Choix Du Variateur de Vitesse

Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse

III.1- Introduction :

La solution qui paraît, a priori, la plus simple pour faire varier la vitesse d’un

moteur asynchrone est celle qui consiste à faire varier la fréquence de sa source

d’alimentation. La mise en oeuvre de ce principe pour des applications

industrielles utilise un convertisseur triphasé-triphasé qui transforme le système

industriel triphasé de tensions de fréquence et d’amplitude fixes, aux légères

fluctuations normales près, en un système triphasé de tensions ou de courant, de

fréquence et d’amplitude maîtrisées.

Avant d'entamer l'étude sur les convertisseurs de fréquence, on fait d'abord un

petit rappel sur les semi-conducteurs de puissance.

III.2- Rappel sur les semi-conducteurs de puissance :

Pour modifier, avec un bon rendement, la présentation de l’énergie

électrique, les convertisseurs statiques utilisent des semi-conducteurs de

puissance fonctionnant en commutation.

Faire fonctionner des semi-conducteurs en commutation signifie qu’on

leur demande l’opérer par tout ou rien, comme des interrupteurs

mécaniques .on utilise d’ailleurs pour ces composants électroniques le

vocabulaire des interrupteurs mécanique et, dans les schémas de principe,

on les représente par des interrupteurs c’est ainsi q’on trouve :

Un composant non commandable : la diode.

Un composant commandable seulement à la fermeture : le thyristor.

des composants commandables à la fermeture et à l’ouverture :

Le thyristor à ouverture commandée (GTO).

Le transistor bipolaire (BJT).

Le transistor (MOS) de puissance.

Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT).

a) Les diodes :

La diode à jonction P-N est formée d’une pastille de silicium deux couches,

celle de type P est reliée a l’anode A, celle du type N à la cathode K. la figure (a)

IEM01 Page 32


donne la représentation d’une diode et indique les conventions de signe pour la

tension v et le courant i.

a.1) Caractéristique statique :

La diode est un composant non commandable, son comportement lui est imposé

par le circuit dans lequel est insérée.

Quand ce circuit veut lui imposer le passage d’un courant dans le sens positif,

elle laisse passer ce courant avec une faible chute de tension positive à ses bornes :

elle est passante ou fermée.

Quand le circuit extérieur lui impose une chute de tension négative ,elle est

bloquée ou ouverte ; le courant négatif ou courant de fuite inverse est très faible

par rapport au courant direct qu’elle peut écouler lorsqu’elle est passante.

La figure b montre sa caractéristique statique à une température donnée :

Une diode est caractérisée par :

-la tension inverse de pointe répétitive VRRM (repetitive peak reverse voltage)

qu’elle peut supporter.

-le courant moyen direct IFAV (average forivard current) qu’elle peut écouler.

En plus des limitations sur la tension inverse et le courant moyen la diode est

soumise à des limites de température que l’on ne doit jamais dépasser, en règle

générale les diodes au silicium pouvant fonctionner dans une gamme de

température allant de (-500C à 2000C) sa température peut augmenter très

rapidement lorsqu’elle porte des courants supérieurs au courant nominal.

IEM01 Page 33


b) Les thyristors :

Le thyristor ou SCR (silicon controlled rectifier) est un semi-conducteur à

fermeture commandée .outre l’anode A et la cathode K (figure a), il possède un

électrode de commande, la gâchette (gâte) G qui permet de le rendre conducteur

lorsque la tension VT à ses bornes est positive.

Cette possibilité de commande a fait du thyristor le moteur de l’essor de

l’électronique de puissance, mais si à la fin de son intervalle de conduction son

ouverture n’est pas spontanée, le thyristor nécessite pour son blocage un circuit

auxiliaire d’extinction. Aussi dans les convertisseurs qui nécessitent des

interrupteurs à fermeture et ouverture commandables il est maintenant remplacé

par d’autres composants.

b.1) Caractéristiques et fonctionnement :

Le thyristor est bloqué tant que la tension VT a ses bornes est négative on indique

la tension inverse maximale répétitive qu’il peut supporter VRRM.

