5 - Dparts moteurs

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chapitreDparts moteurPrsentation : Fonctions ncessaires la construction d'un dpart moteur Tableau de choix des fonctions des dparts moteurs et des produits concerns

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Sommaire

1 25.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 Gnralits Les fonctions de base des dparts-moteurs Une fonction complmentaire : la communication Dparts-moteurs et coordination Les variateurs de vitesse Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques Variateur-rgulateur pour moteur courant continu Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone Gradateur de tension pour moteur asynchrone Moto-variateurs synchrones Moto-variateurs pas--pas Les fonctions complmentaires des variateurs de vitesse Les variateurs de vitesse et le bilan nergtique Les variateurs de vitesse et les conomies dnergie et de maintenance Grille de choix des dparts moteursPage

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5.1 5.2

Gnralits Les fonctions de base des dparts-moteurs

5.1

GnralitsUn dpart-moteur comprend quatre fonctions de base : - le sectionnement, - la protection contre les courts-circuits, - la protection contre les surcharges, - la commutation ou commande (marche - arrt). Chaque dpart-moteur peut tre enrichi de fonctionnalits supplmentaires selon les besoins de lapplication. Elles peuvent concerner : - la puissance : variation de la vitesse, dmarrage progressif, inversion de phase, etc. - le contrle : contacts auxiliaires, temporisation, communication, etc. Selon la constitution dun dpart-moteur, les fonctions peuvent tre rparties de diffrentes manires dont la figure 1 donne des schmas. La variation de vitesse ou les dmarreurs progressifs, qui sont des systmes sophistiqus de dpart moteur, font lobjet dune section particulire de ce chapitre 5.5. Les moto variateurs particuliers comme les variateurs pour moteurs synchrones et moteurs pas pas trouvent place galement dans cette section en raison des similitudes de fonctionnement. Dans la section 5.13 et 5.14, nous mettons laccent sur le bilan nergtique et les conomies possibles, informations qui sont souvent mal interprtes.

A Fig. 1

Les diffrentes fonctions et leur association pour constituer un dpart-moteur

5.2

Les fonctions de base des dparts-moteursb Le sectionnementLa fonction de sectionnement est une obligation et doit se trouver l'origine de tout circuit (cf. normes dinstallation NF C15-100, CEI 60364-5-53), non impose, mais prconise au niveau de chaque dpart moteur. Elle a pour rle disoler les circuits de leur source dnergie (rseau dalimentation puissance) de manire sre afin dassurer la protection des biens et des personnes en cas doprations de maintenance, de dpannages ou de modifications sur les circuits lectriques qui se trouvent en aval. Ce sectionnement doit tre conu conformment aux spcifications qui exigent : - la coupure omnipolaire et simultane, - le respect des distances d'isolement en fonction des tensions dalimentation, - la condamnation, - la coupure visible ou pleinement apparente : - la coupure visible signifie que louverture des ples est directement visible par un oprateur, - la coupure apparente est identifie soit par la position de lorgane de manuvre, soit par un indicateur de position qui, selon la norme, ne peut indiquer la position hors tension que si les contacts sont effectivement spars par une distance suffisante spcifie dans les normes. Les constructeurs proposent de nombreux appareils pouvant remplir cette fonction. Souvent, un mme appareil combine les fonctions de sectionnement et de protection contre les courts-circuits (ex. : sectionneur fusibles). Pour cela certains appareils de base doivent tre complts dun dispositif complmentaire, par exemple, dun support dembrochage.

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5.2

Les fonctions de base des dparts-moteurs

Un sectionneur est destin isoler un circuit, il na ni pouvoir de coupure ni de fermeture. Il se manipule donc toujours vide. Un interrupteur offre en plus de la capacit de sectionnement celle de pouvoir tablir, supporter et interrompre des courants (norme IEC 947-3).

b La protectionv La protection contre les courts-circuits (C chapitre 4 Dmarrage etprotection des moteurs) Cette fonction ncessite la dtection des surintensits conscutives aux courts-circuits (gnralement suprieures 10 fois le courant nominal) et louverture du circuit en dfaut. Elle est remplie par des fusibles ou des disjoncteurs magntiques.

v La protection contre les surcharges (C chapitre 4 Dmarrage etprotection des moteurs) Cette fonction ncessite la dtection des surintensits conscutives aux surcharges (Ir < I surcharges < Im) et louverture du circuit en dfaut. Elle est remplie par des dispositifs lectromcaniques ou lectroniques (relais de surcharge) associs un organe de coupure (disjoncteur ou contacteur) ou intgrs aux dmarreurs ou variateurs de vitesse lectroniques. Elle protge aussi la ligne du moteur contre les surcharges thermiques.

v Protections associes aux dmarreurs et aux variateurs de vitesse lectroniquesLe dmarrage en direct sur le rseau de distribution des moteurs asynchrones est la solution la plus rpandue, la plus conomique et convient le plus souvent pour une grande varit de machines. Cependant, elle saccompagne parfois de contraintes qui peuvent savrer gnantes pour certaines applications, voire incompatibles avec le fonctionnement souhait au niveau de la machine (appel de courant au dmarrage, -coups mcaniques lors des dmarrages, impossibilit de contrler lacclration et la dclration, impossibilit de faire varier la vitesse, etc.). Les dmarreurs et les variateurs de vitesse lectroniques (C Fig. 2) permettent de supprimer ces inconvnients, mais les protections conventionnelles dcrites prcdemment sont inefficaces avec ces appareils qui modulent lnergie lectrique fournie au moteur. Les variateurs de vitesse et les dmarreurs lectroniques ont donc des protections intgres. Les variateurs modernes assurent en gnral la protection de surcharge des moteurs et leur propre protection. A partir de la mesure du courant et dune information sur la vitesse, un microprocesseur calcule llvation de temprature du moteur et fournit un signal dalarme ou de dclenchement en cas dchauffement excessif. De plus, les informations labores par la protection thermique incorpore au variateur peuvent tre changes avec un automate ou un superviseur par la liaison de communication dont sont munis les variateurs et dmarreurs les plus volus. La variation de vitesse fait lobjet de la section 5.5 de ce chapitre.

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A Fig. 2

Variateur de vitesse (ATV58H - Telemecanique)

b La commutation ou commandev La fonction de commandePar commander , il faut comprendre fermer (tablir) et ouvrir (interrompre) un circuit lectrique en charge. La fonction commande est ralise par les interrupteurs voir mme par les disjoncteurs-moteurs, dmarreurs et variateurs de vitesse. Mais le contacteur est le produit le plus utilis pour raliser cette fonction car il permet la commande distance (tlcommande). Pour les moteurs, cet organe de commande doit permettre un grand nombre de manuvres (durabilit lectrique) et tre conforme aux normes CEI 60947-4-1.

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5.2

Les fonctions de base des dparts-moteurs

Selon ces normes, sur ce matriel, les constructeurs doivent prciser les caractristiques suivantes : Circuit de commande - nature du courant de commande, ainsi que sa frquence dans le cas du courant alternatif, - tension assigne des circuits de commande (Uc) ou tension dalimentation de commande (Us). Circuit de puissance - tension assigne d'emploi (Ue) : elle sexprime gnralement par la tension entre phases. Elle dtermine l'emploi des circuits auxquels se rapportent les pouvoirs de fermeture et de coupure, le type de service et les caractristiques de dmarrage, - courant assign d'emploi (Ie) ou puissance assigne demploi : Cette caractristique est dfinie par le constructeur selon des conditions demploi spcifies et tient compte notamment de la tension assigne demploi et du courant thermique conventionnel (Ith correspondant la valeur maximale du courant dessai). Dans le cas de matriels pour la commande directe d'un seul moteur, l'indication d'un courant assign d'emploi peut tre remplace ou complte par celle de la puissance maximale disponible assigne. Ces informations peuvent, dans certains cas, tre compltes par : - le service assign, avec indication de la classe de service intermittent, s'il y a lieu. Les classes dfinissent diffrents cycles de manuvres, - les pouvoirs assigns de fermeture et/ou de coupure. Ce sont des valeurs maximales de courant, fixes par le constructeur, quun matriel peut tablir (fermeture) ou interrompre (coupure) de manire satisfaisante dans des conditions spcifies. Les pouvoirs assigns de fermeture et de coupure ne sont pas forcment spcifis par le constructeur, mais la norme exige des valeurs minimales pour chaque catgorie demploi.

v Les catgories demploi des appareils de commandeLes normes de la srie CEI 60947 dfinissent des catgories demploi selon les applications dont les appareils de commande sont destins (C Fig. 3). Chaque catgorie est caractrise par une ou plusieurs conditions de service telles que : - des courants, - des tensions, - le facteur de puissance ou constante de temps, - et si ncessaire, dautres conditions de service.Nature du courant Courant alternatif Catgories demploi AC-1 AC-2 Applications caractristiques Charges non inductives ou faiblement inductives, fours rsistances. Distribution dnergie (clairage, groupe lectrogne). Moteurs bagues : dmarrage, coupure. Equipement service intensif (levage, manutention, broyeurs, train de laminoir). Moteurs cage : dmarrage, coupure des moteurs lancs*. Commande moteur (pompes, compresseurs, ventilateurs, machine outils, transporteurs, presses). Moteurs cage : dmarrage, inversion de marche, marche par -coups. Equipement service intensif (levage, manutention, broyeurs, train de laminoir). Charges non inductives ou faiblement inductives, fours rsistances. Moteurs shunt : dmarrage, inversion de marche, marche par -coups. Coupure dynamique de moteurs pour courant continu. Moteurs srie : dmarrage, inversion de marche, marche par -coups. Coupure dynamique de moteurs pour courant continu.

AC-3

AC-4

Courant continu

DC-1 DC-3 DC-5

* La catgorie AC-3 peut tre utilise pour des marches par -coups ou des inversions de marche de manuvres occasionnelles de dure limite, telles que le montage d'une machine ; le nombre de ces manuvres pendant ces dures limites ne dpasse pas normalement cinq manuvres par minute ni plus de dix pour une dure de 10 min.

