Asg 5 departs_moteur

  • 793 views
Uploaded on

 

  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
No Downloads

Views

Total Views
793
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
59
Comments
0
Likes
1

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. 5 - Départs moteurs 5 96 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. 5 - Départs moteurs Sommaire 1 2 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 Page 5.5 Les variateurs de vitesse Page 5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques Page 5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu Page 3 4 5 6 7 5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone Page 5.9 Gradateur de tension pour moteur asynchrone Page 5.10 Moto-variateurs synchrones Page 5.11 Moto-variateurs pas-à-pas Page 5.12 Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse Page 5.13 Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique Page 5.14 Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance Page 5.15 Grille de choix des départs moteurs Page 8 9 10 11 12 M 97
  • 3. 5 - Départs moteurs 5.1 5.1 5.2 Généralités Les fonctions de base des départs-moteurs 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 1 donne 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. A Fig. 1 5.2 Les différentes fonctions et leur association pour constituer un départ-moteur 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. 98
  • 4. 5 - Départs moteurs 5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs 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 (C chapitre 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 (C chapitre 4 Démarrage et protection des moteurs) Cette fonction nécessite la détection des surintensités consécutives aux surcharges (Ir < I surcharges < 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 (C Fig. 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. A Fig. 2 Variateur de vitesse (ATV58H - Telemecanique) 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. 99 5
  • 5. 5 - Départs moteurs 5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs 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 (C Fig. 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…). 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. 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. A Fig. 3 100 Les différentes catégories d’emploi des contacteurs selon CEI 60947-1
  • 6. 5 - Départs moteurs 5.2 5.3 Les fonctions de base des départs-moteurs Une fonction complémentaire : la communication 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 (C Fig. 4) sont intégrés dans bon nombre d’appareils y compris des appareils de protection tels que des relais multifonctions ou encore des départsmoteurs. b L’apport de la communication A Fig. 4 Le démarreur contrôleur avec son module de communication Modbus (Tesys U - Telemecanique) 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. 101 5
  • 7. 5 - Départs moteurs 5.4 5.4 Départs-moteurs et coordination 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. A Fig. 5 Les trois associations possibles d’appareils pour réaliser un départ-moteur • 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 (C Fig. 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. A Fig. 6 102 Les principes de la coordination 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.
  • 8. 5 - Départs moteurs 5.4 Départs-moteurs et coordination 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 (C Fig. 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. A Fig. 7 Exemple de modularité d’un ACP (démarreur contrôleur Tesys U - Telemecanique) 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. 103 5
  • 9. 5 - Départs moteurs 5.4 Départs-moteurs et coordination Des possibilités de communication évoluées sont également apportées par ce système (C Fig. 8). Fonctions possibles : Standards Unités de contrôle : 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 A Fig. 8 Les fonctions de communication de Thesys U 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. A Fig. 9 104 Principe de la sélectivité : en cas de défaut, seul D2 s’ouvre Pour éviter cette perte, dans le cadre d’une distribution radiale (C Fig. 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.
  • 10. 5 - Départs moteurs 5.4 5.5 Départs-moteurs et coordination Les variateurs de vitesse 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. 105 5
  • 11. 5 - Départs moteurs 5.5 Les variateurs de vitesse 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 (C Fig. 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. A Fig. 10 Principe de la régulation de vitesse 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. 106
  • 12. 5 - Départs moteurs 5.5 Les variateurs de vitesse 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 ». 107 5
  • 13. 5 - Départs moteurs 5.5 Les variateurs de vitesse 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 11 illustre 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 : A Fig. 11 LLes quatre situations possibles d’une machine dans son diagramme couple vitesse - un moteur courant continu, avec un convertisseur direct (CA => CC) comportant un pont mixte à diodes et thyristors (C Fig.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 (C Fig.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). I II A Fig. 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 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 (C Fig.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. 108
  • 14. 5 - Départs moteurs 5.5 Les variateurs de vitesse • 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 (C Fig.12b). Le pont peut être mixte (diodes / thyristors) ou complet (tout thyristor). A Fig. 12b LSchéma d’un redresseur contrôlé pour moteur à courant continu 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 (C Fig.13). L’alimentation du variateur pourra être monophasée pour les faibles puissances (ordre de grandeur de quelques kW) et triphasée au-delà. A Fig. 13 LSchéma de principe d’un convertisseur de fréquence 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 (C Fig.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. A Fig. 14 LDémarreur de moteurs asynchrones et forme du courant d’alimentation 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. 109 5
  • 15. 5 - Départs moteurs 5.6 5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques 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 (C Fig.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). A Fig. 15 LStructure générale d’un variateur de vitesse électronique 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. 110
