VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS ASYNCHRONES. OBJECTIF : Identifier, choisir un modulateur pour moteur asynchrone triphasé

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1 VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS ASYNCHRONES OBJECTIF : Identifier, choisir un modulateur pour moteur asynchrone triphasé

2 VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS ASYNCHRONES PLAN - HISTORIQUE : Évolution des systèmes de réglage de la vitesse - SOLUTIONS GÉNÉRALES à la variation de vitesse 3- ACTION SUR LE GLISSEMENT 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE 5- ACTION SUR LE N0MBRE DE PAIRES DE PÔLES

3 - HISTORIQUE: Évolution des systèmes de réglage de la vitesse Un seul moteur par atelier, transmission et adaptation de la vitesse par système poulies courroies. Un moteur par machine, réglage de la vitesse par - Variateur à friction - Variateur à engrenage Variateur électrique Avant l ère de l électronique, la machine à courant continu était la solution la plus couramment utilisée ( variation progressive) Groupe Ward Léonart M 3~ Problème :η= 0,8 G = x 0,8 M = x 0,8 = 0,5

4 - HISTORIQUE: Évolution des systèmes de réglage de la vitesse Variateurs électroniques Apparition vers les années 50 avec l utilisation des composants électroniques d abord le thyratron à gaz. Maintenant GTO (thyristor blocable), IGBT (transistor à commande en tension) Variateur pour machines à courant continu (redresseurs statiques), puis variateurs pour machines alternatives (onduleurs).

5 - SOLUTIONS GENERALES à la variation de vitesse - Caractéristique externe T/Tn=f(n)

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7 Fonctionnement de base Moteur asynchrone Tmoteur T/Tn,5 Trécepteur 0, n Vitesse de synchronisme n tr/mn n=40tr/mn

8 - SOLUTIONS GENERALES à la variation de vitesse - Évolution de la vitesse de rotation en fonction de la charge

9 Fonctionnement de base Moteur asynchrone Tmoteur T/Tn,5 Trécepteur 0, n Vitesse de synchronisme n tr/mn n=40tr/mn

10 Fonctionnement de base Moteur asynchrone Tmoteur T/Tn,5 Trécepteur 0, n Vitesse de synchronisme n tr/mn n=440tr/mn n=40tr/mn

11 Fonctionnement de base Moteur asynchrone Tmoteur T/Tn,5 Trécepteur 0, n Vitesse de synchronisme n tr/mn Δn= n=440tr/mn n=40tr/mn 0tr/mn

12 - SOLUTIONS GENERALES à la variation de vitesse - Évolution de la vitesse de rotation en fonction de la charge Remarque: Dans cet exemple, pour une diminution de couple de 50% la vitesse ne baisse que de Δn/n= 0/40 = 0.04 soit,4%

13 - SOLUTIONS GENERALES à la variation de T/Tn3- Fonctionnement sous tension variable vitesse Moteur asynchrone U Évolution de la vitesse en fonctiontde l amplitude de la moteur tension d alimentation U U = 400V U = 360V,5 Trécepteur 0, n=45tr/mn n Vitesse de synchronisme n tr/mn n=40tr/mn

14 - SOLUTIONS GENERALES à la variation de vitesse 3- Évolution de la vitesse en fonction de l amplitude de la tension d alimentation Remarque: Dans cet exemple, pour une diminution de tension de 0% la vitesse ne baisse que de Δn/n= 5/45 = soit 0,35% CONCLUSION: Dans son fonctionnement de base, le moteur asynchrone est caractérisé par la faible variation de sa vitesse quand la tension d alimentation varie.

