La variation de vitesse : les moto-variateurs

1. La variation de vitesse : les moto-variateurs Stage du 6 juin 2003 à Aix en Provence :Rénovation du BTS I.R.I.S A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

2. Plan • Introduction • Principes physiques mis en œuvre dans les machines tournantes • Paramètres des machines tournantes • Convertisseurs associés • Conclusion A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

3. Moteur Variateur charge Moteur charge Variateur Industriellement : 2 types de moto-variateurs. • Moto-variateur mécanique ou hydraulique dont la structure est :exemple de variateur : système de poulies–courroies ou système d’engrenages • Moto-variateur électronique dont la structure est: On ne s’intéressera qu’à ce type de moto-variateur. A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

4. Historiquement : le moteur à courant continu a été le premier à être utilisé pour la variation de vitesse • Réglage à l’aide de rhéostats • Utilisation du groupe Ward-Léonard Charge M G M ~ Ce groupe respecte la structure des moto-variateurs actuels : l’ensemble moteur à courant alternatif – génératrice étant désormais remplacé par un convertisseur statique. A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

5. Actuellement : tous les types de moteurs peuvent être utilisés. • Moteurs à courant continu (ex : TGV Sud Est) • Moteurs synchrones (ex : TGV Atlantique) • Moteurs asynchrones (ex : Eurostar) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

6. Principes physiques • Loi de Faraday • Loi de Laplace • Couple électromagnétique ; moment magnétique • Production d’un champ magnétique tournant A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

7. MOTEUR Puissancemécanique Puissanceélectrique GENERATRICE Puissance perdue :les pertes Convertisseurs d’énergie électromécanique réversibles • Ils comportent tous une partie fixe, lestator et une partie tournante, le rotor séparées par l’entrefer. • L’une d’elles produit un champ magnétique dans l’entrefer : c’est l’inducteur. L’autre est le siège de forces électromotrices induites : c’est l’induit. • C’est l’interaction des champs magnétiques du stator et du rotor qui produit le couple électromagnétique A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

8. Paramètres • L’inertie : moment d’inertie noté J (kg.m2) • Le couple : moment du couple T (N.m) • La puissance fournie (utile) : mécaniquePu = TW • La puissance absorbée : électrique Pa = aUI (a fonction du réseau utilisé) • Réglage de la vitesse : action sur la tension d’alimentation (moteurs à courant continu ou asynchrones sur certains types de charges) action sur la fréquence – et la tension - (moteurs à courants alternatifs) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

9. Caractéristiques mécaniques des charges entraînées A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

10. Régime permanent • La vitesse de rotation est constante • Les caractéristiques mécaniques de la charge et de la machine ont un point d’intersection • Le moment du couple fourni par le moteur est identique au moment du couple résistant Tu = Tr A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

11. Régimes transitoires • Le démarrage (l’accélération) et le freinage • L’étude des régimes transitoires impose la connaissance du moment d’inertie, J, de l’ensemble moteur – charge • Dimensionnement : le moteur et son alimentation doivent répondre non seulement au régime permanent mais aussi aux régimes transitoires (ex : cycle de fonctionnement comportant des arrêts et démarrages fréquents) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

12. Les quadrants de fonctionnement vitesse 2eme quadrant 1er quadrant vitesse couple couple 3eme quadrant 4eme quadrant A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

13. Les composants électroniques utilisés • La diode • Le thyristor • Le transistor (bipolaire ou à effet de champ) • L’IGBT (insulated gate bipolar transistor) • Le GTO (gate turn off thyristor) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

14. Les différents types de conversion • La conversion alternatif-continu (les redresseurs) • La conversion continu-continu (les hacheurs) • La conversion continu-alternatif (les onduleurs) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

15. redresseur onduleur filtrage 2 types de convertisseurs : • Les convertisseurs directs : une seule transformation des grandeurs électriques est nécessaire. Exemples  avec une source alternative : redresseurs commandés cycloconvertisseurs gradateurs avec une source continue : hacheurs onduleurs • Les convertisseurs indirects : ils utilisent un étage intermédiaire. Exemple : les convertisseurs de fréquence A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

