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.......................................................................... Cahier technique n° 208 Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques D. Clenet Collection Technique

Demarreurs Et Variateurs de Vitesse Electroniques-cours

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Page 1: Demarreurs Et Variateurs de Vitesse Electroniques-cours

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Cahier technique n° 208

Démarreurs et variateurs devitesse électroniques

D. Clenet

Collection Technique

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Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permet-tent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partirdu site Schneider Electric.Code : http://www.schneider-electric.comRubrique : Le rendez-vous des experts

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La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique »de Schneider Electric.

Avertissement

L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte desinformations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne sauraitêtre tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni deconséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenusdans cet ouvrage.

La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée avecla mention obligatoire :« Extrait du Cahier Technique Schneider Electric n° (à préciser) ».

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n° 208Démarreurs et variateurs devitesse électroniques

CT 208 édition novembre 2003

Daniel CLENET

Diplômé de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Brest en 1969. Aprèsune première expérience en variation de vitesse dans la sociétéAlstom, il est entré en 1973 chez Telemecanique dans l’activitévariateur de vitesse comme ingénieur de développement. Il adéveloppé des variateurs de vitesse pour moteur à courant continudestinés au marché des machines-outils, des variateurs dédiés auxchariots de manutention ainsi qu’une partie des premiers variateursde vitesse pour moteurs asynchrones.Son expérience des applications découle des contacts avec lesclients utilisateurs et d’une activité de chef de projet dans leDépartement des Applications Industrielles de Schneider Electric.On lui doit le lancement du variateur Altivar aux USA dans les années86 à 90.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.2

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.3

Démarreurs et variateurs de vitesseélectroniques

Le démarrage en direct sur le réseau de distribution des moteursasynchrones est la solution la plus répandue et est souvent convenablepour une grande variété de machines. Cependant, elle s’accompagneparfois de contraintes qui peuvent s’avérer gênantes pour certainesapplications, voire même incompatible avec le fonctionnement souhaité auniveau de la machine :

c appel de courant au démarrage pouvant perturber la marche d’autresappareils connectés sur le même réseau,

c à-coups mécaniques lors des démarrages, inacceptables pour lamachine ou pour le confort et la sécurité des usagers,

c impossibilité de contrôler l’accélération et la décélération,

c impossibilité de faire varier la vitesse.

Les démarreurs et les variateurs de vitesse suppriment ces inconvénients.La technologie électronique leur a donné plus de souplesse et a étenduleur champ d’application. Mais encore faut-il bien les choisir.Tout l’objet de ce Cahier Technique est de mieux faire connaître cesdispositifs pour faciliter leur définition en cours de conception d’équipementou pour améliorer voire remplacer un ensemble moteur-appareillage decommande et de protection.

Sommaire

1 Historique et rappels 1.1 Historique p. 41.2 Rappels : les principales fonctions des démarreurs p. 4et des variateurs de vitesse électroniques

2 Les principaux modes de fonctionnement et 2.1 Les principaux modes de fonctionnement p. 6principaux types de variateurs électroniques 2.2 Les principaux types de variateurs p. 8

3 Structure et composants des démarreurs 3.1 Structure p. 10et variateurs électroniques 3.2 Composants p. 11

4 Variateur-régulateur pour moteur 4.1 Principe général p. 14courant continu 4.2 Modes de fonctionnement possibles p. 15

5 Convertisseur de fréquence pour 5.1 Principe général p. 16moteur asynchrone 5.2 Fonctionnement en U/f p. 17

5.3 Commande vectorielle p. 18

5.4 Gradateur de tension pour moteur asynchrone p. 21

5.5 Moto-variateurs synchrones p. 23

5.6 Moto-variateurs pas-à-pas p. 23

6 Les fonctions complémentaires 6.1 Les possibilités de dialogue p. 25des variateurs de vitesse 6.2 Les fonctions intégrées p. 25

6.3 Les cartes optionnelles p. 26

7 Conclusion p. 27

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.4

1 Historique et rappels

1.1 Historique

Pour démarrer les moteurs électriques etcontrôler leur vitesse, les démarreursrhéostatiques, les variateurs mécaniques et lesgroupes tournants (Ward Leonard en particulier)ont été les premières solutions ; puis lesdémarreurs et variateurs électroniques se sontimposés dans l’industrie comme la solutionmoderne, économique, fiable et sans entretien.

Un variateur ou un démarreur électronique estun convertisseur d’énergie dont le rôle consisteà moduler l’énergie électrique fournie au moteur.Les démarreurs électroniques sont exclusivementdestinés aux moteurs asynchrones. Ils fontpartie de la famille des gradateurs de tension.Les variateurs de vitesse assurent une mise envitesse et une décélération progressives, ilspermettent une adaptation précise de la vitesseaux conditions d’exploitation. Les variateurs devitesse sont du type redresseur contrôlé pouralimenter les moteurs à courant continu, ceuxdestinés aux moteurs à courant alternatif sontdes convertisseurs de fréquence.

Historiquement, le variateur pour moteur àcourant continu a été la première solutionofferte. Les progrès de l’électronique depuissance et de la microélectronique ont permisla réalisation de convertisseurs de fréquencefiables et économiques. Les convertisseurs defréquence modernes permettent l’alimentationde moteurs asynchrones standard avec desperformances analogues aux meilleursvariateurs de vitesse à courant continu. Certainsconstructeurs proposent même des moteursasynchrones avec des variateurs de vitesseélectroniques incorporés dans une boîte àbornes adaptée ; cette solution est proposéepour des ensembles de puissance réduite(quelques kW).

En fin de ce Cahier Technique sont évoqués lesévolutions récentes des variateurs de vitesse etla tendance qui se dessine chez lesconstructeurs. Ces évolutions élargissentnotablement l’offre et les possibilités desvariateurs.

1.2 Rappels : les principales fonctions des démarreurset des variateurs de vitesse électroniques

Accélération contrôléeLa mise en vitesse du moteur est contrôlée aumoyen d’une rampe d’accélération linéaire ouen « S ». Cette rampe est généralement réglableet permet par conséquent de choisir le temps demise en vitesse approprié à l’application.

Variation de vitesse

Un variateur de vitesse peut ne pas être enmême temps régulateur. Dans ce cas, c’est unsystème, rudimentaire, qui possède unecommande élaborée à partir des grandeursélectriques du moteur avec amplification depuissance, mais sans boucle de retour : il est dit« en boucle ouverte ».

La vitesse du moteur est définie par unegrandeur d’entrée (tension ou courant) appeléeconsigne ou référence. Pour une valeur donnéede la consigne, cette vitesse peut varier enfonction des perturbations (variations de latension d’alimentation, de la charge, de latempérature).

La plage de vitesse s’exprime en fonction de lavitesse nominale.

Régulation de vitesseUn régulateur de vitesse est un variateur asservi(cf. fig. 1 ). Il possède un système de commandeavec amplification de puissance et une bouclede retour : il est dit « en boucle fermée ».

Mesurede vitesse

Moteur

Régulateur

ComparateurConsigne de vitesse +

-

Fig. 1 : principe de la régulation de vitesse.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.5

La vitesse du moteur est définie par uneconsigne.

La valeur de la consigne est en permanencecomparée à un signal de retour, image de lavitesse du moteur. Ce signal est délivré par unegénératrice tachymétrique ou un générateurd’impulsions monté en bout d’arbre du moteur.

Si un écart est détecté suite à une variation de lavitesse, les grandeurs appliquées au moteur(tension et / ou fréquence) sont automatiquementcorrigées de façon à ramener la vitesse à savaleur initiale.

Grâce à la régulation, la vitesse estpratiquement insensible aux perturbations.

La précision d’un régulateur est généralementexprimée en % de la valeur nominale de lagrandeur à réguler.

Décélération contrôléeQuand un moteur est mis hors tension, sadécélération est due uniquement au couplerésistant de la machine (décélération naturelle).Les démarreurs et variateurs électroniquespermettent de contrôler la décélération aumoyen d’une rampe linéaire ou en « S »,généralement indépendante de la ramped’accélération.

Cette rampe peut être réglée de manière àobtenir un temps de passage de la vitesse enrégime établi à une vitesse intermédiaire ounulle :

c Si la décélération désirée est plus rapide quela décélération naturelle, le moteur doitdévelopper un couple résistant qui vients’additionner au couple résistant de la machine,on parle alors de freinage électrique qui peuts’effectuer soit par renvoi d’énergie au réseaud’alimentation, soit par dissipation dans unerésistance de freinage.

c Si la décélération désirée est plus lente que ladécélération naturelle, le moteur doit développerun couple moteur supérieur au couple résistantde la machine et continuer à entraîner la chargejusqu’à l’arrêt.

Inversion du sens de marche

La majorité des variateurs actuels permettentcette fonction en standard. L’inversion de l’ordredes phases d’alimentation du moteur estréalisée automatiquement soit par inversion dela consigne à l’entrée, soit par un ordre logiquesur une borne, soit par une informationtransmise par une connexion réseau.

