Variateur électronique de vitesse Comment changer la vitesse dun moteur Guy Gauthier ing. Ph.D. (mars 2014)

Variateur électronique de vitesse

Comment changer la vitesse d’un moteur

Guy Gauthier ing. Ph.D. (mars 2014)

Vitesse synchrone d’un moteur AC

• La vitesse synchrone d’un moteur AC est dictée par la fréquence du réseau électrique.

• Elle est calculé comme suit:

– fp : fréquence du réseau en Hertz;– n : nombre de paires d’enroulements par phase.

60 pSynchone RPM

fN

n

Vitesse synchrone d’un moteur AC

• Puisque la fréquence du réseau au Québec est de 60 Hz, alors les vitesses synchrones sont:– 3600 RPM si n = 1;– 1800 RPM si n = 2;– 1200 RPM si n = 3;– 900 RPM si n = 4;– 720 RPM si n = 5;– …

À 50 Hz:-3000 RPM si n = 1;-1500 RPM si n = 2;-1000 RPM si n = 3;-750 RPM si n = 4;-600 RPM si n = 5;

Vitesse d’un asynchrone moteur AC

• La vitesse d’un moteur asynchrone doit pendre en compte le glissement S:

• La vitesse du rotor est inférieure à la vitesse du champ tournant.

60 1RPMpfNn

S

CHANGER LA VITESSE SANS L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE…

Changer le nombre depaires de pôles n

• La vitesse de synchronisme d’un moteur alimenté à 60 Hz et ayant 2 pôles (n = 1) est de 3600 RPM.

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

(moteur de typeDahlander)

Contrôle du glissement S

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

– Changer le voltage du stator;– Contrôle du rotor:• en changeant la résistance du rotor;• par le couplage en cascade.

Changer le voltage au stator• Le couple du moteur est

proportionnel au carré de la tension d’alimentation au stator vf.

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

2

2 2 2 2

f rm

p r p r

pnv SRT

R S L

Changer la résistance au rotor

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

• La perte par effet Joule au rotor change la caractéristique couple/vitesse.

R augmente

2

2 2 2 2

f r Rm

p r R p r

pnv S R RT

R R S L

CHANGER LA VITESSE EN UTILISANT L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

Varier la vitesse synchrone

• Pour varier la vitesse d’un moteur AC sur une grande plage de vitesse, il faut varier la fréquence de la tension reçue par le moteur fp.

• L’électronique de puissance permet de prendre une tension DC et de l’onduler pour en faire une tension AC de fréquence quelconque.

Varier la vitesse synchrone

• Il faut donc procéder de la façon suivante:1. Redresser la tension alternative pour en faire

une tension continue;2. Onduler la tension continue pour faire une

tension alternative ayant la fréquence désirée.

• En théorie, ça semble être simple. Mais…

Équation du couple du moteur

• Le couple d’un moteur asynchrone est:

• Si on change fp, on change la vitesse synchrone et le couple du moteur. Si on désire maintenir le couple constant, il faut compenser en changeant la tension vf.

2 2

2 2 2 2 2 2 2 2 22 4f r f r

m

p r p r p r p r

pnv SR pnv SRT

R S L f R S f L

Varier la vitesse synchrone – version 2.0

• Il faut modifier la procédure présentée précédemment:1. Redresser la tension alternative pour en faire

une tension continue;2. Modifier l’amplitude la tension continue;3. Onduler cette nouvelle tension continue pour

faire une tension alternative ayant la fréquence et l’amplitude désirées.

Composantes – électronique de puissance

• Diode:– Une diode ne laisse passer le courant que dans

une seule direction.– Cette composante est totalement passive.


• Thyristor:– Il une broche de plus que la diode: la gâchette.– Lorsque la gâchette est active et que la tension est

dans le bon sens, le thyristor conduit le courant tant que la tension ne s’inverse pas, même si la gâchette est désactivée.

– Lorsque la tension est à l’inverse, le thyristor bloque, comme une diode.

– On peut faire de la commutation jusqu’à 300 Hz.


• GTO (Gate turn off thyristor):– Il une broche de plus que la diode: la gâchette.– Lorsque la gâchette est activée positivement et

que la tension est dans le bon sens, le GTO conduit tant que la tension ne s’inverse pas.

– Lorsque que la gâchette est activée négativement, le GTO bloque. Lorsque la tension est à l’inverse, le thyristor bloque, comme une diode.

– On peut faire de la commutation jusqu’à 1 kHz.


• Transistor bipolaire:– Lorsque le courant à la base est supérieur à 0, un

courant circule entre le collecteur et l’émetteur. Sinon le transistor bloque.



• Transistor MOS:– Lorsque la tension grille source est supérieure à 0,

un courant circule entre le drain et la source. Sinon le transistor bloque.



