Onduleurs Introduction aux variateurs de vitesse. Simulation.

C. Haouy
Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse.
Onduleurs
Introduction aux variateurs de vitesse. Simulation.
Ce cours a pour objectif la compréhension des techniques de bases pour appréhender la structure d'un
convertisseur statique (en partant de l'interrupteur mécanique pour aboutir à l'interrupteur électronique équivalent).
La suite logique est l'explication du principe de fonctionnement des onduleurs MLI et de la variation de vitesse. Ce
cours précède le cours intitulé "Variateurs de vitesse - De la régulation cascade à la commande vectorielle". Il
s'adresse à des étudiants de niveau L1 à L3 (1 à 3 ans après l'obtention du baccalauréat).
Une attention particulière a été portée sur les chronogrammes (issus du logiciel de simulation PSIM) destinés à
comparer les performances essentielles des techniques de commande, afin d'en comprendre les avantages et les
inconvénients.
Plan :
1. Généralités sur les convertisseurs.
1.1. Structure des convertisseurs
1.2. Choix de l'interrupteur électronique adéquat.
2. Commande des onduleurs.
2.1. Commande simultanée et commande décalée.
2.2. Commande MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) dite aussi PWM (Pulse Width Modulation).
3. Onduleur et variateur de vitesse
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Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse.
1. Généralités sur les convertisseurs.
1.1. Structure des convertisseurs
Les convertisseurs (variateurs de vitesse des moteurs par exemple) reposent tous sur une structure réalisée à
base d'interrupteurs électroniques. Ici est représentée une structure à 4 interrupteurs électroniques qui réalise 3
fonctions différentes (hacheur, onduleur et redresseur) :
hacheur 4Q
vcharge
100
vcharge
icharge
50
icharge
0
-50
-100
0
onduleur
icharge
0.1
T ime (s)
0.15
0.2
vcharge
150
vcharge
0.05
100
icharge
50
0
-50
-100
-150
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
T ime (s)
redresseur
400
vcharge
icharge
vcharge
300
200
icharge
100
0
-100
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
T ime (s)
De cette manière, le convertisseur possède un rendement de 100% puisqu'il n'est composé que d'interrupteurs qui
ne s'échauffent pas (s'ils sont parfaits, c'est-à-dire sans pertes, ce qui est le cadre de ce cours). Le convertisseur
ne s'échauffe donc pas et transmet ainsi 100% de l'énergie qu'il pompe de la source vers la charge. On
remarquera, en comparant par exemple la structure du hacheur 4Q ci-dessus et de l'onduleur de tension, que les
structures sont en tout point identiques : c'est la stratégie de commande des interrupteurs qui imposera le
fonctionnement du convertisseur en tant que hacheur ou onduleur, si la charge l'autorise. Cette remarque est
valable pour n'importe quelle structure de convertisseur.
On notera que la tension v charge est toujours composée de morceaux de tension d'entrée : si la source est
sinusoïdale (voir le cas du redresseur ci-dessus) alors v charge sera composée de morceaux de sinusoïdes et non
pas de morceaux de droites, comme c'est le cas pour l'onduleur ou le hacheur (alimentés par une source de
tension constante).
Exercices 1 et 2.
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1.2. Choix de l'interrupteur électronique adéquat.
L'interrupteur électronique qui doit réaliser la fonction voulue est soumis à une contrainte de tension (imposée par
la source) et par une contrainte de courant (imposée par la charge). Il existe de multiples interrupteurs
électroniques et il conviendra de bien les choisir, citons les 3 plus courants à partir desquels on peut en construire
d'autres :
La diode (convention récepteur)
vK
iK
passante
iK
anode
cathode
vK
bloquée
La diode est un composant unidirectionel en courant et unidirectionel en tension. Cela signifie qu'on la détruit si on
lui impose un courant ou une tension de polarité interdite. Les zones de fonctionnement autorisées de la diode sont
indiquées sur la caractéristique statique ci-dessus : en rouge la zone de conduction (seul i K 0 est autorisé) et en
bleu la zone de blocage (seul v K 0 est autorisé). C'est la source qui imposera généralement la valeur de la
tension de blocage et la charge qui imposera généralement la valeur du courant de conduction : il ne faudra pas
que ces valeurs sortent de la plage autorisée pour le type de diode choisie.
