3Erlrrl COMMANDE D'ONDT]LEIJR MOYENNE TENSION POT]R

Y
3Erlrrl
COMMANDED'ONDT]LEIJRMOYENNETENSION
POT]RMOTET]RASYNCHRONEDE TRESGRANDEPUSSANCE
Par : H. GODFROID,
l.
A. VEIS (CEGELEC)
GENERALITES
- L'alimentation
d'un moteurtriphaséà partird'unesourcede tensioncontinuepar l'intermédiaire
d'interrupteursinstallésdirectement
dansles phasesde la machinepermetde régler Ia vitessede
cette dernière en adaptant la composantefondamentalede sa tension à son point de
fonctionnement.
_9
- La réalisationd'un convertisseur
CC / CA de ce type nécessite
un nombred'interrupteursmultiple
de 6. La sourcede tensioncontinuee,stgénéralement
un convertisseur
CA triphasé/ CC, alimenté
à partir du réseau, soit directement,soit par I'intermédiaire d'un transformateur.Des
condensateurs
installésaux bornesde la sourcecontinuepermettentde filtrer les harmoniques
par I'un et l'autredesdeuxconvertisseurs.
engendrés
- La tensionappliquéeau moteurpeut être adaptée,soit en modifiantla tensioncontinue(réglage
par le convertisseur
réseau),soit en hachantau moyendes interrupteursdu convertisseur
machine
(réglagepar MLI).
E
E
E
o
9
!
E
Le modede fonctionnement
en MLI imposede surdimensionner
le convertisseurmachine,mais
permetavecdes 'convertisseurs
réseau'très simples(simpleredresseurà diodessi la machinene
fonctionnequ'en moteur)de minimiser,d'une part la puissanceréactiveabsorbéeau réseau,et
d'autre part, le taux d'harmoniquesde tensionengendrésau niveau de ce dernier. Pour ces
raisons, c'est le réglage par MLI qui sera généralementretenu surtout si le moteur doit
fonctionnerà son couplenominalde 0 à sa vitessenominale.Dansce cas, le surdimensionnement
du moteurasynchrone
dépendde la qualitédesalgorithmesde MLl.
Pour les équipementsles plus puissants,les interrupteursdu 'convertisseurmachine' seront
réalisésau moyende GTO de groscalibreset de leurs'diodesde retour'.
Dansle casd'un convertisseur
réaliséau moyende 6 GTO, le rapportmaximumentrela tension
continueet la tensionmaximumadmissibleaux bornesdu composantserafonctionde I'efficacité
desdispositifsde limitationdessurtensions
qui serontæsociésaux GTO.
de commutation
D'une manière gérÉrale,ce rapport sera de l'ordre de ll2. De ce fait, dans le cæ d un
convertisseur
réaliséau moyende 6 GTO capables
de supporter4 500 volts (maximumacoel), on
devra adopter pour la tension fondamentalemaximum entre phases machine une valeur
généralement
inférieureà I 700 volts. En MLI, la puissance
nomioalemaximumdu convertisseur
sera fonction de la fréquenceà laquellele,sGTO devront hacher et de la manièredont les
composants
serontreftoidis.Toutefois,dansle casd'un moteurfonctionnantà flux constantet à
son couple nominal à toutesles vitesses,pour maintenir des taux d'harmoniquesde couple
admissibles,et avec les composantsactuellementles plus puissants,la puissâncenominale
maximumled'un convertisseur
réaliséau moyende 6 GTO refroidis à l'Éu est de l'ordre de 2
500kvA.
Compte tenu des caractéristiques
actuellesdes composants,les équipementsde puissance
supérieureà 2 500 kVA environdevrontêtre réalisésau moyende 12 GTO au moins. Avec 12
GTO, on pourraappliquerentrephasesdu moteurunetensionefficacefondamentale
de l'ordre de
3,3 kV et au lieu de réaliserun convertisseur
à 2 niveauxde tensiondont les interrupteurs
seraient
constituésde 2 GTO en série,on adopterale montageà 3 niveauxde tension.
GTE
2.
INTERSTDU MONTAGEA 3 NIVEAI.IXDE TENSION
En ajoutant simplement 6 diodes aux
composantsnécessaires
à la réalisationd'un
convertisseurde 12 GTO en 2 niveauxde
tension,on obtient le schémade la figure I
et on réalise un convertisseurayant les
mêmes performancesque celles de deux
convertisseursà 2 niveauxdont les tension
alternativesseraientmisesen sérieau moyen
d'un
transformateur à
emoulements
déphasés.
c|ELEIlsElafôÉd.?EFso^,
L'utilisation de transformateurs
conduiraità
une solution plus mtteuse, de plus, elle ne
peut etre envisagéeque pour des moteurs
fonctionnant à faible couple lorsque leur
vitesse devient faible devant sa valeur
nominale.
