Acétates cours #13a ()

01/12/14
Variateur électronique de vitesse
Comment changer la vitesse d’un
moteur
Guy Gauthier ing. Ph.D. (mars 2014)
Vitesse synchrone d’un moteur AC
• La vitesse synchrone d’un moteur AC est
dictée par la fréquence du réseau électrique.
• Elle est calculé comme suit:
fp
N Synchone RPM  60
n
– fp : fréquence du réseau en Hertz;
– n : nombre de paires d’enroulements par phase.
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Vitesse synchrone d’un moteur AC
• Puisque la fréquence du réseau au Québec est
de 60 Hz, alors les vitesses synchrones sont:
– 3600 RPM si n = 1;
– 1800 RPM si n = 2;
– 1200 RPM si n = 3;
– 900 RPM si n = 4;
– 720 RPM si n = 5;
–…
À 50 Hz:
-3000 RPM si n = 1;
-1500 RPM si n = 2;
-1000 RPM si n = 3;
-750 RPM si n = 4;
-600 RPM si n = 5;
Vitesse d’un asynchrone moteur AC
• La vitesse d’un moteur asynchrone doit
pendre en compte le glissement S:
fp
N RPM  60 1  S 
n
• La vitesse du rotor est inférieure à la vitesse
du champ tournant.
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CHANGER LA VITESSE SANS
L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE…
Changer le nombre de
paires de pôles n
• La vitesse de synchronisme d’un moteur
alimenté à 60 Hz et ayant 2 pôles (n = 1) est de
3600 RPM.
• Si le moteur possède 4 pôles (n = 2) cette
vitesse est divisée par 2 et devient 1800 RPM.
(moteur de type
Dahlander)
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Contrôle du glissement S
• Pour changer la vitesse du moteur, on peut
jouer sur le glissement S de deux façons:
– Changer le voltage du stator;
– Contrôle du rotor:
• en changeant la résistance du rotor;
• par le couplage en cascade.
Changer le voltage au stator
• Le couple du moteur est
proportionnel au carré de la
tension d’alimentation au
stator vf.
• Donc, changer la tension
d’alimentation change la
vitesse en changeant la
position du point
d’opération.
Tm 
pnv 2f SRr
 p  Rr2  S 2 p2 L2r 
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Changer la résistance au rotor
• Si le moteur est à rotor bobiné, on peut
insérer des résistances dans le circuit du rotor.
• La perte par effet Joule au rotor change la
caractéristique couple/vitesse.
R augmente
Tm 

pnv 2f S  Rr  RR 
 p  Rr  RR   S 2 p2 L2r
2

CHANGER LA VITESSE EN UTILISANT
L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE
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Varier la vitesse synchrone
• Pour varier la vitesse d’un moteur AC sur une
grande plage de vitesse, il faut varier la
fréquence de la tension reçue par le moteur fp.
• L’électronique de puissance permet de
prendre une tension DC et de l’onduler pour
en faire une tension AC de fréquence
quelconque.
Varier la vitesse synchrone
• Il faut donc procéder de la façon suivante:
1. Redresser la tension alternative pour en faire
une tension continue;
2. Onduler la tension continue pour faire une
tension alternative ayant la fréquence désirée.
• En théorie, ça semble être simple. Mais…
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Équation du couple du moteur
• Le couple d’un moteur asynchrone est:
pnv 2f SRr
pnv 2f SRr
Tm 

2
2 2 2
 p  Rr  S  p Lr  2 f p  Rr2  4 2 S 2 f p2 L2r 
• Si on change fp, on change la vitesse
synchrone et le couple du moteur. Si on
désire maintenir le couple constant, il faut
compenser en changeant la tension vf.
Varier la vitesse synchrone
– version 2.0
• Il faut modifier la procédure présentée
précédemment:
1. Redresser la tension alternative pour en faire
une tension continue;
2. Modifier l’amplitude la tension continue;
3. Onduler cette nouvelle tension continue pour
faire une tension alternative ayant la fréquence
et l’amplitude désirées.
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Composantes – électronique de
puissance
• Diode:
– Une diode ne laisse passer le courant que dans
une seule direction.
– Cette composante est totalement passive.
Composantes – électronique de
puissance
• Thyristor:
– Il une broche de plus que la diode: la gâchette.
– Lorsque la gâchette est active et que la tension est
dans le bon sens, le thyristor conduit le courant
tant que la tension ne s’inverse pas, même si la
gâchette est désactivée.