On remarquera que le produit p(t) = vK × iK est toujours 0 : la diode est un dipôle passif qui ne peut qu'absorber
de la puissance (p(t) toujours 0). Si la diode est "parfaite", alors le produit p(t) = v K × iK vaut toujours 0 : la diode
parfaite ne s'échauffe pas. C'est toujours la source ou la charge qui déterminera l'état passant ou conducteur de la
diode et jamais l'opérateur (circuit de commande) : la diode est un interrupteur dépourvu d'une troisième électrode
de blocage ou de conduction.
Le thyristor (convention récepteur).
Il possède une troisième électrode (broche) appelée gâchette et qui permet de le débloquer. Il reste donc bloqué si
l'opérateur n'agit pas sur la gachette (tension positive entre gâchette et cathode sous forme d'impulsions répétées
de 1 V crête environ). Une tension v K positive peut donc se développer à ses bornes, contrairement à ce qui était
observé avec une diode, lorsque le thrystor est bloqué.
iK
vK
anode
iK
opérateur (commande ON)
cathode
tension de
commande
bloquée
gâchette
ON
bloquée
vK
Lorsque le thyristor est passant, rien ne le distingue d'une diode.
Le transistor (convention récepteur).
Il possède également une troisième broche, comme le thyristor. Mais, contrairement à ce dernier, cette troisième
broche appelée "base" permet non seulement de débloquer le transistor (tension base - émetteur de l'ordre de 0,7
V) mais aussi de le bloquer (tension base - émetteur nulle). En revanche il n'admet pas de tension v K négative à
ses bornes, contrairement au thyristor :
iK
v
K
iK
collecteur
opérateur (commande ON - OFF)
émetteur
bloqué
tension de
commande
vK
base
ON - OFF
Le choix de l'interrupteur électronique adéquat (diode, transistor, thyristor) dépend des points de fonctionnement
qu'il doit assurer : l'ensemble des points de fonctionnement de l'interrupteur mécanique dessine, hors instants de
commutation, la caractéristique statique que doit posséder l'interrupteur électronique.
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Exemple : on souhaite utiliser un convertisseur pour obtenir une tension en créneaux alternatifs aux bornes d'une
charge RL à partir d'une tension constante positive (onduleur). Choisir l'interrupteur électronique K1 qui permet de
réaliser la fonction décrite par les chronogrammes.
Vcharge
vK1
iK1
Vcharge
i
i
Pour répondre à cette question, il faut connaître la courbe de fonctionnement (v K1, iK1) dessinée par les blocages /
conductions successives de K1. Il faut donc connaître les chronogrammes de v K1 et iK1. Une étude rapide nous
donne les allures suivantes
Cela permet de tracer la caractéristique,
dite statique, dessinée par les points de
fonctionnement au cours du temps (hors
instants de commutation dessinées par les
flèches vertes) :
vK1
iK1
iK1
vK1
On compare alors cette caractéristique statique avec celles qui sont données dans la bibliothèque de
caractéristiques disponibles (voir annexe). On en déduit que l'interrupteur électronique adéquat est :
iK1
iK1
vK1
remplacé par :
vK1
On remarquera que la structure de convertisseur utilisée (4 interrupteurs et 1 source d'alimentation constante) peut
parfaitement réaliser un hacheur 4 quadrants pour moteur DC : c'est la stratégie de commande des interrupteurs
qui permet de définir la fonction (hacheur, onduleur…) de la structure
2. Commande des onduleurs.
2.1. Commande simultanée et commande décalée.
Le circuit étudié précédemment était un onduleur sur charge RL, par exemple une table de cuisson à induction (on
rajouterait un condensateur en série pour réaliser une résonance de courant en pratique). Observons le détail de
sa réalisation :
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icharge
Les angles indiqués sont les angles de conduction des interrupteurs, en [°]. On appelle ce type de commande la
"commande simultanée" car les interrupteurs k1 et k3 sont commandés simultanément (de même pour les
interrupteurs k2 et k4). On l'appelle également "commande symétrique" car la tension v charge vaut +E ou -E.
fcommande = 50 Hz, charge RL = 10
commande simultanée
600
spectre de icharge et de vcharge
, 0,1 H
100
vcharge
100%
80
400
icharge
200
60
0
33%
12%
40
-200
20
-400
-600
20%
4,2%
14%
2,1%
11%
1,3%
0
0
0.04
T ime (s)
0.08
0
200
Frequency (Hz)
400
le circuit inductif filtre la tension : le courant est moins distordu que la tension. On peut également modifier l'angle
de conduction des interrupteurs. On obtient alors la "commande décalée", dite aussi "commande 1/3 - 2/3" ou
encore "commande adjacente" qui n'est plus symétrique comme précédemment, car il existe à présent des paliers
de tension à 0 V :
spectre de icharge et de vcharge
fcommande = 50 Hz, charge RL = 10
commande 1/3 - 2/3
, 0,1 H
100
100%
80
600
400
60
200
40
0
-200
20%
4,2%
20
-400
14%
2,1%
0
-600
0.92
0.96
Time (s)
0
1
200
Frequency (Hz)
400
La commande 1/3 – 2/3 permet d'éliminer les harmoniques de rang 3. On voit donc tout l'intérêt de bien choisir la
commande des interrupteurs pour obtenir un courant aussi sinusoïdal que possible (si la nécessité s'en fait sentir) :
la stratégie de commande permet de supprimer certains harmoniques. On remarquera ici que la valeur efficace est
fixe, imposée par l'alimentation DC (500 V en symétrique par ex, 78% de 500 V en 1/3 - 2/3). Cette commande 1/3
- 2/3 (tension entre-phase) est utilisée en traction ferroviaire avec machine asynchrone en pleine puissance
(commande "pleine onde").
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2.2. Commande MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) dite aussi PWM (Pulse Width Modulation).
La commande dite MLI est la technique de commande la plus fréquemment utilisée avec les onduleurs (MLI
scalaire et vectorielle) : elle a pour objectif de réduire les harmoniques de courants lorsque la charge est inductive
(moteurs électriques par exemple). Il s'agit d'un filtrage naturel (sans l'aide de filtres additifs) uniquement réalisé
par la stratégie de commande. Cela permettra par exemple d'alimenter les moteurs CA à partir de tension en
créneau : les courants absorbés seront pratiquement sinusoïdaux (couple instantané des machines constant, ce
qui assure une vitesse constante même à faible vitesse). La commande MLI intersective dite aussi "sinus-triangle"
est une commande largement répandue :
fcommande = 450 Hz, charge RL = 10 , 0,1 H
commande MLI sinus-triangle
spectre de icharge et de vcharge
100%
100
600
80%
9,2%
80
400
200
60
0
30%
4,4%
40
-200
-400
20
1,3%
0,3%
-600
0
0.12
0.16
T ime (s)
0.2
0
200
Frequency (Hz)
400
Les harmoniques de courant sont rejetés aux fréquences élevées (autour de la fréquence de hachage, soit
quelques kHz en pratique), ce qui n'est pas gênant pour un moteur car son inertie empêche les ondulations de
vitesse que cela peut produire. Plus la fréquence de hachage augmentera et plus l'amplitude des harmoniques de
courant diminuera (mais les interrupteurs chaufferont…). Bien entendu, ce type de commande existe également en
structure triphasée. Ci-dessous on détaille le circuit de commande de la MLI intersective :
Ucharge
600
400
icharge
icharge
200
0
E
Ucharge
-200
-400
-600
I(RL2b)*30
U23
I(RL2c)*30
U31
600
400
200
0
-200
-400
-600
600
400
200
0
-200
-400
-600
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
T ime (s)
On présente ci-dessous les spectres tension et courant réalisés avec un fréquence de hachage (dite "porteuse") de
10 kHz. On remarquera que si la tension est distordue (80% à la fréquence de 10 kHz), il n'en n'est pas de même
du courant (0,4% d'amplitude à 10 kHz) : la MLI évite l'utilisation de composants de filtrage coûteux, encombrants
et lourds (à éviter pour les équipements embarqués, genre traction ferroviaire par exemple)
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0.2
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Le courant harmonique ci-dessous est maximum à la fréquence de 10 kHz et a pour amplitude relative 0,4%
seulement du fondamental de courant.
