Variateur de vitesse electronique de puissance
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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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
8
Entraînement à vitesse constante
• Baisse de rendement.
• Coût élevé.
• Mauvaise précision.
Optimisation des protocoles
© M. ZEGRARI
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
9
nn 8.0D8.0D
2nrr kT
Entraînement à vitesse variable
• Grande souplesse.
• Meilleure précision.
Optimisation des protocoles
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
10
Exemples d’optimisation
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
11
Techniques de variation de vitesse
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Variateur Moteur Réducteur Charge Source
Commande
Vs Va Tm Tc
m c
Capteur
Cosigne
Régulateur
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
13
Évolution de la vitesse en fonction du temps :
Étude des phases de démarrage et de freinage.
Cycle de vitesse : profil
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
14
• Couple de démarrage :
• Couple d’accélération :
ard TTT
aa
t60
N2J
dt
dJT
Cycle de vitesse : Accélération
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
15
• Couple de ralentissement :
• Couple de freinage :
rrra
t60
N2J
dt
dJTT
ffrarrêt
t60
N2JTTT
Cycle de vitesse : Décélération
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
17
Communication et supervisions ;
Alarmes et diagnostic avancé ;
Cartes multi-moteur
Fonctions évoluées
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Ethernet Control net
Device net
Power Flex 700S - Allen Bradley Altivar ATV58H - Télémécanique
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
18
Fonctions des variateurs évolués
Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs Variateurs
© M. ZEGRARI
Système de commutation des pompes
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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.
Variateurs Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs Sources Sources Harmoniques Interrupteurs Convertisseurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Caractéristique v-i
A
K
VAK
IA
Thyristor de puissance
BTW 48A-1200V
IG Blocage
en direct
Date
19
62
Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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.
Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Caractéristique v-i
C
E
VCE
IC
Transistor bipolaire
TIP 3055 – TO 218
IB
Blocage
en direct
B
Date
19
68
Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Caractéristique v-i
D
S
VDS
ID
Transistor MOS-FET
en pont
IB
Blocage
en direct
G
Date
19
63
VGS Conduction
en inverse
Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Caractéristique v-i
C
E
VCE
IC
Transistor IGBT
400 V - 12 A
VGE
Blocage
en direct
G
Date
19
95
Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
31
Amorçage
Blocage
Spontané Commandé
Spontané Diodes Thyristors
Commandé
Thyristor dual
Transistor
Thyristor avec circuit
d’e blocage.
Tableau de synthèse
Variateurs Sources Convertisseurs Sources Harmoniques Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
34
Elle met en liaison une source de tension avec une source de courant.
Séquences
Configuration de base
Conception des convertisseurs directs
Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
36
2ème Structure : Utiliser deux convertisseurs directs intercalés.
L’élément de stockage fait partie du convertisseur global.
Conception des convertisseurs indirects
Variateurs Sources Convertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 :
Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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.
Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs
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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
Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs
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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
Variateurs Sources Harmoniques Convertisseurs Sources Interrupteurs
Dr. Mourad ZEGRARI
2
Chapitre REDRESSEURS – HACHEURS
VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CC
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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.
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
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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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
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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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
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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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheur non réversible en courant et en tension (1Q)
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 réversibles
Variateurs de vitesse
Hacheurs 1 Quadrant
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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)
Variateurs de vitesse
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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)
Variateurs de vitesse
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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)
Variateurs de vitesse
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs de vitesse
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Entraînement à couple résistant constant
v3
Action sur le flux inducteur
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Entraînement à couple résistant constant
Action sur la tension d’alimentation
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © 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
Convertisseur Direct
Réseau
Continu
MCC
MCC
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Réseau M
=
Th2 Th1
Th3 Th4
Réseau
T’h2 T’h1
T’h3 T’h4
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
81
Alimentation par source continue
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Redresseur
À Diodes Hacheur
MCC
Réseau
Alternatif
Convertisseur Indirect
Hacheur
Convertisseur Direct
Réseau
Continu
MCC
Le réseau continu provient :
- soit de batteries
- soit d’un redresseur à diode
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Moteur Génératrice
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
Moteur Génératrice
Q4 Q3
Moteur Génératrice
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
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
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
© M. ZEGRARI
Électronique de puissance et Variation de Vitesse
88
Commande par Hacheur en pont
Redresseurs Commandés
Redresseurs Non commandés
Hacheurs 1 Quadrant
Variateurs de vitesse
Hacheurs réversibles
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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.
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Pour un récepteur inductif :
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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 %
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Altération du rendement
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
97
À l’aide d’un interrupteur à commandé périodique, on laisse
passer un certain nombre de sinusoïdes complètes.
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateur à train d’ondes
Gradateurs Contrôle Phase
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
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
98
Rapport de commande : a =n
N
Valeur efficace : Vch eff = a × Vs
Puissance de sortie : Pch = a × Ps
Applications :
• Chauffage industriel.
• Mélangeur (homogénéisation).
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Valeurs caractéristiques
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Formes d’onde
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
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107
Séquence d’amorçage en Modulation de Largeur d’Impulsions.
t
ia
t
va
Fondamentale
Formes d’onde de la commande MLI
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Onduleurs Monophasés
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
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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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
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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
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
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110
Les formes d’onde de la tension et du courant sont :
t
va
t
ia
Fondamentale
Formes d’onde : Commande 180°
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
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111
Les formes d’onde de la tension et du courant sont :
t
ua
b
t
ia
Fondamentale
Formes d’onde : Commande MLI
Onduleurs Triphasés
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
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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
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
Onduleurs Triphasés
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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
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
Onduleurs Triphasés
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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
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
Onduleurs Triphasés
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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 ; ;
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
Onduleurs Triphasés
Action sur le rotor
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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
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
Onduleurs Triphasés
Cascade hypo-synchrone
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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 ; ;
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
Onduleurs Triphasés
Action sur la fréquence
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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.
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
Onduleurs Triphasés
Commande V/f
Électronique de puissance et Variation de Vitesse © M. ZEGRARI
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
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
Onduleurs Triphasés
Variateur de vitesse industriel
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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.
Variateurs de vitesse MAS
Gradateurs Ondes
Gradateurs Contrôle Phase
Onduleurs Monophasés
Onduleurs Triphasés
Classification NEMA