amplificateurs mli

AMPLIFICATEURS MLI
(MLI : modulation de largeur d'impulsions)
Par Bill Colton
R. S. Boreham Co. Commerce, CA
Une vaste gamme d’appareils à vitesse variable sont
utilisés dans l’industrie afin d’assurer un meilleur contrôle
des procédés, une productivité améliorée et des frais
d’entretien moindres. Parmi ceux-ci, on retrouve les
amplificateurs à modulation de largeur d’impulsions (MLI) qui
comptent aujourd’hui parmi les plus populaires pour leur bas
prix, l’abondance des pièces de rechange et la faible
puissance nécessaire à leur fonctionnement. Ils sont
également très polyvalents. Par la conversion des
fréquences et tensions fixes AC (simples ou triphasées), en
sortie variable CC pour les moteurs à courant continu
(typiquement les servomoteurs) et CA pour les moteurs à
courant alternatif (induction et sans balais), les MLI
permettent de régler le couple et la vitesse du moteur.
Cet article propose de décrire les principaux composants
des MLI ainsi que les différences entre les divers types de
commandes qui utilisent cette technologie. Nous traiterons
également des ajustements que l’on retrouve sur les
contrôles actuels, en plus des avantages propres aux
onduleurs, aux contrôles vectoriels et aux contrôles sans
encodeur. Les amplificateurs MLI sont aussi connus sous
les appellations suivantes:
•
•
•
•
•
•
•
•
Servo-amplificateur
Onduleur
VFD (variable-frequency drive) : contrôleur à
fréquence variable
Contrôle sans encodeur
Contrôle vectoriel
ASD (adjustable-speed drive) : contrôleur à vitesse
réglable
VSD (variable-speed drive) : contrôleur à vitesse
variable
Contrôle
Toutefois, même si tous ces appareils sont considérés
comme des amplificateurs MLI, plusieurs peuvent aussi être
associés à d’autres technologies telles que les contrôles SCR
ou les systèmes de poulies à inclinaison variable.
COMPOSANTS
Les amplificateurs MLI comprennent généralement trois
composants, soit la section du convertisseur, la section de
commande ou logique et la section de sortie.
SECTION DU CONVERTISSEUR
La section du convertisseur est la partie du contrôle où
l’alimentation CA est convertie en CC. Il existe quatre
méthodes utilisées pour y parvenir et chacune d’elles
présente des caractéristiques particulières.
Pont de diodes. L’approche la plus répandue consiste à
utiliser un pont de diodes. Il s’agit d’une série de 4 ou de 6
diodes, soit 4 pour une entrée monophasée ou 6 dans le cas
d’une entrée triphasée. Les diodes permettent le passage
de la moitié du bas de l’onde sinusoïdale ou de celle du
haut, selon le mode d’alimentation. De cette façon, on
sépare l’alimentation en « moitié du haut » et en « moitié du
bas », ce qui donne effectivement du courant CC.
Le niveau de courant CC est égal à la racine carrée de 2
(1,414) multipliée par la tension à l’entrée. Le bus pour une
entrée de 460V CA d’un pont de diodes est donc de :
1,414 x 460 = 650V CC
Cette tension comporte des fluctuations (harmoniques). Il
y a donc habituellement une batterie de condensateurs qui
atténue ces fluctuations. Lorsqu’on ouvre le disjoncteur,
l’énergie emmagasinée dans le bus peut s’avérer fatale.
Il faut donc faire preuve d’une grande prudence au
moment de travailler sur ces contrôles. Le bus d’un
contrôle certifié UL descendra à (ou en dessous de) 50V CC
en moins d’une minute si on coupe l’alimentation. Toujours
mesurer le bus lorsqu’on travaille à l’intérieur du contrôle.
Un pont de diodes modifié. Une méthode pour aider à
minimiser les harmoniques consiste à ajouter un
transformateur isolant avec un primaire delta et un
secondaire delta et Wye. La sortie du secondaire delta est
dirigée vers l’un des ponts de diodes, et celle du secondaire
Wye vers un autre pont de diodes alimentant le même bus. Ceci
crée un déphasage de la tension, de sorte que les courants
harmoniques sont reproduits dans le primaire à différents
points dans le temps. Les harmoniques sont adoucies dans
le système de distribution de puissance tout autant que dans
le bus de l’amplificateur. Il y a cependant des frais
supplémentaires associés à cette technique.
Système de contrôle de vitesse sur les moteurs CC.
Une autre technique efficace pour la conversion de la
puissance CA en CC utilise un contrôle CC à 4 quadrants.
Deux redresseurs commandés au silicium (SCR en anglais :
silicon-controlled rectifier) par phase à l’entrée et deux autres
par phase à la sortie (12 SCR pour un système triphasé)
peuvent accomplir la tâche. Un SCR peut convertir le courant
alternatif en continu au taux de 1,08 fois la tension RMS
d’entrée. Toutefois, sur un système de distribution de
puissance de 460V, le bus sera 460V CA x 1,08 = 500V CC.
La tension résultante n’est pas aussi élevée que celle du
pont de diodes pour la même puissance de sortie (volts x
ampères). Le moteur drainera alors plus de courant pour
TN34-1
Amplificateurs MLI
produire ainsi une plus grande quantité de chaleur et
nécessiter des transistors plus volumineux dans le
contrôle. L’un des avantages de cette méthode réside dans le
fait que les SCR supplémentaires dans le contrôle peuvent
retourner une partie de l’énergie (régénération) dans le circuit
afin d’alimenter d’autres composants tels que des palans, des
ascenseurs, des dynamomètres et des supports à détendeurs.
