La Variation de Vitesse au cœur des applications. industrielles. p.1

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1 Le magazine Shneider Eletri de l'enseignement tehnologique et professionnel Mai 005 p. Historique p. La ommande vetorielle des moteurs asynhrones p.3 La ommande vetorielle dans les appliations industrielles p.6 Conlusions p.7 de hoix La Variation de Vitesse au œur des appliations industrielles Il était une fois, le moteur életrique... L'histoire de et ationneur pourrait sembler si banale qu'elle ne mériterait d'être délinée qu'au passé... lointain! Et pourtant... L'intégration toujours plus poussée des omposants életroniques permet aujourd'hui de onevoir des variateurs életroniques apables de aluler en temps réel les lois de ommande des moteurs életriques asynhrones : 'est la ommande vetorielle des flux qui, appliquée à es moteurs robustes et éonomiques, permet d'obtenir des performanes prohes de elles fournies par les moteurs synhrones et à ourant ontinu. Du oup, un large domaine d'appliations industrielles s'ouvre à ette gamme de mahines életriques : e sont les ontraintes liées à es appliations que nous allons analyser dans e Tehnique afin de voir omment ette nouvelle génération de variateurs sait y répondre. Pour eux qui voudront approfondir leurs onnaissanes dans e domaine, le est omplété par des nombreuses annexes tehniques sous forme de douments téléhargeables. Historique Depuis que l'homme sait mettre au servie de son imagination les objets qui l'entourent, il n'a essé d'élever sa ondition en réant d'innombrables proédés tehniques de déplaement et de transformation de la matière d'œuvre. Souvent, la maîtrise des mouvements est à la base de es proédés : 'est le as pour de nombreuses appliations industrielles qui néessitent un ontrôle de vitesse et de position de ses ationneurs. Parmi eux-i, le moteur életrique est probablement le plus employé à e jour.

2 Intersetions - mai 005 Les lois qui régissent la dynamique des mouvements de rotation nous montrent que le ontrôle du ouple appliqué à un mobile permet d'en maîtriser la vitesse et la position. Le moteur életrique à ourant ontinu répond parfaitement à et impératif : il suffit de ontrôler son ourant d'induit pour en ontrôler son ouple. En outre, il est néessaire de pouvoir élaborer un modèle de l'appliation aussi prohe que possible de la réalité : il faut pouvoir prendre en ompte les régimes transitoires qui sont plus ontraignants que les régimes établis afin que les modèles soient utilisables aussi bien en régime statique que dynamique. Ce qui n'est pas faile à faire pour le moteur asynhrone Mais le moteur à ourant ontinu reste, par onstrution, her et pose des problèmes d'usure et de maintenane : beauoup d'appliations, sensibles au rapport oût/fiabilité, ont dû se ontenter des performanes intrinsèques moindres du moteur asynhrone. Depuis quelques années, grâe à la mise au point de alulateurs temps réel rapides et de leur intégration dans des miroiruits életroniques, on exploite de plus en plus les mahines asynhrones, de fabriation simple et qui ne posent pas de problèmes de maintenane. On ne savait pas réaliser le déouplage ourant induit/flux induteur (il n'y a pas d'exitation) sur une mahine asynhrone afin de la ontrôler omme un moteur à ourant ontinu : 'est maintenant hose faite! La ommande vetorielle des moteurs asynhrones A première vue, ommander un moteur asynhrone omme si 'était un moteur à ourant ontinu paraît tenir du tour de magie. Et pourtant Regardons de plus près les prinipes de fontionnement. Fig. Nord F D i C x y A B i B Sud F La partie tournante (rotor) d'un moteur asynhrone à age est onstituée d'un ensemble de boules ondutries immergées dans le flux magnétique réé par le ourant életrique qui irule dans la partie fixe (stator) du moteur : φs = Ks Is Toute variation de e flux produit une tension (fore ontre-életro-motrie f..e.m.) dans les boules ondutries du rotor qui provoque la génération d'un ourant induit : Ir = Km dφs/dt Celui-i, à son tour, donne naissane dans le rotor à un flux magnétique : φr = Kr Ir Le flux du rotor φr herhe à s'aligner au flux du stator φs pour le ontrebalaner, un peu omme deux aimants s'alignent pour faire orrespondre leurs pôles Nord et Sud (Fig. ). C'est e phénomène qui fait tourner le rotor ave un ouple proportionnel à φs φr. Id Fig. Flux Moteur asynhrone Cette approhe simplifiée du moteur asynhrone permet néanmoins de mettre en évidene les deux lois distintes de génération des flux magnétiques à l'intérieur du moteur et qui sont justement mises à profit par les tehniques de la ommande vetorielle. Puisque, à la base, 'est la variation du flux induteur φs qui provoque le mouvement (raison pour laquelle, au passage, le moteur asynhrone ne fontionne pas en ourant ontinu), nous avons affaire à des signaux életriques variables : la vision simplifiée i-dessus doit être don omplétée par l'introdution des impédanes omplexes (indutanes) des iruits du stator et du rotor qui leur onfèrent des omportements dynamiques différents. C'est ii qu'intervient la puissane de alul des pues embarquées dans les variateurs életroniques modernes : elles sont maintenant apables d'interpréter en temps réel les signaux életriques aux bornes d'un moteur asynhrone et de les déomposer en deux mesures orrélées aux flux magnétiques du stator et du rotor (Fig. ). Ces informations sont omplétées par la onnaissane préalable des aratéristiques életromagnétiques et φr Couple Iq φs Tehnique