Freinage d’arrêt

Ce freinage consiste à arrêter un moteur sanspour autant contrôler la rampe deralentissement. Pour les démarreurs etvariateurs de vitesse pour moteurs asynchrones,ceci est réalisé de manière économique en

injectant du courant continu dans le moteur avecun fonctionnement particulier de l’étage depuissance. Toute l’énergie mécanique estdissipée dans le rotor de la machine et, de cefait, ce freinage ne peut être qu’intermittent. Surun variateur pour moteur à courant continu, cettefonction sera assurée en connectant unerésistance aux bornes de l’induit.

Protections intégrées

Les variateurs modernes assurent en général laprotection thermique des moteurs et leur propreprotection. A partir de la mesure du courant etd’une information sur la vitesse (si la ventilationdu moteur dépend de sa vitesse de rotation), unmicroprocesseur calcule l’élévation detempérature du moteur et fournit un signald’alarme ou de déclenchement en casd’échauffement excessif.

Les variateurs, et notamment les convertisseursde fréquence, sont d’autre part fréquemmentéquipés de protections contre :c les courts-circuits entre phases et entre phaseet terre,c les surtensions et les chutes de tension,c les déséquilibres de phases,c la marche en monophasé.

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2 Les principaux modes de fonctionnementet principaux types de variateurs électroniques

2.1 Les principaux modes de fonctionnement

Les variateurs de vitesse peuvent, selon leconvertisseur électronique, soit faire fonctionnerun moteur dans un seul sens de rotation, ils sontalors dits « unidirectionnels », soit commanderles deux sens de rotation, ils sont alors dits« bidirectionnels ».Les variateurs peuvent être « réversibles »lorsqu’ils peuvent récupérer l’énergie du moteurfonctionnant en générateur (mode freinage).La réversibilité est obtenue soit par un renvoid’énergie sur le réseau (pont d’entrée réversible),soit en dissipant l’énergie récupérée dans unerésistance avec un hacheur de freinage.

La figure 2 illustre les quatre situationspossibles dans le diagramme couple-vitessed’une machine résumées dans le tableauassocié.A noter que lorsque la machine fonctionne engénérateur elle doit bénéficier d’une forced’entraînement. Cet état est notamment exploitépour le freinage. L’énergie cinétique alorsprésente sur l’arbre de la machine est soittransférée au réseau d’alimentation, soitdissipée dans des résistances ou, pour lespetites puissances, dans les pertes de lamachine.

Fig. 2 : les quatre situations possibles d’une machine dans son diagramme couple-vitesse.

Q1

F

1

F

1

F

2

F

2

Q2

Q4Q3

Couple

Vitesse

MG

GM

Variateur unidirectionnel

Ce type de variateur le plus souvent nonréversible est réalisé pour :

c un moteur CC, avec un convertisseur direct(CA => CC) comportant un pont mixte à diodeset thyristors (cf. fig. 3a page suivante),

c un moteur AC, avec un convertisseur indirect(avec transformation intermédiaire en CC)comportant en entrée un pont de diodes suivi d’unconvertisseur de fréquence qui fait fonctionner lamachine dans le quadrant 1 (cf. fig. 3b pagesuivante). Dans certains cas ce montage peutêtre exploité en bidirectionnel (quadrants 1 et 3).

Sens de rotation Fonctionnement Couple Vitesse Produit Quadrant-C- -n- C.n

1 (horaire) En moteur oui oui oui 1En générateur oui 2

2 (antihoraire) En moteur oui 3En générateur oui 4

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Un convertisseur indirect comportant un hacheurde freinage et une résistance correctementdimensionnée convient parfaitement pour unfreinage momentané (ralentissement ou sur unengin de levage quand le moteur doit développerun couple de freinage en descente pour retenirla charge).En cas de fonctionnement prolongé avec unecharge entraînante, un convertisseur réversibleest indispensable car la charge est alorsnégative comme, par exemple, avec un moteurutilisé en frein sur un banc d’essai.

Variateur bidirectionnel

Ce type de variateur peut être un convertisseurréversible ou non réversible.S’il est réversible, la machine fonctionne dansles quatre quadrants et peut permettre unfreinage important.S’il est non réversible, la machine ne fonctionneque dans les quadrants 1 et 3.

Fonctionnement à couple constant

Le fonctionnement est dit à couple constant quandles caractéristiques de la charge sont telles qu’enrégime établi, le couple demandé est sensiblementle même quelle que soit la vitesse (cf. fig. 4 ).Ce mode de fonctionnement se retrouve sur desmachines de type convoyeur ou malaxeur. Pour ce

type d’applications le variateur doit avoir lacapacité de fournir un couple de démarrageimportant (1,5 fois ou plus le couple nominal)pour vaincre les frottements statiques et pouraccélérer la machine (inertie).

Fonctionnement à couple variable

Le fonctionnement est dit à couple variablequand les caractéristiques de la charge sonttelles qu’en régime établi, le couple demandévarie avec la vitesse. C’est en particulier le casdes pompes volumétriques à vis d’Archimèdedont le couple croit linéairement avec la vitesse(cf. fig. 5a ) ou les machines centrifuges(pompes et ventilateurs) dont le couple variecomme le carré de la vitesse (cf. fig. 5b ).

Fig. 3 : schémas de principe : [a] convertisseur direct à pont mixte ; [b] convertisseur indirect avec (1) pont dediodes en entrée, (2) dispositif de freinage (résistance et hacheur), (3) convertisseur de fréquence.

Ma M

1 2 3

a

a - b -

P. C. %

P

C

N %0

0

50

100

150

50 100 150

Fig. 4 : courbe de fonctionnement à couple constant. Fig. 5 : courbes de fonctionnement à couple variable.

P. C. %

PC

N %0

0

50

100

150

50 100 150

P. C. %

PC

N %0

0

50

100

150

50 100 150

a -

b -

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Pour un variateur destiné à ce type d’application,un couple de démarrage plus faible (en général1,2 fois le couple nominal du moteur) estsuffisant. Il dispose le plus souvent de fonctionscomplémentaires comme la possibilité d’occulterdes fréquences de résonance correspondant àdes vibrations indésirables de la machine.Le fonctionnement au-delà de la fréquencenominale de la machine est impossible en raisonde la surcharge qui serait imposée au moteur etau variateur.

Fonctionnement à puissance constanteC’est un cas particulier du couple variable. Lefonctionnement est dit à puissance constantequand le moteur fournit un couple inversementproportionnel à la vitesse angulaire (cf. fig. 6 ).C’est le cas, par exemple, pour un enrouleurdont la vitesse angulaire doit diminuer au fur et àmesure que croît le diamètre d’enroulement paraccumulation du matériau. C’est également lecas des moteurs de broche des machines outils.

La plage de fonctionnement à puissanceconstante est par nature limitée : en basse

vitesse par le courant fourni par le variateur eten grande vitesse par le couple disponible dumoteur. En conséquence, le couple moteurdisponible avec les moteurs asynchrones et lacapacité de commutation des machines àcourant continu doivent être bien vérifiés.

P. C. %

P

C

N %0

0

50

100

150

50 100 150

Fig. 6 : courbe de fonctionnement à puissanceconstante.

2.2 Les principaux types de variateurs

Seuls les variateurs les plus courants et lesréalisations technologiques usuelles sont citésdans ce chapitre.

Il existe de nombreux schémas de variateurs devitesse électronique : cascade hyposynchrone,cycloconvertisseurs, commutateurs de courant,hacheurs… Le lecteur intéressé trouvera unedescription exhaustive dans les ouvrages« Entraînement électrique à vitesse variable »(auteurs Jean Bonal et Guy Séguier) et« Utilisation industrielle des moteurs à courantalternatif » (auteur Jean Bonal) aux EditionsTec et Doc.

Redresseur contrôlé pour moteur à courantcontinu

Il fournit, à partir d’un réseau alternatifmonophasé ou triphasé, un courant continu avecun contrôle de la valeur moyenne de la tension.

Les semi-conducteurs de puissance sontassemblés en pont de Graëtz, monophasé outriphasé (cf. fig. 7 ). Le pont peut être mixte(diodes / thyristors) ou complet (tout thyristor).Cette dernière solution est la plus fréquente carelle permet un meilleur facteur de forme ducourant délivré.

Le moteur à courant continu est le plus souventà excitation séparée, sauf dans les petitespuissances où les moteurs à aimantspermanents sont assez fréquents.

L’utilisation de ce type de variateur de vitesse estbien adaptée pour toute application. Les seuleslimites sont imposées par le moteur à courantcontinu, en particulier la difficulté d’obtention devitesses élevées et la nécessité de maintenance(remplacement des balais). Les moteurs àcourant continu et leur variateurs associés ontété les premières solutions industrielles. Depuisplus d’une décennie, leur usage est enconstante diminution au profit des convertisseursde fréquence. En effet, le moteur asynchrone està la fois plus robuste et plus économique qu’unmoteur à courant continu. Contrairement auxmoteurs à courant continu, standardisés enenveloppe IP55, il est aussi pratiquementinsensible à l’environnement (ruissellement,poussières, ambiances dangereuses…).

