Electronique de puissance

UNIVERSITÉ HASSAN 1er – SETTAT

Faculté des Sciences et Techniques

LP : Automation Industrielle

Dr. Mourad ZEGRARI

Chapitre ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

VARIATION DE VITESSE

Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI

2

Objectifs du cours

Acquérir les notions de base sur la variation de vitesse.

Caractériser les composants de l’électronique de puissance.

Analyser les principaux convertisseurs statiques : Redresseurs,

Hacheurs, Onduleurs, Gradateurs.

Étudier les procédés de variation de vitesse des moteurs électriques.

Dr. Mourad ZEGRARI

1

Chapitre ÉLÉMENTS DE LA VARIATION DE

VITESSE DES MACHINES ÉLECTRIQUES


4

Plan

Intérêt de la variation de vitesse.

Composantes d’un système de variation de vitesse.

Convertisseurs statiques de l’électronique de puissance.

Caractérisation des interrupteurs électroniques.

Structures de base des convertisseurs statiques.

Pollution harmonique et facteur de puissance.

Électronique de puissance et Variation de Vitesse

Cycles de fonctionnement dans les unités industrielles :

Variation de vitesse intermittente

La variation n’est pas une nécessité absolue, c’est une phase

intermédiaire de fonctionnement (pompes, compresseurs).

Variation de vitesse continue

L’application envisagée nécessite un fonctionnement à vitesse

variable (traction, machines-outils, enrouleurs)

5

Intérêt de la variation de vitesse

© M. ZEGRARI

Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs


Entraînement à vitesse constante

Couple résistant de la pompe Tr et puissance Pm constantes.

Réduction de débit de 20% :

Baisse du rendement :

6

unun P8.0PD8.0D

an

unn

a

u

P

P

P

P

Optimisation de l’énergie

© M. ZEGRARI



Entraînement à vitesse variable

Couple résistant de la pompe :

Réduction du débit de 20% :

Puissance en mode réduit :

7

nn 8.0D8.0D

2nrr kT

3nrnrn kTP

n3n

3r P5.08.0kP

Réduction

de 50%

Optimisation de l’énergie

© M. ZEGRARI



8

Entraînement à vitesse constante

• Baisse de rendement.

• Coût élevé.

• Mauvaise précision.

Optimisation des protocoles

© M. ZEGRARI



9

nn 8.0D8.0D

2nrr kT

Entraînement à vitesse variable

• Grande souplesse.

• Meilleure précision.

Optimisation des protocoles


© M. ZEGRARI


10

Exemples d’optimisation


© M. ZEGRARI


11

Techniques de variation de vitesse


© M. ZEGRARI


12

Schéma synoptique d’un système d’entraînement électromécanique :

Équation fondamentale de mouvement :

dt

dΩJTT rm

Moteurs

d’entraînement

Charges

mécaniques

Composantes d’un moto-variateur


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Variateur Moteur Réducteur Charge Source

Commande

Vs Va Tm Tc

m c

Capteur

Cosigne

Régulateur


13

Évolution de la vitesse en fonction du temps :

Étude des phases de démarrage et de freinage.

Cycle de vitesse : profil


© M. ZEGRARI


14

• Couple de démarrage :

• Couple d’accélération :

ard TTT

aa

t60

N2J

dt

dJT

Cycle de vitesse : Accélération


© M. ZEGRARI


15

• Couple de ralentissement :

• Couple de freinage :

rrra

t60

N2J

dt

dJTT

ffrarrêt

t60

N2JTTT

Cycle de vitesse : Décélération


© M. ZEGRARI


16

Accélération et décélération contrôlées.

Variation de vitesse.

Régulation de vitesse.

Inversion du sens de marche.

Protections intégrées.

État du moteur (courant, tension, couple, vitesse, température)

Fonctions d’un variateur de vitesse


© M. ZEGRARI


17

Communication et supervisions ;

Alarmes et diagnostic avancé ;

Cartes multi-moteur

Fonctions évoluées


© M. ZEGRARI

Ethernet Control net

Device net

Power Flex 700S - Allen Bradley Altivar ATV58H - Télémécanique


18

Fonctions des variateurs évolués


© M. ZEGRARI

Système de commutation des pompes


19

Modifier la nature des grandeurs électrique (CC-CA).

Régler la puissance d’un système électrique.

Assurer conjointement, en cas de besoin, la modification de la nature

et le réglage de la puissance électrique.

Fonctions des convertisseurs

Source de l’énergie

électrique

Convertisseur

Statique

Utilisation de

l’énergie électrique

Non réversible

Réversible

(CC ou CA) (CC ou CA)

Variateurs Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs


20

Classification des convertisseurs

Redresseurs

Gradateurs

Hacheurs

Onduleurs

Charge CC

Charge CA

Source CA

Source CC

+

-

Charge CA

Charge CC

• Chargeurs de batterie.

• Commande des moteurs cc.

• Systèmes d’alimentation.

• Gradateurs de lumière.

• Démarreurs électroniques.

• Variateurs de vitesse à MAS.

• Abaisseur-élévateur (tension).

• Alimentation à découpage.

• Commande des MCC.

• Alimentation sans interruption

• Fours industriels.

• Commande des MAS.



21

Un convertisseur statique comporte essentiellement :

Des interrupteurs électroniques fonctionnant, de manière périodique,

en régime de commutation (tout ou rien).

Des éléments réactifs (inductances et/ou condensateurs) permettant

le stockage intermédiaire de l’énergie électrique.

Convertisseur

Statique

Source

d’entrée

ie

Commande

Structure des convertisseurs statiques

is

Source

de sortie

ve vs



22

Dispositifs à semi-conducteurs …

• Diodes.

• Thyristors et triacs.

• Transistors (BJT, MOSFET, IGBT)

… adaptés aux dispositifs de puissances

• Courants et tensions élevés.

