LES VARIATEURS ELECTRONIQUES POUR MOTEURS A COURANT CONTINU

Préambule

1. Principes généraux

2. Ponts

3. Fonctionnement en boucle fermée

4. Conclusion

 

Préambule:

Cette étude portera sur:

• la structure des ponts de puissance des variateurs,

• les solutions adoptées en régulation,

1. Principes généraux:

1.1. Introduction:

La variation de vitesse électronique côtoie en milieu industriel d'autres types de variateurs (hydraulique, mécanique, à courants de Foucault...). Ces technologies se distinguent du variateur électronique par la position du variateur dans la chaîne (entre moteur et réducteur).

Le variateur électronique couvre aujourd'hui la plus grande partie des applications, pour toutes les puissances.

1.2. Rappel sur les possibilités de variation de vitesse en courant continu:

Loi générale:

• E est la f.c.e.m. induite,

• k est un coefficient dépendant de la construction,

• F est le flux utile.

Deux paramètres permettent d'agir sur la vitesse: la tension d'induit (aux chutes de tension près égale à E) et le courant inducteur (générateur du flux).

Nous avons vu lors de la partie 2 les différences essentielles entre ces 2 procédés de variation de vitesse.

 

2. Les ponts de puissance:

2.1. Structures de l'étage de puissance:

 

Seuls deux cas sont possibles:

• réseau alternatif,

• réseau continu.

Pour chacun d'entre eux les convertisseurs existent. Nous aurons respectivement:

• redresseur,

• hacheur

La deuxième solution concerne essentiellement les dispositifs de traction. Sur le marché français des ventes de variateurs de vitesse, la première solution représente environ 40%, la deuxième 5%).

Vous trouverez ci-contre les principes des ponts de puissance pour ces deux cas. Cette partie de cours concernera les variateurs pour moteurs à courant continu à partir d'un réseau alternatif.

2.2. Réversibilité en vitesse et en puissance:

Nous avons vu en première partie que l'application conditionne toute la chaîne de puissance. Le variateur est bien sûr concerné.

Fonctionnement dans un seul quadrant (1):

Un seul sens, le moteur ne fournit pas de puissance au réseau.

Il s'agit d'un pont mixte. La tension d'induit, toujours positive, est liée à l'angle d'amorçage des thyristors. Le quadrant 3 peut être obtenu par inversion de la tension d'induit (contacteurs).

Fonctionnement dans deux quadrants (1 et 4):

Deux sens, le couple moteur est toujours positif.

Il s'agit d'un pont complet. L'application typique en est le levage avec descente en récupération.

Fonctionnement dans les quatre quadrants:

Il s'agit d'un double pont complet. Tous les transferts sont possibles. Une application typique est le mouvement horizontal dans les deux sens avec freinage en récupération.

2.3. Conséquence de la variation de vitesse électronique sur le dimensionnement du moteur à courant continu:

Facteur de forme:

Facteur de forme:

La solution électronique implique des courants unidirectionnels mais non constants.

Rappelons les définitions de physique appliquée:

• courant efficace: valeur du courant continu qui provoquerait le même échauffement pendant le même temps. En clair: celui qui provoque l'échauffement du moteur.

• courant moyen: valeur du courant continu qui transporterait la même quantité" d'électricité pendant le même temps. Pour nous, c'est celui qui est lié au couple moteur.

• facteur de forme: rapport du premier par le deuxième.

En continu pur, le facteur de forme vaut 1.

Dans les autres cas, la charge entraînée génère le couple, donc le courant moyen: elle ne connaît pas la nature du variateur et dans des conditions données, le courant moyen est inchangé! Par contre, le facteur de forme croît quand l'allure du courant se dégrade: le courant efficace augmente, ainsi que l' échauffement du moteur.

Le constructeur du moteur ne peut pas connaître l'application associée à ce dernier: le dimensionnement et les valeurs nominales garantissent une durée de vie pour un facteur de forme unité. Un facteur de forme supérieur à un implique un déclassement en puissance du moteur dans le même rapport.

Remède: l'ondulation du courant diminue si l'inductance augmente: on ajoutera utilement une inductance de lissage. Il existe des méthodes de calcul, mais les catalogues variateurs indiquent des références d'inductances qu'il y a tout intérêt à respecter!