Si de négative la tension VT devient positive, le thyristor reste bloqué. Il est alors

caractérisé par la tension directe maximale répétitive qu’il peut supporter VDRM.

Pour un thyristor symétrique, les valeurs de VRRM et VDRM sont voisines.

Mais si VT étant positif, on fait passer une impulsion positive de courant de la

gâchette à la cathode, par un phénomène d’amplification le thyristor devient

passant.

Quand le thyristor est conducteur, il se comporte comme une diode : la gâchette

n’a plus de pouvoir de commande, il ne se bloque que lorsque le courant direct

s’annule (en réalité devient inférieur au courant de maintien de la conduction IH

(holding current).

La caractéristique statique du thyristor est donc formée de trois segments

(Figure b).

IEM01 Page 34


OD :

Tension négative : thyristor bloqué faible courant de fuite inverse.

OB :

Tension positive : pas d’impulsion sur la gâchette depuis que VT est devenu

positive : thyristor bloqué, faible courant de fuite direct.

OA :

Thyristor conducteur : faible chute de tension directe, courant direct imposé par

le circuit dans lequel le thyristor est inséré.

La flèche montre que l’amorçage par la gâchette fait passer du segment OB au

segment OA.

Le thyristor peut s’amorcer d’une manière intempestive est généralement

destructrice sans impulsion de gâchette :

parce que la tension directe qui lui est appliquée est excessive.

ou parce que la tension directe qui lui est appliquée avec une pente

dVT/dt trop fort.

ou parce qu’on lui applique une tension directe après un intervalle

d’ouverture trop bref.

IEM01 Page 35


c) Les thyristors GTO :

Le thyristor GTO (gâte turn-off) est, comme son nom l’indique, un thyristor qui

peut être bloqué par action sur la gâchette .celle-ci permet donc la commande de la

fermeture et de l’ouverture.

L’ouverture, grâce à une énergie d’extraction du courant par la gâchette, est

notamment rendue possible par la division de la couche de la cathode en plusieurs

centaines de petits bâtonnets entièrement entourés par la gâchette. Le GTO

équivaut à plusieurs centaines de petits GTO mis en parallèle.

Les thyristors GTO sont utilisés dans les convertisseurs de moyenne, forte ou

très forte puissance :

dans les onduleurs de courant : ils ont à bloquer des tensions inverses. On

utilise alors des GTO symétriques ayant une Caractéristique statique à 3

segments.

dans les onduleurs de tension et la plupart des hacheurs, les GTO ont des

diodes en parallèle inverse à leurs bornes. Ils n’ont pas à bloquer de tension

inverse notable et on utilise alors des GTO asymétriques.

c.1) Caractéristiques :

Comme pour un thyristor ordinaire, on indique :

le courant direct moyen ou efficace, ITAV ou ITRMS, tolérable.

la tension directe répétitive maximale tolérable VDMR.

La tension inverse répétitive maximale tolérable VRRM; celle-ci étant très

faible si la GTO est asymétrique.

IEM01 Page 36


III.3- Choix du variateur de vitesse :

Les technologies d’entraînements à vitesse variable pour moteurs asynchrones

sont nombreuses et viennent compléter les technologies disponibles pour les

moteurs à courant continu et les moteurs synchrones.

Le choix de la technologie et de la structure du convertisseur dépend de

nombreux facteurs liés à l’application visée.

III.3.1- Facteurs de choix :

a) Facteurs techniques :

Parmi les principaux facteurs techniques de choix figurent :

la puissance et la vitesse nominales.

le régime d’utilisation (utilisation en régime permanent ou intermittent).

la plage de variation de vitesse et le domaine de fonctionnement dans le

plan puissance-vitesse (1 quadrant, 2 quadrants, 4quadrants).

le type de machine entraînée (inertie, caractéristique de couple résistant

selon la vitesse).

la précision de contrôle de couple et de vitesse.

la tension du réseau d’alimentation.

les contraintes d’installation (place disponible, degrés de protection, etc.).

b) Facteur économique :

Enfin, un critère essentiel est bien sûr le coût total d’investissement de

l’entraînement comprenant le coût du variateur, du moteur et de leur installation.