I
- Le mnvertisseurà 3 niveauxde tension
est donc pratiquementéquivalentà 2
convertisseurs
à 2 niveauxmis en sérieet
dont les impulsionssont entrelacée.s.
Le
principe général de la commandedu
convertisseuren fonctionde son point de
fonctionnement
est indiquésur les figures
2 et 3.
FIGURE I
E
tH :
,
f
. ('-.t ro) < u/t < .6.
ÊN laolr PaRr^NlNrr: prRjoot roxo^raNtrLt
= FRtoutNct ors rlpuLsro{s oE lr|sroN ^ppLtouaas^u lorroR
ro = Itets ot itPos DU G'ro
r; .fr
uvz < . (r_rHro )
= rrroorxcr D€5rrplLsro{soE r.nsroN^pÊLrouÉEs
^u lorflrn
ro : rr!Ês 0€ RrPoso0 cto
coer^Nor 0Ê5 NrrRRlrrrurs
Dr !.NsrArr r.r ^ rûsr*r
t! -+
I
I
:
Ê
cosu^Noa DEs rxrriRUPTÛtRs
ot r.xslrr q+{
^ Lr-sr^^r t,.:j
co{r^fot oÉs tNTrRruPtalRs
oa LlisrlNr !1a2rr À rlrsrair tl+.rH
----l----I
I
FIGURE2
FIGURE3
v
Y
frrfillfrir
2.t
HARMONIQUESDE TENSION
Avec un convertisseûrà 3 niveaux, les
excursions de la tension appliquée au
moteur sont d'amplitudemoitié de celles
qui seraientappliquéesen 2 niveaux.De ce
fait, le taux maximum de sesharmoniques
rapportéà la tensionnominaleest égal à la
moitié de ce quril sersit en 2 niveaux.Si le
moteur est alimenté directementpar Ie
convertisseur, le.s contraintes imposées
entre les spir€s de tête de son bobinagepar
les fïonts raide.sde tensionse répétantà une
fréquencedonnéeserontdoncbeaucoupplus
faibles qu'en 2 niveaux. Si de,sinductances
de choc et des dispositifsd'amortissement
doiventêtre interposésentreconvertisseur
et
machine.le dimensionnement
de cescircuits
seraconsidérablement
réduit.
9
ë
TENSTON
rux 8oiNts OU yoralr RrcLrr p^i ru
- coNvairssrur r^c|1r|a ^ J N!^ur ôa rrNsrof
coiNacta 0iRrcrrrrir
raNsroxrosri^La Rrst^U = rrNsroN NolrN^tÉ ou rorruR
T A U X D ' H A R V O N I Q U ÊDSE L A T E N S I O N
A U X S O R N T SD U M O T Ê U R
R A P P O R TA
E L A Î Ê N S I O NN O M I N A L EF O N D A V E N T A L T
slrvarr ox : RarPoit rrrff !r Î.isrox roNo^rtrr^La ^crur!!r
AUr 3orNas0u yoraui ai !r rrisrol xolrN^LÊ
s,rNNl ôy : \f4/v-!
Iæ taux global de ces harmoniques de
tensionest pratiquementindépendant
de leur
répartition en fréquencedès lors que les
harmoniquesde faiblesrangs (5 et 7, voire
ll et 13) sont éliminés.La figure 4 indique
l'évolution de ces harmoniquesen fonction
du point de fonctionnement,
d'une part en 3
niveaux,et d'autrepart en 2 niveaux.
E
E
-
FIGURE4
ù
o
g
l
g
6
E
E
2.2
CONTRAII.ITESIMPOSEESAUX GTO
Par rapport au convenisseur
à 2 niveauxde tension,en 3 niveâux,on pourra,soit réduireles pertes
par conductiondans les GTO qui coupentun courant notable,soit pour une même fréquence
machine (modulationde la puissancefournie au moteur), faire hacher chaque composantà la
fréquencemoitié de celleà laquelleils devraient
hacheren 2 niveaux,et ceci,jusqu'àunetrèsfaible
valeurdu rapportentrela tensionappliquéeau moteuret satensionnominale.