MLI sinus-triangle à 10 kHz. Spectre de icharge et de vcharge.
100
100%
80%
0,4%
80
60
40
20
0
0
5000
10000
Frequency (Hz)
15000
20000
2.3. Les différentes stratégies de commande MLI.
Il existe plusieurs techniques de MLI :
La MLI asynchrone intersective que l'on vient de voir : la fréquence de la porteuse triangle est constante et
légèrement inférieure à la fréquence maximale de commande des interrupteurs utilisés (IGBT en pratique) : cette
fréquence est donc toujours élevée (jusqu'à 10 kHz environ). Cette commande est toujours utilisée lors des
démarrages des moteurs asynchrones de traction ferroviaire car l'ondulation de couple est faible, ce qui évite des
ondulations de vitesse très ressenties à faible vitesse.
La MLI synchrone intersective : toujours réalisée par comparaison sinus-triangle mais cette fois la fréquence de la
porteuse triangle est plus faible que précédemment : ft = n × fsinus (n = entier = indice de modulation) varie
proportionnellement à la fréquence de tension de référence (sinusoïde). Elle a pour avantage de bien contrôler
(voire supprimer) les courants harmoniques indésirables car les rangs des harmoniques de courant éliminés sont
fonction de n : si n est multiple de 3 on supprime, entre autres, l'harmonique de rang n, c'est-à-dire celui de plus
grande amplitude. Ce mode de MLI est utilisé en traction ferroviaire jusqu'à une certaine vitesse (jusqu'à l'obtention
d'une tension simple = 70% de la tension simple nominale).
La MLI synchrone calculée qui consiste à obtenir 1 à 5 angles de commutation précalculés sur 90° (1/4 de période,
les autres angles étant déduits par symétrie et mis en mémoire dans une EPROM), choisis pour éliminer certains
harmoniques de courant (dépend de l'application). Ce mode de fonctionnement est utilisé pour passer à la
commande "pleine onde" sans à-coup de couple lorsque le train atteint sa vitesse nominale.
Uab
E
-E
MLI à 5 angles calculés
Uab
E
-E
commande pleine onde (1/3 - 2/3)
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allure des courants statorique d'une Mas en fonction des différentes commandes MLI
Dans tous les cas ci-dessus, la tension fondamentale entre phase a pour valeur max Û
peut donc dépasser 50% de E puisque
V̂ref _ sin us
V̂triangle
V̂ref _ sin us
V̂triangle
E / 2 , elle ne
1
La MLI suboptimale permet d'y remédier partiellement : la commande MLI sinus-triangle possède le défaut de
sous-exploiter l'alimentation continue, car la tension simple crête maximale qu'elle peut générer vaut E/2 (il y a
donc déclassement en puissance de l'alimentation). On peut augmenter cette valeur crête en ajoutant aux
sinusoïdes de référence des harmoniques 3 de tension : on obtient alors des tensions simples qui possèdent des
harmoniques 3, ce qui permet d'augmenter la valeur efficace des tensions simples appliqués à la charge :
porteuse triangle et tension de référence
Dans le cas ci-dessus ( V̂ = 1 V), l’équation de la tension de référence s’écrit : Vref = r·sin t + k·sin3 t. On montre
alors que pour r = 1,155 V et k = 0,1925 V on obtient une valeur efficace fondamentale simple = 70,7% de E (au
lieu de 50% de E en MLI intersective). C'est la valeur efficace maximale que l'on peut théoriquement obtenir avec
ce type de commande.
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3. Onduleurs et variateurs de vitesse.
