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La variation de vitesse des La variation de vitesse des moteurs asynchronesmoteurs asynchrones

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pgfgnn s

)1()1( −=−=

Pairede pôles

Vitessede rotation

Vitesse duchamp tournant

fréquenceglissement

Principes

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Pour faire varier la vitesse il faut :

•Modifier le nombre de pôles

•Le glissement

•La fréquence d’alimentation

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Couplage de pôlesCouplage de pôles

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Action sur les pôles

•p est un nombre entier.•Les différentes vitesses seront des multiples.•Dans la pratique on limite la variation à deux vitesses (PV et GV).•Le moteur est plus volumineux et plus cher.

pgfn )1( −=

2 technologies sont utilisées suivant le rapport

- rapport quelconque : stator à enroulements séparés - rapport = 2 : stator composé de 6 demi-bobines

PVGV

On parle de variation par couplage de pôles

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T/Tn I/In

1000 3000 1000 3000

caractéristiques du couple et du courant en fonction de la vitesse

Action sur les pôles

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En grande vitesse les enroulements PV supportent des contraintes mécaniques et électriques importantes qui sont prises en compte dans la conception du moteur. Les puissances absorbées en GV et PV sont souvent très différentes ce qui nécessite un relais de protection thermique par vitesse.

PV

GV

Action sur les pôles Rapport GV/PV quelconque

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On a 4 pôles PVOn a le couplage triangle série

On a 2 pôles GV

On a le couplage étoile parallèle

L1

L2L3 L2

L1 L3

Action sur les pôlesRapport GV/PV =2

Le moteur Dahlander est constitué de 6 demi enroulements

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Câblage de la plaque à bornes

PVtriangle série

GVétoile parallèle

L1 L2 L3

L3 L2 L1

Action sur les pôlesRapport GV/PV =2

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La protection de moteur à couplage Dahlander

T/Tn I/In

1000 3000 1000 3000

P ’ P Cr

1500

Les courants absorbésen PV et GV

sont très différents.

Il est nécessaire de prévoirune protection thermique

séparées pour chaquefonctionnement .

Action sur les pôlesRapport GV/PV =2

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Action sur le glissementAction sur le glissement

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Au moyen d’un gradateur qui modifie la valeur efficace de la tension statorique

Du fait de sa faible plage de variation de vitesse sur moteur à cage standard, le gradateur statorique est surtout utilisé sur des machines dont le couple résistant est de type parabolique(ventilateur).

Action sur le glissement

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Rhéostat de glissement rotorique

Action sur le glissementAu moyen d’un gradateur qui modifie la valeur efficace des courants rotoriques (résistance variable).

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Action sur le glissement

Cr

En modifiant la résistance rotorique, on agit sur le glissement tout en conservant un couple maximal constant.

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Action sur le glissementP(Ωn, Cn)P ’(Ωs, 0)

Cr

C

Ω

P

P ’

Puissance absorbée =(Cn . Ωs) (Cn . Ωn)

Puissance utile + pertes

Grandevitesse

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Action sur le glissement

Inconvénient : - rendement très faible sauf avec cascade hyposynchrone- échauffement du moteur

Cr

C

Ω

P

P ’

Petitevitesse

Augmentation des pertes

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Cascade hyposynchrone La récupération de l'énergie rotorique assure un excellent rendement, voisin de celui du moteur seul.

Le facteur de puissance de la cascade est plus faible que celui du moteur seul et il y a nécessité de le relever avec une batterie de condensateurs.La cascade ne peut démarrer seule : il est nécessaire de prévoir un dispositif annexe de démarrage par résistances rotoriques.

Action sur le glissement

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Action sur la fréquenceAction sur la fréquence

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Action sur la fréquence

pfns =

Agir sur la fréquence, modifie la vitesse de synchronisme

ainsi que le point de fonctionnement

Cr P1P2P3

ns1

f1

ns2

f2<f1

ns3

f3<f2

Remarque:Les pertes sontconstantes

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On distingue:

•La conversion directe par cycloconvertisseur.

•La conversion indirecte par variateur de vitesse à commande scalaire ou vectorielle.

Action sur la fréquence

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C'est un convertisseur de fréquence, dont la fréquence de sortie est faible devant celle du réseau d'alimentation (1/3 maximum). Le montage complet nécessite 36 thyristors pour une machine triphasée.

