Le contrôle dun moteur à induction Guy Gauthier ing. Ph.D. Juillet 2011

Le contrôle d’un moteur à induction

Guy Gauthier ing. Ph.D.

Juillet 2011

Le contrôle des moteurs asynchrones en vitesse

• La vitesse d’un moteur à induction s’écrit comme suit:

• Elle dépend de:– Glissement S;– Fréquence du réseau fp.

Nf

nSm

p ( )1

Contrôle du glissement

• Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur le glissement de trois façons:

– Changer le nombre de pôles;– Changer le voltage du stator;– Contrôle du rotor

• en changeant la résistance du rotor;• par le couplage en cascade

Changer le nombre de pôles

• La vitesse de synchronisme d’un moteur alimenté à 60 Hz et ayant 2 pôles est de 3600 RPM.

• Si le moteur possède 4 pôles cette vitesse est divisée par 2 et devient 1800 RPM.

(moteur de typeDahlander) 

Changer le voltage au rotor

• Le couple du moteur est proportionnel au carré de la tension d’alimentation au stator.

• Donc, changer la tension d’alimentation change la vitesse en changeant la position du point d’opération.

Changer la résistance au rotor

• Si le moteur est à rotor bobiné, on peut insérer des résistances dans le circuit du rotor.

• Les pertes par effet Joule au rotor change la caractéristique couple/vitesse.

R augmente

Contrôle de la fréquence

• Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur la fréquence alimentant le moteur.

• Ce qui mène au variateur électronique de vitesse (drive).

Tpnvi R

R S Lmr r

p r p r

( )2 2 2 2

Éléments d’un variateur électronique de vitesse

Éléments d’un variateur électronique de vitesse

Éléments d’un variateur électronique de vitesse

Éléments d’un variateur électronique de vitesse

Diode et thyristors

• Diode:

• Thyristor :

< 300 Hz

Diode et thyristors

• GTO : gate turn off thyristor

< 1 kHz

Transistors

• Bipolaire:

• MOS:

< 10 kHz

< 40 kHz

Transistors

• IGBT: insulated gate bipolar transistor

< 20 kHz

Le contrôleur à fréquence variable

• Schéma de principe

Redresseur Circuit intermédiaire Onduleur Moteur

Circuit de contrôle

Variateur électronique de vitesse

Étape #1: Le redresseur

• La tension alternative de 60 Hz (50 Hz) doit être transformée en une tension continue.

• Il faut donc insérer un redresseur (ou pont de Graetz).

• Selon la composante semi-conductrice le redresseur donne:– Tension moyenne de sortie constante si diode;– Tension moyenne de sortie variable si thyristor.

Redresseur

Redresseur à diodes

• Pas de contrôle…

• Donc la tension moyenne de sortie est constante.– Tension DC moyenne = 1.35 x la tension AC

Redresseur à thyristors

• Contrôle de l’angle d’amorcage.

• Permet une valeur moyenne variable en sortie.– Tension DC moyenne = 1.35 * voltage AC * cos(alpha)

Redresseur à thyristors

• Formes d’onde:

Redresseur

• Lors du freinage du moteur, le redresseur à thyristor permet de retourner de l’énergie vers le réseau, ce qui n’est pas possible avec un pont de Graetz basé sur des diodes.

Étape #2: Le circuit intermédiaire

• Le but du circuit intermédiaire est de filtrer le signal en sortie du pont de Graetz.

• Si le pont de Graetz est basé sur des diodes, la tension en sortie du circuit ne peut être variée que si le circuit intermédiaire varie cette tension.– Circuit hacheur.

Bobine de filtrage

• Si le redresseur est contrôlé (thyristors), on utilise une bobine qui filtre les composantes de haute fréquence.

– Cette technique permet de retourner de l’énergie à la source de CA lors des freinages.

Filtre L-C

• Une autre technique utilise un filtre L-C.• Elle fonctionne avec les deux types de

redresseurs.

Hacheur (chopper)

• Cela peut aussi être un circuit appelé “hacheur” qui découpe le signal à CC.

• L’onde résultante est filtrée pour obtenir un signal à CC d’amplitude variable.