– Lorsque la tension est à l’inverse, le thyristor
bloque, comme une diode.
– On peut faire de la commutation jusqu’à 300 Hz.
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Composantes – électronique de
puissance
• GTO (Gate turn off thyristor):
– Il une broche de plus que la diode: la gâchette.
– Lorsque la gâchette est activée positivement et
que la tension est dans le bon sens, le GTO
conduit tant que la tension ne s’inverse pas.
– Lorsque que la gâchette est activée négativement,
le GTO bloque. Lorsque la tension est à l’inverse,
le thyristor bloque, comme une diode.
– On peut faire de la commutation jusqu’à 1 kHz.
Composantes – électronique de
puissance
• Transistor bipolaire:
– Lorsque le courant à la base est supérieur à 0, un
courant circule entre le collecteur et l’émetteur.
Sinon le transistor bloque.
– On peut faire de la commutation jusqu’à 10 kHz.
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Composantes – électronique de
puissance
• Transistor MOS:
– Lorsque la tension grille source est supérieure à 0,
un courant circule entre le drain et la source.
Sinon le transistor bloque.
– On peut faire de la commutation jusqu’à 40 kHz.
Composantes – électronique de
puissance
• Transistor IGBT (Insulated gate bipolar
transistor):
– Lorsque la tension grille émetteur est supérieure à
0, un courant circule entre le collecteur et la
l’émetteur. Sinon le transistor bloque.
– On peut faire de la commutation jusqu’à 20 kHz.
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Le contrôleur à fréquence variable
• Schéma de principe
Le contrôleur à fréquence variable
• Schéma de principe
Variateur électronique de vitesse
Redresseur
Circuit
intermédiaire
Onduleur
Moteur
Circuit de contrôle
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Le redresseur (ou pont de Graetz)
• Le redresseur le plus simple à mettre en
œuvre est basé sur un pont de diodes.
• La tension moyenne de sortie est 1.35 fois la
tension ligne-ligne de l’entrée triphasée.
• La tension moyenne de sortie est constante et
ne peut être changée.
Redresseur à diodes
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Le redresseur (ou pont de Graetz)
- Version améliorée
• Un redresseur peut être fait avec des
thyristors. Le gâchette est enclenchée avec un
angle a après le croisement avec 0.
• La tension moyenne de sortie est 1.35 cos(a)
fois la tension ligne-ligne de l’entrée triphasée.
• La tension moyenne de sortie est fonction de
l’angle d’amorçage a.
Redresseur à thyristors
a  30
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Redresseur à thyristors
a  60
Redresseur à thyristors
a  90
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Bilan
• Le redresseur à diodes fourni une tension de
sortie fixe.
– Il faudra ajouter un dispositif pour varier la
tension;
• Le redresseur à thyristors donne une tension
de sortie variable en fonction de l’angle
d’amorçage.
Filtrage de la tension redressée
• Pour améliorer le fonctionnement, on insère
un filtre passe bas en sortie du redresseur
pour permettre de réduire l’ondulation de
tension.
• Filtre inductif :
– La sortie du filtre est un courant.
• Filtre LC:
– La sortie du filtre est une tension.
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Hacheur
• Si le redresseur est basé sur des diodes, on
ajoute un hacheur de tension, pour permettre
de varier la tension présentée au redresseur.
Hacheur
• La tension en sortie du hacheur est:
 Ton 
Vout  Vin 
 T  T 
 on off 
• Ce signal est ensuite filtré par un filtre L-C.
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On a tout ce qu’il nous faut pour commander un
moteur à courant continu…
Variateur électronique de vitesse DC
• Schéma:
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Variateur électronique de vitesse DC
• Schéma:
Variateur électronique de vitesse DC
• Schéma pour commander un moteur DC afin
qu’il tourne dans les deux sens:
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Schéma de commande DC
Asservissement de vitesse
• … continuons avec le AC
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Pour commander un moteur à courant alternatif, il
nous manque un étage, l’onduleur.
Onduleurs
• Pour commander un moteur AC, il faut
régénérer une tension (ou un courant) AC à
partir de la tension (ou du courant) DC.
• Plusieurs versions existent.
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Onduleur CSI
Onduleur CSI
• L’onduleur CSI comprend 6 thyristors, 6 diodes
et 6 condensateurs.