3 Intersetions - mai 005 Référene de ourant diret Limitations de ourant Id lim Iq lim Référene de tension direte Limitations de tension Vd lim Vq lim Courant magnétisant Id ref Vd ref Générateur Référene de des ourant référenes quadrature Ωons Iq Boule de de tension ref Vq ref Boule Boule de ourant diret ourant en quadrature Référene de tension en quadrature (d,q) (a,b,) θs V Vb Va Moteur Estimation Ωest Corretion Ωor Compensation de glissement Ωom /g Angle de déphasage θs Courants diret et en quadrature (a,b,) Id Iq (d,q) Ia, Io Fig , t (s) - ourant moteur - vitesse du moteur 3 - ouple moteur Fig. 4 méaniques du moteur ainsi que de la vitesse du moteur (soit réelle par apteur de mesure, soit estimée à partir de la fréquene du signal issu du variateur). Elles permettent de réguler le ourant diret (Id) qui ontrôle le flux statorique et le ourant en quadrature (Iq) qui ontrôle le flux rotorique, don le ouple du moteur. A partir de es signaux de régulation, le variateur reonstruira ainsi les signaux életriques triphasés néessaires à la ommande du moteur (Fig. 3). La suite est, oserais-je dire, banale : ave un variateur életronique à ontrôle vetoriel de flux, l'utilisateur peut piloter le moteur asynhrone ave la même souplesse qu'un moteur à ourant ontinu. Le tour est joué : les résultats sont impressionnants, omme en témoigne l'osillogramme i-ontre! (Fig. 4). La ommande vetorielle dans les appliations industrielles Résumons. Grâe à la ommande vetorielle de flux, nous avons les moyens de ontrôler séparément les flux du stator et du rotor sur toute la plage du moteur. Nous pouvons don envisager de faire fontionner le moteur asynhrone ave la loi de ommande qui onvient le mieux : ommande en vitesse, en ourant, à ouple onstant, à puissane (ouple vitesse angulaire) onstante, et. En outre, les puissanes de alul des miroproesseurs installés dans un variateur életronique moderne autorisent la prise en ompte d'événements externes afin d'adapter, voire de hanger, la loi de ommande du moteur au ours du yle de mouvement. Cette double souplesse rend l'ensemble variateur à ommande vetorielle de flux / moteur asynhrone apte à répondre aux besoins spéifiques de la plupart Tehnique 3

4 Intersetions - mai 005 des appliations industrielles. A titre d'exemple, non exhaustif, nous allons mettre en évidene la ontribution de la ommande vetorielle de flux au œur des appliations de manutention (onvoyeurs, palettiseurs, enrouleurs), de pompage (pompes, entrifugeuses, extrudeuses, ventilateurs), de levage (grues, ponts roulants, asenseurs) et d'emballage (enaisseuses, étiqueteuses, remplisseuses, banderoleuses) : la ommande vetorielle de flux trouvera sa plae dans le ontrôle de mouvement de fontions ommunes à plusieurs appliations : Freinage La fontion de freinage gère la séquene des ations effetuées par le frein méanique du moteur afin d'assurer le maintien de la harge en toutes ironstanes : 'est un exemple de mise en œuvre des interations entre les parties analogique et logique d'un variateur életronique. Appliations Fontions Commande en ouple Freinage Equilibrage Positionnement Mesure de harge Manutention Pompage Levage Emballage Voyons en détail haune de es fontions, ainsi que les performanes obtenues en utilisant un variateur életronique à ommande vetorielle de flux de la gamme Altivar 7 Telemeanique. Commande en ouple Cette fontion permet de ontrôler le ouple transmis par l'arbre du moteur asynhrone, de manière à maîtriser les efforts appliqués à la matière d'œuvre. La ommande en ouple est néessaire sur des appliations omme les enrouleurs/dérouleurs de âble (Fig. 5), les enrouleurs et les banderoleuses qui utilisent une matière d'œuvre fragile (bande de papier ou film plastique). Dans es as, une fore de tration onstante est requise. Le freinage s'applique sur des mouvements vertiaux (asenseurs), horizontaux (ponts roulants) et de rotation (grues) ave des phases de démarrage et d'arrêt sans à-oups : pour e faire, lors du démarrage, le ouple moteur est appliqué progressivement (rampe) et le frein n'est ouvert que lorsqu'un seuil préréglé du ouple est atteint. Lors d'une phase d'arrêt, la fontion de freinage exploitera la apaité de la ommande vetorielle de flux à piloter le mouvement jusqu'au zéro de la vitesse du mobile. L'arrêt se fait ainsi sous ontrôle du moteur et le frein méanique n'intervient que pour immobiliser la harge dans sa position d'arrêt (Fig. 6). Fréquene de sortie Maître régulation Eslave ommande en ouple Montée Desente vitesse Alx Ao ouple Courant Fluxage Courant de levée M M Fig. 5 Etat frein Contat frein Egalement, la ommande en ouple est utilisée par les pompes d'extration, de dosage ou d'extrusion afin d'obtenir un flux de matière à pression onstante. Les performanes obtenues sont : préision < 5 % du ouple nominal plage de régulation ± 00 % du ouple nominal Fig. 6 Serré Fluxage Régulation ouple Desserré Régulation vitesse pwm off 4 Tehnique