  • 16. 5 - Départs moteurs 5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques 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 (C Fig.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. A Fig. 16a L 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). 5 • à l’état bloqué : - une tension maximale admissible qui peut dépasser 5 000 V crête. Le thyristor (C Fig.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. A Fig. 16b L 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 111
  • 17. 5 - Départs moteurs 5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques 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). A Fig. 16c L Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor) (C Fig.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 (C Fig.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. A Fig. 16d L 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, 112
  • 18. 5 - Départs moteurs 5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques - 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 (C Fig.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. A Fig. 16e L 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 (C Fig.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 Semiconducteur ». A Fig. 16f L 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. 113 5
  • 19. 5 - Départs moteurs 5.6 5.7 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques Variateur-régulateur pour moteur courant continu L’IPM (Intelligent Power Module) Ce n’est pas à proprement parler un semi-conducteur, mais un assemblage (C Fig.17) qui regroupe un pont onduleur à transistors de puissance IGBT et leur électronique de commande bas niveau. A Fig. 17 LModule IPM (Intelligent Power Module) 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 (C chapitre 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 demipériode. Plus l’amorçage du thyristor est retardé par rapport au zéro de la demipériode, 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). 114
  • 20. 5 - Départs moteurs 5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu 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. 5 En boucle fermée, la vitesse réelle est mesurée en permanence par une dynamo tachymétrique ou un générateur d’impulsions (C chapitre 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. A Fig. 18 LSchéma d’un variateur avec inversion de marche et freinage par récupération d’énergie pour un moteur à courant continu 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 (C Fig.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. 115
  • 21. 5 - Départs moteurs 5.7 5.8 Variateur-régulateur pour moteur courant continu Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone 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. 116
  • 22. 5 - Départs moteurs 5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone b Constitution A Fig. 19 LSchéma de principe d’un convertisseur de fréquence Le circuit de puissance est constitué par un redresseur et un onduleur qui, à partir de la tension redressée, produit une tension d’amplitude et fréquence variables (C Fig. 19). Pour respecter la directive CE - Communauté Européenne - et les normes associées, un filtre « réseau » est placé en amont du pont redresseur. v Le redresseur Le redresseur est en général équipé d’un pont redresseur à diodes et d’un circuit de filtrage constitué d’un ou plusieurs condensateurs en fonction de la puissance. Un circuit de limitation contrôle l’intensité à la mise sous tension du variateur. Certains convertisseurs utilisent un pont à thyristors pour limiter le courant d’appel de ces condensateurs de filtrage qui sont chargés à une valeur sensiblement égale à la valeur crête de la sinusoïde réseau (environ 560 V en 400 V triphasé). Malgré la présence de circuits de décharge, ces condensateurs sont susceptibles de conserver une tension dangereuse en l’absence de tension réseau. Une intervention à l’intérieur d’un tel produit ne doit donc être effectuée que par des personnes formées et connaissant bien les précautions indispensables à mettre en place (circuit de décharge additionnel ou connaissance du temps d’attente). v L’onduleur Le pont onduleur, connecté à ces condensateurs, utilise six semiconducteurs de puissance (en général des IGBT) et des diodes de roue libre associées. Ce type de variateur est destiné à l’alimentation des moteurs asynchrones à cage. Ainsi l’Altivar, de la Marque Telemecanique, permet de créer un mini-réseau électrique à tension et fréquence variables capable d’alimenter un moteur unique ou plusieurs moteurs en parallèle. Il comporte : - un redresseur avec condensateurs de filtrage, - un onduleur à 6 IGBT et 6 diodes, - un hacheur qui est connecté à une résistance de freinage (en général extérieure au produit), - les circuits de commande des transistors IGBT, - une unité de contrôle organisée autour d’un microprocesseur, lequel assure la commande de l’onduleur, - des capteurs internes pour mesurer le courant moteur, la tension continue présente aux bornes des condensateurs et dans certains cas les tensions présentes aux bornes du pont redresseur et du moteur ainsi que toutes les grandeurs nécessaires au contrôle et à la protection de l’ensemble moto-variateur, - une alimentation pour les circuits électroniques bas niveau. Cette alimentation est réalisée par un circuit à découpage connecté aux bornes des condensateurs de filtrage pour bénéficier de cette réserve d’énergie. Cette disposition permet à l’Altivar de s’affranchir des fluctuations réseau et des disparitions de tension de courte durée, ce qui lui confère de remarquables performances en présence de réseaux fortement perturbés. b La variation de vitesse A Fig. 20 LLa modulation de largeur d’impulsions La génération de la tension de sortie est obtenue par découpage de la tension redressée au moyen d’impulsions dont la durée, donc la largeur, est modulée de telle manière que le courant alternatif résultant soit aussi sinusoïdal que possible (C Fig.20). Cette technique connue sous le nom de MLI (Modulation de Largeur d’Impulsions ou PWM en anglais) conditionne la rotation régulière à basse vitesse et limite les échauffements. La fréquence de modulation retenue est un compromis : elle doit être suffisamment élevée pour réduire l’ondulation de courant et le bruit acoustique dans le moteur sans augmenter notablement les pertes dans le pont onduleur et dans les semi-conducteurs. Deux rampes règlent l’accélération et le ralentissement. 117 5