Transistors en amont. Une autre méthode consiste à
utiliser 6 transistors qui s’allument et s’éteignent au moment
où la puissance CA arrive dans le contrôle. Une détection
des phases est nécessaire afin de s’assurer que les
transistors soient en service au bon moment, mais avec
l’utilisation d’un réacteur suralimenté approprié, un bus
constant à 750V CC se révèle possible.
La logique qui permet de retourner cette énergie vers le
circuit réside dans un algorithme vectoriel. Ce qui signifie que
la partie en amont (section du convertisseur) de
l’amplificateur se compose effectivement d’un contrôle
vectoriel. Quoique cette approche puisse être coûteuse, elle
présente plusieurs avantages : facteur de puissance (1,0), très
faibles harmoniques en circuit et contrôle régénératif. Il s’agit
d’une excellente méthode pour des palans, des ascenseurs,
des dynamomètres et des supports à détendeurs.
Informations supplémentaires sur la section du
convertisseur
Puissance simple phase. Il est souvent possible de
faire fonctionner un contrôle triphasé sur une puissance
à simple phase. La plupart des fabricants vont
recommander que la tension continue de sortie soit
ramenée entre 20 et 50 % de celle qui figure aux
spécifications du contrôle (particulièrement dans le cas où les
puissances motrices sont élevées). La théorie se divise en
trois volets :
1.
2.
3.
Le pont de diodes, la batterie de condensateurs et la
puissance d’alimentation ne sont pas capables de fournir
au bus suffisamment de tension électrique continue pour
obtenir un courant de sortie triphasé pour le moteur.
Puisque le courant CA voyage à seulement
120 cycles/seconde (60 Hz x 2 x 1 ph) au lieu de
360 cycles/seconde (60 Hz x 2 x 3 ph), il y a beaucoup
plus de fluctuations de courant dans le bus. Tirer le
maximum de courant de sortie va probablement affaiblir la
batterie de condensateurs au point de la faire exploser.
Avec des fluctuations plus grandes sur la batterie de
condensateurs, il devient plus difficile de contrôler le
courant dans le moteur et à l’intérieur de l’amplificateur.
La majorité des fabricants classent leurs contrôles selon une
large gamme de voltages. Soyez prudents lors de l’application
de ces tensions au-delà de ces limites. Si le voltage actuel est
plus bas que la valeur prescrite (par exemple, 208V CA au
lieu de 230V CA), le contrôle continuera de fonctionner mais
ne laissera plus passer aucun courant. Ce qui signifie
également qu’un contrôle plus gros sera nécessaire pour
obtenir la même puissance de sortie. Pourquoi? La
puissance est égale à la tension en volts multipliée par
l’ampérage. Si le voltage descend et que l’ampérage ne
peut pas être augmenté, le contrôle est donc sous
dimensionné.
Ratées des SCR. Lors de l’utilisation de SCR en amont,
faites attention si certaines harmoniques sont présentes.
Les harmoniques peuvent causer des ratées dans les SCR à
TN34-2
o
Fiche technique n 34
cause de multiples retours à zéro. Même si un réacteur peut
aider à « nettoyer » l’énergie, ce n’est pas toujours la bonne
solution. Un réacteur ajoute de l’impédance au système.
Dès qu’un SCR subit une impédance d’environ 8 % ou plus,
le courant se sépare suffisamment de la tension pour causer
des ratées dans le SCR.
Sauts de tension. Les contrôles en amont des SCR et des
MLI peuvent modifier leur influence lorsque des voltages
élevés ou faibles sont présents (peuvent être arrêtés). Un
pont de diodes ne fait que convertir. Avec une très faible
puissance, des dommages peuvent affecter une résistance à
démarrage doux. À haute puissance, un transistor ou une
résistance régénérative peuvent être endommagés, de
même que le pont ou la batterie de condensateurs. Afin
d’assurer une meilleure protection, installez un appareil de
surveillance de tension à même le contacteur qui alimente
l’amplificateur.
Section du convertisseur – Conclusion
La partie en amont du contrôle convertit une
puissance CA simple ou triphasée en puissance CC par
l’utilisation de SCR, de transistors ou de diodes, qui sont
des composantes susceptibles d’encourir des dommages à
la suite des interruptions de tension. Pour cette raison, il est
généralement conseillé d’ajouter un réacteur (appelé aussi
bobine d’arrêt ou solénoïde) devant le contrôle,
particulièrement lorsque la puissance n’est pas « propre »
et que l’application est critique. Selon l’expérience acquise,
la plupart des fabricants incluent d’emblée un réacteur
d’entrée pour tous leurs panneaux qui comprennent des
contrôles.
Les quatre techniques de conversion décrites plus haut
sont toujours utilisées aujourd’hui. Chacune comporte ses
propres avantages. Les décideurs doivent donc savoir que
différentes techniques peuvent être utilisées pour accomplir
une même tâche et que des résultats, une fiabilité et des
performances légèrement différents sont à prévoir.
SECTION DU BUS DC
Le bus DC transporte l’énergie. Sur les MLI actuellement
disponibles sur le marché, les valeurs des bus sont
constamment réévaluées et des décisions sont prises pour
les bus dont la valeur se situe à l’extérieur des limites
prescrites. La majorité des contrôles procurent un lissage des
fluctuations qui va de modéré à important, de façon à
conserver l’intégrité des composantes.
La plupart de ces amplificateurs utilisent une batterie de
condensateurs qui aide à adoucir les fluctuations de courant
dans le bus. Il s’agit d’une technique fiable et à faible coût.