Valeurs typiques de facteurs de forme:

• monophasé: F=1,6

• monophasé + self: F=1,2

• triphasé: F=1,04

• triphasé+self: F quasiment égal à 1 en régime "statique".

2.4. Critères de choix d'un variateur:

Nous avons déjà évoqué les problèmes de réversibilité.

D'autres critères plus simples existent:

• tension réseau,

• tension moteur,

• options (numérique, analogique, possibilité de dialogue...)

Courant:

Le variateur est caractérisé par un courant maximal permanent Imax.

Régime permanent:

Aucune surcharge n'est autorisée.

Si le couple de démarrage excède 1,2.Cn, on utilise l'abaque pour déterminer Id qui doit être inférieur à Imax.

Régimes cycliques :

Pour ceux-ci, on utilisera les méthodes de choix préconisées par les constructeurs et basées sur le calcul du courant thermique équivalent.

 

3. Fonctionnement en boucle fermée:

Tous les variateurs de vitesse actuels sont munis d'un dispositif de régulation inséré dans la carte de contrôle. Afin de mieux les choisir et les utiliser, nous allons expliquer sommairement ses fonctions.

3.1. Principe général:

3.2. L'étage de régulation de vitesse:

Pourquoi une régulation de vitesse?

Parce que la variation de la charge, les fluctuations du réseau modifient la vitesse de l'ensemble cinématique.

Le régulateur élabore le signal de commande du variateur par comparaison de la consigne et de la mesure. Les coefficients PID du correcteur sont réglables ou configurables.

Rampes de vitesse:

Cette fonction est présente la plupart du temps. A une variation donnée de son entrée, elle fait correspondre sur sa sortie une rampe: ceci permet d'obtenir des variations progressives. La pente de la rampe est configurable.

Adaptateur:

Il fait correspondre la nature du signal relevé par le capteur et celui traitable par le régulateur. Il peut s'agir d'un simple pont potentiomètrique en cas d'adaptation de tension.

Capteur:

Citons quelques solutions:

• dynamo tachymétrique,

• codeur,

• retour RI.

La première peut être utilisée sur tous types de variateurs. Elle permet une bonne précision.

La deuxième est essentiellement utilisée sur les variateurs à technologie de commande numérique.

La troisième est basée sur le fait que la réaction d'induit peut être négligée: à cette condition prés, la tension aux bornes de l'induit diminuée de la chute ohmique vaut la f.c.e.m. et est ainsi l'image de la vitesse. La précision obtenue est de l'ordre de 2 à 5 %. La plupart des variateurs actuels effectuent eux-mêmes le calcul (une fois la valeur de la résistance "donnée" au régulateur.

3.3. Limitation de courant:

Pourquoi une limitation de courant?

Les brusques variations de consigne ou de couple résistant (accélérations, décélérations, surcharges mécaniques) provoquent des courants importants dans l'induit (en particulier, au démarrage, seule la résistance de l'induit limite le courant). La limitation de courant, obligatoire, est ainsi prioritaire sur la régulation de vitesse.

Le schéma du variateur est donc complété d'un dispositif limitant le courant d'induit comparant la valeur réelle de ce dernier et la limite que s'est fixée l'utilisateur (1,2 à 2 In).

Pour acquérir l'image du courant induit, les solutions sont les suivantes:

• résistance: solution peu onéreuse mais rare car ne garantissant pas l'isolation galvanique,

• transducteur: système magnétique (transformateur à secondaire saturable) dont la loi non linéaire permet de détecter un seuil, avec une commande associée,

• sonde à effet Hall.

Remarque:

On notera la présence d'une référence courant accessible en inhibant le régulateur de vitesse: ce dispositif permet d'imposer au moteur son courant d'induit (donc son couple).

 

4. Conclusion:

Performances:

• maîtrise du couple et de la vitesse

Applications:

• régulation de vitesse,

• levage

• enroulage

• asservissement de position

L'ensemble moteur à courant continu - variateur a été longtemps le plus performant. Nous verrons lors de la cinquième partie que la solution à courant alternatif tend à supplanter celle à courant continu: cependant, de nombreux moteurs à courant continu sont présents sur les équipements et il est souvent plus intéressant économiquement de les conserver:

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