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5 - Départs moteurs

5 chapitre Départs moteur

Présentation :

• Fonctions nécessaires à la construction d'un départ moteur

• Tableau de choix des fonctions des départs moteurs et des produits concernés

(2)

Sommaire 5 - Départs moteurs

5.1 Généralités

Page

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs

Page

5.3 Une fonction complémentaire : la communication

Page

5.4 Départs-moteurs et coordination

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5.5 Les variateurs de vitesse

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5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

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5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu

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5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

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5.9 Gradateur de tension pour moteur asynchrone

Page

5.10 Moto-variateurs synchrones

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5.11 Moto-variateurs pas-à-pas

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5.12 Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse

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5.13 Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique

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5.14 Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance

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5.15 Grille de choix des départs moteurs

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5.1 Généralités

Un départ-moteur comprend quatre fonctions de base : - le sectionnement,

- la protection contre les courts-circuits, - la protection contre les surcharges,

- la commutation ou commande (marche - arrêt).

Chaque départ-moteur peut être enrichi de fonctionnalités supplémentaires selon les besoins de l’application. Elles peuvent concerner :

- la puissance : variation de la vitesse, démarrage progressif, inversion de phase, etc.

- le contrôle : contacts auxiliaires, temporisation, communication, etc.

Selon la constitution d’un départ-moteur, les fonctions peuvent être réparties de différentes manières dont la figure 1donne des schémas.

La variation de vitesse ou les démarreurs progressifs, qui sont des systèmes sophistiqués de départ moteur, font l’objet d’une section particulière de ce chapitre 5.5.

Les moto variateurs particuliers comme les variateurs pour moteurs synchrones et moteurs pas à pas trouvent place également dans cette section en raison des similitudes de fonctionnement.

Dans la section 5.13 et 5.14, nous mettons l’accent sur le bilan énergétique et les économies possibles, informations qui sont souvent mal interprétées.

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs

b Le sectionnement

La fonction de sectionnement est une obligation et doit se trouver à l'origine de tout circuit (cf. normes d’installation NF C15-100, CEI 60364-5-53), non imposée, mais préconisée au niveau de chaque départ moteur. Elle a pour rôle d’isoler les circuits de leur source

d’énergie (réseau d’alimentation puissance) de manière sûre afin d’assurer la protection des biens et des personnes en cas d’opérations

de maintenance, de dépannages ou de modifications sur les circuits électriques qui se trouvent en aval.

Ce sectionnement doit être conçu conformément aux spécifications qui exigent :

- la coupure omnipolaire et simultanée,

- le respect des distances d'isolement en fonction des tensions d’alimentation,

- la condamnation,

- la coupure visible ou pleinement apparente :

- la « coupure visible » signifie que l’ouverture des pôles est directement visible par un opérateur,

- la coupure apparente est identifiée soit par la position de l’organe de manœuvre, soit par un indicateur de position qui, selon la norme, ne peut indiquer la position « hors tension » que si les contacts sont effectivement séparés par une distance suffisante spécifiée dans les normes. Les constructeurs proposent de nombreux appareils pouvant remplir cette fonction. Souvent, un même appareil combine les fonctions de sectionnement et de protection contre les courts-circuits (ex. : sectionneur à fusibles). Pour cela certains appareils de base doivent être complétés d’un dispositif complémentaire, par exemple, d’un support d’embrochage.

AFig. 1 Les différentes fonctions et leur association pour constituer un départ-moteur

5.1 Généralités

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs

5 - Départs moteurs

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Un sectionneur est destiné à isoler un circuit, il n’a ni pouvoir de coupure ni de fermeture. Il se manipule donc toujours à vide.

Un interrupteur offre en plus de la capacité de sectionnement celle de pouvoir établir, supporter et interrompre des courants (norme IEC 947-3).

b La protection

v La protection contre les courts-circuits (Cchapitre 4 Démarrage et protection des moteurs)

Cette fonction nécessite la détection des surintensités consécutives aux courts-circuits (généralement supérieures à 10 fois le courant nominal) et l’ouverture du circuit en défaut. Elle est remplie par des fusibles ou des disjoncteurs magnétiques.

v La protection contre les surcharges (Cchapitre 4 Démarrage et protection des moteurs)

Cette fonction nécessite la détection des surintensités consécutives aux surcharges (Ir < Isurcharges< Im) et l’ouverture du circuit en défaut. Elle est remplie par des dispositifs électromécaniques ou électroniques (relais de surcharge) associés à un organe de coupure (disjoncteur ou contacteur) ou intégrés aux démarreurs ou variateurs de vitesse électroniques. Elle protège aussi la ligne du moteur contre les surcharges thermiques.

v Protections associées aux démarreurs et aux variateurs de vitesse électroniques

Le démarrage en direct sur le réseau de distribution des moteurs asynchrones est la solution la plus répandue, la plus économique et convient le plus souvent pour une grande variété de machines.

Cependant, elle s’accompagne parfois de contraintes qui peuvent s’avérer gênantes pour certaines applications, voire incompatibles avec le fonctionnement souhaité au niveau de la machine (appel de courant au démarrage, à-coups mécaniques lors des démarrages, impossibilité de contrôler l’accélération et la décélération, impossibilité de faire varier la vitesse, etc.).

Les démarreurs et les variateurs de vitesse électroniques (CFig. 2) permettent de supprimer ces inconvénients, mais les protections conventionnelles décrites précédemment sont inefficaces avec ces appareils qui modulent l’énergie électrique fournie au moteur.

Les variateurs de vitesse et les démarreurs électroniques ont donc des protections intégrées. Les variateurs modernes assurent en général la protection de surcharge des moteurs et leur propre protection.

A partir de la mesure du courant et d’une information sur la vitesse, un microprocesseur calcule l’élévation de température du moteur et fournit un signal d’alarme ou de déclenchement en cas d’échauffement excessif.

De plus, les informations élaborées par la protection thermique incorporée au variateur peuvent être échangées avec un automate ou un superviseur par la liaison de communication dont sont munis les variateurs et

démarreurs les plus évolués.

La variation de vitesse fait l’objet de la section 5.5 de ce chapitre.

b La commutation ou commande

v La fonction de commande

Par « commander », il faut comprendre fermer (établir) et ouvrir

(interrompre) un circuit électrique en charge. La fonction commande est réalisée par les interrupteurs voir même par les disjoncteurs-moteurs, démarreurs et variateurs de vitesse. Mais le contacteur est le produit le plus utilisé pour réaliser cette fonction car il permet la commande à distance (télécommande). Pour les moteurs, cet organe de commande doit permettre un grand nombre de manœuvres (durabilité électrique) et être conforme aux normes CEI 60947-4-1.

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AFig. 2 Variateur de vitesse (ATV58H - Telemecanique)

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs

5 - Départs moteurs

(5)

Selon ces normes, sur ce matériel, les constructeurs doivent préciser les caractéristiques suivantes :

• Circuit de commande

- nature du courant de commande, ainsi que sa fréquence dans le cas du courant alternatif,

- tension assignée des circuits de commande (Uc) ou tension d’alimentation de commande (Us).