  • 23. 5 - Départs moteurs 5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone b Les protections intégrées Le variateur s’auto-protège et protège le moteur contre les échauffements excessifs, en se verrouillant jusqu’au retour à une température acceptable. Il en est de même pour toute perturbation ou anomalie pouvant altérer le fonctionnement de l’ensemble, comme les surtensions ou sous tension, la disparition d’une phase d’entrée ou de sortie. Dans certains calibres le redresseur, l’onduleur, le hacheur, la commande et les protections contre les courts-circuits sont intégrés dans un unique module IPM - Intelligent Power Module -. b Lois de commande du moteur asynchrone Les variateurs de vitesse pour moteur asynchrone de première génération utilisaient une loi de commande, dite en U/F dite également commande scalaire, seule possibilité réalisable économiquement. L’apparition des microprocesseurs et de leur puissance de calcul a permis d’appliquer la commande vectorielle, infiniment plus performante. Les constructeurs proposent sur la majorité de leurs produits la commande scalaire, la commande vectorielle sans capteur et sur certains variateurs, la commande vectorielle avec capteur. v Fonctionnement en U/f Dans ce type de fonctionnement, la référence vitesse impose une fréquence à l’onduleur et par voie de conséquence au moteur, ce qui détermine la vitesse de rotation. La tension d’alimentation est en relation directe avec la fréquence. Ce fonctionnement est souvent nommé fonctionnement à U/f constant ou fonctionnement scalaire. Si aucune compensation n’est effectuée, la vitesse réelle varie avec la charge ce qui limite la plage de fonctionnement et les performances. Une compensation sommaire peut être utilisée pour tenir compte de l’impédance interne du moteur et limiter la chute de vitesse en charge. v Contrôle vectoriel de flux sans capteur Les performances sont grandement augmentées par une électronique de commande faisant appel au contrôle vectoriel de flux - CVF - (CFig.21). A Fig. 21 118 LSchéma de principe d’un variateur à contrôle vectoriel de flux
  • 24. 5 - Départs moteurs 5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone La plupart des variateurs modernes intègrent cette fonction en standard. Pour la majorité des applications, la connaissance ou l’estimation des paramètres de la machine permet de se passer de capteur de vitesse. Dans ce cas, un moteur standard peut être utilisé avec la limitation usuelle de fonctionnement prolongé à basse vitesse. Le variateur élabore les informations à partir des grandeurs mesurées aux bornes de la machine (tension et courant). Ce mode de contrôle apporte des performances acceptables sans augmentation de coût. Pour obtenir ces performances, certains paramètres de la machine doivent être connus. A la mise en service, le metteur au point de la machine doit notamment introduire les caractéristiques plaquées sur le moteur dans les paramètres de réglage du variateur telles que : UNS : tension nominale moteur, FRS : fréquence nominale stator, NCR : courant nominal stator, NSP : vitesse nominale, COS : cosinus moteur. Ces abrégés sont utilisés par les variateurs Altivar de la marque Telemecanique. A partir de ces valeurs, le variateur calcule les caractéristiques du rotor : Lm, Tr. (Lm : inductance magnétisante, Tr : moment du couple). A la mise sous tension, un variateur avec contrôle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F – Telemecanique) pratique un autoréglage qui lui permet de déterminer les paramètres statoriques Rs, Lf. Cette mesure peut se faire moteur accouplé à la mécanique. La durée varie en fonction de la puissance moteur (1 à 10 s). Ces valeurs sont mémorisées et permettent au produit d’élaborer les lois de commande. L’oscillogramme de la figure 22 représente la mise en vitesse d’un moteur, chargé à son couple nominal alimenté par un variateur sans capteur. On remarquera que le couple nominal est obtenu rapidement (moins de 0.2 s) et la linéarité de la mise en vitesse. La vitesse nominale est obtenue en 0.8 seconde. A Fig. 22 LCaractéristiques d’un moteur à sa mise sous tension par un variateur avec contrôle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F – Telemecanique) 119 5
  • 25. 5 - Départs moteurs 5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone v Variateur avec contrôle vectoriel de flux en boucle fermée avec capteur Le contrôle vectoriel de flux en boucle fermée avec capteur est une autre possibilité. Cette solution fait appel à la transformation de Park et permet de contrôler indépendamment le courant (Id) assurant le flux dans la machine et le courant (Iq) assurant le couple (égal au produit Id, Iq). La commande du moteur est analogue à celle d’un moteur à courant continu. Cette solution (C Fig.23) apporte la réponse aux applications exigeantes : forte dynamique lors des transitoires, précision de vitesse, couple nominal à l’arrêt. A Fig. 23 LSchéma de principe d’un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur Le couple maximal transitoire est égal à 2 ou 3 fois le couple nominal suivant le type de moteur. A Fig. 24 LOscillogramme de la mise en vitesse d’un moteur, chargé à son couple nominal alimenté par un variateur avec contrôle vectoriel de flux (type ATV58F – Telemecanique). De plus, la vitesse maximale atteint souvent le double de la vitesse nominale, ou davantage si le moteur le permet mécaniquement. Ce type de contrôle autorise également des bandes passantes très élevées et des performances comparables et même supérieures aux meilleurs variateurs à courant continu. En contrepartie, le moteur utilisé n’est pas de construction standard en raison de la présence d’un capteur et le cas échéant d’une ventilation forcée. L’oscillogramme représenté dans la figure 24 représente la mise en vitesse d’un moteur, chargé à son couple nominal, alimenté par un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur. L’échelle des temps est de 0.1 s par division. Par rapport au même produit sans capteur, l’augmentation des performances est sensible. Le couple nominal s’établit en 80 ms et le temps de montée en vitesse, dans les mêmes conditions de charge est de 0.5 seconde. En conclusion, le tableau de la figure 25 compare les performances respectives d’un variateur dans les trois configurations possibles. b Inversion du sens de marche et freinage A Fig. 25 120 LPerformances respectives d’un variateur dans les trois configurations possibles (type ATV58F – Telemecanique) Pour inverser le sens de marche, un ordre externe (soit sur une entrée dédiée à cet effet, soit pour un signal circulant sur un bus de communication) entraîne l’inversion dans l’ordre de fonctionnement des composants de l’onduleur, donc du sens de rotation du moteur.