De ce fait, avec le mêmenombrede GTO et pour un mêmetaux d'harmoniquesde courantet de
couple,un convertisseur
à 3 niveauxseracapablede fournir une puissancepouvant aller jusqu'à
I '5 fois celle d'un convertisseurà 2 niveauxsuivantle rapportentreles pertespar conductionet les
pertespiu commutationdansles GTO.
Y
STHE
2.3
EXEMPLED'APPLICATION
La frgure5 indiquel'évolution desharmoniquesde coupleen fonction du point de fonclionnement
'VARIAL' de 5 MVA réaliséen 3 niveauxde tension,au moyende 12 GTO
pour un convertisseur
de 4 500 volts / 3 000 A, refroidisà I'eau.
le convertisseur
et en tugmentânt
Cesharmoniquespeuventévidernmentêtre réduits en déclassant
plus
important,dans
les fréquencesde hachage,inversement,en acceptant
un taux d'harmoniques
jusqu'à
pourrait
7
MVA
environ.
aller
le mêmeconvertisseur
certainesapplications,
I
s
La programmâtion des poinls de passaged'une fréquencode hachageà une autre sera faite en
fonction despertespâr oommutâtionadmissible.
2
: S t = 5 M V A- U N = 3 , 3 K V- l a = 5 l t - C m o t = C N
MOIEUR
A L'EAU
MACHINE
A J NIVEAUX
I l2 cIO: a5o0v/30004RÊFRololS
CoNVERT|SSEUR
AU RESEAU
5'JKV
o|RÉCTEVENT
: PONTA DIoDESCONNECTT
ALIMENTATION
E C OUP L E
HARMONIQUD
ES
P O U RC = C n = C O U P LNEO M I N À L
FoNDAvtNlÂLE
ACTUELLE
: FREQUENCE
S U I V Â N To x
Not lN^L
: aT.TPUTUOE
OESHARMoNIQUES
S U I V A N To y
/ COUPLE
D'AVPLITUDE
> 2Z DU CoUPLENOMINÂL
E n l n d l c . d ô ! c o u r b . s : RANCDESH^RVONIoUES
:
e
E
E
:
:
c
I
?
'll
c
-
t
7.
E
FIGURE5
4
Y
trlr-rfrrl
à ce
Les figures 6 et 7 indiquent les formes d'ondesde la tension entre phasescorrespondant
représentés
correspondent,
les uns à desmaximum,
Les pointsde fonctionnement
dimensionnement.
les autresà des minima des harmoniques.En particulier,le maximumdes harmoniquesde tension
correspondau rapportde 2{3 entrela tensionmaximumet la tensionactuelleappliquéeâu moteur.
_9
o
2
g
u,= +- u,--
-*
:o.zsu'
I
E
E
FIGURE 6
FIGURE7
,3
Afin de monter la tensionfondamentaleappliquéeau moteur âu voisinagede la valeur maximale
compatibleavecla tensioncontinue,il æt obligatoire(auvoisinagede cettevaleur)de faire apparaltre
desharmoniques
de tensionà toutesles fréquencæégalesà (6 k + l) fois la fré4uencefondamentale.
E
En fait, avec une sourcecontinueconstituéed'un redresseurà diodesalimentédirectementpar un
réseaude tensionnominaleégaleà celledu moteur,la tensionappliquéeau moteurresteralégèrement
inférieureà la tensionmaximalepossible.De ce fait, jusqu'à la tensionnominale,le amplitudædes
excursionsde tensionentre phasesseront limitéesà la moitié de la tensioncontinueet danstoute
la plage de fonctionnementdeux excursionsde tension de même sens seront séparéspâr un
intervalle de temps qui resteragrand devant le tempsde propagationdesondc de tensionentre
phâse{et neutre du moteur.
v
krlârrrftl
3.
CAS DES EQUIPEMENTS DONT LA PUISSANCE NECESSITE PLUS DE 12 GTO EN
MOI{TAGE 3 NIVEAUX DE TENSION
- Au{elà du 3 niveaux,la généralisationdu montageà plusieursniveaux (sanstransformateur)
nécessiteune âugmentationimportante, non seulementdes diodes,mais égalementdes GTO
etlou une complicationet un surcott importantde l'alimentationdessourcesde tensioncontinue.
-
-9
(!
2
4
.