• Circuit de puissance

- tension assignée d'emploi (Ue) : elle s’exprime généralement par la tension entre phases. Elle détermine l'emploi des circuits auxquels se rapportent les pouvoirs de fermeture et de coupure, le type de service et les caractéristiques de démarrage,

- courant assigné d'emploi (Ie) ou puissance assignée d’emploi : Cette caractéristique est définie par le constructeur selon des conditions d’emploi spécifiées et tient compte notamment de la tension assignée d’emploi et du courant thermique conventionnel (Ith correspondant à la valeur maximale du courant d’essai). Dans le cas de matériels pour la commande directe d'un seul moteur, l'indication d'un courant assigné d'emploi peut être remplacée ou complétée par celle de la puissance maximale disponible assignée.

Ces informations peuvent, dans certains cas, être complétées par : - le service assigné, avec indication de la classe de service intermittent,

s'il y a lieu. Les classes définissent différents cycles de manœuvres, - les pouvoirs assignés de fermeture et/ou de coupure. Ce sont des

valeurs maximales de courant, fixées par le constructeur, qu’un matériel peut établir (fermeture) ou interrompre (coupure) de manière satisfaisante dans des conditions spécifiées. Les pouvoirs assignés de fermeture et de coupure ne sont pas forcément spécifiés par le constructeur, mais la norme exige des valeurs minimales pour chaque catégorie d’emploi.

v Les catégories d’emploi des appareils de commande

Les normes de la série CEI 60947 définissent des catégories d’emploi selon les applications dont les appareils de commande sont destinés (CFig. 3).

Chaque catégorie est caractérisée par une ou plusieurs conditions de service telles que :

- des courants, - des tensions,

- le facteur de puissance ou constante de temps, - et si nécessaire, d’autres conditions de service.

Nature du courant Catégories d’emploi Applications caractéristiques

Courant alternatif AC-1 Charges non inductives ou faiblement inductives, fours à résistances.

Distribution d’énergie (éclairage, groupe électrogène…).

AC-2 Moteurs à bagues : démarrage, coupure.

Equipement à service intensif (levage, manutention, broyeurs, train de laminoir…).

AC-3 Moteurs à cage : démarrage, coupure des moteurs lancés*.

Commande moteur (pompes, compresseurs, ventilateurs, machine outils, transporteurs, presses…).

AC-4 Moteurs à cage : démarrage, inversion de marche, marche par à-coups.

Equipement à service intensif (levage, manutention, broyeurs, train de laminoir…).

Courant continu DC-1 Charges non inductives ou faiblement inductives, fours à résistances.

DC-3 Moteurs shunt : démarrage, inversion de marche, marche par à-coups.

Coupure dynamique de moteurs pour courant continu.

DC-5 Moteurs série : démarrage, inversion de marche, marche par à-coups.

Coupure dynamique de moteurs pour courant continu.

* La catégorie AC-3 peut être utilisée pour des marches par à-coups ou des inversions de marche de manœuvres occasionnelles de durée limitée, telles que le montage d'une machine ; le nombre de ces manœuvres pendant ces durées limitées ne dépasse pas normalement cinq manœuvres par minute ni plus de dix pour une durée de 10 min.

AFig. 3 Les différentes catégories d’emploi des contacteurs selon CEI 60947-1

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs

5 - Départs moteurs

(6)

Sont ainsi prises en compte, par exemple :

- les conditions d’établissement et de coupure de courant, - la nature du récepteur contrôlé (moteur à cage, moteur à bagues,

résistance),

- les conditions dans lesquelles s’effectuent les fermetures et les ouvertures (moteur lancé, moteur calé, en cours de démarrage, freinage en contre-courant, etc.).

v Choisir un contacteur

Les catégories d’emploi définies dans la norme permettent une première sélection d’un matériel à même de répondre aux exigences de

l’application à laquelle est destinée le moteur. Cependant d’autres contraintes sont à prendre en compte, contraintes qui ne sont pas toutes caractérisées par la norme. Il en est ainsi des facteurs extérieurs à l’application : conditions climatiques (température, humidité), situation géographique (altitude, bord de mer), etc.

Dans certaines situations, la fiabilité de l’équipement peut aussi être un facteur critique, notamment lorsque la maintenance est difficile.

L’endurance électrique (durabilité des contacts) des appareils (contacteur) est alors une caractéristique importante.

Il est alors nécessaire de disposer de catalogues complets et précis pour vérifier que tous ces impératifs sont respectés par le matériel retenu.

5.3 Une fonction complémentaire : la communication

b La communication est une fonction devenue quasiment incontournable

Dans les processus et les systèmes de production industriels, elle permet à distance de contrôler, d’interroger différents organes, et de piloter les machines d’un système de production.

Pour une telle communication entre tous les éléments d’un système de production, des composants ou modules communicants (CFig. 4)sont intégrés dans bon nombre d’appareils y compris des appareils de protection tels que des relais multifonctions ou encore des départs- moteurs.

b L’apport de la communication

Avec des modules de communication tels que AS-I, Modbus, Profibus, etc., outre le pilotage d’un moteur (télécommande marche-arrêt du démarreur-moteur), il est par exemple possible de connaître, à distance, la charge moteur (mesure du courant), et/ou les défauts existants (surintensités, surcharges, etc.) ou passés (historique).

L’utilisation de la communication, en plus d’être utile pour l’intégration des protections dans les processus d’automatismes industriels, apporte les services suivants :

- pré alarmes permettant d’anticiper l’apparition d’un défaut, - historique des défauts permettant de rechercher et d’identifier un

événement récurent, - aide à la mise en service,

- aide à la maintenance en identifiant une dérive des conditions de fonctionnement.

Elle concoure donc à l’amélioration de la gestion des équipements avec une conséquence positive sur les résultats économiques.

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AFig. 4 Le démarreur contrôleur avec son module de communication Modbus (Tesys U - Telemecanique)

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs 5.3 Une fonction complémentaire :

la communication

5 - Départs moteurs

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5.4 Départs-moteurs et coordination

b Les solutions départs-moteurs

Comme expliqué en début de ce chapitre, les principales fonctions que doit assurer un départ-moteur (sectionnement, commande et protection contre les courts-circuits et les surcharges), peuvent être réalisées par différents équipements.

Trois associations d’appareils sont possibles (CFig. 5)pour qu’un départ moteur remplisse bien toutes ces fonctions, mais elles nécessitent la compatibilité entre les caractéristiques de chacun des appareils associés.

• La solution « tout en Un »

Un seul et même appareil réunit les trois fonctions. Ses performances globales sont garanties par son constructeur. Pour l’utilisateur, du bureau d’étude à l’installation, c’est la solution la plus simple : facile à mettre en œuvre (peu de câblage) et choix immédiat (pas d’étude particulière).

• La solution « 2 appareils »

Disjoncteur magnétothermique + contacteur

La compatibilité entre les caractéristiques des deux appareils est à vérifier par l’utilisateur.

• La solution « 3 appareils »

Disjoncteur magnétique + contacteur + relais de surcharge.

Elle permet de couvrir un large domaine de puissance. Cette association nécessite une étude de compatibilité pour le choix des appareils et d’implantation pour leur montage sur châssis ou dans une enveloppe.

Ce travail (compatibilité, choix et implantation) n’est pas toujours évident pour les utilisateurs car il faut réunir les caractéristiques des différents appareils et savoir les comparer. C’est pourquoi les constructeurs étudient puis proposent dans leurs catalogues des associations d’appareils. Dans la même démarche, ils s’efforcent de trouver des combinaisons optimales entre les protections : c’est la notion de coordination.

b La coordination entre les protections et la commande

Cette coordination est la combinaison optimale des différentes

protections (contre les courts-circuits et les surcharges) et de l’organe de commande (contacteur) qui composent un départ-moteur.