Pour faire varier la vitesse d'un moteur synchrone ou asynchrone chargé par un couple résistant, on verra qu'il faut
faire varier à la fois la fréquence et la valeur efficace V1 du fondamental de la tension. Un variateur de vitesse est
donc vu, de l'extérieur, comme une boîte noire dont le bouton de réglage ajuste la fréquence f de la tension
appliquée au stator :
variateur V/f = k
onduleur
va
10 V
k
Veff
vb
freq
vc
vitesse
entrée
(20 Hz par ex)
zoom
Comme la fréquence délivrée par le variateur est différente de 50 Hz, les tensions Va, Vb et Vc délivrées doivent
être construite à partir d'un redresseur suivi d'un onduleur, le schéma interne du variateur est le suivant :
alim° réseau tri
Udc
Va
Vb
Vc
Qa
freq
Qb
Qc
sin( )
2
2V
sin( )
Udc
Qa
sin( -2 /3)
2V
sin(
Udc
2 / 3)
Qb
sin( -4 /3)
Qc
Udc
Veff
2 2
2 V
Udc
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porteuse
triangle 2 kHz
1 V crête
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L'onduleur de tension est commandé en MLI . On démontre mathématiquement que le fondamental de la tension
f
Udc
V sin
simple a pour valeur maximale (amplitude) V̂
(pour un indice de modulation triangle > 6) on doit
2
fsinus
V triangle
donc régler V sin
2 V
V triangle
Udc
V sin
2 V
en prenant V triangle
Udc
1V
Voici le démarrage d'une MAS avec variateur MLI sinus-triangle commandé à 230 V – 50 Hz (avec couple résistant
constant de 70 Nm), noter les fortes ondulations de couple au démarrage, préjudiciables à la longévité de la
machine :
VP10
Isa
courant statorique ia de la MAS et tension entre phase Uab
600
400
200
0
-200
-400
-600
nmec
vitesse en [tr/min]
1500
1000
500
0
Tem_IM4
couple électromagnétique en [Nm]
400
300
70 Nm
200
100
0
-100
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Time (s)
Le démarrage ci-dessus s'effectue en 300 ms environ. On peut comparer l'allure du couple électromagnétique par
rapport à un démarrage direct sur le réseau qui possède la même valeur efficace que le fondamental de la tension
composée MLI (pour E = 500 V, r = 0,9 , ftriangle = 1500 Hz et fsinus = 50 Hz on obtient entre phases U1eff = 159,1 V)
T em_IM4
couple électromagnétique avec démarrage sous variateur MLI sinus-triangle
T em_IM1
couple électromagnétique avec démarrage direct sous réseau sinusoïdal.
400
300
200
100
0
-100
400
300
200
100
0
-100
0
0.1
0.2
0.3
Time (s)
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0.4
0.5
C. Haouy
Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse.
Ces courbes, absolument analogues (il en serait de même avec les courants), montrent que la modulation MLI
sinus-triangle provoque le même comportement du moteur que le réseau sinusoïdal. Elle possède cependant
l'avantage de ne plus être liée au 50 Hz : la modulation sinus-triangle est équivalente à une source de tension
sinusoïdale dont on peut faire varier la fréquence, donc la vitesse du moteur. On remarquera que l'allure du couple
électromagnétique instantané en fonction de la vitesse (caractéristique dite dynamique) est loin de l'allure donnée
par la caractéristique statique (moyenne de la caractéristique dynamique) :
T [Nm]
400
démarrage du moteur asynchrone
caractéristique
dynamique
caractéristique
statique
300
200
Tnom
charge
100
0
n [tr/min]
-100
0
500
1000
1500
Il faut se souvenir de ce qu'est la caractéristique statique : il s'agit de l'ensemble des points de fonctionnement
possibles en régime établi. Cela exclut donc les régimes transitoires et particulièrement le démarrage. Cependant,
à l'arrivée, le régime permanent est établi : les caractéristiques se rejoignent au même point de fonctionnement
(1460 tr/min, 70 Nm). Noter que la caractéristique statique donnée aux alentours de n = 0 est issue uniquement de
calculs théoriques et qu'un essai expérimental est incapable de donner des points stables (un couple de maintien
est illusoire sous régime sinusoïdal). Pour éviter les oscillations de couple l'opérateur peut augmenter la fréquence
au fur et à mesure de la prise de vitesse du moteur
variation de vitesse d'un moteur asynchrone de 3 kW par variateur U/f = Cste en passant de 30 Hz = 50 Hz (réalisé
par un opérateur) :
caractéristiques dynamiques et statiques en variation de vitesse
Tem_IM1
80
60
40
f = 30 Hz
f = 50 Hz
20
charge
0
[tr/min]
-20
0
870
500
1000
1500
1445
vitesse
On remarque que lorsqu'on s'approche de la vitesse de régime permanent, la caractéristique dynamique et la
caractéristique statiques se confondent, preuve que l'accélération diminue (la vitesse varie moins rapidement qu'au
démarrage et on a une succession de régime quasi-statique).