15 - SOLUTIONS GENERALES à la variation de vitesse 4- Formules de base définissant la vitesse Vitesse de synchronisme (vitesse du champ tournant) ns vitesse de synchronisme : tr/s ns = f/p f fréquence: Hz p nombre de paires de pôles Fréquence de rotation n = ns(-g) g glissement g = (ns-n)/ns n = f/p(-g)

16 - SOLUTIONS GENERALES à la variation de vitesse 4- Formules de base définissant la vitesse Différentes possibilités d action n = f/p(-g). Fréquence. Nombre de paires de pôles 3. Glissement

17 3- ACTION SUR LE GLISSEMENT MOTEUR ASYNCHRONE Á ROTOR BOBINÉ - Principe Formule du couple T = K.V² x ωs Tmax = K.V² Lωs² gtmax = R L ω s R R² +glωs² g Indépendant de R Proportionnel à R

18 3- ACTION SUR LE GLISSEMENT MOTEUR ASYNCHRONE Á ROTOR BOBINÉ - Incidence sur la caractéristique Couple/Vitesse

19 Action sur le glissement Moteur asynchrone T/Tn Rad=0Ω Rad=3Ω Rad=5Ω Tmax Tmoteur 3,5 Trécepteur 0,5 gtmax=0,78 g 0 00 gtmax=0, , gtmax=0, 800 0, ,5 n Vitesse de synchronisme n tr/mn

20 Action sur le glissement Moteur asynchrone T/Tn Rad=0Ω Rad=3Ω Rad=5Ω Tmax Tmoteur 3,5 Trécepteur 0, n3=00tr/mn n=380tr/mn n Vitesse de synchronisme n tr/mn n=40tr/mn

21 3- ACTION SUR LE GLISSEMENT MOTEUR ASYNCHRONE Á ROTOR BOBINÉ 3- Étude du comportement du système lorsque le couple varie

22 Action sur le glissement Moteur asynchrone T/Tn Rad=0Ω Rad=3Ω Rad=5Ω Tmax Tmoteur 3,5 Trécepteur 0, n3=00tr/mn n=380tr/mn n Vitesse de synchronisme n tr/mn n=40tr/mn

23 Action sur le glissement Moteur asynchrone T/Tn Rad=0Ω Rad=5Ω Tmax Tmoteur 3,5 Trécepteur 0, n3=00tr/mn n Vitesse de synchronisme n tr/mn n=40tr/mn

24 Action sur le glissement Moteur asynchrone T/Tn Rad=0Ω Rad=5Ω Tmax Tmoteur 3,5 θ3 0,5 Trécepteur θ Δn=75tr/mn Δn=0tr/mn 00 n3=00tr/mn n Vitesse de synchronisme n tr/mn n=40tr/mn

25 3- ACTION SUR LE GLISSEMENT MOTEUR ASYNCHRONE Á ROTOR BOBINÉ 3- Étude du comportement du système lorsque le couple varie Constatation : Pour une diminution du couple de 50%, dans le cas ou la vitesse d origine est n=40tr/mn, l augmentation de vitesse est Δn=0tr/mn soit en valeur relative Δn/n=0/40=0,04 Δn/n=,4% dans le cas où la vitesse d origine est n=00tr/mn, l augmentation de vitesse est Δn=75tr/mn soit en valeur relative Δn/n=75/00=0,06 Δn/n=6,%

26 3- ACTION SUR LE GLISSEMENT MOTEUR ASYNCHRONE Á ROTOR BOBINÉ 3- Étude du comportement du système lorsque le couple varie Incidence sur la stabilité Plus la vitesse diminue, plus l angle θ diminue, plus l écart de vitesse Δn (Δn = ΔT cotangente θ) augmente, donc plus la stabilité diminue. Remarque Pour un écart de vitesse nul, l angle θ idéal est θ=90

27 3- ACTION SUR LE GLISSEMENT MOTEUR ASYNCHRONE Á ROTOR BOBINÉ 4- Solutions technologiques Rhéostat de glissement Inconvénient : Pertes importantes dans le rhéostat rendement faible

28 3- ACTION SUR LE GLISSEMENT MOTEUR ASYNCHRONE Á ROTOR BOBINÉ 4- Solutions technologiques Variation du courant rotorique Variation de la résistance apparente du rotor par réglage de l angle d amorçage des thyristors

