choix du variateur de vitesse
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
III.1- Introduction :
La solution qui paraît, a priori, la plus simple pour faire varier la vitesse d’un
moteur asynchrone est celle qui consiste à faire varier la fréquence de sa source
d’alimentation. La mise en oeuvre de ce principe pour des applications
industrielles utilise un convertisseur triphasé-triphasé qui transforme le système
industriel triphasé de tensions de fréquence et d’amplitude fixes, aux légères
fluctuations normales près, en un système triphasé de tensions ou de courant, de
fréquence et d’amplitude maîtrisées.
Avant d'entamer l'étude sur les convertisseurs de fréquence, on fait d'abord un
petit rappel sur les semi-conducteurs de puissance.
III.2- Rappel sur les semi-conducteurs de puissance :
Pour modifier, avec un bon rendement, la présentation de l’énergie
électrique, les convertisseurs statiques utilisent des semi-conducteurs de
puissance fonctionnant en commutation.
Faire fonctionner des semi-conducteurs en commutation signifie qu’on
leur demande l’opérer par tout ou rien, comme des interrupteurs
mécaniques .on utilise d’ailleurs pour ces composants électroniques le
vocabulaire des interrupteurs mécanique et, dans les schémas de principe,
on les représente par des interrupteurs c’est ainsi q’on trouve :
Un composant non commandable : la diode.
Un composant commandable seulement à la fermeture : le thyristor.
des composants commandables à la fermeture et à l’ouverture :
Le thyristor à ouverture commandée (GTO).
Le transistor bipolaire (BJT).
Le transistor (MOS) de puissance.
Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT).
a) Les diodes :
La diode à jonction P-N est formée d’une pastille de silicium deux couches,
celle de type P est reliée a l’anode A, celle du type N à la cathode K. la figure (a)
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
donne la représentation d’une diode et indique les conventions de signe pour la
tension v et le courant i.
a.1) Caractéristique statique :
La diode est un composant non commandable, son comportement lui est imposé
par le circuit dans lequel est insérée.
Quand ce circuit veut lui imposer le passage d’un courant dans le sens positif,
elle laisse passer ce courant avec une faible chute de tension positive à ses bornes :
elle est passante ou fermée.
Quand le circuit extérieur lui impose une chute de tension négative ,elle est
bloquée ou ouverte ; le courant négatif ou courant de fuite inverse est très faible
par rapport au courant direct qu’elle peut écouler lorsqu’elle est passante.
La figure b montre sa caractéristique statique à une température donnée :
Une diode est caractérisée par :
-la tension inverse de pointe répétitive VRRM (repetitive peak reverse voltage)
qu’elle peut supporter.
-le courant moyen direct IFAV (average forivard current) qu’elle peut écouler.
En plus des limitations sur la tension inverse et le courant moyen la diode est
soumise à des limites de température que l’on ne doit jamais dépasser, en règle
générale les diodes au silicium pouvant fonctionner dans une gamme de
température allant de (-500C à 2000C) sa température peut augmenter très
rapidement lorsqu’elle porte des courants supérieurs au courant nominal.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
b) Les thyristors :
Le thyristor ou SCR (silicon controlled rectifier) est un semi-conducteur à
fermeture commandée .outre l’anode A et la cathode K (figure a), il possède un
électrode de commande, la gâchette (gâte) G qui permet de le rendre conducteur
lorsque la tension VT à ses bornes est positive.
Cette possibilité de commande a fait du thyristor le moteur de l’essor de
l’électronique de puissance, mais si à la fin de son intervalle de conduction son
ouverture n’est pas spontanée, le thyristor nécessite pour son blocage un circuit
auxiliaire d’extinction. Aussi dans les convertisseurs qui nécessitent des
interrupteurs à fermeture et ouverture commandables il est maintenant remplacé
par d’autres composants.
b.1) Caractéristiques et fonctionnement :
Le thyristor est bloqué tant que la tension VT a ses bornes est négative on indique
la tension inverse maximale répétitive qu’il peut supporter VRRM.
