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

La variation de vitesse des
moteurs asynchrones
Elaboré par M. Rahal RHAROUSS
Lycée technique Mahdi Ben Barka - OUJDA
sommaire
Généralités
Action sur le glissement
Couplage des pôles
Contrôle U/f (commande scalaire)
Contrôle vectoriel de flux
Structure interne d ’un variateur MLI
La variation de vitesse des
moteurs asynchrones
glissement
Vitesse
de rotation
n  n s (1  g ) 
Vitesse du
champ tournant
n en trs/s
fréquence
f (1  g )
p
Paire
de pôles
Action sur le glissement
Cr
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
Action sur le glissement
C
Grande
vitesse
P(Wn, Cn)
P ’(Ws, 0)
P
Cr
PW’
Puissance absorbée = Puissance utile + pertes
Cn x Ws
Cn x Wn
Action sur le glissement
C
Petite
vitesse
P
Cr
PW’
Augmentation des pertes
Inconvénient :
- rendement très faible
- échauffement du moteur
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)
Couplage de pôles
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)
n
f (1  g )
p
On parle de variation par couplage de pôles
2 technologies sont utilisées suivant le rapport
GV
PV
- rapport quelconque : stator à enroulements séparés
- rapport = 2 : stator composé de 6 demi-bobines
Action sur les pôles
3
démarrage semi-automatique
arrêt automatique
6 / 2P
par changement du nombre
de pôles
un sens de marche
6
3
Schéma fonctionnel d'un démarreur
deux vitesses 1000 / 3000 trs/mn.
Action sur les pôles
T/Tn
1000
I/In
3000
1000
3000
caractéristiques du couple et du courant
en fonction de la vitesse
Action sur les pôles
Rapport GV/PV quelconque
PV
GV
En grande vitesse les enroulements PV supportent des contraintes mécaniques
et électriques importantes qui sont prises en compte dans la conception du
moteur.
Action sur les pôles
ii
H
H
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
Action sur les pôles
i
S N
N
N
N
S
On a un couplage série
S
S
On obtient 4 pôles
Action sur les pôles
i
N
S
N
S
On a un couplage parallèle
On obtient 2 pôles
Action sur les pôles
On a 4 pôles
PV
On a le couplage
triangle série
L1
L3
L1
On a le couplage
étoile parallèle
On a 2 pôles
L3
GV
L2
L2
Action sur les pôles
Câblage de la plaque à bornes
PV
triangle série
GV
étoile parallèle
L1
L2
L3
L3
L2
L1
Action sur les pôles
La protection de moteur à couplage Dalhander
T/Tn
Cr
I/In
P’
1000
1500
P
3000
Les courants absorbés
en PV et GV
sont très différents.
Il est nécessaire de prévoir
une protection thermique
séparées pour chaque
fonctionnement
.
1000
3000
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
Contrôle U/f
ou
Contrôle scalaire
Action sur la fréquence
ns 
f
Agir sur la fréquence,
modifie la vitesse de synchronisme
p
ainsi que le point de fonctionnement
f3<f2 f2<f1
Cr
Remarque:
Les pertes sont
constantes
P3
P2
f1
P1
ns3 ns2 ns1
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 :
C max 
3p
8 Lr 
2
2
V1


 f 
2
(1)
p et Lr sont liés à la construction de la machine
V1

 est représentatif du flux magnétisant
 f 
Action sur la fréquence
f varie
on veut Cmax
Il faut que V1 varie pour que
(Voir expression précédente)
On travaille à flux constant
V1
f

constant
Action sur la fréquence
Vrs
Limite du
modèle utilisé
Lr
Rs
V1
Rr/g
E1
Lm
Conséquence sur la
caractéristique Cm = f(W)
à basse vitesse
Action sur la fréquence
Caractéristiques
constructeurs
Moteur auto ventilé couple utile permanent
Moteur moto ventilé couple utile permanent
Surcouple transitoire
C/Cn
1,5
1
0,5
0
Pas de couple
aux très basses vitesses
fn
2fn
Zone de survitesse
à puissance constante
f(Hz)
Loi U/f
Pour obtenir les caractéristiques précédentes la loi U/f a l ’allure suivante
V
Vn
fn
2 fn
f(Hz)
Pour compenser les imperfections du modèle adopté
ou l ’adapter à une charge particulière, les constructeurs
proposent de modifier la loi U/f
V
Vn
Vd
fn
2 fn
f(Hz)
Au démarrage il y a renforcement du flux magnétique
 augmentation du couple aux basses vitesses
Compensation du glissement
C
P2
P ’2
+f
P ’1
P1
Cr2
+f
Cr1
N (ou f)
glissement
Np1 Ns
La compensation permet de rattraper le glissement en
fournissant un supplément de fréquence
(valable pour un point de fonctionnement ou de petites variations)
Contrôle
Vectoriel
de Flux
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.
Ws
q
U
couple
Ws
s
d
flux
s
D
id
V
Q
W
iq
Transformation de Park
Contrôle vectoriel de flux
Vrs
I1
I1, ws
Rs
V1
I2
I0
N1
R2/g
E1
Lm
MAS alimenté en tension et contrôlé en courant
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
Contrôle vectoriel de flux
Couple électromagnétique
C  3 R I Lm
2
2 1
wR
2
R  ( Lm w R )
2
2
2
Pour imposer ou contrôler le couple il faut :
- maîtriser I1 et wR
Mesurés par des capteurs
- connaître R2 et Lm
Fournies par les constructeurs ou par
identification au démarrage du moteur
Contrôle vectoriel de flux
Référence
flux
Id’
~
=
Id
Référence
courant/couple
Iq’
2/3
Iq
Iq
wR
Im
Id
s
ws
2/3
wG
calculée
Id’
Iq’
=
~
Ur, s, t
intégrateur
wR mesurée
ou calculée
Générateur
MLI
Référence
vitesse
réseau
Iq
Im
Id
Ir
It
M
GI
Schéma fonctionnel (très simplifié)
Contrôle vectoriel de flux
(sans capteur de vitesse ou position)
réseau
Consigne couple
Logique de
commutation
Régulateur
consigne
couple
~
=
=
Couple
réel
Régulateur
vitesse
PID
Flux réel
Consigne
vitesse
Affaiblissement
survitesse
Freinage
contrôle du flux
Optimisation
flux
vitesse réelle
Régulateur de
consigne de flux
~
Commande
des I.S.
Modèle
moteur
adaptatif
M
COMPARATIF DES
TECHNIQUES
technologie
contrôle scalaire
contrôle scalaire
amélioré
contrôle vectoriel de flux
en boucle ouverte(sans capteur)
contrôle vectoriel de flux
en boucle fermée(avec capteur)
dynamique précision de vitesse type de contrôle temps de réponse précision de gamme
de vitesse dynamique statique
possible
en couple positionnement de prix
1 à 10
2%
1%
vitesse
300 ms
base 1
1 à 100 0.40% 0.30%
vitesse
30 ms
1
+ couple
1 à 1000 0.10% 0.05% vitesse + couple
30 ms
1/500 ième
1
+ positionnement
de tour
1 à 10000 0.01% 0.01% vitesse + couple
1 ms
1/500 ième 1,3 à 1,5
+ positionnement
de tour
Structure
Interne
d ’un Variateur
MLI
Structure interne d ’un variateur MLI
réseau
DT
U
CAN
CAN
I
Commande des voies
Traitement des informations
CAN
afficheur
clavier
prise
DB9
Toutes les grandeurs rentrantes ou sortantes du P sont opto couplées
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
Structure interne d ’un variateur MLI
%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
0,003
30 x
3 x 10-6
10
60
t(s)
10-6
Protection contre les surintensités pour un variateur CEGELEC
Principe de la MLI
MLI : Modulation de Largeur d ’Impulsions
PWM : Pulse Width Modulation
v
1
u
La commande des interrupteurs
1 et 2 sont complémentaires
R
v
2
tt
f1 + f2 =1
umoy <
=0
>
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
Principe de la MLI
Variateur numérique :ancienne génération
Les instants de commutation des interrupteurs sont calculés
pour réduire (ou supprimer) des harmoniques
u
E

0 1
2

2 3
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
Principe de la MLI
Variateur numérique :ancienne génération
On superpose une modulation à haute fréquence
c ’est la surmodulation
u
E

0
1
2
2
3
Hachage à fréquence fixe à rapport cyclique variable.
Cela permet de moduler la valeur efficace du fondamental

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
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
Principe de la MLI Vectorielle
E/2
E/2
0
V
U
E/2
0
W
W
0
E/2
E/2
0
W
V
U
0
W
U
E/2
E/2
E/2
f
e
d
E/2
0
E/2
V
U
E/2
W
0
V
U
E/2
g
W
V
W
E/2
E/2
V
V
c
b
E/2
U
U
E/2
a
0
V
U
h
W
Principe de la MLI Vectorielle
À partir des 8 combinaisons des interrupteurs
on peut avoir 8 positions du vecteur tension
V
d
c
II
III
g et h sont 2
vecteurs nuls
I
g
e
b
h
IV
VI
f
W
V
a
U
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
T2
0
T1
b
b
T
U
a
X
T
a
Principe de la MLI Vectorielle
a a
b h b
E/2
t
U-0
-E/2
L ’impulsion sur la période T
donne une tension moyenne
équivalente à la tension X
V-0
t
W-0
t
T1 T2
T0
T
V-U
t
Principe de la MLI Vectorielle
360
330
300
270
240
210
180
150
120
90
60
30
0
T
échantillon K
échantillon K+1
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).