29 3- ACTION SUR LE GLISSEMENT MOTEUR ASYNCHRONE Á ROTOR BOBINÉ 4- Solutions technologiques Cascade hyposynchrone La tension rotorique est redressée, filtrée puis ondulée pour être réinjectée au stator

30 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL - Principe Formule du couple T = K.V² x ωs R R² +glωs² g Tmax = K.V² Lωs² gtmax = R L ω s

31 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL - Principe Formule du couple T = K.V² x R f ωs RR²² +gl +gl( f)² ωs² g Tmax = K.V² ωs² L( f)² gtmax = R L ω s ( f) Inversement proportionnel à f ² f Inversement proportionnel à f f T gtmax

32 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL - Incidence sur la caractéristique Couple/Vitesse

33 Fonctionnement sous fréquence variable Moteur asynchrone T/Tn,5 0,5 n tr/mn

34 Fonctionnement sous fréquence variable T/Tn f=50hz Tmoteur f3=33,4hz F Moteur asynchrone f=66,7hz θ 3,5 Trécepteur θ 0, n3=880tr/mn ns3=000tr/mn n=40tr/mn ns=5ootr/mn n n n n tr/mn 000 n=960tr/mn ns=000tr/mn

35 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 3- Fonctionnement à couple constant Tmax = K.V² L( f)² Tmax = K. X V² L( )² f Pour obtenir un fonctionnement à couple constant, il suffit de maintenir le rapport V/f constant. L organe essentiel de cette commande est le convertisseur qui transforme une énergie électrique à fréquence fixe en énergie électrique à fréquence variable.

36 V/f cste Fonctionnement sous fréquence variable À V/f=cste (couple constant T/Tn f4=5,7hz f3=33,4hz Moteur asynchrone f=50hz f=66,7hz Tmax Tmoteur P=cste T=cste 4,5 3 Trécepteur 0,5 n n n n n tr/mn 000 Tmax=cste jusqu à f=fn puis fonctionnement à P=cste

37 V/f=cste Fonctionnement sous fréquence variable T/Tn f=50hz Tmoteur f3=33,4hz F Moteur asynchrone f=66,7hz θ 3,5 Trécepteur θ 0, n n n n tr/mn 000

38 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 4- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Principe U U U U OU T -Remarque: Les courants générés ne sont pas de forme sinusoïdale ce qui entraîne des pertes supplémentaires dans le fer. Conséquence: Déclassement important de la machine

39 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 5- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Variation de fréquence avec Modulation de Largeur d Impulsion (MLI) But: Obtenir une forme du courant la plus proche possible de la sinusoïde par décomposition de la tension.

40 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 5- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Variation de fréquence avec Modulation de Largeur d Impulsion (MLI) Forme d onde u i t

41 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 5- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Variation de fréquence avec Modulation de Largeur d Impulsion (MLI) Relevés

42 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 5- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Variation de fréquence avec Modulation de Largeur d Impulsion (MLI) Avantages: - Pertes plus faibles - Rotation harmonieuse du moteur - Déclassement inférieur à 5% Inconvénient: -Bruit électrique dans le moteur (fréquences de découpage audibles)

43 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 5- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Variation de fréquence avec Modulation de Largeur d Impulsion (MLI) Réalisation:

44 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 5- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Variation de fréquence avec Modulation de Largeur d Impulsion (MLI) Exemple: ATV 8

45 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 5- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Contrôle vectoriel du flux But: Dissocier et gérer séparément le courant magnétisant et le courant actif du moteur asynchrone. le moteur asynchrone acquière les performances du moteur à courant continu sans ses inconvénients. I actif et magnétisant I actif Mcc Mas i magnétisant

