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Cahier technique n° 208 Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques D. Cl

Cahier technique n° 208 Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques D. Clenet Collection technique Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titres édités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues et notices techniques. Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permet- tent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les installations, les systèmes et les équipements. Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des automatismes industriels. Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partir du site Schneider Electric. Code : http://www.schneider-electric.com Rubrique : Le rendez-vous des experts Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactez votre agent Schneider Electric. La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique » de Schneider Electric. Avertissement L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte des informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne saurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenus dans cet ouvrage. La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée avec la mention obligatoire : « Extrait du Cahier Technique Schneider Electric n° (à préciser) ». n° 208 Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques CT 208 édition novembre 2003 Daniel CLENET Diplômé de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Brest en 1969. Après une première expérience en variation de vitesse dans la société Alstom, il est entré en 1973 chez Telemecanique dans l’activité variateur de vitesse comme ingénieur de développement. Il a développé des variateurs de vitesse pour moteur à courant continu destinés au marché des machines-outils, des variateurs dédiés aux chariots de manutention ainsi qu’une partie des premiers variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones. Son expérience des applications découle des contacts avec les clients utilisateurs et d’une activité de chef de projet dans le Département des Applications Industrielles de Schneider Electric. On lui doit le lancement du variateur Altivar aux USA dans les années 86 à 90. Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.2 Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.3 Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques Le démarrage en direct sur le réseau de distribution des moteurs asynchrones est la solution la plus répandue et est souvent convenable pour une grande variété de machines. Cependant, elle s’accompagne parfois de contraintes qui peuvent s’avérer gênantes pour certaines applications, voire même incompatible avec le fonctionnement souhaité au niveau de la machine : c appel de courant au démarrage pouvant perturber la marche d’autres appareils connectés sur le même réseau, c à-coups mécaniques lors des démarrages, inacceptables pour la machine ou pour le confort et la sécurité des usagers, c impossibilité de contrôler l’accélération et la décélération, c impossibilité de faire varier la vitesse. Les démarreurs et les variateurs de vitesse suppriment ces inconvénients. La technologie électronique leur a donné plus de souplesse et a étendu leur champ d’application. Mais encore faut-il bien les choisir. Tout l’objet de ce Cahier Technique est de mieux faire connaître ces dispositifs pour faciliter leur définition en cours de conception d’équipement ou pour améliorer voire remplacer un ensemble moteur-appareillage de commande et de protection. Sommaire 1 Historique et rappels 1.1 Historique p. 4 1.2 Rappels : les principales fonctions des démarreurs p. 4 et des variateurs de vitesse électroniques 2 Les principaux modes de fonctionnement et 2.1 Les principaux modes de fonctionnement p. 6 principaux types de variateurs électroniques 2.2 Les principaux types de variateurs p. 8 3 Structure et composants des démarreurs 3.1 Structure p. 10 et variateurs électroniques 3.2 Composants p. 11 4 Variateur-régulateur pour moteur 4.1 Principe général p. 14 courant continu 4.2 Modes de fonctionnement possibles p. 15 5 Convertisseur de fréquence pour 5.1 Principe général p. 16 moteur asynchrone 5.2 Fonctionnement en U/f p. 17 5.3 Commande vectorielle p. 18 5.4 Gradateur de tension pour moteur asynchrone p. 21 5.5 Moto-variateurs synchrones p. 23 5.6 Moto-variateurs pas-à-pas p. 23 6 Les fonctions complémentaires 6.1 Les possibilités de dialogue p. 25 des variateurs de vitesse 6.2 Les fonctions intégrées p. 25 6.3 Les cartes optionnelles p. 26 7 Conclusion p. 27 Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.4 1 Historique et rappels 1.1 Historique Pour démarrer les moteurs électriques et contrôler leur vitesse, les démarreurs rhéostatiques, les variateurs mécaniques et les groupes tournants (Ward Leonard en particulier) ont été les premières solutions ; puis les démarreurs et variateurs électroniques se sont imposés dans l’industrie comme la solution moderne, économique, fiable et sans entretien. Un variateur ou un démarreur électronique est un convertisseur d’énergie dont le rôle consiste à moduler l’énergie électrique fournie au moteur. Les démarreurs électroniques sont exclusivement destinés aux moteurs asynchrones. Ils font partie de la famille des gradateurs de tension. Les variateurs de vitesse assurent une mise en vitesse et une décélération progressives, ils permettent une adaptation précise de la vitesse aux conditions d’exploitation. Les variateurs de vitesse sont du type redresseur contrôlé pour alimenter les moteurs à courant continu, ceux destinés aux moteurs à courant alternatif sont des convertisseurs de fréquence. Historiquement, le variateur pour moteur à courant continu a été la première solution offerte. Les progrès de l’électronique de puissance et de la microélectronique ont permis la réalisation de convertisseurs de fréquence fiables et économiques. Les convertisseurs de fréquence modernes permettent l’alimentation de moteurs asynchrones standard avec des performances analogues aux meilleurs variateurs de vitesse à courant continu. Certains constructeurs proposent même des moteurs asynchrones avec des variateurs de vitesse électroniques incorporés dans une boîte à bornes adaptée ; cette solution est proposée pour des ensembles de puissance réduite (quelques kW). En fin de ce Cahier Technique sont évoqués les évolutions récentes des variateurs de vitesse et la tendance qui se dessine chez les constructeurs. Ces évolutions élargissent notablement l’offre et les possibilités des variateurs. 1.2 Rappels : les principales fonctions des démarreurs et des variateurs de vitesse électroniques Accélération contrôlée La mise en vitesse du moteur est contrôlée au moyen d’une rampe d’accélération linéaire ou en « S ». Cette rampe est généralement réglable et permet par conséquent de choisir le temps de mise en vitesse approprié à l’application. Variation de vitesse Un variateur de vitesse peut ne pas être en même temps régulateur. Dans ce cas, c’est un système, rudimentaire, qui possède une commande élaborée à partir des grandeurs électriques du moteur avec amplification de puissance, mais sans boucle de retour : il est dit « en boucle ouverte ». La vitesse du moteur est définie par une grandeur d’entrée (tension ou courant) appelée consigne ou référence. Pour une valeur donnée de la consigne, cette vitesse peut varier en fonction des perturbations (variations de la tension d’alimentation, de la charge, de la température). La plage de vitesse s’exprime en fonction de la vitesse nominale. Régulation de vitesse Un régulateur de vitesse est un variateur asservi (cf. fig. 1 ). Il possède un système de commande avec amplification de puissance et une boucle de retour : il est dit « en boucle fermée ». Mesure de vitesse Moteur Régulateur Comparateur Consigne de vitesse + - Fig. 1 : principe de la régulation de vitesse. Cahier Technique Schneider Electric n° 208 / p.5 La vitesse du moteur est définie par une consigne. La valeur de la consigne est en permanence comparée à un signal de retour, image de la vitesse du moteur. Ce signal est délivré par une génératrice tachymétrique ou un générateur d’impulsions monté en bout d’arbre du moteur. Si un écart est détecté suite à une variation de la vitesse, les grandeurs appliquées au moteur (tension et / ou fréquence) sont automatiquement corrigées de façon à ramener la vitesse à sa valeur initiale. Grâce à la régulation, la vitesse est pratiquement insensible aux perturbations. La précision d’un régulateur est généralement exprimée en % de la valeur nominale de la grandeur à réguler. Décélération contrôlée Quand un moteur est mis hors tension, sa décélération est due uniquement au couple résistant de la machine (décélération naturelle). Les démarreurs et variateurs électroniques permettent de contrôler la décélération au moyen d’une rampe linéaire ou en « S », généralement indépendante de la rampe d’accélération. Cette rampe peut être réglée de manière à obtenir un temps de passage de la vitesse en régime établi à une vitesse intermédiaire ou nulle : c Si la décélération désirée est plus rapide que la décélération naturelle, le moteur doit développer un couple résistant qui vient s’additionner au couple résistant de la machine, on parle alors de freinage électrique qui peut s’effectuer soit par renvoi d’énergie au réseau d’alimentation, soit par dissipation dans une résistance de freinage. c Si la décélération désirée est plus lente que la décélération naturelle, le moteur doit développer un couple moteur supérieur au couple résistant de la machine et continuer à entraîner la charge jusqu’à l’arrêt. Inversion du sens de marche La majorité des variateurs uploads/Industriel/ ct208.pdf