MCCa

Fig. 7 : schéma d’un redresseur contrôlé pour moteurà courant continu.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.9

Convertisseur de fréquence pour moteurasynchroneIl fournit, à partir d’un réseau alternatif àfréquence fixe, une tension alternative triphaséede valeur efficace et de fréquence variable (cf.fig. 8 ). L’alimentation du variateur pourra êtremonophasée pour les faibles puissances (ordre degrandeur de quelques kW) et triphasée au-delà.Certains variateurs de petite puissance acceptentindifféremment des tensions d’alimentation monoet triphasées. La tension de sortie du variateurest toujours triphasée. De fait, les moteursasynchrones monophasés sont mal adaptés àl’alimentation par convertisseur de fréquence.

Les convertisseurs de fréquence alimentent desmoteurs à cage standard avec tous lesavantages liés à ces moteurs : standardisation,

U

W

VMoteur

Redresseur Filtre Onduleur

faible coût, robustesse, étanchéité, aucunentretien. Ces moteurs étant auto-ventilés, leurseule limite d’emploi est leur utilisation prolongéeà basse vitesse en raison de la réduction decette ventilation. Si un tel fonctionnement estsouhaité, il faut prévoir un moteur spécial équipéd’une ventilation forcée indépendante.

Gradateur de tension pour le démarrage desmoteurs asynchrones

Il fournit, à partir d’un réseau alternatif, uncourant alternatif de fréquence fixe égale à celledu réseau avec un contrôle de la valeur efficacede la tension par modification de l’angle deretard a à l’amorçage des semi-conducteurs depuissance, deux thyristors montés tête-bêchedans chaque phase du moteur (cf. fig. 9 ).

Fig. 8 : schéma de principe d’un convertisseur de fréquence.

Fig. 9 : démarreur de moteurs asynchrones et forme du courant d’alimentation.

M3 ϕ

α

α

I

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.10

3 Structure et composants des démarreurset variateurs électroniques

3.1 Structure

Les démarreurs et les variateurs de vitesseélectroniques sont composés de deux modulesgénéralement regroupés dans une mêmeenveloppe (cf. fig. 10 ) :c un module de contrôle qui gère lefonctionnement de l’appareil,c un module de puissance qui alimente lemoteur en énergie électrique.

Le module de contrôle

Sur les démarreurs et les variateurs modernes,toutes les fonctions sont commandées par unmicroprocesseur qui exploite les réglages, lesordres transmis par un opérateur ou par uneunité de traitement, et les résultats de mesurescomme la vitesse, le courant, etc.Les capacités de calcul des microprocesseursainsi que des circuits dédiés (ASIC) ont permisde réaliser des algorithmes de commandesextrêmement performants et, en particulier, lareconnaissance des paramètres de la machineentraînée. A partir de ces informations, lemicroprocesseur gère les rampes d’accélérationet de décélération, l’asservissement de vitesse,la limitation de courant, et génère la commandedes composants de puissance. Les protectionset les sécurités sont traitées par des circuitsspécialisés (ASIC) ou intégrés dans les modulesde puissance (IPM).Les réglages (limites de vitesse, rampes,limitation de courant…) se font soit par claviersintégrés, soit à partir d’automates par des bus de

terrain ou de PC pour charger des réglagesstandard. De même, les différents ordres(marche, arrêt, freinage…) peuvent être donnésà partir d’interfaces de dialogue homme /machine, par des automates programmables oupar des PC.Les paramètres de fonctionnement et lesinformations d’alarme et de défauts peuvent êtrevisualisés par des voyants, des diodesélectroluminescentes, des afficheurs à segmentsou à cristaux liquides, ou déportés vers dessuperviseurs par des bus de terrains.Des relais, souvent programmables, donnentdes informations de :c défaut (réseau, thermique, produit, séquence,surcharge…),c surveillance (seuil de vitesse, pré alarme, finde démarrage).

Les tensions nécessaires pour l’ensemble descircuits de mesure et de contrôle sont fourniespar une alimentation intégrée au variateur etséparée galvaniquement du réseau.

Le module de puissance

Le module de puissance est principalementconstitué de :c composants de puissance (diodes, thyristors,IGBT…)c interfaces de mesure des tensions et/ou descourants,c fréquemment d’un ensemble de ventilation.

Moteur

Redresseur

Convertisseur

Allumage

Retour

Sécuritédu retour

AlimentationRéglage

Ordre

Module de contrôle Module depuissance

Visualisationdes états

Traitementdes infos

Mémoirethermique

Mic

ropr

oces

seur

Relais

Interface depuissance

Interface desécurité

Fig. 10 : structure générale d’un variateur de vitesse électronique.

Page 13: Demarreurs Et Variateurs de Vitesse Electroniques-cours

Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.11

3.2 Composants

Les composants de puissance (cf. fig. 11 ) sontdes semi-conducteurs fonctionnant en tout ourien, donc comparables à des interrupteursstatiques pouvant prendre les deux états :passant ou bloqué.Ces composants, associés dans un module depuissance, constituent un convertisseur quialimente, à partir du réseau à tension etfréquence fixes, un moteur électrique sous unetension et / ou une fréquence variable.Les composants de puissance sont la clef devoûte de la variation de vitesse et les progrèsréalisés ces dernières années ont permis laréalisation de variateurs de vitesseéconomiques.

Rappel

Les matériaux semi-conducteurs, tels que lesilicium, ont une résistivité qui se situe entrecelle des conducteurs et celle des isolants.Leurs atomes possèdent 4 électronspériphériques. Chaque atome s’associe avec4 atomes voisins pour former une structurestable à 8 électrons.Un semi-conducteur de type P s’obtient enincorporant au silicium pur une faible proportiond’un corps dont les atomes possèdent3 électrons périphériques. Il manque donc unélectron pour former une structure à 8 électrons,ce qui se traduit par un excédent de chargespositives.Un semi-conducteur de type N s’obtient enincorporant un corps dont les atomes ont5 électrons périphériques. Il y a donc unexcédent d’électrons, c’est-à-dire un excédentde charges négatives.

La diode

La diode est un semi-conducteur non contrôlécomportant deux régions P (anode) et N(cathode) et qui ne laisse passer le courant quedans un seul sens, de l’anode vers la cathode.Elle conduit quand l’anode est à une tensionplus positive que celle de la cathode : elle secomporte alors comme un interrupteur fermé.Elle bloque le courant et se comporte comme uninterrupteur ouvert si la tension d’anode devientmoins positive que celle de la cathode.

La diode possède les caractéristiquesprincipales suivantes :c à l’état passantv une chute de tension composée d’une tensionde seuil et d’une résistance interne,v un courant maximum permanentadmissible (ordre de grandeur, jusqu’à5 000 A RMS pour les composants les pluspuissants) ;c à l’état bloqué une tension maximaleadmissible qui peut dépasser 5 000 V crête.

I

+

-

I

+ –

Diode TransistorNPN

Thyristor

IGBT MOSGTO

Fig. 11 : les composants de puissance.

Le thyristorC’est un semi-conducteur contrôlé constitué dequatre couches alternées : P-N-P-N.Il se comporte comme une diode par l’envoid’une impulsion électrique sur une électrode decommande appelée gâchette ou « gate ». Cettefermeture (ou allumage) n’est possible que sil’anode est à une tension plus positive que lacathode.Le thyristor se bloque quand le courant qui letraverse s’annule.L’énergie d’allumage à fournir sur la « gate »n’est pas liée au courant à commuter. Et il n’estpas nécessaire de maintenir un courant dans lagâchette pendant la conduction du thyristor.

Le thyristor possède les caractéristiquesprincipales suivantes :c à l’état passantv une chute de tension composée d’une tensionde seuil et d’une résistance interne,v un courant maximum permanent admissible(ordre de grandeur, jusqu’à 5 000 A RMS pourles composants les plus puissants).c à l’état bloquév une tension inverse et directe maximaleadmissible, (pouvant dépasser 5 000 V crête).En général les tensions directes et inverses sontidentiques.v un temps de recouvrement qui est le tempsminimal pendant lequel une tension anode cathodepositive ne peut être appliquée au composantsous peine de le voir se réamorcer spontanément.v un courant de gâchette permettant l’allumagedu composant.Il existe des thyristors destinés à fonctionnerà la fréquence du réseau, d’autres dits« rapides » pouvant fonctionner à quelqueskilohertz, en disposant d’un circuit d’extinction.