46 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 5- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Contrôle vectoriel du flux Propriétés: - Montée en couple dix fois plus rapide - Couple nominal de l arrêt à la vitesse nominale - Coût modulateur + moteur inférieur à celui d un moteur à courant continu + modulateur Deux possibilités: - Boucle ouverte: le microprocesseur calcule par lecture du courant la position relative rotor/stator (pas de couple à l arrêt) ex ATV8 - Boucle fermée: un codeur incrémental donne la position relative rotor/stator) ex VNTV - TGV

47 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 5- Combinaison d un redresseur et d un onduleur autonome -Contrôle vectoriel du flux

48 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 6- Conversion directe : CYCLOCONVERTISSEUR -Principe U U T=cste OU T -L onde de tension de sortie est obtenue par juxtaposition de fragments de sinusoïdes successives empruntées aux diverses phases du réseau d alimentation.

49 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 6- Conversion directe : CYCLOCONVERTISSEUR - Forme d onde Onde souhaitée Onde obtenue Tensions réseau

50 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 6- Conversion directe : CYCLOCONVERTISSEUR - Schéma de principe

51 4- ACTION SUR LA FRÉQUENCE MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL 6- Conversion directe : CYCLOCONVERTISSEUR -Caractéristiques Avantaqes: Conversion directe donc rendement élevé (~97%) Puissance jusqu à 30Mw Couple important à basse vitesse Inconvénients: Nombre de thyristors important (36 en~) Fréquence limitée à 0Hz -Applications Broyeurs, laminoires, ensemble de moteurs

52 5- ACTION LE NBRE DE PAIRES DE PÔLES MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL SPÉCIAUX - Moteur à couplage de pôles -Principe : ce type de moteur possède bobinages distincts par phase, qui peuvent être couplés en série (4 pôles) ou en parallèle ( pôles).

53 5- ACTION LE NBRE DE PAIRES DE PÔLES MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL SPÉCIAUX - Moteur à couplage de pôles -Couplage triangle-série / étoile-parallèle ( Dahlander) L L U U U L3 W Gv U V W W Pv W V L3 V V L L -La puissance en Gv = x la puissance en Pv

54 5- ACTION LE NBRE DE PAIRES DE PÔLES MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL SPÉCIAUX - Moteur à couplage de pôles -Schéma de puissance

55 L L L3 3 5 I> I> I> DJ Couplage KM3 KM GV GV KM PV 6 4 F 6 F V/J.5 BN 3 W V 5 U W 3 M V U

56 5- ACTION LE NBRE DE PAIRES DE PÔLES MOTEUR ASYNCHRONE Á CAGE D ÉCUREUIL SPÉCIAUX - Moteur à enroulements indépendants -Le stator de ces moteurs est constitué de plusieurs enroulements totalement indépendants. On considère chacun des enroulements comme appartenant à un moteur distinct. -Exemple: paletticc -Schéma de puissance

57 A B F 5 Bornier Terre Q VA FU 07 5 AL DJ (3-A) 37 (3-A) I> I> MO DE W U V KM3 (3-H) 40 (5-A) + 4 (5-A) - 4V Entrées Automate 4V Sorties Automate EV 3 + FU8 4 A.aM KM6 V/J V Alim Terminal Pupitre M 0 = BARRAS PROVENCE 3 6 U V RT W M Moteur élévateur V/J.5 KM (3-H) A.aM GV PV BN 53 KM4 39 (4-A) FU5 5 KM4 5 A.aM FU47 (4-A) A.aM FU6 5 KM3 6 5 KM et Circuit Ctrl/Cmd V~ Sortie Atomate V~ Alim Automate (3-D) A.aM I> 34 (3-D) 47.5A KM FU4 9 63VA 4 0 A.aM KM 0.5A.aM 8 400V FU FU3 7 4A.aM I L3 3 H G 46 E 4 L D 3 L C Moteur Convoyeur 4V 5W PALETTICC SCHEMA DE CABLAGE (alimentations) FOLIO

58 RÉSUMÉ

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