La variation de vitesse

1. La variation de vitesse Styves LESEUIL 2006

2. Outline • Principe de fonctionnement • Le fonctionnement • Les avantages de la variation de vitesse • Gammes de variateurs • Direction et translation • Levage • Les modes de fonctionnement • Les principales caractéristiques

3. Commande Réseau triphasé Variateur de vitesse W V Moteur 3~ U U U t t Tension du réseau triphasé Tension moyenne moteur Entrée du variateur : tension et fréquence fixe Sortie du variateur : tension et fréquence variable Principe de fonctionnement (1/8) Un variateur de vitesse est un convertisseur d’énergie permettant de moduler l’énergie électrique fournie au moteur.

4. Module de puissance Module de contrôle Alimentation 3ph Commande Redresseur Microprocesseur Réglages Alimentation ~/– Filtrage Visualisation des états Allumage Interface de puissance Convertisseur Retour Traitement des infos Relais Interfaces de sécurité Mémoires Retour sécurité Moteur 3~ Le variateur de vitesse est constitué d’un module de contrôle et de puissance. Principe de fonctionnement (2/8)

5. Imoteur t Courant moteur Module de puissance Filtrage inductif du moteur Redresseur (Convertisseur Alternatif/Continu) Onduleur (Convertisseur Continu/Alternatif) Filtrage W Réseau triphasé V Moteur 3~ U Modulation de Largeur d’Impulsion Umoteur Signal triangulaire U U t Onde modulatrice t Tension à l’entrée de l’onduleur t Découpage de la tension continue Tension du réseau Principe de fonctionnement (3/8) • Le module de puissance est constitué en 3 partie : • Le redresseur composé de diodes de redressement • Le Filtrage composé de condensateurs • L’onduleur composé de transistors bipolaires de puissance (IGBT) Plus le courant est proche d’une sinusoïde moins il y a de perte (électrique et mécanique).

6. Consigne de vitesse Commande de vitesse Unité de traitement Module de puissance Couple Mesure courant moteur Module de calcul vectoriel Flux Codeur Moteur 3~ Moteur 3~ Consigne de vitesse Commande de vitesse Unité de traitement Module de puissance Couple Mesure courant moteur Module de calcul vectoriel Flux Mesure vitesse moteur Principe de fonctionnement (4/8) Variation de vitesse : contrôle vectoriel en boucle ouverte Régulation de vitesse : contrôle vectoriel en boucle fermée

7. Sans intégration Consigne U E Amplification S Sans dérivation Sans amplification t Intégration Dérivation Boucle de retour Principe de fonctionnement (5/8) • L’unité de traitement du signal permet de varier et réguler la vitesse. • Basés sur des circuits de hautes technologies tels que des ASIC (circuits numériques programmables) associés à un microprocesseur permettant un contrôle précis. • Contrôle en fréquence, en tension, en courant • Contrôle en vitesse, en couple, en flux • … • La régulation de vitesse est réalisée par correction du type PID toutes les 1 ms • P : proportionnel  amplification du signal • I : Intégrale  stabilisation du système • D : Dérivée  réduction du temps de réponse

8. Principe de fonctionnement (6/8) • Fonctionnement à couple constant : • Le couple reste sensiblement constant quelle que soit la vitesse. • La tension et la fréquence évoluent simultanément dans les mêmes proportions. • Couple = Tension(U) / Fréquence(f) = constante Caractéristique d’un moteur à sa mise sous tension par un variateur de vitesse avec contrôle vectoriel de flux.

9. Couple Courant Statorique : Is Ls Lr Rs s s s Iq : Courant actif Is = Id + Iq Rr/g Vs Lm magnétisant  flux actif  couple Courant magnétisant : Id Flux Principe de fonctionnement (7/8) • Contrôle vectoriel de flux : • C’est un algorithme de calcul qui permet de générer un flux et un couple contrôlé sur toute la plage de vitesse. • Basé sur la mesure permanente du courant et la tension du moteur (toutes les ms) • Performances optimales du moteur obtenues si le flux et le couple (donc le courant magnétisant et le courant actif) est constant sur toute la gamme de vitesse. • Le contrôle vectoriel de flux compense : • Le glissement du moteur (perte électromagnétique) • La charge • Les décrochages du moteur • Les suralimentations transitoires • … Le courant statorique est égal au courant magnétisant Id qui va générer le flux et au courant actif Iq qui va générer le couple Ls : Inductance de fuite statorique Rs : Résistance statorique Lm : Inductance magnétisant Rr : Résistance rotorique Lr : Inductance de fuite rotorique

10. Principe de fonctionnement (8/8) • Dissipation de l’énergie : • Réalisée par des dissipateurs surdimensionnés pour répondre au plus forte exigence • Réalisée par des ventilateurs permettant l’extraction rapide de la chaleur dissipée • Réalisé par une résistance de freinage pour dissiper l’énergie du moteur lors de la décélération et du freinage. Dissipateur Ventilateur Résistance de freinage

