6 juin 2003 A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 1 La variation de vitesse : les moto-variateurs Stage du 6 juin 2003 à Aix en Provence : Rénovation

6 juin 2003A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille1

La variation de vitesse : les La variation de vitesse : les moto-variateursmoto-variateurs

Stage du 6 juin 2003 à Aix en Provence :Rénovation du BTS I.R.I.S


PlanPlan

IntroductionPrincipes physiques mis en œuvre

dans les machines tournantesParamètres des machines tournantesConvertisseurs associésConclusion


Industriellement : Industriellement : 2 types de moto-variateurs.2 types de moto-variateurs.Moto-variateur mécanique ou hydraulique

dont la structure est :

exemple de variateur : système de poulies–courroies ou système d’engrenages

Moto-variateur électronique dont la structure est:

Moteur Variateur charge

MoteurVariateur charge

On ne s’intéressera qu’à ce type de moto-variateur.


Historiquement : Historiquement : le moteur à le moteur à courant continu a été le premier à être courant continu a été le premier à être utilisé pour la variation de vitesseutilisé pour la variation de vitesseRéglage à l’aide de rhéostatsUtilisation 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.


Actuellement : tous les types de Actuellement : tous les types de moteurs peuvent être utilisés.moteurs peuvent être utilisés.

Moteurs à courant continu (ex : TGV Sud Est)

Moteurs synchrones (ex : TGV Atlantique)Moteurs asynchrones (ex : Eurostar)


Principes physiquesPrincipes physiques

Loi de FaradayLoi de LaplaceCouple électromagnétique ; moment

magnétiqueProduction d’un champ magnétique

tournant


Convertisseurs d’énergie Convertisseurs d’énergie électromécanique réversiblesélectromécanique réversibles

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

MOTEUR

GENERATRICEPuissanceélectrique

Puissancemécanique

Puissance perdue :les pertes


ParamètresParamètres L’inertie : moment d’inertie noté J (kg.m2) Le couple : moment du couple T (N.m) La puissance fournie (utile) : mécanique

Pu = T La puissance absorbée : électrique

Pa = UI ( 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)


Caractéristiques mécaniques des Caractéristiques mécaniques des charges entraînéescharges entraînées

Tr

0

Tr

0

Tr

0

Tr

0caractéristique de levage caractéristique de pompage

caractéristique d'essorage caractéristique de ventilation


Régime permanentRégime permanent

La vitesse de rotation est constanteLes 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


Régimes transitoiresRégimes 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

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)

dt

dΩJTrTu


Les quadrants de fonctionnementLes quadrants de fonctionnement

couple

vitesse

1er quadrant2eme quadrant

3eme quadrant 4eme quadrant

vitesse

couple


Les composants électroniques Les composants électroniques utilisésutilisés

La diode

Le thyristor

Le transistor (bipolaire ou à effet de champ)

L’IGBT (insulated gate bipolar transistor)

Le GTO (gate turn off thyristor)


Les différents types de conversionLes différents types de conversion

La conversion alternatif-continu (les redresseurs)

La conversion continu-continu (les hacheurs)

La conversion continu-alternatif (les onduleurs)


2 types de convertisseurs :2 types de convertisseurs : Les convertisseurs directs : une seule transformation des

grandeurs électriques est nécessaire.Exemples

avec une source alternative :redresseurs commandéscycloconvertisseursgradateurs

avec une source continue :hacheursonduleurs

Les convertisseurs indirects : ils utilisent un étage intermédiaire.

Exemple : les convertisseurs de fréquence

redresseur filtrage onduleur


Choix d’un moto-variateurChoix d’un moto-variateur

Moteur – charge« Moteur + charge » – variateurÀ l’alimentation (perturbations de la source vers le variateur et vice versa)

À l’environnement

Il faut vérifier l’adaptation :

+

Tenir compte des critères économiques


Pas de solution universellePas 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)


Bibliographie :Bibliographie :

« la vitesse variable » EDF/Techno-Nathan/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.


vd

id

0 V

vd < 0, la diode se comporte comme uninterrupteur ouvert :

vd

id = 0vd > 0, la diode se comporte comme un

interrupteur fermé

id

vd = 0

vd

id

i

u

i

u

iG= 0

iG > iGT

0

Diode et thyristor idéauxDiode et thyristor idéaux

iG

Pour iG>iGT mêmecomportement quela diode


Les diodes idéales sont passantes Les diodes idéales sont passantes dès que la tension « anode dès que la tension « anode cathode » est positive, les cathode » est positive, les thyristors doivent en plus recevoir thyristors doivent en plus recevoir un signal de gâchette. Cela permet un signal de gâchette. Cela permet donc de retarder la conduction des donc de retarder la conduction des thyristors par rapport aux diodes.thyristors par rapport aux diodes.


Ces composants sont utilisés en Ces composants sont utilisés en commutation :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)


Interrupteurs électronique Interrupteurs électronique unidirectionnelsunidirectionnels

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 :


dispositif à cathodes communes dispositif à anodes communes

On utilise le plus souvent des groupements On utilise le plus souvent des groupements de diodes ou de thyristors de ce type :de diodes ou de thyristors de ce type :

Un seul des composants est passant à un instant donné. Il est alors considéré

comme un interrupteur fermé, les autres étant ouverts


Structure de base d’un redresseurStructure de base d’un redresseur

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

MRéseaualternatif

Tensionredressée

I courant unidirectionnel


On commande périodiquement un interrupteur : On commande périodiquement un interrupteur : la tension continue (Ug) est découpée, et on la tension continue (Ug) est découpée, et on obtient une tension (v) en créneaux de valeur obtient une tension (v) en créneaux de valeur

moyenne positive réglablemoyenne positive réglable

On définit le rapport cyclique du hacheur comme étant le rapport de la durée de fermeture de l’interrupteur sur sa période de fonctionnement

Ug v


Hacheur sérieHacheur 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

Ug

H

D

L

Rt

E

uv

i

i

iH

D


Hacheur quatre quadrantsHacheur quatre quadrants On utilise une structure en pont :

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

Ug

v

M


A partir d’une tension continue ( U), par A partir d’une tension continue ( U), par découpage, on présente à la charge une découpage, on présente à la charge une

tension (v) en créneaux alternativetension (v) en créneaux alternativePrincipe : onduleur à 2 interrupteurs :

Les interrupteurs sont toujours dans des états contraires

U

Uv


Onduleur de tension monophaséOnduleur de tension monophaséEn 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

v

M~

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