Variateur électronique de vitesse

1. Variateur électronique de vitesse Comment changer la vitesse d’un moteur Guy Gauthier ing. Ph.D. (mars 2014)

2. Vitesse synchrone d’un moteur AC • La vitesse synchrone d’un moteur AC est dictée par la fréquence du réseau électrique. • Elle est calculé comme suit: • fp : fréquence du réseau en Hertz; • n : nombre de paires d’enroulements par phase.

3. Vitesse synchrone d’un moteur AC • Puisque la fréquence du réseau au Québec est de 60 Hz, alors les vitesses synchrones sont: • 3600 RPM si n = 1; • 1800 RPM si n = 2; • 1200 RPM si n = 3; • 900 RPM si n = 4; • 720 RPM si n = 5; • … • À 50 Hz: • 3000 RPM si n = 1; • 1500 RPM si n = 2; • 1000 RPM si n = 3; • 750 RPM si n = 4; • 600 RPM si n = 5;

4. Vitesse d’un asynchrone moteur AC • La vitesse d’un moteur asynchrone doit pendre en compte le glissement S: • La vitesse du rotor est inférieure à la vitesse du champ tournant.

5. Changer la vitesse sans l’électronique de puissance…

6. Changer le nombre depaires de pôles n • La vitesse de synchronisme d’un moteur alimenté à 60 Hz et ayant 2 pôles (n = 1) est de 3600 RPM. • Si le moteur possède 4 pôles (n = 2) cette vitesse est divisée par 2 et devient 1800 RPM. (moteur de type Dahlander) 

7. Contrôle du glissement S • Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur le glissement S de deux façons: • Changer le voltage du stator; • Contrôle du rotor: • en changeant la résistance du rotor; • par le couplage en cascade.

8. Changer le voltage au stator • Le couple du moteur est proportionnel au carré de la tension d’alimentation au stator vf. • Donc, changer la tension d’alimentation change la vitesse en changeant la position du point d’opération.

9. Changer la résistance au rotor • Si le moteur est à rotor bobiné, on peut insérer des résistances dans le circuit du rotor. • La perte par effet Joule au rotor change la caractéristique couple/vitesse. R augmente

10. Changer la vitesse en utilisant l’électronique de puissance

11. Varier la vitesse synchrone • Pour varier la vitesse d’un moteur AC sur une grande plage de vitesse, il faut varier la fréquence de la tension reçue par le moteur fp. • L’électronique de puissance permet de prendre une tension DC et de l’onduler pour en faire une tension AC de fréquence quelconque.

12. Varier la vitesse synchrone • Il faut donc procéder de la façon suivante: • Redresser la tension alternative pour en faire une tension continue; • Onduler la tension continue pour faire une tension alternative ayant la fréquence désirée. • En théorie, ça semble être simple. Mais…

13. Équation du couple du moteur • Le couple d’un moteur asynchrone est: • Si on change fp, on change la vitesse synchrone et le couple du moteur. Si on désire maintenir le couple constant, il faut compenser en changeant la tension vf.

14. Varier la vitesse synchrone – version 2.0 • Il faut modifier la procédure présentée précédemment: • Redresser la tension alternative pour en faire une tension continue; • Modifier l’amplitude la tension continue; • Onduler cette nouvelle tension continue pour faire une tension alternative ayant la fréquence et l’amplitude désirées.

15. Composantes – électronique de puissance • Diode: • Une diode ne laisse passer le courant que dans une seule direction. • Cette composante est totalement passive.

16. Composantes – électronique de puissance • Thyristor: • Il une broche de plus que la diode: la gâchette. • Lorsque la gâchette est active et que la tension est dans le bon sens, le thyristor conduit le courant tant que la tension ne s’inverse pas, même si la gâchette est désactivée. • Lorsque la tension est à l’inverse, le thyristor bloque, comme une diode. • On peut faire de la commutation jusqu’à 300 Hz.

17. Composantes – électronique de puissance • GTO (Gateturn off thyristor): • Il une broche de plus que la diode: la gâchette. • Lorsque la gâchette est activée positivement et que la tension est dans le bon sens, le GTO conduit tant que la tension ne s’inverse pas. • Lorsque que la gâchette est activée négativement, le GTO bloque. Lorsque la tension est à l’inverse, le thyristor bloque, comme une diode. • On peut faire de la commutation jusqu’à 1 kHz.

