La variation de vitesse des moteurs asynchrones

1. La variation de vitesse des moteurs asynchrones Elaboré par M. Rahal RHAROUSS Lycée technique Mahdi Ben Barka - OUJDA

2. sommaire • Généralités • Action sur le glissement • Couplage des pôles • Contrôle U/f (commande scalaire) • Contrôle vectoriel de flux • Structure interne d ’un variateur MLI

3. glissement fréquence Vitesse de rotation Vitesse du champ tournant Paire de pôles La variation de vitesse des moteurs asynchrones n en trs/s

4. Cr Action sur le glissement En modifiant la résistance rotorique, on agit sur le glissement tout en conservant un couple maximal constant. Cela implique d ’avoir une machine à rotor bobiné

5. C P(Wn, Cn) P ’(Ws, 0) P Cr P ’ W Puissance absorbée = Puissance utile + pertes Cn x Ws Cn x Wn Action sur le glissement Grande vitesse

6. C P Cr P ’ W Augmentation despertes Action sur le glissement Petite vitesse Inconvénient : - rendement très faible - échauffement du moteur

7. Action sur le glissement Utilisable pour le démarrage des moteurs asynchrones car les pertes importantes ne sont que transitoires. Voir chapitre démarreur MAS On utilise d’autres méthodes : - par action sur le nombre de paires de pôles p. (moteur part winding ou Dalhander) - par action sur la fréquence f. (variateur électronique)

8. Couplage de pôles

9. 2 technologies sont utilisées suivant le rapport - rapport quelconque : stator à enroulements séparés - rapport = 2 : stator composé de 6 demi-bobines Action sur les pôles p est un nombre entier. Les différentes vitesses seront des multiples. Dans la pratique on limite la variation à deux vitesses (PV et GV) On parle de variation par couplage de pôles

10. Schéma fonctionnel d'un démarreur deux vitesses 1000 / 3000 trs/mn. Action sur les pôles

11. caractéristiques du couple et du courant en fonction de la vitesse Action sur les pôles

12. Rapport GV/PV quelconque Action sur les pôles En grande vitesse les enroulements PV supportent des contraintes mécaniques et électriques importantes qui sont prises en compte dans la conception du moteur.

13. H i i H Action sur les pôles Moteur Dalhander: le stator est constitué de 6 demi enroulements Suivant le sens du courant dans les demi enroulements on aura un champ orienté vers l ’intérieur ou l ’extérieur des enroulements

14. i S S N N N N S S Action sur les pôles On a un couplage série On obtient 4 pôles

15. i N S N S Action sur les pôles On a un couplage parallèle On obtient 2 pôles

16. On a 4 pôles PV On a le couplage triangle série L1 L3 L1 L2 On a le couplage étoile parallèle L2 L3 On a 2 pôles GV Action sur les pôles

17. L1 L2 L3 L3 L2 L1 Action sur les pôles Câblage de la plaque à bornes PV triangle série GV étoile parallèle

18. P  Cr P ’ 1500 Action sur les pôles La protection de moteur à couplage Dalhander Les courants absorbés en PV et GV sont très différents. Il est nécessaire de prévoir une protection thermique séparées pour chaque fonctionnement .

19. La commande du MAS à vitesse variable On distingue 2 techniques Contrôle U/f ou E/f Contrôle scalaire Contrôle vectoriel de tension Vector Voltage Control Vector Pause Modulation Contrôle en tension Contrôle vectoriel de flux avec ou sans capteur Field Oriented Control Moteur asynchrone auto piloté Flux Vector Control Contrôle en courant Tous les contrôles sont MLI (ou PWM sinus) et agissent sur f et U

20. Contrôle U/fouContrôle scalaire

21. f3<f2 f2<f1 f1 Cr ns1 ns2 ns3 Action sur la fréquence Agir sur la fréquence, modifie la vitesse de synchronisme ainsi que le point de fonctionnement P3 P2 P1 Remarque: Les pertes sont constantes

22. (1) est représentatif du flux magnétisant Action sur la fréquence Pour une bonne maîtrise de l ’équipement, on cherche à conserver un couple moteur maximal constant. A l ’aide du modèle équivalent, on obtient l ’expression : p et Lr sont liés à la construction de la machine

23. f varie on veut Cmax Il faut que V1 varie pour que constant (Voir expression précédente) Action sur la fréquence On travaille à flux constant

24. Vrs Lr Rs V1 Rr/g E1 Lm Action sur la fréquence Limite du modèle utilisé Conséquence sur la caractéristique Cm = f(W) à basse vitesse

25. Caractéristiques constructeurs C/Cn 1,5 1 0,5 f(Hz) 0 fn 2fn Zone de survitesse à puissance constante Pas de couple aux très basses vitesses Action sur la fréquence Moteur auto ventilé couple utile permanent Moteur moto ventilé couple utile permanent Surcouple transitoire

26. Pour obtenir les caractéristiques précédentes la loi U/f a l ’allure suivante V Vn f(Hz) fn 2 fn V Vn Vd f(Hz) fn 2 fn Loi U/f Pour compenser les imperfections du modèle adopté ou l ’adapter à une charge particulière, les constructeurs proposent de modifier la loi U/f Au démarrage il y a renforcement du flux magnétique  augmentation du couple aux basses vitesses

27. C P ’2 P 2 +f P ’1 P1 Cr2 +f Cr1 N (ou f) Np1 Ns glissement Compensation du glissement La compensation permet de rattraper le glissement en fournissant un supplément de fréquence (valable pour un point de fonctionnement ou de petites variations)

28. Contrôle Vectorielde Flux

29. Ws q couple U d flux Ws s s D id Q W V iq Contrôle vectoriel de flux On peut montrer que le MAS triphasé peut être représenté par un système biphasé dans un repère tournant à la vitesse du champ statorique. Les grandeurs électriques deviennent des grandeurs continues. Transformation de Park

30. Vrs I1 I2 I0 Rs N1 I1, ws V1 R2/g E1 Lm MAS alimenté en tension et contrôlé en courant Contrôle vectoriel de flux V1 : tension d ’un enroulement I1 : courant dans un enroulement Rs : résistance statorique N1 : inductance de fuite (stator et rotor) Lm : inductance magnétisante R2 : résistance rotorique g : glissement

31. Mesurés par des capteurs Fournies par les constructeurs ou par identification au démarrage du moteur Contrôle vectoriel de flux Couple électromagnétique Pour imposer ou contrôler le couple il faut : - maîtriser I1 et wR - connaître R2 et Lm

32. réseau Référence flux Id’ ~ = Id Référence vitesse 2/3 Référence courant/couple Générateur MLI Iq’ = Iq Im ~ Id Iq s wR ws Ur, s, t 2/3 intégrateur Ir Id’ Iq It Im Iq’ Id wR mesurée ou calculée wG calculée M GI Contrôle vectoriel de flux Schéma fonctionnel (très simplifié)

33. réseau ~ = Consigne couple Logique de commutation Régulateur consigne couple = ~ Commande des I.S. Flux réel Couple réel Régulateur vitesse PID Modèle moteur adaptatif Consigne vitesse vitesse réelle Régulateur de consigne de flux M Optimisation flux Freinage contrôle du flux Affaiblissement survitesse Contrôle vectoriel de flux (sans capteur de vitesse ou position)

34. COMPARATIF DES TECHNIQUES

35. StructureInterned ’un VariateurMLI

36. réseau DT CAN Commande des voies U I CAN CAN afficheur clavier prise DB9 Structure interne d ’un variateur MLI Bornier entrées / sorties Traitement des informations Toutes les grandeurs rentrantes ou sortantes du P sont opto couplées