A Fig. 3

Les diffrentes catgories demploi des contacteurs selon CEI 60947-1

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5.2 5.3

Les fonctions de base des dparts-moteurs Une fonction complmentaire : la communication

Sont ainsi prises en compte, par exemple : - les conditions dtablissement et de coupure de courant, - la nature du rcepteur contrl (moteur cage, moteur bagues, rsistance), - les conditions dans lesquelles seffectuent les fermetures et les ouvertures (moteur lanc, moteur cal, en cours de dmarrage, freinage en contre-courant, etc.).

v Choisir un contacteurLes catgories demploi dfinies dans la norme permettent une premire slection dun matriel mme de rpondre aux exigences de lapplication laquelle est destine le moteur. Cependant dautres contraintes sont prendre en compte, contraintes qui ne sont pas toutes caractrises par la norme. Il en est ainsi des facteurs extrieurs lapplication : conditions climatiques (temprature, humidit), situation gographique (altitude, bord de mer), etc. Dans certaines situations, la fiabilit de lquipement peut aussi tre un facteur critique, notamment lorsque la maintenance est difficile. Lendurance lectrique (durabilit des contacts) des appareils (contacteur) est alors une caractristique importante. Il est alors ncessaire de disposer de catalogues complets et prcis pour vrifier que tous ces impratifs sont respects par le matriel retenu.

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5.3

Une fonction complmentaire : la communicationb La communication est une fonction devenue quasiment incontournableDans les processus et les systmes de production industriels, elle permet distance de contrler, dinterroger diffrents organes, et de piloter les machines dun systme de production. Pour une telle communication entre tous les lments dun systme de production, des composants ou modules communicants (C Fig. 4) sont intgrs dans bon nombre dappareils y compris des appareils de protection tels que des relais multifonctions ou encore des dpartsmoteurs.

b Lapport de la communicationA Fig. 4 Le dmarreur contrleur avec son module de communication Modbus (Tesys U - Telemecanique)

Avec des modules de communication tels que AS-I, Modbus, Profibus, etc., outre le pilotage dun moteur (tlcommande marche-arrt du dmarreur-moteur), il est par exemple possible de connatre, distance, la charge moteur (mesure du courant), et/ou les dfauts existants (surintensits, surcharges, etc.) ou passs (historique). Lutilisation de la communication, en plus dtre utile pour lintgration des protections dans les processus dautomatismes industriels, apporte les services suivants : - pr alarmes permettant danticiper lapparition dun dfaut, - historique des dfauts permettant de rechercher et didentifier un vnement rcurent, - aide la mise en service, - aide la maintenance en identifiant une drive des conditions de fonctionnement. Elle concoure donc lamlioration de la gestion des quipements avec une consquence positive sur les rsultats conomiques.

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5.4

Dparts-moteurs et coordination

5.4

Dparts-moteurs et coordinationb Les solutions dparts-moteursComme expliqu en dbut de ce chapitre, les principales fonctions que doit assurer un dpart-moteur (sectionnement, commande et protection contre les courts-circuits et les surcharges), peuvent tre ralises par diffrents quipements. Trois associations dappareils sont possibles (CFig. 5) pour quun dpart moteur remplisse bien toutes ces fonctions, mais elles ncessitent la compatibilit entre les caractristiques de chacun des appareils associs. La solution tout en Un Un seul et mme appareil runit les trois fonctions. Ses performances globales sont garanties par son constructeur. Pour lutilisateur, du bureau dtude linstallation, cest la solution la plus simple : facile mettre en uvre (peu de cblage) et choix immdiat (pas dtude particulire). La solution 2 appareils Disjoncteur magntothermique + contacteur La compatibilit entre les caractristiques des deux appareils est vrifier par lutilisateur. La solution 3 appareils Disjoncteur magntique + contacteur + relais de surcharge. Elle permet de couvrir un large domaine de puissance. Cette association ncessite une tude de compatibilit pour le choix des appareils et dimplantation pour leur montage sur chssis ou dans une enveloppe. Ce travail (compatibilit, choix et implantation) nest pas toujours vident pour les utilisateurs car il faut runir les caractristiques des diffrents appareils et savoir les comparer. Cest pourquoi les constructeurs tudient puis proposent dans leurs catalogues des associations dappareils. Dans la mme dmarche, ils sefforcent de trouver des combinaisons optimales entre les protections : cest la notion de coordination.

A Fig. 5

Les trois associations possibles dappareils pour raliser un dpart-moteur

b La coordination entre les protections et la commandeCette coordination est la combinaison optimale des diffrentes protections (contre les courts-circuits et les surcharges) et de lorgane de commande (contacteur) qui composent un dpart-moteur. Etudie pour une puissance donne, elle permet de protger au mieux les quipements commands par ce dpart-moteur (C Fig. 6).

v Les principes de la coordinationPour le bon fonctionnement dun dpart-moteur, la coordination entre tous les appareils doit valider simultanment les points suivants : - le relais de surcharge doit protger le disjoncteur magntique dans la zone de surcharge : sa courbe "1" doit passer en dessous de celle de la tenue thermique du disjoncteur, - et inversement dans les zones de court-circuit, pour protger le relais thermique, la courbe de dclenchement aux courts-circuits doit passer en dessous de celle de la tenue thermique du relais, - enfin, pour que le contacteur soit protg, sa limite de tenue thermique doit tre au-dessus des courbes des deux dclencheurs thermique "1" et magntique "3" (ou fusible "2"). A noter que la norme fixe des courants limites dessai : - jusqu' 0.75 Ic seule la protection thermique doit intervenir, - partir de 1.25 Ic seule la protection contre les courts-circuits doit intervenir.A Fig. 6 Les principes de la coordination

La coordination prsente le double avantage de rduire les cots dquipement et de maintenance puisque les diffrentes protections se compltent le plus exactement possible, sans redondance inutile.

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5.4

Dparts-moteurs et coordination

v Les diffrents types de coordinationDeux types de coordination (type 1 et type 2) sont dfinis par la CEI 60947-4-1. Coordination type 1 : cest la solution standard, la plus utilise. Elle exige qu'en condition de court-circuit, le contacteur ou le dmarreur n'occasionne pas de danger aux personnes ou aux installations. Elle accepte que des rparations ou remplacements de pices soient ncessaires avant la remise en service. Coordination type 2 : cest la solution haute performance ; elle exige qu'en condition de court-circuit, le contacteur ou le dmarreur n'occasionne pas de danger aux personnes ou aux installations et quil soit en mesure de fonctionner ensuite. Le risque de soudure des contacts est admis; dans ce cas, le constructeur doit indiquer les mesures prendre en ce qui concerne la maintenance du matriel. Il existe une solution trs haute performance, ralise par les ACP et propose par quelques constructeurs, cest la Coordination totale . Cette coordination exige qu'en condition de court-circuit, le contacteur ou le dmarreur n'occasionne pas de danger aux personnes ou aux installations et quil soit en mesure de fonctionner ensuite. Le risque de soudure des contacts nest pas admis ; le redmarrage du dpart moteur doit pouvoir tre immdiat.

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v ACP Principes de baseLes ACP ou dmarreurs-contrleurs sont conus pour remplir simultanment les fonctions de commande et de protection (surcharge et court-circuit), de plus ils sont prvus pour pouvoir raliser des commandes en condition de court-circuit. Ils peuvent aussi assurer des fonctions complmentaires telles que le sectionnement permettant ainsi de remplir compltement la fonction de dpart-moteur . Ils rpondent la norme CEI 60947-6-2, qui dfinit notamment les valeurs assignes et les catgories demploi des ACP, limage des normes CEI 60947-1 et 60947-4-1. Les diffrentes fonctions ralises par un ACP sont associes et coordonnes de manire permettre la continuit de service tous les courants jusquau pouvoir assign de coupure de service en court-circuit Ics de lACP. Ce dernier peut ou non comporter un seul appareil, mais ses caractristiques sont toujours assignes comme pour un seul appareil. De plus, la garantie dune coordination totale entre toutes les fonctions assure lutilisateur le choix simple dune protection optimale facile mettre en uvre. Bien que prsent sous la forme dun seul appareil, un ACP peut offrir une modularit identique voire suprieure une solution dpart-moteur trois produits . Cest le cas du dmarreur-contrleur Tesys U de la marque Telemecanique (C Fig. 7). Ce dernier permet dintroduire ou de changer tout moment une unit de contrle intgrant les fonctions de protection et de commande pour des moteurs de 0.15 A jusqu 32 A, dans une base puissance ou embase gnrique de calibre 32 A. Des fonctionnalits supplmentaires peuvent galement tre implantes au niveau : de la puissance : bloc inverseur, limiteur du contrle - modules fonctions : alarmes, charge moteur, rarmement automatique, etc. - modules de communication : AS-I, Modbus, Profibus, CAN-Open, etc. - modules de contacts auxiliaires, contacts additifs.

A Fig. 7

Exemple de modularit dun ACP (dmarreur contrleur Tesys U - Telemecanique)

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5.4

Dparts-moteurs et coordination

Des possibilits de communication volues sont galement apportes par ce systme (C Fig. 8).Fonctions possibles : Standards Etats du dmarreur (prt, en marche, en dfaut) Alarmes (surintensits, etc.) Alarme thermique Rarmement distance par le bus Indication de la charge moteur Diffrenciation des dfauts Paramtrage et consultation des fonctions de protection Fonction historique Fonction surveillance Commandes de Marche et dArrtInformations vhicules par le bus (Modbus) et fonctions ralises

Units de contrle : Evolutives

Multifonctions

A Fig. 8

Les fonctions de communication de Thesys U

v Quelle coordination choisir ?Le choix du type de coordination dpend des paramtres d'exploitation. Il doit tre fait de faon obtenir l'adquation besoin de l'utilisateur/cot de l'installation optimise : Type 1 Acceptable lorsque la continuit de service nest pas exige et que la remise en service peut se faire aprs remplacement des lments dfaillants. Dans ce cas, le service entretien doit tre efficace (disponible et comptent). Lavantage est un cot d'appareillage rduit. Type 2 A retenir lorsque la continuit de service est exige. Il ncessite un service dentretien rduit. Coordination totale Lorsque le redmarrage immdiat du moteur est ncessaire. Aucun service dentretien nest ncessaire. Les coordinations proposes dans les catalogues des constructeurs simplifient le choix de lutilisateur et lui assure la conformit de son dpart-moteur vis--vis de la norme.

b La slectivitDans une installation lectrique, les rcepteurs sont relis aux gnrateurs travers une succession de dispositifs de sectionnement, de protection et de commande. Sans une tude de slectivit bien mise en uvre, un dfaut lectrique peut solliciter plusieurs dispositifs de protection. Ainsi un seul dfaut peut provoquer la mise hors tension dune partie plus ou moins grande de linstallation. Il en rsulte une perte supplmentaire de disponibilit de lnergie lectrique sur des dparts sains. Pour viter cette perte, dans le cadre dune distribution radiale (C Fig. 9), le but de la slectivit est de dconnecter du rseau le dpart ou moteur en dfaut et seulement celui-ci, en maintenant sous tension la plus grande partie possible de linstallation. La slectivit permet ainsi dallier scurit et continuit de service, de plus elle facilite la localisation du dfaut.