• Phénomènes de commutation (limites en tension et en courant).

Types des interrupteurs

Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs


23

Interrupteur à 2 électrodes : Anode (A), Cathode (K)

• Conduction : VAK > 0 (conduction spontanée)

• Blocage : IA = 0 (blocage spontané)

Diode (D) : caractéristiques

Symbole

VAK

IA

Conduction

en direct

Blocage

en inverse

Caractéristique v-i

A

K

VAK

IA

Diode de puissance

Date

19

54



24

Interrupteur à 3 électrodes : Anode (A), Cathode (K), Gâchette (G)

• Amorçage : VAK > 0 ET IG > 0 (amorçage commandé)

• Blocage : IA < IH OU VAK << 0 (blocage spontané)

Thyristor (SCR) : caractéristiques

Symbole

VAK

IA

Conduction

en direct

Blocage

en inverse


A

K

VAK

IA

Thyristor de puissance

BTW 48A-1200V

IG Blocage

en direct

Date

19

62



25

Le Circuit d’Aide à La Commutation (CALC) permet de protéger contre :

Les variations importantes de la tension (dv/dt) par un circuit RC.

Les variations importantes du courant (di/dt) par une inductance L.

Thyristor : Circuit de protection

L

R Th D

C

• Th : thyristor à protéger.

• L : inductance pour protéger contre les (di/dt).

• C : condensateur pour protéger contre les (dv/dt).

• R : protège le thyristor pendant la décharge de C.

• D : permet la charge rapide du condensateur.



26

Variante du thyristor rapide complètement commandé par sa gâchette :

Amorçage : maintenir un courant IG > 0.

Blocage : maintenir un courant IG < 0.

Utilisation

Convertisseurs de forte puissance (jusqu’à 10 kV et 5 000 A). Toutefois,

en raison des progrès des IGBT, leur part de marché tend à décroître.

Thyristor GTO (Gate Turn-Off)

Date

19

62



27

Interrupteur à 3 électrodes : Base (B), Collecteur (E), Emetteur (E)

• Amorçage : VCE > 0 ET IB > 0 (amorçage commandé)

• Blocage : IB = 0 OU VCE << 0 (blocage commandé)

Transistor bipolaire (BJT) : caractéristiques

Symbole

VCE

IC

Conduction en direct


C

E

VCE

IC

Transistor bipolaire

TIP 3055 – TO 218

IB

Blocage

en direct

B

Date

19

68


http://www.google.fr/imgres?imgurl=http://www.selectronic.fr/media/catalog/product/cache/1/image/265x265/17f82f742ffe127f42dca9de82fb58b1/t/r/transistor-bipolaire-npn-de-puissance---igs14igbta.png&imgrefurl=http://www.selectronic.fr/transistor-bipolaire-npn-de-puissance-igs14igbt.html&usg=__c3a-KsJtH36fa0eho6xCFgCXSk0=&h=265&w=257&sz=77&hl=fr&start=3&zoom=1&tbnid=NgcyT5ap8Rdi9M:&tbnh=112&tbnw=109&ei=cFS1UJOiLK754QTbw4DgDA&prev=/search?q=image+transistor+bipolaire+de+puissance&hl=fr&sa=X&tbo=d&biw=1366&bih=673&tbm=isch&itbs=1


28

Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Drain (D), Source (S)

• Amorçage : VDS > 0 ET VGS > 0 (amorçage commandé)

• Blocage : VGS 0 (blocage commandé)

Transistor à effet de champ (MOS-FET)

Symbole

VDS

ID

Conduction

en direct


D

S

VDS

ID

Transistor MOS-FET

en pont

IB

Blocage

en direct

G

Date

19

63

VGS Conduction

en inverse



29

Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Collecteur (E), Emetteur (E)

• Amorçage : VCE > 0 ET VGE > 0 (amorçage commandé)

• Blocage : VGE 0 (blocage commandé)

Transistor à grille isolée (IGBT)

Symbole

VCE

IC

Conduction

en direct


C

E

VCE

IC

Transistor IGBT

400 V - 12 A

VGE

Blocage

en direct

G

Date

19

95



30

Dans le plan (vk, ik), le point de fonctionnement décrit un cycle au

cours d'une période. Les modes de commutation se déduisent alors

de ses positions initiales et finales.

Choix d’un interrupteur



31

Amorçage

Blocage

Spontané Commandé

Spontané Diodes Thyristors

Commandé

Thyristor dual

Transistor

Thyristor avec circuit

d’e blocage.

Tableau de synthèse



32

• Source de tension

• Source de courant

Caractérisation des sources

Circuit

actif vs C Source de tension

Circuit

actif is Source de courant

Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques


33

Le convertisseur statique connecte deux sources par l’intermédiaire des

interrupteurs électroniques.

Les règles d’interconnexion des sources sont :

1. Une source de tension ne doit jamais être court-circuitée, mais elle

peut être ouverte.

2. Une source de courant ne doit jamais être ouverte, mais elle peut

être court-circuitée.

3. Ne jamais connecter entre elles deux sources de même nature.

4. On ne peut connecter directement que deux sources de natures

différentes.

Règles d’interconnexion des sources



34

Elle met en liaison une source de tension avec une source de courant.

Séquences

Configuration de base

Conception des convertisseurs directs



35

1ère Structure : Modifier la nature de l’une des sources.

L’élément de stockage est placé à l’extérieur du convertisseur.

Conception des convertisseurs indirects



36

2ème Structure : Utiliser deux convertisseurs directs intercalés.

L’élément de stockage fait partie du convertisseur global.

Conception des convertisseurs indirects



37

En pratique, les convertisseurs statiques sont le plus souvent alimentés

par des sources de tensions sinusoïdales 1~ ou 3~ :

Le courants absorbé est périodique (T)

mais non sinusoïdal :

Courant moyen :

Courant efficace :

Fonctionnement non linéaire

Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs

t T

vs is

Pulsation : = 2f = 2/T

is

vs

Dipôle

non-linéaire


38

La décomposition en série de Fourrier du courant donne :

Où : et

Notion d’harmoniques

• si la fonction est paire, les coefficients bn sont nuls.

