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Variateur électronique de vitesse Comment changer la vitesse dun moteur Guy Gauthier ing. Ph.D. (mars 2014)

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1 Variateur électronique de vitesse Comment changer la vitesse dun moteur Guy Gauthier ing. Ph.D. (mars 2014)

2 Vitesse synchrone dun moteur AC La vitesse synchrone dun moteur AC est dictée par la fréquence du réseau électrique. Elle est calculé comme suit: – f p : fréquence du réseau en Hertz; – n : nombre de paires denroulements par phase.

3 Vitesse synchrone dun moteur AC Puisque la fréquence du réseau au Québec est de 60 Hz, alors les vitesses synchrones sont: – 3600 RPM si n = 1; – 1800 RPM si n = 2; – 1200 RPM si n = 3; – 900 RPM si n = 4; – 720 RPM si n = 5; – … À 50 Hz: RPM si n = 1; RPM si n = 2; RPM si n = 3; -750 RPM si n = 4; -600 RPM si n = 5; À 50 Hz: RPM si n = 1; RPM si n = 2; RPM si n = 3; -750 RPM si n = 4; -600 RPM si n = 5;

4 Vitesse dun asynchrone moteur AC La vitesse dun moteur asynchrone doit pendre en compte le glissement S : La vitesse du rotor est inférieure à la vitesse du champ tournant.

5 CHANGER LA VITESSE SANS LÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE…

6 Changer le nombre de paires de pôles n La vitesse de synchronisme dun moteur alimenté à 60 Hz et ayant 2 pôles ( n = 1) est de 3600 RPM. Si le moteur possède 4 pôles ( n = 2) cette vitesse est divisée par 2 et devient 1800 RPM. (moteur de type Dahlander)

7 Contrôle du glissement S Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur le glissement S de deux façons: – Changer le voltage du stator; – Contrôle du rotor: en changeant la résistance du rotor; par le couplage en cascade.

8 Changer le voltage au stator Le couple du moteur est proportionnel au carré de la tension dalimentation au stator v f. Donc, changer la tension dalimentation change la vitesse en changeant la position du point dopération.

9 Changer la résistance au rotor Si le moteur est à rotor bobiné, on peut insérer des résistances dans le circuit du rotor. La perte par effet Joule au rotor change la caractéristique couple/vitesse. R augmente

10 CHANGER LA VITESSE EN UTILISANT LÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

11 Varier la vitesse synchrone Pour varier la vitesse dun moteur AC sur une grande plage de vitesse, il faut varier la fréquence de la tension reçue par le moteur f p. Lélectronique de puissance permet de prendre une tension DC et de londuler pour en faire une tension AC de fréquence quelconque.

12 Varier la vitesse synchrone Il faut donc procéder de la façon suivante: 1.Redresser la tension alternative pour en faire une tension continue; 2.Onduler la tension continue pour faire une tension alternative ayant la fréquence désirée. En théorie, ça semble être simple. Mais…

13 Équation du couple du moteur Le couple dun moteur asynchrone est: Si on change f p, on change la vitesse synchrone et le couple du moteur. Si on désire maintenir le couple constant, il faut compenser en changeant la tension v f.

14 Varier la vitesse synchrone – version 2.0 Il faut modifier la procédure présentée précédemment: 1.Redresser la tension alternative pour en faire une tension continue; 2.Modifier lamplitude la tension continue; 3.Onduler cette nouvelle tension continue pour faire une tension alternative ayant la fréquence et lamplitude désirées.

15 Composantes – électronique de puissance Diode: – Une diode ne laisse passer le courant que dans une seule direction. – Cette composante est totalement passive.

16 Composantes – électronique de puissance Thyristor: – Il une broche de plus que la diode: la gâchette. – Lorsque la gâchette est active et que la tension est dans le bon sens, le thyristor conduit le courant tant que la tension ne sinverse pas, même si la gâchette est désactivée. – Lorsque la tension est à linverse, le thyristor bloque, comme une diode. – On peut faire de la commutation jusquà 300 Hz.