Etudiée pour une puissance donnée, elle permet de protéger au mieux les équipements commandés par ce départ-moteur (CFig. 6).

v Les principes de la coordination

Pour le bon fonctionnement d’un départ-moteur, la coordination entre tous les appareils doit valider simultanément les points suivants :

- le relais de surcharge doit protéger le disjoncteur magnétique dans la zone de surcharge : sa courbe "1" doit passer en dessous de celle de la tenue thermique du disjoncteur,

- et inversement dans les zones de court-circuit, pour protéger le relais thermique, la courbe de déclenchement aux courts-circuits doit passer en dessous de celle de la tenue thermique du relais, - enfin, pour que le contacteur soit protégé, sa limite de tenue

thermique doit être au-dessus des courbes des deux déclencheurs thermique "1" et magnétique "3" (ou fusible "2").

A noter que la norme fixe des courants limites d’essai : - jusqu'à 0.75 Ic seule la protection thermique doit intervenir, - à partir de 1.25 Ic seule la protection contre les courts-circuits doit

intervenir.

La coordination présente le double avantage de réduire les coûts d’équipement et de maintenance puisque les différentes protections se complètent le plus exactement possible, sans redondance inutile.

AFig. 5 Les trois associations possibles d’appareils pour réaliser un départ-moteur

AFig. 6 Les principes de la coordination

5.4 Départs-moteurs et coordination

5 - Départs moteurs

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v Les différents types de coordination

Deux types de coordination (type 1 et type 2) sont définis par la CEI 60947-4-1.

• Coordination type 1 :c’est la solution standard, la plus utilisée. Elle exige qu'en condition de court-circuit, le contacteur ou le démarreur n'occasionne pas de danger aux personnes ou aux installations.

Elle accepte que des réparations ou remplacements de pièces soient nécessaires avant la remise en service.

• Coordination type 2 :c’est la solution haute performance ; elle exige qu'en condition de court-circuit, le contacteur ou le démarreur

n'occasionne pas de danger aux personnes ou aux installations et qu’il soit en mesure de fonctionner ensuite. Le risque de soudure des contacts est admis; dans ce cas, le constructeur doit indiquer les mesures à prendre en ce qui concerne la maintenance du matériel.

• Il existe une solution très haute performance, réalisée par les ACP et proposée par quelques constructeurs, c’est la « Coordination totale ».

Cette coordination exige qu'en condition de court-circuit, le contacteur ou le démarreur n'occasionne pas de danger aux personnes ou aux

installations et qu’il soit en mesure de fonctionner ensuite. Le risque de soudure des contacts n’est pas admis ; le redémarrage du départ moteur doit pouvoir être immédiat.

v ACP Principes de base

Les ACP ou « démarreurs-contrôleurs » sont conçus pour remplir simultanément les fonctions de commande et de protection (surcharge et court-circuit), de plus ils sont prévus pour pouvoir réaliser des

commandes en condition de court-circuit.

Ils peuvent aussi assurer des fonctions complémentaires telles que le sectionnement permettant ainsi de remplir complètement la fonction de

« départ-moteur ». Ils répondent à la norme CEI 60947-6-2, qui définit notamment les valeurs assignées et les catégories d’emploi des ACP, à l’image des normes CEI 60947-1 et 60947-4-1.

Les différentes fonctions réalisées par un ACP sont associées et coordonnées de manière à permettre la continuité de service à tous les courants jusqu’au pouvoir assigné de coupure de service en court-circuit Ics de l’ACP. Ce dernier peut ou non comporter un seul appareil, mais ses caractéristiques sont toujours assignées comme pour un seul appareil.

De plus, la garantie d’une coordination « totale » entre toutes les fonctions assure à l’utilisateur le choix simple d’une protection optimale facile à mettre en œuvre.

Bien que présenté sous la forme d’un seul appareil, un ACP peut offrir une modularité identique voire supérieure à une solution départ-moteur

« trois produits ». C’est le cas du démarreur-contrôleur « Tesys U » de la marque Telemecanique (CFig. 7). Ce dernier permet d’introduire ou de changer à tout moment une unité de contrôle intégrant les fonctions de protection et de commande pour des moteurs de 0.15 A jusqu’à 32 A, dans une « base puissance » ou « embase » générique de calibre 32 A.

Des fonctionnalités supplémentaires peuvent également être implantées au niveau :

• de la puissance : bloc inverseur, limiteur

• du contrôle

- modules fonctions : alarmes, charge moteur, réarmement automatique, etc.

- modules de communication : AS-I, Modbus, Profibus, CAN-Open, etc.

- modules de contacts auxiliaires, contacts additifs.

5

AFig. 7 Exemple de modularité d’un ACP (démarreur contrôleur

Tesys U - Telemecanique)

5.4 Départs-moteurs et coordination

5 - Départs moteurs

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Des possibilités de communication évoluées sont également apportées par ce système (CFig. 8).

v Quelle coordination choisir ?

Le choix du type de coordination dépend des paramètres d'exploitation.

Il doit être fait de façon à obtenir l'adéquation besoin de l'utilisateur/coût de l'installation optimisée :

• Type 1

Acceptable lorsque la continuité de service n’est pas exigée et que la remise en service peut se faire après remplacement des éléments défaillants.

Dans ce cas, le service entretien doit être efficace (disponible et compétent).

L’avantage est un coût d'appareillage réduit.

• Type 2

A retenir lorsque la continuité de service est exigée.

Il nécessite un service d’entretien réduit.

• « Coordination totale »

Lorsque le redémarrage immédiat du moteur est nécessaire.

Aucun service d’entretien n’est nécessaire.

Les coordinations proposées dans les catalogues des constructeurs simplifient le choix de l’utilisateur et lui assure la conformité de son départ-moteur vis-à-vis de la norme.

b La sélectivité

Dans une installation électrique, les récepteurs sont reliés aux générateurs à travers une succession de dispositifs de sectionnement, de protection et de commande.

Sans une étude de sélectivité bien mise en œuvre, un défaut électrique peut solliciter plusieurs dispositifs de protection. Ainsi un seul défaut peut provoquer la mise hors tension d’une partie plus ou moins grande de l’installation. Il en résulte une perte supplémentaire de disponibilité de l’énergie électrique sur des départs sains.

Pour éviter cette perte, dans le cadre d’une distribution radiale (CFig. 9), le but de la sélectivité est de déconnecter du réseau le départ ou moteur en défaut et seulement celui-ci, en maintenant sous tension la plus grande partie possible de l’installation. La sélectivité permet ainsi d’allier sécurité et continuité de service, de plus elle facilite la localisation du défaut.

Fonctions possibles : Unités de contrôle :

Standards Evolutives Multifonctions

Etats du démarreur (prêt, en marche, en défaut) Alarmes (surintensités, etc.)

Alarme thermique

Réarmement à distance par le bus Indication de la charge moteur Différenciation des défauts

Paramétrage et consultation à des fonctions de protection Fonction « historique »

Fonction « surveillance »

Commandes de Marche et d’Arrêt

Informations véhiculées par le bus (Modbus) et fonctions réalisées

AFig. 8 Les fonctions de communication de Thesys U

AFig. 9 Principe de la sélectivité : en cas de défaut, seul D2 s’ouvre

5.4 Départs-moteurs et coordination

5 - Départs moteurs

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Pour garantir une continuité de service maximale, il est nécessaire d’employer des dispositifs de protection coordonnés entre eux. Pour cela différentes techniques sont utilisées qui permettent d’obtenir, soit une sélectivité dite totale, si elle est garantie pour toutes les valeurs du courant de défaut, jusqu’à la valeur maximale disponible dans l’installation, soit dite partielle dans le cas contraire.

v Les différentes techniques de sélectivité Il existe plusieurs types de sélectivité :

• ampèremétrique, en utilisant un écart entre les seuils de déclenchement des disjoncteurs placés en série.