Page 14: Demarreurs Et Variateurs de Vitesse Electroniques-cours

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Les thyristors rapides ont parfois des tensionsde blocage directe et inverse dissymétriques.En effet dans les schémas usuels, ils sontsouvent associés à une diode connectée enantiparallèle et les fabricants de semi-conducteurs utilisent cette particularité pouraugmenter la tension directe que le composantpeut supporter à l’état bloqué. Ces composantssont maintenant complètement supplantés par leGTO, les transistors de puissance et surtout lesIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor)C’est une variante du thyristor rapide quiprésente la particularité de pouvoir être bloquépar sa gâchette. Un courant positif envoyé dansla gâchette ou « gate » entraîne la mise enconduction du semi-conducteur à condition quel’anode soit à une tension plus positive que lacathode. Pour maintenir le GTO conducteur etlimiter la chute de tension, le courant de gâchettedoit être maintenu. Le blocage s’effectue eninversant la polarité du courant de gâchette.Le GTO est utilisé sur les convertisseurs de trèsforte puissance, car il est capable de maîtriserles fortes tensions et intensités (jusqu’à 5 000 Vet 5 000 A). Cependant, en raison des progrès desIGBT, leur part de marché tend à s’amenuiser.

Le thyristor GTO possède les caractéristiquesprincipales suivantes :c à l’état passantv une chute de tension composée d’une tensionde seuil et d’une résistance interne,v un courant de maintien destiné à réduire lachute de tension directe,v un courant maximum permanent admissible,v un courant de blocage pour provoquerl’interruption du courant ;c à l’état bloquév des tensions inverse et directe maximalesadmissibles, souvent dissymétriques commeavec les thyristors rapides et pour les mêmesraisons,v un temps de recouvrement qui est le tempsminimal pendant lequel le courant d’extinctiondoit être maintenu sous peine de le voir seréamorcer spontanément,v un courant de gâchette permettant l’allumagedu composant.

Les GTO peuvent fonctionner à des fréquencesde quelques kilohertz.

Le transistor

C’est un semi-conducteur bipolaire contrôléconstitué de trois régions alternées P-N-P ouN-P-N. Il ne laisse passer le courant que dansun seul sens : de l’émetteur vers le collecteur entechnologie P-N-P, du collecteur vers l’émetteuren technologie N-P-N.Les transistors de puissance capable defonctionner sous des tensions industrielles sontdu type N-P-N, souvent montés en « Darlington ».

Le transistor peut fonctionner en amplificateur.La valeur du courant qui le traverse est alorsfonction du courant de commande circulant danssa base. Mais il peut également fonctionner entout ou rien comme interrupteur statique : ouverten l’absence de courant de base, fermé ensaturation. C’est ce deuxième mode defonctionnement qui est utilisé dans les circuits depuissance des variateurs.Les transistors bipolaires couvrent des tensionsjusqu’à 1 200 V et acceptent des courantspouvant atteindre 800 A.Ce composant est aujourd’hui remplacé dans lesconvertisseurs par l’IGBT.

Dans le fonctionnement qui nous intéresse letransistor bipolaire possède les caractéristiquesprincipales suivantes :c à l’état passantv une chute de tension composée d’une tensionde seuil et d’une résistance interne,v un courant maximum permanent admissible,v un gain en courant (pour maintenir le transistorsaturé, le courant injecté dans la base doit êtresupérieur au courant qui circule dans lecomposant, divisé par le gain),c à l’état bloqué, une tension directe maximaleadmissible.

Les transistors de puissance utilisés en variationde vitesse peuvent fonctionner à des fréquencesde quelques kilohertz.

L’IGBT

C’est un transistor de puissance commandé parune tension appliquée à une électrode appeléegrille ou « gate » isolée du circuit de puissance,d’où son nom «Insulated Gate Bipolar Transistor».Ce composant nécessite des énergies infimespour faire circuler des courants importants.C’est aujourd’hui le composant utilisé eninterrupteur tout ou rien dans la majorité desconvertisseurs de fréquence jusqu’à despuissances élevées (de l’ordre du MW).Ses caractéristiques tension courant sontsimilaires à celles des transistors bipolaires,mais ses performances en énergie de commandeet fréquence de découpage sont très nettementsupérieures à tous les autres semi-conducteurs.Les caractéristiques des IGBT progressent trèsrapidement et des composants haute tension(> 3 kV) et forts courants (plusieurs centainesd’ampères) sont actuellement disponibles.

Le transistor IGBT possède les caractéristiquesprincipales suivantes :c une tension de commande permettant la miseen conduction et le blocage du composant ;c à l’état passantv une chute de tension composée d’une tensionde seuil et d’une résistance interne,v un courant maximum permanent admissible ;c à l’état bloqué, une tension directe maximaleadmissible ;

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.13

c Les transistors IGBT utilisés en variation devitesse peuvent fonctionner à des fréquences dequelques dizaines de kilohertz.

Le transistor MOSCe composant fonctionne de manière toutedifférente des précédents, par modification duchamp électrique dans un semi-conducteurobtenue en polarisant une grille isolée, d’oùl’appellation : « Métal Oxyde Semi-conducteur ».Son usage en variation de vitesse est limité auxutilisations en basse tension (variateurs devitesse alimentés par batterie) ou de faiblepuissance car la surface de silicium nécessaire àl’obtention d’une tension de blocage élevée avecune faible chute de tension à l’état passant estéconomiquement irréalisable.

Le transistor MOS possède les caractéristiquesprincipales suivantes :c une tension de commande permettant la miseen conduction et le blocage du composant ;c à l’état passantv une résistance interne,v un courant maximum permanent admissible ;c à l’état bloqué, une tension directe maximaleadmissible (pouvant dépasser 1000 V).

Les transistors MOS utilisés en variation devitesse peuvent fonctionner à des fréquences dequelques centaines de kilohertz. On les trouvede manière quasi universelle dans les étagesd’alimentation à découpage sous la forme decomposants discrets ou d’un circuit intégrécomportant la puissance (MOS), les circuits decommande et régulation.

P

N

B

U

V

W

+

Résistance de freinage

Versmoteur

ArrivéeCC

Fig. 12 : module IPM (Intelligent Power Module).

L’IPM (Intelligent Power Module)

Ce n’est pas à proprement parler un semi-conducteur mais un assemblage de transistorsIGBT. Ce module (cf. fig. 12 ) regroupe un pontonduleur à transistors de puissance IGBT etl’électronique bas niveau pour la commande dessemi-conducteurs, soit dans un même boîtiercompact :c 7 composants IGBT, dont six pour le pontonduleur et un pour le freinage,c les circuits de commande des IGBT,c 7 diodes de puissance de roue libre associéesaux IGBT pour permettre la circulation du courant,c des protections contre les courts-circuits, lessurintensités et les dépassements de température,c l’isolation galvanique de ce module.

Le pont redresseur à diodes est le plus souventintégré à ce même module.Cet assemblage permet de maîtriser au mieuxles contraintes de câblage et de commande desIGBT.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.14

4 Variateur-régulateur pour moteur courant continu

4.1 Principe général

L’ancêtre des variateurs de vitesse pour moteurà courant continu est le groupe Ward Leonard.

Ce groupe, constitué d’un moteurd’entraînement, généralement asynchrone, etd’une génératrice à courant continu à excitationvariable, alimente un ou des moteurs à courantcontinu. L’excitation est réglée par un dispositifélectromécanique (Amplidyne, Rototrol,Regulex), ou par un système statique(amplificateur magnétique ou régulateurélectronique). Ce dispositif est aujourd’huitotalement abandonné au profit des variateursde vitesse à semi-conducteurs qui réalisent demanière statique les mêmes opérations avecdes performances supérieures.

Les variateurs de vitesse électronique sontalimentés sous une tension fixe à partir duréseau alternatif et fournissent au moteur unetension continue variable. Un pont de diodes ouun pont à thyristors, en général monophasé,permet l’alimentation du circuit d’excitation.

Le circuit de puissance est un redresseur.La tension à délivrer devant être variable,ce redresseur doit être du type contrôlé, c’est-à-dire comporter des composants de puissancedont la conduction peut être commandée(thyristors). La variation de la tension de sortieest obtenue en limitant plus ou moins le tempsde conduction pendant chaque demi-période.Plus l’amorçage du thyristor est retardé parrapport au zéro de la demi-période, plus lavaleur moyenne de la tension est réduite et, dece fait, la vitesse du moteur plus faible(rappelons que l’extinction d’un thyristorintervient automatiquement quand le courantpasse par zéro).

Pour des variateurs de faible puissance, ou desvariateurs alimentés par une batteried’accumulateurs, le circuit de puissance, parfoisconstitué de transistors de puissance (hacheur),fait varier la tension continue de sortie enajustant le temps de conduction. Ce mode defonctionnement est dénommé MLI (Modulationde Largeur d’Impulsion).

Régulation

La régulation consiste à maintenir avec précisionla vitesse à la valeur imposée en dépit desperturbations (variation du couple résistant, de latension d’alimentation, de la température).

Toutefois, lors des accélérations ou en cas desurcharge, I’intensité du courant ne doit pasatteindre une valeur dangereuse pour le moteurou le dispositif d’alimentation. Une boucle derégulation interne au variateur maintient lecourant à une valeur acceptable. Cette limite estaccessible pour permettre l’ajustement enfonction des caractéristiques du moteur.

