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Royaume du Maroc OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU TRAVAIL Cours 13A Commande électronique des machines électriques Résumé de théorie Deuxième Année Programme de Formation des Techniciens Spécialisés en Électronique DIRECTION DE LA RECHERCHE ET INGÉNIERIE DE LA FORMATION Septembre 1996 Résumé de théorie Commande électronique des machines électriques TECCART INTERNATIONAL 2000 inc. 3155, rue. Hochelaga, Montréal, Québec (Canada) H1W 1G4 RÉDACTION Michel Puche DESSINS ET CONCEPTION GRAPHIQUE Michel Puche RÉVISION TECHNIQUE Pierre Asselin RÉVISION LINGUISTIQUE François Gaudreau COMMISSION DE VALIDATION Formateurs de l’OFPPT Les droits de reproduction et de diffusion de ce document sont cédés par Teccart International 2000 inc. à l’Office de la Formation Professionnelle et de la Promotion du Travail du Royaume du Maroc, pour sa propre utilisation au Maroc. Mis à part l’OFPPT, toute reproduction, en tout ou en partie, par quelque procédé que ce soit, est interdite. Module 2 Page ii OFPPT/TECCART Résumé de théorie Commande électronique des machines électriques TABLE DES MATIÈRES 2. COMMANDE ÉLECTRONIQUE DES MOTEURS 2.1 Introduction 2.2 Commande de vitesse pour moteur à courant continu 2.2.1 Caractéristiques d’un moteur à courant continu.......................................................... 2.2.2 Variateur de vitesse à thyristors................................................................................... 2.2.3 Variateur de vitesse réversible..................................................................................... 2.2.4 Régulation de vitesse................................................................................................... 2.2.5 Régulation par génératrice tachymétrique................................................................... 2.2.6 Régulation par tension d’armature............................................................................... 2.3 Variateur de vitesse Rectivar 4 2.3.1 Discussion.................................................................................................................... 2.3.2 Schéma fonctionnel...................................................................................................... 2.3.3 Caractéristiques électriques.......................................................................................... 2.3.4 Raccordement............................................................................................................... 2.3.5 Carte de contrôle.......................................................................................................... 2.3.6 Choix d’un variateur pour un convoyeur transportant des agrégats............................ 2.3.7 Schéma synoptique...................................................................................................... 2.3.8 Maintenance du variateur RECTIVAR 4..................................................................... 2.4 Variateurs de vitesse avec hacheur 2.5 Commande de vitesse des moteurs à courants alternatifs 2.6 Variateur de vitesse avec gradateur 2.7 Variateur de vitesse avec onduleur autonome 2.7.1 L’onduleur autonome à source de tension................................................................... 2.7.2 L’onduleur autonome à modulation de largeur d’impulsion (MLI)............................ 2.8 Variateur de vitesse ALTIVAR 2.8.1 Caractéristiques électriques.......................................................................................... 2.8.2 Raccordement du variateur.......................................................................................... 2.8.3 Loi tension- fréquence................................................................................................. 2.9 Application d’un variateur à fréquence variable 2.9.1 Station de pompage avec réducteur de pression.......................................................... 2.9.2 Station de pompage avec variateur.............................................................................. 2.10 Maintenance du variateur de vitesse ALTIVAR 16 Module 2 Page iii OFPPT/TECCART Résumé de théorie Commande électronique des machines électriques 2. Commande électronique des moteurs 2.1 Introduction La commande de vitesse des moteurs constitue l’application la plus importante de l’électronique de puisssance. Les installations industrielles utilisent de plus en plus des variateurs électroniques de vitesse à thyristors, soit pour obtenir la vitesse d’entraînement optimale de machines pour chaque étape d’un procédé industriel, soit pour asservir la vitesse d’un ou de plusieurs moteurs entraînant des équipements électromécaniques. Dans le cas des entraînements contrôles à vitesse variable, on utilise principalement les moteurs à courant continu à excitation séparée et les moteurs à courant alternatif triphasés asynchrones. Les moteurs à courant continu sont alimentés à partir :  d’un réseau alternatif (monophasé ou triphasé) par l’intermédiaire de redresseur à thyristors (Figure 2 -1);  de redresseurs à diodes suivis de hacheurs à thyristor (Figure 2 -2);  d’une batterie d’accumulateurs par l’intermédiaire de hacheurs à thyristors (Figure 2 -3). Redresseur à thyristors Moteur c.c Alimentation c.a FIGURE 2-1 REDRESSEUR À THYRISTORS Alimentation c.a Redresseur à diodes Hacheur à thyristors Filtre Moteur c.c FIGURE 2-2 REDRESSEUR ET HACHEUR DE COURANT Hacheur à thyristors Alimentation c.c Moteur c.c FIGURE 2-3 HACHEUR DE COURANT Depuis les années 70, on utilise de plus en plus des moteurs à courant alternatif (synchones et asynchrones). Ces moteurs sont plus robustes que les moteurs à courant continu ayant des performances