• chronométrique, en retardant de quelques dizaines ou centaines de millisecondes le déclenchement du disjoncteur amont, ou encore en exploitant les caractéristiques normales de fonctionnement liées aux calibres des appareils. Ainsi la sélectivité peut-être assurée entre deux relais de surcharge en respectant la condition Ir1 > 1,6. Ir2 (avec r1 en amont de r2).

• « Sellim »ou « énergétique », dans le domaine de la distribution électrique, en plaçant en amont un disjoncteur limiteur qui s’ouvre pendant le temps nécessaire au fonctionnement du disjoncteur aval, puis se referme.

• logique, en communiquant d'un disjoncteur à l'autre l'information de dépassement de seuil et laissant la possibilité d’ouverture au disjoncteur le plus en aval.

Des informations détaillées sont disponibles dans le Cahier Technique Schneider-Electric n°167.

v La sélectivité dans les process

Pour les équipements de commande de process (chaînes de fabrication, unités de production chimiques, etc.), les techniques de sélectivité les plus employées entre les départs-moteurs et la distribution électrique alimentant ces process sont généralement du type ampèremétrique et chronométrique. Dans la plupart des cas, la sélectivité est assurée grâce au pouvoir limiteur ou ultra-limiteur des départs-moteurs.

5.5 Les variateurs de vitesse

Cette section aborde en détail tous les aspects de la variation de vitesse. Certaines technologies très spécifiques : cyclo convertisseurs, cascade hypo-synchrone, convertisseur à onde de courant pour moteur synchrone ou asynchrone, pour n’en citer que quelques unes, ne sont pas abordées. L’utilisation de ces variateurs est très spécifique et réservée à des marchés particuliers. Des ouvrages spécialisés leur sont consacrés. Le lecteur intéressé trouvera une description exhaustive dans les ouvrages, Entraînement électrique à vitesse variable, Bonal (Jean) et Séguier (Guy), Ed.Tec et Doc et Utilisation industrielle des moteurs à courant alternatif, Bonal (Jean), Ed.Tec et Doc.

La variation de vitesse pour moteur à courant continu, largement supplantée par la variation de vitesse par convertisseur de fréquence est cependant décrite, car la compréhension du principe de fonctionnement permet d’aborder facilement certaines spécificités et caractéristiques de la variation de vitesse dans son ensemble.

b Historique et rappels

v Historique

Pour démarrer les moteurs électriques et contrôler leur vitesse, les démarreurs rhéostatiques, les variateurs mécaniques et les groupes tournants (Ward Leonard en particulier) ont été les premières solutions ; puis les démarreurs et les variateurs électroniques se sont imposés dans l’industrie comme la solution moderne, économique, fiable et sans entretien.

5

5.4 Départs-moteurs et coordination 5.5 Les variateurs de vitesse

5 - Départs moteurs

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Un variateur ou un démarreur électronique est un convertisseur d’énergie dont le rôle consiste à moduler l’énergie électrique fournie au moteur.

Les démarreurs électroniques sont exclusivement destinés aux moteurs asynchrones. Ils font partis de la famille des gradateurs de tension.

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. Les variateurs de vitesse sont du type redresseur contrôlé pour alimenter les moteurs à courant continu, ceux destinés aux moteurs à courant alternatif sont des convertisseurs de fréquence.

Historiquement, le variateur électronique pour moteur à courant continu a été la première solution offerte. Les progrès de l’électronique de puissance et de la microélectronique ont permis la réalisation de convertisseurs de fréquence fiables et économiques. Les convertisseurs de fréquence modernes permettent l’alimentation de moteurs

asynchrones standards avec des performances analogues aux meilleurs variateurs de vitesse à courant continu. Certains constructeurs proposent même des moteurs asynchrones avec des variateurs de vitesse

électroniques incorporés dans une boîte à bornes adaptée ; cette solution est proposée pour des ensembles de puissance réduite (quelques kW).

En fin de ce chapitre, sont évoquées les évolutions récentes des

variateurs de vitesse et la tendance qui se dessine chez les constructeurs.

Ces évolutions élégantes élargissent notablement l’offre et les possibilités des variateurs.

v Rappels : les principales fonctions des démarreurs et des variateurs de vitesse électroniques

• Accélération contrôlée

La mise en vitesse du moteur est contrôlée au moyen d’une rampe d’accélération linéaire ou en « S ». Cette rampe est généralement réglable et permet par conséquent de choisir le temps de mise en vitesse

approprié à l’application.

• Variation de vitesse

Un variateur de vitesse peut ne pas être en même temps régulateur.

Dans ce cas, c’est un système, rudimentaire, qui possède une commande élaborée à partir des grandeurs électriques du moteur avec amplification de puissance, mais sans boucle de retour : il est dit « en boucle ouverte ».

La vitesse du moteur est définie par une grandeur d’entrée (tension ou courant) appelée consigne ou référence. Pour une valeur donnée de la consigne, cette vitesse peut varier en fonction des perturbations

(variations de la tension d’alimentation, de la charge et de la température).

La plage de vitesse s’exprime en fonction de la vitesse nominale.

• Régulation de vitesse

Un régulateur de vitesse est un variateur asservi (CFig. 10). Il possède un système de commande avec amplification de puissance et une boucle de retour : il est dit « en boucle fermée ».

La vitesse du moteur est définie par une consigne.

La valeur de la consigne est en permanence comparée à un signal de retour, image de la vitesse du moteur. Ce signal est délivré par une génératrice tachymétrique ou un générateur d’impulsions monté en bout d’arbre du moteur ou encore par un estimateur qui détermine la vitesse du moteur à partir de grandeurs électriques disponibles dans le variateur.

Les convertisseurs de fréquence alimentant les moteurs asynchrones en sont fréquemment dotés.

Si un écart est détecté suite à une variation de la vitesse, les grandeurs appliquées au moteur (tension et/ou fréquence) sont automatiquement corrigées de façon à ramener la vitesse à sa valeur initiale.

Grâce à la régulation, la vitesse est pratiquement insensible aux perturbations.

AFig. 10 Principe de la régulation de vitesse

5.5 Les variateurs de vitesse

5 - Départs moteurs

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La précision d’un régulateur est généralement exprimée en % de la valeur nominale de la grandeur à réguler.

• Décélération contrôlée

Quand un moteur est mis hors tension, sa décélération est due uniquement au couple résistant de la machine (décélération naturelle).

Les démarreurs et variateurs électroniques permettent de contrôler la décélération au moyen d’une rampe linéaire ou en « S », généralement indépendante de la rampe d’accélération.

Cette rampe peut être réglée de manière à obtenir un temps de passage de la vitesse en régime établi à une vitesse intermédiaire ou nulle :

- si la décélération désirée est plus rapide que la décélération naturelle, le moteur doit développer un couple résistant qui vient s’additionner au couple résistant de la machine, on parle alors de freinage électrique qui peut s’effectuer, soit par renvoi d’énergie au réseau d’alimentation, soit par dissipation dans une résistance de freinage, - si la décélération désirée est plus lente que la décélération naturelle,

le moteur doit développer un couple moteur supérieur au couple résistant de la machine et continuer à entraîner la charge jusqu’à l’arrêt.

