LES VARIATEURS ELECTRONIQUES POUR MOTEURS A COURANT ALTERNATIF

 Préambule

1. Principes généraux

2. Action sur p

3. Action sur g

4. Action sur f

5. Variateurs MLI

6. Conclusion

Préambule:

On se limite ici aux moteurs asynchrones.

Cette étude portera sur:

• les grandeurs permettant de faire varier la vitesse des moteurs asynchrones,

• leurs conséquences sur les caractéristiques de couple et/ou de courant,

• les structures principales des variateurs associés,

• les principaux critères de choix.

 

1. Principes généraux:

1.1. Rappels:

f=ns.p

On en tire:

Cette équation résume les 3 grandeurs ayant une influence sur la vitesse.

1.2. Description sommaire:

1.2.1. Action sur p:

Il faut ici intervenir sur la technologie du moteur (moteurs à 2 vitesses par conception).

1.2.2. Action sur g:

Il y a modification de la caractéristique mécanique du moteur, donc du point de fonctionnement. Ce mode d' action possède 2 sous-familles:

• action sur la tension statorique,

• action sur la résistance du rotor bobiné.

(on retrouve ainsi les procédés de démarrage)

1.2.3. Action sur f:

La plus performante, elle met en jeu des variateurs électroniques: c' est celle-ci qui nous intéresse plus particulièrement.

Les deux premiers modes d'action seront uniquement résumés sur le présent document. En effet, seul les variateurs de vitesse à action sur f, appelés donc variateurs de fréquence, nous intéressent dans le cadre du cours.

 

2. Action sur p: les moteurs à 2 vitesses:

Il ne s' agit pas à proprement parler de variation de vitesse, aussi leur fonctionnement ne sera-t-il pas détaillé ici.

On trouvera essentiellement:

• les moteurs à enroulements séparés,

• les moteurs à couplage de pôles (Dahlander)

Les principes généraux et schémas sont donnés dans tous les ouvrages de schéma (dont le Mémotech Electrotechnique).

 

3. Action sur g:

3.1. Action sur la tension d'alimentation:

Une réduction de la tension d'alimentation provoque une réduction du couple moteur (voir à ce sujet la partie 3 de cours). Ceci va provoquer une modification du point de fonctionnement de l' ensemble moteur - machine entraînée.

Cette technique simple présente l'inconvénient de limiter fortement les utilisations. On voit ci-contre que si le ventilateur à couple parabolique trouve une plage assez large de variation, il n'en est pas de même du tapis roulant (à couple constant) qui peut très vite décrocher du fait de la forte diminution du couple moteur.

Solution technologique:

Le stator est alimenté par un gradateur, c'est la même solution que pour les démarreurs vus en troisième partie.

3.2. Action sur la résistance rotorique:

Plus aucun variateur industriel sur ce principe. Le fonctionnement est rappelé ici pour mémoire.

Comme précédemment, le but est de déplacer le point de fonctionnement. La partie 3 (par. 4.2.2.) détaille ce mode d' action dans le cadre des démarrages.

Concrètement, pour obtenir une variation continue de la vitesse, les résistances additionnelles sont remplacées par un gradateur dont l'effet est une modification de la résistance "apparente".

Inconvénients:

• il s'agit d'une "fausse" variation de vitesse: la vitesse de synchronisme (à vide) est inchangée,

• les pertes Joule rotoriques augmentent quand la vitesse diminue: pour donner une image mécanique équivalente, ce type de variation est comparable à une voiture pour laquelle on ferait varier la vitesse en agissant uniquement sur l'embrayage (donc en localisant les pertes sur un point d'échauffement).

Variante:

Par rapport au deuxième inconvénient, on a développé un procédé de récupération des pertes: au lieu de dissiper l'échauffement dans le rotor, on récupère l'énergie pour l'injecter dans le stator: l'électronique de puissance est composée d'un redresseur suivi d'un onduleur assisté: ce variateur appelé cascade hyposynchrone amène à des rendements élevés (au rendement des ponts de puissance prés, il n'y a plus de pertes Joule dues à la variation de vitesse dans le rotor).

Très performante, cette technologie a tendance à être supplantée par d'autres telles que les variateurs qui seront vus plus loin.

 4. Action sur la fréquence:

Il s'agit du procédé le plus utilisé actuellement. Utilisant des moteurs à cage standard, les structures d'électronique de puissance adoptées partent toujours d'un réseau alternatif: le but est donc de réaliser des "transformateurs de fréquence".

Deux grands principes existent:

• la conversion directe qui consiste à "construire" les tensions appliquées à la machine par un échantillonnage convenable des tensions du réseau,

• la conversion indirecte où l'on redresse les tensions du réseau avant d' onduler à la fréquence voulue le continu ainsi obtenu.