• Quand un thyristor est activé il ne peut
s’arrêter que si la tension s’inverse, ce qui est
le rôle des condensateurs dans ce circuit.
• Les étages précédents sont:
– Redresseur à thyristors
– Filtre inductif (Inductance L).
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Onduleur à transistors
• Schéma de principe:
Onduleur à transistors
• Les thyristors ne peuvent être arrêtés que
lorsqu’il y a inversion de tension.
• Un transistor offre plus de contrôle puisqu’il
peut être arrêté à n’importe quel moment.
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Onduleur à transistors
• Mais tous les transistors ne sont pas égaux
dans leurs caractéristiques.
• En particulier les puissances et fréquences de
commutation.
– Fréquences plus élevées qu’avec les thyristors.
Modulation d’amplitude
• Soit le montage suivant:
– Si SW1 en 1 et SW2 en 1 :
• Va = 0 V, Vb = Vcc : donc Va-Vb = - Vcc.
– Si SW1 en 3 et SW2 en 1 :
• Va = Vcc, Vb = Vcc : donc Va-Vb = 0 V.
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Modulation d’amplitude
• Soit le montage suivant:
– Si SW1 en 3 et SW2 en 3 :
• Va = Vcc, Vb = 0 V : donc Va-Vb = + Vcc.
– Si SW1 en 1 et SW2 en 3 :
• Va = 0 V, Vb = 0 V : donc Va-Vb = 0 V.
Modulation d’amplitude
• Soit le montage suivant:
– Donc la tension Va-Vb peut prendre 3 valeurs
différentes : - Vcc, 0 V et + Vcc.
• Comment générer une onde sinusoïdale ?
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PAM
• Par une
commutation
adéquate des
transistors, on
peut obtenir
une onde
sinusoïdale.
• Les bobinages
du moteur
filtreront ce
signal.
Modulation d’amplitude
• La tension RMS de sortie est égale à 86.6 % de
la tension moyenne du signal continu.
• Le type de modulation (à 6 ou 18 impulsions)
à un effet sur la qualité du signal de sortie.
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Modulation de largeur d’impulsion (PWM)
• On peut aussi obtenir une onde sinusoïdale en
utilisant la modulation de largueur
d’impulsion (PWM).
Modulation de largeur d’impulsion (PWM)
• Anciennement: méthode analogique.
fu  f v
m
fv
fu
m est un
multiple de 3
pour limiter les
harmoniques
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Modulation de largeur d’impulsion (PWM)
• Maintenant implanté dans des
microcontrôleurs et des DSP.
• Ainsi, on peut obtenir des approches de
contrôle plus performantes.
Modulation de largeur d’impulsion (PWM)
• L’amplitude
RMS
maximale de
la sortie est
de 86.6 % la
tension
d’entrée de
l’onduleur.
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Le PWM et la fréquence
• La fréquence fv à un impact
sur la qualité du signal.
Mais, un compromis doit
être fait.
– fv faible augmente les pertes
dans le moteur;
– fv grand augmente les pertes
dans l’onduleur.
Le problème des harmoniques
• Exemple des harmoniques présentes pour une
modulation d’amplitude à 6 impulsions.
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Le problème des harmoniques
• Les nuisances ont lieu à base vitesse car à
haute vitesse, les harmoniques sont filtrées
par les réactances du moteur.
Le problème des harmoniques
• Visualisation des champs tournants:
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Conséquences des harmoniques
•
•
•
•
•
•
Augmentation des pertes Foucault;
Echauffement du moteur;
Rendement et efficacité réduite;
Vibrations;
Pulsations de couple;
Augmentation du bruit.
Variateur électronique de vitesse AC –
Commande scalaire
• Le couple maximal d’un moteur asynchrone se
produit quand le glissement S est:
S
• Et est égal à:
Tmax
Rr
 p Lr
pn  v f


2 Lr   p



2
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Commande scalaire
• En changeant à la fois la fréquence et la
tension pour maintenir le rapport vf/ωp
constant, le flux dans le moteur est maintenu
constant et la caractéristique du moteur se
déplace.
Commande scalaire
• Au delà d’une certaine vitesse, la tension vf
atteint son maximum et le couple maximum
chute.
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Commande scalaire
• Cette commande scalaire est aussi nommée
« contrôle V/f ».
– Simple à implanter car elle est basée sur le régime
permanent.