Si de négative la tension VT devient positive, le thyristor reste bloqué. Il est alors
caractérisé par la tension directe maximale répétitive qu’il peut supporter VDRM.
Pour un thyristor symétrique, les valeurs de VRRM et VDRM sont voisines.
Mais si VT étant positif, on fait passer une impulsion positive de courant de la
gâchette à la cathode, par un phénomène d’amplification le thyristor devient
passant.
Quand le thyristor est conducteur, il se comporte comme une diode : la gâchette
n’a plus de pouvoir de commande, il ne se bloque que lorsque le courant direct
s’annule (en réalité devient inférieur au courant de maintien de la conduction IH
(holding current).
La caractéristique statique du thyristor est donc formée de trois segments
(Figure b).
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
OD :
Tension négative : thyristor bloqué faible courant de fuite inverse.
OB :
Tension positive : pas d’impulsion sur la gâchette depuis que VT est devenu
positive : thyristor bloqué, faible courant de fuite direct.
OA :
Thyristor conducteur : faible chute de tension directe, courant direct imposé par
le circuit dans lequel le thyristor est inséré.
La flèche montre que l’amorçage par la gâchette fait passer du segment OB au
segment OA.
Le thyristor peut s’amorcer d’une manière intempestive est généralement
destructrice sans impulsion de gâchette :
parce que la tension directe qui lui est appliquée est excessive.
ou parce que la tension directe qui lui est appliquée avec une pente
dVT/dt trop fort.
ou parce qu’on lui applique une tension directe après un intervalle
d’ouverture trop bref.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
c) Les thyristors GTO :
Le thyristor GTO (gâte turn-off) est, comme son nom l’indique, un thyristor qui
peut être bloqué par action sur la gâchette .celle-ci permet donc la commande de la
fermeture et de l’ouverture.
L’ouverture, grâce à une énergie d’extraction du courant par la gâchette, est
notamment rendue possible par la division de la couche de la cathode en plusieurs
centaines de petits bâtonnets entièrement entourés par la gâchette. Le GTO
équivaut à plusieurs centaines de petits GTO mis en parallèle.
Les thyristors GTO sont utilisés dans les convertisseurs de moyenne, forte ou
très forte puissance :
dans les onduleurs de courant : ils ont à bloquer des tensions inverses. On
utilise alors des GTO symétriques ayant une Caractéristique statique à 3
segments.
dans les onduleurs de tension et la plupart des hacheurs, les GTO ont des
diodes en parallèle inverse à leurs bornes. Ils n’ont pas à bloquer de tension
inverse notable et on utilise alors des GTO asymétriques.
c.1) Caractéristiques :
Comme pour un thyristor ordinaire, on indique :
le courant direct moyen ou efficace, ITAV ou ITRMS, tolérable.
la tension directe répétitive maximale tolérable VDMR.
La tension inverse répétitive maximale tolérable VRRM; celle-ci étant très
faible si la GTO est asymétrique.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
III.3- Choix du variateur de vitesse :
Les technologies d’entraînements à vitesse variable pour moteurs asynchrones
sont nombreuses et viennent compléter les technologies disponibles pour les
moteurs à courant continu et les moteurs synchrones.
Le choix de la technologie et de la structure du convertisseur dépend de
nombreux facteurs liés à l’application visée.
III.3.1- Facteurs de choix :
a) Facteurs techniques :
Parmi les principaux facteurs techniques de choix figurent :
la puissance et la vitesse nominales.
le régime d’utilisation (utilisation en régime permanent ou intermittent).
la plage de variation de vitesse et le domaine de fonctionnement dans le
plan puissance-vitesse (1 quadrant, 2 quadrants, 4quadrants).
le type de machine entraînée (inertie, caractéristique de couple résistant
selon la vitesse).
la précision de contrôle de couple et de vitesse.
la tension du réseau d’alimentation.
les contraintes d’installation (place disponible, degrés de protection, etc.).
b) Facteur économique :
Enfin, un critère essentiel est bien sûr le coût total d’investissement de
l’entraînement comprenant le coût du variateur, du moteur et de leur installation.
