réglage de la vitesse de rotation

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Réglage de la vitesse de rot ationdes m oteurs asynchrones triphasés

2 3 / 0 2 / 2 0 0 2 Patrick ABATI

IntroductionRappels sur la machine asynchroneCouplages d'enroulements

Moteur à enroulements séparésConvertisseur à onde de courantConvertisseur à onde de tensionModulation de largeur d'impulsionContrôle vectoriel de fluxCycloconvertisseurConvertisseur de fréquence électromécaniqueGradateurRhéostat de glissement rotoriqueCascade hyposynchroneHacheur de freinage

I ntroduction

La pulsation du rotor d'un moteur asynchrone est :

avecg : glissementp : nombre de paires de pôles

: pulsation du rotor (en rd/s)s : pulsation de synchronisme(en rd/s)

f : fréquence de la tension (Hz): pulsation de la tension (rd/s)

Le réglage de la vitesse de rotation du moteur peut donc être obtenu par :

Action sur le nombre de p aires de pôles

machines à bobinage primaire unique (couplage d'enroulements du type Dahlander)machines à plusieurs bobinages primaires (machines à enroulement s séparés)

Action sur la fréquence de la ten sion d'aliment at ion stat orique

convertisseurs de fréquence électromécaniques (gros alternateur pilotant plusieursmoteurs asynchrones tournant à la même vitesse)convertisseurs statiques (onduleurs de courant, de tension, M.L.I, contrôle vectorielde flux, cycloconvertisseurs)

Action sur le g lissem ent

action sur la tension d'alimentation statorique (autotransformateur, gradateur)rhéostat de glissement au rotorcascade de récupération (cascade hyposynchrone)

Rappels sur la m achine asynchrone

Schém a équivalent simplifié

Réglage de la vitesse de rotation http://stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/abati/reglvit.ht

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Bilan des puissances

avec :

Pu, Cu : puissance utile, couple utilePem, Cem : puissance électromagnétique, couple électromagnétique

Pjr : pertes joules rotoriques

Ce résultat indique que le moteur asynchrone transmet intégralement le coupleélectromagnétique sur son arbre

La pulsation des courants rotoriques est :

Cem est maximal lorsque sa dérivée par rapport à g s'annule, c'est à dire (après calcul)pour :

Ce résultat montre qu'il est possible d'obtenir le couple maxima l, pour différentes vitessesde rotation, à condition que le rapport tension d'alimentation / fréquence de la tension soitconstant ( U / f constant).


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Action sur le nombr e de paires de pôles

Couplage d'enroulements ( moteur de t ype Dahlander)Principe : ce type de moteur possède 2 bobinages distincts par phase, qui peuvent êtrecouplés en série (4 pôles) ou en parallèle (2 pôles).

La vitesse de synchronisme varie donc dans le rapport 2 et la grande vitesse correspondau couplage parallèle

On admet que :

avec

Couplage série - étoile ( pet ite vitesse) / parallèle - étoile ( grande vit esse)

Ce type de couplage convient bien à une charge dont le couple est constant (treuil)

Couplage série - triangle ( petite vitesse) / parallèle - étoile ( grande vitesse)


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Ce type de couplage convient lorsque la machine entraînée travaille à puissance

constante

Remarque : les connexions externes de la plaque à borne sont les mêmes pour les deuxtypes de couplage précédents

Moteur à enrouleme nts séparésC'est l'assemblage de deux moteurs ayant des vitesses et des couples différentsL'encombrement est plus important, mais le rapport des vitesses peut être différent de 2

Action sur la fr éque nce d e la te nsion stat oriqueLe convertisseur statique de type " onduleur " permet un fonctionnement du moteur avec uncouple maximal, par action simultanée sur la fréquence et sur l'amplitude de la tensionstatorique, avec conservation du rapport U/f

Convert isseur à onde d e courant


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Le convertisseur R fait varier la valeur moyenne de la tension Ur. Le convertisseur O changela fréquence de la tension statorique. Les condensateurs assurent le blocage forcé desthyristors. Les diodes évitent la décharge des condensateurs dans les phases du moteur.Une petite inductance (non représentée) en série avec chaque thyristor limite les di/dt. Lecourant circulant dans l'inductance L est fortement lissé.L'inversion de la séquence de commande des thyristors permet l'inversion du sens derotation du moteur. Le freinage par récupération a lieu lorsque la fréquence de rotation dumoteur est supérieure à la fréquence de synchronisme : O fonctionne alors en redresseur etR en onduleur assisté.

Convert isseur à onde d e t ension


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Le filtre L-C, associé au pont redresseur à diodes constitue une source de tension.L'onduleur à transistors génère une succession d'impulsions de tension, de largeurs

variables (M.L.I). Le moteur, inductif par nature, lisse le courant. Ce dernier estpratiquement sinusoïdal.

Le freinage peut se faire :

par adjonction d'un hacheur de freinage (résistance) sur la source de tension

par remplacement du redresseur à diodes par 2 ponts à thyristors montés tête - bêche(freinage par récupération d'énergie)

Principe de la M.L.I . ( Modulation de Largeur d'I mpu lsion)

ou P.W.M. (Pulse Width Modulation)


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Une onde modulatrice sinusoïdale u, de fréquence f u est comparée à une onde triangulaire vde fréquence f v. La sortie du comparateur permet, par l'intermédiaire de transistors depuissance, le pilotage d'une phase de la machine. Les autres phases sont pilotées par desensembles identiques, déphasés de 120°.

Pour éliminer les harmoniques de rang pair et les harmoniques de rang 3, le rapport demodulation m=f v /f u est impair, multiple de 3 et de l'ordre de la centaine (dans l'exempleci-dessous m=9).

Le courant, filtré par l'inductance de l'enroulement est quasi - sinusoïdal.

Allure des courant et tension (onduleur monophasé) pour des rapports de modulationdifférents:


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Plus sur la MLI ...Télécharger le fichier onduleur mli triphasé

(simulation d'une MLI triphasée sous PSIM 6.0 de POWERSIM)

Pilotage par contrôle vectoriel de fluxSur une machine asynchrone à cage, la complexité de ce type de commande vient du faitqu'on ne dispose que des bornes des enroulements statoriques, pour maîtriser au niveau durotor, le flux et le courant actif, ces deux grandeurs étant fortement couplées. De plus, ilfaut retrouver la quadrature entre I et j.

Un développement mathématique complexe montre que les courants statoriques triphaséspeuvent se décomposer en un système de courants biphasés Iq et Id :

le couple est fonction d'un courant statorique Iqle flux est fonction d'un courant statorique Id (en quadrature avec Iq)

Des signaux M.L.I. générés à partir de calculs très rapides effectués par un microcontrôleur,sont envoyés à des transistors de sortie, à partir des informations de position et de vitessedu rotor, délivrées par un codeur ou un resolver.

Ce type de pilotage permet un excellent contrôle des paramètres couple et vitesse. Lecouple est très élevé (supérieur au couple nominal) même à vitesse nulle.

Analogie avec la m achine à courant continu


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L'expression générale du couple moteur est donnée par la relation :

CycloconvertisseurC'est un convertisseur de fréquence, dont la fréquence de sortie est faible devant celle duréseau d'alimentation (1/3 maximum). Le montage complet nécessite 36 thyristor pour unemachine triphasée.Etude simplifiée pour une phase du moteur :

Convertisseur de fréquence électromécaniqueCe procédé, robuste et fiable est néanmoins lourd, encombrant et onéreux. Il est utiliséprincipalement pour piloter un grand nombre de moteurs asynchrones à régulersimultanément (laminoirs).


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Le réglage de la vitesse du moteur à courant continu permet de fixer la fréquence de latension de sortie de l'alternateur. L'amplitude de cette tension est ajustée par le circuitd'excitation de l'alternateur.

Action sur le g lisseme nt

Gradateur

L' action se fait sur la tension statorique.

Du fait de sa faible plage de variation de vitesse sur moteur à cage standard, le gradateurstatorique est surtout utilisé comme procédé de démarrage sur des machines dont lecouple résistant est de type parabolique.

Rhéostat de glissem ent rotorique

Cette technique est utilisée sur moteur à rotor bobiné.

Le couple peut être maximal dans toute la plage de variation de vitesse, mais les pertesdans le rhéostat rotorique sont d'autant plus importantes que la vitesse du moteur estfaible.