similaires et leur coût est moins élevé. Module 2 Page 1 OFPPT/TECCART Résumé de théorie Commande électronique des machines électriques Les moteurs à courant alternatif sont alimentés par des tensions et des fréquences variables à partir :  de gradateurs à thyristors ( Figure 2 -4) ;  d’onduleurs autonomes à fréquence variable (Figure 2 -5) ;  de cycloconvertisseurs ( Figure 2 -6). Gradateur à thyristors 3 Alimentation triphasée FIGURE 2-4 GRADATEUR Redresseur Onduleur autonome à fréquence variable 3 Alimentation c.a monophasée ou triphasée FIGURE 2-5 ONDULEUR AUTONOME À FRÉQUENCE VARIABLE Cycloconvertisseur à thyristors 3 Alimentation triphasé FIGURE 2-6 CYCLOCONVERTISSEUR Module 2 Page 2 OFPPT/TECCART Résumé de théorie Commande électronique des machines électriques 2.2 Commande de vitesse pour moteur à courant continu Les moteurs à courant continu sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles, bien que leur construction soit plus complexe que celle des moteurs à courant alternatif. Les avantages de ces moteurs sont :  une large gamme de variations de vitesse au-dessus et au-dessous de la vitesse de régime ;  un fonctionnement avec des couples constants ou variables ;  une accélération, un freinage et une inversion du sens de rotation très rapide, ce qui est avantageux dans le cas des appareils de levage et des machines outils ;  une vitesse de rotation qui peut être régulée par l’intermédiaire d’un système de rétroaction ;  la possibilité de fonctionner comme générateur lors du freinage par récupération d’énergie. 2.2.1 Caractéristiques d’un moteur à courant continu La vitesse d’un moteur à courant continu est inversement proportionnelle au flux inducteur et directement proportionnelle à la force contre-électromotrice du moteur.Cette relation nous est donnée par L’Equation 2 -1. N F C E M K  . . .  EQUATION 2-1 Le couple du moteur est proportionnel au flux inducteur et au courant de l’inducteur (Equation 2 -2). C K     IA EQUATION 2-2 La puissance mécanique est proportionnelle au couple et à la vitesse du moteur (Equation 2 - 3). P C N    0 105 , EQUATION 2-3 On peut faire fonctionner le moteur à couple constant en variant la tension de l’induit. Dans ce cas, la puissance varie en fonction de la vitesse. Si on varie le flux inducteur et si l’on garde la tension de l’induit constante, le couple variera inversement proportionnellement à la vitesse du moteur, et la puissance demeurera constante. La Figure 2 -7 nous montre la relation entre le couple et la puissance du moteur en fonction de la vitesse. Module 2 Page 3 OFPPT/TECCART Résumé de théorie Commande électronique des machines électriques couple constant puissance constante N n P C P C , N FIGURE 2-7 PUISSANCE ET COUPLE EN FONCTION DE LA VITESSE Dans l’industrie, 90% des applications fonctionnent à couple constant. Ainsi on retrouve le fonctionnement à puissance constante dans les pompes, les machines outils et les systèmes d’enroulement. 2.2.2 Variateur de vitesse à thyristors Les convertisseurs alternatif- continu sont les variateurs de vitesse les plus répandus pour les moteurs à courant continu, puisqu’ils utilisent directement la tension du réseau. Ils sont monophasés ou triphasés. Les ponts monophasés sont utilisés dans les variateurs de faible puissance (jusqu’à 10kw environ). Ils comprennent soit un pont complet de quatre thyristors (Figure 2 -8) ou un pont mixte à deux thyristors et deux diodes. Les ponts triphasés sont employés pour les puissances supérieures à 10kw. On peut choisir un pont complet à six thyristors ou mixte à trois thyristors et trois diodes. D1 D3 D2 D4 A+ A- F+ F- M tension c.a th1 th2 th3 th4 tension c.a FIGURE 2-8 REDRESSEUR À THYRISTORS MONOPHASÉS 2.2.3 Variateur de vitesse réversible Un variateur est réversible lorsqu’il permet un changement rapide du sens de marche. Cela nécessite une commande à quatre cadrants. La Figure 2 -9 représente les quatre cadrants Module 2 Page 4 OFPPT/TECCART Résumé de théorie Commande électronique des machines électriques dans lesquels un variateur réversible peut fonctionner. La vitesse est indiquée sur l’axe horizontal et le couple, sur l’axe vertical. 1 4 3 2 + + - - N N N N N N C C N: vitesse C: couple FIGURE 2-9 REPRÉSENTATION DES QUATRE QUADRANTS DU COUPLE ET DE LA VITESSE Premier quadrant : Le moteur fonctionne dans le sens direct. Le couple et la vitesse sont positifs. Deuxième quadrant : Le moteur fonctionne en sens inverse (vitesse négative) et le couple est positif (période de freinage ou récupération) Troisième quadrant : Le moteur fonctionne en sens inverse et le couple est négatif. Quatrième quadrant : Le couple est négatif et la vitesse est positive (période de freinage ou récupération). Déroulement d’un cycle normal : Démarrage dans le sens direct (quadrant 1) ; freinage et récupération (quadrant 4). Démarrage dans le sens inverse (quadrant 3) ; freinage et récupération (quadrant 2). Pour réaliser un variateur de vitesse réversible à quatre quadrants, on utilise le montage de la Figure 2 -10 qui est constitué de deux ponts à thyristors. M tension c.a Pont 1 Pont 2 FIGURE 2-10 REDRESSEUR RÉVERSIBLES À THYRISTORS 2.2.4 Régulation de vitesse Les variateurs de vitesse permettent non seulment de contrôler la vitesse et d’inverser le sens de rotation, mais aussi d’asservir la vitesse, soit en la maintenant égale à une valeur Module 2 Page 5 OFPPT/TECCART Résumé de théorie Commande électronique des machines électriques déterminée, quel que soit le couple résistant exercé sur l’arbre. Le schéma synoptique de la Figure 2 -11 présente les principaux éléments d’un variateur de vitesse pour un moteur c.c à excitation séparée. Unité de commande uploads/Industriel/ cours-variateurs-de-vitesse.pdf