La vitesse de consigne est fixée par un signal,analogique ou numérique transmis parl’intermédiaire d’un bus de terrain ou par toutautre dispositif qui délivre une tension image decette vitesse désirée. La référence peut être fixeou varier au cours du cycle.

Des rampes d’accélération et de décélérationréglables appliquent de façon progressive latension de référence correspondant à la vitessedésirée, I’évolution de cette rampe peut suivretoutes les formes désirées. Le réglage desrampes définit la durée de l’accélération et duralentissement.

En boucle fermée, la vitesse réelle est mesuréeen permanence par une dynamo tachymétriqueou un générateur d’impulsions et comparée à laréférence. Si un écart est constaté, l’électroniquede contrôle réalise une correction de la vitesse.La gamme de vitesse s’étend de quelques tourspar minute jusqu’à la vitesse maximale. Danscette plage de variation, on obtient aisément desprécisons meilleures que 1 % en régulationanalogique et mieux que 1 / 1000 en régulationnumérique, en cumulant toutes les variationspossibles (vide / charge, variation de tension,de température etc.)

Cette régulation peut également être effectuée àpartir de la mesure de la tension du moteur entenant compte du courant qui le traverse. Lesperformances sont dans ce cas sensiblementinférieures, à la fois en gamme de vitesse et enprécision (quelques % entre marche à vide etmarche en charge)

Inversion du sens de marche et freinage parrécupérationPour inverser le sens de marche, il fautinverser la tension d’induit. Ce peut être réaliséà l’aide de contacteurs (cette solution estmaintenant obsolète) ou en statique parinversion de la polarité de sortie du variateur devitesse ou de la polarité du courant d’excitation.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.15

Cette dernière solution est peu usitée en raisonde la constante de temps de l’inducteur.

Lorsqu’un freinage contrôlé est désiré ou que lanature de la charge l’impose (couple entraînant),il faut renvoyer l’énergie au réseau. Pendant lefreinage, le variateur fonctionne en onduleur,en d’autres termes la puissance qui transite estnégative.

Les variateurs capables d’effectuer ces deuxfonctionnements (inversion et freinage parrécupération d’énergie) sont dotés de deuxponts connectés en antiparallèle (cf. fig. 13 ).Chacun de ces ponts permet d’inverser latension et le courant ainsi que le signe del’énergie qui circule entre le réseau et la charge.

MCCa

Fig. 13 : schéma d’un variateur avec inversion demarche et freinage par récupération d’énergie pour unmoteur à courant continu.

4.2 Modes de fonctionnement possibles

Fonctionnement dit à « couple constant »

À excitation constante, la vitesse du moteur estfonction de la tension appliquée à l’induit dumoteur. La variation de vitesse est possibledepuis l’arrêt jusqu’à la tension nominale dumoteur qui est choisie en fonction de la tensionalternative d’alimentation.Le couple moteur est proportionnel au courantd’induit et le couple nominal de la machine peutêtre obtenu de manière continue à toutes lesvitesses.

Fonctionnement dit à « puissanceconstante »Lorsque la machine est alimentée sous satension nominale, il est encore possibled’augmenter sa vitesse en réduisant le courantd’excitation. Le variateur de vitesse doit dans cecas comporter un pont redresseur contrôléalimentant le circuit d’excitation. La tensiond’induit reste alors fixe et égale à la tensionnominale et le courant d’excitation est ajustépour obtenir la vitesse souhaitée.

La puissance a pour expressionP = E . IavecE sa tension d’alimentation,I le courant d’induit.

La puissance, pour un courant d’induit donné,est donc constante sur toute la gamme devitesse, mais la vitesse maximale est limitée pardeux paramètres :c la limite mécanique liée à l’induit et enparticulier la force centrifuge maximale pouvantêtre supportée par le collecteur,c les possibilités de commutation de la machine,en général plus restrictives.

Le fabricant du moteur doit donc être sollicitépour bien choisir un moteur, en particulier enfonction de la gamme de vitesse à puissanceconstante.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.16

5 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

5.1 Principe général

Le convertisseur de fréquence, alimenté àtension et fréquence fixes par le réseau, assureau moteur, en fonction des exigences de vitesse,son alimentation en courant alternatif à tensionet fréquence variables.

Pour alimenter convenablement un moteurasynchrone à couple constant quelle que soit lavitesse, il est nécessaire de maintenir le fluxconstant. Ceci nécessite que la tension et lafréquence évoluent simultanément et dans lesmêmes proportions.

ConstitutionLe circuit de puissance est constitué par unredresseur et un onduleur qui, à partir de latension redressée, produit une tensiond’amplitude et fréquence variables (cf. fig. 8 ).Pour respecter la directive CE - CommunautéEuropéenne - et les normes associées, un filtre« réseau » est placé en amont du pont redresseur.Le redresseur est en général équipé d’un pontredresseur à diodes et d’un circuit de filtrageconstitué d’un ou plusieurs condensateurs enfonction de la puissance. Un circuit de limitationcontrôle l’intensité à la mise sous tension duvariateur. Certains convertisseurs utilisent unpont à thyristors pour limiter le courant d’appelde ces condensateurs de filtrage qui sontchargés à une valeur sensiblement égale à lavaleur crête de la sinusoïde réseau (environ560 V en 400 V triphasé).Nota : Malgré la présence de circuits dedécharge, ces condensateurs sont susceptiblesde conserver une tension dangereuse enl’absence de tension réseau. Une intervention àl’intérieur d’un tel produit ne doit donc êtreeffectuée que par des personnes formées etconnaissant bien les précautions indispensablesà mettre en place ( circuit de déchargeadditionnel ou connaissance du temps d’attente).

Le pont onduleur, connecté à ces condensateurs,utilise six semi-conducteurs de puissance (en

général des IGBT) et des diodes de roue libreassociées.

Ce type de variateur est destiné à l’alimentationdes moteurs asynchrones à cage. Ainsi l’Altivar,de la Marque Telemecanique, permet de créerun mini-réseau électrique à tension et fréquencevariables capable d’alimenter un moteur uniqueou plusieurs moteurs en parallèle. Il comporte :c un redresseur avec condensateurs de filtrage ;c un onduleur à 6 IGBT et 6 diodes ;c un hacheur qui est connecté à une résistancede freinage (en général extérieure au produit) ;c les circuits de commande des transistors IGBT ;c une unité de contrôle organisée autour d’unmicroprocesseur, lequel assure la commande del’onduleur ;c des capteurs internes pour mesurer le courantmoteur, la tension continue présente aux bornesdes condensateurs et dans certains cas lestensions présentes aux bornes du pontredresseur et du moteur ainsi que toutes lesgrandeurs nécessaires au contrôle et à laprotection de l’ensemble moto-variateur ;c une alimentation pour les circuits électroniquebas niveau.

Cette alimentation est réalisée par un circuit àdécoupage connecté aux bornes descondensateurs de filtrage pour bénéficier decette réserve d’énergie. Cette disposition permetà l’Altivar de s’affranchir des fluctuations réseauet des disparitions de tension de courte durée,ce qui lui confère de remarquables performancesen présence de réseaux fortement perturbés.

La variation de vitesseLa génération de la tension de sortie estobtenue par découpage de la tension redresséeau moyen d’impulsions dont la durée, donc lalargeur, est modulée de telle manière que lecourant alternatif résultant soit aussi sinusoïdalque possible (cf. fig. 14 ).

t t

U moteur I moteur

Fig. 14 : la modulation de largeur d’impulsions.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.17

Cette technique connue sous le nom de MLI(Modulation de Largeur d’Impulsions ou PWM enanglais) conditionne la rotation régulière à bassevitesse et limite les échauffements. La fréquencede modulation retenue est un compromis : elledoit être suffisamment élevée pour réduirel’ondulation de courant et le bruit acoustiquedans le moteur sans augmenter notablement lespertes dans le pont onduleur et dans les semi-conducteurs. Deux rampes règlent l’accélérationet le ralentissement.

Les protections intégrées

Le variateur s’auto-protège et protège le moteurcontre les échauffements excessifs, en severrouillant jusqu’au retour à une températureacceptable.

Il en est de même pour toute perturbation ouanomalie pouvant altérer le fonctionnement del’ensemble, comme les surtensions ou soustension, la disparition d’une phase d’entrée oude sortie.

Dans certains calibres le redresseur, l’onduleur,le hacheur, la commande et les protectionscontre les courts-circuits sont intégrés dans ununique module IPM - Intelligent Power Module -.

5.2 Fonctionnement en U/f

Dans ce type de fonctionnement, la référencevitesse impose une fréquence à l’onduleur et parvoie de conséquence au moteur, ce quidétermine la vitesse de rotation. La tensiond’alimentation est en relation directe avec lafréquence (cf. fig. 15 ). Ce fonctionnement estsouvent nommé fonctionnement à U/f constant

1,75

1,50

1,25

10,95

0,75

0,50

0,25

0 50 100 150 200 % 0

1a

CoupleC/Cn

Fonduleur

Fréseau

1b

3

2

ou fonctionnement scalaire. Si aucunecompensation n’est effectuée, la vitesse réellevarie avec la charge ce qui limite la plage defonctionnement. Une compensation sommairepeut être utilisée pour tenir compte del’impédance interne du moteur et limiter la chutede vitesse en charge.