• Inversion du sens de marche

L’inversion de la tension d’alimentation (variateurs pour moteur à courant continu) ou l’inversion de l’ordre des phases d’alimentation du moteur est réalisée automatiquement, soit par inversion de la consigne à l’entrée, soit par un ordre logique sur une borne, soit par une information transmise par une connexion réseau. La majorité des variateurs actuels pour moteurs alternatifs permettent cette fonction en standard.

• Freinage d’arrêt

Ce freinage consiste à arrêter un moteur sans pour autant contrôler la rampe de ralentissement. Pour les démarreurs et variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones, ceci est réalisé de manière économique en injectant du courant continu dans le moteur avec un fonctionnement particulier de l’étage de puissance. Toute l’énergie mécanique est dissipée dans le rotor de la machine et, de ce fait, ce freinage ne peut être qu’intermittent. Sur un variateur pour moteur à courant continu, cette fonction sera assurée en connectant une résistance aux bornes de l’induit.

• Protections intégrées

Les variateurs modernes assurent en général la protection thermique des moteurs et leur propre protection. A partir de la mesure du courant et d’une information sur la vitesse (si la ventilation du moteur dépend de sa vitesse de rotation), un microprocesseur calcule l’élévation de température du moteur et fournit un signal d’alarme ou de déclenchement en cas d’échauffement excessif.

Les variateurs, et notamment les convertisseurs de fréquence, sont d’autre part fréquemment équipés de protections contre :

- les courts-circuits entre phases et entre phase et terre, - les surtensions et les chutes de tension,

- les déséquilibres de phases, - la marche en monophasé.

b

Les principaux modes de fonctionnement et principaux types de variateurs électroniques

Les paragraphes qui suivent sont un exposé des principes fondamentaux.

v Les principaux modes de fonctionnement

Les variateurs de vitesse peuvent, selon le convertisseur électronique, soit faire fonctionner un moteur dans un seul sens de rotation, ils sont alors dits « unidirectionnels », soit commander les deux sens de rotation, ils sont alors dits « bidirectionnels ».

5

5.5 Les variateurs de vitesse

5 - Départs moteurs

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Les variateurs peuvent être « réversibles » lorsqu’ils peuvent récupérer l’énergie du moteur fonctionnant en générateur (mode freinage).

La réversibilité est obtenue soit par un renvoi d’énergie sur le réseau (pont d’entrée réversible), soit en dissipant l’énergie récupérée dans une résistance avec un hacheur de freinage.

La figure 11illustre les quatre situations possibles dans le diagramme couple-vitesse d’une machine résumées dans le tableau associé.

A noter que lorsque la machine fonctionne en générateur, elle doit bénéficier d’une force d’entraînement. Cet état est notamment exploité pour le freinage. L’énergie cinétique alors présente sur l’arbre de la machine est soit transférée au réseau d’alimentation, soit dissipée dans des résistances ou, pour les petites puissances, dans les pertes de la machine.

• Variateur unidirectionnel

Ce type de variateur le plus souvent non réversible est réalisé pour : - un moteur courant continu, avec un convertisseur direct (CA => CC)

comportant un pont mixte à diodes et thyristors (CFig.12a I), - un moteur à courant alternatif, avec un convertisseur indirect (avec

transformation intermédiaire en courant continu) comportant en entrée un pont de diodes suivi d’un convertisseur de fréquence qui fait fonctionner la machine dans le quadrant 1 (CFig.12a II). Dans certains cas, ce montage peut être exploité en bidirectionnel (quadrants 1 et 3).

Un convertisseur indirect comportant un hacheur de freinage et une résistance correctement dimensionnée convient parfaitement pour un freinage momentané (ralentissement ou sur un engin de levage quand le moteur doit développer un couple de freinage en descente pour retenir la charge).

En cas de fonctionnement prolongé avec une charge entraînante, un convertisseur réversible est indispensable car la charge restitue de la puissance en permanence, exemple : un moteur utilisé en frein sur un banc d’essai.

• Variateur bidirectionnel

Ce type de variateur peut être un convertisseur réversible ou non réversible. S’il est réversible, la machine fonctionne dans les quatre quadrants (CFig.11)et peut permettre le fonctionnement en freinage permanent.

S’il est non réversible, la machine ne fonctionne que dans les quadrants 1 et 3.

La conception et le dimensionnement du variateur ou du démarreur sont directement affectés par la nature de la charge entraînée. En particulier en ce qui concerne les capacités de fournir un couple suffisant pour la mise en vitesse.

Les différentes familles de machines et leurs courbes caractéristiques sont traitées dans le chapitre Moteurs et charges.

v Les principaux types de variateurs

Seuls les variateurs les plus courants et les réalisations technologiques usuelles sont cités dans cette section.

Il existe, en effet, de nombreux schémas de variateurs de vitesse électroniques :

- cascade hyposynchrone, - cycloconvertisseurs,

- commutateurs de courant, hacheurs, etc.

Le lecteur intéressé trouvera une description exhaustive dans les ouvrages Entraînement électrique à vitesse variable Bonal (Jean) et Séguier (Guy), Ed. Tec et Doc et Utilisation industrielle des moteurs à courant alternatif Bonal (Jean), Ed. Tec et Doc.

AFig. 11 LLes quatre situations possibles d’une machine dans son diagramme couple vitesse

AFig. 12a LSchémas de principe :

[I] convertisseur direct à pont mixte ; [II] convertisseur indirect avec (1) pont de diodes en entrée, (2) dispositif de freinage (résistance et hacheur), (3) convertisseur de fréquence

5.5 Les variateurs de vitesse

5 - Départs moteurs

I II

(14)

• Redresseur contrôlé pour moteur à courant continu

Il fournit, à partir d’un réseau alternatif monophasé ou triphasé, un courant continu avec un contrôle de la valeur moyenne de la tension.

Les semi-conducteurs de puissance sont assemblés en pont de Graëtz, monophasé ou triphasé (CFig.12b). Le pont peut être mixte (diodes / thyristors) ou complet (tout thyristor).

Cette dernière solution est la plus fréquente car elle permet un meilleur facteur de forme du courant délivré.

Le moteur à courant continu est le plus souvent à excitation séparée, sauf dans les petites puissances où les moteurs à aimants permanents sont assez fréquents.

L’utilisation de ce type de variateur de vitesse est bien adaptée pour toute application. Les seules limites sont imposées par le moteur à courant continu, en particulier la difficulté d’obtention de vitesses élevées et la nécessité de maintenance (remplacement des balais).

Les moteurs à courant continu et leur variateurs associés ont été les premières solutions industrielles. Depuis plus d’une décennie, leur usage est en constante diminution au profit des convertisseurs de fréquence. En effet, le moteur asynchrone est à la fois plus robuste et plus économique qu’un moteur à courant continu. Contrairement aux moteurs à courant continu, standardisés en enveloppe IP55, il est aussi pratiquement insensible à l’environnement (ruissellement, poussières, ambiances dangereuses, etc.).

• Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

Il fournit, à partir d’un réseau alternatif à fréquence fixe, une tension alternative triphasée de valeur efficace et de fréquence variable (CFig.13).