• Transistor IGBT (Insulated gate bipolar transistor):– Lorsque la tension grille émetteur est supérieure à

0, un courant circule entre le collecteur et la l’émetteur. Sinon le transistor bloque.


Le contrôleur à fréquence variable

• Schéma de principe

Le contrôleur à fréquence variable

• Schéma de principe

Redresseur Circuit intermédiaire Onduleur Moteur

Circuit de contrôle

Variateur électronique de vitesse

Le redresseur (ou pont de Graetz)

• Le redresseur le plus simple à mettre en œuvre est basé sur un pont de diodes.

• La tension moyenne de sortie est 1.35 fois la tension ligne-ligne de l’entrée triphasée.

• La tension moyenne de sortie est constante et ne peut être changée.

Redresseur à diodes

Le redresseur (ou pont de Graetz)- Version améliorée

• Un redresseur peut être fait avec des thyristors. Le gâchette est enclenchée avec un angle a après le croisement avec 0.

• La tension moyenne de sortie est 1.35 cos(a) fois la tension ligne-ligne de l’entrée triphasée.

• La tension moyenne de sortie est fonction de l’angle d’amorçage a.

Redresseur à thyristors

30


60


90

Bilan

• Le redresseur à diodes fourni une tension de sortie fixe.– Il faudra ajouter un dispositif pour varier la

tension;

• Le redresseur à thyristors donne une tension de sortie variable en fonction de l’angle d’amorçage.

Filtrage de la tension redressée

• Pour améliorer le fonctionnement, on insère un filtre passe bas en sortie du redresseur pour permettre de réduire l’ondulation de tension.

• Filtre inductif :– La sortie du filtre est un courant.

• Filtre LC:– La sortie du filtre est une tension.

Hacheur

• Si le redresseur est basé sur des diodes, on ajoute un hacheur de tension, pour permettre de varier la tension présentée au redresseur.

Hacheur

• La tension en sortie du hacheur est:

• Ce signal est ensuite filtré par un filtre L-C.

onout in

on off

TV V

T T

On a tout ce qu’il nous faut pour commander un moteur à courant continu…

Variateur électronique de vitesse DC

• Schéma:


• Schéma:


• Schéma pour commander un moteur DC afin qu’il tourne dans les deux sens:

Schéma de commande DCAsservissement de vitesse

• … continuons avec le AC

Pour commander un moteur à courant alternatif, il nous manque un étage, l’onduleur.

Onduleurs

• Pour commander un moteur AC, il faut régénérer une tension (ou un courant) AC à partir de la tension (ou du courant) DC.

• Plusieurs versions existent.

Onduleur CSI

Onduleur CSI

• L’onduleur CSI comprend 6 thyristors, 6 diodes et 6 condensateurs.

• Quand un thyristor est activé il ne peut s’arrêter que si la tension s’inverse, ce qui est le rôle des condensateurs dans ce circuit.

• Les étages précédents sont:– Redresseur à thyristors– Filtre inductif (Inductance L).

Onduleur à transistors

• Schéma de principe:


• Les thyristors ne peuvent être arrêtés que lorsqu’il y a inversion de tension.

• Un transistor offre plus de contrôle puisqu’il peut être arrêté à n’importe quel moment.


• Mais tous les transistors ne sont pas égaux dans leurs caractéristiques.

• En particulier les puissances et fréquences de commutation.– Fréquences plus élevées qu’avec les thyristors.

Modulation d’amplitude

• Soit le montage suivant:

– Si SW1 en 1 et SW2 en 1 :• Va = 0 V, Vb = Vcc : donc Va-Vb = - Vcc.

– Si SW1 en 3 et SW2 en 1 :• Va = Vcc, Vb = Vcc : donc Va-Vb = 0 V.



– Si SW1 en 3 et SW2 en 3 :• Va = Vcc, Vb = 0 V : donc Va-Vb = + Vcc.

– Si SW1 en 1 et SW2 en 3 :• Va = 0 V, Vb = 0 V : donc Va-Vb = 0 V.



– Donc la tension Va-Vb peut prendre 3 valeurs différentes : - Vcc, 0 V et + Vcc.

• Comment générer une onde sinusoïdale ?

PAM• Par une

commutation adéquate des transistors, on peut obtenir une onde sinusoïdale.

• Les bobinages du moteur filtreront ce signal.


• La tension RMS de sortie est égale à 86.6 % de la tension moyenne du signal continu.

• Le type de modulation (à 6 ou 18 impulsions) à un effet sur la qualité du signal de sortie.

Modulation de largeur d’impulsion (PWM)

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


• Anciennement: méthode analogique.

u vf f

v

u

fm

f

m est un multiple de 3 pour limiter les harmoniques


• Maintenant implanté dans des microcontrôleurs et des DSP.