Fig. 15 : caractéristiques de couple d’un variateur (Altivar 66 – Telemecanique).1 – couple utile permanent moteur auto-ventilé (a) et moteur moto-ventilé (b),2 – surcouple transitoire (< 1,7 Cn pendant 60 s),3 – couple en survitesse à puissance constante.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.18

5.3 Commande vectorielle

Les performances sont grandement augmentéespar une électronique de commande faisant appelau contrôle vectoriel de flux - CVF - (cf. fig. 16 ).La plupart des variateurs modernes intègrentcette fonction en standard. La connaissance oul’estimation des paramètres de la machine permetde se passer de capteur de vitesse pour lamajorité des applications. Dans ce cas un moteurstandard peut être utilisé avec la limitation usuellede fonctionnement prolongé à basse vitesse.

Le variateur élabore les informations à partir desgrandeurs mesurées aux bornes de la machine(tension et courant).Ce mode de contrôle apporte des performancesacceptables sans augmentation de coût.

Pour obtenir ces performances, certainsparamètres de la machine doivent être connus.A la mise en service, le metteur au point de lamachine doit notamment introduire lescaractéristiques plaquées sur le moteur dans lesparamètres de réglage du variateur telles que :UNS : tension nominale moteur,FRS : fréquence nominale stator,NCR : courant nominal stator,NSP : vitesse nominale,COS : cosinus moteur.A partir de ces valeurs, le variateur calcule lescaractéristiques du rotor : Lm, Tr. (Lm : inductancemagnétisante, Tr : moment du couple).

1 / g

(d,q)

(a,b,c)

(a,b,c)

(d,q)

VcVbVa

Ia, Ic

θs

θs

Boucle de vitesse

Boucle de courant enquadrature

Boucle de courant direct

Estimationde vitesse

Limitations de courantIdlim Iqlim

Consignede vitesseΩcons

Ωest

Référence de courant en quadratureIqref

Référence de tension en quadratureVqref

Référence de tension directe

VdrefCourantmagnétisant

Correctionde vitesse

Compensationde glissement

ΩcomΩcor

Référence de courant direct

Idref

Limitations de tensionVdlim Vqlim

Générateurdes référencesde tension

Courants direct et en quadrature

Id

Iq

Angle dedéphasageθs

Moteur

Fig. 16 : schéma de principe d’un variateur à contrôle vectoriel de flux.

Variateur avec contrôle vectoriel de flux sanscapteur

A la mise sous tension, un variateur avec contrôlevectoriel de flux sans capteur (type ATV58F –Telemecanique) pratique un autoréglage qui luipermet de déterminer les paramètres statoriquesRs, Lf. Cette mesure peut se faire moteur accoupléà la mécanique. La durée varie en fonction de lapuissance moteur (1 à 10 s). Ces valeurs sontmémorisées et permettent au produit d’élaborerles lois de commande.

L’oscillogramme de la figure 17 page suivantereprésente la mise en vitesse d’un moteur,chargé à son couple nominal alimenté par unvariateur sans capteur. On remarquera que lecouple nominal est obtenu rapidement (moins de0,2 s) et la linéarité de la mise en vitesse. Lavitesse nominale est obtenue en 0,8 seconde.

Variateur avec contrôle vectoriel de flux enboucle fermée avec capteur

Le contrôle vectoriel de flux en boucle ferméeavec capteur est une autre possibilité.Cette solution fait appel à la transformation dePark et permet de contrôler indépendammentle courant (Id) assurant le flux dans la machineet le courant (Iq) assurant le couple (égal auproduit Id . Iq). La commande du moteur estanalogue à celle d’un moteur à courant continu.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.19

Cette solution (cf. fig. 18 ) apporte la réponseaux applications exigeantes : forte dynamiquelors des transitoires, précision de vitesse, couplenominal à l’arrêt.Le couple maximal transitoire est égal à 2 ou3 fois le couple nominal suivant le type de moteur.De plus, la vitesse maximale atteint souvent ledouble de la vitesse nominale, ou davantage sile moteur le permet mécaniquement.Ce type de contrôle autorise également desbandes passantes très élevées et desperformances comparables et mêmesupérieures aux meilleurs variateurs à courantcontinu. En contrepartie, le moteur utilisé n’estpas de construction standard en raison de laprésence d’un capteur et le cas échéant d’uneventilation forcée.L’oscillogramme représenté dans la figure 19page suivante représente la mise en vitesse d’unmoteur, chargé à son couple nominal alimentépar un variateur avec contrôle vectoriel de fluxavec capteur. L’échelle des temps est de 0,1 spar division. Par rapport au même produit sanscapteur l’augmentation des performances estsensible. Le couple nominal s’établit en 80 ms etle temps de montée en vitesse, dans les mêmesconditions de charge est de 0,5 seconde.

(d,q)

(a,b,c)

(a,b,c)

(d,q)

VcVbVa

Calcul des tensions etboucles de courants

Régulationde vitesse

Rampede vitesse

Calcul de la vitesseEstimation du glissementCalcul de l'angle de Rotation

Limitations Courantet Couple

Codeur

Estimation etRégulation du flux

Moteur

Consignede vitesseΩcons

Référencede vitesse Ωref

Référence decourant en quadratureIqref

Référencede courant direct Idref

VitessemesuréeΩm

Angle dedéphasageθs

Courantsdirect et enquadratureId, Iq

Tensionsdirecteet enquadrature Vd, Vq

Référence de flux (consigne interne)Φref

Id, Iq

Vd, Vq

Ia, Ic

Ωm

Ωm

Ωm Φref

Φref

θs

θs

Id, Iq

Iqref

Fig. 18 : schéma de principe d’un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur.

0 0,2 1

1

2

3

t (s)

1 - courant moteur

2 - vitesse du moteur

3 - couple moteur

Fig. 17 : caractéristiques d’un moteur à sa mise soustension par un variateur avec contrôle vectoriel de fluxsans capteur (type ATV58F - Telemecanique).

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.20

En conclusion, le tableau de la figure 20compare les performances respectives d’unvariateur dans les trois configurations possibles.

Inversion du sens de marche et freinage

Pour inverser le sens de marche, un ordreexterne (soit sur une entrée dédiée à cet effet,soit pour un signal circulant sur un bus decommunication) entraîne l’inversion dans l’ordrede fonctionnement des composants del’onduleur, donc du sens de rotation du moteur.Plusieurs fonctionnements sont possibles.

c 1er cas : inversion immédiate du sens decommande des semi-conducteurs

Si le moteur est toujours en rotation au momentde l’inversion de sens de marche, cela se traduitpar un glissement important et le courant dans levariateur est alors égal au maximum possible(limitation interne). Le couple de freinage estfaible en raison du fort glissement et larégulation interne ramène la consigne de vitesseà une faible valeur. Quand le moteur atteint lavitesse nulle, la vitesse s’inverse en suivant larampe. L’excèdent d’énergie non absorbée par

le couple résistant et les frottements est dissipédans le rotor.

c 2e cas : inversion du sens de commande dessemi-conducteurs précédée d’une décélérationavec ou sans rampe

Si le couple résistant de la machine est tel que ladécélération naturelle est plus rapide que larampe fixée par le variateur, celui-ci continue àfournir de l’énergie au moteur. La vitessediminue progressivement et s’inverse.

Par contre, si le couple résistant de la machineest tel que la décélération naturelle est plus faibleque la rampe fixée par le variateur, le moteur secomporte comme une génératrice hypersynchrone et restitue de l’énergie au variateur ;mais la présence du pont de diodes interdisantle renvoi de l’énergie vers le réseau, lescondensateurs de filtrage se chargent, la tensionaugmente et le variateur se verrouille. Pouréviter cela, il faut disposer d’une résistance quiest connectée aux bornes des condensateurspar un hacheur de façon à limiter la tension àune valeur convenable. Le couple de freinagen’est plus limité que par les capacités duvariateur de vitesse : la vitesse diminueprogressivement et s’inverse.

Pour cette utilisation, le fabricant du variateurfournit des résistances de freinagedimensionnées en fonction de la puissance dumoteur et des énergies à dissiper. Le hacheurétant dans la majorité des cas inclus d’originedans le variateur, seule la présence d’unerésistance de freinage distingue un variateurcapable d’assurer un freinage contrôlé. Ce modede freinage est donc particulièrement économique.Il va de soi que ce mode de fonctionnementpermet de ralentir un moteur jusqu’à l’arrêt sansnécessairement inverser le sens de rotation.