Le coût d’exploitation de l’entraînement (maintenance, coût d’indisponibilité,
pertes énergétiques) est un critère économique supplémentaire de choix .
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
III.3.2- Les différents types de variateurs électroniques de vitesse
pour moteur asynchrone:
Les principaux types de convertisseurs employés pour les moteurs asynchrones
sont des convertisseurs indirects de fréquence, c’est-à-dire qui utilisent un étage
intermédiaire à fréquence nulle (tension ou courant continu) par l’association d’un
convertisseur alternatif continu (redresseur) et d’un convertisseur continu alternatif
(onduleur).
Plusieurs technologies de convertisseurs reposent sur ce principe, selon que
l’étage à fréquence nulle est constitué d’une source de tension ou d’une source de
courant et selon les formes d’ondes produites par l’onduleur.
Des convertisseurs directs de fréquence, dénommés cycloconvertisseurs, qui
réalisent la conversion de la fréquence sans recourir à un étage intermédiaire à
fréquence nulle, sont aussi utilisés pour des cas particuliers d’entraînements par
moteurs asynchrones de forte puissance (quelques mégawatts).
Les convertisseurs indirects de fréquence sont aujourd’hui les plus utilisés, avec
essentiellement le convertisseur MLI.
Le tableau suivant présente les principales caractéristiques des technologies
d’entraînements à vitesse variable pour moteurs asynchrones.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Technologies
d’entraînement
Convertisseur
avec onduleur de
tension à M.L.I
Convertisseur
avec onduleur à
pleine onde de
tension
Convertisseur
avec onduleur de
tension M.L.I à 3
niveaux
Convertisseur avec
Onduleur autonome
de courant
Nature du moteur Asynchrone à cage Asynchrone à cage Asynchrone à cage
haute tension
Asynchrone à cage
basse tension
Nature du
convertisseur
Redresseur-
onduleur de
tension à
commutation
forcée et M.L.I
Redresseur-
onduleur de
tension à
commutation
forcée
Redresseur-
onduleur de
tension à 3 niveaux
à commutation
forcée et M.L.I
Redresseur-onduleur
autonome de courant
Redresseur Diodes Thyristors Diodes Thyristors
Onduleur G.T.O ou
transistors et
diodes
G.T.O G.T.O et diodes Thyristors et diodes
Gamme de puissance De 1KW à 3MW Jusqu’à 3MW Jusqu’à 12 MW 0.1 à 3 MW
Gamme de tension
du variateur et du
moteur
380 à 660 V et
jusqu’à 1500 V
380 à 660 V et
jusqu’à 1500 V
3.3 à 6.6 KV Inférieur à 1000 V
Gamme de vitesse
nominale
Jusqu’à plusieurs
milliers de tr/min
(inf à400 Hz)
Jusqu’à plusieurs
milliers de tr/min
(inf à 1000 Hz)
Jusqu’à 8000
tr/min (inf à 120
Hz)
inférieur à 6000 tr/min
(inf à 100 Hz)
Plage de variation de
vitesse
1à 100 % 10 à 100 % 1 à 100 % 2 à 100 %
Domaine de
fonctionnement
2 quadrants
(4 quadrants en
option)
2 quadrants
4 quadrants
2 quadrants
(4 quadrants en
option)
4 quadrants
Applications
principales
Technologie de
référence pour
toutes applications
industrielles de
faible et moyenne
puissance
Pompes,
ventilateurs,
compresseurs,
extrudeuses,
malaxeuses
Pompes,
ventilateurs,
compresseurs,
extrudeuses,
mlaxeuses,
laminoirs
Applications spécifiques
(levage, manutention)
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Observations Contrôle vectoriel
disponible pour
pilotage précis du
