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: f N 60 p Synchone RPM = n f p : fréquence du réseau en Hertz; n: nombre de paires d enroulements par phase. 1
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: ( ) NRPM = 60 1 S n La vitesse du rotor est inférieure à la vitesse du champ tournant. f p 2
CHANGER LA VITESSE SANS L ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Changer le nombre de paires 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 type Dahlander) 3
Contrôle du glissement S Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur le glissement Sde 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 v f. Donc, changer la tension d alimentation change la vitesse en changeant la position du point d opération. T m = ω pnv SR 2 f 2 2 2 2 ( R + S ω L ) p r p r r 4
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. 2 pnv ( ) R augmente fs Rr + RR Tm = ω ( + ) + 2 2 2 2 ( R R S ω L ) p r R p r CHANGER LA VITESSE EN UTILISANT L ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE 5
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 f p. 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 6
Équation du couple du moteur Le couple d un moteur asynchrone est: T m pnv SR pnv SR = = ω ω π π 2 2 f r f r 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( R + S L ) 2 f ( R + 4 S f L ) p r p r p r p r Si on change f p, on change la vitesse synchrone et le couple du moteur. Si on désire maintenir le couple constant, il faut compenser en changeant la tension v f. 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. 7
Diode: Composantes électronique de puissance Une diode ne laisse passer le courant que dans une seule direction. Cette composante est totalement passive. Composantes électronique de puissance 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. 8
Composantes électronique de puissance 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. Composantes électronique de puissance 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. On peut faire de la commutation jusqu à 10 khz. 9
Composantes électronique de puissance Transistor MOS: Lorsque la tension grille source est supérieure à 0, un courant circule entre le drain et la source. Sinon le transistor bloque. On peut faire de la commutation jusqu à 40 khz. Composantes électronique de puissance 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. On peut faire de la commutation jusqu à 20 khz. 10
Le contrôleur à fréquence variable Schéma de principe Le contrôleur à fréquence variable Schéma de principe 11
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 12
Le redresseur (ou pont de Graetz) - Version améliorée Un redresseur peut être fait avec des thyristors. Le gâchette est enclenchée avec un angle αaprès le croisement avec 0. La tension moyenne de sortie est 1.35 cos(α) fois la tension ligne-ligne de l entrée triphasée. La tension moyenne de sortie est fonction de l angle d amorçage α. Redresseur à thyristors α = 30 13
Redresseur à thyristors α = 60 Redresseur à thyristors α = 90 14
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. 15
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: T on Vout = Vin T on T + off Ce signal est ensuite filtré par un filtre L-C. 16
On a tout ce qu il nous faut pour commander un moteur à courant continu Variateur électronique de vitesse DC Schéma: 17
Variateur électronique de vitesse DC Schéma: Variateur électronique de vitesse DC Schéma pour commander un moteur DC afin qu il tourne dans les deux sens: 18
Schéma de commande DC Asservissement de vitesse continuons avec le AC 19
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. 20
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). 21
Onduleur à transistors Schéma de principe: Onduleur à transistors 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. 22
Onduleur à transistors 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. 23
Modulation d amplitude Soit le montage suivant: 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. Modulation d amplitude Soit le montage suivant: Donc la tension Va-Vbpeut prendre 3 valeurs différentes : -Vcc, 0 V et + Vcc. Comment générer une onde sinusoïdale? 24
PAM Par une commutation adéquatedes transistors, on peut obtenir une onde sinusoïdale. Les bobinages du moteur filtreront ce signal. Modulation d amplitude 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. 25
Modulation de largeur d impulsion (PWM) On peut aussi obtenir une onde sinusoïdale en utilisant la modulation de largueur d impulsion (PWM). Modulation de largeur d impulsion (PWM) Anciennement: méthode analogique. f u << f v m = f f v u mest un multiple de 3 pour limiter les harmoniques 26
Modulation de largeur d impulsion (PWM) Maintenant implanté dans des microcontrôleurs et des DSP. Ainsi, on peut obtenir des approches de contrôle plus performantes. Modulation de largeur d impulsion (PWM) L amplitude RMS maximale de la sortie est de 86.6 % la tension d entrée de l onduleur. 27
Le PWM et la fréquence La fréquence f v à un impact sur la qualité du signal. Mais, un compromis doit être fait. f v faible augmente les pertes dans le moteur; f v grand augmente les pertes dans l onduleur. Le problème des harmoniques Exemple des harmoniques présentes pour une modulation d amplitude à 6 impulsions. 28
Le problème des harmoniques Les nuisances ont lieu à base vitesse car à haute vitesse, les harmoniques sont filtrées par les réactances du moteur. Le problème des harmoniques Visualisation des champs tournants: 29
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: S Rr = ω L p r Et est égal à: T max pn v f = 2L r ω p 2 30
Commande scalaire En changeant à la fois la fréquence et la tension pour maintenir le rapport v f /ω p 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 v f atteint son maximum et le couple maximum chute. 31
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. 32
Commande scalaire V/F Commande en vitesse avec le courant. CSI REPRÉSENTATION VECTORIELLE DES VARIABLES ET MODULATION VECTORIELLE 33
Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM 34
Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM 35
Modulation vectorielle Période T Tension moyenne X 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. 36
Moteur CC à excitations indépendantes Équations en jeu: ω m va k i f et Il existe un couple (i a,i f ) correspondant à un couple (ω m, T m ). Indépendance du couple et la vitesse. Certains diraient découplage! T m ki i f a Commande vectorielle 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. 37
Commande vectorielle 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: 38
Rotor: aimant; Moteur synchrone Stator: champ tournant. Moteur asynchrone Vitesse du rotor n égale pas vitesse du champ tournant. 39
Moteur asynchrone Mais vitesses des champs statoriqueset rotoriques identiques. Moteur asynchrone Mais vitesses des champs statoriqueset rotoriques identiques. 40
Moteur asynchrone Décomposition du courant au stator. Produit le couple Produit le flux statorique Moteur asynchrone Moteur biphasé équivalent. Produit le flux statorique Produit le couple 41
Transformation de Park À partir de la vitesse du moteur Commande vectorielle Park PWM Vitesse du moteur Glissement Vitesse du champ tournant Park 42
Schéma de principe d un variateur à contrôle vectoriel de flux Schéma d un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur. 43
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: 44
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 Choix du contrôleur 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). 45
Choix du contrôleur Il faut s assurer que le couple moteur soit toujours plus grand au couple résistant: Choix du contrôleur La caractéristique de la charge à un impact sur le choix du contrôleur: Exemple 2: charge à couple constant 46
Choix du contrôleur Si le contrôleur et le moteur permettent un couple 60% plus grand que le couple nominal, cela est suffisant pour accélérer la charge. Choix du contrôleur Si le contrôleur et le moteur ne permettent pas un couple plus grand que le couple nominal, il faut prévoir le couple d accélération. 47
Choix du contrôleur 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 du contrôleur 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). 48
Choix du contrôleur Choix basé sur la puissance nominale du moteur. Surdimensionnement du contrôleur si le moteur ne travaille jamais à pleine charge. COMPLÉMENT 49
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Les services (CEI 60034-1) S1, S2 et S3: 51
Les services (CEI 60034-1) S4, S5 et S6: 52