17 Composantes – électronique de puissance GTO (Gate turn off thyristor): – Il une broche de plus que la diode: la gâchette. – Lorsque la gâchette est activée positivement et que la tension est dans le bon sens, le GTO conduit tant que la tension ne sinverse pas. – Lorsque que la gâchette est activée négativement, le GTO bloque. Lorsque la tension est à linverse, le thyristor bloque, comme une diode. – On peut faire de la commutation jusquà 1 kHz.

18 Composantes – électronique de puissance Transistor bipolaire: – Lorsque le courant à la base est supérieur à 0, un courant circule entre le collecteur et lémetteur. Sinon le transistor bloque. – On peut faire de la commutation jusquà 10 kHz.

19 Composantes – électronique de puissance Transistor MOS: – Lorsque la tension grille source est supérieure à 0, un courant circule entre le drain et la source. Sinon le transistor bloque. – On peut faire de la commutation jusquà 40 kHz.

20 Composantes – électronique de puissance Transistor IGBT (Insulated gate bipolar transistor): – Lorsque la tension grille émetteur est supérieure à 0, un courant circule entre le collecteur et la lémetteur. Sinon le transistor bloque. – On peut faire de la commutation jusquà 20 kHz.

21 Le contrôleur à fréquence variable Schéma de principe

22 Le contrôleur à fréquence variable Schéma de principe

23 Le redresseur (ou pont de Graetz) Le redresseur le plus simple à mettre en œuvre est basé sur un pont de diodes. La tension moyenne de sortie est 1.35 fois la tension ligne-ligne de lentrée triphasée. La tension moyenne de sortie est constante et ne peut être changée.

24 Redresseur à diodes

25 Le redresseur (ou pont de Graetz) - Version améliorée Un redresseur peut être fait avec des thyristors. Le gâchette est enclenchée avec un angle après le croisement avec 0. La tension moyenne de sortie est 1.35 cos( ) fois la tension ligne-ligne de lentrée triphasée. La tension moyenne de sortie est fonction de langle damorçage.

26 Redresseur à thyristors

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29 Bilan Le redresseur à diodes fourni une tension de sortie fixe. – Il faudra ajouter un dispositif pour varier la tension; Le redresseur à thyristors donne une tension de sortie variable en fonction de langle damorçage.

30 Filtrage de la tension redressée Pour améliorer le fonctionnement, on insère un filtre passe bas en sortie du redresseur pour permettre de réduire londulation de tension. Filtre inductif : – La sortie du filtre est un courant. Filtre LC: – La sortie du filtre est une tension.

31 Hacheur Si le redresseur est basé sur des diodes, on ajoute un hacheur de tension, pour permettre de varier la tension présentée au redresseur.

32 Hacheur La tension en sortie du hacheur est: Ce signal est ensuite filtré par un filtre L-C.

33 On a tout ce quil nous faut pour commander un moteur à courant continu…

34 Variateur électronique de vitesse DC Schéma:

35 Variateur électronique de vitesse DC Schéma:

36 Variateur électronique de vitesse DC Schéma pour commander un moteur DC afin quil tourne dans les deux sens:

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38 Schéma de commande DC Asservissement de vitesse … continuons avec le AC

39 Pour commander un moteur à courant alternatif, il nous manque un étage, londuleur.

40 Onduleurs Pour commander un moteur AC, il faut régénérer une tension (ou un courant) AC à partir de la tension (ou du courant) DC. Plusieurs versions existent.

41 Onduleur CSI

42 Londuleur CSI comprend 6 thyristors, 6 diodes et 6 condensateurs. Quand un thyristor est activé il ne peut sarrêter que si la tension sinverse, ce qui est le rôle des condensateurs dans ce circuit. Les étages précédents sont: – Redresseur à thyristors – Filtre inductif (Inductance L).

43 Onduleur à transistors Schéma de principe:

44 Onduleur à transistors Les thyristors ne peuvent être arrêtés que lorsquil y a inversion de tension. Un transistor offre plus de contrôle puisquil peut être arrêté à nimporte quel moment.

45 Onduleur à transistors Mais tous les transistors ne sont pas égaux dans leurs caractéristiques. En particulier les puissances et fréquences de commutation. – Fréquences plus élevées quavec les thyristors.

46 Modulation damplitude Soit le montage suivant: – Si SW1 en 1 et SW2 en 1 : Va = 0 V, Vb = Vcc : donc Va-Vb = - Vcc. – Si SW1 en 3 et SW2 en 1 : Va = Vcc, Vb = Vcc : donc Va-Vb = 0 V.

47 Modulation damplitude Soit le montage suivant: – Si SW1 en 3 et SW2 en 3 : Va = Vcc, Vb = 0 V : donc Va-Vb = + Vcc. – Si SW1 en 1 et SW2 en 3 : Va = 0 V, Vb = 0 V : donc Va-Vb = 0 V.

48 Modulation damplitude Soit le montage suivant: – Donc la tension Va-Vb peut prendre 3 valeurs différentes : - Vcc, 0 V et + Vcc. Comment générer une onde sinusoïdale ?

49 PAM Par une commutation adéquate des transistors, on peut obtenir une onde sinusoïdale. Les bobinages du moteur filtreront ce signal.

50 Modulation damplitude La tension RMS de sortie est égale à 86.6 % de la tension moyenne du signal continu. Le type de modulation (à 6 ou 18 impulsions) à un effet sur la qualité du signal de sortie.

51 Modulation de largeur dimpulsion (PWM) On peut aussi obtenir une onde sinusoïdale en utilisant la modulation de largueur dimpulsion (PWM).

52 Modulation de largeur dimpulsion (PWM) Anciennement: méthode analogique. m est un multiple de 3 pour limiter les harmoniques

53 Modulation de largeur dimpulsion (PWM) Maintenant implanté dans des microcontrôleurs et des DSP. Ainsi, on peut obtenir des approches de contrôle plus performantes.

54 Modulation de largeur dimpulsion (PWM) Lamplitude RMS maximale de la sortie est de 86.6 % la tension dentrée de londuleur.

55 Le PWM et la fréquence La fréquence f v à un impact sur la qualité du signal. Mais, un compromis doit être fait. – f v faible augmente les pertes dans le moteur; – f v grand augmente les pertes dans londuleur.

56 Le problème des harmoniques Exemple des harmoniques présentes pour une modulation damplitude à 6 impulsions.

57 Le problème des harmoniques Les nuisances ont lieu à base vitesse car à haute vitesse, les harmoniques sont filtrées par les réactances du moteur.

58 Le problème des harmoniques Visualisation des champs tournants:

59 Conséquences des harmoniques Augmentation des pertes Foucault; Echauffement du moteur; Rendement et efficacité réduite; Vibrations; Pulsations de couple; Augmentation du bruit.

60 Variateur électronique de vitesse AC – Commande scalaire Le couple maximal dun moteur asynchrone se produit quand le glissement S est: Et est égal à:

61 Commande scalaire En changeant à la fois la fréquence et la tension pour maintenir le rapport v f /ω p constant, le flux dans le moteur est maintenu constant et la caractéristique du moteur se déplace.

62 Commande scalaire Au delà dune certaine vitesse, la tension v f atteint son maximum et le couple maximum chute.

63 Commande scalaire Cette commande scalaire est aussi nommée « contrôle V/f ». – Simple à implanter car elle est basée sur le régime permanent. – Dynamique lente. – Contrôle des amplitudes de vitesse ou de couple.