Commande du hacheur

• L’amplitude moyenne du signal de sortie est:

V Vt

t tou t inon

on o ff

Après deux étages

• Avec un pont de diodes au premier étage et un filtre L-C, le troisième étage reçoit une tension constante.

• Avec un pont de diodes au premier étage et un hacheur, le troisième étage reçoit une tension variable.

• Avec un pont de thyristors au premier étage et une bobine, le troisième étage reçoit un courant variable.

Étape #3: L’onduleur

• Si l’onduleur recoit un courant variable, on peut générer un signal à CA. Cet onduleur est dit à source de courant (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.

• Ces composantes doivent être adaptées à la grosseur du moteur à alimenter.

Onduleur CSI

Étape #3: L’onduleur

• L’autre variante d’onduleur permet de générer un courant de sortie CA.– Exige l’utilisation de transistors.

Onduleur à transistors

• Les thyristors ne peut 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.

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.

Les deux types de modulation

• Pulse amplitude modulation (PAM)

• Pulse width modulation (PWM).

La modulation d’amplitude

• Principe:

– L’ajustement de la tension dans le bobinage dépend des transistors ouverts et fermés…

1

La modulation d’amplitude

• Dans ce circuit:– U = 0 ou Um selon l’état de T1 et T2;

– V = 0 ou Um selon l’état de T3 et T4.

• Ainsi, U-V = -Um, 0 ou +Um.

1

PAM• Ainsi, par une

commutation adéquate, on peut obtenir une onde sinusoidale.

La 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.

La modulation de largeur d’impulsion (PWM)

• On peut aussi obtenir une onde sinusoïdale en utilisant la modulation de largueur d’impulsion (PWM).

La modulation de largeur d’impulsion (PWM)

• Anciennement: méthode analogique.

u vf f

v

u

fm

f

m est un multiple de 3 pour limiter les harmoniques

La modulation de largeur d’impulsion (PWM)

• Maintenant implanté dans des contrôleurs et des DSP.

• Ainsi, on peut obtenir des approches de contrôle plus performantes.

Le PWM

• L’onduleur varie à la fois l’amplitude et la fréquence.

Le PWM

• L’amplitude RMS maximale de la sortie est de 86.6 % la tension d’entrée de l’onduleur.

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.

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:

Conséquences des harmoniques

• Augmentation des pertes Foucault;• Echauffement du moteur;• Rendement et efficacité réduite;• Vibrations;• Pulsations de couple;• Augmentation du bruit.

Commande scalaire

• Le couple maximal d’un moteur asynchrone se produit quand le glissement S est:

• Et est égal à:

r

p r

RS

L

2

max 2f

r p

vpnT

L

Commande scalaire

• En changeant à la fois la fréquence et la tension pour maintenir le rapport vf/ωp, 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.

Commande scalaire

Commande scalaire

• Cette commande scalaire est dite « contrôle V/f ».

• Simple à implanter car basé sur le régime permanent.

• Dynamique lente.• Contrôle des amplitudes de vitesse ou de

couple.

Commande scalaire V/F

• Commande en vitesse avec la tension.

Commande scalaire V/F

• Commande en vitesse avec le courant.

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 CC, on peut faire le contrôle de ce moteur utilisant les bobinages du rotor et du stator de façon indépendante.

Moteur CC à excitations indépendantes

• Équations en jeu:

• Il existe un couple (ia, if) correspondant à un couple (ωm, Tm).– Indépendance du couple et la vitesse.

• Certains diraient découplage !

ma

fm f a

vk i

T ki i

e t

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.

Commande vectorielle

• Transformation à faire:

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:

Mesure de la position et de l’orientation du flux

• Mesure du flux:

Mesure de la position et de l’orientation du flux

• Calculateur de couple:

Contrôle direct de l’orientation du flux

• Schéma de principe:

Contrôle vectoriel par mesure de l’orientation du flux

• Schéma de principe:

Contrôle vectoriel d’un moteur

• Mesure indirecte de l’orientation du flux:

Choix du contrôleur

• La caractéristique vitesse-couple de la combinaison contrôleur-moteur devient rectangulaire:

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).

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

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.

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).

Choix du contrôleur

• Choix basé sur la puissance nominale du moteur.

• Surdimensionnement du contrôleur si le moteur ne travaille jamais à pleine charge.