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COURS N° 8 : Variation de vitesse
MAS
DÉROULEMENT DE LA SÉANCE
TITRE
ACTIVITÉS PROF
ACTIVITÉS ÉLÈVES
DURÉE
FIN DU COURS {? heures}
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Tableau de comité de lecture
Date de lecture
12 mars 2001
Lecteurs
Observation
Première Version
Remarques rédacteur
Date modifications
12 mars 2001
Quote of my life :
Fournir ma contribution aux autres est ma philosophie.
Et la vôtre ?
Si vous avez lu ce T.P. et que vous avez des remarques à faire, n'hésiter pas et écrivez-moi à l'adresse suivante :
Ce dossier contient :
E-Mail :
Adresse Professionnel :
[email protected]
CROCHET David
Professeur de Génie électrique
 Un dossier élève (pages 4 à -)
L'objet du message doit contenir le mot
Lycée Technique
 Un dossier prof (pages - à -)
CARIM
02500 HIRSON
 Un transparent (page - à -)
(Adresse valable jusqu'au 30 juin 2001)
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COURS N° 8
Variation de vitesse MAS
Niveau : T STI GET
Lieu : Salle de cours
Durée : ? heures
Organisation : Classe entière
LIAISON AU RÉFÉRENTIEL
PRÉ-REQUIS
Les élèves doivent être capables :
-
OBJECTIFS
Les élèves devront être capables de :
-
NIVEAU D'APPRENTISSAGE
MÉTHODE
-
Passive
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B 2 – ÉLECTROTECHNIQUE
S.T.I. - G.E.T.
COURS
N° 8
LES VARIATEURS
DOSSIER PÉDAGOGIQUE
Variateur de vitesse MAS
Objectif :



Documents :


Secteur : Salle de cours
Durée : ? heures
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Variateur de vitesse pour MAS
1. Rappel de physique
1.1. Schéma équivalent
Le moteur asynchrone, peut se traduire par ce circuit électrique équivalent :
IS
Vs
RS IS0
LS
L'R
R' R
g
I'R
VE
Contrairement au moteur à courant continu, rien le lie les caractéristiques
électriques aux caractéristiques mécaniques. Donc, il faut trouver un autre schéma ou
systèmes d'équations qui lie les paramètres électromécaniques.
1.2. Expression de la vitesse
Partons de cette équation : N' 
f 1  g 
.
p
Pour faire varier la vitesse du moteur de façon continue, on peut :
- Soit faire varier le glissement g
- Soit faire varier la fréquence d'alimentation f
2. Action sur le glissement
Pour accroître le glissement du moteur alimenté à fréquence constante :
- On ne peut que réduire la tension d'alimentation, si le moteur est à cage
- On peut augmenter la résistance par phase rotorique à l'aire d'un rhéostat, si le
moteur est à bagues
- On peut aussi prélever plus ou moins de puissance entre les bagues et récupérer
cette puissance
2.1. Variation de la tension d'alimentation.
La seule façon d'augmenter le glissement d'un moteur à cage alimenté par des
tensions de fréquence constante est de diminuer la valeur de ces tensions. La mise en
œuvre est très simple, il suffit de mettre en place un gradateur triphasé entre le réseau
et le moteur.
C
MAS
3~
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Ce procédé utilise le fait qu'à glissement donné, le couple du moteur asynchrone
soit proportionnel au carrée de la tension d'alimentation. On ne peut l'employer que
pour l'entraînement de charge dont le couple croît très vite en fonction de la vitesse.
Ce réglage de vitesse est surtout utilisé pour l'entraînement de pompes ou de
ventilateurs, charges dont le couple est sensiblement proportionnel au carré de la
vitesse.
Inconvénient du procédé :
- Augmenter le glissement, c'est augmenter la partie de la puissance traversant
l'entrefer qui est dissipée en pertes joules au rotor, donc diminuer le rendement.
- Le gradateur est un puissant générateur d'harmonique. Les courant
harmoniques diminue encore les performances du moteur et perturbent le
réseau d'alimentation. Aussi ce procédé de variation de vitesse est d'ordinaire
limité aux petites puissances.
2.2. Variation de la résistance secondaire
La façon la plus simple de faire varier le
glissement du moteur à rotor bobiné est C
d'utiliser un rhéostat secondaire. A couple
résistant donné, le glissement augmente au fur
et à mesure que la résistance par phase
secondaire croit.
Ce procédé présente deux des
inconvénients du précédent :
- Ce n'est pas un vrai réglage de vitesse, la
vitesse à vide est toujours très voisine de la
vitesse synchrone, on n'agit que sur la chute
de vitesse en charge.