Le coût d’exploitation de l’entraînement (maintenance, coût d’indisponibilité,

pertes énergétiques) est un critère économique supplémentaire de choix .

IEM01 Page 37


III.3.2- Les différents types de variateurs électroniques de vitesse

pour moteur asynchrone:

Les principaux types de convertisseurs employés pour les moteurs asynchrones

sont des convertisseurs indirects de fréquence, c’est-à-dire qui utilisent un étage

intermédiaire à fréquence nulle (tension ou courant continu) par l’association d’un

convertisseur alternatif continu (redresseur) et d’un convertisseur continu alternatif

(onduleur).

Plusieurs technologies de convertisseurs reposent sur ce principe, selon que

l’étage à fréquence nulle est constitué d’une source de tension ou d’une source de

courant et selon les formes d’ondes produites par l’onduleur.

Des convertisseurs directs de fréquence, dénommés cycloconvertisseurs, qui

réalisent la conversion de la fréquence sans recourir à un étage intermédiaire à

fréquence nulle, sont aussi utilisés pour des cas particuliers d’entraînements par

moteurs asynchrones de forte puissance (quelques mégawatts).

Les convertisseurs indirects de fréquence sont aujourd’hui les plus utilisés, avec

essentiellement le convertisseur MLI.

Le tableau suivant présente les principales caractéristiques des technologies

d’entraînements à vitesse variable pour moteurs asynchrones.

IEM01 Page 38


Technologies

d’entraînement

Convertisseur

avec onduleur de

tension à M.L.I

Convertisseur

avec onduleur à

pleine onde de

tension

Convertisseur

avec onduleur de

tension M.L.I à 3

niveaux

Convertisseur avec

Onduleur autonome

de courant

Nature du moteur Asynchrone à cage Asynchrone à cage Asynchrone à cage

haute tension

Asynchrone à cage

basse tension

Nature du

convertisseur

Redresseur-

onduleur de

tension à

commutation

forcée et M.L.I

Redresseur-

onduleur de

tension à

commutation

forcée

Redresseur-

onduleur de

tension à 3 niveaux

à commutation

forcée et M.L.I

Redresseur-onduleur

autonome de courant

Redresseur Diodes Thyristors Diodes Thyristors

Onduleur G.T.O ou

transistors et

diodes

G.T.O G.T.O et diodes Thyristors et diodes

Gamme de puissance De 1KW à 3MW Jusqu’à 3MW Jusqu’à 12 MW 0.1 à 3 MW

Gamme de tension

du variateur et du

moteur

380 à 660 V et

jusqu’à 1500 V

380 à 660 V et

jusqu’à 1500 V

3.3 à 6.6 KV Inférieur à 1000 V

Gamme de vitesse

nominale

Jusqu’à plusieurs

milliers de tr/min

(inf à400 Hz)

Jusqu’à plusieurs

milliers de tr/min

(inf à 1000 Hz)

Jusqu’à 8000

tr/min (inf à 120

Hz)

inférieur à 6000 tr/min

(inf à 100 Hz)

Plage de variation de

vitesse

1à 100 % 10 à 100 % 1 à 100 % 2 à 100 %

Domaine de

fonctionnement

2 quadrants

(4 quadrants en

option)

2 quadrants

4 quadrants

2 quadrants

(4 quadrants en

option)

4 quadrants

Applications

principales

Technologie de

référence pour

toutes applications

industrielles de

faible et moyenne

puissance

Pompes,

ventilateurs,

compresseurs,

extrudeuses,

malaxeuses

Pompes,

ventilateurs,

compresseurs,

extrudeuses,

mlaxeuses,

laminoirs

Applications spécifiques

(levage, manutention)