– Dynamique lente.
– Contrôle des amplitudes de vitesse ou de couple.
Commande scalaire V/F
• Commande en vitesse avec la tension.
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Commande scalaire V/F
• Commande en vitesse avec le courant.
CSI
REPRÉSENTATION VECTORIELLE DES
VARIABLES ET MODULATION
VECTORIELLE
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Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM
Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM
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Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM
Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM
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Modulation vectorielle
Période T
Tension moyenne X
x
x
Commande vectorielle
• Comme montré dans une des acétates
précédentes, le contrôle vectoriel donne un
champ tournant parfaitement circulaire.
• Dans le cas d’un moteur à courant continu, on
peut faire le contrôle de ce moteur utilisant
les bobinages du rotor et du stator de façon
indépendante.
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Moteur CC à excitations
indépendantes
• Équations en jeu:
va
m 
et Tm  ki f ia
k i f
• Il existe un couple (ia, if) correspondant à un
couple (ωm, Tm).
– Indépendance du couple et la vitesse.
• Certains diraient découplage !
Commande vectorielle
• Donc, idéalement il faudrait pouvoir faire de
même en CA.
• Mais, pour un moteur à CA à 3 phases, il y a
une représentation triphasée des flux,
courants et tensions.
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Commande vectorielle
• Les moteurs CC sont très optimaux au niveau
du couple car le flux et le courant sont
orthogonaux.
Orientation du champ
• Orientation non optimale:
• Orientation optimale:
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Moteur synchrone
• Rotor: aimant;
• Stator: champ tournant.
Moteur asynchrone
• Vitesse du rotor n’égale pas vitesse du champ
tournant.
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Moteur asynchrone
• Mais vitesses des champs statoriques et
rotoriques identiques.
Moteur asynchrone
• Mais vitesses des champs statoriques et
rotoriques identiques.
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Moteur asynchrone
• Décomposition du courant au stator.
Produit le couple
Produit le flux statorique
Moteur asynchrone
• Moteur biphasé équivalent.
Produit le flux statorique
Produit le couple
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Transformation de Park
Commande vectorielle
À partir de
la vitesse
du moteur
Park
PWM
Vitesse du
champ
tournant
Vitesse du
moteur
Glissement
Park
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Schéma de principe d’un variateur à
contrôle vectoriel de flux
Schéma d’un variateur avec contrôle
vectoriel de flux avec capteur.
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Performances respectives d’un variateur
dans les 3 configurations possibles
– (référence: Intersections, Schneider Electric, juin 1998)
Choix du contrôleur
• La caractéristique vitesse-couple de la
combinaison contrôleur-moteur devient
rectangulaire:
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Choix du contrôleur
• Le contrôleur peut fournir:
– un couple égal à 160% du couple nominal;
– une vitesse égale à 200% de la vitesse nominale.
1/n
Choix du contrôleur
• La caractéristique de la charge à un impact sur
le choix du contrôleur:
– Exemple: ventilateur (domaine d’utilisation 30 à
80% de la charge maximale).
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Choix du contrôleur
• Il faut s’assurer que le couple moteur soit
toujours plus grand au couple résistant:
Choix du contrôleur
• La caractéristique de la charge à un impact sur
le choix du contrôleur:
– Exemple 2: charge à couple constant
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Choix du contrôleur
• Si le contrôleur et le moteur permettent un
couple 60% plus grand que le couple nominal,
cela est suffisant pour accélérer la charge.
Choix du contrôleur
• Si le contrôleur et le moteur ne permettent
pas un couple plus grand que le couple
nominal, il faut prévoir le couple
d’accélération.
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Choix du contrôleur
• La façon la plus simple de choisir le contrôleur
est de mesurer le courant maximum du
moteur à pleine charge.
• Si le moteur n’est pas à pleine charge, le
courant peut être déduit en comparant avec
des applications similaires.
Choix du contrôleur
• Choix basé sur la puissance de sortie du
moteur et la charge et la puissance de sortie
du contrôleur.
• Implique de connaître le rendement et le
facteur de puissance (moins précis).
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Choix du contrôleur
• Choix basé sur la puissance nominale du
moteur.
• Surdimensionnement du contrôleur si le
moteur ne travaille jamais à pleine charge.
COMPLÉMENT
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Les services (CEI 60034-1)
• S1, S2 et S3:
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Les services (CEI 60034-1)
• S4, S5 et S6:
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