Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE I. Introduction : Actuellement, l'énergie électrique est essentiellement produite et distribuée sous forme alternative, de fréquence 50Hz. Au niveau de l'utilisateur, par contre, beaucoup d'applications nécessitent des formes différentes d'énergie électrique. Dans ce cas, il faut prévoir un dispositif permettant de transformer l'énergie disponible. Au départ, cette conversion d'énergie a été réalisée à l'aide de groupes de machines tournantes, mais ce procédé est actuellement presque entièrement délaissé au profit de dispositifs électroniques, appelés convertisseurs statiques. En particulier la commande électronique des moteurs constitue l’application la plus importante de l’électronique de puissance. Les installations industrielles utilisent de plus en plus des variateurs de vitesse, soit pour obtenir la vitesse d’entraînement optimale de machines pour chaque étape d’un procédé industriel, soit pour asservir la vitesse d’un ou de plusieurs moteurs entraînant des équipements électromécaniques. 1. Classification des convertisseurs statiques : Les convertisseurs statiques sont les dispositifs à composants électroniques capables de modifier la tension et/ou la fréquence de l'onde électrique. On différencie quatre types de convertisseurs dont les schémas de principe sont donnés sur la figure ci-dessous: • • • • Convertisseur alternatif-continu : Redresseur Convertisseur continu-continu : Hacheur Convertisseur continu-alternatif : Onduleur Convertisseur alternatif-alternatif : Gradateur lorsque seule la valeur efficace de la tension alternative est modifiée, sinon c'est un Cycloconvertisseur. 2. Commande des moteurs à courant continu : Les moteurs à courant continu sont alimentés à partir : • D’un réseau alternatif par l’intermédiaire de redresseurs commandés. • De redresseurs non commandés suivis de hacheurs. • D’une batterie d’accumulateurs par l’intermédiaire d’hacheurs. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 1 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE 3. Commande des moteurs à courant alternatif : Depuis les années 70, on utilise de plus en plus des moteurs à courant alternatif (synchones et asynchrones). Ces moteurs sont plus robustes que les moteurs à courant continu ayant des performances similaires et leur coût est moins élevé. Les moteurs à courant alternatif sont alimentés par des tensions et des fréquences variables à partir : • De gradateurs (démarreurs électroniques). • D’onduleurs autonomes à fréquence variable. • De cycloconvertisseurs. II. Le convertisseur alternatif-continu (Redresseur) : 1. Redresseur à tension fixe (non commandé) en commutation naturelle à base de diodes : l’élément commutateur utilisé est la diode. la diode est équivalente à un interrupteur unidirectionnel non commandé. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 2 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 3 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 4 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 5 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 6 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE 2. Redresseur à tension variable (commandé) en commutation forcé à base de thyristors : L’intérêt du redressement commandé et qu’il permette de faire varier la tension moyenne en sortie du pont et donc de faire varier par exemple la vitesse de rotation d’un moteur à courant continu. l’élément commutateur utilisé est le thyristor. Le thyristor est amorcé avec un angle de retard α. Cet angle est calculé par rapport à la commutation naturelle(commutation des diodes). ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 7 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 8 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Remarque : Pour une charge R, L, E, dont l’inductance L est suffisante, le courant i est considéré constant. La tension u a la même forme que le montage précédent (c.à.d. charge résistive). Redresseur triphasé commandé à simple alternance ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 9 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Pour une charge résistive, lorsque l’angle d’amorçage est compris entre 0° et 30°, la tension à la charge n’est pas interrompue. La tension moyenne à la charge est donnée par la relation : < 𝑈𝑀 >= 3√3 𝑉√2 cos 𝛼 2𝜋 Quand l’angle d’amorçage devient supérieur à 30° , la valeur moyenne est donnée par la relation : < 𝑈𝑀 >= 3𝑉√2 (1 + cos(𝛼 + 30°)) 2𝜋 Dans le cas d’une charge fortement inductive, le courant ne s’interrompe jamais, on retient la première relation. Le circuit peut agir comme redresseur pour un angle situé entre 0° et 90°, et comme onduleur non autonome pour un angle au dessus de 90°. Dans ce cas-ci, le circuit fournit de l’énergie au réseau. Ce fonctionnement est utilisé en traction électrique lors du freinage des trains. Durant la période de freinage, les moteurs à courant continu deviennent temporairement des génératrices. Redresseur triphasé commandé à double alternance La tension moyenne à la charge est donnée par la relation : < 𝑈 >= 3√3 𝑉√2 cos 𝛼 𝜋 III. Le convertisseur continu-continu (Hacheur) : Le hacheur est un convertisseur statique qui permet de transformer une tension continue fixe en une autre tension continue variable. Le principe du hacheur consiste à établir puis interrompre périodiquement la liaison source- charge à l’aide d’un interrupteur électronique. Celui-ci doit pouvoir être fermé ou ouvert à volonté, ce sera un thyristor avec circuit d’extinction de courant, ou un transistor de puissance fonctionnant en régime de commutation. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 10 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE On distingue deux types de hacheurs couramment utilisés : • les hacheurs dévolteurs ou série : ceux-ci fournissent, avec un excellent rendement, une tension continue de sortie dont la valeur est inférieure à celle de la tension continued’entrée. • les hacheurs survolteurs ou paralléle : ceux-ci permettent d’obtenir une tension de sortie supérieure à la tension d’entrée. Hacheur série à transistor Remarque : La diode de roue libre DRL assure la continuité du courant dans la charge si celle-ci est inductive (bobine ou moteur à courant continu) quand le transistor est bloqué. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 11 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 12 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 13 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Débit sur une charge R,L,E (moteur à courant continu) Le hacheur série est souvent employé pour commander un moteur à courant continu. On rappelle que la vitesse d’un tel moteur est proportionnelle à la tension d’alimentation. Pour un bon fonctionnement du moteur, il est préférable que le courant soit le plus régulier possible, d’où la présence d’une bobine de lissage. Si son inductance L est suffisamment grande, on pourra considérer le courant comme constant (∆i≈0). ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 14 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Hacheur réversible Ce fonctionnement n’est possible que si la charge est un moteur à courant continu qui est une machine réversible. Si la machine est un moteur de traction fonctionnant normalement dans le quadrant 1, on doit pouvoir freiner celui-ci : au lieu d'utiliser pour cela des moyens mécaniques, on peut utiliser des moyens électriques qui économisent de l'énergie. Il suffit en effet de faire fonctionner la machine en génératrice, et, tant qu'elle tourne (E>0), de lui faire renvoyer de l'énergie dans sa source d'alimentation. La figure ci-dessous montre alors que le courant change de signe et on passe dans le quadrant 2. Après la phase de freinage, on peut être conduit à demander à la machine de reprendre son fonctionnement en moteur, mais avec un sens de rotation différent du premier (Ω<0). L'explication des deux autres quadrants se fait de manière identique à la précédente. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 15 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Variateurs de vitesse pour moteur à courant continu D’après les principes des moteurs à courant continu, on fait varier sa vitesse : • Par variation de la tension moyenne aux bornes de l’induit. • Par variation du flux inducteur (variation de la tension d’inducteur). Pour faire varier les tensions d’induit ou d’inducteur, le variateur utilise des convertisseurs statiques constitués de composants électroniques. En fonction de la nature de la source électrique, il existe deux types de convertisseur : Les convertisseurs alternatif- continu sont les variateurs de vitesse les plus répandus pour les moteurs à courant continu, puisqu’ils utilisent directement la tension du réseau. Ils sont monophasés ou triphasés. Les ponts monophasés sont utilisés dans les variateurs de faible puissance (jusqu’à 10kw environ). Ils comprennent soit un pont complet de quatre thyristors ou un pont mixte à deux thyristors et deux diodes. Les ponts triphasés sont employés pour les puissances supérieures à 10kw. On peut choisir un pont complet à six thyristors ou mixte à trois thyristors et trois diodes. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 16 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Régulation de vitesse ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 17 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE IV. Le convertisseur alternatif-alternatif (Gradateur) : Le gradateur est un convertisseur alternatif-alternatif, capable de faire varier la tension efficace aux bornes d'une charge sans modifier la fréquence. L’interrupteur utilisé ici est constitué par deux thyristors tête-bêche. Pour les faibles puissances, les deux thyristors sont remplacés par un triac. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 18 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 19 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE V. Le convertisseur continu-alternatif (Onduleur autonome) : Un onduleur est un convertisseur statique capable de transformer l’énergie d’une source de tension continue en une tension alternative. Il s’agit d’un dispositif électronique qui accomplit la fonction inverse du redresseur. Ils sont capables de générer leur propre fréquence et leur propre tension alternative, d’où le nom autonome. La commande dans un onduleur peut être : symétrique, décalé ou MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion). Commande symétrique ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 20 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE L’onde de sortie est formée de trains d’impulsions positifs et négatifs, de largeur et d’espacement variable. La résultante de la forme de sortie se rapproche d’une sinusoïde mieux que la commande décalée et symétrique. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 21 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Onduleur en demi-pont Onduleur en pont Remarques : • Pendant les intervalles de conduction des diodes, la puissance aux bornes de la charge est négative, cela signifie que c’est une phase de récupération de l’énergie. • La commande à MLI de basse puissance utilisent des transistors IGBT «Insulated Gate Bipolar Transistor». Leur circuit équivalent correspond à un transistor bipolaire combiné à un transistor MOS. Ce transistor permet une réponse en fréquence jusqu’à 20KHz, et peut supporter des courants pouvant atteindre 600A. Il existe des ponts onduleurs à six transistors de puissance IGBT. Ces ponts sont appelés IPM « Intelligent Power Module » ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 22 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Onduleurs triphasés autonomes Le montage de principe d’un onduleur triphasé autonome est représenté sur le schéma ci-dessous, il peut alimenter des charges triphasées équilibrées qui sont groupées en étoile ou en triangle. Pour des puissances plus petites, on peut remplacer les six thyristors par des transistors qui ne nécessitent pas de circuits d’extinction utilisés avec les thyristors. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 23 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Variateurs de vitesse pour moteur à courant alternatif La méthode la plus utilisée pour varier la vitesse d’un moteur triphase est sans aucun doute celle utilisée par l’onduleur autonome à fréquence variable. Dans ce type de variateurs, différents montages sont utilisés, et chacun d’eux présente des avantages et des inconvénients selon le domaine d’application. On retrouve : • L’onduleur à source de tension. • L’onduleur à source de courant ou à modulation de largeur d’impulsion (M LI). 1. L’onduleur à source de tension : Ce variateur de vitesse est constitué d’un redresseur triphasé à thyristors complétement commandés, suivi d’un filtre de tension (inductance et condensateur) et d’un onduleur autonome à thyristors ou à transistors. Onduleur à source de tension 2. L’onduleur à source de courant (MLI) : Les onduleurs à source de tension génèrent des tensions et des courants dont la composante harmonique est relativement élevée. Ces harmoniques produisent des couples pulsatifs. Quand le moteur tourne à une vitesse relativement élevée, ces pulsations sont amorties par l’inertie mécanique. Cependant, à basse vitesse, elles peuvent produire une vibration considérable. Dans certaines applications, comme les machines outils, ces vibrations sont inacceptables si la haute précision est recommandée. Dans ce cas, un système d’entraînement utilisant un onduleur à modulation de largeur d’impulsion (MLI) est la solution. Ce type de variateur est composé d’un pont redresseur non commandé qui produit une tension continue constante, d’un filtre (L-C), et d‘un onduleur à commande MLI. Remarque : L’élément (Th-Rf) est le hacheur de freinage. Pendant la phase de freinage, la machine fonctionne en génératrice, et Th sera amorçé pour permettre à la résistance de freinage Rf d’absorber l’énergie cinitique emmagasinée. ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 24 Cours – Commande électronique des moteurs -- ISTA BERKANE Onduleur à source de courant 3. L’évolution de la caractéristique mécanique du moteur en fonction de la tension et la fréquence délivré par le variateur V et f : La caractéristique mécanique du moteur dépend de la tension et la fréquence délivrées par le variateur. Si l'on souhaite garder un couple maximum constant, tout en faisant varier la fréquence, on doit faire varier U pour maintenir constant le rapport U/f. On parle d’un fonctionnement à flux constant. Dans ces conditions, les caractéristiques du couple moteur pour différentes fréquences d'alimentation opèrent une translation sur la gauche. Le variateur délivre au moteur une tension et une fréquence proportionnelles jusqu'à la valeur de 50 Hz. Pour des fréquences supérieures à 50 Hertz, la tension du moteur ne pouvant plus augmenter, (tension nominale) le rapport U/f diminue, le flux décroît, entraînant une diminution du couple maximum. 𝑈1 𝑓1 = 𝑈2 𝑓2 = 𝑈3 𝑓3 = 𝐶𝑡𝑒 𝑁𝑠𝑖 = 60𝑓𝑖 𝑃 Remarques : • La vitesse de synchronisme Nsmin correspond à la fréquence minimale que doit délivré le variateur pour que le moteur puisse démarrer. 𝑁𝑠𝑚𝑖𝑛 = 60𝑓𝑚𝑖𝑛 𝑃 • Si Tr = Cte on aura : Ns1 – N1 = Ns2 – N2 = Ns3 – N3 = Nsmin ISTA BERKANE – Electromécanique des systèmes automatisés -- Mr ABDALLAH Issam 25