IEM01 Page 39


Observations Contrôle vectoriel

disponible pour

pilotage précis du

couple

Adapté à

l’entraînement

direct de machines

à grande vitesse

Pour machine de

forte puissance

Technologie de moins

en mois utilisé

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Technologies

d’entraînement

Convertisseur avec Onduleur de

courant assisté

Cascade hypo synchrone et hyper

synchrone

Cycloconvertisseur pour moteur asynchrone

Nature du

moteur

Asynchrone à cage Asynchrone à rotor bobiné

Asynchrone à cage

Nature du

convertisseur

Redresseur-onduleur de

courant à commutation

assisté

Redresseur-onduleur de courant assisté

Raccordé au rotor

Convertisseur direct de fréquence à commutation

assistée

Redresseur Thyristors Thyristors Thyristors

Onduleur Thyristors Thyristors ou G.T.O et diodes

Thyristors

Gamme de

puissance

0.5 à 20 MW Hypo synchrone

20 MW

Hyper synchrone

60 MW

10 MW

Gamme de

tension du

variateur et du

moteur

0.5 à 7.2 KV Inférieur à 18 KV

Gamme de

vitesse nominale

4000 tr/min 1500 tr/min

1900 tr/min

600 tr/min

Plage de

variation de

vitesse

10 à 100 % 50 à100 %

70 à130 %

0 à 100 %

Domaine de

fonctionnement

2 quadrants 1 ou 2 quadrants moteurs

4 quadrants

Applications Pompes, Entraînements de Applications faible vitesse

IEM01 Page 44


principales ventilateurs, compresseurs centrifuges

pompes, ventilateurs, compresseurs centrifuges

fort couple (laminoirs, propulsion de navires)

Observations Références en conversion de moteurs à la

vitesse variable

Technologie ancienne pénalisée par

l’utilisation d’un moteur à bagues

Convertisseur utilisé aussi pour moteurs synchrones

pour les mêmes applications

Tableau (III.3.2)

Pour notre processus, nous avons les caractéristiques suivantes :

le besoin d’une bonne précision du couple (nécessité des opérations de

forage)

la puissance est de quelques centaines de KW (moyenne puissance)

2 quadrants de fonctionnement (I et III)

réseau de 600 V/60HZ

plage de variation de la vitesse de 1 à 100 %

Donc la meilleure solution est de choisir un variateur de vitesse de type

convertisseur de fréquence avec onduleur de tension à M.L.I.

III.4- Convertisseur de fréquence avec onduleur de tension à M.L.I :

L’objectif des convertisseurs de fréquence est d’alimenter les moteurs

asynchrones triphaés de manière à obtenir des caractéristiques de fonctionnement

radicalement différentes de leurs utilisation normale, à amplitude et fréquence

constantes.

III.4.1- Principe :

Il consiste à fournir au moteur une onde de tension à amplitude et fréquence

variables, en maintenant le rapport (tension / fréquence) sensiblement constant.

La génération de cette onde de tension est réalisée par un dispositif électronique

de puissance dont le schéma de principe est illustré sur la figure suivante :

Réseau Moteur

IEM01 Page 45


Figure (III.4.1) : Schéma de principe

III.4.2- Comparaison avec l’alimentation directe :

Le tableau suivant nous donne une comparaison de la variation des

différents paramètres du moteur asynchrone quand il est directement

alimenté, ou à travers un convertisseur de fréquence.

Moteur asynchrone En usage normal Avec un variateur de vitesse

Courant de démarrage Très élevé, de l’ordre de 6 à 8

fois le courant nominal

Limité dans le moteur (en

générale de 1.5 fois IN).