5 Intersetions - mai 005 Equilibrage La fontion équilibrage est une adaptation de la ommande en tension du moteur asynhrone destinée aux appliations omportant des harges ave balourd, omme les pompes d'extration du pétrole et les presses d'emboutissage ou de déoupe. Charge Cette fontion fore la limitation du ouple à zéro lorsque la balourd agit en poussant la harge et fait ainsi passer le moteur dans le quadrant générateur du diagramme ouple/vitesse (Fig. 7). La harge n'étant pas freinée par le moteur lors de ette phase transitoire, on évite ainsi d'infliger des ontraintes méaniques au système et de dissiper de l'énergie dans une résistane de freinage. La mise en œuvre de ette fontion de positionnement, ave une ommande moteur traditionnelle, présente l'inonvénient de demander des temps d'arrêt d'autant plus longs que la vitesse de passage du mobile au point de ralentissement est faible : la onsigne passe en vitesse lente (LSP), le mobile ralentit "naturellement" et poursuit en vitesse lente jusqu'au point d'arrêt (Fig. 8). Ave les apaités apportées par la ommande vetorielle de flux, e temps de positionnement peut être notablement réduit : lors du passage au point de ralentissement, le variateur modifiera la onsigne sur une rampe (supérieure à la rampe naturelle de ralentissement ourbe en rouge) pour amener le mobile à la vitesse lente (LSP) juste avant le point d'arrêt, en optimisant ainsi le temps total de positionnement. Résistante Entraînante HSP ref Fréquene de sortie Capteur de ralentissement Non optimisé ref Vitesse moyenne vitesse Fig. 7 Positionnement sur fin de ourse Cette fontion permet de gérer le ralentissement et l'arrêt d'un mobile en fin de trajetoire, à partir des informations délivrées par deux fins de ourse tout ou rien, un apteur de ralentissement et un apteur d'arrêt. De nombreuses appliations industrielles utilisent ette méthode de positionnement qui n'exige pas l'emploi d'un odeur de position, inrémental ou absolu, et reste don très éonomique : onvoyeurs, hariots, élévateurs, et. LSP Fréquene de sortie HSP ref ref LSP Fig. 8 Temps pour atteindre le apteur d arrêt Temps optimisé t Optimisé t Tehnique 5