  • 26. 5 - Départs moteurs 5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone Plusieurs fonctionnements sont possibles. v 1er cas : inversion immédiate du sens de commande des semiconducteurs Si le moteur est toujours en rotation au moment de l’inversion de sens de marche, cela se traduit par un glissement important et le courant dans le variateur est alors égal au maximum possible (limitation interne). Le couple de freinage est faible en raison du fort glissement et la régulation interne ramène la consigne de vitesse à une faible valeur. Quand le moteur atteint la vitesse nulle, la vitesse s’inverse en suivant la rampe. L’excédent d’énergie non absorbée par le couple résistant et les frottements est dissipé dans le rotor. v 2ème cas : inversion du sens de commande des semiconducteurs précédée d’une décélération avec ou sans rampe Si le couple résistant de la machine est tel que la décélération naturelle est plus rapide que la rampe fixée par le variateur, celui-ci continue à fournir de l’énergie au moteur. La vitesse diminue progressivement et s’inverse. Par contre, si le couple résistant de la machine est tel que la décélération naturelle est plus lente que la rampe fixée par le variateur, le moteur se comporte comme une génératrice hyper synchrone et restitue de l’énergie au variateur. Cependant, la présence du pont de diodes interdisant le renvoi de l’énergie vers le réseau, les condensateurs de filtrage se chargent, la tension augmente et le variateur se verrouille. Pour éviter cela, il faut disposer d’une résistance qui est connectée aux bornes des condensateurs par un hacheur de façon à limiter la tension à une valeur convenable. Le couple de freinage n’est plus limité que par les capacités du variateur de vitesse : la vitesse diminue progressivement et s’inverse. Pour cette utilisation, le fabricant du variateur fournit des résistances de freinage dimensionnées en fonction de la puissance du moteur et des énergies à dissiper. Le hacheur étant dans la majorité des cas inclus d’origine dans le variateur, seule la présence d’une résistance de freinage distingue un variateur capable d’assurer un freinage contrôlé. Ce mode de freinage est donc particulièrement économique. Il va de soi que ce mode de fonctionnement permet de ralentir un moteur jusqu’à l’arrêt sans nécessairement inverser le sens de rotation. v 3ème cas : fonctionnement prolongé en freinage Un cas typique d’application est rencontré par les bancs d’essai de moteur. Il est inenvisageable de dissiper dans des résistances l’énergie ainsi produite, le bilan énergétique serait inacceptable et la dissipation des calories problématique. La plupart des constructeurs proposent des associations qui permettent de restituer au réseau l’énergie récupérée. En général, le pont de diode connecté au réseau est remplacé par un pont de semi-conducteurs contrôlés constitué d’IGBT. La restitution, par une commande MLI appropriée, est faite le plus souvent sous la forme d’un courant sinusoïdal. v Autre possibilité de freinage Un freinage économique peut être facilement réalisé en faisant fonctionner l’étage de sortie du variateur en hacheur qui injecte ainsi un courant continu dans les enroulements. Le couple de freinage n’est pas contrôlé. Il est assez peu efficace, surtout à grande vitesse, et de ce fait la rampe de décélération n’est pas contrôlée. Néanmoins c’est une solution pratique pour diminuer le temps d’arrêt naturel de la machine. L’énergie étant dissipée dans le rotor, ce mode de fonctionnement est, par nature, occasionnel. 121 5
  • 27. 5 - Départs moteurs 5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone b Les modes de fonctionnement possibles v Fonctionnement dit à « couple constant » Tant que la tension délivrée par le variateur peut évoluer et dans la mesure où le flux dans la machine est constant (rapport U/f constant ou mieux encore avec contrôle vectoriel de flux), le couple moteur sera grossièrement proportionnel au courant et le couple nominal de la machine pourra être obtenu sur toute la plage de vitesse (C Fig.26a). A Fig. 26a LCouple d’un moteur asynchrone à charge constante alimenté par un convertisseur de fréquence [a] – zone de fonctionnement à couple constant, [b] – zone de fonctionnement à puissance constante Cependant, le fonctionnement prolongé au couple nominal à basse vitesse n’est possible que si une ventilation forcée du moteur est prévue, ce qui nécessite un moteur spécial. Les variateurs modernes disposent de circuits de protection qui établissent une image thermique du moteur en fonction du courant, des cycles de fonctionnement et de la vitesse de rotation : la protection du moteur est donc assurée. v Fonctionnement dit à « puissance constante » Lorsque la machine est alimentée sous sa tension nominale, il est encore possible d’augmenter sa vitesse en l’alimentant à une fréquence supérieure à celle du réseau de distribution. Toutefois, la tension de sortie du convertisseur ne pouvant pas dépasser celle du réseau, le couple disponible décroît en proportion inverse de l’accroissement de la vitesse (C Fig.26b). Au-dessus de sa vitesse nominale, le moteur fonctionne non plus à couple constant, mais à puissance constante (P = Cω), tant que la caractéristique naturelle du moteur l’autorise. La vitesse maximale est limitée par deux paramètres : - la limite mécanique liée au rotor, - la réserve de couple disponible. A Fig. 26b 122 LCouple d’un moteur asynchrone à charge constante alimenté par un convertisseur de fréquence [a] – zone de fonctionnement à couple constant, [b] – zone de fonctionnement à puissance constante Pour une machine asynchrone alimentée à tension constante, le couple maximum variant comme le carré de la vitesse (C chapitre 3 Moteurs et charges), le fonctionnement à « puissance constante » n’est possible que dans une plage limitée de vitesse déterminée par la caractéristique de couple propre à la machine.