Cependant, les condensateurs sont sujets à un
« désassemblage » rapide lorsque soumis à des tensions ou
des courants élevés, ou à de la surchauffe. Il existe plusieurs
méthodes pour maintenir ces contraintes à l’intérieur des
limites acceptables.
Recharge en démarrage doux (soft-start). La plupart
des plus petits contrôleurs utilisent une résistance pour
démarrage doux. Ce circuit passe par une résistance située
en amont de la batterie de condensateurs, pour ensuite
atteindre le bus. Ceci minimise les pointes de courant dans
les condensateurs. Dès que la tension dans le bus dépasse
les limites minimales, un contacteur se ferme, contournant la
résistance et empêchant ainsi qu’elle surchauffe.
o
Fiche technique n 34
Une autre méthode consiste à utiliser un SCR afin
d’augmenter la tension dans le bus. Une fois que la tension
dans le bus grimpe au-dessus des limites minimales, le SCR
s’éteint et la puissance est dirigée vers un pont de diodes.
Bobine d’arrêt du bus CC. Par cette méthode, une bobine
dans le bus réduit les fluctuations et les pointes de courant. On
aide également l’amplificateur à surmonter les pointes de
tension lorsqu’il est alimenté par une source à faible
impédance. Cette bobine augmente toutefois les coûts, le
poids et l’espace occupé.
Certains contrôles proposent une bobine d’arrêt en option
pouvant être ajoutée au besoin. Utilisez les bobines avec
précaution puisque qu’elles diminuent la tension avec le
courant et réduisent ainsi la puissance de sortie.
Amplificateurs MLI
possible de contrôler le sens de rotation du moteur.
Si l’inductance du moteur est trop faible, le courant qui
circule dans le transistor sera trop élevé. Dans un cas
semblable, utilisez une bobine de sortie ou augmentez le
courant prescrit de l’amplificateur. Aussi, assurez-vous que
le taux d’augmentation du voltage ne soit pas tel qu’il fasse
griller le commutateur.
MLI CA. La figure 4 illustre un MLI CA, utilisé dans bon
nombre de technologies :
•
•
•
•
Onduleur
Contrôleur
Contrôleur sans encodage
Contrôleur sans balais
Le bus commence à la sortie de la section convertisseur,
conduit la puissance vers la batterie de condensateurs et la
bobine d’arrêt (si applicable) et se termine à la section de
sortie.
SECTION DE SORTIE
La section de sortie comporte des transistors qui
s’allument et s’éteignent de façon intermittente, générant
ainsi des impulsions DC vers l’enroulement.
MLI DC. La plupart des servocommandes d’aujourd’hui
comportent des sorties en MLI. Pour les moteurs à aimant
permanent, la sortie consiste en 4 transistors agencés comme
le montre la figure 2.
Les transistors positifs et négatifs de chaque branche du
circuit peuvent être mis en marche afin que la fréquence
puisse être modifiée. Puisque la fréquence peut être
changée, la vitesse peut être ajustée. La figure 5 montre le
signal qui en résulte. Tel qu’illustré, la fréquence est
contrôlée en modifiant l’instant « en marche » des transistors
de haut en bas sur chaque branche. Évidemment, les
phases doivent conserver un déphasage de 120 degrés
entre elles. Modifier l’instant « en marche » versus l’instant
« arrêt » modifie également la tension à cette fréquence,
rendant possible la maximisation du rapport courant/charge.
En plaçant le transistor du haut en position A1 et celui
du bas en position A2, on permet au moteur de tourner
dans une direction. Si on inverse les positions des
transistors, le moteur tournera dans l’autre direction.
La vitesse d’un moteur DC MLI est directement
proportionnelle à la tension. Plus longues et denses seront les
impulsions, plus élevée sera la tension moyenne dans le
moteur. Si on peut contrôler les phases « marche » et
« arrêt », on peut contrôler la tension. Si on peut contrôler
la tension, on peut contrôler la vitesse. Les polarités de
positions A1 et A2 peuvent aussi être modifiées. Il est donc
Une augmentation de la tension électrique en fréquence
augmente le couple du moteur, le courant et la chaleur
jusqu’à atteindre une saturation électrique. Une diminution
de la tension électrique en fréquence diminue le couple du
TN34-3
o
Amplificateurs MLI
Fiche technique n 34
moteur, le courant et la chaleur (utile pour des charges à
couple variable). La tension et les niveaux de fréquence sont
parfois contrôlés par des logiciels ou encore par micro logiciel
(firmware).
Le courant peut circuler à travers un transistor dans les deux
directions. Au fur et à mesure que le moteur se « régénère »,
l’énergie retourne de la sortie vers le bus.
La plupart des transistors utilisés aujourd’hui possèdent
des mécanismes d’autoprotection contre la surchauffe et
le courant excessif. Si la chaleur ou le courant dépasse la
limite prescrite, un module « intelligent » (IPM ou Intelligent
Power Module) bloque le transistor et signale au contrôleur
du microprocesseur que les composantes de sortie se
sont arrêtées d’elles-mêmes par mesure de protection.
Les IPM sont plus répandus dans les plus gros (et plus
dispendieux) modules.
Une section de sortie triphasée (six transistors) se retrouve
sous la forme d’un seul module intégré (généralement appelé
« six pack »).
La plupart des plus gros transistors fonctionnent près des
puissances d’entrée et de sortie à haute tension, ce qui
présente le danger que du bruit s’infiltre dans leurs circuits
d’allumage.
Mettre en marche les transistors du haut et du bas en
même temps sur le même embranchement pourrait
provoquer un court-circuit dans le bus, ce qui détruirait la
batterie de condensateurs et également plusieurs autres
composantes en plus de présenter des dangers d’explosion.