couple
Adapté à
l’entraînement
direct de machines
à grande vitesse
Pour machine de
forte puissance
Technologie de moins
en mois utilisé
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Technologies
d’entraînement
Convertisseur avec Onduleur de
courant assisté
Cascade hypo synchrone et hyper
synchrone
Cycloconvertisseur pour moteur asynchrone
Nature du
moteur
Asynchrone à cage Asynchrone à rotor bobiné
Asynchrone à cage
Nature du
convertisseur
Redresseur-onduleur de
courant à commutation
assisté
Redresseur-onduleur de courant assisté
Raccordé au rotor
Convertisseur direct de fréquence à commutation
assistée
Redresseur Thyristors Thyristors Thyristors
Onduleur Thyristors Thyristors ou G.T.O et diodes
Thyristors
Gamme de
puissance
0.5 à 20 MW Hypo synchrone
20 MW
Hyper synchrone
60 MW
10 MW
Gamme de
tension du
variateur et du
moteur
0.5 à 7.2 KV Inférieur à 18 KV
Gamme de
vitesse nominale
4000 tr/min 1500 tr/min
1900 tr/min
600 tr/min
Plage de
variation de
vitesse
10 à 100 % 50 à100 %
70 à130 %
0 à 100 %
Domaine de
fonctionnement
2 quadrants 1 ou 2 quadrants moteurs
4 quadrants
Applications Pompes, Entraînements de Applications faible vitesse
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
principales ventilateurs, compresseurs centrifuges
pompes, ventilateurs, compresseurs centrifuges
fort couple (laminoirs, propulsion de navires)
Observations Références en conversion de moteurs à la
vitesse variable
Technologie ancienne pénalisée par
l’utilisation d’un moteur à bagues
Convertisseur utilisé aussi pour moteurs synchrones
pour les mêmes applications
Tableau (III.3.2)
Pour notre processus, nous avons les caractéristiques suivantes :
le besoin d’une bonne précision du couple (nécessité des opérations de
forage)
la puissance est de quelques centaines de KW (moyenne puissance)
2 quadrants de fonctionnement (I et III)
réseau de 600 V/60HZ
plage de variation de la vitesse de 1 à 100 %
Donc la meilleure solution est de choisir un variateur de vitesse de type
convertisseur de fréquence avec onduleur de tension à M.L.I.
III.4- Convertisseur de fréquence avec onduleur de tension à M.L.I :
L’objectif des convertisseurs de fréquence est d’alimenter les moteurs
asynchrones triphaés de manière à obtenir des caractéristiques de fonctionnement
radicalement différentes de leurs utilisation normale, à amplitude et fréquence
constantes.
III.4.1- Principe :
Il consiste à fournir au moteur une onde de tension à amplitude et fréquence
variables, en maintenant le rapport (tension / fréquence) sensiblement constant.
La génération de cette onde de tension est réalisée par un dispositif électronique
de puissance dont le schéma de principe est illustré sur la figure suivante :
Réseau Moteur
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Figure (III.4.1) : Schéma de principe
III.4.2- Comparaison avec l’alimentation directe :
Le tableau suivant nous donne une comparaison de la variation des
différents paramètres du moteur asynchrone quand il est directement
alimenté, ou à travers un convertisseur de fréquence.
Moteur asynchrone En usage normal Avec un variateur de vitesse
Courant de démarrage Très élevé, de l’ordre de 6 à 8
fois le courant nominal
Limité dans le moteur (en
générale de 1.5 fois IN).