  • 28. 5 - Départs moteurs 5.9 5.9 Gradateur de tension pour moteur asynchrone Gradateur de tension pour moteur asynchrone b Historique et présentation Ce dispositif de variation de tension, (C Fig.27) exploitable pour l’éclairage et le chauffage, n’est pratiquement plus utilisé comme variateur de vitesse. Par le passé, cette solution a été utilisée avec des moteurs asynchrones à cage résistante ou à bagues. Le mode de fonctionnement est illustré dans la figure 28. On voit clairement qu’une variation de vitesse est possible en faisant varier la tension et en particulier avec un moteur à cage résistante. Ces moteurs asynchrones sont dans la majorité des cas triphasés, occasionnellement monophasés pour les petites puissances (jusqu’à 3 kW environ). Autrefois populaires pour certaines applications, telle la variation de vitesse des petits ventilateurs, les gradateurs ont quasiment disparu au profit des convertisseurs de fréquence plus économiques en phase d’exploitation. 5 A Fig. 27 LDémarreur de moteurs asynchrones et forme du courant d’alimentation A Fig. 28 LCouple disponible d’un moteur asynchrone alimenté à tension variable et dont le récepteur présente un couple résistant parabolique (ventilateur) [a] – moteur à cage d’écureuil, [b] – moteur à cage résistante Le gradateur de tension, dénommé « soft starter » dans les pays de langue anglaise, est utilisé universellement pour le démarrages des moteurs. Ces moteurs asynchrones sont dans la majorité des cas triphasés, occasionnellement monophasés pour les petites puissances (jusqu’à 3 kW environ). Il est utilisé comme démarreur ralentisseur progressif, dans la mesure où un couple de démarrage élevé n’est pas nécessaire et permet de limiter l’appel de courant, la chute de tension qui en découle et les chocs mécaniques dus à l’apparition brutale du couple. Parmi les applications les plus courantes, citons le démarrage des pompes centrifuges et des ventilateurs, des convoyeurs à bande, des escaliers roulants, des portiques de lavage d’automobiles, des machines équipées de courroies, etc. et en variation de vitesse sur les moteurs de très faible puissance ou sur les moteurs universels, comme dans l’outillage électroportatif. Dans le cas des pompes, la fonction ralentisseur permet également d’éliminer les coups de bélier. Trois types de démarreurs se trouvent sur le marché : soit à une phase contrôlée dans les petites puissances, soit à deux phases contrôlées (la troisième étant une connexion directe), soit avec toutes les phases contrôlées. Les deux premiers systèmes ne sont à utiliser que pour des cycles de fonctionnement peu sévères en raison du taux d’harmoniques supérieur. 123
  • 29. 5 - Départs moteurs 5.9 Gradateur de tension pour moteur asynchrone b Principe général Le circuit de puissance comporte, par phase, 2 thyristors montés têtebêche (C Fig. 28). La variation de tension est obtenue en faisant varier le temps de conduction de ces thyristors au cours de chaque demi-période. Plus l’instant de l’amorçage est retardé, plus la valeur de la tension résultante est faible. L’amorçage des thyristors est géré par un microprocesseur qui assure également les fonctions suivantes : - contrôle des rampes de montée en tension et de diminution de tension réglables ; la rampe de décélération ne pourra être suivie que si le temps de décélération naturel du système entraîné est plus long, - limitation de courant réglable, - sur couple au démarrage, - commande de freinage par injection de courant continu, - protection du variateur contre les surcharges, - protection du moteur contre les échauffements dus aux surcharges ou aux démarrages trop fréquents, - détection de déséquilibre ou d’absence de phases, de défauts thyristors. Un tableau de bord qui affiche différents paramètres de fonctionnement apporte une aide à la mise en service, à l’exploitation et à la maintenance. Certains gradateurs, comme l’Altistart (Telemecanique) peuvent commander le démarrage et le ralentissement - d’un seul moteur, - de plusieurs moteurs simultanément, dans la limite de son calibre, - de plusieurs moteurs successivement par commutation. En régime établi, chaque moteur est alimenté directement par le réseau à travers un contacteur. Seul l’Altistart dispose d’un dispositif breveté permettant une estimation du couple moteur ce qui permet d’effectuer des accélérations et décélérations linéaires et, si nécessaire, de limiter le couple moteur. b Inversion du sens de marche et freinage L’inversion du sens de marche s’effectue par inversion des phases d’entrée du démarreur. Le freinage se fait alors à contre courant et toute l’énergie est dissipée dans le rotor de la machine. Le fonctionnement est donc par nature intermittent. b Freinage de ralentissement par injection de courant continu Un freinage économique peut être facilement réalisé en faisant fonctionner l’étage de sortie du démarreur en redresseur qui injecte ainsi un courant continu dans les enroulements. Le couple de freinage n’est pas contrôlé et le freinage est assez peu efficace, surtout à grande vitesse. De ce fait, la rampe de décélération n’est pas contrôlée. Néanmoins, c’est une solution pratique pour diminuer le temps d’arrêt naturel de la machine. L’énergie étant dissipée dans le rotor, ce mode de fonctionnement est également occasionnel. 124