Freinage de ralentissement par injection decourant continuUn freinage économique peut être facilementréalisé en faisant fonctionner l’étage de sortie duvariateur en hacheur qui injecte ainsi un courantcontinu dans les enroulements. Le couple defreinage n’est pas contrôlé. Il est assez peuefficace, surtout à grande vitesse, et de ce fait larampe de décélération n’est pas contrôlée.Néanmoins c’est une solution pratique pourdiminuer le temps d’arrêt naturel de la machine.L’énergie étant dissipée dans le rotor, ce modede fonctionnement est, par nature, occasionnel.

0 0,2 1

1

2

3

t (s)1 - courant moteur2 - vitesse du moteur3 - couple moteur

Fig. 19 : oscillogramme de la mise en vitesse d’unmoteur, chargé à son couple nominal alimenté parun variateur avec contrôle vectoriel de flux(type ATV58F - Telemecanique).

Contrôle scalaire Avec contrôle vectoriel de fluxsans capteur avec capteur

Gamme de vitesse 1 à 10 1 à 100 1 à 1000Bande passante 5 à 10 Hz 10 à 15 Hz 30 à 50 HzPrécision de vitesse ± 1 % ± 1 % ± 0,01 %

Fig. 20 : performances respectives d’un variateur dans les trois configurations possibles(type ATV58F - Telemecanique).

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.21

Les modes de fonctionnement possibles

c Fonctionnement dit à « couple constant »Tant que la tension délivrée par le variateur peutévoluer et dans la mesure où le flux dans lamachine est constant (rapport U/f constant oumieux encore avec contrôle vectoriel de flux), lecouple moteur sera grossièrement proportionnelau courant et le couple nominal de la machinepourra être obtenu sur toute la plage de vitesse(cf. fig. 21 ). Cependant le fonctionnementprolongé au couple nominal à basse vitessen’est possible que si une ventilation forcée dumoteur est prévue, ce qui nécessite un moteurspécial. Les variateurs modernes disposent decircuits de protection qui établissent une imagethermique du moteur en fonction du courant,des cycles de fonctionnement et de la vitessede rotation : la protection du moteur est doncassurée.

c Fonctionnement dit à « puissance constante »Lorsque la machine est alimentée sous satension nominale, il est encore possibled’augmenter sa vitesse en l’alimentant à unefréquence supérieure à celle du réseau dedistribution. Toutefois, la tension de sortie duconvertisseur ne pouvant pas dépasser celle duréseau, le couple disponible décroît enproportion inverse de l’accroissement de lavitesse (cf. fig. 21). Au-dessus de sa vitesse

nominale, le moteur fonctionne non plus àcouple constant mais à puissance constante(P = Cw), tant que la caractéristique naturelle dumoteur l’autorise.La vitesse maximale est limitée par deuxparamètres :v la limite mécanique liée au rotor,v la réserve de couple disponible.Pour une machine asynchrone alimentée àtension constante, le couple maximum variantcomme le carré de la vitesse, le fonctionnementà « puissance constante » n’est possible quedans une plage limitée de vitesse déterminée parla caractéristique de couple propre à la machine.

C

Cn

0 10 10050 F (Hz)

a b

Fig. 21 : couple d’un moteur asynchrone à chargeconstante alimenté par un convertisseur de fréquence[a] – zone de fonctionnement à couple constant,[b] - zone de fonctionnement à puissance constante.

5.4 Gradateur de tension pour moteur asynchrone

Ce dispositif de variation de tension, exploitablepour l’éclairage et le chauffage, n’est utilisablequ’avec des moteurs asynchrones à cagerésistante ou à bagues (cf. fig. 22 ). Ces moteursasynchrones sont dans la majorité des castriphasés, occasionnellement monophasés pourles petites puissances (jusqu’à 3 kW environ).

Fig. 22 : couple disponible d’un moteur asynchrone alimenté à tension variable et dont le récepteur présente uncouple résistant parabolique (ventilateur) [a] - moteur à cage d’écureuil, [b] - moteur à cage résistante.

Souvent utilisé comme démarreur ralentisseurprogressif, dans la mesure où un couple dedémarrage élevé n’est pas nécessaire, ungradateur permet de limiter l’appel de courant,la chute de tension qui en découle et leschocs mécaniques dus à l’apparition brutaledu couple.

C

Cr linéaire

Cr = kN2

C

a - b -

N1

NS

NS

N2

N N

N max

0

Un = 100 %

U

U4 N max

∆ua Un

Un

4

3

2

1

U2 = 85 %

U1 = 65 %

00

Page 24: Demarreurs Et Variateurs de Vitesse Electroniques-cours

Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.22

Parmi les applications les plus courantes citonsle démarrage des pompes centrifuges et desventilateurs, des convoyeurs à bande, desescaliers roulants, des portiques de lavaged’automobiles, des machines équipées decourroies… et en variation de vitesse sur lesmoteurs de très faible puissance ou sur lesmoteurs universels, comme dans l’outillageélectroportatif. Mais pour certaines applications,telle la variation de vitesse des petits ventilateurs,les gradateurs ont quasiment disparu au profitdes convertisseurs de fréquence pluséconomiques en phase d’exploitation.

Dans le cas des pompes, la fonction ralentisseurpermet également d’éliminer les coups de bélier.

Mais le choix de ce dispositif de variation devitesse nécessite quelques précautions. En effetquand un moteur glisse, ses pertes sontproportionnelles au couple résistant etinversement proportionnelles à la vitesse ; or leprincipe de fonctionnement d’un gradateurconsiste à réduire le couple moteur en réduisantla tension afin d’équilibrer le couple résistant à lavitesse désirée. Le moteur à cage résistante(cf. fig. 22b) doit donc être capable, à petitevitesse, de dissiper ses pertes (les petitsmoteurs jusqu’à 3 kW répondent généralement àces conditions). Au-delà, il faut en généralutiliser un moteur moto-ventilé. Pour les moteursà bague les résistances associées doivent êtredimensionnées conformément aux cycles defonctionnement. La décision est du ressort duspécialiste qui sélectionnera le moteur enfonction des cycles de fonctionnement.

Trois types de démarreurs se trouvent sur lemarché : soit à une phase contrôlée dans lespetites puissances, soit à deux phasescontrôlées (la troisième étant une connexiondirecte), soit avec toutes les phases contrôlées.Les deux premiers systèmes ne sont à utiliserque pour des cycles de fonctionnement peusévères en raison du taux d’harmoniquessupérieur.

Principe général

Le circuit de puissance comporte, par phase,2 thyristors montés tête-bêche (cf. fig. 9).La variation de tension est obtenue en faisantvarier le temps de conduction de ces thyristorsau cours de chaque demi-période. Plus l’instantde l’amorçage est retardé, plus la valeur de latension résultante est faible.

L’amorçage des thyristors est géré par unmicroprocesseur qui assure également lesfonctions suivantes :c contrôle des rampes de montée en tension etde diminution de tension réglables ; la rampe dedécélération ne pourra être suivie que si letemps de décélération naturel du systèmeentraîné est plus long ;c limitation de courant réglable ;c sur couple au démarrage ;

c commande de freinage par injection decourant continu ;c protection du variateur contre les surcharges ;c protection du moteur contre les échauffementsdus aux surcharges ou aux démarrages tropfréquents ;c détection de déséquilibre ou d’absence dephases, de défauts thyristors.

Un tableau de bord qui affiche différentsparamètres de fonctionnement apporte une aideà la mise en service, à l’exploitation et à lamaintenance.

Certains gradateurs, tels l’Altistart(Telemecanique) peuvent commander ledémarrage et le ralentissement :c d’un seul moteur,c de plusieurs moteurs simultanément, dans lalimite de son calibre,c de plusieurs moteurs successivement parcommutation. En régime établi, chaque moteurest alimenté directement par le réseau à traversun contacteur.

Seul l’Altistart dispose d’un dispositif brevetépermettant une estimation du couple moteurce qui permet d’effectuer des accélérations etdécélérations linéaires et, si nécessaire, delimiter le couple moteur.

Inversion du sens de marche et freinage

L’inversion du sens de marche s’effectue parinversion des phases d’entrée du démarreur.Le freinage se fait alors à contre courant et toutel’énergie est dissipée dans le rotor de lamachine. Le fonctionnement est donc par natureintermittent.

Freinage de ralentissement par injection decourant continu

Un freinage économique peut être facilementréalisé en faisant fonctionner l’étage de sortie dudémarreur en redresseur qui injecte ainsi uncourant continu dans les enroulements.Le couple de freinage n’est pas contrôlé et lefreinage est assez peu efficace, surtout à grandevitesse. De ce fait la rampe de décélération n’estpas contrôlée. Néanmoins c’est une solutionpratique pour diminuer le temps d’arrêt naturelde la machine. L’énergie étant dissipée dans lerotor, ce mode de fonctionnement est égalementoccasionnel.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.23

5.5 Moto-variateurs synchrones

Principe généralLes moto-variateurs synchrones (cf. fig. 23 )sont une association d’un convertisseur defréquence et d’un moteur synchrone à aimantspermanents équipé d’un capteur.