• si la fonction est impaire, les coefficients an sont nuls.

• si la fonction est symétrique, les termes d’indices pairs sont nuls.

• le terme d’indice n = 1 est appelé fondamental. Les autres

termes sont désignés « harmoniques »

Propriétés

générales



39

En électronique de puissance, le courant est non sinusoïdal et déphasé

de par rapport à la tension d’alimentation :

Représentation spectrale

• termes an nuls.

• coefficients In = bn/2

t T

vs is

f 2f 3f 4f 5f nf

Fréquence

Fondamental Harmoniques

0

I1

I2

I3 I4 I5 In

Courant efficace :



40

Nous définissons les puissances suivantes :

Puissance active :

Puissance réactive :

Puissance apparente :

Puissance déformante :

Puissances effectives

Puissance due uniquement au fondamental I1 du courant is.



41

Le fonctionnement en mode non-linéaire met en évidence :

Facteur de puissance :

Facteur de déplacement :

Taux de Distorsion Harmonique du courant :

Facteur de crête du courant source absorbé :

Grandeurs caractéristiques



42

La présence des harmoniques du courant absorbé par un convertisseur

provoque les effets suivants :

Diminution du facteur de puissance (à cause de la puissance D).

Augmentation des pertes Joule (effet accentué par l’effet de peau).

Augmentation des pertes magnétiques.

Déclassement des appareils alimentés (moteurs, transformateurs, etc.)

Création de courants homopolaires dans la ligne neutre.

Effets de la pollution harmonique



43

Les effets des harmoniques peuvent être réduit par :

Connexion sur des réseaux HTA (moyenne tension) ou HTB (haute

tension) moins sensibles à la pollution harmonique.

Utilisation d’un filtre passif (par circuit RLC placé en parallèle).

Utilisation d’un filtre actif (onduleur) permettant d’absorber la

composante polluante du courant fourni par le réseau.

Synthèse de convertisseurs avec des commandes particulières, de

façon à compenser les effets des harmoniques.

Compensation des harmoniques


Dr. Mourad ZEGRARI

2

Chapitre REDRESSEURS – HACHEURS

VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CC


45

Plan

Montages Redresseurs Non commandés à diodes.

Montages Redresseurs Commandés à thyristors.

Montages Hacheurs à 1 quadrant.

Montages Hacheurs à 2 et 4 quadrants.

Variateurs de vitesse des moteurs à courant continu.


46

Conversion d’une source CA en une source CC :

Facteur de forme :

Facteur d’ondulation :

Redresseur

•Interrupteurs

•Éléments LC

Source

alternative Charge

ica icc

vca vcc

Principe

Hacheurs réversibles

Variateurs de vitesse

Hacheurs 1 Quadrant

Redresseurs Commandés

Redresseurs Non commandés

)moy(v

)eff(vFF

cc

cc

1²FF

)moy(v

²)moy(v²)eff(vFO

cc

cccc


47

Grandeurs caractéristiques

Performances

FF = 1.11

FO = 48.2%

D1

R

iS

iCC

iD1

Tr

vCC vS

D3

D2 D4

ip

vp

D2 – D3 D1 – D4

iD1, iD4

ωt π 2π

vS

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt

iCC(moy)

Vm

Im

ωt

pcc = vcc icc

Pm pCC(moy)

iD2, iD3

D1 – D4

mcc

2Vv (moy)

cc mcc

v (moy) 2Vi (moy)

R R

mcc

Vv (eff)

2 m

cc

Ii (eff)

2

Pont monophasé : PD1



Hacheurs 1 Quadrant




48

mcc

2Vv (moy)

D1

R

iS

iCC

iD1

Tr

vCC vS

D3

D2 D4

ip

vp

L

Charge très

inductive D1 – D4

ωt

conduction

iCC

ωt

iCC(moy)

π

vCC

ωt

vCC(moy) Vm

2π

2π

D1 – D4 D2 – D3

π

Tension vcc doublement redressée.

Courant icc pratiquement constant.

cccc

v (moy)i (moy)

R

iD1

iS

ωt

Pont monophasé : PD1



Hacheurs 1 Quadrant




49

Tension moyenne dans la charge :

Ondulations du courant négligeables :

cc m

3 3v moy V

2

D1 ia

icc

A

vcc

D2 D3 vAN

vBN

vCN

B

C

ib

ic

N

Source

triphasée

équilibrée R

L

Charge très

inductive

Vm

D2 D1

ωt

vAN

π 2π

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt

iCC(moy)

ωt

D3

vBN vCN

ωt

ωt ia

ib

ic

tecc

cc CR

moyvmoyi

Pont Simple Triphasé : PS3



Hacheurs 1 Quadrant




50

Tension vcc composée des sections les

plus positives et les plus négatives :

vcc = vXN - vYN

D1

R

ia

icc

A

vcc

D2 D3 vAN

vBN

vCN

B

C

ib

ic

N

Source

triphasée

équilibrée

Vm

ωt

vAN

π 2π

ωt

vXN

ωt

vBN vCN

ωt ia cc m

3 3v moy V

D4 D6 D5

vYN

vCC(moy)

vCC = vXN - vYN

1.73 Vm

X

Y

cc

cc

v moyi moy

R

Pont Double Triphasé : PD3



Hacheurs 1 Quadrant




51

Principe

• L’élément redresseur est un thyristor amorcé à partir d’un circuit

d’allumage ;

• La tension obtenue est continue et réglable.

Structures

• Redressement simple ou double alternance ;

• Source monophasée ou triphasée ;

• Emploi d’un pont tout thyristors ou mixte.