Couple de démarrage Cd Élever et non contrôlé, de

l’ordre de 2 à 3 CN

De 1.5 fois le CN , Contrôlé

pendant toute l’accélération

Démarrage Brutal dont la duré n’est

fonction que des

caractéristiques du moteur et

de la charge entraînée

Progressif sans à-coup et

contrôlé

Vitesse Varié légèrement selon la

charge (proche de NS)

Variation possible de 0 jusq’à

une valeur supérieur à NS

Couple maximal CM Elevé, de l’ordre de 2 à 3 le

couple nominal

Elevé disponible sur toute la

plage de vitesse (de 1.5 CN)

Freinage électrique Relativement complexe Facile

Inversion du sens de marche Facile seulement après

arrêt moteur

Facile

Risque de décrochage Oui, en cas de surcouple, ou

en cas de baisse de tension

Non

Tableau (III.4.2)

III.4.3- Constitution du convertisseur :

IEM01 Page 46


Le convertisseur comporte :

un pont redresseur triphasé à diodes qui délivre une tension continue

d’amplitude pratiquement constante.

un étage de filtration comportant un condensateur, de forte capacité.

un pont onduleur alimenté par la tension continue et générant une onde

de tension alternative à amplitude et fréquence variables par la technique

de « Modulation de Largeur d’Impulsions » ou MLI.

En général, la tension fondamentale est d’amplitude proportionnelle à la

fréquence de façon à maintenir le flux (rapport U/F) constant dans le moteur sur

toute la plage de vitesse.

Dans la suite de ce chapitre on fait l'étude détaillée des deux parties essentielles

du convertisseur (un pont redresseur à diodes et un onduleur de tension).

III.5- Etude des montages redresseurs et onduleurs :

III.5.1- Redresseur triphasè (Pont à diodes) :

a) Principe:

Les trois tensions simples :

Sont redressées à l’aide de deux groupes de diodes, trois à cathodes réunies D1, D2,

D3. Et trois avec anodes réunies D’1, D’

2, D’3.

La conduction d’une diode du premier groupe rend la tension égale à

la plus positive des tensions et de ce fait, bloque les deux autres.

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La conduction d’une diode du second groupe rend la tension égale à

la plus négative des tensions et bloque les deux autres.

Pour conduisent.

Donc : .

Pour conduisent.

,

IEM01 Page 48


La tension redressée est à chaque instant égale à la plus grande différence entre

les tensions simples.

b) Tension de sortie :

La valeur moyenne de la tension redressée est :

.

La tension est la somme de sa valeur moyenne et “d’harmoniques de

pulsation“ , l’amplitude de pulsation est :

La tension de sortie est d’autant moins ondulée et d’autant plus facile à “lisser“

que p est plus grand (indice de pulsation).

IEM01 Page 49


Figure (III.5.1.b)

c) Taux d’ondulation :

Pour caractériser l’importance de l’ondulation de la tension redressée, on indique

son taux d’ondulation .il existe plusieurs définitions de ce taux, le dictionnaire de

la C.E.I. en définit au moins deux :

Taux d’ondulation de crête:

C’est l’écart entre la valeur instantanée maximale et la valeur instantanée

minimale rapporté à la valeur absolue de la composante continue.

.

IEM01 Page 50


Taux d’ondulation efficace :

d) Courant d’entrée :

La valeur efficace du courant à l’entrée est :

III.5.2- Onduleurs de tension :

Généralité:

Un onduleur est un convertisseur statique assurant la conversion de l’énergie

électrique de la forme continue à la forme alternative.

Comme un redresseur tout thyristors un onduleur est réversible, il permet le

transfert de puissance de l’alternative vers le continu, mais le sens normal du

transfert est du continu vers l’alternatif comme c’est de l’alternatif vers le continu

pour un redresseur.

La principale différence entre un vrai onduleur et un redresseur qui fonctionne

en onduleur non autonome tient à son autonomie, la fréquence et la forme d’onde

des grandeurs alternatives ne sont pas imposées par la source placée du coté

alternatif.

C’est la tension ou le courant coté continu qui, à travers l’onduleur impose la

forme d’onde de la tension ou du courant coté alternatif.

On distingue deux grands types d’onduleurs :

Les onduleurs de tension, alimentés par une source de tension continue.