37. Structure interne d ’un variateur MLI • Les variateurs intègrent : • un microprocesseur • de la mémoire • un calculateur • ….. • Cela permet : • d ’adapter le variateur à l ’application (rampes, etc.…) • de réguler ou d ’asservir • de programmer différents cycles • de protéger l ’ensemble moteur - variateur

38. %In variateur Limite des composants de puissance Zone d ’autoprotection des semi - conducteurs Zone de déclenchement des semi - conducteurs 215 Limite de surcharge instantanée sans déclenchement 185 Limitation du courant Pr4 150 105 Courant permanent Pr5 0 60 t(s) 0,003 10 30 x 10-6 3 x 10-6 Protection contre les surintensités pour un variateur CEGELEC Structure interne d ’un variateur MLI

39. 1 v u R v 2 t t t Principe de la MLI MLI : Modulation de Largeur d ’Impulsions PWM : Pulse Width Modulation La commande des interrupteurs 1 et 2 sont complémentaires f1 + f2 =1umoy = 0 f1 + f2 =1umoy > 0 f1 + f2 =1umoy < 0

40. Principe de la MLI Variateur analogique : ancienne génération Une tension sinusoïdale Vm dite tension modulatrice est comparée à une tension triangulaire Vp dite tension porteuse avec fp = m f m = entier >> 1 On a une maîtrise incomplète des harmoniques de tension

41. u E  2  0 1 2 3 Principe de la MLI Variateur numérique :ancienne génération Les instants de commutation des interrupteurs sont calculés pour réduire (ou supprimer) des harmoniques Pour 3 angles calculés, on peut supprimer les harmoniques de rangs 3 et 5 On agit sur la fréquence par contre il faut contrôler U

42. u E  2  0 1 2 3 Principe de la MLI Variateur numérique :ancienne génération On superpose une modulation à haute fréquence c ’est la surmodulation Hachage à fréquence fixe à rapport cyclique variable. Cela permet de moduler la valeur efficace du fondamental

43. Principe de la MLI Variateur numérique :ancienne génération Par les angles calculés on supprime les harmoniques de rangs faibles Par la surmodulation à rapport cyclique variable on règle l ’amplitude de U La surmodulation fait apparaître des harmoniques de même rang de la fréquence de hachage

44. Principe de la MLI Variateur numérique :génération actuelle La MLI Vectorielle. L ’intérêt de ce type de modulation est d ’être facile à implanter dans un microprocesseur et d ’avoir une fréquence élevée de modulation

45. E/2 E/2 E/2 V 0 U W V V 0 U W 0 U W E/2 E/2 E/2 E/2 E/2 c a b V 0 U W V 0 U W E/2 E/2 E/2 V 0 U W E/2 E/2 E/2 d V V 0 U W 0 U W E/2 E/2 g h Principe de la MLI Vectorielle f e

46. V d c II III I g e b U h IV VI f V a W Principe de la MLI Vectorielle À partir des 8 combinaisons des interrupteurs on peut avoir 8 positions du vecteur tension g et h sont 2 vecteurs nuls

47. 0 b U X a Principe de la MLI Vectorielle À partir de la représentation vectorielle précédente, une tension X, dans un secteur (I,II,III, ….), est la combinaison des 2 vecteurs adjacents et d ’1 vecteur nul pendant les intervalles de temps T1, T2 et T0

48. h b b a a E/2 t U-0 -E/2 t V-0 t W-0 T1 T2 T0 T V-U t Principe de la MLI Vectorielle L ’impulsion sur la période T donne une tension moyenne équivalente à la tension X

49. T échantillon K échantillon K+1 Principe de la MLI Vectorielle Les temps T1, T2 et T0 sont calculés par un algorithme à partir de la valeur instantanée de la tension référence et de la position du vecteur tension X . L ’ échantillonnage se fait à période régulière T sur la tension de référence (MLI fixe).