Ces moto-variateurs sont destinés à desmarchés spécifiques, comme les robots ou lesmachines-outils, pour lesquels sont exigés unfaible volume des moteurs, des accélérationsrapides et une bande passante étendue.

Le moteur

Le rotor du moteur est équipé d’aimantspermanents en terre rare pour obtenir un champélevé dans un volume réduit. Le stator comporteles enroulements triphasés. Ces moteurspeuvent accepter des courants de surchargeimportants pour réaliser des accélérations trèsrapides. Un capteur équipe ces moteurs pourindiquer au variateur la position angulaire despôles du moteur afin d’assurer la commutationdes enroulements.

Le variateur

Dans sa constitution, le variateur est similaire àun convertisseur de fréquence : il fonctionne defaçon analogue.

Il est aussi constitué d’un redresseur et d’unonduleur à transistors à modulation de largeurd’impulsions (MLI) qui restitue un courant desortie de forme sinusoïdale.

Il est fréquent de trouver plusieurs variateurs dece type alimentés par une même source decourant continu. Ainsi, sur une machine-outil,chaque variateur commande un des moteurs

Fig. 23 : photographie d’un moto-variateur synchrone(Variateur Lexium + moteur, Schneider Electric).

associés aux axes de la machine. Une sourcecommune à courant continu alimente enparallèle cet ensemble de variateurs.

Ce type d’installation permet de mettre àdisposition de l’ensemble, l’énergie quiproviendrait du freinage de l’un des axes.

Comme dans les convertisseurs de fréquence,une résistance de freinage associée à un hacheurpermet d’évacuer l’énergie de freinage en excès.

Les fonctions d’asservissement del’électronique, les faibles constantes de tempsmécaniques et électriques, autorisent desaccélérations et plus généralement des bandespassantes très élevées, avec en même tempsune très grande dynamique de vitesse.

5.6 Moto-variateurs pas-à-pas

Principe généralLes moto-variateurs pas-à-pas sont desassociations d’une électronique de puissance,similaire dans sa conception à celle d’un

Fig. 24 : schéma de principe d’un variateur pour moteur bipolaire pas à pas.

+ CC

- CC

Moteur

Q1a Q2a Q3a Q4a

Q2b Q1b Q4b Q3b

convertisseur de fréquence, et d’un moteur pasà pas (cf. fig. 24 ). Ils fonctionnent en boucleouverte (sans capteur) et sont destinés à desapplications de positionnement.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.24

Le moteur

Le moteur peut être à réluctance variable, àaimants permanents ou présenter unecombinaison des deux (Voir Cahier Techniquen° 207 « Introduction aux moteurs électriques »).

Le variateur

Dans sa constitution, le variateur est analogue àun convertisseur de fréquence (redresseur,filtrage et pont constitué de semi-conducteurs depuissance).

Cependant son fonctionnement estfondamentalement différent dans la mesure où ila pour objectif d’injecter un courant constantdans les enroulements. Parfois il fait appel à lamodulation de largeur d’impulsions (MLI) pourobtenir de meilleures performances, enparticulier le temps de montée du courant(cf. fig. 25 ), ce qui permet d’étendre la plagede fonctionnement.Le fonctionnement (cf. fig. 26 ) en micropaspermet de multiplier artificiellement le nombre depositions possibles du rotor en générant deséchelons successifs dans les bobines durantchaque séquence. Les courants dans les deuxbobines ressemblent alors à deux courantsalternatifs décalés de 90°. Le champ résultantest la composition vectorielle des champs créés

par les 2 bobines. Le rotor prend ainsi toutes lespositions intermédiaires possibles. Le schémareprésente les courant d’alimentation desbobines B1 et B2 ; les positions du rotor sontreprésentées par le vecteur.

t

t

Uu

i

In

U/R

1 pas

Fig. 25 : allure du courant résultant d’une commandeà MLI.

0,86

0,5

B1 I1B1

B2

I2B2

t

t

Fig. 26 : diagramme, courbes d’intensité et principe d’échelons pour une commande en micropas d’unmoto-variateur pas-à-pas.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.25

6 Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse

6.1 Les possibilités de dialogue

Pour pouvoir assurer un fonctionnement correctdu moteur, les variateurs intègrent un certainnombre de capteurs pour surveiller la tension,les courants « moteur » et son état thermique.Ces informations, indispensables pour levariateur, peuvent être utiles pour l’exploitation.

Les variateurs et démarreurs récents intègrentdes fonctions de dialogue en tirant profit des busde terrain. Il est ainsi possible de générer desinformations qui sont utilisées par un automateet un superviseur pour la conduite de lamachine. De la même façon les informations decontrôle proviennent de l’automate par le mêmecanal.

Parmi les informations qui transitent citons :c les consignes de vitesse,c les ordres de marche ou d’arrêt,c les réglages initiaux du variateur ou lesmodifications de ces réglages en opération,c l’état du variateur (marche, arrêt, surcharge,défaut),c les alarmes,c l’état du moteur (vitesse, couple, courant,température).

Ces possibilités de dialogue sont égalementutilisées en liaison avec un PC pour pouvoirsimplifier les réglages à la mise en route(téléchargement) ou archiver les réglages initiaux.

6.2 Les fonctions intégrées

Pour couvrir efficacement bon nombred’applications, les variateurs disposent d’unnombre important d’ajustages et de réglagescomme :c les temps des rampes d’accélération etdécélération,c la forme des rampes (linéaires, en S ou en U),c les commutations de rampes permettantd’obtenir deux rampes d’accélération ou dedécélération pour permettre par exemple unaccostage en douceur,c la réduction du couple maximum commandéepar une entrée logique ou par une consigne,c la marche pas à pas,c la gestion de la commande d’un frein pour lesapplications de levage,c le choix de vitesses présélectionnées,c la présence d’entrés sommatrices permettantd’additionner des consignes de vitesse,c la commutation des références présentes àl’entrée du variateur,c la présence d’un régulateur PI pour lesasservissements simples (vitesse ou débit parexemple),c l’arrêt automatique suite à une coupure réseaupermettant le freinage du moteur,c le rattrapage automatique avec recherche dela vitesse du moteur pour une reprise à la volée,c la protection thermique du moteur à partird’une image générée dans le variateur,

c la possibilité de connexion de sondes PTCintégrées au moteur,c l’occultation de fréquence de résonance de lamachine (la vitesse critique est occultée de sorteque le fonctionnement à cette fréquence estrendu impossible),c le verrouillage temporisé à basse vitesse dansles applications de pompage où le fluideparticipe à la lubrification de la pompe et évite legrippage.

Ces fonctions, sur les variateurs sophistiqués, setrouvent le plus souvent en standard (cf. fig. 27 ).

Fig. 27 : photographie d’un variateur comportant denombreuses fonctions intégrées (ATV58H -Telemecanique).

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.26

6.3 Les cartes optionnelles

Pour des applications plus complexes, lesfabricants proposent des cartes optionnelles quipermettent soit des fonctions particulières, parexemple le contrôle vectoriel de flux aveccapteur, soit des cartes dédiées à un métierparticulier. On trouve par exemple :

c des cartes « commutation de pompes » pourréaliser économiquement une station depompage comportant un seul variateuralimentant successivement plusieurs moteurs,

c des cartes « multi-moteurs »,

c des cartes « multi-paramètres » permettant decommuter automatiquement des paramètresprédéfinis dans le variateur,

c des cartes spécifiques développées à lademande d’un utilisateur particulier.

Certains fabricants proposent également descartes automates intégrées dans le variateurpermettant des applications simples. L’opérateurdispose alors d’instructions de programmation etd’entrées et sorties pour la réalisation de petitsautomatismes, là où la présence d’un automatene se justifie pas.

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Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.27

7 Conclusion

Le choix d’un variateur de vitesse étantintimement lié à la nature de la charge entraînéeet aux performances visées, toute définition etrecherche d’un variateur de vitesse doiventpasser par une analyse des exigencesfonctionnelles de l’équipement puis desperformances requises pour le moteur lui-même.

La documentation des fournisseurs de variateursde vitesse fait également abondamment mentionde couple constant, couple variable, puissanceconstante, contrôle vectoriel de flux, variateurréversible… Ces désignations caractérisenttoutes les données nécessaires pour retenir letype de variateur le plus adapté.

Un choix incorrect de variateur peut conduire àun fonctionnement décevant. De même, il fauttenir compte de la gamme de vitesse souhaitéepour choisir convenablement l’associationmoteur / variateur.

Toutes les informations réunies dans ce CahierTechnique doivent permettre d’aboutir à un bonchoix en consultant la documentation desconstructeurs ou, ce qui est encore plus sûr,en s’adressant, avec toutes les précisionsnécessaires, à des spécialistes pour sélectionnerle variateur apportant le meilleur rapport prix /performances.

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Schneider Electric Direction Scientifique et Technique,Service Communication TechniqueF-38050 Grenoble cedex 9Télécopie : 33 (0)4 76 57 98 60E-mail : [email protected]

Réalisation : AXESS - Valence (26).Edition : Schneider Electric- 20 € -

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