- L'augmentation du glissement se fait au détriment du rendement par augmentation
des pertes joules secondaires.
Mais il présente deux avantages importants :
- Il permet de faire varier la vitesse d'une charge quelconque car la partie utilisée
des courbes est toujours stables.
- Les pertes dues à l'augmentation du glissement sont dissipées dans le rhéostat et
non dans le moteur.
Ce procédé est utilisé en levage.
2.3. Récupération de la puissance de glissement
Au lieu de dépenser en pertes joules la puissance à dissiper, on peut récupérer cette
puissance. La difficulté vient que cette puissance électrique correspond à des
grandeurs de tensions et fréquences variables. Pour cela, on redresse cette tension, et
on le réinjecte dans le réseau grâce à un onduleur. Ce montage est appelé cascade
hyposynchrone.
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Moteur
Réseau
Redresseur
commandé
Onduleur
Le stator reçoit une puissance. Pour faire varier, la vitesse, on soustrait de la
puissance au rotor avec le redresseur commandé. Cette puissance est renvoyée au
réseau grâce à l'onduleur. On améliore le rendement, puisqu'il n'y a plus de perte
joules, excepter ceux du redresseur et de l'onduleur.
Ce procédé, qui permet une vraie variation de vitesse, présente deux avantages :
- Les fonctions de l'électronique de puissance sont très faciles à réaliser. En
particulier l'onduleur est un onduleur non autonome (ou assisté) dont les
commutations sont assurées par le réseau.
- La partie électronique de puissance n'a pas à être dimensionnée que pour la partie
à dissipée. Elle est d'autant plus réduite que la variation de glissement (ou de
vitesse) est plus petite.
Ce procédé est très intéressant pour les équipements ne nécessitant qu'une plage de
variation de vitesse.
3. Variation de la fréquence d'alimentation
Pour obtenir le même couple maximum à toutes les fréquences, on travaille
d'ordinaire à flux constant. Donc la tension d'alimentation doit être proportionnelle à
la fréquence d'alimentation. On travaille donc à
V
constant. On peut remarquer aussi
f
2
que : C max
3p  V 

  k , donc, le couple maximum du moteur asynchrone est constant.
2 ω
Quand on a atteint la tension nominale (donc la fréquence nominale), on peut
augmenter encore la fréquence de commande (donc faire tourner le moteur au-dessus
de la vitesse nominale) mais dans ce cas, sans augmenter la tension nominale, ce qui
réduit le couple moteur.
3.1. Le cyclo-convertisseur
On fabrique une tension alternative à partir de portions de sinusoïde de la tension du
réseau, et ceci pour chaque phase. Pour cela et pour chaque phases, nous allons
insérer entre le réseau et le moteur deux ponts tout thyristor monté en tête bêche.
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Cette figue montre, pour une fréquence de sortie égale au quart de la fréquence du
réseau, les tensions réelles d'alimentation du moteur (trait gras) et la tension
sinusoïdale équivalent (trait mixte).
3.2. Avantages – inconvénient
- Les commutations sont réalisées par le réseau d'alimentation. Il n'y a pas de
dispositif particulier à prévoir pour bloquer les thyristors.
- Le montage est réversible pouvant prélever ou renvoyer de la puissance au réseau.
- Mais le cycloconvertisseur nécessite beaucoup de semi-conducteurs : 36 avec le
schéma usuel.
- Il envoie dans le réseau des courants harmoniques importants
- De par son fonctionnement, le cycloconvertisseur ne peut fournir que des
fréquences de sortie nettement inférieure à la tension du réseau ( de 0 à 1/3 de la
fréquence du réseau).
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De ce fait, il est utilisé pour des moteurs de très basse vitesse de rotation et de forte
puissance.
3.3. Onduleur de tension
Redresseur
Filtrage
Onduleur
Un redresseur à 6 diodes délivre une tension à un filtre LC. Cette tension continue
est ensuite ondulé grâce à l'onduleur.
D'ordinaire les onduleurs de tension fonctionnent en modulation de largeur
d'impulsion (M.L.I.). C'est à dire que les tensions de sorties sont formées non pas de
un mais de plusieurs créneaux rectangulaires par alternances.
L'emploi de la Modulation de Largeur d'Impulsion permet à l'onduleur, non
seulement de faire varier de fréquence, mais aussi :
- De faire varier la valeur du fondamental des tensions de sortie.
- D'éliminer de ses tensions de sortie les harmoniques de basse fréquence.
L'inductance du moteur rend très faibles les courants d'harmonique due aux
harmoniques de fréquences élevée restant dans les tensions. On peut alimenter la
machines par des courants quasi sinusoïdaux.