64 Commande scalaire V/F Commande en vitesse avec la tension.

65 Commande scalaire V/F Commande en vitesse avec le courant. CSI

66 REPRÉSENTATION VECTORIELLE DES VARIABLES ET MODULATION VECTORIELLE

67 Les 8 combinaisons utiles de commutation pour le PWM

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71 x Modulation vectorielle Période T Tension moyenne X x

72 Commande vectorielle Comme montré dans une des acétates précédentes, le contrôle vectoriel donne un champ tournant parfaitement circulaire. Dans le cas dun moteur à courant continu, on peut faire le contrôle de ce moteur utilisant les bobinages du rotor et du stator de façon indépendante.

73 Moteur CC à excitations indépendantes Équations en jeu: Il existe un couple (i a, i f ) correspondant à un couple (ω m, T m ). – Indépendance du couple et la vitesse. Certains diraient découplage !

74 Commande vectorielle Donc, idéalement il faudrait pouvoir faire de même en CA. Mais, pour un moteur à CA à 3 phases, il y a une représentation triphasée des flux, courants et tensions.

75 Commande vectorielle Les moteurs CC sont très optimaux au niveau du couple car le flux et le courant sont orthogonaux.

76 Orientation du champ Orientation non optimale: Orientation optimale:

77 Moteur synchrone Rotor: aimant; Stator: champ tournant.

78 Moteur asynchrone Vitesse du rotor négale pas vitesse du champ tournant.

79 Moteur asynchrone Mais vitesses des champs statoriques et rotoriques identiques.

80 Moteur asynchrone Mais vitesses des champs statoriques et rotoriques identiques.

81 Moteur asynchrone Décomposition du courant au stator. Produit le flux statorique Produit le couple

82 Moteur asynchrone Moteur biphasé équivalent. Produit le flux statorique Produit le couple

83 Transformation de Park

84 Commande vectorielle PWM À partir de la vitesse du moteur Glissement Vitesse du moteur Vitesse du champ tournant Park

85 Schéma de principe dun variateur à contrôle vectoriel de flux

86 Schéma dun variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur.

87 Performances respectives dun variateur dans les 3 configurations possibles – (référence: Intersections, Schneider Electric, juin 1998)

88 Choix du contrôleur La caractéristique vitesse-couple de la combinaison contrôleur-moteur devient rectangulaire:

89 Choix du contrôleur Le contrôleur peut fournir: – un couple égal à 160% du couple nominal; – une vitesse égale à 200% de la vitesse nominale. 1/n

90 Choix du contrôleur La caractéristique de la charge à un impact sur le choix du contrôleur: – Exemple: ventilateur (domaine dutilisation 30 à 80% de la charge maximale).

91 Choix du contrôleur Il faut sassurer que le couple moteur soit toujours plus grand au couple résistant:

92 Choix du contrôleur La caractéristique de la charge à un impact sur le choix du contrôleur: – Exemple 2: charge à couple constant

93 Choix du contrôleur Si le contrôleur et le moteur permettent un couple 60% plus grand que le couple nominal, cela est suffisant pour accélérer la charge.

94 Choix du contrôleur Si le contrôleur et le moteur ne permettent pas un couple plus grand que le couple nominal, il faut prévoir le couple daccélération.

95 Choix du contrôleur La façon la plus simple de choisir le contrôleur est de mesurer le courant maximum du moteur à pleine charge. Si le moteur nest pas à pleine charge, le courant peut être déduit en comparant avec des applications similaires.

96 Choix du contrôleur Choix basé sur la puissance de sortie du moteur et la charge et la puissance de sortie du contrôleur. Implique de connaître le rendement et le facteur de puissance (moins précis).

97 Choix du contrôleur Choix basé sur la puissance nominale du moteur. Surdimensionnement du contrôleur si le moteur ne travaille jamais à pleine charge.

98 COMPLÉMENT

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102 Les services (CEI ) S1, S2 et S3:

103 Les services (CEI ) S4, S5 et S6:


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