COURS N° 8 : Variation de vitesse MAS DÉROULEMENT DE LA SÉANCE TITRE ACTIVITÉS PROF ACTIVITÉS ÉLÈVES DURÉE FIN DU COURS {? heures} Page 1 sur 15 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) Page 2 sur 15 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 Page 3 sur 15 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 Page 4 sur 15 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~ Page 5 sur 15 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. Page 6 sur 15 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. Page 7 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 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). Page 8 sur 15 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. Page 9 sur 15 B 2 – ÉLECTROTECHNIQUE 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 Page 10 sur 15 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~ Page 11 sur 15 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. Page 12 sur 15 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 Page 14 sur 15 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. Page 15 sur 15