  • 30. 5 - Départs moteurs 5.10 5.10 Moto-variateurs synchrones Moto-variateurs synchrones b Principe général Les moto-variateurs synchrones (C Fig. 29) sont une association d’un convertisseur de fréquence et d’un moteur synchrone à aimants permanents équipé d’un capteur. Ces moteurs sont souvent dénommés « moteurs brushless ». Ces moto-variateurs sont destinés à des marchés spécifiques, comme les robots ou les machines-outils, pour lesquels sont exigés un faible volume des moteurs, des accélérations rapides et une bande passante tendue. b Le moteur Ce moteur a été décrit dans le chapitre sur les moteurs. Ce qui suit complète ces informations pour permettre au lecteur d’appréhender le mode d’alimentation par un variateur de vitesse. Le rotor du moteur est équipé d’aimants permanents en terre rare pour obtenir un champ élevé dans un volume réduit. Le stator comporte des enroulements triphasés A, B, C (C Fig.30). A Fig. 29 LPhotographie d’un moto-variateur synchrone (Variateur Lexium + moteur, Schneider Electric) A Fig. 30 LReprésentation simplifiée du stator moteur synchrone à aimants permanents « moteur brushless » Ces moteurs peuvent accepter des courants de surcharge importants pour réaliser des accélérations très rapides. Un capteur équipe ces moteurs pour indiquer au variateur la position angulaire des pôles du moteur, afin d’assurer la commutation des enroulements (C Fig.31). A Fig. 31 LReprésentation simplifiée d’un moteur synchrone à aimants permanents « moteur brushless », illustrant le capteur angulaire de position du rotor 125 5
  • 31. 5 - Départs moteurs 5.10 5.11 Moto-variateurs synchrones Moto-variateurs pas-à-pas b Le variateur Dans sa constitution, le variateur est similaire à un convertisseur de fréquence : il fonctionne de façon analogue. Il est aussi constitué d’un redresseur et d’un onduleur à transistors à modulation de largeur d’impulsions (MLI) qui restitue un courant de sortie de forme sinusoïdale. Il est fréquent de trouver plusieurs variateurs de ce type alimentés par une même source de courant continu. Ainsi, sur une machine-outil, chaque variateur commande un des moteurs associés aux axes de la machine. Une source commune à courant continu alimente en parallèle cet ensemble de variateurs. Ce type d’installation permet de mettre à disposition de l’ensemble, l’énergie qui proviendrait du freinage de l’un des axes. Comme dans les convertisseurs de fréquence, une résistance de freinage associée à un hacheur permet d’évacuer l’énergie de freinage en excès. Les fonctions d’asservissement de l’électronique et les faibles constantes de temps mécaniques et électriques autorisent des accélérations et plus généralement des bandes passantes très élevées, avec en même temps une très grande dynamique de vitesse. 5.11 Moto-variateurs pas-à-pas b Principe général Les moto-variateurs pas-à-pas sont des associations d’une électronique de puissance, similaire dans sa conception à celle d’un convertisseur de fréquence, et d’un moteur pas-à-pas. Ils fonctionnent en boucle ouverte (sans capteur) et sont destinés à des applications de positionnement. b Le moteur Le moteur peut être à réluctance variable, à aimants permanents ou présenter une combinaison des deux (C chapitre 3 Moteurs et charges, pour des explications détaillées). b Le variateur Dans sa constitution, le variateur est analogue à un convertisseur de fréquence (redresseur, filtrage et pont constitué de semi-conducteurs de puissance). L’étage de sortie aliment les bobines du moteur pas-à-pas, comme dans l’exemple de la figure 32 pour un moteur pas-à-pas bipolaire. A Fig. 32 LSchéma de principe d’un variateur pour moteur bipolaire pas-à-pas Cependant, son fonctionnement est fondamentalement différent dans la mesure où il a pour objectif d’injecter un courant constant dans les enroulements. 126
  • 32. 5 - Départs moteurs 5.11 5.12 Moto-variateurs pas-à-pas Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse Parfois, il fait appel à la modulation de largeur d’impulsions (MLI) pour obtenir de meilleures performances, en particulier le temps de montée du courant (C Fig.33), ce qui permet d’étendre la plage de fonctionnement. Le fonctionnement (C Fig.34) en micropas, déjà évoqué dans le chapitre 3 Moteurs et charges, permet de multiplier artificiellement le nombre de positions possibles du rotor en générant des échelons successifs dans les bobines, durant chaque séquence. Les courants dans les deux bobines ressemblent alors à deux courants alternatifs décalés de 90°. A Fig. 33 LAllure du courant résultant d’une commande à MLI 5 A Fig. 34 LDiagramme, courbes d’intensité et principe d’échelons pour une commande en micropas d’un moto-variateur pas-à-pas Le champ résultant est la composition vectorielle des champs créés par les deux bobines. Le rotor prend ainsi toutes les positions intermédiaires possibles. Le schéma représente les courants d’alimentation des bobines B1 et B2 et les positions du rotor sont représentées par le vecteur. 5.12 Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse b Les possibilités de dialogue Pour pouvoir assurer un fonctionnement correct du moteur, les variateurs intègrent un certain nombre de capteurs pour surveiller la tension, les courants du moteur et son état thermique. Ces informations, indispensables pour le variateur, peuvent être utiles pour l’exploitation. Les variateurs et démarreurs récents intègrent des fonctions de dialogue en tirant profit des bus de terrain. Il est ainsi possible de générer des informations qui sont utilisées par un automate et un superviseur pour la conduite de la machine, les informations de contrôle proviennent de l’automate par le même canal. Parmi les informations qui transitent citons : - les consignes de vitesse, - les ordres de marche ou d’arrêt, - les réglages initiaux du variateur ou les modifications de ces réglages en opération, - l’état du variateur (marche, arrêt, surcharge, défaut), - les alarmes, - l’état du moteur (vitesse, couple, courant, température). 127