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


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

Le PWM et la fréquence• La fréquence fv à un impact

sur la qualité du signal. Mais, un compromis doit être fait.– fv faible augmente les pertes

dans le moteur;– fv grand augmente les pertes

dans l’onduleur.

Le problème des harmoniques

• Exemple des harmoniques présentes pour une modulation d’amplitude à 6 impulsions.


• Les nuisances ont lieu à base vitesse car à haute vitesse, les harmoniques sont filtrées par les réactances du moteur.


• Visualisation des champs tournants:

Conséquences des harmoniques

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

Variateur électronique de vitesse AC – Commande scalaire

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

• Et est égal à:

r

p r

RS

L

2

max 2f

r p

vpnT

L

Commande scalaire

• En changeant à la fois la fréquence et la tension pour maintenir le rapport vf/ωp constant, le flux dans le moteur est maintenu constant et la caractéristique du moteur se déplace.

Commande scalaire

• Au delà d’une certaine vitesse, la tension vf atteint son maximum et le couple maximum chute.

Commande scalaire

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

– Simple à implanter car elle est basée sur le régime permanent.

– Dynamique lente.– Contrôle des amplitudes de vitesse ou de couple.

Commande scalaire V/F

• Commande en vitesse avec la tension.

Commande scalaire V/F

• Commande en vitesse avec le courant.

CSI

REPRÉSENTATION VECTORIELLE DES VARIABLES ET MODULATION VECTORIELLE

Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM




x

Modulation vectorielle

Période T

Tension moyenne X

x

Commande vectorielle

• Comme montré dans une des acétates précédentes, le contrôle vectoriel donne un champ tournant parfaitement circulaire.

• Dans le cas d’un moteur à courant continu, on peut faire le contrôle de ce moteur utilisant les bobinages du rotor et du stator de façon indépendante.

Moteur CC à excitations indépendantes

• Équations en jeu:

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

ma

fm f a

vk i

T ki i

e t


• Donc, idéalement il faudrait pouvoir faire de même en CA.

• Mais, pour un moteur à CA à 3 phases, il y a une représentation triphasée des flux, courants et tensions.


• Les moteurs CC sont très optimaux au niveau du couple car le flux et le courant sont orthogonaux.

Orientation du champ

• Orientation non optimale:

• Orientation optimale:

Moteur synchrone

• Rotor: aimant;• Stator: champ tournant.

Moteur asynchrone

• Vitesse du rotor n’égale pas vitesse du champ tournant.

Moteur asynchrone

• Mais vitesses des champs statoriques et rotoriques identiques.

Moteur asynchrone

• Mais vitesses des champs statoriques et rotoriques identiques.

Moteur asynchrone

• Décomposition du courant au stator.

Produit le flux statorique

Produit le couple

Moteur asynchrone

• Moteur biphasé équivalent.

Produit le flux statorique

Produit le couple

Transformation de Park


PWM

À partir de la vitesse du moteur

GlissementVitesse du moteur

Vitesse du champ

tournant

Park

Park

Schéma de principe d’un variateur à contrôle vectoriel de flux

Schéma d’un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur.

Performances respectives d’un variateur dans les 3 configurations possibles

– (référence: Intersections, Schneider Electric, juin 1998)

Choix du contrôleur

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

Choix du contrôleur• Le contrôleur peut fournir:– un couple égal à 160% du couple nominal;– une vitesse égale à 200% de la vitesse nominale.

1/n


• La caractéristique de la charge à un impact sur le choix du contrôleur:– Exemple: ventilateur (domaine d’utilisation 30 à

80% de la charge maximale).


• Il faut s’assurer que le couple moteur soit toujours plus grand au couple résistant:


• La caractéristique de la charge à un impact sur le choix du contrôleur:– Exemple 2: charge à couple constant


• Si le contrôleur et le moteur permettent un couple 60% plus grand que le couple nominal, cela est suffisant pour accélérer la charge.


• Si le contrôleur et le moteur ne permettent pas un couple plus grand que le couple nominal, il faut prévoir le couple d’accélération.


• La façon la plus simple de choisir le contrôleur est de mesurer le courant maximum du moteur à pleine charge.

• Si le moteur n’est pas à pleine charge, le courant peut être déduit en comparant avec des applications similaires.


• Choix basé sur la puissance de sortie du moteur et la charge et la puissance de sortie du contrôleur.

• Implique de connaître le rendement et le facteur de puissance (moins précis).


• Choix basé sur la puissance nominale du moteur.

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

COMPLÉMENT

Les services (CEI 60034-1)

• S1, S2 et S3:

Les services (CEI 60034-1)

• S4, S5 et S6:

Documents

Variateur électronique de vitesse Comment changer la vitesse dun moteur Guy Gauthier ing. Ph.D. (mars 2014)