Stage IRIS 2003

La variation de vitesse : les
moto-variateurs
Stage du 6 juin 2003 à Aix en Provence :
Rénovation du BTS I.R.I.S
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6 juin 2003
Plan
Introduction
 Principes physiques mis en œuvre
dans les machines tournantes
 Paramètres des machines tournantes
 Convertisseurs associés
 Conclusion

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Industriellement :
2 types de moto-variateurs.

Moto-variateur mécanique ou hydraulique
dont la structure est :
Moteur
Variateur
charge
exemple de variateur : système de poulies–courroies ou système d’engrenages

Moto-variateur électronique dont la
structure est:
Variateur
Moteur
charge
On ne s’intéressera qu’à ce type de moto-variateur.
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Historiquement : le moteur à
courant continu a été le premier à être
utilisé pour la variation de vitesse
Réglage à l’aide de rhéostats
 Utilisation du groupe Ward-Léonard

M
~
G
M
Charge
Ce groupe respecte la structure des moto-variateurs actuels :
l’ensemble moteur à courant alternatif – génératrice étant désormais remplacé par
un convertisseur statique.
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Actuellement : tous les types de
moteurs peuvent être utilisés.
Moteurs à courant continu (ex : TGV Sud
Est)
 Moteurs synchrones (ex : TGV Atlantique)
 Moteurs asynchrones (ex : Eurostar)

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Principes physiques
Loi de Faraday
 Loi de Laplace
 Couple électromagnétique ; moment
magnétique
 Production d’un champ magnétique
tournant

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Convertisseurs d’énergie
électromécanique réversibles
Puissance
électrique
MOTEUR
GENERATRICE
Puissance
mécanique
Puissance perdue :
les pertes



Ils comportent tous une partie fixe, le stator et une partie tournante,
le rotor séparées par l’entrefer.
L’une d’elles produit un champ magnétique dans l’entrefer : c’est
l’inducteur. L’autre est le siège de forces électromotrices induites :
c’est l’induit.
C’est l’interaction des champs magnétiques du stator et du rotor qui
produit le couple électromagnétique
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Paramètres





L’inertie : moment d’inertie noté J (kg.m2)
Le couple : moment du couple T (N.m)
La puissance fournie (utile) : mécanique
Pu = TW
La puissance absorbée : électrique
Pa = aUI (a fonction du réseau utilisé)
Réglage de la vitesse :
 action sur la tension d’alimentation
(moteurs à courant continu ou asynchrones sur
certains types de charges)
 action sur la fréquence – et la tension (moteurs à courants alternatifs)
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Caractéristiques mécaniques des
charges entraînées
Tr
Tr
0
W
caractéristique de levage
Tr
0
W
caractéristique de pompage
Tr
0
W
caractéristique d'essorage
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0
W
caractéristique de ventilation
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Régime permanent
La vitesse de rotation est constante
 Les caractéristiques mécaniques de la
charge et de la machine ont un point
d’intersection
 Le moment du couple fourni par le moteur
est identique au moment du couple
résistant
Tu = Tr

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Régimes transitoires
Le démarrage (l’accélération) et le freinage
L’étude des régimes transitoires impose la connaissance
du moment d’inertie, J, de l’ensemble moteur – charge


dΩ
Tu  Tr  J
dt

Dimensionnement : le moteur et son alimentation doivent
répondre non seulement au régime permanent mais aussi
aux régimes transitoires (ex : cycle de fonctionnement
comportant des arrêts et démarrages fréquents)
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Les quadrants de fonctionnement
vitesse
2eme quadrant
1er quadrant
vitesse
couple
couple
3eme quadrant
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4eme quadrant
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Les composants électroniques
utilisés

La diode

Le thyristor

Le transistor (bipolaire ou à effet de
champ)

L’IGBT (insulated gate bipolar transistor)

Le GTO (gate turn off thyristor)
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Les différents types de conversion
La conversion alternatif-continu (les
redresseurs)
 La conversion continu-continu (les
hacheurs)
 La conversion continu-alternatif (les
onduleurs)

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2 types de convertisseurs :


Les convertisseurs directs : une seule transformation des
grandeurs électriques est nécessaire.
Exemples
 avec une source alternative :
redresseurs commandés
cycloconvertisseurs
gradateurs
 avec une source continue :
hacheurs
onduleurs
Les convertisseurs indirects : ils utilisent un étage
intermédiaire.
Exemple : les convertisseurs de fréquence
redresseur
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filtrage
onduleur
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Choix d’un moto-variateur
Il faut vérifier l’adaptation :
Moteur – charge
 « Moteur + charge » – variateur
 À l’alimentation (perturbations de la source vers le variateur et vice versa)
 À l’environnement