A Fig. 9

Principe de la slectivit : en cas de dfaut, seul D2 souvre

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5.4 5.5

Dparts-moteurs et coordination Les variateurs de vitesse

Pour garantir une continuit de service maximale, il est ncessaire demployer des dispositifs de protection coordonns entre eux. Pour cela diffrentes techniques sont utilises qui permettent dobtenir, soit une slectivit dite totale, si elle est garantie pour toutes les valeurs du courant de dfaut, jusqu la valeur maximale disponible dans linstallation, soit dite partielle dans le cas contraire.

v Les diffrentes techniques de slectivitIl existe plusieurs types de slectivit : ampremtrique, en utilisant un cart entre les seuils de dclenchement des disjoncteurs placs en srie. chronomtrique, en retardant de quelques dizaines ou centaines de millisecondes le dclenchement du disjoncteur amont, ou encore en exploitant les caractristiques normales de fonctionnement lies aux calibres des appareils. Ainsi la slectivit peut-tre assure entre deux relais de surcharge en respectant la condition Ir1 > 1,6. Ir2 (avec r1 en amont de r2). Sellim ou nergtique , dans le domaine de la distribution lectrique, en plaant en amont un disjoncteur limiteur qui souvre pendant le temps ncessaire au fonctionnement du disjoncteur aval, puis se referme. logique, en communiquant d'un disjoncteur l'autre l'information de dpassement de seuil et laissant la possibilit douverture au disjoncteur le plus en aval. Des informations dtailles sont disponibles dans le Cahier Technique Schneider-Electric n167.

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v La slectivit dans les processPour les quipements de commande de process (chanes de fabrication, units de production chimiques, etc.), les techniques de slectivit les plus employes entre les dparts-moteurs et la distribution lectrique alimentant ces process sont gnralement du type ampremtrique et chronomtrique. Dans la plupart des cas, la slectivit est assure grce au pouvoir limiteur ou ultra-limiteur des dparts-moteurs.

5.5

Les variateurs de vitesseCette section aborde en dtail tous les aspects de la variation de vitesse. Certaines technologies trs spcifiques : cyclo convertisseurs, cascade hypo-synchrone, convertisseur onde de courant pour moteur synchrone ou asynchrone, pour nen citer que quelques unes, ne sont pas abordes. Lutilisation de ces variateurs est trs spcifique et rserve des marchs particuliers. Des ouvrages spcialiss leur sont consacrs. Le lecteur intress trouvera une description exhaustive dans les ouvrages, Entranement lectrique vitesse variable, Bonal (Jean) et Sguier (Guy), Ed.Tec et Doc et Utilisation industrielle des moteurs courant alternatif, Bonal (Jean), Ed.Tec et Doc. La variation de vitesse pour moteur courant continu, largement supplante par la variation de vitesse par convertisseur de frquence est cependant dcrite, car la comprhension du principe de fonctionnement permet daborder facilement certaines spcificits et caractristiques de la variation de vitesse dans son ensemble.

b Historique et rappelsv HistoriquePour dmarrer les moteurs lectriques et contrler leur vitesse, les dmarreurs rhostatiques, les variateurs mcaniques et les groupes tournants (Ward Leonard en particulier) ont t les premires solutions ; puis les dmarreurs et les variateurs lectroniques se sont imposs dans lindustrie comme la solution moderne, conomique, fiable et sans entretien.

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5.5

Les variateurs de vitesse

Un variateur ou un dmarreur lectronique est un convertisseur dnergie dont le rle consiste moduler lnergie lectrique fournie au moteur. Les dmarreurs lectroniques sont exclusivement destins aux moteurs asynchrones. Ils font partis de la famille des gradateurs de tension. Les variateurs de vitesse assurent une mise en vitesse et une dclration progressives, ils permettent une adaptation prcise de la vitesse aux conditions dexploitation. Les variateurs de vitesse sont du type redresseur contrl pour alimenter les moteurs courant continu, ceux destins aux moteurs courant alternatif sont des convertisseurs de frquence. Historiquement, le variateur lectronique pour moteur courant continu a t la premire solution offerte. Les progrs de llectronique de puissance et de la microlectronique ont permis la ralisation de convertisseurs de frquence fiables et conomiques. Les convertisseurs de frquence modernes permettent lalimentation de moteurs asynchrones standards avec des performances analogues aux meilleurs variateurs de vitesse courant continu. Certains constructeurs proposent mme des moteurs asynchrones avec des variateurs de vitesse lectroniques incorpors dans une bote bornes adapte ; cette solution est propose pour des ensembles de puissance rduite (quelques kW). En fin de ce chapitre, sont voques les volutions rcentes des variateurs de vitesse et la tendance qui se dessine chez les constructeurs. Ces volutions lgantes largissent notablement loffre et les possibilits des variateurs.

v Rappels : les principales fonctions des dmarreurs et des variateurs de vitesse lectroniques Acclration contrle La mise en vitesse du moteur est contrle au moyen dune rampe dacclration linaire ou en S . Cette rampe est gnralement rglable et permet par consquent de choisir le temps de mise en vitesse appropri lapplication. Variation de vitesse Un variateur de vitesse peut ne pas tre en mme temps rgulateur. Dans ce cas, cest un systme, rudimentaire, qui possde une commande labore partir des grandeurs lectriques du moteur avec amplification de puissance, mais sans boucle de retour : il est dit en boucle ouverte . La vitesse du moteur est dfinie par une grandeur dentre (tension ou courant) appele consigne ou rfrence. Pour une valeur donne de la consigne, cette vitesse peut varier en fonction des perturbations (variations de la tension dalimentation, de la charge et de la temprature). La plage de vitesse sexprime en fonction de la vitesse nominale. Rgulation de vitesse Un rgulateur de vitesse est un variateur asservi (C Fig. 10). Il possde un systme de commande avec amplification de puissance et une boucle de retour : il est dit en boucle ferme . La vitesse du moteur est dfinie par une consigne. La valeur de la consigne est en permanence compare un signal de retour, image de la vitesse du moteur. Ce signal est dlivr par une gnratrice tachymtrique ou un gnrateur dimpulsions mont en bout darbre du moteur ou encore par un estimateur qui dtermine la vitesse du moteur partir de grandeurs lectriques disponibles dans le variateur. Les convertisseurs de frquence alimentant les moteurs asynchrones en sont frquemment dots. Si un cart est dtect suite une variation de la vitesse, les grandeurs appliques au moteur (tension et/ou frquence) sont automatiquement corriges de faon ramener la vitesse sa valeur initiale. Grce la rgulation, la vitesse est pratiquement insensible aux perturbations.

A Fig. 10

Principe de la rgulation de vitesse

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5.5

Les variateurs de vitesse

La prcision dun rgulateur est gnralement exprime en % de la valeur nominale de la grandeur rguler. Dclration contrle Quand un moteur est mis hors tension, sa dclration est due uniquement au couple rsistant de la machine (dclration naturelle). Les dmarreurs et variateurs lectroniques permettent de contrler la dclration au moyen dune rampe linaire ou en S , gnralement indpendante de la rampe dacclration. Cette rampe peut tre rgle de manire obtenir un temps de passage de la vitesse en rgime tabli une vitesse intermdiaire ou nulle : - si la dclration dsire est plus rapide que la dclration naturelle, le moteur doit dvelopper un couple rsistant qui vient sadditionner au couple rsistant de la machine, on parle alors de freinage lectrique qui peut seffectuer, soit par renvoi dnergie au rseau dalimentation, soit par dissipation dans une rsistance de freinage, - si la dclration dsire est plus lente que la dclration naturelle, le moteur doit dvelopper un couple moteur suprieur au couple rsistant de la machine et continuer entraner la charge jusqu larrt. Inversion du sens de marche Linversion de la tension dalimentation (variateurs pour moteur courant continu) ou linversion de lordre des phases dalimentation du moteur est ralise automatiquement, soit par inversion de la consigne lentre, soit par un ordre logique sur une borne, soit par une information transmise par une connexion rseau. La majorit des variateurs actuels pour moteurs alternatifs permettent cette fonction en standard. Freinage darrt Ce freinage consiste arrter un moteur sans pour autant contrler la rampe de ralentissement. Pour les dmarreurs et variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones, ceci est ralis de manire conomique en injectant du courant continu dans le moteur avec un fonctionnement particulier de ltage de puissance. Toute lnergie mcanique est dissipe dans le rotor de la machine et, de ce fait, ce freinage ne peut tre quintermittent. Sur un variateur pour moteur courant continu, cette fonction sera assure en connectant une rsistance aux bornes de linduit. Protections intgres Les variateurs modernes assurent en gnral la protection thermique des moteurs et leur propre protection. A partir de la mesure du courant et dune information sur la vitesse (si la ventilation du moteur dpend de sa vitesse de rotation), un microprocesseur calcule llvation de temprature du moteur et fournit un signal dalarme ou de dclenchement en cas dchauffement excessif. Les variateurs, et notamment les convertisseurs de frquence, sont dautre part frquemment quips de protections contre : - les courts-circuits entre phases et entre phase et terre, - les surtensions et les chutes de tension, - les dsquilibres de phases, - la marche en monophas.

