La variation de vitesse : les moto-variateurs

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1 La variation de vitesse : les moto-variateurs
Stage du 6 juin 2003 à Aix en Provence : Rénovation du BTS I.R.I.S A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

2 Plan Introduction Principes physiques mis en œuvre dans les machines tournantes Paramètres des machines tournantes Convertisseurs associés Conclusion A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

3 Industriellement : 2 types de moto-variateurs.
Moto-variateur mécanique ou hydraulique dont la structure est : exemple de variateur : système de poulies–courroies ou système d’engrenages Moto-variateur électronique dont la structure est: Moteur Variateur charge Moteur Variateur charge On ne s’intéressera qu’à ce type de moto-variateur. A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

4 Historiquement : le moteur à courant continu a été le premier à être utilisé pour la variation de vitesse Réglage à l’aide de rhéostats Utilisation du groupe Ward-Léonard Charge M G M ~ Ce groupe respecte la structure des moto-variateurs actuels : l’ensemble moteur à courant alternatif – génératrice étant désormais remplacé par un convertisseur statique. A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

5 Actuellement : tous les types de moteurs peuvent être utilisés.
Moteurs à courant continu (ex : TGV Sud Est) Moteurs synchrones (ex : TGV Atlantique) Moteurs asynchrones (ex : Eurostar) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

6 Principes physiques Loi de Faraday Loi de Laplace
Couple électromagnétique ; moment magnétique Production d’un champ magnétique tournant A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

7 Convertisseurs d’énergie électromécanique réversibles
MOTEUR GENERATRICE Puissance électrique Puissance mécanique Puissance perdue : les pertes Ils comportent tous une partie fixe, le stator et une partie tournante, le rotor séparées par l’entrefer. L’une d’elles produit un champ magnétique dans l’entrefer : c’est l’inducteur. L’autre est le siège de forces électromotrices induites : c’est l’induit. C’est l’interaction des champs magnétiques du stator et du rotor qui produit le couple électromagnétique A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

8 Paramètres L’inertie : moment d’inertie noté J (kg.m2)
Le couple : moment du couple T (N.m) La puissance fournie (utile) : mécanique Pu = TW La puissance absorbée : électrique Pa = aUI (a fonction du réseau utilisé) Réglage de la vitesse :  action sur la tension d’alimentation (moteurs à courant continu ou asynchrones sur certains types de charges)  action sur la fréquence – et la tension - (moteurs à courants alternatifs) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

9 Caractéristiques mécaniques des charges entraînées
A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

10 Régime permanent La vitesse de rotation est constante
Les caractéristiques mécaniques de la charge et de la machine ont un point d’intersection Le moment du couple fourni par le moteur est identique au moment du couple résistant Tu = Tr A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

11 Le démarrage (l’accélération) et le freinage
Régimes transitoires Le démarrage (l’accélération) et le freinage L’étude des régimes transitoires impose la connaissance du moment d’inertie, J, de l’ensemble moteur – charge Dimensionnement : le moteur et son alimentation doivent répondre non seulement au régime permanent mais aussi aux régimes transitoires (ex : cycle de fonctionnement comportant des arrêts et démarrages fréquents) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

12 Les quadrants de fonctionnement
vitesse 2eme quadrant 1er quadrant vitesse couple couple 3eme quadrant 4eme quadrant A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

13 Les composants électroniques utilisés
La diode Le thyristor Le transistor (bipolaire ou à effet de champ) L’IGBT (insulated gate bipolar transistor) Le GTO (gate turn off thyristor) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

14 Les différents types de conversion
La conversion alternatif-continu (les redresseurs) La conversion continu-continu (les hacheurs) La conversion continu-alternatif (les onduleurs) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

15 2 types de convertisseurs :
Les convertisseurs directs : une seule transformation des grandeurs électriques est nécessaire. Exemples  avec une source alternative : redresseurs commandés cycloconvertisseurs gradateurs  avec une source continue : hacheurs onduleurs Les convertisseurs indirects : ils utilisent un étage intermédiaire. Exemple : les convertisseurs de fréquence redresseur filtrage onduleur A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