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Illustrations
1.1. Structure des convertisseurs
hacheur 4Q
vcharge
100
vcharge
icharge
50
icharge
0
-50
-100
0
onduleur
icharge
0.1
T ime (s)
0.15
0.2
vcharge
150
vcharge
0.05
100
icharge
50
0
-50
-100
-150
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
T ime (s)
redresseur
400
vcharge
icharge
vcharge
300
200
icharge
100
0
-100
0
0.02
0.04
0.06
T ime (s)
Exercices 1 et 2.
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1.2. Choix de l'interrupteur électronique
La diode (convention récepteur)
vK
iK
passante
iK
anode
cathode
vK
bloquée
la diode est un interrupteur commandé (par l'évolution de la tension ou du courant imposé par la source
d'alimentation), et non par l'opérateur (ou circuit électronique annexe).
Le thyristor.
iK
vK
iK
opérateur (commande ON)
anode
cathode
vK
bloquée
gâchette
ON
Lorsque le thyristor est passant, rien ne le distingue d'une diode. Le moment de la mise en conduction peut être
choisi par un opérateur (circuit électronique annexe) : ce n'est pas la source d'alimentation qui "décide" seule.
Le transistor.
iK
vK
iK
collecteur
opérateur (commande ON - OFF)
émetteur
bloqué
vK
base
ON - OFF
Choix de l'interrupteur adéquat :
L'ensemble des points de fonctionnement de l'interrupteur mécanique dessine, hors instants de commutation, la
caractéristique statique que doit posséder l'interrupteur électronique (voir tableau ci-dessous).
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i
diode, non commandé
i
u
2 zones de fonctionnement
transistor, commande ON - OFF
u
i
u
i
i
thyristor, commande ON
u
u
i
thyristor GTO, commande ON - OFF
u
3 zones de fonctionnement
i
u
i
association transistor - diode, commande ON
u
- OFF = IGBT
i
i
u
triac, commande ON
u
i
i
u
u
i
4 zones de fonctionnement
association transistor - diodes, commande
ON - OFF
u
i
i
u
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Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse.
Exemple : nature de K1 ci-dessous ?
Vcharge
vK1
iK1
Vcharge
i
i
Déduction de vK1 puis iK1 :
Cela permet de tracer la caractéristique,
dite statique, dessinée par les points de
fonctionnement au cours du temps (hors
instants de commutation dessinées par les
flèches vertes) :
vK1
iK1
iK1
vK1
On compare alors cette caractéristique statique avec celles qui sont données dans la bibliothèque de
caractéristiques disponibles (voir annexe). On en déduit que l'interrupteur électronique adéquat est :
iK1
iK1
vK1
remplacé par :
vK1
2.1. Commande simultanée et commande décalée.
Commande simultanée :
icharge
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spectre de icharge et de vcharge
fcommande = 50 Hz, charge RL = 10
commande simultanée
600
, 0,1 H
100
vcharge
100%
80
400
icharge
200
60
0
33%
12%
40
-200
20
-400
-600
20%
4,2%
14%
2,1%
11%
1,3%
0
0
0.04
T ime (s)
0.08
0
200
Frequency (Hz)
400
"commande décalée", dite aussi "commande 1/3 - 2/3" :
spectre de icharge et de vcharge
fcommande = 50 Hz, charge RL = 10
commande 1/3 - 2/3
, 0,1 H
100
100%
80
600
400
60
200
40
0
-200
20%
4,2%
20
-400
14%
2,1%
0
-600
0.92
0.96
Time (s)
0
1
200
Frequency (Hz)
400
2.2. Commande MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) dite aussi PWM (Pulse Width Modulation).
fcommande = 450 Hz, charge RL = 10 , 0,1 H
commande MLI sinus-triangle
spectre de icharge et de vcharge
100%
100
600
400
80%
9,2%
80
200
60
0
30%
4,4%
40
-200
-400
20
1,3%
0,3%
-600
0.12
0.16
T ime (s)
0.2
0
0
Page 16/21
200
Frequency (Hz)
400
C. Haouy
Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse.
icharge
Ucharge
Ucharge
600
400
icharge
200
0
-200
-400
-600
I(RL2b)*30
U23
I(RL2c)*30
U31
600
400
200
0
-200
-400
-600
600
400
200
0
-200
-400
-600
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
T ime (s)
MLI sinus-triangle à 10 kHz. Spectre de icharge et de vcharge.