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b Les principaux modes de fonctionnement et principaux typesde variateurs lectroniquesLes paragraphes qui suivent sont un expos des principes fondamentaux.

v Les principaux modes de fonctionnementLes variateurs de vitesse peuvent, selon le convertisseur lectronique, soit faire fonctionner un moteur dans un seul sens de rotation, ils sont alors dits unidirectionnels , soit commander les deux sens de rotation, ils sont alors dits bidirectionnels .107

5 - Dparts moteurs

5.5

Les variateurs de vitesse

Les variateurs peuvent tre rversibles lorsquils peuvent rcuprer lnergie du moteur fonctionnant en gnrateur (mode freinage). La rversibilit est obtenue soit par un renvoi dnergie sur le rseau (pont dentre rversible), soit en dissipant lnergie rcupre dans une rsistance avec un hacheur de freinage. La figure 11 illustre les quatre situations possibles dans le diagramme couple-vitesse dune machine rsumes dans le tableau associ. A noter que lorsque la machine fonctionne en gnrateur, elle doit bnficier dune force dentranement. Cet tat est notamment exploit pour le freinage. Lnergie cintique alors prsente sur larbre de la machine est soit transfre au rseau dalimentation, soit dissipe dans des rsistances ou, pour les petites puissances, dans les pertes de la machine. Variateur unidirectionnel Ce type de variateur le plus souvent non rversible est ralis pour :A Fig. 11 LLes quatre situations possibles dune machine dans son diagramme couple vitesse

- un moteur courant continu, avec un convertisseur direct (CA => CC) comportant un pont mixte diodes et thyristors (C Fig.12a I), - un moteur courant alternatif, avec un convertisseur indirect (avec transformation intermdiaire en courant continu) comportant en entre un pont de diodes suivi dun convertisseur de frquence qui fait fonctionner la machine dans le quadrant 1 (C Fig.12a II). Dans certains cas, ce montage peut tre exploit en bidirectionnel (quadrants 1 et 3). Un convertisseur indirect comportant un hacheur de freinage et une rsistance correctement dimensionne convient parfaitement pour un freinage momentan (ralentissement ou sur un engin de levage quand le moteur doit dvelopper un couple de freinage en descente pour retenir la charge).

I

II

En cas de fonctionnement prolong avec une charge entranante, un convertisseur rversible est indispensable car la charge restitue de la puissance en permanence, exemple : un moteur utilis en frein sur un banc dessai. Variateur bidirectionnel Ce type de variateur peut tre un convertisseur rversible ou non rversible. Sil est rversible, la machine fonctionne dans les quatre quadrants (C Fig.11) et peut permettre le fonctionnement en freinage permanent. Sil est non rversible, la machine ne fonctionne que dans les quadrants 1 et 3. La conception et le dimensionnement du variateur ou du dmarreur sont directement affects par la nature de la charge entrane. En particulier en ce qui concerne les capacits de fournir un couple suffisant pour la mise en vitesse. Les diffrentes familles de machines et leurs courbes caractristiques sont traites dans le chapitre Moteurs et charges.

A Fig. 12a

LSchmas de principe : [I] convertisseur direct pont mixte ; [II] convertisseur indirect avec (1) pont de diodes en entre, (2) dispositif de freinage (rsistance et hacheur), (3) convertisseur de frquence

v Les principaux types de variateursSeuls les variateurs les plus courants et les ralisations technologiques usuelles sont cits dans cette section. Il existe, en effet, de nombreux schmas de variateurs de vitesse lectroniques : - cascade hyposynchrone, - cycloconvertisseurs, - commutateurs de courant, hacheurs, etc. Le lecteur intress trouvera une description exhaustive dans les ouvrages Entranement lectrique vitesse variable Bonal (Jean) et Sguier (Guy), Ed. Tec et Doc et Utilisation industrielle des moteurs courant alternatif Bonal (Jean), Ed. Tec et Doc.

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5 - Dparts moteurs

5.5

Les variateurs de vitesse

Redresseur contrl pour moteur courant continu Il fournit, partir dun rseau alternatif monophas ou triphas, un courant continu avec un contrle de la valeur moyenne de la tension. Les semi-conducteurs de puissance sont assembls en pont de Gratz, monophas ou triphas (C Fig.12b). Le pont peut tre mixte (diodes / thyristors) ou complet (tout thyristor).A Fig. 12b LSchma dun redresseur contrl pour moteur courant continu

Cette dernire solution est la plus frquente car elle permet un meilleur facteur de forme du courant dlivr. Le moteur courant continu est le plus souvent excitation spare, sauf dans les petites puissances o les moteurs aimants permanents sont assez frquents. Lutilisation de ce type de variateur de vitesse est bien adapte pour toute application. Les seules limites sont imposes par le moteur courant continu, en particulier la difficult dobtention de vitesses leves et la ncessit de maintenance (remplacement des balais). Les moteurs courant continu et leur variateurs associs ont t les premires solutions industrielles. Depuis plus dune dcennie, leur usage est en constante diminution au profit des convertisseurs de frquence. En effet, le moteur asynchrone est la fois plus robuste et plus conomique quun moteur courant continu. Contrairement aux moteurs courant continu, standardiss en enveloppe IP55, il est aussi pratiquement insensible lenvironnement (ruissellement, poussires, ambiances dangereuses, etc.). Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone Il fournit, partir dun rseau alternatif frquence fixe, une tension alternative triphase de valeur efficace et de frquence variable (C Fig.13). Lalimentation du variateur pourra tre monophase pour les faibles puissances (ordre de grandeur de quelques kW) et triphase au-del.

5

A Fig. 13

LSchma de principe dun convertisseur de frquence

Certains variateurs de petite puissance acceptent indiffremment des tensions dalimentation monophases et triphases. La tension de sortie du variateur est toujours triphase. De fait, les moteurs asynchrones monophass sont mal adapts lalimentation par convertisseur de frquence. Les convertisseurs de frquence alimentent des moteurs cage standard avec tous les avantages lis ces moteurs : standardisation, faible cot, robustesse, tanchit, aucun entretien. Ces moteurs tant auto-ventils, leur seule limite demploi est leur utilisation prolonge basse vitesse en raison de la rduction de cette ventilation. Si un tel fonctionnement est souhait, il faut prvoir un moteur spcial quip dune ventilation force indpendante. Gradateur de tension pour le dmarrage des moteurs asynchrones Ce type de variateur (connu galement sous le nom de soft starter, voir galement le chapitre Moteurs et Charges) est presque exclusivement utilis pour le dmarrage des moteurs. Par le pass, associ des moteurs spciaux (moteurs cage rsistante), il tait utilis pour raliser la variation de vitesse de ces moteurs. Ce dispositif fournit, partir dun rseau alternatif, une tension variable de mme frquence. Le schma le plus usuel comporte deux thyristors monts tte-bche dans chaque phase du moteur (C Fig.14). Le mme gradateur peut tre utilis pour raliser une dclration programme. Une fois le dmarrage effectu, le gradateur peut tre court cicuit par un contacteur et tre utilis pour le dmarrage dun autre moteur.

A Fig. 14

LDmarreur de moteurs asynchrones et forme du courant dalimentation

Ce type dutilisation est frquent dans les stations de pompage, un seul dmarreur tant utilis pour mettre en service une pompe supplmentaire en fonction des besoins du rseau dutilisation. Le schma de principe est expos dans le chapitre Moteurs et charges.

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5 - Dparts moteurs

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniquesb StructureLes dmarreurs et les variateurs de vitesse lectroniques sont composs de deux modules gnralement regroups dans une mme enveloppe (C Fig.15) : - un module de contrle qui gre le fonctionnement de lappareil, - un module de puissance qui alimente le moteur en nergie lectrique.

v Le module de contrleSur les dmarreurs et les variateurs modernes, toutes les fonctions sont commandes par un microprocesseur qui exploite les rglages, les ordres transmis par un oprateur ou par une unit de traitement, et les rsultats de mesure comme la vitesse, le courant, etc. Les capacits de calcul des microprocesseurs ainsi que des circuits ddis (ASIC) ont permis de raliser des algorithmes de commandes extrmement performants et, en particulier, la reconnaissance des paramtres de la machine entrane. A partir de ces informations, le microprocesseur gre les rampes dacclration et de dclration, lasservissement de vitesse, la limitation de courant, et gnre la commande des composants de puissance. Les protections et les scurits sont traites par des circuits spcialiss (ASIC) ou intgres dans les modules de puissance (IPM). Les rglages (limites de vitesse, rampes, limitation de courant, etc.) se font soit par claviers intgrs, soit partir dautomates par des bus de terrain ou de PC pour charger des rglages standard. De mme, les diffrents ordres (marche, arrt, freinage, etc.) peuvent tre donns partir dinterfaces de dialogue homme/machine, par des automates programmables ou par des PC. Les paramtres de fonctionnement et les informations dalarme et de dfauts peuvent tre visualiss par des voyants, des diodes lectroluminescentes, des afficheurs segments ou cristaux liquides, ou dports vers des superviseurs par des bus de terrains. Des relais, souvent programmables, donnent des informations de : - dfaut (rseau, thermique, produit, squence, surcharge, etc.), - surveillance (seuil de vitesse, pr alarme, fin de dmarrage).A Fig. 15 LStructure gnrale dun variateur de vitesse lectronique

Les tensions ncessaires pour lensemble des circuits de mesure et de contrle sont fournies par une alimentation intgre au variateur et spare galvaniquement du rseau.

v Le module de puissanceLe module de puissance est principalement constitu de : - composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT, etc.), - interfaces de mesure des tensions et/ou des courants, - et frquemment dun ensemble de ventilation. Les composants de puissance Les composants de puissance sont des semi-conducteurs fonctionnant en tout ou rien, donc comparables des interrupteurs statiques pouvant prendre les deux tats : passant ou bloqu. Ces composants, associs dans un module de puissance, constituent un convertisseur qui alimente, partir du rseau tension et frquence fixes, un moteur lectrique sous une tension et/ou une frquence variable. Les composants de puissance sont la clef de vote de la variation de vitesse et les progrs raliss ces dernires annes ont permis la ralisation de variateurs de vitesse conomiques.Les matriaux semi-conducteurs, tels que le silicium, ont une rsistivit qui se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants.