L’alimentation du variateur pourra être monophasée pour les faibles puissances (ordre de grandeur de quelques kW) et triphasée au-delà.

Certains variateurs de petite puissance acceptent indifféremment des tensions d’alimentation monophasées et triphasées. La tension de sortie du variateur est toujours triphasée. De fait, les moteurs asynchrones monophasés sont mal adaptés à l’alimentation par convertisseur de fréquence. Les convertisseurs de fréquence alimentent des moteurs à cage standard avec tous les avantages liés à ces moteurs :

standardisation, faible coût, robustesse, étanchéité, aucun entretien. Ces moteurs étant auto-ventilés, leur seule limite d’emploi est leur utilisation prolongée à basse vitesse en raison de la réduction de cette ventilation.

Si un tel fonctionnement est souhaité, il faut prévoir un moteur spécial équipé d’une ventilation forcée indépendante.

• Gradateur de tension pour le démarrage des moteurs asynchrones Ce type de variateur (connu également sous le nom de soft starter, voir également le chapitre Moteurs et Charges) est presque exclusivement utilisé pour le démarrage des moteurs. Par le passé, associé à des moteurs spéciaux (moteurs à cage résistante), il était utilisé pour réaliser la variation de vitesse de ces moteurs.

Ce dispositif fournit, à partir d’un réseau alternatif, une tension variable de même fréquence.

Le schéma le plus usuel comporte deux thyristors montés tête-bêche dans chaque phase du moteur (CFig.14).

Le même gradateur peut être utilisé pour réaliser une décélération programmée.

Une fois le démarrage effectué, le gradateur peut être court cicuité par un contacteur et être utilisé pour le démarrage d’un autre moteur.

Ce type d’utilisation est fréquent dans les stations de pompage, un seul démarreur étant utilisé pour mettre en service une pompe supplémentaire en fonction des besoins du réseau d’utilisation. Le schéma de principe est exposé dans le chapitre Moteurs et charges.

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AFig. 12b LSchéma d’un redresseur contrôlé pour moteur à courant continu

AFig. 13 LSchéma de principe d’un convertisseur de fréquence

AFig. 14 LDémarreur de moteurs asynchrones et forme du courant d’alimentation

5.5 Les variateurs de vitesse

5 - Départs moteurs

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5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

b Structure

Les démarreurs et les variateurs de vitesse électroniques sont composés de deux modules généralement regroupés dans une même enveloppe (CFig.15):

- un module de contrôle qui gère le fonctionnement de l’appareil, - un module de puissance qui alimente le moteur en énergie électrique.

v Le module de contrôle

Sur les démarreurs et les variateurs modernes, toutes les fonctions sont commandées par un microprocesseur qui exploite les réglages, les ordres transmis par un opérateur ou par une unité de traitement, et les résultats de mesure comme la vitesse, le courant, etc.

Les capacités de calcul des microprocesseurs ainsi que des circuits dédiés (ASIC) ont permis de réaliser des algorithmes de commandes extrêmement performants et, en particulier, la reconnaissance des paramètres de la machine entraînée. A partir de ces informations, le microprocesseur gère les rampes d’accélération et de décélération, l’asservissement de vitesse, la limitation de courant, et génère la commande des composants de puissance. Les protections et les sécurités sont traitées par des circuits spécialisés (ASIC) ou intégrées dans les modules de puissance (IPM).

Les réglages (limites de vitesse, rampes, limitation de courant, etc.) se font soit par claviers intégrés, soit à partir d’automates par des bus de terrain ou de PC pour charger des réglages standard. De même, les différents ordres (marche, arrêt, freinage, etc.) peuvent être donnés à partir d’interfaces de dialogue homme/machine, par des automates programmables ou par des PC. Les paramètres de fonctionnement et les informations d’alarme et de défauts peuvent être visualisés par des voyants, des diodes électroluminescentes, des afficheurs à segments ou à cristaux liquides, ou déportés vers des superviseurs par des bus de terrains.

Des relais, souvent programmables, donnent des informations de : - défaut (réseau, thermique, produit, séquence, surcharge, etc.), - surveillance (seuil de vitesse, pré alarme, fin de démarrage).

Les tensions nécessaires pour l’ensemble des circuits de mesure et de contrôle sont fournies par une alimentation intégrée au variateur et séparée galvaniquement du réseau.

v Le module de puissance

Le module de puissance est principalement constitué de : - composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT, etc.), - interfaces de mesure des tensions et/ou des courants, - et fréquemment d’un ensemble de ventilation.

• Les composants de puissance

Les composants de puissance sont des semi-conducteurs fonctionnant en tout ou rien, donc comparables à des interrupteurs statiques pouvant prendre les deux états : passant ou bloqué.

Ces composants, associés dans un module de puissance, constituent un convertisseur qui alimente, à partir du réseau à tension et fréquence fixes, un moteur électrique sous une tension et/ou une fréquence variable.

Les composants de puissance sont la clef de voûte de la variation de vitesse et les progrès réalisés ces dernières années ont permis la réalisation de variateurs de vitesse économiques.

Les matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium, ont une résistivité qui se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants.

AFig. 15 LStructure générale d’un variateur de vitesse électronique

5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

5 - Départs moteurs

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Leurs atomes possèdent 4 électrons périphériques. Chaque atome s’associe avec 4 atomes voisins pour former une structure stable à 8 électrons.

Un semi-conducteur de type P s’obtient en incorporant au silicium pur une faible proportion d’un corps dont les atomes possèdent 3 électrons périphériques. Il manque donc un électron pour former une structure à 8 électrons, ce qui se traduit par un excédent de charges positives.

Un semi-conducteur de type N s’obtient en incorporant un corps dont les atomes ont 5 électrons périphériques. Il y a donc un excédent d’électrons, c’est-à-dire un excédent de charges négatives.

La diode (CFig.16a)

La diode est un semi-conducteur non contrôlé comportant deux régions P (anode) et N (cathode) et qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens, de l’anode vers la cathode.

Elle conduit quand l’anode est à une tension plus positive que celle de la cathode : elle se comporte alors comme un interrupteur fermé.

Elle bloque le courant et se comporte comme un interrupteur ouvert, si la tension d’anode devient moins positive que celle de la cathode.

La diode possède les caractéristiques principales suivantes :

• à l’état passant :

- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne,

- un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur, jusqu’à 5 000 A pour les composants les plus puissants).

• à l’état bloqué :

- une tension maximale admissible qui peut dépasser 5 000 V crête.

Le thyristor (CFig.16b)

C’est un semi-conducteur contrôlé constitué de quatre couches alternées : P-N-P-N. Il se comporte comme une diode par l’envoi d’une impulsion électrique sur une électrode de commande appelée gâchette ou « gate ». Cette fermeture (ou allumage) n’est possible que si l’anode est à une tension plus positive que la cathode.

Le thyristor se bloque quand le courant qui le traverse s’annule.

L’énergie d’allumage à fournir sur la « gate » n’est pas liée au courant à commuter, et il n’est pas nécessaire de maintenir un courant dans la gâchette pendant la conduction du thyristor.

Le thyristor possède les caractéristiques principales suivantes :

• à l’état passant :

- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne,

- un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur, jusqu’à 5 000 A pour les composants les plus puissants).