Redresseurs commandés



Hacheurs 1 Quadrant




52

T1

R

iS

icc

Tr

vCC vS

T3

T2 T4

ip

vp

Charge

résistive

Circuit

d’allumage

G1 G2 G3 G4

T2–T3 T1–T4

ωt π 2π

vS

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt

iCC(moy)

Vm

T1–T4

cos1V

moyv mcc

R

moyvmoyi cc

cc

Angle de conduction : θcond = –

Valeurs moyennes :

Im

iT1

iS

ωt

ωt

Pont commandé PD1



Hacheurs 1 Quadrant




53

T2–T3 T1–T4

ωt π 2π

vS

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt iCC(moy)

Vm

Im

ωt

Pm pCC(moy)

T1–T4

mcc

2Vv moy cos

cc

cc 0

v moyi moy I

R

m 0cc

2V Ip moy cos

Les caractéristiques électriques sont :

Courbes de variation de vcc(moy) et P :

m2 V

vCC(moy)

pCC(moy)

P0 pcc 0 Redresseur

pcc 0 Onduleur

/2 /2

cc

p

s s

p moy 2 2F cos

v eff i eff

Pont commandé : marche en onduleur



Hacheurs 1 Quadrant




54

Vm

T2 T1

ωt

vAN

π 2π

vCC

ωt

vCC(moy)

iCC

ωt

iCC(moy)

ωt

T3 T1

vBN vCN

ωt

ωt ia

ib

ic

T1

R

ia

icc

A

vcc

T2 T3 vAN

vBN

vCN

B

C

ib

ic

N

Source

triphasée

équilibrée

Sections les plus positives :

Conduction continue : 0 30°

Conduction discontinue : 30°

cc m

3 3v moy V cos

2

mcc

3Vv moy 1 cos

2 6

Pont commandé PS3



Hacheurs 1 Quadrant




55

On converti une source CC fixe à une source CC variable.

Hacheur dévolteur : Vcc > Vch

Hacheur survolteur : Vcc < Vch

Source

continue

Charge

continue Hacheur Vcc Vch

icc ich

Tension continue variable Tension continue fixe

Montage Hacheur



Hacheurs 1 Quadrant




56

Un transistor de puissance

fonctionnant en commutation

T

Commande

Un thyristor de puissance avec un

circuit de blocage

T

Blocage

t

vcom Signal de

commande

Source

VCC vCh D

icc T

Hacheur Charge

L’interrupteur "T" peut être :

Réalisation des interrupteurs



Hacheurs 1 Quadrant




57

Temps de conduction : tON

Temps de blocage : tOFF

Période de hachage : Ts = tON + tOFF

Rapport cyclique : = tON / Ts

tON = α Ts

tOFF = (1 – α) Ts

Source Charge

VCC

icc

iD

iR

iC

vR vC

L

D R C

T iL

vF

Hacheur Filtre

tON tOFF

Ts = 1/fs

t

vCOM

Signal de

commande

Hacheur dévolteur (série)



Hacheurs 1 Quadrant




58

Phase de conduction

vF = Vcc

vL = Vcc - VR

iL = iT

iD = 0

Phase de récupération

vF = 0

vL = - VR

iL = iD

iT = 0

VCC

icc = iL

iD = 0

iR

iC

vR vC

L

D R C

T iL

vF = Vcc

vL

VCC

icc= 0

iD= iL

iR

iC

vR vC

L

D R C

T iL

vF= 0

vL

Phases de fonctionnement



Hacheurs 1 Quadrant



Hacheur non réversible en courant et en tension (1Q)


59

Courant iL ininterrompu

(L suffisamment grande).

Tension vR constante

(C suffisamment grande). 0 t

vF

vcc

tON tOFF

vF(moy)

0 t vL

(1-α)vcc

-αvcc

0 t

iL ΔI iL(moy)

0 t

iT

0 t

iD

ccFR Vmoyvv

F ccv moy V

Lv moy 0

0

VR

Vcc

1

Formes d’onde



Hacheurs 1 Quadrant




60

Ondulation du courant iL

Ondulation de la tension vR

cc

L min

1 Vi t t I

L

scc

ONRcc T

L

V1t

L

VVI

R

V

R

Vmoyi ccR

L

0 t

vF

vcc

tON tOFF

vF(moy)

0 t vL

(1-α)vcc

-αvcc

0 t

iL ΔI iL(moy)

0 t

vC ΔV VC(moy)

2cc

2ss

R cc

1 VT 1 TV 8 LC

V V 8 LC

Filtre de sortie



Hacheurs 1 Quadrant




61

Source Charge

VCC

icc iD iR

iC

vR vC

L D

R C T

iL

vL

Hacheur Filtre

iT

Tension de sortie :

Ondulation de courant :

Hacheur Survolteur (parallèle)



Hacheurs 1 Quadrant



ccccOFF

sR V

1

1V

t

Tv

0

VR/Vcc

1

1

2

3

4

5

0.5

scc

ONcc T

L

Vt

L

VI


62

Combinaison de 2 hacheurs (série et parallèle) avec un sens de rotation :

Hacheur série : Fonctionnement en moteur.

Hacheur parallèle : Fonctionnement en récupération.

Source

VCC

icc

L D1

R

T1

ia1 Hacheur dévolteur Moteur CC

E

Source

VCC

icc

L T2

R D2

ia2 Hacheur survolteur Moteur CC

E

Source

VCC

icc

L

R

Moteur CC

E

T2

T1

ia

Hacheur 2Q

D2

D1

Hacheur réversible en I (2Q)




Hacheurs 1 Quadrant



63

Combinaison de 2 hacheurs avec inversion du sens de rotation :

Hacheur série : Fonctionnement en moteur.

Hacheur parallèle : Fonctionnement en récupération.