11. Vitesse Rampes d’accélération Temps Le fonctionnement (1/2) Les variateurs de vitesse assurent une mise en vitesse et une décélération progressives, ils permettent une adaptation précise de la vitesse aux conditions d’exploitation. • Le variateur de vitesse permet : • Accélération contrôlée : • Réalisée par une rampe linéaire ou en « S » ou en « U » • Augmentation proportionnelle de la fréquence et de la tension d’alimentation des moteurs • Rampe d’accélération réglable • permet de choisir le temps de mise vitesse approprié à l’application • Vitesse réglable • permet de choisir une vitesse précise de fonctionnement appropriée à l’application • Décélération contrôlée : • Réalisée par une rampe linéaire ou en « S » ou en « U » • Diminution proportionnelle de la fréquence et de la tension d’alimentation des moteurs • Freinage d’arrêt • Réalisé par un frein interne ou externe au moteur • Réalisé en injectant un courant continu dans les enroulements du moteur • Uniquement pour les plus gros moteurs et variateurs

12. Le fonctionnement (2/2) • Inversion du sens de marche • Réalisée automatiquement par le variateur en inversant de l’ordre des phases d’alimentation du moteur • Protections intégrées • Un microprocesseur gère les différentes protections par la mesure de courant, tensions, fréquence de fonctionnement, vitesse moteur… • Le variateur assure les protections suivantes : • Protection thermique moteur • Surchauffe variateur • Surintensité • Surtension et chute de tension • Survitesse moteur et calage moteur • Court-circuit entre phases et phases-terre • Plantage du microprocesseur • …

13. Les avantages (1/3) • Au niveau des moteurs (levage et direction) : • Élimination des surintensités et appels de courants au démarrage • Élimination des perturbations occasionnées par le palan sur le réseau  meilleur fonctionnement des autres appareils (PC, …) • Couple de démarrage supérieur au couple minimal • Pas besoin de sur-dimensionner le moteur  pour le même type de moteur, le couple est supérieur (~1.5) • Allongement de la durée de vie des moteurs • Par élimination des à-coups mécaniques et électriques lors des démarrages  Diminution de l’usure des pièces mécaniques et des composants électriques • Diminution de la vitesse de fonctionnement  meilleur dosage de la vitesse d’utilisation • Pertes plus faible à couple et vitesse réduite  Moins d’échauffement • Sûreté de fonctionnement • Système de contrôle de la vitesse en continu • Survitesse ou calage du moteur

14. Les avantages (2/3) • Au niveau de la charge : • Meilleur adaptation de la vitesse de travail • Levage et déplacement à la vitesse que l’utilisateur souhaite • Diminution du balancement • Levage et déplacement progressif • Suppression des à-coups (élimination du pianotage) • Amélioration du positionnement • Positionnement plus précis • Couple constant • Déplacement à couple constant quelque soit la vitesse et le poids de la charge

15. Les avantages (3/3) • Pour les autres éléments : • Réduction des contraintes et de la fatigue mécanique pour : • Structure de fixation du palan • Potence, voie monorail, pont roulant, portique… • L’ensemble des éléments mécaniques • Chaîne du palan, guide de chaîne, noix de levage… • Allongement de la durée de vie du frein mécanique • Réduction de l’usure du frein mécanique : freinage progressif  Ralentissement par le variateur puis freinage mécanique  Frein utilisé uniquement pour le maintien et pas pour le ralentissement • Diminution du bruit acoustique • Suppression des à-coups • Élimination du pianotage • En cas de défaut du réseau électrique • Économies d’énergie mécanique et électrique • Économie d’argent

16. direction et translation Gamme de variateurs (1/2) • 3 gammes de variateurs : • Variator VT : • Chariots et sommiers pour palan à chaîne et à câble • VT007  0.7kW (4 paramètres réglables) • VT022  2.2kW (8 paramètres réglables) • Variator TM3 : • Pont industriel (~30 paramètres réglables avec afficheur) • TM3  2kW à 22kW • Variator TA2 : • Pont process (~100 paramètres réglables avec afficheur) • TA2  2kW à 150kW Variator VT022 Afficheur pour la série TM3 et TA2

17. levage Gamme de variateurs (2/2) • 3 gammes de variateurs : • Variator VLH : • Palan à chaîne • VLH 002  2kW • VLH 004  4kW • Variator LM2 • Palan à câble • LM2  2kW à 55kW • Variator LA2 • Palan à câble pour process automatisé • LA2  2kW à 150kW Platine de commande pour palan à variation de vitesse

18. Mode de fonctionnement • Les 2 principaux modes : • MS • Position 0 : Arrêt ou mouvement de décélération puis arrêt • Position 1 : Accélération vitesse 1 max ou décélération vitesse 2 à 1 • Position 2 : Vitesse 2 max • EP • Position 0 : Arrêt ou mouvement de décélération puis arrêt • Position 1 : Accélération vitesse 1 max. Si la vitesse était déjà plus élevée que la vitesse 1, le mouvement se poursuit à la même vitesse. • Position 2 : La vitesse augmente aussi longtemps que le bouton est maintenu en position 2 ou jusqu’à obtention de la vitesse 2 max. Mode MS Mode EP

19. Les caractéristiques • Les principales caractéristiques des Variators: • Tension d’alimentation : 380V à 480V (230V) – 50/60Hz • Sortie : 10Hz à 120Hz (380V à 480V) • Tension de commande : 48-115V (230V) • Température : –10° à + 50° (dans le coffret) Palan VL10 à variation de vitesse

20. La variation de vitesse • D’une manière générale, la variation de vitesse permet : • une meilleure utilisation du matériel de levage • une plus grande facilité d’utilisation • de diminuer les contraintes mécaniques et électriques • de travailler plus en sécurité • de faire des économies d’argent • réduction des coûts de maintenance pour le palan et sa structure