Couple de démarrage Cd Élever et non contrôlé, de
l’ordre de 2 à 3 CN
De 1.5 fois le CN , Contrôlé
pendant toute l’accélération
Démarrage Brutal dont la duré n’est
fonction que des
caractéristiques du moteur et
de la charge entraînée
Progressif sans à-coup et
contrôlé
Vitesse Varié légèrement selon la
charge (proche de NS)
Variation possible de 0 jusq’à
une valeur supérieur à NS
Couple maximal CM Elevé, de l’ordre de 2 à 3 le
couple nominal
Elevé disponible sur toute la
plage de vitesse (de 1.5 CN)
Freinage électrique Relativement complexe Facile
Inversion du sens de marche Facile seulement après
arrêt moteur
Facile
Risque de décrochage Oui, en cas de surcouple, ou
en cas de baisse de tension
Non
Tableau (III.4.2)
III.4.3- Constitution du convertisseur :
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Le convertisseur comporte :
un pont redresseur triphasé à diodes qui délivre une tension continue
d’amplitude pratiquement constante.
un étage de filtration comportant un condensateur, de forte capacité.
un pont onduleur alimenté par la tension continue et générant une onde
de tension alternative à amplitude et fréquence variables par la technique
de « Modulation de Largeur d’Impulsions » ou MLI.
En général, la tension fondamentale est d’amplitude proportionnelle à la
fréquence de façon à maintenir le flux (rapport U/F) constant dans le moteur sur
toute la plage de vitesse.
Dans la suite de ce chapitre on fait l'étude détaillée des deux parties essentielles
du convertisseur (un pont redresseur à diodes et un onduleur de tension).
III.5- Etude des montages redresseurs et onduleurs :
III.5.1- Redresseur triphasè (Pont à diodes) :
a) Principe:
Les trois tensions simples :
Sont redressées à l’aide de deux groupes de diodes, trois à cathodes réunies D1, D2,
D3. Et trois avec anodes réunies D’1, D’
2, D’3.
La conduction d’une diode du premier groupe rend la tension égale à
la plus positive des tensions et de ce fait, bloque les deux autres.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
La conduction d’une diode du second groupe rend la tension égale à
la plus négative des tensions et bloque les deux autres.
Pour conduisent.
Donc : .
Pour conduisent.
,
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
La tension redressée est à chaque instant égale à la plus grande différence entre
les tensions simples.
b) Tension de sortie :
La valeur moyenne de la tension redressée est :
.
La tension est la somme de sa valeur moyenne et “d’harmoniques de
pulsation“ , l’amplitude de pulsation est :
La tension de sortie est d’autant moins ondulée et d’autant plus facile à “lisser“
que p est plus grand (indice de pulsation).
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Figure (III.5.1.b)
c) Taux d’ondulation :
Pour caractériser l’importance de l’ondulation de la tension redressée, on indique
son taux d’ondulation .il existe plusieurs définitions de ce taux, le dictionnaire de
la C.E.I. en définit au moins deux :
Taux d’ondulation de crête:
C’est l’écart entre la valeur instantanée maximale et la valeur instantanée
minimale rapporté à la valeur absolue de la composante continue.
.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Taux d’ondulation efficace :
d) Courant d’entrée :
La valeur efficace du courant à l’entrée est :
III.5.2- Onduleurs de tension :
Généralité:
Un onduleur est un convertisseur statique assurant la conversion de l’énergie
électrique de la forme continue à la forme alternative.
Comme un redresseur tout thyristors un onduleur est réversible, il permet le
transfert de puissance de l’alternative vers le continu, mais le sens normal du
transfert est du continu vers l’alternatif comme c’est de l’alternatif vers le continu
pour un redresseur.
La principale différence entre un vrai onduleur et un redresseur qui fonctionne
en onduleur non autonome tient à son autonomie, la fréquence et la forme d’onde
des grandeurs alternatives ne sont pas imposées par la source placée du coté
alternatif.
C’est la tension ou le courant coté continu qui, à travers l’onduleur impose la
forme d’onde de la tension ou du courant coté alternatif.
On distingue deux grands types d’onduleurs :
Les onduleurs de tension, alimentés par une source de tension continue.