4. Variateur à contrôle vectoriel de flux
Le contrôle vectoriel de flux avec un moteur asynchrone permet de maîtriser
séparément le courant magnétisant et le courant actif. Le variateur vectoriel reçoit les
informations sur la vitesse et la position angulaire du rotor grâce à un codeur
incrémental accouplé au moteur, qui mesure aussi le courant absorbé. Ces valeurs
sont traitées numériquement dans un calculateur en fonction de la vitesse et du couple
désiré. Compte tenu des valeurs précédentes, il règle les courants sur l'onduleur de
manière à positionner le flux stator en quadrature avec le courant induit dans le rotor
comme dans un moteur à courant continu.
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S.T.I. - G.E.T.
COURS
N° 8
LES VARIATEURS
DOSSIER PROFESSEUR
Variateur de vitesse MAS
Objectif :



Documents :


Secteur : Salle de cours
Durée : ? heures
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Variateur de vitesse pour MAS
1. Rappel de physique
1.1. Schéma équivalent
Le moteur asynchrone, peut se traduire par ce circuit électrique équivalent :
IS
Vs
RS IS0
LS
L'R
R' R
g
I'R
VE
Contrairement au moteur à courant continu, rien le lie les caractéristiques
électriques aux caractéristiques mécaniques. Donc, il faut trouver un autre schéma ou
systèmes d'équations qui lie les paramètres électromécaniques.
1.2. Expression de la vitesse
Partons de cette équation : N' 
f 1  g 
.
p
Pour faire varier la vitesse du moteur de façon continue, on peut :
- Soit faire varier le glissement g,
- Soit faire varier la fréquence d'alimentation f.
2. Action sur le glissement
Pour accroître le glissement du moteur alimenté à fréquence constante :
- On ne peut que réduire la tension d'alimentation, si le moteur est a cage
- On peut augmenter la résistance par phase rotorique à l'aire d'un rhéostat, si le
moteur est à bagues
- On peut aussi prélever plus ou moins de puissance entre les bagues et récupérer
cette puissance
2.1. Variation de la tension d'alimentation.
La seule façon d'augmenter le glissement d'un moteur à cage alimenté par des
tensions de fréquence constante est de diminuer la valeur de ces tensions. La mise en
œuvre est très simple, il suffit de mettre en place un gradateur triphasé entre le réseau
et le moteur.
C
MAS
3~
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Ce procédé utilise le fait qu'a glissement donné, le couple du moteur asynchrone
est proportionnel au carrée de la tension d'alimentation. On ne peut l'employer que
pour l'entraînement de charge dont le couple croît très vitre en fonction de la vitesse.
Ce réglage de vitesse est surtout utilisé pour l'entraînement de pompes ou de
ventilateurs, charges dont le couple est sensiblement proportionnel au carré de la
vitesse.
Inconvénient du procédé :
- Augmenter le glissement, c'est augmenter la partie de la puissance traversant
l'entrefer qui est dissipée en pertes joules au rotor, donc diminuer le rendement.
- Le gradateur est un puissant générateur d'harmonique. Les courant
harmoniques diminue encore les performances du moteur et perturbent le
réseau d'alimentation. Aussi ce procédé de variation de vitesse est d'ordinaire
limité aux petites puissances.
2.2. Variation de la résistance secondaire
La façon la plus simple de faire varier le
glissement du moteur à rotor bobiné est C
d'utiliser un rhéostat secondaire. A couple
résistant donné, le glissement augmente au fur
et a mesure que la résistance par phase
secondaire croit.
Ce procédé présente deux des
inconvénients du précédent :
- Ce n'est pas un vrai réglage de vitesse, la
vitesse à vide est toujours très voisine de la
vitesse synchrone, on n'agit que sur la chute
de vitesse en charge.
- L'augmentation du glissement se fait au détriment du rendement par augmentation
des pertes joules secondaires.
Mais il présente deux avantages importants :
- Il permet de faire varier la vitesse d'une charge quelconque car la partie utilisée
des courbes est toujours stables.
- Les pertes dues à l'augmentation du glissement sont dissipées dans le rhéostat et
non dans le moteur.
Ce procédé est utilisé en levage.
2.3. Récupération de la puissance de glissement
Au lieu de dépenser en pertes joules la puissance à dissiper, on peut récupérer cette
puissance. La difficulté vient que cette puissance électrique correspond à des
grandeurs de tensions et fréquences variables. Pour cela, on redresse cette tension, et
on le réinjecte dans le réseau grâce à un onduleur. Ce montage est appelé cascade
hyposynchrone.