Action sur la fréquence conversion directe par cycloconvertisseur

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L a machine asynchrone, en raison de son faible coût et de sa robustesse, constitue actuellement la machine la plus utilisée pour réaliser des variateurs de vitesse.

De par sa structure, la machine asynchrone à cage d'écureuil possède un défaut important par rapport à la machine à courant continu et aux machines de type synchrone. En effet, l'alimentation par une seule armature fait que le même courant crée le flux et le couple et ainsi les variations du couple provoquent des variations du flux.

Ce type de couplage donne à la machine asynchrone un modèle complètement non linéaire, ce qui complexifie beaucoup la commande de cette machine.

Action sur la fréquence

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Scalaire(U/f)- Commande fondée sur le modèle de la machine en régime

permanent.– Boucle Ouverte

• Contrôle par mesure du courant– Boucle Fermée

• Correction en fonction de la vitesse réelle- Simple à implanter.- Dynamique lente.- Contrôle des grandeurs en amplitude.

Action sur la fréquence conversion indirecte(Choix du type de commande)

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Vectorielle- Commande fondée sur le modèle de la machine en régime

transitoire (Park :découplage du flux et du couple)– Boucle Ouverte

• Tout repose dans l’estimation du modèle.– Boucle Fermée

• Les meilleures performances.- Précision et rapidité- Contrôle du couple à l’arrêt(avec capteur de position ou vitesse)- Chère (codeur ou estimateur de vitesse, DSP) .- Contrôle des grandeurs en amplitude et en phase.

Action sur la fréquence conversion indirecte(Choix du type de commande)

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Contrôle U/f Contrôle U/f ouou

Contrôle scalaireContrôle scalaire

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Pour une bonne maîtrise de l ’équipement, on cherche à conserver un couple moteur maximal constant.A l ’aide du modèle équivalent, on a obtenu l ’expression :

p et L’r sont liés à la construction de la machine

Action sur la fréquence Commande scalaire

sfV

est représentatif du flux magnétisant

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On travaille à flux constant

Action sur la fréquence Commande scalaire

f varie et on veut Cmax⇒

sfV

doit rester constant.

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Action sur la fréquence Commande scalaire

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Conséquence sur lacaractéristique Cm = f(Ω)

à basse vitesse

Commande scalaireLimite du modèle utilisé

A basse vitesse, donc à faible tension V, on a l’influence de Rs qui ne peut être négligée.

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C/Cn

0,5

1

1,5

f(Hz)fn 2fn0

Zone de survitesseà puissance constante

Moteur moto ventilé couple utile permanentMoteur auto ventilé couple utile permanent

Surcouple transitoire

Caractéristiques constructeurs

Pas de coupleaux très basses vitesses

Action sur la fréquence Commande scalaire

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Pour compenser les imperfections du modèle adopté ou l ’adapter à une charge particulière, les constructeurs proposent de modifier la loi U/f.

f(Hz)fn 2 fn

Vn

V

Au démarrage il y a renforcement du flux magnétique⇒ augmentation du couple aux basses vitesses

f(Hz)fn 2 fn

Vn

V

Vd

Action sur la fréquence Commande scalaire

Pour obtenir les caractéristiques précédentes, la loi U/f a l ’allure suivante Zone en régime de ″défluxage″

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Ajustement automatique (boost automatique)La tension délivrée au moteur permet une compensation de la chute de tension RsI suivant la charge.On obtient un couple élevé à basse vitesse tout en maintenant un courant magnétisant faible dans le moteur à vide.il a un temps de réponse plus lent que l ’ajustement manuel.

Ajustement manuel (ou boost manuel)La tension appliquée n ’est pas fonction de sa charge.On obtient un couple élevé à basse vitesse mais on maintient un courant magnétisant élevé dans le moteur à vide avec risque de saturation magnétique (échauffement)

Action sur la fréquence Commande scalaire

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Action sur la fréquence Commande scalaire

ωn

ω-ω-ωn

On en déduit la caractéristique V=f(ω) pour les deux sens de rotation.

boost

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La compensation permet de rattraper le glissement en fournissant un supplément de fréquence

C

N (ou f)Cr1

P1Cr2

P 2

NsNp1glissement

+∆f

P ’1+∆f

P ’2

(valable pour un point de fonctionnement ou de petites variations)

Commande scalaireCompensation du glissement

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Commande scalaire en tensionSynoptique de la commande

Thèse BAGHLI

MLI

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Commande scalaire en courantLa machine est alimentée en courant. Il est nécessaire de déterminer la loi de variation Is =f(ωr ) en gardant un flux statorique constant (Io = cst).