+
Tenir compte des critères économiques
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Pas de solution universelle
REMARQUE : L’un des objectifs des électrotechniciens a été
d’obtenir avec des moteurs à courants alternatifs un
fonctionnement aussi souple que celui du moteur à courant
continu à excitation séparée sans les inconvénients (collecteur) et
avec des caractéristiques dynamiques supérieures. On peut ainsi
citer :
- le pilotage vectoriel du moteur asynchrone
- le moteur autosynchrone dont la version très utilisée en
robotique et productique est aussi appelée moteur DC Brushless
(à courant continu sans balais)
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Bibliographie :
« la vitesse variable » EDF/TechnoNathan/Gimelec
 Catalogue Télémécanique 1990 : «
commande de puissance électronique des
moteurs »
 Document sur la variation de vitesse des
moteurs à courants alternatifs par Philippe
Ladoux – voir le site internet de Toulouse.

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Diode et thyristor idéaux
id
id
vd < 0, la diode se comporte comme un
interrupteur ouvert :
vd
vd
id = 0
vd > 0, la diode se comporte comme un
interrupteur fermé
vd = 0
vd
0V
id
u
i
i
iG > iG T
iG = 0
0
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u
iG
Pour iG>iGT même
comportement que
la diode
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Les diodes idéales sont passantes
dès que la tension « anode
cathode » est positive, les
thyristors doivent en plus recevoir
un signal de gâchette. Cela permet
donc de retarder la conduction des
thyristors par rapport aux diodes.
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Ces composants sont utilisés en
commutation :
Signal de commande suffisant (ex : courant
de base dans le cas d’un transistor
bibolaire)  le composant se comporte
comme un interrupteur fermé (ex :
transistor saturé)
 Absence de signal de commande  le
composant se comporte comme un
interrupteur ouvert (ex : transistor bloqué)

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Interrupteurs électronique
unidirectionnels
Ils sont réalisés le plus souvent à l’aide de
transistors mais aussi dans le cas de fortes
puissances à l’aide de thyristors (2 au
minimum par interrupteur : celui
d’allumage et celui d’extinction) ou de
GTO
 Dans tous les cas le symbole utilisé sera :

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On utilise le plus souvent des groupements
de diodes ou de thyristors de ce type :
dispositif à cathodes communes
dispositif à anodes communes
Un seul des composants est passant à
un instant donné. Il est alors considéré
comme un interrupteur fermé, les
autres étant ouverts
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Structure de base d’un redresseur
I courant unidirectionnel
Réseau
alternatif




Tension
redressée
M
La valeur moyenne de la tension redressé n’est réglable
que si l’on utilise des thyristors (par l’intermédiaire de
l’angle de retard à l’amorçage)
Lorsque des diodes et des thyristors sont utilisés, on parle
de pont mixte.
Lors de l’utilisation d’un pont tout thyristors, la tension
redressée peut être en partie négative. Seul ce montage
permet l’utilisation de la machine sur deux quadrants
Pour un fonctionnement dans les 4 quadrants de la
machine, il faut utiliser 2 ponts tout thyristors montés
tête-bêche
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On commande périodiquement un interrupteur :
la tension continue (Ug) est découpée, et on
obtient une tension (v) en créneaux de valeur
moyenne positive réglable
Ug
v
On définit le rapport cyclique du hacheur comme étant le rapport de la durée
de fermeture de l’interrupteur sur sa période de fonctionnement
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Hacheur série

Il est utilisé par exemple comme variateur de
vitesse d’un moteur à courant continu. Il ne
permet le fonctionnement de la machine que dans
le 1er quadrant
iH
Ug
H
L
D
iD
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i
Rt
u
v
E
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Hacheur quatre quadrants

On utilise une structure en pont :
Ug
M
v



Les interrupteurs ne sont pas nécessairement des
transistors bipolaires comme sur le schéma
L’ensemble interrupteur diode est appelé montage
antiparallèle
L’alimentation continue doit être réversible
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A partir d’une tension continue ( U), par
découpage, on présente à la charge une
tension (v) en créneaux alternative

Principe : onduleur à 2 interrupteurs :
Les interrupteurs sont toujours dans des
états contraires
U
U
v
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Onduleur de tension monophasé

En monophasé, la structure la plus pratique
est celle du pont en H (identique à celle du
hacheur 4 quadrants seule la stratégie de
commande des interrupteurs change)
Ug
M
~
v
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