Source

VCC

icc

L D3

R

T3

ia1 Hacheur dévolteur Moteur CC

E

Source

VCC

icc

L T2

R D2

ia2 Hacheur survolteur Moteur CC

E

Source

VCC

icc

L

R

Moteur CC

E

ia

T2

T3

Hacheur 2Q

D2

D3

Hacheur réversible en V (2Q)




Hacheurs 1 Quadrant



64

Combinaison de deux hacheurs à 2 quadrants (dévolteur-survolteur) :

Hacheur à 4 Quadrants réversible en courant et en tension.

Source

VCC

is

L R

Moteur CC E

ia

T2

T1

Hacheur 2Q

D1

D2 D4

T3

Hacheur 2Q

D3

T4 va

Hacheur réversible en V et en I (4Q)




Hacheurs 1 Quadrant



65

Tension moyenne :

Forme bipolaire de la tension.

0 t va

vcc

- vcc

0 t

ia ΔI ia(moy)

0 t is

a ccv moy 2 1 V

0

+Vcc

1

-Vcc

0.5

va

Hacheur 4Q : caractéristiques




Hacheurs 1 Quadrant



66

Équations simplifiés :

Expression de la vitesse :

Caractéristique mécanique :

Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem().

Paramètres de variation de la vitesse :

Résistance d’induit : Ra

Flux inducteur :

Tension d’alimentation : Va

a a a a a

em v em2

V R I V RT mT

K K K

av

V

K

a

2

Rm

K

v emmT

Variation de vitesse des moteurs cc



Hacheurs 1 Quadrant




67

Procédure :

Placer une résistance Rv en série avec l’induit.

Mode de variation :

Vitesse à vide v inchangée.

Modification de la pente m de la

caractéristique mécanique. 1

Tr

Tem

v

a v

2

R Rm

K

av

V

K

Ra1 Ra2 Ra3

3 2

Entraînement à couple résistant constant

Action sur la résistance d’induit



Hacheurs 1 Quadrant




68

Procédure :

Varier le courant inducteur Ie d’excitation.

Mode de variation :

Modification de la vitesse à vide v.

Modification de la pente m de la

caractéristique mécanique.

Tr

Tem

a

2

Rm

K

av

V

K

1 2 3

v1 v2


v3

Action sur le flux inducteur



Hacheurs 1 Quadrant




69

Procédure :

Varier la tension Va d’alimentation de l’induit.

Mode de variation :

Vitesse à vide v déplacée.

Pente m de la caractéristique mécanique

reste inchangée.

Tr

Tem

v1

a

2

Rm

K

av

V

K

Va1 Va2 Va3

v3 v2


Action sur la tension d’alimentation



Hacheurs 1 Quadrant




70

Équation de la vitesse :

Courbes paramétrées en tension. Courbes paramétrées en couple.

a a

em v em2

V RT mT

K K

Tem

v1

Va1

Va2

Va3

v3

v2

Va

Tm1 Tm2 Tm3

Action sur la tension d’alimentation



Hacheurs 1 Quadrant




71

Plusieurs critères sont à prendre en considération :

Nature de la source d’énergie (continue ou alternative)

Inversion du sens de rotation

Charge entraînante ou non

Mode de freinage (naturel ou forcé)

Gamme de puissance du moteur

Mode de commande du moteur

(en couple ou en vitesse)

Structure des variateurs MCC

Tem (Ia)

(Va)

Q1

Moteur

Q4

Génératrice

Q3

Moteur

Q2

Génératrice

© M. ZEGRARI


72

Redresseur

À Diodes Hacheur

Réseau

Alternatif Redresseur Commandé

À Thyristors

Convertisseur Direct

MCC

Variateurs de vitesse pour MCC

Réseau

Alternatif

Convertisseur Indirect

Hacheur


Réseau

Continu

MCC

MCC



Hacheurs 1 Quadrant




73

Hacheur 4 quadrants

Pont en H réversible en

courant et en tension. VCC

icc

ia

T2

T1 D1

D2 D4

T3 D3

T4 va

MCC

M

A

C

B

A

B

C LS

LS L

L

Double pont redresseur SCR

Redresseurs à thyristors

réversibles montés en inverse.

Modes de variation de la tension



Hacheurs 1 Quadrant




74

P < 5 kW

Double pont PD2 complet Pont PD2 mixte

Tem

Q1

Tem

Q1

Q4

Q2

Q3

Source Schneider Électrique gamme Rectivar

Alimentation par réseau monophasé



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


75

P > 5 kW

Double pont PD3 complet Pont PD3 mixte

Tem

Q1

Tem

Q1

Q4

Q2

Q3

Source Schneider Électrique gamme Rectivar

Alimentation par réseau triphasé



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


76

Réseau M

=

DRL

Th2 Th1

D1 D2

Schéma de principe :

Les interrupteurs statiques sont unidirectionnels en courant (non

réversible en couple).

Un seul sens de rotation.

1 quadrant de fonctionnement (Q1).

Aucune contrainte de freinage.

Montage avec pont mixte



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


77

Pour inverser le sens de rotation, il faut croiser les connexions

sur le moteur (inversion de polarité) à l’aide d’un contacteur :

Réseau M

= DRL

Th2 Th1

D1 D2

2 quadrants de fonctionnement (Q1 et Q3).

Les conclusions précédentes restent identiques.

Industriellement, on utilise un pont mixte avec des blocs intégrés.

Montage avec pont mixte



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


78

Réseau M

=

Th2 Th1

Th3 Th4

Nous utilisons le schéma suivant :

Les interrupteurs sont unidirectionnels en courant.

Nous obtenons 2 sens de rotation.

Fonctionnement sur 2 quadrants (Q1 et Q2).

Freinage statique (Q°2).

Montage avec pont complet



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


79

Première solution : croiser les connexions par contacteur

Solution peu retenue industriellement pas de freinage dynamique.

Les interrupteurs sont unidirectionnels en courant

2 sens de rotation.

4 quadrants de fonctionnement.

Freinage statique (quadrants Q2 et Q4).

Inversion du sens de marche

Réseau M

=

Th2 Th1

Th3 Th4



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


80

Deuxième solution : ajouter un deuxième pont en tête-bêche.

Les interrupteurs composés sont bidirectionnels en courant

2 sens de rotation.

4 quadrants de fonctionnement.

Freinage statique et dynamique (quadrant Q2 et Q4).

Solution rentable en cas de récupération de l’énergie.

Inversion du sens de marche



Hacheurs 1 Quadrant



Réseau M

=

Th2 Th1

Th3 Th4

Réseau

T’h2 T’h1

T’h3 T’h4

© M. ZEGRARI


81

Alimentation par source continue



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI

Redresseur

À Diodes Hacheur

MCC

Réseau

Alternatif

Convertisseur Indirect

Hacheur


Réseau

Continu

MCC

Le réseau continu provient :

- soit de batteries

- soit d’un redresseur à diode


82

Type de hacheur : Série

Pas de freinage : Q1 Hacheur non réversible en courant.

Avec freinage : Q1 - Q2 Hacheur réversible en courant (condition à

satisfaire par les interrupteurs et par la source).

Fonctionnement à 1 sens de rotation

Tem

Q2 Q1



Hacheurs 1 Quadrant



Moteur Génératrice

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83

Type de hacheur : Pont

Réversibilité en tension (vitesse) et en courant (couple).

Freinage assuré dans les deux sens de rotation.

Les interrupteurs statiques doivent être bidirectionnels en courant.

Fonctionnement à 2 sens de rotation

Tem

Q2 Q1



Hacheurs 1 Quadrant




Q4 Q3


© M. ZEGRARI


84

Afin de freiner le mouvement du moteur, il faut pour dissiper l’énergie

cinétique (inertie) emmagasinée par le rotor et la charge.

Plusieurs solutions sont possibles :

Freinage mécanique (non abordé dans ce chapitre)

Utilisation d’un module de freinage (résistance électrique) pour faire

débiter la machine cc.

Renvoi de l’énergie dans la source d’alimentation.

Freinage des moteurs cc



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


85

Réseau M

= DRL

Th2 Th1

D1 D2

Module de

freinage

Aucune possibilité de freinage par le variateur.

Ajouter un module de freinage.

Commande par pont mixte



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


86

Fonctionnement aux quadrants Q1 et Q2 : Freinage par inversion

de la tension (renvoi de l’énergie sur le réseau).

Réseau M

=

Th2 Th1

Th3 Th4

Module de

freinage

Par contre, la réversibilité en courant n’est pas possible.

Solution : Rajouter un module de freinage : quadrants Q2 et Q4.

Commande par pont complet



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


87

Commande

Va M DRL

Ia

Vcc

T

Freinage possible sans modification de la structure si l’interrupteur

statique et la source sont réversibles en courant.

Dans le cas d’une impossibilité de la réversibilité de la source on

rajoute un module de freinage

Il faut alors surveiller la tension aux bornes de la source afin qu’elle

ne devienne pas trop importante (tenue des composants en tension).

Commande par Hacheur série



Hacheurs 1 Quadrant



© M. ZEGRARI


88

Commande par Hacheur en pont



Hacheurs 1 Quadrant



Freinage possible sans modification de la structure à condition que :

• les interrupteurs statiques soient réversibles en courant.

• La source d’alimentation soit réversible en courant.

En cas de non réversibilité de la source (cas fréquent en industrie), le

freinage peut être réalisé par un module de freinage placé aux

bornes de la source.

© M. ZEGRARI

Dr. Mourad ZEGRARI

3

Chapitre GRADATEURS – ONDULEURS

VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CA


90

Plan

Montages Gradateurs à contrôle de phase.

Montages Gradateurs à ondes entières.

Montages Onduleurs monophasés.

Montages Onduleurs triphasés.

Variateurs de vitesse des moteurs à courant alternatif.


91

Conversion d’une source CA en une source CC réglable en puissance :

Réglage par contrôle de phase : Découpage de l’onde de la source.

Réglage par train d’ondes entières.

Gradateur Source

alternative Charge

ica ica

vca vca

Principe

Onduleurs Triphasés

Variateurs de vitesse MAS

Onduleurs Monophasés

Gradateurs Ondes

Gradateurs Contrôle Phase


92

Le contrôle de la valeur efficace de la sortie s’effectue par modification

de l’angle de retard à l’amorçage de 2 thyristors en tête-bêche.

Tension efficace :

Gradateur

VAN

Charge

vch

t

N

VCh

Gradateur monophasé

2

2/2sinVeffv mch




Gradateurs Ondes


Pour un récepteur inductif :


93

Les dispositifs utilisés sont à base de triacs ou de thyristors :

Gradateur triphasé

A

B

C

La difficulté de réglage apparaît quand le déphasage varie avec

l'état de la charge, ce qui est le cas pour un moteur asynchrone.

Gradateur triphasé

Charge




Gradateurs Ondes



94

Fonctionnement

Variation de la valeur efficace de la

tension Vs par réglage de l’angle de

retard à l’amorçage des thyristors.

Intégration des fonctions de

protections et de contrôle avancées

(exemple : Démarreur SMC-3).

Gradateur

Q

RT

L1 L2 L3

KML

W

MAS

U V

Application : Démarreur pour MAS




Gradateurs Ondes



95

La tension fournie par un montage gradateur présente des

harmoniques de valeur importante :

1

0.5

90 180 0

V1 / Vs

u = 90°

0.4

0.3

0.2

0.1

90 180 0

V3 / V1

30° u = 90°

60°

0°

u = 0°

Fondamentale Harmonique 3

Problème des harmoniques




Gradateurs Ondes



96

La présence des harmoniques entraine des pertes en puissance.