Dansces conditions,comptetenu du rappon entrela puissanceadmissibleen 3 niveâuxet celle
qui est admissibleen 2 niveauxavecle mêmenombrede GTO et comptetenu desperformances
et
estd'utiliserles
descotts descomposants
actuels,il paraîtbien quela solutionla plus intéressante
convertisseursà 3 niveaux pour alimenter les moteurs de très grande puissance,soit en
mettant en parallèledesconvertisseursde 12 GTO chacun, soit en réalisant les interrupteurs
du convertisseurà 3 niveauxau moyende GTO en série.
COMMANDE VECTORIELLE
Nous bénéfiçions aujourd'hui d'un retour d'expérience de quelques années drapplication
industrielle d'un schémade contrôle vectorielde première génération.Il a été utilisé avecsuccès
enrouleuses,
accumulateurs
deslignes
dansdifférentsdomaines,allantde la métallurgie(dérouleuses,
...).
de parachèvement,
etc), à la chimiedesplætiques(malaxeurs,extrudeurs,granulateurs,
I
Le schémade principeapparaîtà la figure 8.
c
o
I
P
=
E
FIGURE8
On y retrouveles élémentsclassiques
:
- La conversion3/2 des courantset la transpositiondans Ie repère orthogonal d'axes â, m,
tournantà la vitessesynchroneet orieùté(axem) dansla direction du flux total.
v
frfrâr:rrtl
I,a boucle interne d'estimationde I'angle du glissement(Oh - e). Il est obtenu par prédiction
de la valeur du flux Cr reconstituéeà partir de lâ mesure du courant magnétisântim, de la
courbe de saturation magnétiquede la machineintroduite au moment du paramétrage,et de
la mesuredu courant âctif ia.
On note qu'une valeur faussede la résistancerotorique (r'r) n'est pas un obstacleau bon
fonctionnement
des changemensde coordonnées.
De cettedâsadaptation,
il résulteracependant
que l'axe m ne seraplus confonduavecla directiondu flux. C'est ainsi que, sanscompensation
desvariationsde r'r duesà la température,
de la machine(augmentation
un échauffement
de r'r)
qui
(vitesseou
variations
flux
fonction
la
nature
conduiraà des
de
sont
de
de l'asservissement
courantproducteurde flux : ia).
9
9
Ê
E
E
c
a)
a
!
Par exempledansce derniercas,ia et im sont maintenusconstants,el la rotationrelativedesaxes
(a, m) conduit à augmenterle flux. Une commandeà hautesperformancesdynamiquesdoit
impérativementêtre corrigéede cet effet. Cette correction nécessitela connaissance
du flux
(observateur)ou à défaut la mesuredes tensions,ou encore l'évaluationde I'amplitudedes
correctionsstatiquesissuesdesrégulateurs
ia, im.
Les équations introduites au titre des
modèles du stalor et du rotor sont
représentées
dans les blocs fonctionnels
de la figure 9. On y voit Ia compensation
du couplagemâgnétiquestator-rotor.
E(r + Tlp)
L'élaborationdeg copsignes
d'enlréedu
modulâteur : Us . fs .
Commenous l'avons exposéprécédemment,
la modulation de type synchrone,à cadence
de commutation des interrupteurs se
réduisantavec l'élévationde vitessejusqu'à
rejoindre la commandeen "pleine onden,
nousa conduità adopterle pilotageen U et
f du modulateur.Ceci imposepar conséquent
de réaliser la totalité du contrôle dans le
repèreorthogonal(m, a).
u(r+1{)
Dans ce repère, les signâux sont continu,
aux imperfectionsprèsduespar exemple,au
principe adopté pour l'échantillonnagedes
signauxcourantet à sa réalisation,auxtemps
mortsde commandedesinterrupteurs
s'ils ne
sont pas compensés au niveau de
l'élaboration des angles de commandedu
modulateur.
etc.
FIGURE9
Nousen termineronsavecla commande
quelquesr6ultats expérimentaux.Rappelons,
en présentant
s'il en estbesoin,qu'il s'agitd'entraînements
grande
puissance
de
: plusieurs
centaines
de kilowattsà
quelquesmégawatts,
les
suivant cas; figuresl0 et I l.
Nous n'avons retenuque des enregistrements
correspondant
au rotor à l'ffrêt très éloquentspar
comparaisonau moteur à courant continu. Ils prouvent bien que l'on peut fluxer un moteur
æynchroneà I'arrêt et lui faire produirele coupleque I'on désire.Au w de ces résultats,nul ne
douteraencoreque l'on puissefaire despositionnements
ou du levageave! un moteurasynchrone
mêmede grandepuissance.