L'importance de la conversion indirecte est telle qu'elle justifie ici un paragraphe particulier (paragraphe 5).

4.1. Structure du cycloconvertisseur:

4.2. Exemple de tracé:

On veut obtenir une fréquence de 12,5 Hz (soit le quart de la fréquence du réseau: 50Hz).

Il "suffit" de construire avec les 6 tensions dont on dispose une approximation de la sinusoïde désirée.

4.3. Avantages, inconvénients, utilisation:

• les commutations sont naturelles,

• les performances sont comparables à celles d'un variateur pour moteur à courant continu,

• le montage est réversible.

• les fréquences de sortie sont par nature nettement inférieures à la fréquence d' entrée: on ne dépasse pas le tiers de cette dernière mais il n' y a pas de limitation basse,

• chacun des 6 montages redresseurs utilisant 6 thyristors, le montage utilise 36 thyristors et la commande est relativement complexe.

• ces avantages et inconvénients font que l'emploi des cycloconvertisseurs est limité à la réalisation de variateurs pour moteurs lents ou très lents et de forte puissance.

 

5. La conversion indirecte: les variateurs MLI:

5.1. Principe général:

Les tensions du réseau sont redressées, filtrées avant d' être ondulées à la fréquence désirée.

Le pont redresseur est généralement non commandé. L'onduleur est donc formé de redresseurs contrôlés: transistors bipolaire, MOS, thyristors ou IGBT selon la puissance.

5.2. L'étage de puissance: convertisseur MLI:

• MLI: modulation de largeur d' impulsions, en anglais:

• PWM: Pulse Width Modulation.

Pour le principe, on se reportera à l'annexe 1. Ce type de variateur couvre aujourd'hui les puissances de 0,37 kW à 1,5 MW.

5.3. L'étage de commande: les 2 techniques:

 

 

5.3.1. Le contrôle de tension: contrôle E/f (ou U/f):

Le courant magnétisant peut être estimée par l'expression:

 

En négligeant la chute de tension statorique, on obtient:

Le courant magnétisant peut être obtenu constant en maintenant le rapport U/f sensiblement constant. Toutefois, à des fréquences et des tensions faibles, la chute de tension statorique ne peut plus être négligée (en particulier le terme R1.I).

A fréquence faible (inférieure à 2 ou 3 Hz), aucun de ces systèmes de contrôle, même optimisés, ne permet de contrôler correctement le flux, donc le couple.

Caractéristiques obtenues avec ce type de variateur:

Les constructeurs fournissent les caractéristiques de couple associées aux variateurs.

Limitations:

Limitations aux basses fréquences:

Concerne les moteurs auto-ventilés: Le manque de ventilation interdit une bonne dissipation

 

Limitations aux fréquences élevées:

Au dessus de la fréquence nominale, U ne peut pas dépasser la fréquence nominale : la loi U/f ne peut plus être respectée.

Performances:

Le couple n'étant pas maîtrisé, la vitesse ne peut pas l'être. Cependant, les corrections effectuées donnent un couple correct pour des fréquences supérieures ou égales à 25 Hz.

On trouvera ces variateurs sur des équipements de convoyage, des pompes, des ventilateurs, bref des équipements pour lesquels une bonne maîtrise de la vitesse ne s'impose pas et où le fonctionnement se fait en boucle ouverte.

5.3.2. Le contrôle vectoriel de flux:

Le principe en est assez complexe. Il est basé sur une modélisation de la machine asynchrone. Il est parfois intéressant de faire un peu d'histoire...

• 1951: le problème du contrôle vectoriel de flux est posé

• 1971: la modélisation du moteur est faite

• 1989: première réalisation (CEGELEC: 7,5 kW)

• 1993: 75 kW

• 1995: 750 kW

• 1997: 1,5 MW

L'importance de cette technologie depuis 1996 est telle que la plupart des variateurs de petite et moyenne puissance (quelques dizaines de kW) sont désormais des CVF (contrôle vectoriel de flux) paramétrables en U/f.

Principe de la modélisation du moteur asynchrone servant de base à la CVF:

On essaie de retrouver une combinaison des bobines statoriques telles que les propriétés du moteur asynchrone soient celles du moteur à courant continu:

a) créer du flux:

 

 

 

L'application d'un échelon de courant id dans la bobine fictive D va provoquer l’apparition d’un flux dans le rotor. Ce dernier ne s'établissant pas instantanément, il y a apparition de courants induits dans la cage du rotor.

Ces derniers sont liés à la la variation du flux. Une fois la valeur finale de fd atteinte, les courants induits s’annulent.