À cause de ce potentiel de danger, de nombreuses
composantes sont dotées de fibres optiques plutôt que de
câbles.
Circuit régénératif. Il existe plusieurs façons de traiter
l’énergie régénérative.
CC élevé. Lorsque le moteur se régénère, la tension
dans le bus augmente. Puisque ce niveau est surveillé,
lorsqu’il excède la limite de contrôle, le transistor est bloqué et
le contrôle signale un faute telle que la surtension, un CC
élevé, un bus élevé, une surtension dans le bus ou une alerte
semblable. La terminologie demeure le choix du fabricant.
Modification du niveau de fréquence du bus. Lorsque le
moteur se régénère et que le bus atteint un seuil limite, le
contrôle augmente la fréquence libre du moteur, ce qui
diminue celle du bus. Dans le cas où le bus atteint la limite
absolue, le contrôle signalera une erreur de CC élevé. Si un
contrôle serré de la vitesse est requis, cette option peut ne
pas être envisageable.
Système de freinage régénératif. Il est installé
habituellement sur les contrôles plus petits et proposé en
option sur les plus gros contrôles ainsi que sur plusieurs
minis contrôles. Comme le montre la figure 6, le circuit
comporte deux composantes.
Lorsque le bus atteint sa limite interne, le transistor
régénératif provoque des impulsions sur le bus CC vers la
résistance, transformant l’excès d’énergie en chaleur. Il s’agit
d’une méthode très efficace pour contrôler l’excès d’énergie et
la vitesse du moteur
Informations supplémentaires sur les circuits
régénératifs. Plusieurs assemblages régénératifs se
retrouvent sous la forme de kits complets (un transistor et
une résistance). Typiquement, une paire de fils torsadés
blindés est utilisée pour le transistor et le câblage de
puissance du bus.
Certains kits possèdent des assemblages transistorrésistance indépendants. Si la valeur en ohm du kit est trop
faible, le courant qui passe à travers le transistor sera trop
élevé et pourra détruire le transistor. Si un court-circuit
survient, il affectera le bus et détruira possiblement la batterie
de condensateurs et la section du convertisseur. Plus la
valeur en ohm du kit est faible, plus le couple de freinage sera
élevé. Le courant de freinage peut être calculé en divisant la
tension dans le bus au moment de la phase de régénération
par la valeur en ohm.
Exemple : Soit un contrôle d’entrée de 200 hp 460V CA qui
régénère de 780V CC à 800V CC avec une résistance de
7,9 ohms.
Tension moyenne dans le bus durant la décélération =
(780 + 800)/ 2 = 790V CC
Courant de freinage moyen = (790V DC) / 7.9 ohms = un
courant CC régénératif de 100 ampères.
Calcul de la charge d’un palan
La valeur en watts est reliée au freinage total sur la période
de temps requise. Calculez la valeur en watts de la façon
suivante :
1.
Calcul du cycle de freinage :
Cycle = Temps de descente / Temps total du cycle
2.
Calcul de l’énergie de freinage devant se dissiper dans
les résistances dynamiques de freinage :
Watts = (cycle x lb x FPM x efficacité) /44
Ib = poids de la charge
FPM = pieds par minute
Efficacité = efficacité mécanique (95
% = 0,95)
Temps = secondes
Calculs généraux des charges
1. Calcul du cycle de freinage :
Cycle = Temps de freinage / Temps total du cycle
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o
Fiche technique n 34
2.
Calcul du couple de décélération :
2
TDécél = {(changement de tr/min x Wk ) / (308 x
temps)} - Frottement (lb pi)
Amplificateurs MLI
des accélérations en douceur.
•
Somme des courants d’entrée. Il arrive souvent
qu’un transducteur de courant soit enroulé autour des
lignes de puissance (triphasées). Si le courant est
correctement équilibré dans les trois branches du
circuit, la sortie sera de valeur nulle (0). Si une branche
est mise à la terre, la sortie sera élevée et le contrôle
signalera une erreur de mise à la masse.
•
Interrupteur de température ou thermistor. Un
interrupteur de température ou un thermistor installé au dos
du dissipateur thermique du contrôle est jumelé à la carte
de contrôle afin de fermer le contrôle dans le cas d’une
surchauffe interne.
TDécél = couple de décélération (Ib2
2
pi) Wk = Inertie (lb pi )
Temps = secondes
3.
Calcul de l’énergie devant se dissiper dans les
résistances dynamiques de freinage :
Watts = TDécél x (Smax - Smin) x cycle x (0,0712)
Smax = Vitesse pour enclencher le
freinage
Smin = Vitesse après freinage
Multiplication des watts calculés à l’étape 3 par 1,25 pour
compenser les charges imprévues (facteur de sécurité).
Si la valeur en ohm du kit est trop élevée (pas suffisamment
de couple de freinage), l’amplificateur signalera des erreurs de
bus. Si la valeur en watts est trop faible, le contrôle pourra
calculer qu’une trop grande quantité d’énergie régénératrice
circule dans la résistance et fermera le circuit. Si le contrôle
n’effectue pas ce calcul, le kit aura un thermostat bipolaire
fermant normalement et pouvant être câblé avec le circuit de
contrôle afin de s’arrêter si une surchauffe est enregistrée.
Sauf si ces deux options sont appliquées, un surplus
d’énergie pourra déclencher un incendie.