GTE
A.r*,tt
,.ftJ.N.oNÊ.
a ,.1/t..;
tt4rqÊ_ê!
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v
r
t
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E
g
g
E
E
I
9
E
FIGUREIO
FIGURE1I
AVANTAGESDU MONTAGEVARIAL A 3 NIYEAUX
Pour la motorisationde grande puissanceavec moteur asynchrone,seùI6deux tlpes de
convertisseurss'appliquentà l'heure actuelle,celui que nous venons de décrire et le
qui sontessentiellement
cycloconvertisseur
:
bienconnu.Iæ VARIAL pr&entedesavantages
- Fréquence
desortieindépendante
decelledu râsauet nonlimitéeparprincipe.
- Moindrenombredecomposants
semiconducteurs
depuissance
commândés.
- Tensiondesortieplusélev6e
et courantmoindrepourunepuissance
donnée.
Contraintesimposéesau rdseaud'alimentationincomparablementplus faibles que dansle cas
du cycloconvertisseur.
Y
GM
Ce dernier avantagepeut souventêtre déterminantpour le choix de la solution. En effet, le
cycloconvertisseur
appelleau réseauune puissanceréactiveimportanteet, de surcroit, fluctuanteà
une fr{uence multiplede la fréquenced'alimentationde la machine.
Il injecteégalement
dansle réseaudesharmoniques
de courantde taux élevéset liés à la fréquencede
la machinedoncdifficilementfiltrablespar les moyensconventionnels.
Il oblige I'installateurà fournir, te plus souventen mmplémentde l'équipementprincipal, des
équipementscouteux ds compensationrapide de la puissanceréâctive voire aussi de filtrage
dynamiquedesharmoniques.
Iæ VARIAL 3 niveaux en revanche,n'appelleau réseauprrtiquement que ls puissanceactive (e
facteurde puissance
estsupérieurà 0,95 danstoutela plagede vitesse).
o
Au démarragedu moteur, en particuliers'il doit fournir un coupleélevédemandant
éventuellement
plusieursfois le courant nominal, le réseau ne fournira qutun courant trb faible puisquela
puissanceactiveappeléeesttrès faibledansce cas.
5
CONCLUSION
Le convertisseur
VARIAL 3 niveauxde tensionpermetd'excellentes
performances
dynamiques,
grâceau contrôlevectoriel; le retourd'expérience
du contrôlevectorielde premièregénération
est
signficatif et ouvre des horizonstrès prometteursaux entrtînementsde grande puissancepar
moteurasynchrone.
En effet, de nouveauxschérnasde contrôle en coursde développement
mettanten oeuvreles
ressources
de I'automatique
moderneet implémentés
sur des microprocesseurs
de plus en plus
puissants
permettrontdesperformances
biensupérieuresencore.
En outre,le VARIAL présente
biendesavantages,
notamment
ence qui concerne
la sollicitâtiondu
réseaupublicdralimentation.
: l
È l
o l
o l
Lesdeuxièmesjouméesde I'Enseignement
de l'Electrotechniqueet de I'Electroniqu€Industrielle,organisé€spar le club
13 de la SEE et tes MAFPEN' se déroulerontlesjeudi 30 et vendredi3l mars 1995dansles locaux
d? t,ecoteSupérieure
d'Electricité.
(SUPELECà cif suryvette 9l)
Lesobjectifsde cesjouméesà caractère
pédagogiqu€
sontdoubles:
- formationdesprofesseurs
surl'évolutiond€ I'Electrotechnique
et de I'Electronique
Industrielle;
' favoriserl'échangede moyenspédagogiquesafur de faire progresser
I'enseignement
de cettediscipline.
Les séancesde travail seront organiséesen conférencespleinières(dans le grand amphithéâtreiamet
de sUpELEc) et en
sessions"PoSTERS"où serontprésentés
desthèmesd'étudesexpérimentales,
logicielsde simulationainsi que des stands
industriels.Les conférencesserontassuréespar desuniversitaireset desIndustriels.
Inscriptions:
jusqu'au l0 mars95.
Par les MAFPEN pour l€sprcfÊricuts_dcÊlyçésg
Participation
aux frais l50F réglésà la SEEle 30 mars,lorsde la remisedesdocuments.
Aucuneinscriptionne seraprisesur place.
Auprèsde la SEE,48 rue de la hocession75 724ParisCEDEX 15.
Pourtouteslesautresinscriptionsindividueues
(tel44 49 60 l5), Mme LE BRLJN
Aucuneinscriptionne soraprisesur place.