 

 b) créer du couple:

 

On va donc établir, un temps après id un courant iq (quadrature) dans la bobine fictive Q qui va créer à son tour un flux fq, lequel générera des courants induits de par sa variation.

La combinaison de fd et des courants induits par fq produit une force F, donc un couple.

Les courants induits par fq s'annulant une fois fq établi, la rotation devrait s'arrêter d'elle-même.

On trouvera ci-dessous les chronogrammes des différentes grandeurs nous intéressant dans cette phase b).

c) maintenir un couple donc une rotation:

Une première idée consisterait à "faire tourner" mécaniquement les bobines fictives du stator.

Ainsi, il n'y aurait pas d'annulation du flux vu du rotor (mobile à ce moment).

Evidemment, cette solution est purement théorique, quel est l'intérêt à faire tourner les bobines du stator?

 

d) la solution retenue dans ce modèle:

Rappelons nous maintenant qu'il s'agit d'un moteur asynchrone triphasé et qu'on arrive à faire tourner le champ.

On va ainsi transformer mathématiquement les courants triphasés parcourant les 3 bobines en un système diphasé dont la composante directe (courant magnétisant) crée le flux et la composante en quadrature (courant actif) le couple, le champ tournant toujours à la vitesse de synchronisme.

 Le couple et la vitesse sont maintenant découplés. Cette transformation est appelée transformation de PARK.

Le schéma fonctionnel du variateur réalisant cette commande n'est pas utile dans ce cours. Pour simplifier, les paramètres de réglage et de configuration sont les mêmes que pour le variateur à courant continu. Les performances de l'ensemble moteur - variateur sont au moins aussi bonnes qu'en courant continu.

Deux types de variateur:

Le principe énoncé ci-dessus montre que ce type de variateur doit connaître la position du rotor. Le moteur doit donc être muni d'un codeur. Les performances obtenues sont alors une plage de vitesse de 1 à 1000 pour une parfaite maîtrise du couple, le variateur étant également capable de maintenir un couple à l'arrêt.

Tous les constructeurs commercialisent également des CVF sans codeur pour lesquels la position est calculée, les performances sont un peu moins bonnes mais on peut se contenter d'un moteur standard (remplace de plus en plus les U/f).

5.4. Réversibilité:

Si la charge est entraînante, la puissance doit aller vers le réseau: le choix d'un redresseur non commandé interdit ce transfert.

Dans ces conditions, seul le condensateur de filtrage peut absorber l'énergie récupérée, ce qui limite énormément les possibilités de freinage.

Les constructeurs proposent une option "résistance de freinage" qui se monte entre le redresseur et l'onduleur: dans tous les cas, il s'agit d' un "faux 4 quadrant", l'énergie étant dissipée sous forme de chaleur (donc perdue).

5.5. Compléments:

5.5.1. Les possibilités offertes par la commande:

• freinage par injection de courant continu (par commande des commutateurs de l'onduleur),

• surveillance des surcharges intégrant les basses vitesses (à comparer aux classiques relais thermiques).

5.5.2. Les possibilités optionnelles:

• résistances de freinage (voir ci-dessus),

• cartes "métier" adaptant la caractéristique du couple moteur à des charges spécifiques (pompage, ventilation, textile, machines à bois...),

• cartes dialogue - communication.

 

6. Conclusion:

6.1. Zone d'utilisation de la caractéristique du moteur asynchrone:

 

En fait, on limite la zone d'utilisation à la partie linéaire, ce qui fait que la caractéristique mécanique est pratiquement la même que pour une machine à courant continu.

En courant continu, on agissait sur U et I, en alternatif, on agira sur f et g.

 

6.2. Point de vue économique:

Le coût des solutions en courant alternatif est désormais comparable à celui des solutions en courant continu, les performances en sont tout à fait comparables.

Il n'y a cependant pas de règle absolue: sur une installation neuve, la tendance est indéniablement au courant alternatif, mais si le moteur à courant continu est déjà présent, on pourra opter pour la mise en place d'un variateur pour MCC (solution souvent moins chère que le remplacement du moteur).

Depuis fin 1997, on constate que sur une solution neuve, l'ensemble variateur + moteur est moins cher en alternatif qu'en continu jusque 150 kW. Ceci se justifie d'une part par le prix du moteur mais aussi par un choix des constructeurs qui réduisent leurs marges sur les CVF. Au dessus de 150 kW, la tendance s'inverse (entre autres à cause du coût des commutateurs de puissance).

Cependant, les coûts de maintenance seront toujours moins chers en asynchrone: sur une production continue (24 h/24), les moteurs à courant continu sont révisés deux fois par an, il n'y a quasiment rien à faire sur un moteur asynchrone si ce n'est nettoyer les ailettes, opération qui peut se faire en marche...

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