Régénération de la ligne. Le SCR et le contrôle transistorisé
en amont permettent à l’énergie régénérée de retourner dans le
système de distribution de puissance. Il s’agit d’une solution très
efficace aussi bien que peu coûteuse pour des applications
utilisant la régénération telles que :
•
•
•
•
•
•
Dynamomètres
Ascenseurs
Palans
Supports de dérouleuse
Véhicules électriques
Descentes de convoyeurs
LA SECTION DE CONTRÔLE
La section de contrôle est celle où toutes les parties se
rejoignent. Elle peut fonctionner à faible tension CA ou CC,
chacune possédant ses propres avantages. La logique CA,
par exemple, n‘est pas aussi vulnérable que la logique CC aux
fluctuations de courant sur le bus ou aux bruits et aux
harmoniques qui atteignent l’alimentation. Par contre, la
logique CC peut rester en fonction plus longtemps qu’une
logique CA lors d’une chute de puissance.
Les circuits suivants sont typiquement intégrés dans la
carte logique (section de contrôle).
•
Niveaux bus CC. Détermine quand couper le contact
autour des résistances à démarrage doux (soft-start) ou de
fermer le SCR.
•
Courant de bus CC. Procède à un échantillonnage du
courant du bus CC et le compare à l’entrée et à la sortie afin de
déterminer si ce courant se rapproche des limites prescrites
pour le condensateur et le convertisseur.
•
Courant de sortie. Procède à un échantillonnage du
courant de sortie afin de déterminer si une ou des branches du
circuit sont ouvertes et si le courant est équilibré. Il détermine
également la fréquence de glissage et modifie le MLI pour
De plus, la section de contrôle permet à l’utilisateur de le
configurer pour un type particulier d’application. Ce peut être
aussi simple que de tourner quelques potentiomètres ou
encore plus complexe comme de devoir connecter le
contrôle à un réseau afin qu’il puisse être surveillé par
l’intermédiaire de lignes téléphoniques ou par un système
multi chutes.
La section de contrôle est aussi l’endroit où l’on indique à
l’appareil de quelle façon il doit opérer (démarrage, arrêt,
accélération à une vitesse donnée, recul, etc.). Les méthodes
les plus populaires sont:
•
Clavier de contrôle
•
Boutons-poussoirs marche/arrêt et potentiomètre de
vitesse
•
Commutateur de sélection de vitesse (potentiomètre
numérique)
•
Potentiomètre électronique motorisé
•
PLC interfacé à l’amplificateur
•
Système de gestion de construction interfacé avec
l’amplificateur
•
Contrôleur de point de réglage interfacé avec
l’amplificateur
•
Communication informatique avec le contrôle
•
Contrôle en réseau
•
Contrôleur de position effectuant des mouvements
coordonnés
Les éléments qui fournissent des éléments de
rétroaction (« feedback ») aux amplificateurs MLI sont :
MLI PMDC (Permanent Magnet Direct Current)
– Tachymètres pour les contrôles de vitesse des
amplificateurs
– Encodeurs pour le contrôleur de position
– Courant du moteur
Onduleurs
– Courant du moteur
Contrôle sans encodeur
– Courant du moteur
Contrôle vectoriel
– Encodeur
– Résolveur
– Courant du moteur
Contrôles sans balais
– Résolveur
– Effet Hall
– Courant du moteur
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o
Amplificateurs MLI
Pour résumer, les éléments
amplificateurs MLI procurent :
•
•
•
•
Fiche technique n 34
de
rétroaction
des
des informations sur l’intérieur du contrôle;
des instructions programmées fournissant au contrôle
son mode d’opération;
des entrées et des sorties analogiques, des entrées et
des sorties numériques, des entrées et des sorties en
série (I/O);
une ré t roac t ion de la vi tess e.
Statut du contrôle. Les informations concernant
l’intérieur du contrôle proviennent des circuits de protection
qui surveillent les températures, les voltages et les courants
qui passent dans le contrôle. Ces circuits ne font connaître
leur présence que lorsque les limites sont dépassées et que
le contrôle est arrêté. Lorsque cette situation se produit, on
a souvent l’impression que le contrôle est défectueux. Au
contraire, ils permettent d’identifier un problème et
d’empêcher le contrôle de s’autodétruire.
Ajustements usuels. Les instructions programmées,
qu’elles soient analogiques ou numériques, fournissent au
contrôle sont mode d’opération. Elles contrôlent plusieurs
ajustements (analogiques) ou paramètres (numériques), qui
incluent :
•
•
•
•
•
•
•
•
Vitesse prédéterminée. Permet au responsable du
réglage de présélectionner une vitesse (une fréquence pour
les onduleurs et un nombre de tr/min pour les contrôles
sans balais et vectoriels).
Accélération. Permet à l’opérateur de réglage de
sélectionner un taux d’augmentation allant de 0 à la vitesse
maximum. Il s’agit du temps pour passer de 0 à la
vitesse maximum.
Vitesse rapide. Permet à l’opérateur de réglage de
sélectionner une vitesse pour la mise en place d’un
équipement supplémentaire (par exemple un palan).
Type de freinage. Permet la configuration du ralentiarrêt, de la régénération-arrêt, du freinage-arrêt ou une
combinaison de ces paramètres. Le ralenti-arrêt peut
être utile pour déterminer si les vibrations d’une
machine
sont
induites
électriquement
ou
mécaniquement.
Configuration du clavier. Permet d’assigner des
commandes spécifiques aux touches du clavier. Ce
paramètre est utile sur les applications telles que les
pompes ou les ventilateurs.
Mode d’opération. Ce paramètre configure les entrées
numériques. Plusieurs contrôles offrent la possibilité
d’assigner plusieurs entrées à un certain nombre de
modes opératoires; d’autres possèdent plusieurs modes
opératoires prédéfinis. Les contrôles analogiques les plus
simples vont permettre de configurer ces paramètres par le
biais de cartes ou de cavaliers (jumpers).