  • 33. 5 - Départs moteurs 5.12 Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse Ces possibilités de dialogue sont également utilisées en liaison avec un PC pour pouvoir simplifier les réglages à la mise en route (téléchargement) ou archiver les réglages initiaux. b Les fonctions intégrées Pour couvrir efficacement bon nombre d’applications, les variateurs disposent d’un nombre important d’ajustages et de réglages comme : - les temps des rampes d’accélération et de décélération, - la forme des rampes (linéaires, en S, en U ou paramétrables), - les commutations de rampes permettant d’obtenir deux rampes d’accélération ou de décélération pour permettre par exemple un accostage en douceur, - la réduction du couple maximum commandée par une entrée logique ou par une consigne, - la marche pas-à-pas, - la gestion de la commande d’un frein pour les applications de levage, - le choix de vitesses présélectionnées, - la présence d’entrées sommatrices permettant d’additionner des consignes de vitesse, - la commutation des références présentes à l’entrée du variateur, - la présence d’un régulateur PI pour les asservissements simples (vitesse ou débit par exemple), - l’arrêt automatique suite à une coupure réseau permettant le freinage du moteur, - le rattrapage automatique avec recherche de la vitesse du moteur pour une reprise à la volée, - la protection thermique du moteur à partir d’une image générée dans le variateur, - la possibilité de connexion de sondes PTC intégrées au moteur, - l’occultation de fréquence de résonance de la machine (la vitesse critique est occultée de sorte que le fonctionnement permanent à cette fréquence est rendu impossible), - le verrouillage temporisé à basse vitesse dans les applications de pompage où le fluide participe à la lubrification de la pompe et évite le grippage. Ces fonctions, sur les variateurs sophistiqués, se trouvent le plus souvent en standard comme dans l’Altivar (ATV58H) Telemecanique. b Les cartes optionnelles Pour des applications plus complexes, les fabricants proposent des cartes optionnelles qui permettent soit des fonctions particulières, par exemple le contrôle vectoriel de flux avec capteur, soit des cartes dédiées à un métier particulier. On trouve par exemple : - des cartes « commutation de pompes » pour réaliser économiquement une station de pompage comportant un seul variateur alimentant successivement plusieurs moteurs, - des cartes « multi-moteurs », - des cartes « multi-paramètres » permettant de commuter automatiquement des paramètres prédéfinis dans le variateur, - des cartes spécifiques développées à la demande d’un utilisateur particulier. Certains fabricants proposent également des cartes automates intégrées dans le variateur permettant des applications simples. L’opérateur dispose alors d’instructions de programmation et d’entrées et sorties pour la réalisation de petits automatismes, là où la présence d’un automate ne se justifie pas. 128
  • 34. 5 - Départs moteurs 5.13 5.13 Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique b Facteur de déphasage v Rappel Le facteur de déphasage ou cosinus ϕ est le cosinus de l’angle de déphasage du courant par rapport à la tension. Le facteur de déphasage n’a de signification que pour des tensions et des courants sinusoïdaux de même fréquence. Si le courant prélevé à la source présente des harmoniques, ce qui est le cas pour la majorité des variateurs de vitesse, le facteur de puissance sera, par définition, le déphasage du fondamental (ou premier harmonique) du courant par rapport au fondamental de la tension d’alimentation. v 1er cas : le circuit d’entré est constitué de semi-conducteurs commandés de type thyristor : ex : variateur pour moteur à courant continu Le facteur de déphasage est sensiblement égale au cosinus de l’angle de retard à l’amorçage. En d’autres termes, si la tension de sortie est faible (basse vitesse), le cosinus ϕ est faible. Si la tension de sortie est élevée (vitesse élevée) le cosinus ϕ est voisin de l’unité. Le cosinus ϕ devient négatif si le variateur restitue de l’énergie au réseau dans le cas de variateur réversible. v 2ème cas : pont de diodes constitué de diodes : ex convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone Le fondamental du courant est quasiment en phase avec la tension d’alimentation et le cosinus ϕ est proche de 1. v 3ème cas : le circuit d’entré est constitué de semi-conducteurs commandés de type IGBT Cette disposition est utilisée pour effectuer un prélèvement de courant sinusoïdal. Avec une commande MLI appropriée, le cosinus ϕ est égal ou proche de 1. Un convertisseur de fréquence associé à un moteur asynchrone a un meilleur facteur de déphasage que le moteur lui même. En effet, le pont de diode qui équipe en général ce mode de convertisseur à un facteur de déphasage proche de 1. Ce sont les condensateurs de filtrage incorporés au variateur qui font office de « réservoir » d’énergie réactive. b Facteur de puissance v Rappel Le facteur de puissance est le rapport de la puissance apparente S et de la puissance active P. Fp = P/S La puissance active P est le produit de la tension fondamentale par le courant fondamental et le cosinus ϕ P = U x I x cosinus ϕ La puissance apparente S est égale au produit de la valeur efficace de la tension par la valeur efficace du courant. Si la tension et le courant sont déformés, il faudra effectuer la somme quadratique des valeurs efficaces de chaque rang. Si l’impédance du réseau est faible (ce qui est le cas en général), la tension d’alimentation sera proche de la sinusoïde, en contre partie, le courant absorbé par les semi-conducteurs est riche en harmoniques et d’autant plus riche que l’impédance du réseau sera faible. La valeur efficace du courant s’exprime de la manière suivante : Ieff = (I1_ + I2_+ I3_+ …… In_) 0.5 Et la puissance apparente S par : S= Veff x Ieff ou très sensiblement : S = V x Ieff 129 5
