement pour les voitures.

Que proposent concrètement ces nouveaux algorithmes de contrôle ? Pourquoi le moteur BLDC avec contrôle trapézoïdal n'est-il plus assez bon ? 

Efficacité 

On parle beaucoup de moteurs et d'entraînements plus efficaces, mais en fin de compte, ce qui compte, c'est l'efficacité de l'ensemble du système. Par exemple, nous avons parlé de la courroie d'entraînement des moteurs de voiture. Les courroies d'entraînement sont très efficaces au-dessus de 90 %, mais elles ne s'arrêtent pas lorsqu'elles ne sont pas nécessaires, mais tournent au ralenti, ce qui entraîne des pertes importantes. Par conséquent, si nous examinons les systèmes électromécaniques, il y a des pertes supplémentaires, telles que les vibrations, qui peuvent être causées par l'ondulation du couple, et qui à leur tour sont des effets secondaires du fonctionnement des moteurs BLDC et SRM. Selon les besoins de l'application, l'efficacité peut être maximisée en faisant fonctionner le moteur en douceur. Ceci peut être réalisé en utilisant un algorithme FOC ou un contrôle vectoriel équivalent.

Un autre facteur est la charge du moteur. Tous les moteurs ont une courbe d'efficacité de charge qui ressemble à celle illustrée à la Figure 4 (variateur inclus). Comme on peut le voir, il existe un pic qui correspond au couple nominal du moteur, mais dans la plupart des applications, il n'y a pas de charge de fonctionnement fixe. Certains doivent fonctionner même dans toute la plage de fonctionnement.

Un exemple est un compresseur de climatisation. Dans ce cas, la charge varie en fonction du degré de refroidissement ou de chauffage du système, ainsi que lors de chaque cycle du piston.

Étant donné que les compresseurs fonctionnent presque tout le temps, les moteurs IPM sont devenus largement utilisés car ils offrent le rendement le plus élevé. Mais si nous regardons la courbe d'efficacité d'un moteur IPM et la comparons à un SyncRM équivalent (Figure 4), nous voyons que si le moteur IPM est plus efficace pour la charge nominale, la courbe SyncRM est plus plate. En d'autres termes, le SyncRM conserve un rendement plus élevé pour les petites charges, de sorte que son rendement global est très proche de celui du moteur IPM.

Conclusion 

La tendance vers des moteurs électriques plus efficaces a commencé à s'accélérer au début du nouveau millénaire avec l'avènement des moteurs à aimants permanents sans balais et l'amélioration des coûts et des performances des semi-conducteurs.

Cette tendance s'est étendue aux produits de consommation avec le moteur BLDC. Depuis lors, il a évolué pour inclure la commutation électronique des ACIM, la renaissance du SRM et même la suppression des aimants à nouveau avec le SyncRM.

Ce qu'il est important de retenir dans tout cela, c'est que l'efficacité d'un système est la somme de tous les éléments, et ce qui est maximisé doit avoir une correspondance économique.

Par conséquent, selon l'application, il existe différents types de moteurs et d'algorithmes parmi lesquels choisir. Il n'y a pas de technologie de moteur dominante, donc toute personne qui conçoit un système basé sur un moteur électrique doit comprendre les avantages et les inconvénients de chaque technologie disponible et sélectionner l'option qui correspond le mieux à ses besoins.