Commande analogique. Permet de définir les plages de
valeurs des entrées. Les plus fréquentes sont :
• Potentiomètre
• +/- 0 - 5V CC
• 0 - 5V DC
• +/- 0 - 10V CC
• 0 - 10V DC
• +/- 4 - 20mA
• 4 - 20mA
Sorties numériques. Les sorties numériques
peuvent contrôler un photocoupleur ou un relais. Ces
sorties sont utilisées habituellement pour la signalisation
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•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
d’erreurs, le paramétrage du freinage, la sous tension, la
vitesse zéro, la vitesse exacte, etc.
Sorties analogiques. Les sorties analogiques relient la
vitesse ou le courant de deux contrôles joints
électriquement. Elles sont typiquement :
• 0 - 5V CC
• 4 - 20mA
• 0 - 10V CC
Vitesse minimale. Durant le fonctionnement, ce sera
la vitesse avec un apport analogique minimal.
Vitesse maximale. La vitesse sélectionnée lorsque
l’apport analogique est au maximum.
Courant de pointe (ou maximum). Limite la quantité de
courant, et conséquemment le couple du moteur.
Redémarrage. Il s’agit d’un paramètre important pour
la sécurité. Il permet au contrôle de démarrer
automatiquement après qu’une erreur ait été reconnue
(et parfois lorsque la puissance est appliquée) ou alors
requiert que l’opérateur appui sur un bouton de mise
en marche pour démarrer l’unité.
Contrôle de sécurité. Permet l’utilisation de mots de passe
afin d’empêcher les opérateurs de modifier les paramètres sans
autorisation.
Freinage régénératif. Peut être utilisé pour régler la sortie
du MLI sur une résistance. Fourni les paramètres pour le
réglage de la puissance de régénération en watts de façon
à prévenir les incendies.
Freinage à injection CC. Les paramètres nécessaires
au réglage de la tension de freinage (utilisés pour établir le
couple de freinage), la fréquence à laquelle débute le
freinage, que ce soit pour freiner durant la phase de
démarrage, freiner sur le recul ou à l’arrêt.
Contrôle du processus. Utilisé pour contrôler un
processus par le biais de rétroactions et de points de
réglage. Les nombreux paramètres ainsi que les
différentes façons de contrôler un processus varient d’un
fabricant à l’autre.
Ampérage du moteur. Utilisé pour configurer la partie
thermique électronique; aussi utilisé dans plusieurs
algorithmes du moteur.
Vitesse du moteur (ou pôles). Utilisé dans le calcul
de la vitesse et pour établir les rapports fréquence (ou
tension pour le CC) - rétroaction.
Tension du moteur. Utilisé pour établir la vitesse de
base sur CC et les volts/Hertz sur AC.
Fréquence du moteur. Utilisé seulement sur AC pour
fixer les volts/ Hertz et le comptage de pôle.
Courant magnétisant. Même chose que l’ampérage
sans charge. Utilisé pour configurer un modèle du moteur
et dans les calculs de compensation de glissage.
Comptage d’encodeur. Utilisé pour établir la plage
de vitesse du moteur. Habituellement programmé en
impulsions/tour.
Voltage du tachymètre. Utilisé pour déterminer la plage
de vitesse du moteur. Habituellement programmé en volts
par 1 000 tr/min (v/krpm).
Vitesses du résolveur. Utilisé pour déterminer la plage
de vitesse du moteur. Habituellement programmé en
vitesses. Certains contrôles sont programmés en pôles.
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Fiche technique n 34
Amplificateurs MLI
La conversion est :
Vitesses du résolveur = Nombre de pôles du
résolveur / 2
•
•
•
•
•
Fréquence de base (AC) ou vitesse de base (CA ou
CC). Programme la vitesse à laquelle on arrive à court de voltage
dans le stator (ou l’armature).
Survoltage (ou couple). Augmente la tension électrique
des niveaux plus bas afin d’augmenter le couple dans ces
niveaux.
Poussée dynamique. Une augmentation temporaire de
la tension lorsque le courant fait un bond vers le haut.
Compensation de glissage. Augmente la fréquence à
mesure que le courant augmente d’un courant
magnétisant jusqu’à la pleine charge pour tenter de
maintenir la vitesse du moteur.
Volts/Hertz. Utilisé pour établir un profil de couple
(niveaux de saturation) à des fréquences comprises
entre 0 et la fréquence à pleine tension. Une poussée
trop forte du couple ou un profil volts/Hertz excessif
pourrait saturer le laminage et augmenter ainsi le courant
et la chaleur au-dessus des limites acceptables. Elle
pourrait aussi augmenter le courant jusqu’aux niveaux de
déclenchement des erreurs (voir la figure 7). Si la
poussée de couple ou le profil volts/Hertz est trop bas,
le moteur sera trop faible (voir la figure 8).
•
•
•
•
•
•
de « réglage automatique », qui fixe les gains en
courant, en vitesse et en position.
Gain proportionnel de courant. Permet à la résistance et
à l’inductance du moteur de déterminer avec quelle
intensité le courant doit être forcé dans le moteur en
réaction aux erreurs de vitesse ou de couple.
Gain intégral de courant. Permet une accélération du
courant pour des erreurs sur le long terme; quelque peu
limitée par la vitesse du microprocesseur. Les valeurs
typiques se situent entre 50 et 150 Hz.