Les onduleurs de courant, alimentés par une source de courant continu.
Ces onduleurs peuvent être monophasés ou triphasés, suivant qu’ils alimentent
un récepteur monophasé ou triphasé.
Dans les variateurs de vitesse les onduleurs alimentent presque toujours des
moteurs triphasés, synchrones ou asynchrones.
Nous limiterons notre étude à celle des onduleurs de tension triphasés.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
L’onduleur alimentant un moteur doit délivrer des tensions à fréquence variable.
On ne peut faire effectuer aux semi-conducteurs qu’un cycle de fermeture –
ouverture par période des grandeurs de sortie, on dit alors que l’onduleur
fonctionne à un créneau par alternance ou en pleine onde.
Mais on utilise de plus en plus la possibilité des semi-conducteurs de travailler à
fréquence plus élevée pour les faire fonctionner plusieurs fois par période, on
forme à chaque alternance des tensions ou des courants de sortie de plusieurs
créneaux de largeurs convenables, on a alors des onduleurs à modulation de
largeur d’impulsions (M.L.I).
Pour les onduleurs de tension nous traiterons d’abord le fonctionnement en
pleine onde, car ce fonctionnement sert de point de départ et de base de
comparaison pour l’étude des onduleurs à M.L.I.
III.5.2.1- Onduleur de tension triphasé à un créneau par alternance :
La figure suivante donne le schéma de principe de l’onduleur de tension triphasé.
Figure (III.5.2.1)
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
L’onduleur est placé entre une source de tension continue supposée parfaite (U
constante), et une source de courant alternatif triphasé supposée parfaite, donc de
courants formant un système triphasé sinusoïdal équilibré.
L’onduleur triphasé est l’assemblage de trois demi ponts monophasés formés
chacun de deux interrupteurs en série .
Les interrupteurs d’un même demi pont doivent être complémentaires pour que la
source de tension U ne soit jamais en court-circuit, pour que les circuits des
courants ne soient jamais ouverts.
Pour que les six interrupteurs puissent imposer les tensions de sortie quelque
soient les courants il faut que ces interrupteurs soient bidirectionnels en
courant. Chacun d’eux est formé d’un semi-conducteur à fermeture et ouverture
commandées et d’une diode montée en antiparallèle,
a) Relations générales :
Tensions :
Quels que soient les courants, les interrupteurs fermés imposent les tensions
entre les bornes de sortie A, B, C et le point milieu O (fictif) de la source de
tension continue.
Les interrupteurs imposent donc aussi les tensions composées aux bornes des
phases réceptrices.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Quand
0 quand
-U quand
0 quand
Et de même pour :
Pou un récepteur équilibré on a :
D’où les expressions de en fonction de
Et de .
Courants :
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Des courants coté alternatif, on passe au courant coté continu par
Avec quand conduit
quand conduit
quand conduit
b) Formes d’ondes :
Lors du fonctionnement en pleine onde, on ferme chaque interrupteur pendant la
moitié de la période T des tensions alternatives de sortie.
Pour que ces tensions forment un système triphasé équilibré, on décale les
commandes des phases successives d’un tiers de période ou, à l’échelle de
pulsation des fondamentaux de ces tensions de on ferme donc :
Pour 0< ,
Pour ,
Pour , pour
Tensions de sortie :
En haut de la figure (III.5.2.1.b) on a tracé, à partir des intervalles de fermeture
des interrupteurs, les formes d’ondes des tensions :
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Sont identiques à , à prés.
Égale
Les tensions et sont identiques à à .
Courants d’entrée :
Les courants de sortie ,supposés sinusoïdaux, sont caractérisés par leur
amplitude et leur déphasage par rapport au fondamental des tensions simples
correspondantes.
Le courant d’entrée se traduit de à partir du diagramme des
conductions des interrupteurs :
Pour 0< , , , ,
Pour , ….etc.
c) Caractéristiques :
Tensions de sortie :
Les tensions de sortie ont pour valeur efficace .