Cascade hyposynchrone

Cette technique est utilisée sur moteur à rotor bobiné.


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Le transformateur est choisi avec un rapport de transformation permettant le glissementmaximal souhaité.La récupération de l'énergie rotorique assure un excellent rendement, voisin de celui dumoteur seul.Le facteur de puissance de la cascade est plus faible que celui du moteur seul et il y anécessité de le relever avec une batterie de condensateurs.La cascade ne peut démarrer seule : il est nécessaire de prévoir un dispositif annexe dedémarrage par résistances rotoriques.

AnnexeHacheur de freinage pour v ariateur de vit esse non réver sible en courant

L'ensemble Dr1 à Dr6 constitue un redresseur triphasé à diodes, non réversible en courant.


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L'énergie ne peut donc transiter de la machine asynchrone vers le réseau.L'ensemble T1-D1 à T6-D6 constitue l'onduleur triphasé à modulation de largeur d'impulsion(MLI) qui impose la fréquence du champ tournant et l'amplitude du courant dans lamachine.L'ensemble Th-Rf constitue le hacheur de freinage.Lors de la phase de freinage, la machine asynchrone fonctionne en génératrice. Son rotordoit tourner à une vitesse supérieure à celle du champ tournant créé par l'onduleur(hypersynchronisme). L'onduleur fonctionne en redresseur et l'énergie est récupérée par le

condensateur de filtrage C. Ceci se traduit par une élévation de la tension aux bornes ducondensateur. Lorsque la tension atteint un seuil défini, la résistance de freinage Rf estmise en service pour décharger le condensateur. La commande de Th est réalisée avec unrapport cyclique variable entre 0 et 1, la dissipation maximale se faisant pour la conductioncontinue de Th (freinage maximal). En outre le condensateur fournit la puissance réactivenécessaire à la magnétisation de la machine.La courbe ci-dessous donne l'allure de la tension aux bornes du condensateur C et l'alluredu courant dans la résistance Rf, lors d'une phase de freinage.

On donne f = 5kHz, T = 200µs, t1 = 50µs, t2 = 150µs, dUc= 100v, C = 10µFL'énergie délivrée au condensateur pendant la période t1 est : W = (C . dUc²) / 2 = 0,05JCette énergie est dissipée dans Rf pendant la période t2Ceci correspond à une puissance de Pf = W/T = 250W

Exem ple de dét erm ination de la valeur de RF

Couple entraînant : Ct = F . D/2 = M . g . D/2 = 250 . 9,81 . 0,225/2 = 276 N.mVitesse en sortie du réducteur : wt = v/(D/2) = 0,2 / 0,1125 = 1,78 rd/s

Vitesse en sortie du moteur : wm = wt / k = 1,78 * 78,6 = 140 rd/sPuissance disponible sur le treuil : Pt = Ct . wt = 276 . 1,78 = 491 WPuissance utile sur l'arbre du moteur : Pm = Pt /h = 491 / 0,8 = 614 W

Couple utile du moteur : Cu = Pm / wm = 614 / 140 = 4,4 N.mSi on néglige les frottements, le couple de freinage est Cf = Cu = 4,4 N.mCouple nominal du moteur :Cn = Pu / (2*pi* n / 60 ) = 1500 / (2*pi* 1450 / 60 ) = 9,9 N.mL'écart entre le couple nominal et le couple utile autorise des accélérations importantes

Le courant de freinage du moteur est :If = 0,6 ( In * Cf / Cn) = 0,6 * 3,5 * 4,4 / 9,9 = 0,93 ALe courant côté continu est : Ic = If / 0,82 = 0,93 / 0,82 = 1,13 ALe facteur 0,82 = If / Ic est le rapport du courant statorique If et du courant redressé Iccirculant dans la résistance de freinage (montage PD3).


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La tension de mise en service de la résistance de freinage est de Uc = 750 VRf = Uc / Ic = 750 / 1,13 = 664W, soit 560W en valeur normalisée.Le freinage s'effectue pendant toute la descente: il s'agit donc d'une puissance permanenteà dissiper dans Rf.Pr = Uc² / Rf = 750² / 560 = 1 kW

Voir aussi : Machine asynchrone triphaséeDémarrage et freinage des moteurs asynchrones triphasés


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