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5 - Dparts moteurs

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques

Leurs atomes possdent 4 lectrons priphriques. Chaque atome sassocie avec 4 atomes voisins pour former une structure stable 8 lectrons. Un semi-conducteur de type P sobtient en incorporant au silicium pur une faible proportion dun corps dont les atomes possdent 3 lectrons priphriques. Il manque donc un lectron pour former une structure 8 lectrons, ce qui se traduit par un excdent de charges positives. Un semi-conducteur de type N sobtient en incorporant un corps dont les atomes ont 5 lectrons priphriques. Il y a donc un excdent dlectrons, cest--dire un excdent de charges ngatives. La diode (C Fig.16a) La diode est un semi-conducteur non contrl comportant deux rgions P (anode) et N (cathode) et qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens, de lanode vers la cathode. Elle conduit quand lanode est une tension plus positive que celle de la cathode : elle se comporte alors comme un interrupteur ferm. Elle bloque le courant et se comporte comme un interrupteur ouvert, si la tension danode devient moins positive que celle de la cathode.A Fig. 16a L

La diode possde les caractristiques principales suivantes : ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur, jusqu 5 000 A pour les composants les plus puissants). ltat bloqu : - une tension maximale admissible qui peut dpasser 5 000 V crte. Le thyristor (C Fig.16b) Cest un semi-conducteur contrl constitu de quatre couches alternes : P-N-P-N. Il se comporte comme une diode par lenvoi dune impulsion lectrique sur une lectrode de commande appele gchette ou gate . Cette fermeture (ou allumage) nest possible que si lanode est une tension plus positive que la cathode. Le thyristor se bloque quand le courant qui le traverse sannule. Lnergie dallumage fournir sur la gate nest pas lie au courant commuter, et il nest pas ncessaire de maintenir un courant dans la gchette pendant la conduction du thyristor. Le thyristor possde les caractristiques principales suivantes : ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur, jusqu 5 000 A pour les composants les plus puissants). ltat bloqu : - une tension inverse et directe maximale admissible (pouvant dpasser 5 000 V crte), - en gnral les tensions directes et inverses sont identiques, - un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel une tension anode cathode positive ne peut tre applique au composant sous peine de le voir se ramorcer spontanment, - un courant de gchette permettant lallumage du composant. Il existe des thyristors destins fonctionner la frquence du rseau, dautres dits rapides pouvant fonctionner quelques kilohertz, en disposant dun circuit dextinction. Les thyristors rapides ont parfois des tensions de blocage directe et inverse dissymtriques. En effet dans les schmas usuels, ils sont souvent associs une diode connecte en antiparallle et les fabricants de semi-conducteurs utilisent

5

A Fig. 16b

L

111

5 - Dparts moteurs

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques

cette particularit pour augmenter la tension directe que le composant peut supporter ltat bloqu. Ces composants sont maintenant compltement supplants par le GTO, les transistors de puissance et surtout les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor) (C Fig.16c) Cest une variante du thyristor rapide qui prsente la particularit de pouvoir tre bloqu par sa gchette. Un courant positif envoy dans la gchette ou gate entrane la mise en conduction du semi-conducteur condition que lanode soit une tension plus positive que la cathode. Pour maintenir le GTO conducteur et limiter la chute de tension, le courant de gchette doit tre maintenu. Ce courant est en gnral trs infrieur celui ncessaire pour initialiser la mise en conduction. Le blocage seffectue en inversant la polarit du courant de gchette. Le GTO est utilis sur les convertisseurs de trs forte puissance, car il est capable de matriser les fortes tensions et intensits (jusqu 5 000 V et 5 000 A). Cependant, en raison des progrs des IGBT, leur part de march tend samenuiser. Le thyristor GTO possde les caractristiques principales suivantes : ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant de maintien de gchette (ou gate) destin rduire la chute de tension directe, - un courant maximum permanent admissible, - un courant de blocage pour provoquer linterruption du courant. ltat bloqu : - des tensions inverse et directe maximales admissibles, souvent dissymtriques, comme avec les thyristors rapides et pour les mmes raisons, - un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel le courant dextinction doit tre maintenu sous peine de le voir se ramorcer spontanment, - un courant de gchette permettant lallumage du composant. Les GTO peuvent fonctionner des frquences de quelques kilohertz. Le transistor (C Fig.16d) Cest un semi-conducteur bipolaire contrl constitu de trois rgions alternes P-N-P ou N-P-N. Il ne laisse passer le courant que dans un seul sens : de lmetteur vers le collecteur en technologie P-N-P, du collecteur vers lmetteur en technologie N-P-N. Les transistors de puissance capables de fonctionner sous des tensions industrielles sont du type N-P-N, souvent monts en Darlington . Le transistor est un amplificateur de courant.A Fig. 16d L

A Fig. 16c

L

La valeur du courant qui le traverse est fonction du courant de commande circulant dans sa base. Mais il peut galement fonctionner en tout ou rien comme interrupteur statique : ouvert en labsence de courant de base et ferm injectant dans la base un courant suffisant pour le maintenir en tat de saturation. Cest ce deuxime mode de fonctionnement qui est utilis dans les circuits de puissance des variateurs. Les transistors bipolaires couvrent des tensions jusqu 1 200 V et acceptent des courants pouvant atteindre 800 A. Ce composant est aujourdhui remplac dans les convertisseurs par lIGBT. Dans le fonctionnement qui nous intresse, le transistor bipolaire possde les caractristiques principales suivantes : ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible,

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5 - Dparts moteurs

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques

- un gain en courant (pour maintenir le transistor satur, le courant inject dans la base doit tre suprieur au courant qui circule dans le composant, divis par le gain). ltat bloqu : - une tension directe maximale admissible. Les transistors de puissance utiliss en variation de vitesse peuvent fonctionner des frquences de quelques kilohertz. LIGBT (C Fig.16e) Cest un transistor de puissance command par une tension applique une lectrode appele grille ou gate isole du circuit de puissance, do son nom Insulated Gate Bipolar Transistor . Ce composant ncessite des nergies infimes pour faire circuler des courants importants.A Fig. 16e L

Cest aujourdhui le composant utilis en interrupteur tout ou rien dans la majorit des convertisseurs de frquence jusqu des puissances leves (de lordre du MW). Ses caractristiques tension courant sont similaires celles des transistors bipolaires, mais ses performances en nergie de commande et frquence de dcoupage sont trs nettement suprieures tous les autres semi-conducteurs. Les caractristiques des IGBT progressent trs rapidement et des composants haute tension (> 3 kV) et forts courants (plusieurs centaines dampres) sont actuellement disponibles. Le transistor IGBT possde les caractristiques principales suivantes : une tension de commande : - permettant la mise en conduction et le blocage du composant. ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible. ltat bloqu : - une tension directe maximale admissible. Les transistors IGBT utiliss en variation de vitesse peuvent fonctionner des frquences de quelques dizaines de kilohertz. Le transistor MOS (C Fig.16f) Ce composant fonctionne de manire diffrente des prcdents, par modification du champ lectrique dans un semi-conducteur obtenue en polarisant une grille isole, do lappellation : Mtal Oxyde Semiconducteur .

5

A Fig. 16f

L

Son usage en variation de vitesse est limit aux utilisations en basse tension (variateurs de vitesse aliments par batterie) ou de faible puissance, car la surface de silicium ncessaire lobtention dune tension de blocage leve avec une faible chute de tension ltat passant est conomiquement irralisable. Le transistor MOS possde les caractristiques principales suivantes : une tension de commande : - permettant la mise en conduction et le blocage du composant. ltat passant : - une rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible. ltat bloqu : - une tension directe maximale admissible (pouvant dpasser 1 000 V). Les transistors MOS utiliss en variation de vitesse peuvent fonctionner des frquences de quelques centaines de kilohertz. On les trouve de manire quasi universelle dans les tages dalimentation dcoupage, sous la forme de composants discrets ou dun circuit intgr comportant la puissance (MOS) et les circuits de commande et rgulation.113

5 - Dparts moteurs

5.6 5.7

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques Variateur-rgulateur pour moteur courant continu

LIPM (Intelligent Power Module) Ce nest pas proprement parler un semi-conducteur, mais un assemblage (C Fig.17) qui regroupe un pont onduleur transistors de puissance IGBT et leur lectronique de commande bas niveau. Sont runis dans un mme botier compact : - 7 composants IGBT, dont six pour le pont onduleur et un pour le freinage, - les circuits de commande des IGBT, - 7 diodes de puissance de roue libre associes aux IGBT pour permettre la circulation du courant, - des protections contre les courts-circuits, les surintensits et les dpassements de temprature, - lisolation galvanique de ce module. Le pont redresseur diodes est le plus souvent intgr ce mme module. Cet assemblage permet de matriser au mieux les contraintes de cblage et de commande des IGBT.

A Fig. 17

LModule IPM (Intelligent Power Module)

5.7

Variateur-rgulateur pour moteur courant continub Principe gnralLanctre des variateurs de vitesse pour moteur courant continu est le groupe Ward Leonard (C chapitre 3 Moteurs et charges). Ce groupe, constitu dun moteur dentranement, gnralement asynchrone, et dune gnratrice courant continu excitation variable, alimente un ou des moteurs courant continu. Lexcitation est rgle par un dispositif lectromcanique (Amplidyne, Rototrol, Regulex), ou par un systme statique (amplificateur magntique ou rgulateur lectronique). Ce dispositif est aujourdhui totalement abandonn au profit des variateurs de vitesse semi-conducteurs qui ralisent de manire statique les mmes oprations avec des performances suprieures. Les variateurs de vitesse lectroniques sont aliments sous une tension fixe partir du rseau alternatif et fournissent au moteur une tension continue variable. Un pont de diodes ou un pont thyristors, en gnral monophas, permet lalimentation du circuit dexcitation. Le circuit de puissance est un redresseur. La tension dlivrer devant tre variable, ce redresseur doit tre du type contrl, cest--dire comporter des composants de puissance dont la conduction peut tre commande (thyristors). La variation de la tension de sortie est obtenue en limitant plus ou moins le temps de conduction pendant chaque demipriode. Plus lamorage du thyristor est retard par rapport au zro de la demipriode, plus la valeur moyenne de la tension est rduite et, de ce fait, la vitesse du moteur plus faible (rappelons que lextinction dun thyristor intervient automatiquement quand le courant passe par zro). Pour des variateurs de faible puissance, ou des variateurs aliments par une batterie daccumulateurs, le circuit de puissance, parfois constitu de transistors de puissance (hacheur), fait varier la tension continue de sortie en ajustant le temps de conduction. Ce mode de fonctionnement est dnomm MLI (Modulation de Largeur dImpulsion).

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5 - Dparts moteurs

5.7

Variateur-rgulateur pour moteur courant continu

b RgulationLa rgulation consiste maintenir avec prcision la vitesse la valeur impose en dpit des perturbations (variation du couple rsistant, de la tension dalimentation et de la temprature). Toutefois, lors des acclrations ou en cas de surcharge, Iintensit du courant ne doit pas atteindre une valeur dangereuse pour le moteur ou le dispositif dalimentation. Une boucle de rgulation interne au variateur maintient le courant une valeur acceptable. Cette limite est accessible pour permettre lajustement en fonction des caractristiques du moteur. La vitesse de consigne est fixe par un signal, analogique ou numrique, transmis par lintermdiaire dun bus de terrain ou par tout autre dispositif qui dlivre une tension image de cette vitesse dsire. La rfrence peut tre fixe ou varier au cours du cycle de fonctionnement de la machine entrane. Des rampes dacclration et de dclration rglables appliquent de faon progressive la tension de rfrence correspondant la vitesse dsire. Lvolution de cette rampe peut suivre toutes les formes voulues. Le rglage des rampes dfinit la dure de lacclration et du ralentissement. En boucle ferme, la vitesse relle est mesure en permanence par une dynamo tachymtrique ou un gnrateur dimpulsions (C chapitre 6 Acquisitions de donnes) et compare la rfrence. Si un cart est constat, llectronique de contrle ralise une correction de la vitesse. La gamme de vitesse stend de quelques tours par minute jusqu la vitesse maximale. Dans cette plage de variation, on obtient aisment des prcisions meilleures que 1 % en rgulation analogique et mieux que 1 / 1 000 en rgulation numrique. En cumulant toutes les variations possibles (vide/charge, variation de tension, de temprature, etc.), cette rgulation peut galement tre effectue partir de la mesure de la tension du moteur en tenant compte du courant qui le traverse. Les performances sont dans ce cas nettement infrieures, la fois en gamme de vitesse et en prcision (quelques % entre marche vide et marche en charge).

5

b Inversion du sens de marche et freinage par rcupration dnergiePour inverser le sens de marche, il faut inverser la tension dinduit. Ceci peut tre ralis laide de contacteurs (cette solution est maintenant abandonne) ou en statique par inversion de la polarit de sortie du variateur de vitesse ou de la polarit du courant dexcitation. Cette dernire solution est peu usite en raison de la constante de temps de linducteur. Lorsquun freinage contrl est dsir ou que la nature de la charge limpose (couple entranant), il faut renvoyer lnergie au rseau. Pendant le freinage, le variateur fonctionne en onduleur, en dautres termes la puissance qui transite est ngative. Les variateurs capables deffectuer ces deux fonctionnements (inversion et freinage par rcupration dnergie) sont dots de deux ponts connects en antiparallle (C Fig.18). Chacun de ces ponts permet dinverser la tension, le courant ainsi que le signe de lnergie qui circule entre le rseau et la charge.

A Fig. 18

LSchma dun variateur avec inversion de marche et freinage par rcupration dnergie pour un moteur courant continu

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5 - Dparts moteurs

5.7 5.8

Variateur-rgulateur pour moteur courant continu Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

b Modes de fonctionnement possiblesLa nature des charges est voque avec plus de dtails dans le chapitre 3 Moteurs et charges. En ce qui concerne le fonctionnement du moteur courant continu, nous aborderons le fonctionnement couple constant et le fonctionnement puissance constante .

v Fonctionnement dit couple constant excitation constante, la vitesse du moteur est fonction de la tension applique linduit du moteur. La variation de vitesse est possible depuis larrt jusqu la tension nominale du moteur qui est choisie en fonction de la tension alternative dalimentation. Le couple moteur est proportionnel au courant dinduit et le couple nominal de la machine peut tre obtenu de manire continue toutes les vitesses.

v Fonctionnement dit puissance constante Lorsque la machine est alimente sous sa tension nominale, il est encore possible daugmenter sa vitesse en rduisant le courant dexcitation. Le variateur de vitesse doit dans ce cas comporter un pont redresseur contrl alimentant le circuit dexcitation. La tension dinduit reste alors fixe et gale la tension nominale et le courant dexcitation est ajust pour obtenir la vitesse souhaite. La puissance a pour expression : P=E.I avec E sa tension dalimentation, I le courant dinduit. La puissance, pour un courant dinduit donn, est donc constante sur toute la gamme de vitesse, mais la vitesse maximale est limite par deux paramtres : - la limite mcanique lie linduit et en particulier la force centrifuge maximale pouvant tre supporte par le collecteur, - les possibilits de commutation de la machine, en gnral plus restrictives. Le fabricant du moteur doit donc tre sollicit pour bien choisir un moteur, en particulier en fonction de la gamme de vitesse puissance constante.

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchroneLe variateur de vitesse pour moteur asynchrone reprend les mmes principes de base que le variateur pour moteur courant continu. Lapparition sur le march de variateurs de vitesse conomiques pour moteur asynchrone est assez rcente. En France, Telemecanique a t une des compagnies pionnires en la matire. Lvolution des technologies a permis la ralisation de variateurs conomiques fiables et performants.

b Principe gnralLe convertisseur de frquence, aliment tension et frquence fixes par le rseau, assure au moteur, en fonction des exigences de vitesse, son alimentation en courant alternatif tension et frquence variables. Pour alimenter convenablement un moteur asynchrone couple constant quelle que soit la vitesse, il est ncessaire de maintenir le flux constant. Ceci ncessite que la tension et la frquence voluent simultanment et dans les mmes proportions.116

5 - Dparts moteurs

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

b ConstitutionLe circuit de puissance est constitu par un redresseur et un onduleur qui, partir de la tension redresse, produit une tension damplitude et frquence variables (C Fig. 19). Pour respecter la directive CE - Communaut Europenne - et les normes associes, un filtre rseau est plac en amont du pont redresseur.

A Fig. 19

LSchma de principe dun convertisseur de frquence

v Le redresseurLe redresseur est en gnral quip dun pont redresseur diodes et dun circuit de filtrage constitu dun ou plusieurs condensateurs en fonction de la puissance. Un circuit de limitation contrle lintensit la mise sous tension du variateur. Certains convertisseurs utilisent un pont thyristors pour limiter le courant dappel de ces condensateurs de filtrage qui sont chargs une valeur sensiblement gale la valeur crte de la sinusode rseau (environ 560 V en 400 V triphas).Malgr la prsence de circuits de dcharge, ces condensateurs sont susceptibles de conserver une tension dangereuse en labsence de tension rseau. Une intervention lintrieur dun tel produit ne doit donc tre effectue que par des personnes formes et connaissant bien les prcautions indispensables mettre en place (circuit de dcharge additionnel ou connaissance du temps dattente).

v LonduleurLe pont onduleur, connect ces condensateurs, utilise six semiconducteurs de puissance (en gnral des IGBT) et des diodes de roue libre associes. Ce type de variateur est destin lalimentation des moteurs asynchrones cage. Ainsi lAltivar, de la Marque Telemecanique, permet de crer un mini-rseau lectrique tension et frquence variables capable dalimenter un moteur unique ou plusieurs moteurs en parallle. Il comporte : - un redresseur avec condensateurs de filtrage, - un onduleur 6 IGBT et 6 diodes, - un hacheur qui est connect une rsistance de freinage (en gnral extrieure au produit), - les circuits de commande des transistors IGBT, - une unit de contrle organise autour dun microprocesseur, lequel assure la commande de londuleur, - des capteurs internes pour mesurer le courant moteur, la tension continue prsente aux bornes des condensateurs et dans certains cas les tensions prsentes aux bornes du pont redresseur et du moteur ainsi que toutes les grandeurs ncessaires au contrle et la protection de lensemble moto-variateur, - une alimentation pour les circuits lectroniques bas niveau. Cette alimentation est ralise par un circuit dcoupage connect aux bornes des condensateurs de filtrage pour bnficier de cette rserve dnergie. Cette disposition permet lAltivar de saffranchir des fluctuations rseau et des disparitions de tension de courte dure, ce qui lui confre de remarquables performances en prsence de rseaux fortement perturbs.

5

b La variation de vitesseLa gnration de la tension de sortie est obtenue par dcoupage de la tension redresse au moyen dimpulsions dont la dure, donc la largeur, est module de telle manire que le courant alternatif rsultant soit aussi sinusodal que possible (C Fig.20). Cette technique connue sous le nom de MLI (Modulation de Largeur dImpulsions ou PWM en anglais) conditionne la rotation rgulire basse vitesse et limite les chauffements. La frquence de modulation retenue est un compromis : elle doit tre suffisamment leve pour rduire londulation de courant et le bruit acoustique dans le moteur sans augmenter notablement les pertes dans le pont onduleur et dans les semi-conducteurs. Deux rampes rglent lacclration et le ralentissement.

A Fig. 20

LLa modulation de largeur dimpulsions

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5 - Dparts moteurs

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

b Les protections intgresLe variateur sauto-protge et protge le moteur contre les chauffements excessifs, en se verrouillant jusquau retour une temprature acceptable. Il en est de mme pour toute perturbation ou anomalie pouvant altrer le fonctionnement de lensemble, comme les surtensions ou sous tension, la disparition dune phase dentre ou de sortie. Dans certains calibres le redresseur, londuleur, le hacheur, la commande et les protections contre les courts-circuits sont intgrs dans un unique module IPM - Intelligent Power Module -.

b Lois de commande du moteur asynchroneLes variateurs de vitesse pour moteur asynchrone de premire gnration utilisaient une loi de commande, dite en U/F dite galement commande scalaire, seule possibilit ralisable conomiquement. Lapparition des microprocesseurs et de leur puissance de calcul a permis dappliquer la commande vectorielle, infiniment plus performante. Les constructeurs proposent sur la majorit de leurs produits la commande scalaire, la commande vectorielle sans capteur et sur certains variateurs, la commande vectorielle avec capteur.

v Fonctionnement en U/fDans ce type de fonctionnement, la rfrence vitesse impose une frquence londuleur et par voie de consquence au moteur, ce qui dtermine la vitesse de rotation. La tension dalimentation est en relation directe avec la frquence. Ce fonctionnement est souvent nomm fonctionnement U/f constant ou fonctionnement scalaire. Si aucune compensation nest effectue, la vitesse relle varie avec la charge ce qui limite la plage de fonctionnement et les performances. Une compensation sommaire peut tre utilise pour tenir compte de limpdance interne du moteur et limiter la chute de vitesse en charge.

v Contrle vectoriel de flux sans capteurLes performances sont grandement augmentes par une lectronique de commande faisant appel au contrle vectoriel de flux - CVF - (CFig.21).