X0V

Is

L’r

Iµ I’r

R’r/g

ZZo

ZZZI

YYYII

os

o

os

+=

+=µ

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Commande scalaire en courant

avec ωr= g ωs

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Commande scalaire en courantSynoptique de la commande

Thèse BAGHLI

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Contrôle Contrôle VectorielVectorielde Fluxde Flux

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U

WV

Contrôle vectoriel de fluxOn peut montrer que le MAS triphasé peut être représentée par un système biphasé dans un repère tournant à la vitesse du champ statorique. Les grandeurs électriques deviennent des grandeurs continues.

Q

D

qcouple

dflux

iq

id

ϕs

Ωs

ϕs

Ωs

Transformation de Park

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Contrôle vectoriel de flux

L0V

Iµ I’rL’r

R’r/g

ZZZI

YYYII

o

os

osr

+=

+='

ZZo

Is

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2''3r

r

se I

gRC

Ω=

Contrôle vectoriel de flux Couple électromagnétique

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Pour imposer ou contrôler le couple il faut :- maîtriser Is et ωR

- connaître R’r et Lo,L’r

Mesurés par des capteurs

Fournies par les constructeurs ou par identification au démarrage du moteur

Contrôle vectoriel de flux

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Transformation de ParkRappels

Cette transformation consiste, tout d’abord, à remplacer le moteur triphasé par le moteur biphasé équivalent.

D’un système triphasé fixe (a,b,c) on passe à un système biphasé fixe αβ (les grandeurs restent sinusoïdales).

Puis on passe à un repère tournant à la vitesse du champ statorique. Dans ce repère les grandeurs deviennent continues.

Concordia

ou Clarke Park

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~=

~=

M

Gén

érat

eur

MLI

2/3Im

IdIq

IaIb

Iq’Id’

2/3ImId

Iq

intégrateurθs

Id

Id’

Iq

Iq’Référencecourant/couple

Référenceflux

réseau

ωR mesuréeou calculée

ωG

calculée

Référencevitesse

ωsωR

GI

Contrôle vectoriel de flux

Schéma fonctionnel (très simplifié)

Park

Park-1

VaVb

Vc

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~=

~=

M

réseau

Logique decommutation

Modèle moteur

adaptatif

Commandedes I.S.

Régulateurconsignecouple

Consigne couple

Consignevitesse

Régulateurvitesse

PID

vitesse réelle

Flux réel

Régulateur de consigne de flux

Opt

imis

atio

nflu

x

Frei

nage

cont

rôle

du

flux

Aff

aibl

isse

men

tsu

rvite

sse

Coupleréel

Synoptique contrôle vectoriel de fluxSans capteur de vitesse ou de position

Estimateur

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Contrôle vectoriel de fluxSans capteur de vitesse ou de position

Park-1

Park

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• Des performances exceptionnelles dans la mesure où la machine est parfaitement connue et la commande parfaite.

• Requiert une bonne connaissance des paramètres de la machine asynchrone, paramètres évoluant en fonction des conditions d’exploitation de la machine (température, saturation,…).

• Il y a contrôle vectoriel et contrôle vectoriel!!

Comparatif avec machine synchrone (terre-rare):* robustesse, prix: ++

* couple massique/volumique: - -

* rendement: -

* précision: machine synchrone + simple…et donc mieux contrôlée.

Contrôle vectoriel de fluxConclusion

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StructureStructureInterneInterne

d ’un Variateurd ’un VariateurMLIMLI

50

Redresseur

Structure et commande classique: redresseur à diode/thyristors, onduleur à « transistor »

Onduleur

MoteurC

tension tension tension

actio

n

courantcourantcourantréac

tion

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Traitement des informations

Structure interne d ’un variateur MLI

réseau

Commande des voies

afficheurclavier

priseDB9

CAN

Bor

nier

ent

rées

/ so

rties

DT

CANU I

CAN

Toutes les grandeurs rentrantes ou sortantes du µP sont optocouplées

52document Schneider

Structure interne d ’un variateur MLI

53

Câblage d ’un variateur MLI

54

FINFIN