16 Choix d’un moto-variateur
Il faut vérifier l’adaptation : Moteur – charge « Moteur + charge » – variateur À l’alimentation (perturbations de la source vers le variateur et vice versa) À l’environnement + Tenir compte des critères économiques A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

17 Pas de solution universelle
REMARQUE : L’un des objectifs des électrotechniciens a été d’obtenir avec des moteurs à courants alternatifs un fonctionnement aussi souple que celui du moteur à courant continu à excitation séparée sans les inconvénients (collecteur) et avec des caractéristiques dynamiques supérieures. On peut ainsi citer : - le pilotage vectoriel du moteur asynchrone - le moteur autosynchrone dont la version très utilisée en robotique et productique est aussi appelée moteur DC Brushless (à courant continu sans balais) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

18 Bibliographie : « la vitesse variable » EDF/Techno-Nathan/Gimelec
Catalogue Télémécanique 1990 : « commande de puissance électronique des moteurs » Document sur la variation de vitesse des moteurs à courants alternatifs par Philippe Ladoux – voir le site internet de Toulouse. A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

19 Diode et thyristor idéaux
vd id i G Pour iG>iGT même comportement que la diode A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

20 Les diodes idéales sont passantes dès que la tension « anode cathode » est positive, les thyristors doivent en plus recevoir un signal de gâchette. Cela permet donc de retarder la conduction des thyristors par rapport aux diodes. A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

21 Ces composants sont utilisés en commutation :
Signal de commande suffisant (ex : courant de base dans le cas d’un transistor bibolaire)  le composant se comporte comme un interrupteur fermé (ex : transistor saturé) Absence de signal de commande  le composant se comporte comme un interrupteur ouvert (ex : transistor bloqué) A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

22 Interrupteurs électronique unidirectionnels
Ils sont réalisés le plus souvent à l’aide de transistors mais aussi dans le cas de fortes puissances à l’aide de thyristors (2 au minimum par interrupteur : celui d’allumage et celui d’extinction) ou de GTO Dans tous les cas le symbole utilisé sera : A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

23 On utilise le plus souvent des groupements de diodes ou de thyristors de ce type :
Un seul des composants est passant à un instant donné. Il est alors considéré comme un interrupteur fermé, les autres étant ouverts A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

24 Structure de base d’un redresseur
I courant unidirectionnel M Tension redressée Réseau alternatif La valeur moyenne de la tension redressé n’est réglable que si l’on utilise des thyristors (par l’intermédiaire de l’angle de retard à l’amorçage) Lorsque des diodes et des thyristors sont utilisés, on parle de pont mixte. Lors de l’utilisation d’un pont tout thyristors, la tension redressée peut être en partie négative. Seul ce montage permet l’utilisation de la machine sur deux quadrants Pour un fonctionnement dans les 4 quadrants de la machine, il faut utiliser 2 ponts tout thyristors montés tête-bêche A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

25 On commande périodiquement un interrupteur : la tension continue (Ug) est découpée, et on obtient une tension (v) en créneaux de valeur moyenne positive réglable Ug v On définit le rapport cyclique du hacheur comme étant le rapport de la durée de fermeture de l’interrupteur sur sa période de fonctionnement A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

26 Hacheur série Il est utilisé par exemple comme variateur de vitesse d’un moteur à courant continu. Il ne permet le fonctionnement de la machine que dans le 1er quadrant A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

27 Hacheur quatre quadrants
On utilise une structure en pont : Les interrupteurs ne sont pas nécessairement des transistors bipolaires comme sur le schéma L’ensemble interrupteur diode est appelé montage antiparallèle L’alimentation continue doit être réversible Ug v M A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

28 A partir d’une tension continue ( U), par découpage, on présente à la charge une tension (v) en créneaux alternative Principe : onduleur à 2 interrupteurs : Les interrupteurs sont toujours dans des états contraires U U v A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003

29 Onduleur de tension monophasé
En monophasé, la structure la plus pratique est celle du pont en H (identique à celle du hacheur 4 quadrants seule la stratégie de commande des interrupteurs change) Ug v M ~ A.Monge Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille 6 juin 2003