• à l’état bloqué :

- une tension inverse et directe maximale admissible (pouvant dépasser 5 000 V crête),

- en général les tensions directes et inverses sont identiques, - un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel

une tension anode cathode positive ne peut être appliquée au composant sous peine de le voir se réamorcer spontanément, - un courant de gâchette permettant l’allumage du composant.

Il existe des thyristors destinés à fonctionner à la fréquence du réseau, d’autres dits « rapides » pouvant fonctionner à quelques kilohertz, en disposant d’un circuit d’extinction.

Les thyristors rapides ont parfois des tensions de blocage directe et inverse dissymétriques.

En effet dans les schémas usuels, ils sont souvent associés à une diode connectée en antiparallèle et les fabricants de semi-conducteurs utilisent AFig. 16a L

5

AFig. 16b L

5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

5 - Départs moteurs

(17)

cette particularité pour augmenter la tension directe que le composant peut supporter à l’état bloqué. Ces composants sont maintenant complètement supplantés par le GTO, les transistors de puissance et surtout les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor) (CFig.16c)

C’est une variante du thyristor rapide qui présente la particularité de pouvoir être bloqué par sa gâchette. Un courant positif envoyé dans la gâchette ou « gate » entraîne la mise en conduction du semi-conducteur à condition que l’anode soit à une tension plus positive que la cathode.

Pour maintenir le GTO conducteur et limiter la chute de tension, le courant de gâchette doit être maintenu. Ce courant est en général très inférieur à celui nécessaire pour initialiser la mise en conduction.

Le blocage s’effectue en inversant la polarité du courant de gâchette.

Le GTO est utilisé sur les convertisseurs de très forte puissance, car il est capable de maîtriser les fortes tensions et intensités (jusqu’à 5 000 V et 5 000 A). Cependant, en raison des progrès des IGBT, leur part de marché tend à s’amenuiser.

Le thyristor GTO possède les caractéristiques principales suivantes :

• à l’état passant :

- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne,

- un courant de maintien de gâchette (ou gate) destiné à réduire la chute de tension directe,

- un courant maximum permanent admissible,

- un courant de blocage pour provoquer l’interruption du courant.

• à l’état bloqué :

- des tensions inverse et directe maximales admissibles, souvent dissymétriques, comme avec les thyristors rapides et pour les mêmes raisons,

- un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel le courant d’extinction doit être maintenu sous peine de le voir se réamorcer spontanément,

- un courant de gâchette permettant l’allumage du composant.

Les GTO peuvent fonctionner à des fréquences de quelques kilohertz.

Le transistor (CFig.16d)

C’est un semi-conducteur bipolaire contrôlé constitué de trois régions alternées P-N-P ou N-P-N. Il ne laisse passer le courant que dans un seul sens : de l’émetteur vers le collecteur en technologie P-N-P, du collecteur vers l’émetteur en technologie N-P-N.

Les transistors de puissance capables de fonctionner sous des tensions industrielles sont du type N-P-N, souvent montés en « Darlington ».

Le transistor est un amplificateur de courant.

La valeur du courant qui le traverse est fonction du courant de commande circulant dans sa base. Mais il peut également fonctionner en tout ou rien comme interrupteur statique : ouvert en l’absence de courant de base et fermé injectant dans la base un courant suffisant pour le maintenir en état de saturation. C’est ce deuxième mode de fonctionnement qui est utilisé dans les circuits de puissance des variateurs.

Les transistors bipolaires couvrent des tensions jusqu’à 1 200 V et acceptent des courants pouvant atteindre 800 A.

Ce composant est aujourd’hui remplacé dans les convertisseurs par l’IGBT.

Dans le fonctionnement qui nous intéresse, le transistor bipolaire possède les caractéristiques principales suivantes :

• à l’état passant :

- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne,

- un courant maximum permanent admissible,

5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

5 - Départs moteurs

AFig. 16c L

AFig. 16d L

(18)

- un gain en courant β(pour maintenir le transistor saturé, le courant injecté dans la base doit être supérieur au courant qui circule dans le composant, divisé par le gain).

• à l’état bloqué :

- une tension directe maximale admissible.

Les transistors de puissance utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner à des fréquences de quelques kilohertz.

L’IGBT (CFig.16e)

C’est un transistor de puissance commandé par une tension appliquée à une électrode appelée grille ou « gate » isolée du circuit de puissance, d’où son nom « Insulated Gate Bipolar Transistor ».

Ce composant nécessite des énergies infimes pour faire circuler des courants importants.

C’est aujourd’hui le composant utilisé en interrupteur tout ou rien dans la majorité des convertisseurs de fréquence jusqu’à des puissances élevées (de l’ordre du MW).

Ses caractéristiques tension courant sont similaires à celles des transistors bipolaires, mais ses performances en énergie de commande et fréquence de découpage sont très nettement supérieures à tous les autres semi-conducteurs.

Les caractéristiques des IGBT progressent très rapidement et des composants haute tension (> 3 kV) et forts courants (plusieurs centaines d’ampères) sont actuellement disponibles.

Le transistor IGBT possède les caractéristiques principales suivantes :

• une tension de commande :

- permettant la mise en conduction et le blocage du composant.

• à l’état passant :

- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne,

- un courant maximum permanent admissible.

• à l’état bloqué :

- une tension directe maximale admissible.

Les transistors IGBT utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner à des fréquences de quelques dizaines de kilohertz.

Le transistor MOS (CFig.16f)

Ce composant fonctionne de manière différente des précédents, par modification du champ électrique dans un semi-conducteur obtenue en polarisant une grille isolée, d’où l’appellation : « Métal Oxyde Semi- conducteur ».

Son usage en variation de vitesse est limité aux utilisations en basse tension (variateurs de vitesse alimentés par batterie) ou de faible puissance, car la surface de silicium nécessaire à l’obtention d’une tension de blocage élevée avec une faible chute de tension à l’état passant est économiquement irréalisable.

Le transistor MOS possède les caractéristiques principales suivantes :

• une tension de commande :

- permettant la mise en conduction et le blocage du composant.

• à l’état passant : - une résistance interne,

- un courant maximum permanent admissible.

• à l’état bloqué :

- une tension directe maximale admissible (pouvant dépasser 1 000 V).

Les transistors MOS utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner à des fréquences de quelques centaines de kilohertz. On les trouve de manière quasi universelle dans les étages d’alimentation à découpage, sous la forme de composants discrets ou d’un circuit intégré comportant la puissance (MOS) et les circuits de commande et régulation.

5

5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

5 - Départs moteurs

AFig. 16f L AFig. 16e L

(19)

L’IPM (Intelligent Power Module)

Ce n’est pas à proprement parler un semi-conducteur, mais un assemblage (CFig.17)qui regroupe un pont onduleur à transistors de puissance IGBT et leur électronique de commande bas niveau.

Sont réunis dans un même boîtier compact :

- 7 composants IGBT, dont six pour le pont onduleur et un pour le freinage,

- les circuits de commande des IGBT,

- 7 diodes de puissance de roue libre associées aux IGBT pour permettre la circulation du courant,

- des protections contre les courts-circuits, les surintensités et les dépassements de température,

- l’isolation galvanique de ce module.

Le pont redresseur à diodes est le plus souvent intégré à ce même module.

Cet assemblage permet de maîtriser au mieux les contraintes de câblage et de commande des IGBT.

5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu

b Principe général

L’ancêtre des variateurs de vitesse pour moteur à courant continu est le groupe Ward Leonard (Cchapitre 3 Moteurs et charges).