Gain de vitesse proportionnel. Permet une accélération
de la vitesse en réaction à des erreurs provenant du point
de réglage de la vitesse; ajustable pour l’inertie et la
conformité des machines mécaniques.
Gain intégral proportionnel. Permet une accélération de
la vitesse en réaction à des erreurs d’état stationnaire de la
part du point de réglage de la vitesse; ajustable pour
l’inertie et la conformité des machines mécaniques.
Gain différentiel proportionnel. Permet une accélération
de la vitesse à cause de la pente de l’erreur provenant du
point de réglage de la vitesse; ajustable pour l’inertie et la
conformité des machines mécaniques.
Fréquence de glissage. Aide à contrôler l’angle de
glissage afin de procéder aux réglages appropriés (pôle
du rotor au pôle du « stator pole ») pour obtenir un
couple maximum.
Ces ajustements sont parmi les plus répandus pour les
amplificateurs MLI d’utilisation courante.
Entrées analogiques
Pour la majorité des onduleurs, si une entrée analogique
est utilisée pour la commande de la vitesse, elle sera du type
unipolaire. Les commandes de vitesse bipolaires sont surtout
utilisées pour les contrôles sans encodeur, les contrôles
vectoriels et les contrôles DC sans balais.
• Une entrée unipolaire compare la tension positive
au « commun ». La vitesse (ou le couple, si on est en mode
couple) est proportionnelle à la commande entrée.
L’orientation de la vitesse (ou du couple) est commandée à partir
d’un interrupteur.
• Une entrée bipolaire compare les tensions positive ou
négative entre elles (plutôt qu’avec le « commun »). La vitesse
de sortie (ou couple, si on est en mode couple) est
proportionnelle à la commande entrée. L’orientation de la
vitesse (ou du couple) est commandée par la polarité de
l’entrée analogique. Puisque la plupart des contrôles MLI
possèdent généralement des entrées et des sorties
analogiques et numériques, ils sont facilement intégrables à
un PLC, un système de gestion de la construction, une
station d’opération, etc. Les requis des contrôles en amont
doivent être révisés à chaque nouvelle intégration.
•
•
Départ synchronisé. Utilisé pour mesurer la vitesse
nécessaire pour démarrer la fréquence de rotation
électrique à celle de la rotation mécanique.
Réglage
automatique.
La
plupart
des
amplificateurs numériques possèdent une fonction
Informations supplémentaires sur les cartes de
contrôles
Le bruit, qui s’infiltre dans les signaux analogiques et
numériques, est un problème souvent rencontré avec les
cartes. Il se manifeste parfois sous la forme d’une lecture de
vitesse erronée ou encore comme un signal d’erreur
indiquant que du bruit est présent dans le circuit intégré.
Pour le bruit présent sur un signal analogique, utilisez un
filtre électronique (échantillonnage) à fréquence latérale
analogique et enroulez-le autour d’un guide ferrique. Séparez
TN34-7
Amplificateurs MLI
les fils logique et de puissance d’une distance d’au moins
6 po (plus si possible). Si ces fils se croisent, ils doivent le faire
à angle droit.
Pour le bruit numérique, vérifiez le cheminement des fils
comme pour le volet analogique décrit plus haut. Si des
relais ou des bobines sont présents dans le circuit,
supprimez la « poussée » d’induction en utilisant des diodes
« flyback » sur les bobines CC et des circuits RC sur les
bobines CA.
Contrôleurs multiaxiaux
Il est possible de faire correspondre des pièces de
contrôleurs si plus d’un axe est présent. Il suffit d’une
alimentation électrique (convertisseur et bus CC) capable de
fournir un courant de sortie continu sur tous les axes, aussi bien
que le courant de pointe nécessaire en tout temps (voir la
figure 9).
Les sections de sortie peuvent comprendre un onduleur,
un CC, un contrôle sans balais, un contrôle sans encodeur
ou un contrôle vectoriel. De plus, les sorties peuvent être
mélangées ou associées. Comme illustré à la figure 9, la
section de sortie 1 peut être un contrôle vectoriel et la sortie
2, un amplificateur sans balais. Cette configuration peut être
utilisée, par exemple, dans des applications de coupage à
des longueurs définies.
L’un des grands avantages d’une configuration semblable est
que si un moteur est en régénération tandis que l’autre est en
fonctionnement, l’énergie de régénération peut être utilisée afin
d’alimenter l’autre moteur, plutôt que de seulement faire
chauffer la résistance.
Différences entre les onduleurs, les contrôles sans
encodeur et les contrôles vectoriels
Les onduleurs contrôlent la vitesse du moteur à la manière
d’une boucle fermée, procurant ainsi des plages de vitesses
allant de 3:1 à 20:1. La plage de vitesse dépend
habituellement du moteur, quoique la qualité de sortie de
l’amplificateur de même que plusieurs autres paramètres
peuvent affecter le contrôle du moteur.
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Fiche technique n 34
Un onduleur génère une combinaison volts/Hertz
prédéterminée par le logiciel ou encore par le micro logiciel.
Dans les deux cas, une fréquence spécifique est envoyée
au moteur à une tension programmée pour cette fréquence.
Ceci sert à empêcher l’alimentation fournie au moteur de varier
avec la charge. On empêche également les changements de
fréquence ou de tension du stator de correspondre avec la
vitesse du rotor, sa position et sa charge.
Le phénomène qui permet au rotor de « glisser » derrière le
champ magnétique de rotation du stator crée un courant dans
le rotor. Il engendre également du magnétisme dans les pôles
du rotor et une force d’attraction vers le stator.
À faibles vitesses, il y a peu de couple et d’inertie.