75

50

25

0.50 1 0.25 0.75

Onde pleine

= 30°

= 90°

= 120°

P1 / Pn

Rendement %




Gradateurs Ondes


Altération du rendement


97

À l’aide d’un interrupteur à commandé périodique, on laisse

passer un certain nombre de sinusoïdes complètes.




Gradateurs Ondes

Gradateur à train d’ondes


Interrupteur

Vs Charge

vch

t VCh

Période de la source : Ts = 1/fs

Période de commande de l’interrupteur : Tg = NTs

Durée de conduction de l’interrupteur : Tc = nTs

Tg = N Ts

Tc = n Ts


98

Rapport de commande : a =n

N

Valeur efficace : Vch eff = a × Vs

Puissance de sortie : Pch = a × Ps

Applications :

• Chauffage industriel.

• Mélangeur (homogénéisation).




Gradateurs Ondes

Valeurs caractéristiques



99

Conversion d’une source CC en une source CA réglable en fréquence :

Champs d’application :

Continuité de service (Alimentations Sans Interruptions).

Productions de tensions sinusoïdales.

Variation de la vitesse des moteurs à courant alternatif.

Onduleur Source

continue Charge

icc ica

vcc vca

Structure de l’onduleur




Gradateurs Ondes



100

Les onduleurs se classent en deux groupes :

Onduleurs à fréquence fixe : alimentations de secours en urgences

(centres hospitaliers, systèmes informatiques, centrales

téléphoniques, etc.). Ces dispositifs sont alimentés par une batterie

d’accumulateurs.

Onduleurs à fréquence variable : systèmes alimentés en courant

continu à partir du réseau alternatif par l’intermédiaire d’un

redresseur. (variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones).

Types d’onduleurs




Gradateurs Ondes



101

Le circuit de puissance identique à celui d’un hacheurs 4Q :

4 interrupteurs électroniques.

4 diodes de récupération.

Source

VCC

icc

L R

Charge CA

ica

T2

T1

Hacheur 2Q

D1

D2 D4

T3

Hacheur 2Q

D3

T4

vca

Onduleur en pont




Gradateurs Ondes



102

Séquences de fonctionnement

Les commandes sont symétriques :

0 t Ts/2 : amorçage de T1-T4.

Ts/2 t Ts : amorçage de T2-T3.

Onde sortie

La tension de sortie vac est alternative,

rectangulaire en créneaux.

Le taux d’harmoniques est élevé.

0 t

T1 T1 : ON

Ts/2 Ts

T1 : ON

État passant

État bloqué

0 t

T2 T2 : ON

Ts/2 Ts

0 t

T3 T3 : ON

Ts/2 Ts

0 t

T4 T4 : ON

Ts/2 Ts

T4 : ON

0 t vca

+Vcc

-Vcc

Commande symétrique




Gradateurs Ondes



103

Tension vac en forme de créneaux symétriques

de moyenne nulle, riche en harmoniques.

Courant iac continu pour débit sur charge

inductive. La forme devient linéaire si

l’inductance est élevée.

0 t Vac – iac

0 t

vca

Composante

Fondamentale

+Vcc

-Vcc

T1-T4 : ON T1-T3 : ON

ica

vca

Ts/2 Ts

ac ccv eff V

ccac

4V 1 1 1v t sin sin3 sin5 sink

3 5 k

k : impair




Gradateurs Ondes


Formes d’onde


104

Séquences de fonctionnement :

Les commandes sont décalées :

0 t Ts/2 : amorçage de T1.

Ts/2 t Ts : amorçage de T3.

t0 t t0+Ts/2 : amorçage de T4.

t0+Ts/2 t t0+Ts : amorçage des T2.

Tension e de sortie

0 t

T1 T1 : ON

Ts/2 Ts

T1 : ON

État passant

État bloqué

0 t

T2 T2 : ON

Ts/2 Ts

0 t

T3 T3 : ON

Ts/2 Ts

0 t

T4 T4 : ON

Ts/2 Ts

T4 : ON

0 t vca

+Vcc

-Vcc

0ac cc

s

2tv eff V 1

T

Commande décalée




Gradateurs Ondes



105

Analyse graphique :

Les commandes sont décalées :

Tension de sortie en forme de créneaux

séparés par des intervalles où elle est nulle.

Zones mortes de largeur t0 ajustable,

permettant le réglage de la valeur efficace de

la tension de sortie.

Tension efficace de sortie :

0 t

Composante

Fondamentale

ica

vca

0ac cc

s

2tv eff V 1

T

0 t

vca

+Vcc

-Vcc

T1 : ON

T1-T3 : ON

Ts/2 Ts t0

T3 : ON

T4 : ON T2 : ON

Formes d’onde




Gradateurs Ondes



106

Dans la technique de Modulation de la Largeur d’Impulsion (MLI ou

PWM), 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.

ia

t

va

t

Onde de sortie

moyenne

Modulation de la Largeur d’Impulsion MLI




Gradateurs Ondes



107

Séquence d’amorçage en Modulation de Largeur d’Impulsions.

t

ia

t

va

Fondamentale

Formes d’onde de la commande MLI




Gradateurs Ondes



108

Circuit produisant un système triphasé équilibré de courant :

Trois transistors sont en conduction à chaque instant.

Deux transistors d’un même bras (T1-T4) sont amorcés à 180° de décalage.

Source

continue

VCC

icc

A ia

T1 D1 T2 D2 T3 D3

T4 D4 T5 D5 T6 D6

Charge

triphasée

B

C

ib

ic

Structure de l’onduleur triphasé



Gradateurs Ondes




109

On distingue les trois commandes suivantes :

Commande 180°

Chaque transistor est commandé pendant 180°. Les commandes de deux transistors

d’un même bras sont décalées de 120° par rapport aux transistors du bras voisin.