6 Intersetions - mai 005 Exemple de ourbe de alibration pour un asenseur CP CP Fig. 9 Courant d équilibrage 0 LP Mesure de harge Dans les appliations de levage omportant des apaités de mesurage de la harge (jauge de ontrainte, apteur dynamométrique, et.), l'emploi de la ommande vetorielle de flux permet de réaliser des démarrages sans à-oups en montée omme en desente. La mesure de harge est utilisée par le variateur pour fournir au moteur, avant la levée du frein, un ouple à l'arrêt exatement équivalent au ouple imposé par la harge : ette fontion est don ative dans tous les quadrants de fontionnement du moteur asynhrone. Elle est typique des appliations d'asenseurs équilibrés par ontrepoids sur une valeur moyenne de la harge transportée : à abine vide, le ontrepoids est entraînant, et inversement à abine pleine (Fig. 9). Charge moteur nulle Mesure de poids LP 00 % En raison de l équilibrage par ontrepoids, une harge non nulle de la abine peut représenter une harge nulle pour le moteur. Annexes bibliographiques téléhargeables > Les moteurs életriques Cahier Tehnique n 07 Shneider Eletri 004 > Démarreurs et variateurs életroniques Cahier Tehnique n 08 Shneider Eletri 003 > La variation : rappels tehniques et pratiques Expert Automatismes v Shneider Eletri 00 > Introdution à la ommande vetorielle des moteurs asynhrones > de hoix des variateurs pour moteurs asynhrones Telemeanique 005 > Altivar 7 : Présentation Telemeanique 005 > Altivar 7 : Affihes Telemeanique 005 > Altivar 7 : Vidéo Levage ATV 7 Telemeanique 005 Conlusions Nous venons de voir, très rapidement, les apports de la ommande vetorielle de flux à quelques unes des fontions de ontrôle de mouvement qui sont au œur des prinipales appliations industrielles. Il est évident que d'autres domaines appliatifs s'approprieront, dans un futur prohe, ette tehnologie qui bénéfiie des avantages tehniques et éonomiques assoiés aux moteurs asynhrones. Il en est un, à titre d'exemple, qui pourrait rapidement l'intégrer à son hoix d'offres de motorisation : les transports terrestres. Imaginons les automobiles, amions et autobus de demain Un moteur-roue pourrait être développé sur le prinipe du moteur asynhrone : il équiperait diretement haque roue motrie et améliorerait de 0 à 40 % le rendement de la motorisation en supprimant les poids et les pertes dues aux transmissions méaniques et à la boîte. Un système de réupération d'énergie, assoié au variateur à ommande vetorielle de flux, pourrait aussi être développé. Il transformerait, lors des phases de ralentissement, l'énergie inétique du véhiule, aujourd'hui perdue en éhauffement des freins, en énergie életrique et la stokerait à bord. L'usage des freins méaniques en serait réduit aux opérations de parking ou d'urgene, en supprimant la pollution due aux métaux lourds des plaquettes de frein qui s'usent. En trajet urbain le parours d'un véhiule est fait d'aélérations et de freinages ; en réupérant l'énergie, la onsommation en ville pourrait être onsidérablement réduite. En onséquene, la pollution qui en déoule (en admettant l'usage des arburants fossiles omme soure primaire d'énergie embarquée) en serait réduite d'autant. Le hapitre de l'életrotehnique onsaré aux moteurs életriques vient d'être révolutionné en doueur. Toutes les tehnologies oexisteront, bien entendu, mais, grâe à la ommande vetorielle de flux, le territoire du moteur asynhrone est amené à s'étendre de manière inélutable, omme le dit si bien le slogan assoié à la toute nouvelle gamme de variateurs életroniques Altivar 7 Telemeanique : Plae à l'évolution! 6 Tehnique

7 Intersetions - mai 005 de hoix Gamme de puissane pour réseau Hz (kw) Monophasé V (kw) Monophasé V (kw) Triphasé V (kw) Triphasé V (kw) Triphasé V (kw) Triphasé V (kw) Triphasé V (kw) Triphasé V (kw) Altivar Altivar 3 Altivar 38 Altivar 7 0,8..., 0,8...0,75 0,8..., 0,8..., 0, ,8..., 0, , , , , , ,37...5,5 0, , Entraînement Fréquene de sortie Type de ontrôle Moteur asynhrone 0, Hz 0, Hz Contrôle vetoriel de flux sans apteur 0, Hz Contrôle vetoriel de flux sans apteur Hz Contrôle vetoriel de flux ave ou sans apteur, loi tension/fréquene ( ou 5 points), ENA System Moteur asynhrone Surouple transitoire % du ouple nominal moteur % du ouple nominal moteur 0 % du ouple nominal moteur pendant 60 se. Contrôle vetoriel sans retour vitesse 0 % du ouple nominal moteur pendant seondes, 70 % pendant 60 seondes Fontions Nombre de fontions Nombre s préséletionnées Nombre Entrées analogiques d entrées/sorties Entrées logiques Sorties analogiques Sorties logiques Sorties à relais > Communiation Intégrée En option Modbus et CANopen Ethernet TCP/IP, DevieNet, Fipio, Profibus DP Modbus Ethernet TCP/IP, Fipio, Modbus Plus, InterBus, Profibus DP, AS-Interfae, Uni-Telway, CANopen, DevieNet, METASYS N, Lonworks Modbus et CANopen Ethernet TCP/IP, Fipio, Modbus Plus, InterBus, Profibus DP, Modbus/Uni-Telway, DevieNet Ce Tehnique a été rédigé par Fulvio Filippini, expert en ontrôle industriel à l'agene Nationale Enseignement - Shneider Eletri Frane. Avertissement Shneider Eletri dégage toute responsabilité onséutive à l utilisation inorrete des informations et shémas reproduits dans le présent guide et ne saurait être tenu responsable ni d éventuelles erreurs ou omissions, ni de onséquenes liées à la mise en œuvre des informations et shémas ontenus dans e guide. Tehnique 7