Le contrôle d’un moteur à induction

1. Le contrôle d’un moteur à induction Guy Gauthier ing. Ph.D. Juillet 2011

2. Le contrôle des moteurs asynchrones en vitesse • La vitesse d’un moteur à induction s’écrit comme suit: • Elle dépend de: • Glissement S; • Fréquence du réseau fp.

3. Contrôle du glissement • Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur le glissement de trois façons: • Changer le nombre de pôles; • Changer le voltage du stator; • Contrôle du rotor • en changeant la résistance du rotor; • par le couplage en cascade

4. Changer le nombre de pôles • La vitesse de synchronisme d’un moteur alimenté à 60 Hz et ayant 2 pôles est de 3600 RPM. • Si le moteur possède 4 pôles cette vitesse est divisée par 2 et devient 1800 RPM. (moteur de type Dahlander) 

5. Changer le voltage au rotor • Le couple du moteur est proportionnel au carré de la tension d’alimentation au stator. • Donc, changer la tension d’alimentation change la vitesse en changeant la position du point d’opération.

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

7. Contrôle de la fréquence • Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur la fréquence alimentant le moteur. • Ce qui mène au variateur électronique de vitesse (drive).

8. Éléments d’un variateur électronique de vitesse

9. Éléments d’un variateur électronique de vitesse

10. Éléments d’un variateur électronique de vitesse

11. Éléments d’un variateur électronique de vitesse

12. Diode et thyristors • Diode: • Thyristor : < 300 Hz

13. Diode et thyristors • GTO : gateturn off thyristor < 1 kHz

14. Transistors • Bipolaire: • MOS: < 10 kHz < 40 kHz

15. Transistors • IGBT: insulatedgatebipolar transistor < 20 kHz

16. Le contrôleur à fréquence variable • Schéma de principe

17. Étape #1: Le redresseur • La tension alternative de 60 Hz (50 Hz) doit être transformée en une tension continue. • Il faut donc insérer un redresseur (ou pont de Graetz). • Selon la composante semi-conductrice le redresseur donne: • Tension moyenne de sortie constante si diode; • Tension moyenne de sortie variable si thyristor.

18. Redresseur à diodes • Pas de contrôle… • Donc la tension moyenne de sortie estconstante. • Tension DC moyenne = 1.35 x la tension AC

19. Redresseur à thyristors • Contrôle de l’angled’amorcage. • Permetunevaleurmoyenne variable en sortie. • Tension DC moyenne = 1.35 * voltage AC * cos(alpha)

20. Redresseur à thyristors • Formesd’onde:

21. Redresseur • Lors du freinage du moteur, le redresseur à thyristor permet de retourner de l’énergie vers le réseau, ce qui n’est pas possible avec un pont de Graetz basé sur des diodes.

22. Étape #2: Le circuit intermédiaire • Le but du circuit intermédiaire est de filtrer le signal en sortie du pont de Graetz. • Si le pont de Graetz est basé sur des diodes, la tension en sortie du circuit ne peut être variée que si le circuit intermédiaire varie cette tension. • Circuit hacheur.

23. Bobine de filtrage • Si le redresseur est contrôlé (thyristors), on utilise une bobine qui filtre les composantes de haute fréquence. • Cette technique permet de retourner de l’énergie à la source de CA lors des freinages.

24. Filtre L-C • Une autre technique utilise un filtre L-C. • Elle fonctionne avec les deux types de redresseurs.

25. Hacheur (chopper) • Cela peut aussi être un circuit appelé “hacheur” qui découpe le signal à CC. • L’onde résultante est filtrée pour obtenir un signal à CC d’amplitude variable.

26. Commande du hacheur • L’amplitude moyenne du signal de sortie est:

27. Après deux étages • Avec un pont de diodes au premier étage et un filtre L-C, le troisième étage reçoit une tension constante. • Avec un pont de diodes au premier étage et un hacheur, le troisième étage reçoit une tension variable. • Avec un pont de thyristors au premier étage et une bobine, le troisième étage reçoit un courant variable.

28. Étape #3: L’onduleur • Si l’onduleur recoit un courant variable, on peut générer un signal à CA. Cet onduleur est dit à source de courant (CSI).

29. Onduleur CSI • L’onduleur CSI comprend 6 thyristors, 6 diodes et 6 condensateurs. • Quand un thyristor est activé il ne peut s’arrêter que si la tension s’inverse, ce qui est le rôle des condensateurs dans ce circuit. • Ces composantes doivent être adaptées à la grosseur du moteur à alimenter.

30. Onduleur CSI

31. Étape #3: L’onduleur • L’autre variante d’onduleur permet de générer un courant de sortie CA. • Exige l’utilisation de transistors.

32. Onduleur à transistors • Les thyristors ne peut être arrêtés que lorsqu’il y a inversion de tension. • Un transistor offre plus de contrôle puisqu’il peut être arrêté à n’importe quel moment.

33. 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 qu’avec les thyristors.

34. Les deux types de modulation • Pulse amplitude modulation (PAM) • Pulse width modulation (PWM).

35. La modulation d’amplitude • Principe: • L’ajustement de la tension dans le bobinage dépend des transistors ouverts et fermés… 1

36. La modulation d’amplitude • Dans ce circuit: • U = 0 ou Um selon l’état de T1 et T2; • V = 0 ou Um selon l’état de T3 et T4. • Ainsi, U-V = -Um, 0 ou +Um. 1

37. PAM • Ainsi, par une commutation adéquate, on peut obtenir une onde sinusoidale.

38. La modulation d’amplitude • 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.

39. La modulation de largeur d’impulsion (PWM) • On peut aussi obtenir une onde sinusoïdale en utilisant la modulation de largueur d’impulsion (PWM).

40. La modulation de largeur d’impulsion (PWM) • Anciennement: méthode analogique. m est un multiple de 3 pour limiter les harmoniques

41. La modulation de largeur d’impulsion (PWM) • Maintenant implanté dans des contrôleurs et des DSP. • Ainsi, on peut obtenir des approches de contrôle plus performantes.

42. Le PWM • L’onduleur varie à la fois l’amplitude et la fréquence.

43. Le PWM • L’amplitude RMS maximale de la sortie est de 86.6 % la tension d’entrée de l’onduleur.

44. Le PWM et la fréquence • La fréquence fv à un impact sur la qualité du signal. Mais, un compromis doit être fait. • fv faible augmente les pertes dans le moteur; • fv grand augmente les pertes dans l’onduleur.

45. Le problème des harmoniques • Exemple des harmoniques présentes pour une modulation d’amplitude à 6 impulsions.

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

47. Le problème des harmoniques • Visualisation des champs tournants:

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

49. Commande scalaire • Le couple maximal d’un moteur asynchrone se produit quand le glissement S est: • Et est égal à:

50. Commande scalaire • En changeant à la fois la fréquence et la tension pour maintenir le rapport vf/ωp, le flux dans le moteur est maintenu constant et la caractéristique du moteur se déplace.