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L’ INVERTER OU LE VARIATEUR DE FREQUENCE Page 1 / 32 L’ INVERTER OU VARIATEUR D

L’ INVERTER OU LE VARIATEUR DE FREQUENCE Page 1 / 32 L’ INVERTER OU VARIATEUR DE FREQUENCE POUR MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE A ROTOR EN COURT-CIRCUIT DÉFINITION: L ‘inverter ou variateur de fréquence est un convertisseur de tension AC à fréquence fixe (monophasé ou triphasé ) vers une tension AC à fréquence variable (triphasé). Le nom INVERTER provient de l’anglais et signifie “inverseur”, son origine vient du fait que l’on passe d’un courant alternatif à un courant continu pour, à posteriori, générer un nouveau courant alternatif conforme à nos besoins. Utilité: L’inverter ou variateur de fréquence permet de faire varier la vitesse de rotation d’un moteur asynchrone triphasé ( la vitesse dépend du nombre de poles du moteur et de la fréquence secteur qui alimente celui ci )en fessant varier la fréquence de la tension d’alimentation de celui ci on fait varier la vitesse de rotation du moteur. PROBLEME : Comment entraîner à vitesse variable le moteur d’un compresseur pour permettre d'avoir une variation débit de fluide frigorigène ? I. INTRODUCTION A ) UN PEU DE TECHNOLOGIE Le stator est la partie fixe (contrairement au rotor) d'un moteur asynchrone triphasé. Il est constitué : - de la carcasse (généralement en acier ou en aluminium moulé) - du circuit magnétique (constitué d'un empilage de tôles en acier doux au silicium) - des enroulements bobinés (générateurs du champ tournant) L'empilage de tôles est maintenu dans la carcasse (voir photo n°1). Le tube ainsi crée présente des encoches où sont placés les conducteurs des enroulements (voir photo n°2). Les enroulements qui peuvent être couplés, soit en triangle, soit en étoile, présentent une ou plusieurs paires de pôles suivant la manière dont sont bobiné les enroulements. Tôle de stator d'un moteur asynchrone LE VARIATEUR DE FREQUENCE par Marcel Page 2 / 34 Photo n°1 Photo n°2 carcasse circuit magnétique encoche enroulements bobinés Stator en alliage d'aluminium et circuit magnétique Stator avec les enroulements bobinés B ) FREQUENCE DE ROTATION DU CHAMP TOURNANT Les bobinages du stator présentent donc plus ou moins de pôles, ce nombre est fixé à la fabrication du moteur. En fonction du NOMBRE DE PAIRE DE POLES la fréquence de rotation du champ tournant sera plus ou moins élevée, Cette fréquence de rotation peut être calculée grâce à la relation suivante : ns = fréquence de rotation du champ tournant en tr / s f = fréquence du réseau d’alimentation en Hz p = nombre de paires de pôles C ) COMMENT AGIR SUR LA VITESSE DE ROTATION DU CHAMP TOURNANT Pour agir sur la fréquence de rotation du champ tournant (donc celle du rotor) d'un moteur asynchrone triphasé, on peut agir sur les deux paramètres f et p de la formule précédente. C-1 Action sur le nombre de paire de pôles : P On s'aperçoit d'après la formule du chapitre B que la fréquence de rotation d'un moteur asynchrone triphasé est directement lié au nombre de paire de pôles p du bobinage. - Si le nombre de paire de pôles AUGMENTE ,la fréquence de rotation d'un moteur DIMINUE - Si le nombre de paire de pôles DIMINUE ,la fréquence de rotation d'un moteur AUGMENTE Remplir le tableau ci-dessous avec les principale fréquence de rotation du champ tournant d'un moteur asynchrone triphasé pour un réseau de 50 Hz (tableau à remplir en tr / min). Nombre de paire de pôles 1 2 3 4 fréquence de rotation du champ tournant pour un réseau 50 Hz 3000 tr / min 1500 tr / min 1000 tr / min 750 tr / min f nstatorique = p LE VARIATEUR DE FREQUENCE par Marcel Page 3 / 34 CONCLUSION : Une action sur le nombre de paire de pôles d'un moteur asynchrone triphasé permet d'obtenir des fréquences de rotation différentes mais fixes et la plage de vitesse n'est pas variée. (moteurs à couplage de pôles type DAHLANDER et moteurs à enroulements indépendants) + (exemple d'un monte charge). C-2 Action sur la fréquence d'alimentation du moteur : f Toujours d'après la formule du chapitre B, on s'aperçoit que la fréquence de rotation d'un moteur asynchrone triphasé est directement liée à la fréquence f du réseau l'alimentant. - Si la fréquence AUGMENTE , la fréquence de rotation d'un moteur AUGMENTE - Si la fréquence DIMINUE , la fréquence de rotation d'un moteur DIMINUE CONCLUSION : Une variation progressive et régulière de la fréquence