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La variation de vitesse : les La variation de vitesse : les
moto-variateurs moto-variateurs
Stage du 6 juin 2003 à Aix en Provence : Rénovation du BTS I.R.I.S
Plan Plan
Introduction
Principes physiques mis en œuvre dans les machines tournantes
Paramètres des machines tournantes
Convertisseurs associés
Conclusion
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Industriellement : Industriellement :
2 types de moto-variateurs.
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:
Moteur Variateur charge
Moteur
Variateur charge
On ne s’intéressera qu’à ce type de moto-variateur.
Historiquement :
Historiquement : le moteur à le moteur à
courant continu a été le premier à être courant continu a été le premier à être
utilisé pour la variation de vitesse utilisé pour la variation de vitesse
Réglage à l’aide de rhéostats
Utilisation du groupe Ward-Léonard
M G M Charge
~
Ce groupe respecte la structure des moto-variateurs actuels :
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Actuellement : tous les types de Actuellement : tous les types de
moteurs peuvent être utilisés.
moteurs peuvent être utilisés.
Moteurs à courant continu (ex : TGV Sud Est)
Moteurs synchrones (ex : TGV Atlantique)
Moteurs asynchrones (ex : Eurostar)
Principes physiques Principes physiques
Loi de Faraday
Loi de Laplace
Couple électromagnétique ; moment magnétique
Production d’un champ magnétique tournant
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Convertisseurs d’énergie Convertisseurs d’énergie électromécanique réversibles électromécanique réversibles
Ils comportent tous une partie fixe, le stator 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
MOTEUR GENERATRICE Puissance
électrique
Puissance mécanique
Puissance perdue : les pertes
Paramètres Paramètres
L’inertie : moment d’inertie noté J (kg.m2)
Le couple : moment du couple T (N.m)
La puissance fournie (utile) : mécanique Pu = T
La puissance absorbée : électrique
Pa = UI ( 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)
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Caractéristiques mécaniques des Caractéristiques mécaniques des
charges entraînées charges entraînées
Tr
0
Tr
0 Tr
0
Tr
0
caractéristique de levage caractéristique de pompage
caractéristique d'essorage caractéristique de ventilation
Régime permanent 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
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Régimes transitoires 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)
dt J dΩ Tr
Tu
Les quadrants de fonctionnement Les quadrants de fonctionnement
couple vitesse
1er quadrant
2eme quadrant vitesse
couple
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Les composants électroniques Les composants électroniques
utilisés 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)
Les différents types de conversion Les différents types de conversion
La conversion alternatif-continu (les redresseurs)
La conversion continu-continu (les hacheurs)
La conversion continu-alternatif (les onduleurs)
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2 types de convertisseurs : 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
redresseur filtrage onduleur
Choix d’un moto-variateur Choix d’un moto-variateur
Moteur – charge
« Moteur + charge » – variateur
À l’alimentation (perturbations de la source vers le variateur et vice versa)
À l’environnement
Il faut vérifier l’adaptation :
+
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Pas de solution universelle 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)
Bibliographie : 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.
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vd id
0 V
vd < 0, la diode se comporte comme un interrupteur ouvert :
vd
id = 0
vd > 0, la diode se comporte comme un interrupteur fermé
id
vd = 0 vd
id
i
u
i
u
iG= 0 iG > iG T
0
Diode et thyristor idéaux Diode et thyristor idéaux
iG
Pour iG>iGT même comportement que la diode
Les diodes idéales sont passantes Les diodes idéales sont passantes
dès que la tension « anode dès que la tension « anode
cathode » est positive, les cathode » est positive, les
thyristors doivent en plus recevoir thyristors doivent en plus recevoir
un signal de gâchette. Cela permet un signal de gâchette. Cela permet donc de retarder la conduction des donc de retarder la conduction des
thyristors par rapport aux diodes.
thyristors par rapport aux diodes.
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Ces composants sont utilisés en Ces composants sont utilisés en
commutation : 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)
Interrupteurs électronique Interrupteurs électronique
unidirectionnels 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 :
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dispositif à cathodes communes dispositif à anodes communes
On utilise le plus souvent des groupements On utilise le plus souvent des groupements
de diodes ou de thyristors de ce type : 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
Structure de base d’un redresseur Structure de base d’un redresseur
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
Réseau M alternatif
Tension redressée
I courant unidirectionnel
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On commande périodiquement un interrupteur : On commande périodiquement un interrupteur :
la tension continue (Ug) est découpée, et on la tension continue (Ug) est découpée, et on obtient une tension (v) en créneaux de valeur obtient une tension (v) en créneaux de valeur
moyenne positive réglable moyenne positive réglable
On définit le rapport cyclique du hacheur comme étant le rapport de la durée de fermeture de l’interrupteur sur sa période de fonctionnement
Ug v
Hacheur série 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
Ug
H
D
L
Rt E v u
i
i
H i
D
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Hacheur quatre quadrants 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
Ug
v M
A partir d’une tension continue ( U), par A partir d’une tension continue ( U), par découpage, on présente à la charge une découpage, on présente à la charge une
tension (v) en créneaux alternative tension (v) en créneaux alternative
Principe : onduleur à 2 interrupteurs :
Les interrupteurs sont toujours dans des états contraires
U
U v
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Onduleur de tension monophasé 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)
Ug
v M~