Commande 120°

Elle est identique à celle d’un pont triphasé à thyristors. Chaque transistor conduit

pendant le 120°, ce qui correspond à une zone vide de 60° entre la commande de

deux transistors d’un même bras.

Commande MLI

Afin d’atténuer certaines harmoniques de la tension, on module les largeurs des

impulsions. Cette technique permet d’éviter l’emploi d’un filtre encombrant et onéreux

en sortie de l’onduleur.

Commandes de l’onduleur triphasé



Gradateurs Ondes




110

Les formes d’onde de la tension et du courant sont :

t

va

t

ia

Fondamentale

Formes d’onde : Commande 180°



Gradateurs Ondes




111

Les formes d’onde de la tension et du courant sont :

t

ua

b

t

ia

Fondamentale

Formes d’onde : Commande MLI



Gradateurs Ondes




112

Équations simplifiés :

Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem().

Paramètres de variation de la vitesse :

Nombre de paires de pôles : p

Tension d'alimentation : Vs

Résistance rotorique : Rr

Fréquence d'alimentation : fs

s

s

s

s VE

T

2

T

2

s

s

maxeL2

p3

X2

Vp3T

T

rmax

X

'Rg ; ;

Modes de variation de vitesse


Gradateurs Ondes





113

Moteur 2 vitesses

DAHLANDER

Moteur DAHLANDER

Ce moteur est réalisé avec une conception particulière de l'enroulement statorique. Cette

conception permet, grâce à des connexions extérieures, de varier le nombre de paires de

pôles (p) de la machine, et par conséquent la vitesse de rotation.

On se limite en général à deux vitesses :

PV : Petite Vitesse.

GV : Grande Vitesse.

Action sur les de pôles


Gradateurs Ondes





114

Solution réalisée par un autotransformateur ou un gradateur de tension.

Le couple maximal Temax est atténué Faible couple de démarrage.

Charges Tr = k.n avec service continu : Pompes, Centrifugeuses, Ventilateurs.

L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement : = (1 – g)

Le glissement gmax se conserve puisqu'il est indépendant de la tension Vs.

Tem

s

Tem

Tr = k ²

V2 = 85 %

V1 = 100 %

V3 = 65 %

s

V1

V2

V3

V4

Tr = k

min max min max

MAS à

cage.

MAS à

bagues.

s

sV

T

2

maxeL2

p3T

T

rmax

X

'Rg

Action sur la tension du stator


Gradateurs Ondes





115

Solution applicable uniquement aux moteurs à rotor bobiné.

Le couple maximal Tem(max) reste constant Td important tout en diminuant Id.

Charges à couple constant Tr = k : Engins de levage, Treuil.

L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement.

Le glissement gc augmente avec R’r. Le rendement est diminué.

Tem

Tmax

s

Tr

Rr1 Rr0 Rr2

s

sV

T

2

maxeL2

p3T

T

rmax

X

'Rg ; ;


Gradateurs Ondes




Action sur le rotor


116

L’énergie prélevée du rotor est renvoyée vers le réseau par un redresseur-onduleur.

Le glissement s’écrit :

Niveaux de rendements élevés pouvant dépasser les 90%.

Possibilité d’obtenir un freinage par récupération.

Transformateur

(m) MAS

Redresseur Onduleur Filtre

MAS triphasé

à rotor bobiné

Réseau

d'alimentation

Vdc V'dc

Vs

Vr

cos

n/n

mg

sr

Commande

des thyristors


Gradateurs Ondes




Cascade hypo-synchrone


117

Tem

Tmax

s

fs

Tr

On varie la vitesse s du champ tournant par action sur la fréquence fs de la source Vs :

Le couple maximal Temax reste inchangé.

Le glissement reste pratiquement constant, le rendement est conservé.

s

sV

T

2

maxeL2

p3T

T

rmax

X

'Rg ; ;


Gradateurs Ondes




Action sur la fréquence


118

Objectif : Éviter la saturation du circuit magnétique et limiter le courant à vide Is0.

Procédure : Maintenir le flux constant en ajustant la fréquence fs avec la tension Vs :

Usage général : Bon rendement et bon couple même a basses vitesses.

ttancons:V

s

s

Redresseur Onduleur à transistors Filtre

A

B

C

MAS

Vs

t

Tension instantanée

Tension moyenne

t

Is

Courant moteur

Convertisseur indirect de fréquence :

Redresseur PD3 à diodes + Onduleur à transistors IGBT.

Tension et courant fournis par

l’onduleur à MLI.


Gradateurs Ondes




Commande V/f


119

Démarrage et arrêt : réglage de l'accélération et de

la décélération au moyen d’un profil de vitesse.

Variation et régulation de la vitesse : certains

variateurs sont munis d'un régulateur de vitesse

avec une boucle de retour.

Inversion du sens de rotation : cette fonction est

souvent réalisée par inversion de la consigne à

l’entrée du variateur.

Freinage : réalisé par injection du courant continu

dans le moteur avec un fonctionnement réversible de

l’étage de puissance.

Protections intégrées : contre les courts-circuits, les

surtensions et les chutes de tension, les

déséquilibres et la marche en monophasé. Variateur de vitesse pour MAS

(type ATV58H – Télémécanique)

Démarrage Arrêt

td ta

t


Gradateurs Ondes




Variateur de vitesse industriel


120

C’est une classification des moteurs asynchrones

à cage afin d’adapter leurs caractéristiques

nominales aux charges mécaniques usuelles.

Pour un moteur asynchrone, le rapport (Td/Tn) est

proportionnel à Rr alors que le rapport (Id/In) lui est

inversement proportionnel.

Couple de démarrage :

Glissement maximal correspondant :

22 s

d r sd r 2 2s s r T

V3p 3pT R' I R'

R' X

T

rmax

X

'Rg Caractéristiques normalisées des classes

NEMA des moteurs asynchrones.


Gradateurs Ondes




Classification NEMA

Engineering

Electronique de puissance