Variation Vitesse

MACHINES TOURNANTES – Variation de vitesse

1 Introduction Industriellement, on trouve deux structures permettant la variation de vitesse :

les motovariateurs mécaniques ou hydrauliques dont la structure est :

les motovariateurs électriques (ou électronique) dont la structure est :

Nous traiterons par la suite uniquement le cas des motovariateurs électriques.

Historiquement : le moteur à courant continu a été le premier à être utilisé pour la variation de vitesse. Le réglage de vitesse se faisait par l'intermédiaire de rhéostat, Ci-dessous le principe du célèbre groupe « Ward-Leonard ».

Ce groupe respecte la structure des moto-variateurs actuels : l’ensemble moteur à courant alternatif – génératrice est désormais remplacé par un convertisseur statique.

Actuellement : tous les types de moteurs peuvent être et sont utilisés : Moteurs à courant continu (ex : TGV Sud Est : c'est la première ligne à grande vitesse construite ;

projet en 1967, motrices mises en service dès 1978, 12 moteurs « TAB 676 C1 » 1,5 kV continu autoventilés pouvant développer jusqu'à 6540 kW).

Moteurs synchrones (ex : TGV Atlantique : 2ème génération de TGV mise en service dès 1989 , 8 moteurs « STS 44.39.6 » synchrones autopilotés pouvant développer jusqu'à 8800kW)

Moteurs asynchrones (ex : Eurostar ou TGV-TMST pour TransManche SuperTrain mis en service en 1995 ; 12 moteurs TMSTG asynchrones triphasés pouvant développer jusqu'à 12240kW)

On s'aperçoit que les progrès technologiques réalisés essentiellement en électronique ont peu à peu modifié la nature du moteur employé.

2 Paramètres de la variation de vitesse : L’inertie : moment d’inertie noté J (kg.m²) Le couple : moment du couple M (N.m) La puissance fournie (utile) mécanique Pu = M.Ω

PMS Document réf. Variation vitesse.odt, version du 26. janv. 2010 Page 1 sur 6

Moteur Variateur chargeMoteur Variateur charge

MoteurVariateur chargeMoteurVariateur charge

M G M Charge~

La puissance absorbée : électriquePa = αUI (α fonction du réseau utilisé)

Réglage de la vitesse :F action sur la tension d’alimentation (moteurs à courant continu voire moteurs asynchrones sur certains types de charges) F action sur la fréquence – et la tension - (moteurs à courants alternatifs)

3 Adaptation du moteur à la charge Allures de couples résistants caractéristiques et point de fonctionnement

M constantP linéaire

M proportionnelP quadratique

M quadratique ou cubique

M inversement proportionnelP constante

Levage, pompage pompe volumétrique, mélangeur

ventilateur enrouleur, compresseur, essoreuse

M = k1 M = k1 + k2.N M = k1+k2.N+k3.N² M=k/N

Il faut distingue 3 phases de possibilités de fonctionnement de l'ensemble « moteur + charge », On considérant uniquement un foctionnement dans les quadrants 1 et 4 (vitesses positives), on peut résumer ainsi :

La phase d'accélération : le couple moteur doit être supérieur en valeur algébrique à celui de la charge.

La phase d'équilibre : les couples moteur et charge sont identiques. On cherche généralement à faire correspondre ce point avec les caractéristiques nominales du moteur.

La phase de déccélération : le couple moteur doit être inférieur en valeur algébrique à celui de la charge.

Ces phases de fonctionnement sont l'illustration du Principe Fondamental de la Dynamique en rotation :

Mm–Mr= J.ddt

avecMm : couple moteur en N.mMr : couple résistant en N.mJ : moment d ' inertie en kg.m2

ddt

: accélération angulaire en rad.s-2

4 Cas particulier : variation de vitesse des Moteurs Asynchrones 4.1 Rappel de principe La fréquence de rotation réelle N d’un moteur asynchrone en fonctionnement normal est toujours inférieure de quelques centièmes (3 à 5%) à la vitesse de synchronisme Ns (champ tournant).