  • 35. 5 - Départs moteurs 5.13 Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique Un rapport P/S faible dénote une réseau d’alimentation surchargé en raison des harmoniques avec des risques d’échauffement des conducteurs qui doivent être dimensionnés en conséquence. v 1er cas : le circuit d’entré est constitue de semi-conducteurs commandés de type thyristor : ex. variateur pour moteur à courant continu Le prélèvement de courant est sensiblement carré. Le facteur de puissance est faible à basse tension de sortie et s’améliore quand la tension de sortie augmente pour atteindre la valeur de 0.7 environ. v 2ème cas : pont de diodes constitué de diodes : ex. convertisseur de A Fig. 35 LFormes du courant absorbé par un variateur de vitesse fréquence pour moteur asynchrone Le courant prélevé est riche en harmonique (C Fig.35) et le facteur de puissance est faible quelle que soit la vitesse du moteur. Ce phénomène est supportable pour les petits variateurs mais devient pénalisant au fur et à mesure que les puissances s’accroissent. Pour réduire ce phénomène, des inductances de ligne et des inductances dans les circuits de la source continue en série avec les condensateurs de filtrage deviennent indispensables. Elles ont pour effet d’atténuer l’amplitude des harmoniques et d’améliorer sensiblement le facteur de puissance. Les convertisseurs de fréquence qui utilisent un pont de diodes, sans inductance de ligne ou dans le circuit continu ont un facteur de puissance de l’ordre de 0.5. v 3ème cas : le circuit d’entrée est constitué de semi-conducteurs commandés de type IGBT Cette disposition est utilisée pour effectuer un prélèvement de courant sinusoïdal. Avec une commande MLI appropriée. Ce mode de prélèvement permet d’obtenir un courant proche de la sinusoïde et d’obtenir un facteur de puissance optimal sensiblement égal au facteur de déphasage et proche de l’unité (C Fig.36). Compte tenu du prix d’une telle solution, ce type de prélèvement est peu répandu dans l’offre des constructeurs. b Rendement v Pertes dans le convertisseur Les pertes dans les convertisseurs sont associées aux semi-conducteurs qui les constituent. A Fig. 36 LPrélèvement sinusoïdal Les semi-conducteurs sont le siège de perte d’énergie de deux types : - les pertes par conduction dues à la tension résiduelle de l’ordre du volt, - les pertes par commutation liées à la fréquence de découpage. Les semi-conducteur ayant des temps de commutation rapides ont les pertes de commutation les plus faibles, comme des IGBT qui autorisent des fréquences de découpage élevées. De ce fait, les convertisseurs présentent des rendements excellents supérieurs à 90%. v Pertes dans le moteur Les moteurs associés aux convertisseurs voient leurs pertes augmenter en raison du découpage de la tension appliquée. Cependant, la fréquence de découpage étant élevée ; le courant absorbé est quasi sinusoïdal (C Fig. 37) et les pertes supplémentaires peuvent être considérées comme négligeables. A Fig. 37 130 LAllure du courant moteur
  • 36. 5 - Départs moteurs 5.14 5.14 Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance b Choix du moteur Les convertisseurs de fréquence peuvent alimenter des moteurs standards. sans précaution particulière, si ce n’est le déclassement à basse vitesse dans le cas de moteurs moto ventilés. Il sera toujours préférable, cependant, de choisir le moteur ayant le meilleur rendement et le plus haut cos ϕ. Dans les faibles puissances, le choix d’un moto variateur synchrone peut être judicieux en raison du rendement supérieur de cette association. La différence de prix d’achat est en effet rapidement amortie. b Nature de la charge Les convertisseurs de fréquence s’imposent pour le réglage de débit des pompes et ventilateurs en raison de la caractéristique de couple de ces charges (C chapitre 3 Moteurs et charges). L’usage de variateurs de vitesse par rapport à des fonctionnements tout ou rien ou à des systèmes de réglage faisant appel à des vannes, des volets ou des clapets permet des économies substantielles d’énergie. La documentation des constructeurs donne des exemples de calcul d’économie d’énergie permettant d’estimer le retour sur investissement. Cette économie ne peut être évaluée qu’en connaissant parfaitement l’application et les spécialistes des constructeurs sont en mesure de guider le choix de l’utilisateur. b Réduction de la maintenance Les convertisseurs de fréquence et les démarreurs électronique (C chapitre 4 Démarrage des moteurs) effectuent un démarrage progressif qui élimine les contraintes mécaniques imposées à la machine pouvant ainsi être optimisée directement à la conception. Dans le cas de la commande multi-moteur (ex. station de pompage), une gestion appropriée des moteurs permet d’équilibrer les heures de fonctionnement de chacun d’entre eux et d’augmenter la disponibilité et l’endurance de l’installation. b Conclusion Le choix d’un variateur de vitesse étant intimement lié à la nature de la charge entraînée et aux performances visées, toute définition et recherche d’un variateur de vitesse doivent passer par une analyse des exigences fonctionnelles de l’équipement, puis des performances requises pour le moteur lui-même. La documentation des fournisseurs de variateurs de vitesse fait également abondamment mention de couple constant, couple variable, puissance constante, contrôle vectoriel de flux, variateur réversible, etc. Ces désignations caractérisent toutes les données nécessaires pour retenir le type de variateur le plus adapté. Un choix incorrect de variateur peut conduire à un fonctionnement décevant. De même, il faut tenir compte de la gamme de vitesse souhaitée pour choisir convenablement l’association moteur/variateur. Il est conseillé de s’adresser, avec toutes les précisions nécessaires, aux services spécialisés des constructeurs pour sélectionner le variateur apportant le meilleur rapport prix/performances. 131 5
  • 37. 5 - Départs moteurs 5.15 Produit Fonction Sectionnement Interruption Protection court circuit Surcharge Fonctions complémentaires Commutation (TOR, 2V, ∆) Commutation à vitesse variable Commutation à vitesse variable 132 5.15 Tableau de choix des départs moteurs Grille de choix des départs moteurs Contacteur Démarreur progressif Variateur vitesse Relais Protections thermique complémentaire Porte fusibles Interrupteur Interrupteur Disjoncteur Disjoncteur Démarreur fusibles ligne moteur contrôleur
  • 38. 5 133