100
100%
80%
0,4%
80
60
40
20
0
0
5000
10000
Frequency (Hz)
Page 17/21
15000
20000
C. Haouy
Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse.
3. Onduleurs et variateurs de vitesse.
variateur V/f = k
onduleur
10 V
Va
k
Veff
Vb
freq
Vc
vitesse
entrée
(20 Hz par ex)
alim° réseau tri
Udc
Va
Vb
Vc
Qa
freq
Qb
Qc
sin( )
2
Qa
sin( -2 /3)
Qb
sin( -4p/3)
Qc
Udc
Veff
2 2
limitation
d'amplitude
2 V
Udc
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porteuse
triangle 2 kHz
1 V crête
C. Haouy
Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse.
démarrage d'une MAS avec variateur MLI sinus-triangle commandé à 230 V – 50 Hz (avec couple résistant
constant de 70 Nm) :
VP10
Isa
courant statorique ia de la MAS et tension entre phase Uab
600
400
200
0
-200
-400
-600
nmec
vitesse en [tr/min]
1500
1000
500
0
couple électromagnétique en [Nm]
Tem_IM4
400
300
70 Nm
200
100
0
-100
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Time (s)
Comparaison entre variateur MLI 230V – 50 Hz et tension réseau 230V - 50 Hz :
T em_IM4
couple électromagnétique avec démarrage sous variateur MLI sinus-triangle
T em_IM1
couple électromagnétique avec démarrage direct sous réseau sinusoïdal.
400
300
200
100
0
-100
400
300
200
100
0
-100
0
0.1
0.2
0.3
Time (s)
Page 19/21
0.4
0.5
C. Haouy
Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse.
caractéristique dynamique et statique :
T [Nm]
400
démarrage du moteur asynchrone
caractéristique
dynamique
caractéristique
statique
300
200
Tnom
charge
100
0
n [tr/min]
-100
0
500
1000
variation de vitesse du moteur asynchrone par variateur U/f = C
ste
1500
en passant de 30 Hz = 50 Hz :
caractéristiques dynamiques et statiques en variation de vitesse
Tem_IM1
80
60
40
f = 30 Hz
f = 50 Hz
20
charge
0
[tr/min]
-20
0
870
500
vitesse
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1000
1500
1445
C. Haouy
Onduleurs. Introduction aux variateurs de vitesse.
feuille d'exercices n° 5
Exercice 1.
Les convertisseurs statiques sont réalisés à partir d'interrupteurs électroniques qui prélèvent une partie de la
tension d'entrée pour l'appliquer à la charge. Les tensions d'entrées sont toujours constantes ou sinusoïdales. On
observe ci-dessous les chronogrammes relevés aux bornes de la charge :
Chronogramme 1
Chronogramme 2
Chronogramme 3
0
0
0
Chronogramme 4
Chronogramme 5
Chronogramme 6
0
0
0
1. Quelle est l'allure de la tension d'entrée de chaque convertisseur ?
2. Quelle est la fonction1 assurée par chaque convertisseur ?
Exercice 2.
On donne ci-dessous la structure de 3 convertisseurs :
convertisseur 1
convertisseur 3
convertisseur 2
K1
K2
K4
K3
K1
K1
K2
K4
K3
K2
1. Pourquoi peut-on affirmer que le convertisseur 3 est un cas particulier du convertisseur 2 ?
2. Pour chaque chronogramme de vcharge ci-dessous, indiquez le convertisseur concerné ainsi que la durée de
conduction des interrupteurs :
400
100
300
50
200
0
0
-100
-100
0
convertisseur n°
K1
K2
K3
K4
1
100
-50
0.04
Time (s)
0
0.08
convertisseur n°
K1
K2
K3
K4
les fonctions usuelles sont : redresseur, hacheur, onduleur, gradateur, cycloconvertisseur.
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0.02
Time (s)
0.04