18. Composantes – électronique de puissance • Transistor bipolaire: • Lorsque le courant à la base est supérieur à 0, un courant circule entre le collecteur et l’émetteur. Sinon le transistor bloque. • On peut faire de la commutation jusqu’à 10 kHz.

19. Composantes – électronique de puissance • Transistor MOS: • Lorsque la tension grille source est supérieure à 0, un courant circule entre le drain et la source. Sinon le transistor bloque. • On peut faire de la commutation jusqu’à 40 kHz.

20. Composantes – électronique de puissance • Transistor IGBT (Insulatedgatebipolar transistor): • Lorsque la tension grille émetteur est supérieure à 0, un courant circule entre le collecteur et la l’émetteur. Sinon le transistor bloque. • On peut faire de la commutation jusqu’à 20 kHz.

21. Le contrôleur à fréquence variable • Schéma de principe

22. Le contrôleur à fréquence variable • Schéma de principe

23. Le redresseur (ou pont de Graetz) • Le redresseur le plus simple à mettre en œuvre est basé sur un pont de diodes. • La tension moyenne de sortie est 1.35 fois la tension ligne-ligne de l’entrée triphasée. • La tension moyenne de sortie est constante et ne peut être changée.

24. Redresseur à diodes

25. Le redresseur (ou pont de Graetz)- Version améliorée • Un redresseur peut être fait avec des thyristors. Le gâchette est enclenchée avec un angle a après le croisement avec 0. • La tension moyenne de sortie est 1.35 cos(a) fois la tension ligne-ligne de l’entrée triphasée. • La tension moyenne de sortie est fonction de l’angle d’amorçage a.

26. Redresseur à thyristors

27. Redresseur à thyristors

28. Redresseur à thyristors

29. Bilan • Le redresseur à diodes fourni une tension de sortie fixe. • Il faudra ajouter un dispositif pour varier la tension; • Le redresseur à thyristors donne une tension de sortie variable en fonction de l’angle d’amorçage.

30. Filtrage de la tension redressée • Pour améliorer le fonctionnement, on insère un filtre passe bas en sortie du redresseur pour permettre de réduire l’ondulation de tension. • Filtre inductif : • La sortie du filtre est un courant. • Filtre LC: • La sortie du filtre est une tension.

31. Hacheur • Si le redresseur est basé sur des diodes, on ajoute un hacheur de tension, pour permettre de varier la tension présentée au redresseur.

32. Hacheur • La tension en sortie du hacheur est: • Ce signal est ensuite filtré par un filtre L-C.

33. On a tout ce qu’il nous faut pour commander un moteur à courant continu…

34. Variateur électronique de vitesseDC • Schéma:

35. Variateur électronique de vitesseDC • Schéma:

36. Variateur électronique de vitesse DC • Schéma pour commander un moteur DC afin qu’il tourne dans les deux sens:

38. Schéma de commande DCAsservissement de vitesse • … continuons avec le AC

39. Pour commander un moteur à courant alternatif, il nous manque un étage, l’onduleur.

40. Onduleurs • Pour commander un moteur AC, il faut régénérer une tension (ou un courant) AC à partir de la tension (ou du courant) DC. • Plusieurs versions existent.

41. Onduleur CSI

42. 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. • Les étages précédents sont: • Redresseur à thyristors • Filtre inductif (Inductance L).

43. Onduleur à transistors • Schéma de principe:

44. Onduleur à transistors • Les thyristors ne peuvent 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.

45. 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.

46. Modulation d’amplitude • Soit le montage suivant: • Si SW1 en 1 et SW2 en 1 : • Va = 0 V, Vb = Vcc: donc Va-Vb= - Vcc. • Si SW1 en 3 et SW2 en 1 : • Va = Vcc, Vb = Vcc : donc Va-Vb = 0 V.

47. Modulation d’amplitude • Soit le montage suivant: • Si SW1 en 3 et SW2 en 3 : • Va = Vcc, Vb = 0 V : donc Va-Vb= + Vcc. • Si SW1 en 1 et SW2 en 3 : • Va = 0 V, Vb = 0 V : donc Va-Vb = 0 V.

48. Modulation d’amplitude • Soit le montage suivant: • Donc la tension Va-Vb peut prendre 3 valeurs différentes : - Vcc, 0 V et + Vcc. • Comment générer une onde sinusoïdale ?

49. PAM • Par une commutation adéquatedes transistors, on peut obtenir une onde sinusoïdale. • Les bobinages du moteur filtreront ce signal.

50. 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.