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Moteur
Réseau
Redresseur
commandé
Onduleur
Le stator reçoit une puissance. Pour faire varier, la vitesse, on soustrait de la
puissance au rotor avec le redresseur commandé. Cette puissance est renvoyée au
réseau grâce à l'onduleur. On améliore le rendement, puisqu'il n'y a plus de perte
joules, excepter ceux du redresseur et de l'onduleur.
Ce procédé, qui permet une vraie variation de vitesse, présente deux avantages :
- Les fonctions de l'électronique de puissance sont très faciles à réaliser. En
particulier l'onduleur est un onduleur non autonome (ou assisté) dont les
commutations sont assurées par le réseau.
- La partie électronique de puissance n'a pas à être dimensionnée que pour la partie
à dissipée. Elle est d'autant plus réduite que la variation de glissement (ou de
vitesse) est plus petite.
Ce procédé est très intéressant pour les équipements ne nécessitant qu'une plage de
variation de vitesse.
3. Variation de la fréquence d'alimentation
Pour obtenir le même couple maximum à toutes les fréquences, on travaille
d'ordinaire à flux constant. Donc la tension d'alimentation doit être proportionnelle à
la fréquence d'alimentation. On travaille donc à
V
constant. On peut remarquer aussi
f
2
que : C max
3p  V 

  k , donc, le couple maximum du moteur asynchrone est constant.
2 ω
Quand on a atteint la tension nominale (donc la fréquence nominale), on peut
augmenter encore la fréquence de commande (donc faire tourner le moteur au-dessus
de la vitesse nominale) mais dans ce cas, sans augmenter la tension nominale, ce qui
réduit le couple moteur.
3.1. Le cyclo-convertisseur
On fabrique une tension alternative a partir de portions de sinusoïde de la tension du
réseau, et ceci pour chaque phase. Pour cela et pour chaque phases, nous allons
insérer entre le réseau et le moteur deux ponts tout thyristor monté en tête bêche.
Page 13 sur 15
Cette figue montre, pour une fréquence de sortie égale au quart de la fréquence du
réseau, les tensions réelles d'alimentation du moteur (trait gras) et la tension
sinusoïdale équivalent (trait mixte).
3.2. Avantages – inconvénient
- Les commutations sont réalisées par le réseau d'alimentation. Il n'y a pas de
dispositif particulier à prévoir pour bloquer les thyristors.
- Le montage est réversible pouvant prélever ou renvoyer de la puissance au réseau.
- Mais le cycloconvertisseur nécessite beaucoup de semi-conducteurs : 36 avec les
schéma usuel.
- Il envoie dans le réseau des courants harmoniques importants
- De par son fonctionnement, le cycloconvertisseur ne peut fournir que des
fréquences de sortie nettement inférieure à la tension du réseau ( de 0 à 1/3 de la
fréquence du réseau
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De ce fait, il est utilisé pour des moteurs de très basse vitesse de rotation et de forte
puissance.
3.3. Onduleur de tension
Redresseur
Filtrage
Onduleur
Un redresseur à 6 diodes délivre une tension à un filtre LC. Cette tension continue
est ensuite est ondulé grâce à l'onduleur.
D'ordinaire les onduleurs de tension fonctionnent en modulation de largeur
d'impulsion (M.L.I.). C'est à dire que les tensions de sorties sont formées non pas de
un mais de plusieurs créneaux rectangulaires par alternances.
L'emploi de la Modulation de Largeur d'Impulsion permet à l'onduleur, non
seulement de faire varier de fréquence, mais aussi :
- De faire varier la valeur du fondamental des tensions de sortie.
- D'éliminer de ses tensions de sortie les harmoniques de basse fréquence.
L'inductance du moteur rend très faibles les courants d'harmonique due aux
harmoniques de fréquences élevée restant dans les tensions. On peut alimenter la
machines par des courants quasi sinusoïdaux.
4. Variateur à contrôle vectoriel de flux
Le contrôle vectoriel de flux avec un moteur asynchrone permet de maîtriser
séparément le courant magnétisant et le courant actif. Le variateur vectoriel reçoit les
informations sur la vitesse et la position angulaire du rotor grâce à un codeur
incrémental accouplé au moteur, qui mesure aussi le courant absorbé. Ces valeurs
sont traitées numériquement dans un calculateur en fonction de la vitesse et du couple
désiré. Compte tenu des valeurs précédentes, il règle les courants sur l'onduleur de
manière à positionner le flux stator en quadrature avec le courant induit dans le rotor
comme dans un moteur à courant continu.
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