Ce groupe, constitué d’un moteur d’entraînement, généralement asynchrone, et d’une génératrice à courant continu à excitation variable, alimente un ou des moteurs à courant continu. L’excitation est réglée par un dispositif électromécanique (Amplidyne, Rototrol, Regulex), ou par un système statique (amplificateur magnétique ou régulateur électronique).

Ce dispositif est aujourd’hui totalement abandonné au profit des

variateurs de vitesse à semi-conducteurs qui réalisent de manière statique les mêmes opérations avec des performances supérieures.

Les variateurs de vitesse électroniques sont alimentés sous une tension fixe à partir du réseau alternatif et fournissent au moteur une tension continue variable.

Un pont de diodes ou un pont à thyristors, en général monophasé, permet l’alimentation du circuit d’excitation.

Le circuit de puissance est un redresseur. La tension à délivrer devant être variable, ce redresseur doit être du type contrôlé, c’est-à-dire comporter des composants de puissance dont la conduction peut être commandée (thyristors). La variation de la tension de sortie est obtenue en limitant plus ou moins le temps de conduction pendant chaque demi- période.

Plus l’amorçage du thyristor est retardé par rapport au zéro de la demi- période, plus la valeur moyenne de la tension est réduite et, de ce fait, la vitesse du moteur plus faible (rappelons que l’extinction d’un thyristor intervient automatiquement quand le courant passe par zéro).

Pour des variateurs de faible puissance, ou des variateurs alimentés par une batterie d’accumulateurs, le circuit de puissance, parfois constitué de transistors de puissance (hacheur), fait varier la tension continue de sortie en ajustant le temps de conduction. Ce mode de fonctionnement est dénommé MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion).

AFig. 17 LModule IPM (Intelligent Power Module)

5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu

5 - Départs moteurs

(20)

b Régulation

La régulation consiste à maintenir avec précision la vitesse à la valeur imposée en dépit des perturbations (variation du couple résistant, de la tension d’alimentation et de la température). Toutefois, lors des

accélérations ou en cas de surcharge, I’intensité du courant ne doit pas atteindre une valeur dangereuse pour le moteur ou le dispositif

d’alimentation.

Une boucle de régulation interne au variateur maintient le courant à une valeur acceptable. Cette limite est accessible pour permettre l’ajustement en fonction des caractéristiques du moteur. La vitesse de consigne est fixée par un signal, analogique ou numérique, transmis par l’intermédiaire d’un bus de terrain ou par tout autre dispositif qui délivre une tension image de cette vitesse désirée.

La référence peut être fixe ou varier au cours du cycle de fonctionnement de la machine entraînée.

Des rampes d’accélération et de décélération réglables appliquent de façon progressive la tension de référence correspondant à la vitesse désirée. L’évolution de cette rampe peut suivre toutes les formes voulues.

Le réglage des rampes définit la durée de l’accélération et du ralentissement.

En boucle fermée, la vitesse réelle est mesurée en permanence par une dynamo tachymétrique ou un générateur d’impulsions(Cchapitre 6 Acquisitions de données)et comparée à la référence. Si un écart est constaté, l’électronique de contrôle réalise une correction de la vitesse.

La gamme de vitesse s’étend de quelques tours par minute jusqu’à la vitesse maximale. Dans cette plage de variation, on obtient aisément des précisions meilleures que 1 % en régulation analogique et mieux que 1 / 1 000 en régulation numérique. En cumulant toutes les variations possibles (vide/charge, variation de tension, de température, etc.), cette régulation peut également être effectuée à partir de la mesure de la tension du moteur en tenant compte du courant qui le traverse.

Les performances sont dans ce cas nettement inférieures, à la fois en gamme de vitesse et en précision (quelques % entre marche à vide et marche en charge).

b Inversion du sens de marche et freinage par récupération d’énergie

Pour inverser le sens de marche, il faut inverser la tension d’induit. Ceci peut être réalisé à l’aide de contacteurs (cette solution est maintenant abandonnée) ou en statique par inversion de la polarité de sortie du variateur de vitesse ou de la polarité du courant d’excitation.

Cette dernière solution est peu usitée en raison de la constante de temps de l’inducteur.

Lorsqu’un freinage contrôlé est désiré ou que la nature de la charge l’impose (couple entraînant), il faut renvoyer l’énergie au réseau. Pendant le freinage, le variateur fonctionne en onduleur, en d’autres termes la puissance qui transite est négative.

Les variateurs capables d’effectuer ces deux fonctionnements (inversion et freinage par récupération d’énergie) sont dotés de deux ponts connectés en antiparallèle (CFig.18).

Chacun de ces ponts permet d’inverser la tension, le courant ainsi que le signe de l’énergie qui circule entre le réseau et la charge.

5

AFig. 18 LSchéma d’un variateur avec inversion de marche et freinage par récupération d’énergie pour un moteur à courant continu

5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu

5 - Départs moteurs

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b Modes de fonctionnement possibles

La nature des charges est évoquée avec plus de détails dans le chapitre 3 Moteurs et charges. En ce qui concerne le fonctionnement du moteur à courant continu, nous aborderons le fonctionnement « à couple constant » et le fonctionnement à « puissance constante ».

v Fonctionnement dit à « couple constant »

À excitation constante, la vitesse du moteur est fonction de la tension appliquée à l’induit du moteur. La variation de vitesse est possible depuis l’arrêt jusqu’à la tension nominale du moteur qui est choisie en fonction de la tension alternative d’alimentation.

Le couple moteur est proportionnel au courant d’induit et le couple nominal de la machine peut être obtenu de manière continue à toutes les vitesses.

v Fonctionnement dit à « puissance constante »

Lorsque la machine est alimentée sous sa tension nominale, il est encore possible d’augmenter sa vitesse en réduisant le courant d’excitation.

Le variateur de vitesse doit dans ce cas comporter un pont redresseur contrôlé alimentant le circuit d’excitation. La tension d’induit reste alors fixe et égale à la tension nominale et le courant d’excitation est ajusté pour obtenir la vitesse souhaitée.

La puissance a pour expression : P = E . I

avec

E sa tension d’alimentation, I le courant d’induit.

La puissance, pour un courant d’induit donné, est donc constante sur toute la gamme de vitesse, mais la vitesse maximale est limitée par deux paramètres :

- la limite mécanique liée à l’induit et en particulier la force centrifuge maximale pouvant être supportée par le collecteur,

- les possibilités de commutation de la machine, en général plus restrictives.

Le fabricant du moteur doit donc être sollicité pour bien choisir un moteur, en particulier en fonction de la gamme de vitesse à puissance constante.

5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

Le variateur de vitesse pour moteur asynchrone reprend les mêmes principes de base que le variateur pour moteur à courant continu.

L’apparition sur le marché de variateurs de vitesse économiques pour moteur asynchrone est assez récente. En France, Telemecanique a été une des compagnies pionnières en la matière. L’évolution des

technologies a permis la réalisation de variateurs économiques fiables et performants.

b Principe général

Le convertisseur de fréquence, alimenté à tension et fréquence fixes par le réseau, assure au moteur, en fonction des exigences de vitesse, son alimentation en courant alternatif à tension et fréquence variables.

Pour alimenter convenablement un moteur asynchrone à couple constant quelle que soit la vitesse, il est nécessaire de maintenir le flux constant.

Ceci nécessite que la tension et la fréquence évoluent simultanément et dans les mêmes proportions.

5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu

5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

5 - Départs moteurs

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