La valeur efficace de leur fondamental est .
La valeur efficace des harmoniques de rang n existantes est .
Courant d’entrée :
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Le courant d’entrée a une fréquence égale à six fois celle des grandeurs de
sortie.
La valeur moyenne de se déduit de la valeur efficace des courants de sortie
en utilisant le fait que la puissance est la même à l’entrée et à la sortie :
On a aussi :
D’où
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Figure (III.5.2.1.b)III.5.2.2- Onduleur de tension triphasé à M.L.I :
On cherche à approximer des tensions de sortie sinusoïdales en faisant varier
sinusoïdalement leur valeur moyenne, pour cela on forme chaque alternance non
plus d’un créneau, mais d’une succession de créneaux de largeurs convenables
a)Modulation sinus -triangle :
a.1) Principe de la modulation sinusoïdale :
Considérons un demi pont monophasé formé de deux interrupteurs
complémentaires et délivrant une tension égale à ou à .
En M.L.I, on détermine les instants de fermeture de par les
intersections :
D’une onde de référence W représentant la tension désirée, (l’indice
w vient de l’anglais “wanted“) de fréquence f.
Avec une onde de modulation (ou porteuse) M, de fréquence f’ nettement
supérieure à f, de forme triangulaire et d’amplitude égale à
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Figure (III.5.2.2.a.1)
Les intersections de w avec M croissant déterminent les instants de
fermeture de et donc le début des intervalles à égal à .
Les intersections de w avec M décroissant déterminent les instants de
fermeture de et donc le début des intervalles à égal à .
Si f’ est nettement supérieure à f, la tension w varie peu pendant une
période T’ de l’onde de modulation et on peut la confondre avec sa valeur
moyenne durant cette période.
L’examen de la figure montre facilement que la valeur moyenne de
soit :
moy = est égale à w
Si la référence varie sinusoïdalement, deux paramètres caractérisent la
commande des interrupteurs :
l’indice de modulation (rapport des fréquences de modulation et de
référence).
le cœfficient de réglage en tension r, c’est le rapport de l’amplitude de la
référence à la valeur de crête, ici , de l’onde de modulation, qui est elle-
même égale à l’amplitude des créneaux de la tension de sortie.
b) Exemple de tracés des formes d’ondes :
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
En triphasé, si la modulation est synchrone, on choisit un indice de modulation
m multiple de3, ainsi les formes d’ondes des tensions des trois phases sont
identique.
La figure donne un exemple très simple (on a pris m=6 pour pouvoir distinguer les intervalles de conduction des interrupteurs des trois phases).
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Figure (III.5.2.2.b)
c) Tensions de sortie :
Fondamental :
Le fondamental des tensions est le même que celui des tensions
, .
Dés que m est suffisant (égal ou supérieur à six) ce fondamental est
pratiquement égal à la tension de référence et a donc pour valeur efficace
.
A tension U d’entrée donnée, la M.L.I. permet de faire varier la valeur des
tensions de sortie, ce que ne permettait pas la commande à pleine onde.
Quand r varie de 0 à 1, varie de 0 à
La valeur maximale du fondamental est inférieur à sa valeur, obtenue
avec la commande en pleine onde, on dit qu’il y a un “déchet de tension “.
Celui-ci représente 21.5 % de .
Harmoniques :
En commande pleine onde, le développement en série de la tension
,de fréquence f comporte les harmoniques de fréquence 3f,
5f, 7f…., donc de rang 3,5,7….
En M.L.I. synchrone, le spectre de varie avec les
coefficients de réglage en tension r et l’indice de modulation.
Si r est nul, est formé de signaux rectangulaires
jointifs de fréquence (m*f = f’), son développement en série
comprend les termes de rang m, 3m, 5m….