A Fig. 21

LSchma de principe dun variateur contrle vectoriel de flux

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5 - Dparts moteurs

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

La plupart des variateurs modernes intgrent cette fonction en standard. Pour la majorit des applications, la connaissance ou lestimation des paramtres de la machine permet de se passer de capteur de vitesse. Dans ce cas, un moteur standard peut tre utilis avec la limitation usuelle de fonctionnement prolong basse vitesse. Le variateur labore les informations partir des grandeurs mesures aux bornes de la machine (tension et courant). Ce mode de contrle apporte des performances acceptables sans augmentation de cot. Pour obtenir ces performances, certains paramtres de la machine doivent tre connus. A la mise en service, le metteur au point de la machine doit notamment introduire les caractristiques plaques sur le moteur dans les paramtres de rglage du variateur telles que : UNS : tension nominale moteur, FRS : frquence nominale stator, NCR : courant nominal stator, NSP : vitesse nominale, COS : cosinus moteur. Ces abrgs sont utiliss par les variateurs Altivar de la marque Telemecanique. A partir de ces valeurs, le variateur calcule les caractristiques du rotor : Lm, Tr. (Lm : inductance magntisante, Tr : moment du couple). A la mise sous tension, un variateur avec contrle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F Telemecanique) pratique un autorglage qui lui permet de dterminer les paramtres statoriques Rs, Lf. Cette mesure peut se faire moteur accoupl la mcanique. La dure varie en fonction de la puissance moteur (1 10 s). Ces valeurs sont mmorises et permettent au produit dlaborer les lois de commande. Loscillogramme de la figure 22 reprsente la mise en vitesse dun moteur, charg son couple nominal aliment par un variateur sans capteur. On remarquera que le couple nominal est obtenu rapidement (moins de 0.2 s) et la linarit de la mise en vitesse. La vitesse nominale est obtenue en 0.8 seconde.

5

A Fig. 22

LCaractristiques dun moteur sa mise sous tension par un variateur avec contrle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F Telemecanique)

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5 - Dparts moteurs

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

v Variateur avec contrle vectoriel de flux en boucle ferme avec capteurLe contrle vectoriel de flux en boucle ferme avec capteur est une autre possibilit. Cette solution fait appel la transformation de Park et permet de contrler indpendamment le courant (Id) assurant le flux dans la machine et le courant (Iq) assurant le couple (gal au produit Id, Iq). La commande du moteur est analogue celle dun moteur courant continu. Cette solution (C Fig.23) apporte la rponse aux applications exigeantes : forte dynamique lors des transitoires, prcision de vitesse, couple nominal larrt.

A Fig. 23

LSchma de principe dun variateur avec contrle vectoriel de flux avec capteur

Le couple maximal transitoire est gal 2 ou 3 fois le couple nominal suivant le type de moteur.A Fig. 24 LOscillogramme de la mise en vitesse dun moteur, charg son couple nominal aliment par un variateur avec contrle vectoriel de flux (type ATV58F Telemecanique).

De plus, la vitesse maximale atteint souvent le double de la vitesse nominale, ou davantage si le moteur le permet mcaniquement. Ce type de contrle autorise galement des bandes passantes trs leves et des performances comparables et mme suprieures aux meilleurs variateurs courant continu. En contrepartie, le moteur utilis nest pas de construction standard en raison de la prsence dun capteur et le cas chant dune ventilation force. Loscillogramme reprsent dans la figure 24 reprsente la mise en vitesse dun moteur, charg son couple nominal, aliment par un variateur avec contrle vectoriel de flux avec capteur. Lchelle des temps est de 0.1 s par division. Par rapport au mme produit sans capteur, laugmentation des performances est sensible. Le couple nominal stablit en 80 ms et le temps de monte en vitesse, dans les mmes conditions de charge est de 0.5 seconde. En conclusion, le tableau de la figure 25 compare les performances respectives dun variateur dans les trois configurations possibles.

b Inversion du sens de marche et freinageA Fig. 25 LPerformances respectives dun variateur dans les trois configurations possibles (type ATV58F Telemecanique)

Pour inverser le sens de marche, un ordre externe (soit sur une entre ddie cet effet, soit pour un signal circulant sur un bus de communication) entrane linversion dans lordre de fonctionnement des composants de londuleur, donc du sens de rotation du moteur.

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5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

Plusieurs fonctionnements sont possibles.

v 1er cas : inversion immdiate du sens de commande des semiconducteursSi le moteur est toujours en rotation au moment de linversion de sens de marche, cela se traduit par un glissement important et le courant dans le variateur est alors gal au maximum possible (limitation interne). Le couple de freinage est faible en raison du fort glissement et la rgulation interne ramne la consigne de vitesse une faible valeur. Quand le moteur atteint la vitesse nulle, la vitesse sinverse en suivant la rampe. Lexcdent dnergie non absorbe par le couple rsistant et les frottements est dissip dans le rotor.

v 2me cas : inversion du sens de commande des semiconducteurs prcde dune dclration avec ou sans rampeSi le couple rsistant de la machine est tel que la dclration naturelle est plus rapide que la rampe fixe par le variateur, celui-ci continue fournir de lnergie au moteur. La vitesse diminue progressivement et sinverse. Par contre, si le couple rsistant de la machine est tel que la dclration naturelle est plus lente que la rampe fixe par le variateur, le moteur se comporte comme une gnratrice hyper synchrone et restitue de lnergie au variateur. Cependant, la prsence du pont de diodes interdisant le renvoi de lnergie vers le rseau, les condensateurs de filtrage se chargent, la tension augmente et le variateur se verrouille. Pour viter cela, il faut disposer dune rsistance qui est connecte aux bornes des condensateurs par un hacheur de faon limiter la tension une valeur convenable. Le couple de freinage nest plus limit que par les capacits du variateur de vitesse : la vitesse diminue progressivement et sinverse. Pour cette utilisation, le fabricant du variateur fournit des rsistances de freinage dimensionnes en fonction de la puissance du moteur et des nergies dissiper. Le hacheur tant dans la majorit des cas inclus dorigine dans le variateur, seule la prsence dune rsistance de freinage distingue un variateur capable dassurer un freinage contrl. Ce mode de freinage est donc particulirement conomique. Il va de soi que ce mode de fonctionnement permet de ralentir un moteur jusqu larrt sans ncessairement inverser le sens de rotation.

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v 3me cas : fonctionnement prolong en freinageUn cas typique dapplication est rencontr par les bancs dessai de moteur. Il est inenvisageable de dissiper dans des rsistances lnergie ainsi produite, le bilan nergtique serait inacceptable et la dissipation des calories problmatique. La plupart des constructeurs proposent des associations qui permettent de restituer au rseau lnergie rcupre. En gnral, le pont de diode connect au rseau est remplac par un pont de semi-conducteurs contrls constitu dIGBT. La restitution, par une commande MLI approprie, est faite le plus souvent sous la forme dun courant sinusodal.

v Autre possibilit de freinageUn freinage conomique peut tre facilement ralis en faisant fonctionner ltage de sortie du variateur en hacheur qui injecte ainsi un courant continu dans les enroulements. Le couple de freinage nest pas contrl. Il est assez peu efficace, surtout grande vitesse, et de ce fait la rampe de dclration nest pas contrle. Nanmoins cest une solution pratique pour diminuer le temps darrt naturel de la machine. Lnergie tant dissipe dans le rotor, ce mode de fonctionnement est, par nature, occasionnel.

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5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

b Les modes de fonctionnement possibles v Fonctionnement dit couple constant Tant que la tension dlivre par le variateur peut voluer et dans la mesure o le flux dans la machine est constant (rapport U/f constant ou mieux encore avec contrle vectoriel de flux), le couple moteur sera grossirement proportionnel au courant et le couple nominal de la machine pourra tre obtenu sur toute la plage de vitesse (C Fig.26a).A Fig. 26a LCouple dun moteur asynchrone charge constante aliment par un convertisseur de frquence [a] zone de fonctionnement couple constant, [b] zone de fonctionnement puissance constante

Cependant, le fonctionnement prolong au couple nominal basse vitesse nest possible que si une ventilation force du moteur est prvue, ce qui ncessite un moteur spcial. Les variateurs modernes disposent de circuits de protection qui tablissent une image thermique du moteur en fonction du courant, des cycles de fonctionnement et de la vitesse de rotation : la protection du moteur est donc assure.

v Fonctionnement dit puissance constante Lorsque la machine est alimente sous sa tension nominale, il est encore possible daugmenter sa vitesse en lalimentant une frquence suprieure celle du rseau de distribution. Toutefois, la tension de sortie du convertisseur ne pouvant pas dpasser celle du rseau, le couple disponible dcrot en proportion inverse de laccroissement de la vitesse (C Fig.26b). Au-dessus de sa vitesse nominale, le moteur fonctionne non plus couple constant, mais puissance constante (P = C), tant que la caractristique naturelle du moteur lautorise. La vitesse maximale est limite par deux paramtres : - la limite mcanique lie au rotor, - la rserve de couple disponible.A Fig. 26b LCouple dun moteur asynchrone charge constante aliment par un convertisseur de frquence [a] zone de fonctionnement couple constant, [b] zone de fonctionnement puissance constante

Pour une machine asynchrone alimente tension constante, le couple maximum variant comme le carr de la vitesse (C chapitre 3 Moteurs et charges), le fonctionnement puissance constante nest possible que dans une plage limite de vitesse dtermine par la caractristique de couple propre la machine.