Comme l’illustre la figure 10, il y aura un déplacement du rotor
là où le stator provoquera une attraction sur les pôles du rotor
suivant le mouvement de rotation. Puisque l’onduleur
fonctionne à des fréquences fixes (indépendantes de la
position du rotor) au stator, il y aura également des
positions du rotor pour lesquelles le stator attirera les
pôles du rotor dans la direction opposée au mouvement de
rotation. On appelle ce phénomène « cogging ».
Le contrôle vectoriel solutionne ce problème en mettant un
élément rétroactif sur l’élément rotatif. Il s’agit typiquement d’un
encodeur, quoique plusieurs contrôles utilisent également des
résolveurs de façon standard ou optionnelle. Dans les deux
cas, il procure un « feedback » de position utilisé pour
coordonner la position du pôle du stator afin d’obtenir
l’angle optimal de couple avec le rotor. Une tension
électrique appropriée est envoyée simultanément au stator
pour générer la force magnétique nécessaire à la charge
induite sur l’arbre du moteur.
Cette approche possède plusieurs avantages en
comparaison avec l’onduleur. Par exemple, puisque les
contrôles vectoriels procurent un « feedback » de vitesse, la
force et la vitesse du champ du stator peuvent être
modifiées de façon à obliger le rotor à tourner à une
vitesse déterminée par commande. Comme il s’agit d’un
système en boucle fermée, le contrôle de la vitesse est très
bon. Un onduleur atteint généralement des valeurs
entre 2 et 3 % de la vitesse de base, tandis que le contrôle
vectoriel peut obtenir entre 0,1 et 0,01 % de la vitesse
prescrite.
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Fiche technique n 34
Amplificateurs MLI
Vitesse commandée
2 % de la vitesse de base
0,1 % de la vitesse prescrite
1 800
36
1,8
1 200
36
1,2
900
36
0,9
500
36
200
36
0,5
0,2
Les contrôles vectoriels peuvent aussi se servir du couple
plutôt que de la vitesse Dans ce cas, une commande
(généralement +/- 10V DC) représente la valeur du couple qui
sera produite. Si la charge est importante, la vitesse sera
faible; dès que la charge diminue, la vitesse diminue
également. Cette notion est utile pour les dynamomètres et
sur les enrouleurs.
Puisqu’un pôle de stator peut être positionné en relation
avec un pôle de rotor, le couple entier peut être généré à
vitesse nulle. Un courant à pleine charge sera généré à vitesse
nulle, ce qui demandera un refroidissement adéquat du moteur.
Les contrôles vectoriels peuvent fonctionner à des vitesses
très basses, communément à 1 tr/min avec un couple entier.
Dans le cas d’un moteur à 1 800 tr/min, cela signifie qu’on
peut obtenir un couple constant dans une plage de vitesse
de 1 800:1. Sur la plupart des contrôles vectoriels de 6 000 tr/min
offerts sur le marché, il est possible d’obtenir des plages de vitesse
de 6 000:1. Des valeurs de 50 000:1 peuvent être atteintes
par certains moteurs spéciaux.
Un autre avantage des contrôles vectoriels est qu’ils
contrôlent le courant et l’angle de phase, les rendant
capables de supporter des charges réciproques plus
facilement que pour les onduleurs. Il est aussi possible
d’ajouter une sortie d’encodeur sur un contrôleur de position afin
de coordonner les mouvements avec d’autres contrôles
vectoriels, des contrôles sans balais, des servo-contrôles DC ou
même des contrôles servo- hydrauliques.
Les contrôles sans encodeur sont les plus récents sur le
marché. Comme les contrôles vectoriels, ils modifient aussi
la tension et la fréquence du stator afin de compenser pour
les fluctuations de vitesse dues à la charge et aussi pour
maximiser le facteur couple/ampérage du moteur. Il est
nécessaire de disposer d’un moteur puissant (inductance,
réactance, résistance, etc.) pour permettre au contrôle de
savoir à quel moment le vecteur de courant change par
rapport à la tension et la fréquence, la position des pôles du
rotor et l’intensité de la charge. Le contrôle peut alors orienter le
champ du stator avec celui du rotor.
Le contrôle sans encodeur n’a pas satisfait aux exigences
du marché jusqu’à maintenant. Le contrôle dynamique
durant les accélérations, les faibles vitesses (sous 30 - 50
tr/min) avec couple entier et le couple à vitesse nulle ont été
décevants en comparaison avec les contrôles vectoriels. Il est
toutefois meilleur que l’onduleur. La plupart des contrôles
vectoriels peuvent aussi fonctionner sans encodeur, ce qui
constitue une bonne technique de résolution de problème
si l’encodeur est suspecté d’être le coupable.
CONCLUSION
De nombreux moteurs se trouvent alimentés par des
amplificateurs MLI. Ces amplificateurs présentent diverses
configurations, chacune ayant ses avantages. Ils partagent
cependant tous la même capacité de contrôler la vitesse et
souvent le couple du moteur de façon à mieux maîtriser le
procédé, à économiser l’énergie et à réduire les frais
d’entretien tout en offrant un fonctionnement plus en douceur
des composants mécaniques.
La technologie continue aujourd’hui de se développer,
principalement dans deux champs d’activités, soit une
meilleure commande du moteur (avec ou sans rétroaction)
et les communications réseaux (faisant de l’amplificateur un
nœud du réseau dans le bus de communication du système
automatisé de l’usine). Comme les usines poursuivent
l’amélioration de leurs procédés automatisés et de leurs
communications, nous assisterons à une plus grande
utilisation des amplificateurs MLI.
Note: Cet article a été publié pour la première fois en juillet
2000.
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