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Quand r croit, le fondamental augmente, les harmoniques de
rang m, 3m, 5m, diminuent.
d) Courant d’entrée :
La valeur moyenne du courant d’entrée se déduit de la conservation des
puissances entre l’entrée et la sortie du convertisseur, si on néglige toutes les
pertes.
Si les courants alternatifs sont équilibrés sinusoïdaux, de valeur efficace
déphasé de par rapport au fondamental des tensions simples de :
.
On déduit: .
Ou, compte tenu de :
donc :
cos06.1cos
22
3 ''
ii rri
III.6- Protection :
III.6.1- Protection des composants du convertisseur de fréquence :
Il faut assuré la protection contre :
les surchauffes de leurs composants électroniques qui pouvant entraîner
leur destruction.Un capteur placé sur le dissipateur thermique provoque
l’arrêt du variateur, lorsque la température dépasse un certain seuil.
les surtensions à fréquence industrielle du réseau : il s’agit d’éviter les
destructions éventuelles de leurs composants. Cette protection est assurée
par une résistance et un condensateur en parallèle avec les composants.
Les surintensités qui sont assuré par une inductance en série.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
III.6.2- Protection assurée par le convertisseur :
a) Protection contre les surcharges :
Le convertisseur assure la protection du moteur contre les surcharges :
par une limitation instantanée du courant efficace à 1,5 fois le courant
nominal environ,
par un calcul permanent du courant thermique (I².t), avec pris en compte de
la vitesse (la plupart des moteurs étant auto-ventilés, le refroidissement est
moins efficace à basse vitesse).
A noter que lorsqu’un départ n’alimente qu’un moteur et son variateur, cette
protection de surcharge du moteur assure simultanément la protection de surcharge
de l’ensemble appareillage et câblage.
b) Protection contre les courts-circuits moteurs ou ligne en aval du
covertisseur :
En cas de court-circuit entre phases en sortie de variateur (aux bornes du moteur
ou à un endroit quelconque de la ligne entre le variateur et le moteur), la
surintensité est détectée au sein du variateur et un ordre de blocage est envoyé
très rapidement aux semi-conducteur commandé. Le courant de court-circuit est
interrompu en quelques microsecondes, ce qui assure la protection du variateur-
moteur, ce courant très bref est essentiellement fourni par le condensateur de
filtrage associé au redresseur, et est donc indiscernable dans la ligne
d’alimentation.
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
III.7- Dimensionnement du convertisseur :
Pour dimensionner le convertisseur il faut connaître pour chaque montage les
paramètres de sortie ainsi d’entrée, Pour pouvoir calculer les courants dans les
semi-conducteurs et les tensions à leurs bornes, puis on fait le choix d’après les
catalogues des composants.
III.7.1- Pour le pont onduleur :
a) Les courants dans les semi –conducteurs commandés :
L’onde courant est plus proche d’un sinusoïdal donc on peut l’écrire comme :
Valeur maximale :
Valeur efficace du courant de charge.
Valeur efficace :
.
Valeur moyenne :
.
b) Les courant dans les diodes :
Valeur maximale :
La diode D du 1er interrupteur est parcourue par le courant maximal
qui est égale:
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Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
Valeur efficace :
Valeur moyenne :
Tension inverse maximale :
c) Courant d’entrée dans l’onduleur :
Valeur efficace :
Valeur moyenne :
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0 < <
Chapitre III Choix et dimensionnement du variateur de vitesse
III.7.2- Pour le pont redresseur :
a) Courant moyenne :
b) Tension inverse :
Si q : impair (q=3).
Conclusion :
Parmi les convertisseurs de fréquence utilisés pour la variation de la vitesse des
moteurs asynchrones, on a choisi le montage redresseur -onduleur de tension à
M.L.I, car c’est une technologie de référence pour toutes les applications
industrielles de faible et moyenne puissance.
Ce montage permet d’obtenir un pilotage précis du couple par l’application de la
commande vectoriel ce qui répond aux exigences de notre processus.
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