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5 - Dparts moteurs

5.9

Gradateur de tension pour moteur asynchrone

5.9

Gradateur de tension pour moteur asynchroneb Historique et prsentationCe dispositif de variation de tension, (C Fig.27) exploitable pour lclairage et le chauffage, nest pratiquement plus utilis comme variateur de vitesse. Par le pass, cette solution a t utilise avec des moteurs asynchrones cage rsistante ou bagues. Le mode de fonctionnement est illustr dans la figure 28. On voit clairement quune variation de vitesse est possible en faisant varier la tension et en particulier avec un moteur cage rsistante. Ces moteurs asynchrones sont dans la majorit des cas triphass, occasionnellement monophass pour les petites puissances (jusqu 3 kW environ). Autrefois populaires pour certaines applications, telle la variation de vitesse des petits ventilateurs, les gradateurs ont quasiment disparu au profit des convertisseurs de frquence plus conomiques en phase dexploitation.

5A Fig. 27 LDmarreur de moteurs asynchrones et forme du courant dalimentation

A Fig. 28

LCouple disponible dun moteur asynchrone aliment tension variable et dont le rcepteur prsente un couple rsistant parabolique (ventilateur) [a] moteur cage dcureuil, [b] moteur cage rsistante

Le gradateur de tension, dnomm soft starter dans les pays de langue anglaise, est utilis universellement pour le dmarrages des moteurs. Ces moteurs asynchrones sont dans la majorit des cas triphass, occasionnellement monophass pour les petites puissances (jusqu 3 kW environ). Il est utilis comme dmarreur ralentisseur progressif, dans la mesure o un couple de dmarrage lev nest pas ncessaire et permet de limiter lappel de courant, la chute de tension qui en dcoule et les chocs mcaniques dus lapparition brutale du couple. Parmi les applications les plus courantes, citons le dmarrage des pompes centrifuges et des ventilateurs, des convoyeurs bande, des escaliers roulants, des portiques de lavage dautomobiles, des machines quipes de courroies, etc. et en variation de vitesse sur les moteurs de trs faible puissance ou sur les moteurs universels, comme dans loutillage lectroportatif. Dans le cas des pompes, la fonction ralentisseur permet galement dliminer les coups de blier. Trois types de dmarreurs se trouvent sur le march : soit une phase contrle dans les petites puissances, soit deux phases contrles (la troisime tant une connexion directe), soit avec toutes les phases contrles. Les deux premiers systmes ne sont utiliser que pour des cycles de fonctionnement peu svres en raison du taux dharmoniques suprieur.

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5.9

Gradateur de tension pour moteur asynchrone

b Principe gnralLe circuit de puissance comporte, par phase, 2 thyristors monts ttebche (C Fig. 28). La variation de tension est obtenue en faisant varier le temps de conduction de ces thyristors au cours de chaque demi-priode. Plus linstant de lamorage est retard, plus la valeur de la tension rsultante est faible. Lamorage des thyristors est gr par un microprocesseur qui assure galement les fonctions suivantes : - contrle des rampes de monte en tension et de diminution de tension rglables ; la rampe de dclration ne pourra tre suivie que si le temps de dclration naturel du systme entran est plus long, - limitation de courant rglable, - sur couple au dmarrage, - commande de freinage par injection de courant continu, - protection du variateur contre les surcharges, - protection du moteur contre les chauffements dus aux surcharges ou aux dmarrages trop frquents, - dtection de dsquilibre ou dabsence de phases, de dfauts thyristors. Un tableau de bord qui affiche diffrents paramtres de fonctionnement apporte une aide la mise en service, lexploitation et la maintenance. Certains gradateurs, comme lAltistart (Telemecanique) peuvent commander le dmarrage et le ralentissement - dun seul moteur, - de plusieurs moteurs simultanment, dans la limite de son calibre, - de plusieurs moteurs successivement par commutation. En rgime tabli, chaque moteur est aliment directement par le rseau travers un contacteur. Seul lAltistart dispose dun dispositif brevet permettant une estimation du couple moteur ce qui permet deffectuer des acclrations et dclrations linaires et, si ncessaire, de limiter le couple moteur.

b Inversion du sens de marche et freinageLinversion du sens de marche seffectue par inversion des phases dentre du dmarreur. Le freinage se fait alors contre courant et toute lnergie est dissipe dans le rotor de la machine. Le fonctionnement est donc par nature intermittent.

b Freinage de ralentissement par injection de courant continuUn freinage conomique peut tre facilement ralis en faisant fonctionner ltage de sortie du dmarreur en redresseur qui injecte ainsi un courant continu dans les enroulements. Le couple de freinage nest pas contrl et le freinage est assez peu efficace, surtout grande vitesse. De ce fait, la rampe de dclration nest pas contrle. Nanmoins, cest une solution pratique pour diminuer le temps darrt naturel de la machine. Lnergie tant dissipe dans le rotor, ce mode de fonctionnement est galement occasionnel.

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5 - Dparts moteurs

5.10

Moto-variateurs synchrones

5.10

Moto-variateurs synchronesb Principe gnralLes moto-variateurs synchrones (C Fig. 29) sont une association dun convertisseur de frquence et dun moteur synchrone aimants permanents quip dun capteur. Ces moteurs sont souvent dnomms moteurs brushless . Ces moto-variateurs sont destins des marchs spcifiques, comme les robots ou les machines-outils, pour lesquels sont exigs un faible volume des moteurs, des acclrations rapides et une bande passante tendue.

b Le moteurCe moteur a t dcrit dans le chapitre sur les moteurs. Ce qui suit complte ces informations pour permettre au lecteur dapprhender le mode dalimentation par un variateur de vitesse. Le rotor du moteur est quip daimants permanents en terre rare pour obtenir un champ lev dans un volume rduit. Le stator comporte des enroulements triphass A, B, C (C Fig.30).A Fig. 29 LPhotographie dun moto-variateur synchrone (Variateur Lexium + moteur, Schneider Electric)

Ces moteurs peuvent accepter des courants de surcharge importants pour raliser des acclrations trs rapides. Un capteur quipe ces moteurs pour indiquer au variateur la position angulaire des ples du moteur, afin dassurer la commutation des enroulements (C Fig.31).

5

A Fig. 30

LReprsentation simplifie du stator moteur synchrone aimants permanents moteur brushless

A Fig. 31

LReprsentation simplifie dun moteur synchrone aimants permanents moteur brushless , illustrant le capteur angulaire de position du rotor

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5 - Dparts moteurs

5.10 5.11

Moto-variateurs synchrones Moto-variateurs pas--pas

b Le variateurDans sa constitution, le variateur est similaire un convertisseur de frquence : il fonctionne de faon analogue. Il est aussi constitu dun redresseur et dun onduleur transistors modulation de largeur dimpulsions (MLI) qui restitue un courant de sortie de forme sinusodale. Il est frquent de trouver plusieurs variateurs de ce type aliments par une mme source de courant continu. Ainsi, sur une machine-outil, chaque variateur commande un des moteurs associs aux axes de la machine. Une source commune courant continu alimente en parallle cet ensemble de variateurs. Ce type dinstallation permet de mettre disposition de lensemble, lnergie qui proviendrait du freinage de lun des axes. Comme dans les convertisseurs de frquence, une rsistance de freinage associe un hacheur permet dvacuer lnergie de freinage en excs. Les fonctions dasservissement de llectronique et les faibles constantes de temps mcaniques et lectriques autorisent des acclrations et plus gnralement des bandes passantes trs leves, avec en mme temps une trs grande dynamique de vitesse.

5.11

Moto-variateurs pas--pasb Principe gnralLes moto-variateurs pas--pas sont des associations dune lectronique de puissance, similaire dans sa conception celle dun convertisseur de frquence, et dun moteur pas--pas. Ils fonctionnent en boucle ouverte (sans capteur) et sont destins des applications de positionnement.

b Le moteurLe moteur peut tre rluctance variable, aimants permanents ou prsenter une combinaison des deux (C chapitre 3 Moteurs et charges, pour des explications dtailles).

b Le variateurDans sa constitution, le variateur est analogue un convertisseur de frquence (redresseur, filtrage et pont constitu de semi-conducteurs de puissance). Ltage de sortie aliment les bobines du moteur pas--pas, comme dans lexemple de la figure 32 pour un moteur pas--pas bipolaire.

A Fig. 32

LSchma de principe dun variateur pour moteur bipolaire pas--pas

Cependant, son fonctionnement est fondamentalement diffrent dans la mesure o il a pour objectif dinjecter un courant constant dans les enroulements.126

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5.11 5.12

Moto-variateurs pas--pas Les fonctions complmentaires des variateurs de vitesse

Parfois, il fait appel la modulation de largeur dimpulsions (MLI) pour obtenir de meilleures performances, en particulier le temps de monte du courant (C Fig.33), ce qui permet dtendre la plage de fonctionnement. Le fonctionnement (C Fig.34) en micropas, dj voqu dans le chapitre 3 Moteurs et charges, permet de multiplier artificiellement le nombre de positions possibles du rotor en gnrant des chelons successifs dans les bobines, durant chaque squence. Les courants dans les deux bobines ressemblent alors deux courants alternatifs dcals de 90.

A Fig. 33

LAllure du courant rsultant dune commande MLI

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A Fig. 34

LDiagramme, courbes dintensit et principe dchelons pour une commande en micropas dun moto-variateur pas--pas

Le champ rsultant est la composition vectorielle des champs crs par les deux bobines. Le rotor prend ainsi toutes les positions intermdiaires possibles. Le schma reprsente les courants dalimentation des bobines B1 et B2 et les positions du rotor sont reprsentes par le vecteur.

5.12

Les fonctions complmentaires des variateurs de vitesseb Les possibilits de dialoguePour pouvoir assurer un fonctionnement correct du moteur, les variateurs intgrent un certain nombre de capteurs pour surveiller la tension, les courants du moteur et son tat thermique. Ces informations, indispensables pour le variateur, peuvent tre utiles pour lexploitation. Les variateurs et dmarreurs rcents intgrent des fonctions de dialogue en tirant profit des bus de terrain. Il est ainsi possible de gnrer des informations qui sont utilises par un automate et un superviseur pour la conduite de la machine, les informations de contrle proviennent de lautomate par le mme canal. Parmi les informations qui transitent citons : - les consignes de vitesse, - les ordres de marche ou darrt, - les rglages initiaux du variateur ou les modifications de ces rglages en opration, - ltat du variateur (marche,