Les onduleurs de courant, alimentés par une source de courant continu.

Ces onduleurs peuvent être monophasés ou triphasés, suivant qu’ils alimentent

un récepteur monophasé ou triphasé.

Dans les variateurs de vitesse les onduleurs alimentent presque toujours des

moteurs triphasés, synchrones ou asynchrones.

Nous limiterons notre étude à celle des onduleurs de tension triphasés.

IEM01 Page 51


L’onduleur alimentant un moteur doit délivrer des tensions à fréquence variable.

On ne peut faire effectuer aux semi-conducteurs qu’un cycle de fermeture –

ouverture par période des grandeurs de sortie, on dit alors que l’onduleur

fonctionne à un créneau par alternance ou en pleine onde.

Mais on utilise de plus en plus la possibilité des semi-conducteurs de travailler à

fréquence plus élevée pour les faire fonctionner plusieurs fois par période, on

forme à chaque alternance des tensions ou des courants de sortie de plusieurs

créneaux de largeurs convenables, on a alors des onduleurs à modulation de

largeur d’impulsions (M.L.I).

Pour les onduleurs de tension nous traiterons d’abord le fonctionnement en

pleine onde, car ce fonctionnement sert de point de départ et de base de

comparaison pour l’étude des onduleurs à M.L.I.

III.5.2.1- Onduleur de tension triphasé à un créneau par alternance :

La figure suivante donne le schéma de principe de l’onduleur de tension triphasé.

Figure (III.5.2.1)

IEM01 Page 52


L’onduleur est placé entre une source de tension continue supposée parfaite (U

constante), et une source de courant alternatif triphasé supposée parfaite, donc de

courants formant un système triphasé sinusoïdal équilibré.

L’onduleur triphasé est l’assemblage de trois demi ponts monophasés formés

chacun de deux interrupteurs en série .

Les interrupteurs d’un même demi pont doivent être complémentaires pour que la

source de tension U ne soit jamais en court-circuit, pour que les circuits des

courants ne soient jamais ouverts.

Pour que les six interrupteurs puissent imposer les tensions de sortie quelque

soient les courants il faut que ces interrupteurs soient bidirectionnels en

courant. Chacun d’eux est formé d’un semi-conducteur à fermeture et ouverture

commandées et d’une diode montée en antiparallèle,

a) Relations générales :

Tensions :

Quels que soient les courants, les interrupteurs fermés imposent les tensions

entre les bornes de sortie A, B, C et le point milieu O (fictif) de la source de

tension continue.

Les interrupteurs imposent donc aussi les tensions composées aux bornes des

phases réceptrices.

IEM01 Page 53


Quand

0 quand

-U quand

0 quand

Et de même pour :

Pou un récepteur équilibré on a :

D’où les expressions de en fonction de

Et de .

Courants :

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Des courants coté alternatif, on passe au courant coté continu par

Avec quand conduit

quand conduit

quand conduit

b) Formes d’ondes :

Lors du fonctionnement en pleine onde, on ferme chaque interrupteur pendant la

moitié de la période T des tensions alternatives de sortie.

Pour que ces tensions forment un système triphasé équilibré, on décale les

commandes des phases successives d’un tiers de période ou, à l’échelle de

pulsation des fondamentaux de ces tensions de on ferme donc :

Pour 0< ,

Pour ,

Pour , pour

Tensions de sortie :

En haut de la figure (III.5.2.1.b) on a tracé, à partir des intervalles de fermeture

des interrupteurs, les formes d’ondes des tensions :

IEM01 Page 55


Sont identiques à , à prés.

Égale

Les tensions et sont identiques à à .

Courants d’entrée :

Les courants de sortie ,supposés sinusoïdaux, sont caractérisés par leur

amplitude et leur déphasage par rapport au fondamental des tensions simples

correspondantes.

Le courant d’entrée se traduit de à partir du diagramme des

conductions des interrupteurs :

Pour 0< , , , ,

Pour , ….etc.

c) Caractéristiques :

Tensions de sortie :

Les tensions de sortie ont pour valeur efficace .