de l'alimentation d'un moteur asynchrone triphasé permet une variation de sa fréquence de rotation en toute souplesse et sans à coups (variateur de fréquence). PROBLEME : La fréquence du réseau EDF est fixe et égale à 50 Hz. II. LA VARIATION DE LA FREQUENCE A ) COMMENT FAIRE VARIER LA FREQUENCE DE L'ALIMENTATION D'UN MOTEUR La solution passe par l'utilisation de variateur de fréquence, plus communément appelé variateur de vitesse. L'utilisation d'un tel convertisseur permet d'obtenir une plage de variation de vitesse allant de 0 (f = 0 Hz) à la vitesse nominale du moteur (f = 50 Hz). On peut même faire fonctionner le moteur en survitesse si la fréquence dépasse les 50 Hz. Nous allons découvrir dans la suite du cours comment sont obtenues ces fréquences variables. A-1 Schéma de principe d'un variateur L1 U1 L2 V1 L3 W1 REDRESSEUR FILTRAGE ONDULEUR Réseau à Réseau à fréquence fixe (50 Hz) fréquence variable A-2 Structure d'un variateur de fréquence industriel Les variateurs de fréquence industriels comportent principalement comme on vient de le voir sur le schéma précédent : LE VARIATEUR DE FREQUENCE par Marcel Page 4 / 34 - Un REDRESSEUR (monophasé ou triphasé) permettant d'élaborer UNE SOURCE DE TENSION CONTINUE. - Un circuit de FILTRAGE (permettant l'obtention d'un signal pratiquement continu). - Un ONDULEUR TRIPHASE autonome qui recrée à partir de la tension continue fixe un réseau de tension alternative triphasé de FREQUENCE ET DE TENSION VARIABLE. III. ETUDE DU FONCTIONNEMENT D'UN ONDULEUR A ) PRINCIPE Avant de découvrir la structure réelle d'un variateur industriel, nous allons tout d'abord étudier le principe de fonctionnement de l'onduleur représenté sur le schéma ci-dessous. Onduleur monophasé (montage en pont) B ) PRINCIPE DE L'ONDULEUR MONOPHASE EN PONT è Dans un premier temps nous allons étudier la forme de la tension et du courant aux bornes de la charge si les interrupteurs sont commandés périodiquement par paire (T1, T4 sur la première demi période et T2, T3 sur la seconde demi période). T1 1 T2 2 T4 4 CHARGE E I U T3 3 T1 1 T2 2 T4 4 CHARGE E I U T3 3 PREMIERE DEMI-PERIODE - Les commutateurs T1 et T4 sont FERMES - Les commutateurs T2 et T3 sont OUVERTS - Dans cette phase du fonctionnement on a : U = E DEUXIEME DEMI-PERIODE - Les commutateurs T2 et T3 sont FERMES - Les commutateurs T1 et T4 sont OUVERTS - Dans cette phase du fonctionnement on a : U = - E T1 1 T2 2 T4 4 CHARGE E T3 3 La source de tension continue est dans la réalité délivrée par le REDRESSEUR. Les interrupteurs T1,T2,T3 et T4 sont dans la réalité des composant d'électronique de puissance. LE VARIATEUR DE FREQUENCE par Marcel Page 5 / 34 u (t) i (t) E t -E Forme de la tension et du courant dans le 1 er cas è Dans un second temps nous allons étudier la forme de la tension et du courant aux bornes de la charge si les interrupteurs sont commandés périodiquement par paire avec en plus un temps "d'ouverture" des 4 interrupteurs à intervalle régulier. u (t) i (t) E β π t -E Forme de la tension et du courant dans le 2 ème cas PROBLEME : Ce type de commande est assez utilisé en monophasé, mais le courant obtenu est loin d'être sinusoïdal ce qui génère des harmoniques qui "polluent" le réseau. On peut faire fonctionner un onduleur triphasé sur le même principe mais la forme de la tension obtenue introduit des harmoniques importants qui perturbent le fonctionnement du récepteur, surtout dans le cas d'un moteur asynchrone. C ) SOLUTION AU PROBLEME : FAIRE FONCTIONNER L'ONDULEUR EN M.L.I. C-1 Solution au problème : faire fonctionner l'onduleur en M.L.I. Le terme M.L.I. signifie : Modulation de Largeur d'Impulsion.Son principe est le suivant : La tension continue d’entrée de l'onduleur est hachée de façon à créer une succession de créneaux d’amplitude égale à celle-ci, mais de largeur variable (voir la forme des courbes de tension ci-dessous). Il en résulte un courant qui à une forme très proche d'une sinusoïde. La rotation du moteur est donc régulière et sans à coup, y compris à très basse vitesse (voir la forme de la courbe de courant page suivante). C-2 Schéma structurel d'un onduleur M.L.I. triphasé LE VARIATEUR DE FREQUENCE par Marcel Page 6 / 34 Redresseur Filtrage Onduleur T1 T2 T3 L1 L2 L3 T4 T5 T6 Vers U1 V1 W1 du moteur C-3 Courbes de tension et de courant 40 ms t forme de la tension de sortie pour f = 25 Hz f du signal ci dessus uploads/Ingenierie_Lourd/ inverter-variateur.pdf