N S=fp

N=N s1−g avec N S et N en tr.s-1

f en Hz

Pour assurer la variation de vitesse, on peut donc agir sur la vitesse de synchronisme, et ce de deux façons :

action sur « p » : modifier le nombre de pôles du moteur suppose que ce dernier a été conçu avec des bobinages le permettant. Nous verrons plus loin le cas de ces moteurs à « couplage de pôles ».


action sur « f » : nous verrons plus loin que l'action d'un cyclo-convertisseur est de loin la façon la plus souple de répondre au problème.

4.2 Moteurs asynchrones à couplage de pôles Les moteurs à plusieurs vitesses peuvent être répartis en deux groupes:

moteur à plusieurs enroulements .

moteur à demi-bobine ou couplage de pôles (PAM ou Dalhander).

Ces moteurs sont en général limités à deux vitesses.

4.2.1 Moteurs à plusieurs enroulements Ces moteurs ont plusieurs enroulements statoriques totalement indépendants dont le nombre de paire de pôles est différent pour chacun. En général, ces enroulements sont au nombre de 2.

Les deux stators sont couplés en étoiles et ils doivent être alimentés indépendamment. Il n'y a pas de contrainte concernant les rapports de vitesse. Chaque enroulement possède un courant nominal qui lui est propre.

Q1

KM1

F1

Réseau 3 x 380v

XA1 XA2XA0

KM2

F2

V1U1 W1

V2U2 W2

M13~


4.2.2 Moteurs à un seul enroulement ou demi-enroulements Deux technologies entrent dans cette catégorie : les moteurs PAM au rapport de vitesse quelconque et les moteurs Dahlander, caractérisés eux par un rapport de deux entre les deux vitesses (ex : 3000/1500 tr.min-1). En choisissant judicieusement le type de moteur et son couplage, on privilégiera un mode à puissance constante (cas général) ou un mode à couple constant (utilisé dans des cas particuliers) :

Couplage pour un travail à puissance constante : « étoile série » / « étoile parallèle » (moteurs PAM et Dahlander)Ce fonctionnement est particulièrement adapté aux cas d'entraînement de charges centrifuges (couple résistant quadratique ou parabolique tel que pompes et ventilateurs).

Le constructeur Leroy Somer précise le raccordement standardisé suivant :

Couplage pour un travail à couple c onstant : « triangle série » / « étoile parallèle » (moteur Dahlander uniquement, donc rapport de vitesse de deux)

Nous ne retiendrons que ce 2ème cas car le plus couramment employé, pour lequel le constructeur Leroy Somer précise les raccordements ci-dessous :


« triangle série » pour la petite vitesse « étoile parallèle » pour la grande

4.3 Variateurs électroniques de vitesse pour moteurs asynchrones 4.3.1 Introduction

Tous les variateurs de vitesse pour Moteurs Asynchrones utilisent le principe de découpage de tension appelé Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI ou Pulse Width Modulation). Cependant, la profession distingue les variateurs à MLI classiques des variateurs à contrôle vectoriel de flux : dans le second cas, la position rotorique est prise en compte par le variateur ce qui lui permet d'effectuer d'agir sur le couple moteur. On retient cependant que tous deux génèrent des signaux MLI.

4.3.2 Principe de la MLI

I

t

U

t

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5

Attention : on rappelle que les signaux non sinusoïdaux se décomposent en 1 fondamental + des harmoniques


4.3.3 Structure d'un variateur à MLI

FiltrageRéseau triphasé

M1 3~

Pontonduleur

Pontredresseur

Tensionmoteur Courant moteur0

Tension a l'entrée de l'onduleur

En regardant la structure interne, on voit que :

L'amplitude maximale de la tension de sortie est égale à la valeur crête de la tension d'alimentation

Le courant dans le moteur comporte peu d'harmoniques et tant mieux : il ne faut pas oublier que les harmoniques de courant vont générer les harmoniques de couple.

Exemple de synoptique : les variateurs « Leroy Somer Digidrive »


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