La valeur efficace de leur fondamental est .

La valeur efficace des harmoniques de rang n existantes est .

Courant d’entrée :

IEM01 Page 56


Le courant d’entrée a une fréquence égale à six fois celle des grandeurs de

sortie.

La valeur moyenne de se déduit de la valeur efficace des courants de sortie

en utilisant le fait que la puissance est la même à l’entrée et à la sortie :

On a aussi :

D’où

IEM01 Page 57


Figure (III.5.2.1.b)III.5.2.2- Onduleur de tension triphasé à M.L.I :

On cherche à approximer des tensions de sortie sinusoïdales en faisant varier

sinusoïdalement leur valeur moyenne, pour cela on forme chaque alternance non

plus d’un créneau, mais d’une succession de créneaux de largeurs convenables

a)Modulation sinus -triangle :

a.1) Principe de la modulation sinusoïdale :

Considérons un demi pont monophasé formé de deux interrupteurs

complémentaires et délivrant une tension égale à ou à .

En M.L.I, on détermine les instants de fermeture de par les

intersections :

D’une onde de référence W représentant la tension désirée, (l’indice

w vient de l’anglais “wanted“) de fréquence f.

Avec une onde de modulation (ou porteuse) M, de fréquence f’ nettement

supérieure à f, de forme triangulaire et d’amplitude égale à

IEM01 Page 58


Figure (III.5.2.2.a.1)

Les intersections de w avec M croissant déterminent les instants de

fermeture de et donc le début des intervalles à égal à .

Les intersections de w avec M décroissant déterminent les instants de

fermeture de et donc le début des intervalles à égal à .

Si f’ est nettement supérieure à f, la tension w varie peu pendant une

période T’ de l’onde de modulation et on peut la confondre avec sa valeur

moyenne durant cette période.

L’examen de la figure montre facilement que la valeur moyenne de

soit :

moy = est égale à w

Si la référence varie sinusoïdalement, deux paramètres caractérisent la

commande des interrupteurs :

l’indice de modulation (rapport des fréquences de modulation et de

référence).

le cœfficient de réglage en tension r, c’est le rapport de l’amplitude de la

référence à la valeur de crête, ici , de l’onde de modulation, qui est elle-

même égale à l’amplitude des créneaux de la tension de sortie.

b) Exemple de tracés des formes d’ondes :

IEM01 Page 59


En triphasé, si la modulation est synchrone, on choisit un indice de modulation

m multiple de3, ainsi les formes d’ondes des tensions des trois phases sont

identique.

La figure donne un exemple très simple (on a pris m=6 pour pouvoir distinguer les intervalles de conduction des interrupteurs des trois phases).

IEM01 Page 60


Figure (III.5.2.2.b)

c) Tensions de sortie :

Fondamental :

Le fondamental des tensions est le même que celui des tensions

, .

Dés que m est suffisant (égal ou supérieur à six) ce fondamental est

pratiquement égal à la tension de référence et a donc pour valeur efficace

.

A tension U d’entrée donnée, la M.L.I. permet de faire varier la valeur des

tensions de sortie, ce que ne permettait pas la commande à pleine onde.

Quand r varie de 0 à 1, varie de 0 à

La valeur maximale du fondamental est inférieur à sa valeur, obtenue

avec la commande en pleine onde, on dit qu’il y a un “déchet de tension “.

Celui-ci représente 21.5 % de .

Harmoniques :

En commande pleine onde, le développement en série de la tension

,de fréquence f comporte les harmoniques de fréquence 3f,

5f, 7f…., donc de rang 3,5,7….

En M.L.I. synchrone, le spectre de varie avec les

coefficients de réglage en tension r et l’indice de modulation.

Si r est nul, est formé de signaux rectangulaires

jointifs de fréquence (m*f = f’), son développement en série

comprend les termes de rang m, 3m, 5m….

