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Le contrôle d’un moteur à induction. Guy Gauthier ing . Ph.D. Juillet 2011. Le contrôle des moteurs asynchrones en vitesse. La vitesse d’un moteur à induction s’écrit comme suit: Elle dépend de: Glissement S ; Fréquence du réseau f p. Contrôle du glissement.
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Le contrôle d’un moteur à induction Guy Gauthier ing. Ph.D. Juillet 2011
Le contrôle des moteurs asynchrones en vitesse • La vitesse d’un moteur à induction s’écrit comme suit: • Elle dépend de: • Glissement S; • Fréquence du réseau fp.
Contrôle du glissement • Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur le glissement de trois façons: • Changer le nombre de pôles; • Changer le voltage du stator; • Contrôle du rotor • en changeant la résistance du rotor; • par le couplage en cascade
Changer le nombre de pôles • La vitesse de synchronisme d’un moteur alimenté à 60 Hz et ayant 2 pôles est de 3600 RPM. • Si le moteur possède 4 pôles cette vitesse est divisée par 2 et devient 1800 RPM. (moteur de type Dahlander)
Changer le voltage au rotor • Le couple du moteur est proportionnel au carré de la tension d’alimentation au stator. • Donc, changer la tension d’alimentation change la vitesse en changeant la position du point d’opération.
Changer la résistance au rotor • Si le moteur est à rotor bobiné, on peut insérer des résistances dans le circuit du rotor. • Les pertes par effet Joule au rotor change la caractéristique couple/vitesse. R augmente
Contrôle de la fréquence • Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur la fréquence alimentant le moteur. • Ce qui mène au variateur électronique de vitesse (drive).
Diode et thyristors • Diode: • Thyristor : < 300 Hz
Diode et thyristors • GTO : gateturn off thyristor < 1 kHz
Transistors • Bipolaire: • MOS: < 10 kHz < 40 kHz
Transistors • IGBT: insulatedgatebipolar transistor < 20 kHz
Le contrôleur à fréquence variable • Schéma de principe
Étape #1: Le redresseur • La tension alternative de 60 Hz (50 Hz) doit être transformée en une tension continue. • Il faut donc insérer un redresseur (ou pont de Graetz). • Selon la composante semi-conductrice le redresseur donne: • Tension moyenne de sortie constante si diode; • Tension moyenne de sortie variable si thyristor.
Redresseur à diodes • Pas de contrôle… • Donc la tension moyenne de sortie estconstante. • Tension DC moyenne = 1.35 x la tension AC
Redresseur à thyristors • Contrôle de l’angled’amorcage. • Permetunevaleurmoyenne variable en sortie. • Tension DC moyenne = 1.35 * voltage AC * cos(alpha)
Redresseur à thyristors • Formesd’onde:
Redresseur • Lors du freinage du moteur, le redresseur à thyristor permet de retourner de l’énergie vers le réseau, ce qui n’est pas possible avec un pont de Graetz basé sur des diodes.
Étape #2: Le circuit intermédiaire • Le but du circuit intermédiaire est de filtrer le signal en sortie du pont de Graetz. • Si le pont de Graetz est basé sur des diodes, la tension en sortie du circuit ne peut être variée que si le circuit intermédiaire varie cette tension. • Circuit hacheur.
Bobine de filtrage • Si le redresseur est contrôlé (thyristors), on utilise une bobine qui filtre les composantes de haute fréquence. • Cette technique permet de retourner de l’énergie à la source de CA lors des freinages.
Filtre L-C • Une autre technique utilise un filtre L-C. • Elle fonctionne avec les deux types de redresseurs.
Hacheur (chopper) • Cela peut aussi être un circuit appelé “hacheur” qui découpe le signal à CC. • L’onde résultante est filtrée pour obtenir un signal à CC d’amplitude variable.
Commande du hacheur • L’amplitude moyenne du signal de sortie est:
Après deux étages • Avec un pont de diodes au premier étage et un filtre L-C, le troisième étage reçoit une tension constante. • Avec un pont de diodes au premier étage et un hacheur, le troisième étage reçoit une tension variable. • Avec un pont de thyristors au premier étage et une bobine, le troisième étage reçoit un courant variable.
Étape #3: L’onduleur • Si l’onduleur recoit un courant variable, on peut générer un signal à CA. Cet onduleur est dit à source de courant (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. • Ces composantes doivent être adaptées à la grosseur du moteur à alimenter.
Étape #3: L’onduleur • L’autre variante d’onduleur permet de générer un courant de sortie CA. • Exige l’utilisation de transistors.
Onduleur à transistors • Les thyristors ne peut 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.
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.
Les deux types de modulation • Pulse amplitude modulation (PAM) • Pulse width modulation (PWM).
La modulation d’amplitude • Principe: • L’ajustement de la tension dans le bobinage dépend des transistors ouverts et fermés… 1
La modulation d’amplitude • Dans ce circuit: • U = 0 ou Um selon l’état de T1 et T2; • V = 0 ou Um selon l’état de T3 et T4. • Ainsi, U-V = -Um, 0 ou +Um. 1
PAM • Ainsi, par une commutation adéquate, on peut obtenir une onde sinusoidale.
La 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.
La modulation de largeur d’impulsion (PWM) • On peut aussi obtenir une onde sinusoïdale en utilisant la modulation de largueur d’impulsion (PWM).
La modulation de largeur d’impulsion (PWM) • Anciennement: méthode analogique. m est un multiple de 3 pour limiter les harmoniques
La modulation de largeur d’impulsion (PWM) • Maintenant implanté dans des contrôleurs et des DSP. • Ainsi, on peut obtenir des approches de contrôle plus performantes.
Le PWM • L’onduleur varie à la fois l’amplitude et la fréquence.
Le PWM • L’amplitude RMS maximale de la sortie est de 86.6 % la tension d’entrée de l’onduleur.
Le PWM et la fréquence • La fréquence fv à un impact sur la qualité du signal. Mais, un compromis doit être fait. • fv faible augmente les pertes dans le moteur; • fv grand augmente les pertes dans l’onduleur.
Le problème des harmoniques • Exemple des harmoniques présentes pour une modulation d’amplitude à 6 impulsions.
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:
Conséquences des harmoniques • Augmentation des pertes Foucault; • Echauffement du moteur; • Rendement et efficacité réduite; • Vibrations; • Pulsations de couple; • Augmentation du bruit.
Commande scalaire • Le couple maximal d’un moteur asynchrone se produit quand le glissement S est: • Et est égal à:
Commande scalaire • En changeant à la fois la fréquence et la tension pour maintenir le rapport vf/ωp, le flux dans le moteur est maintenu constant et la caractéristique du moteur se déplace.