La variation de vitesse des moteurs asynchrones

Transcription

1 La variation de vitesse des moteurs asynchrones 1

2 Principes glissement fréquence Vitesse de rotation n = n s (1 g) = f (1 p g) Vitesse du champ tournant Paire de pôles 2

3 Pour faire varier la vitesse il faut : Modifier le nombre de pôles Le glissement La fréquence d alimentation 3

4 Couplage de pôles 4

5 Action sur les pôles n = f ( 1 p g) p est un nombre entier. Les différentes vitesses seront des multiples. Dans la pratique on limite la variation à deux vitesses (PV et GV). Le moteur est plus volumineux et plus cher. On parle de variation par couplage de pôles 2 technologies sont utilisées suivant le rapport GV PV - rapport quelconque : stator à enroulements séparés - rapport = 2 : stator composé de 6 demi-bobines 5

6 Action sur les pôles T/Tn I/In caractéristiques du couple et du courant en fonction de la vitesse 6

7 Action sur les pôles Rapport GV/PV quelconque PV GV En grande vitesse les enroulements PV supportent des contraintes mécaniques et électriques importantes qui sont prises en compte dans la conception du moteur. Les puissances absorbées en GV et PV sont souvent très différentes ce qui nécessite un relais de protection thermique par vitesse. 7

8 Action sur les pôles Rapport GV/PV =2 Le moteur Dahlander est constitué de 6 demi enroulements On a 4 pôles PV L1 On a le couplage triangle série L1 L3 On a le couplage étoile parallèle On a 2 pôles GV L3 L2 L2 8

9 Action sur les pôles Rapport GV/PV =2 Câblage de la plaque à bornes PV triangle série L1 L2 L3 GV étoile parallèle L3 L2 L1 9

10 Action sur les pôles Rapport GV/PV =2 La protection de moteur à couplage Dahlander T/Tn I/In Les courants absorbés en PV et GV sont très différents. Cr P P Il est nécessaire de prévoir une protection thermique séparées pour chaque fonctionnement. 10

11 Action sur le glissement 11

12 Action sur le glissement Au moyen d un gradateur qui modifie la valeur efficace de la tension statorique Du fait de sa faible plage de variation de vitesse sur moteur à cage standard, le gradateur statorique est surtout utilisé sur des machines dont le couple résistant est de type parabolique(ventilateur). 12

13 Action sur le glissement Au moyen d un gradateur qui modifie la valeur efficace des courants rotoriques (résistance variable). Rhéostat de glissement rotorique 13

14 Action sur le glissement Cr En modifiant la résistance rotorique, on agit sur le glissement tout en conservant un couple maximal constant. 14

15 Action sur le glissement C P(Ωn, Cn) P (Ωs, 0) Grande vitesse P Cr P Ω Puissance absorbée = Puissance utile + (C n. Ω s ) (C n. Ω n ) pertes 15

16 Action sur le glissement C Petite vitesse P Cr Inconvénient : - rendement très faible sauf avec cascade hyposynchrone - échauffement du moteur P Augmentation des pertes Ω 16

17 Action sur le glissement Cascade hyposynchrone La récupération de l'énergie rotorique assure un excellent rendement, voisin de celui du moteur seul. Le facteur de puissance de la cascade est plus faible que celui du moteur seul et il y a nécessité de le relever avec une batterie de condensateurs. La cascade ne peut démarrer seule : il est nécessaire de prévoir un dispositif annexe de démarrage par résistances rotoriques. 17

18 Action sur la fréquence 18

19 Action sur la fréquence ns = f p Agir sur la fréquence, modifie la vitesse de synchronisme ainsi que le point de fonctionnement f3<f2 f2<f1 f1 Cr P3 P2 P1 Remarque: Les pertes sont constantes ns3 ns2 ns1 19

20 Action sur la fréquence On distingue: La conversion directe par cycloconvertisseur. La conversion indirecte par variateur de vitesse à commande scalaire ou vectorielle. 20

21 Action sur la fréquence conversion directe par cycloconvertisseur C'est un convertisseur de fréquence, dont la fréquence de sortie est faible devant celle du réseau d'alimentation (1/3 maximum). Le montage complet nécessite 36 thyristors pour une machine triphasée. 21

22 Action sur la fréquence L a machine asynchrone, en raison de son faible coût et de sa robustesse, constitue actuellement la machine la plus utilisée pour réaliser des variateurs de vitesse. De par sa structure, la machine asynchrone à cage d'écureuil possède un défaut important par rapport à la machine à courant continu et aux machines de type synchrone. En effet, l'alimentation par une seule armature fait que le même courant crée le flux et le couple et ainsi les variations du couple provoquent des variations du flux. Ce type de couplage donne à la machine asynchrone un modèle complètement non linéaire, ce qui complexifie beaucoup la commande de cette machine. 22

23 Action sur la fréquence conversion indirecte(choix du type de commande) Scalaire(U/f) - Commande fondée sur le modèle de la machine en régime permanent. Boucle Ouverte Contrôle par mesure du courant Boucle Fermée Correction en fonction de la vitesse réelle - Simple à implanter. - Dynamique lente. - Contrôle des grandeurs en amplitude. 23

24 Action sur la fréquence conversion indirecte(choix du type de commande) Vectorielle - Commande fondée sur le modèle de la machine en régime transitoire (Park :découplage du flux et du couple) Boucle Ouverte Tout repose dans l estimation du modèle. Boucle Fermée Les meilleures performances. - Précision et rapidité - Contrôle du couple à l arrêt(avec capteur de position ou vitesse) - Chère (codeur ou estimateur de vitesse, DSP). - Contrôle des grandeurs en amplitude et en phase. 24

25 Contrôle U/f ou Contrôle scalaire 25

26 Action sur la fréquence Commande scalaire Pour une bonne maîtrise de l équipement, on cherche à conserver un couple moteur maximal constant. A l aide du modèle équivalent, on a obtenu l expression : p et L r sont liés à la construction de la machine V f s est représentatif du flux magnétisant 26

27 Action sur la fréquence Commande scalaire f varie et on veut C max V f s doit rester constant. On travaille à flux constant 27

28 Action sur la fréquence Commande scalaire 28

29 Commande scalaire Limite du modèle utilisé A basse vitesse, donc à faible tension V, on a l influence de Rs qui ne peut être négligée. Conséquence sur la caractéristique Cm = f(ω) à basse vitesse 29

30 Action sur la fréquence Commande scalaire Caractéristiques constructeurs C/Cn 1,5 Moteur auto ventilé couple utile permanent Moteur moto ventilé couple utile permanent Surcouple transitoire 1 0,5 0 Pas de couple aux très basses vitesses f(hz) fn 2fn Zone de survitesse à puissance constante 30

31 Action sur la fréquence Commande scalaire Pour obtenir les caractéristiques précédentes, la loi U/f a l allure suivante V Vn Zone en régime de défluxage fn f(hz) Pour compenser les imperfections du modèle adopté ou l adapter à une charge particulière, les constructeurs proposent de modifier la loi U/f. V Vn 2 fn Vd fn 2 fn Au démarrage il y a renforcement du flux magnétique augmentation du couple aux basses vitesses f(hz) 31

32 Action sur la fréquence Commande scalaire Ajustement manuel (ou boost manuel) La tension appliquée n est pas fonction de sa charge. On obtient un couple élevé à basse vitesse mais on maintient un courant magnétisant élevé dans le moteur à vide avec risque de saturation magnétique (échauffement) Ajustement automatique (boost automatique) La tension délivrée au moteur permet une compensation de la chute de tension R s I suivant la charge. On obtient un couple élevé à basse vitesse tout en maintenant un courant magnétisant faible dans le moteur à vide. il a un temps de réponse plus lent que l ajustement manuel. 32

33 Action sur la fréquence Commande scalaire On en déduit la caractéristique V=f(ω) pour les deux sens de rotation. -ω -ω n boost ω n ω 33

34 Commande scalaire Compensation du glissement C Cr2 P 2 P 2 + f P1 P 1 + f Cr1 N (ou f) glissement Np1 Ns La compensation permet de rattraper le glissement en fournissant un supplément de fréquence (valable pour un point de fonctionnement ou de petites variations) 34

35 Commande scalaire en tension Synoptique de la commande MLI Thèse BAGHLI 35

36 Commande scalaire en courant La machine est alimentée en courant. Il est nécessaire de déterminer la loi de variation I s =f(ω r ) en gardant un flux statorique constant (I o = cst). V I s L r I µ I r X 0 R r /g I µ = I s Yo Yo + Y = I s Z o Z + Z Z o Z 36

37 Commande scalaire en courant avec ω r = g ω s 37

38 Commande scalaire en courant Synoptique de la commande Thèse BAGHLI 38

39 Contrôle Vectoriel de Flux 39

40 Contrôle vectoriel de flux On peut montrer que le MAS triphasé peut être représentée par un système biphasé dans un repère tournant à la vitesse du champ statorique. Les grandeurs électriques deviennent des grandeurs continues. U q couple Ωs Ωs d flux ϕ s D ϕ s V W id iq Transformation de Park Q 40

41 Contrôle vectoriel de flux I s I µ L r I r V L 0 R r /g Z o Z I' r = I s Y o Y + Y = I s Z o Z + o Z 41

42 Contrôle vectoriel de flux Couple électromagnétique C e = 3 Ω s R' g r I ' 2 r 42

43 Contrôle vectoriel de flux Pour imposer ou contrôler le couple il faut : - maîtriser I s et ω R - connaître R r et L o, L r Mesurés par des capteurs Fournies par les constructeurs ou par identification au démarrage du moteur 43

44 Transformation de Park Rappels Cette transformation consiste, tout d abord, à remplacer le moteur triphasé par le moteur biphasé équivalent. D un système triphasé fixe (a,b,c) on passe à un système biphasé fixe αβ (les grandeurs restent sinusoïdales). Puis on passe à un repère tournant à la vitesse du champ statorique. Dans ce repère les grandeurs deviennent continues. Concordia ou Clarke Park 44

45 Contrôle vectoriel de flux Référence vitesse Référence flux Référence courant/couple Id Iq Iq Id Park -1 Iq Im Id 2/3 Va Vb Vc Générateur MLI ~ = réseau = ~ ω R ω R mesurée ou calculée ω s ω G calculée intégrateur θs Id Iq Iq Im Id 2/3 Park Ia Ib M GI Schéma fonctionnel (très simplifié) 45

46 Synoptique contrôle vectoriel de flux Sans capteur de vitesse ou de position Consigne couple Régulateur vitesse PID Consigne vitesse Optimisation flux Régulateur consigne couple vitesse réelle Régulateur de consigne de flux Freinage contrôle du flux Couple réel Affaiblissement survitesse Flux réel Logique de commutation Modèle moteur adaptatif Estimateur Commande des I.S. ~ = réseau = ~ M 46

47 Contrôle vectoriel de flux Sans capteur de vitesse ou de position Park -1 Park 47

48 Contrôle vectoriel de flux Conclusion Des performances exceptionnelles dans la mesure où la machine est parfaitement connue et la commande parfaite. Requiert une bonne connaissance des paramètres de la machine asynchrone, paramètres évoluant en fonction des conditions d exploitation de la machine (température, saturation, ). Il y a contrôle vectoriel et contrôle vectoriel!! Comparatif avec machine synchrone (terre-rare): * robustesse, prix: ++ * couple massique/volumique: - - * rendement: - * précision: machine synchrone + simple et donc mieux contrôlée. 48

49 Structure Interne d un Variateur MLI 49

50 Structure et commande classique: redresseur à diode/thyristors, onduleur à «transistor» Redresseur Onduleur C Moteur action tension tension tension réaction courant courant courant 50

51 Bornier entrées / sorties Structure interne d un variateur MLI réseau DT CAN U CAN I Commande des voies Traitement des informations CAN afficheur clavier prise DB9 Toutes les grandeurs rentrantes ou sortantes du µp sont optocouplées 51

52 Structure interne d un variateur MLI document Schneider 52

53 Câblage d un variateur MLI 53

54 FIN 54