IEM01 Page 61


Quand r croit, le fondamental augmente, les harmoniques de

rang m, 3m, 5m, diminuent.

d) Courant d’entrée :

La valeur moyenne du courant d’entrée se déduit de la conservation des

puissances entre l’entrée et la sortie du convertisseur, si on néglige toutes les

pertes.

Si les courants alternatifs sont équilibrés sinusoïdaux, de valeur efficace

déphasé de par rapport au fondamental des tensions simples de :

.

On déduit: .

Ou, compte tenu de :

donc :

cos06.1cos

22

3 ''

ii rri

III.6- Protection :

III.6.1- Protection des composants du convertisseur de fréquence :

Il faut assuré la protection contre :

les surchauffes de leurs composants électroniques qui pouvant entraîner

leur destruction.Un capteur placé sur le dissipateur thermique provoque

l’arrêt du variateur, lorsque la température dépasse un certain seuil.

les surtensions à fréquence industrielle du réseau : il s’agit d’éviter les

destructions éventuelles de leurs composants. Cette protection est assurée

par une résistance et un condensateur en parallèle avec les composants.

Les surintensités qui sont assuré par une inductance en série.

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III.6.2- Protection assurée par le convertisseur :

a) Protection contre les surcharges :

Le convertisseur assure la protection du moteur contre les surcharges :

par une limitation instantanée du courant efficace à 1,5 fois le courant

nominal environ,

par un calcul permanent du courant thermique (I².t), avec pris en compte de

la vitesse (la plupart des moteurs étant auto-ventilés, le refroidissement est

moins efficace à basse vitesse).

A noter que lorsqu’un départ n’alimente qu’un moteur et son variateur, cette

protection de surcharge du moteur assure simultanément la protection de surcharge

de l’ensemble appareillage et câblage.

b) Protection contre les courts-circuits moteurs ou ligne en aval du

covertisseur :

En cas de court-circuit entre phases en sortie de variateur (aux bornes du moteur

ou à un endroit quelconque de la ligne entre le variateur et le moteur), la

surintensité est détectée au sein du variateur et un ordre de blocage est envoyé

très rapidement aux semi-conducteur commandé. Le courant de court-circuit est

interrompu en quelques microsecondes, ce qui assure la protection du variateur-

moteur, ce courant très bref est essentiellement fourni par le condensateur de

filtrage associé au redresseur, et est donc indiscernable dans la ligne

d’alimentation.

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III.7- Dimensionnement du convertisseur :

Pour dimensionner le convertisseur il faut connaître pour chaque montage les

paramètres de sortie ainsi d’entrée, Pour pouvoir calculer les courants dans les

semi-conducteurs et les tensions à leurs bornes, puis on fait le choix d’après les

catalogues des composants.

III.7.1- Pour le pont onduleur :

a) Les courants dans les semi –conducteurs commandés :

L’onde courant est plus proche d’un sinusoïdal donc on peut l’écrire comme :

Valeur maximale :

Valeur efficace du courant de charge.

Valeur efficace :

.

Valeur moyenne :

.

b) Les courant dans les diodes :

Valeur maximale :

La diode D du 1er interrupteur est parcourue par le courant maximal

qui est égale:

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Valeur efficace :

Valeur moyenne :

Tension inverse maximale :

c) Courant d’entrée dans l’onduleur :

Valeur efficace :

Valeur moyenne :

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0 < <


III.7.2- Pour le pont redresseur :

a) Courant moyenne :

b) Tension inverse :

Si q : impair (q=3).

Conclusion :

Parmi les convertisseurs de fréquence utilisés pour la variation de la vitesse des

moteurs asynchrones, on a choisi le montage redresseur -onduleur de tension à

M.L.I, car c’est une technologie de référence pour toutes les applications

industrielles de faible et moyenne puissance.

Ce montage permet d’obtenir un pilotage précis du couple par l’application de la

commande vectoriel ce qui répond aux exigences de notre processus.

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Documents

Choix Du Variateur de Vitesse