16. Choix d’un moto-variateur Il faut vérifier l’adaptation : • Moteur – charge • « Moteur + charge » – variateur • À l’alimentation (perturbations de la source vers le variateur et vice versa) • À l’environnement + Tenir compte des critères économiques A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

17. Pas de solution universelle REMARQUE : L’un des objectifs des électrotechniciens a été d’obtenir avec des moteurs à courants alternatifs un fonctionnement aussi souple que celui du moteur à courant continu à excitation séparée sans les inconvénients (collecteur) et avec des caractéristiques dynamiques supérieures. On peut ainsi citer : - le pilotage vectoriel du moteur asynchrone - le moteur autosynchrone dont la version très utilisée en robotique et productique est aussi appelée moteur DC Brushless (à courant continu sans balais) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

18. Bibliographie : • « la vitesse variable » EDF/Techno-Nathan/Gimelec • Catalogue Télémécanique 1990 : « commande de puissance électronique des moteurs » • Document sur la variation de vitesse des moteurs à courants alternatifs par Philippe Ladoux – voir le site internet de Toulouse. A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

19. id vd Diode et thyristor idéaux i G Pour iG>iGT mêmecomportement quela diode A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

20. Les diodes idéales sont passantes dès que la tension « anode cathode » est positive, les thyristors doivent en plus recevoir un signal de gâchette. Cela permet donc de retarder la conduction des thyristors par rapport aux diodes. A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

21. Ces composants sont utilisés en commutation : • Signal de commande suffisant (ex : courant de base dans le cas d’un transistor bibolaire)  le composant se comporte comme un interrupteur fermé (ex : transistor saturé) • Absence de signal de commande  le composant se comporte comme un interrupteur ouvert (ex : transistor bloqué) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

22. Interrupteurs électronique unidirectionnels • Ils sont réalisés le plus souvent à l’aide de transistors mais aussi dans le cas de fortes puissances à l’aide de thyristors (2 au minimum par interrupteur : celui d’allumage et celui d’extinction) ou de GTO • Dans tous les cas le symbole utilisé sera : A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

23. On utilise le plus souvent des groupements de diodes ou de thyristors de ce type : Un seul des composants est passant à un instant donné. Il est alors considéré comme un interrupteur fermé, les autres étant ouverts A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

24. M Structure de base d’un redresseur I courant unidirectionnel • La valeur moyenne de la tension redressé n’est réglable que si l’on utilise des thyristors (par l’intermédiaire de l’angle de retard à l’amorçage) • Lorsque des diodes et des thyristors sont utilisés, on parle de pont mixte. • Lors de l’utilisation d’un pont tout thyristors, la tension redressée peut être en partie négative. Seul ce montage permet l’utilisation de la machine sur deux quadrants • Pour un fonctionnement dans les 4 quadrants de la machine, il faut utiliser 2 ponts tout thyristors montés tête-bêche Tensionredressée Réseaualternatif A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

25. On commande périodiquement un interrupteur : la tension continue (Ug) est découpée, et on obtient une tension (v) en créneaux de valeur moyenne positive réglable Ug v On définit le rapport cyclique du hacheur comme étant le rapport de la durée de fermeture de l’interrupteur sur sa période de fonctionnement A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

26. Hacheur série • Il est utilisé par exemple comme variateur de vitesse d’un moteur à courant continu. Il ne permet le fonctionnement de la machine que dans le 1er quadrant A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

27. Ug M v Hacheur quatre quadrants • On utilise une structure en pont : • Les interrupteurs ne sont pas nécessairement des transistors bipolaires comme sur le schéma • L’ensemble interrupteur diode est appelé montage antiparallèle • L’alimentation continue doit être réversible A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

28. A partir d’une tension continue ( U), par découpage, on présente à la charge une tension (v) en créneaux alternative • Principe : onduleur à 2 interrupteurs : Les interrupteurs sont toujours dans des états contraires U U v A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

29. Ug M v ~ Onduleur de tension monophasé • En monophasé, la structure la plus pratique est celle du pont en H (identique à celle du hacheur 4 quadrants seule la stratégie de commande des interrupteurs change) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille