Publications techniques

2008

Guide des solutions dautomatisme

Avant Propos

La version prcdente de cet ouvrage a t publie dans les annes 80 et remise jour en 1994 sous le nom Les aspects pratiques du contrle industriel , galement connu sous le terme de Schmathque . Au cours des 20 dernires annes, le monde des automatismes industriels a connu dimportantes volutions. Ces changements ont deux origines principales : les tendances du march et les avances technologiques.

March et clientsAfin de rpondre la demande croissante, de faire face aux importantes pressions sur les cots et de dfendre leurs avantages concurrentiels, les fabricants sont contraints de travailler sur des cycles de production de plus en plus courts et de renouveler ou faire voluer frquemment leurs produits. Ils se concentrent sur deux principes fondamentaux : la rduction permanente des cots et linnovation dans les produits principaux. Pour ces raisons, de plus en plus dindustriels se sont surtout recentrs sur le march en aval et ont externalis les oprations non principales. En outre, ils ont intensifi la demande dadaptation et de flexibilit du processus de production. Au cours des 20 dernires annes, nous avons constat une tendance favorisant lexternalisation de la conception, de la gestion de projets et de la ralisation vers des bureaux de ralisation densembles, des intgrateurs de systmes et des ensembliers (OEM). Ces fournisseurs dautomatismes sont devenus les partenaires incontournables du march externalis et se sont spcialiss dans un nombre limit dapplications afin dtre des partenaires crdibles prts assumer leur part de responsabilit et de risque. Dans cette nouvelle configuration grande chelle, les constructeurs de machines ont souvent t en mesure dagrandir leur primtre afin de devenir les dtenteurs principaux du savoir-faire dans de nombreux domaines. Comme leur rle dans la technique sapprofondit et que la complexit des machines augmente, les constructeurs de machines sont amens largir ltendue de leurs comptences principales. Le temps darrive sur le march des quipements produits par les constructeurs de machines se rduit pour se conformer aux volutions des exigences des utilisateurs finaux. Cette pression sur la rapidit se reporte sur les fournisseurs des constructeurs de machines tels que les tableautiers qui fournissent de plus en plus de solutions globales. Dautres acteurs, tels que les bureaux de ralisation densembles et les intgrateurs de systmes, ont suivi la mme tendance. La valeur essentielle gnre par les intgrateurs de systmes est la spcification du systme (choisir la solution en accord avec les caractristiques et le rendement raliser dans un cas particulier). Ils ont une position neutre sur la slection de la marque. A la suite de lexternalisation des activits techniques par les fabricants, les bureaux de ralisation densembles se sont vus dlguer un pouvoir de spcification accru pour les produits de contrle industriel et dautomatisme. Ces industriels, en se recentrant sur leurs activits principales, ont fait reposer une double responsabilit sur les fournisseurs : la rduction du cot total de la proprit et la garantie de qualit de la prestation. En contrepartie, ils les laissent dcider de la solution. Le pouvoir de prescription ayant t transfr, les intermdiaires prconisent souvent des solutions globales plutt que des produits spars. Les bureaux de ralisation densembles, intgrateurs de systmes, constructeurs de machines et tableautiers, devant prendre de plus en plus de responsabilits pour fournir des solutions, exigent que leurs fournisseurs de produits fassent preuve de plus en plus de comptence vis--vis des applications en plus de la comptence dj demande concernant les produits.

n

Accs linformation tant pour les besoins du systme dexcution de la fabrication que pour la maintenance, afin doptimiser les cots de production et de rduire les dures des arrts.

Les proccupations ci-dessus se sont traduites en une exigence de techniques de dveloppement plus rapides (approche fonctionnelle) base sur des appareils plus gnriques. Lapproche traditionnelle hirarchique et centralise (Computer Integrated Manufacturing CIM dans un processus tout ou rien et des systmes globaux fonctionnant en continu) de la fin des annes 1990 est devenue obsolte. Elle a t remplace par une architecture plus dcentralise, distribuant les fonctions dautomatisme (traitement, contrle de puissance, scurit) de faon ce quils sadaptent mieux et de manire plus autonome aux fonctions du processus local. La philosophie web a suivi une pntration de haut en bas en capitalisant sur la gnralisation de lEthernet et du protocole TCP/IP tout dabord en sintgrant aux grands automates complexes, puis en migrant progressivement des automates vers des dispositifs intelligents . Lalliance de lEthernet et des technologies web a permis une interconnexion directe et transparente des systmes de contrle aux niveaux de lexcution de la fabrication et de lERP. Simultanment, les dispositifs (actionneurs, capteurs, blocs E/S, variateurs de vitesse, etc.) ont suivi une volution de bas en haut en intgrant des fonctions de communication et des capacits de traitement local, partageant progressivement des informations entre eux pour offrir de nouvelles possibilits. Ces dispositifs voluent progressivement vers le concept de dispositifs intelligents . Paralllement, les normes rseau ont finalement t largement acceptes, conduisant, de facto, un nombre trs rduit de normes. Aujourdhui une trs importante proportion de composants est directement connectable un rseau ayant des capacits de large bande. Ceci dcoule de leffet combin des technologies web, de la rationalisation des normes rseau, de la rapide chute des prix et de la pntration de llectronique dans les appareils lectromcaniques. Au cours des 10 dernires annes, les outils dautomatisme et les langages de programmation ont progress de faon radicale, passant du dveloppement logiciel propre au matriel pour des logiciels de programmation standardiss. Les langages de programmation des automates ont progressivement volu vers une approche fonctionnelle rduisant le temps de dveloppement du code, augmentant la rutilisabilit des fonctions prprogrammes et le partage des objets entre utilisateurs de multifonctions. Les informations gnres par diffrents outils de programmation sont accessibles partir dun outil collaboratif et partagent une base de donnes commune, ce qui amliore radicalement la gestion de linformation (paramtres, variables, etc).

ConclusionSchneider Electric, jouant son rle de leader du march des automatismes, doit relever ces dfis commerciaux et technologiques tout en protgeant les investissements passs de sa clientle qui attend en retour la prennit du service et de la compatibilit. Afin de satisfaire la demande croissante de solutions de la part de ses clients et de tenir compte des volutions technologiques, Schneider Electric a conu une Approche solutions base sur des architectures dautomatismes dcoulant de son offre rpute de produits dautomatismes.. Le but de lapproche solutions de Schneider Electric est de fournir, aux constructeurs de machines et aux intgrateurs de systmes en particulier, des architectures dautomatismes entirement testes et valides, afin quils puissent les adapter pour dfinir la solution approprie recherche. Cet ouvrage est une prsentation pratique de cette approche solutions.

TechnologieLvolution de la technologie a pes sur le march des automatismes et du contrle pour apporter la rponse aux besoins prioritaires de la clientle : n Rduction du temps darrive sur le march. n Rduction du cot dacquisition. n Optimisation de la reconstruction des oprations. n Accroissement de la flexibilit (changement rapide du processus de fabrication).

Guide des solutions dautomatisme

Sommaire gnral

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 M

Guide de choix Alimentation lectrique Moteurs et charges Dmarrage et protection des moteurs Dparts moteurs Acquisition de donnes : dtection Scurit des personnes et des biens Dialogue homme/machine Rseaux industriels Traitement de donnes et logiciel Mise en uvre Eco-Conception Memento

8

28

36

64

96

134

164

188

202

236

260

282

296

5

Guide des solutions dautomatisme1 Guide de choix1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Sommaire dtaill

810 10 12 14 17

Introduction Lquipement dautomatisme Les architectures dautomatisme Dfinition des architectures Les choix des quipements dautomatisme

2

Alimentation lectrique2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Introduction Lalimentation lectrique des machines Les normes et habitudes Les fonctions de lalimentation lectrique Lalimentation du circuit de contrle

2830 30 30 32 33

3

Moteurs et charges3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Les moteurs asynchrones triphass Les moteurs monophass Les moteurs synchrones Les moteurs courant continu Lexploitation des moteurs asynchrones triphass Comparaison des diffrents types de moteurs Les diffrents types de charges Les vannes et vrins

3638 42 43 46 48 52 52 59

4

Dmarrage et protection des moteurs4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Dmarrage des moteurs induction Freinage lectrique des moteurs asynchrones triphass Les dmarreurs multifonctions La protection des moteurs Pertes et chauffement dans les moteurs Les diffrentes causes de dfauts et leurs consquences Les fonctions et les produits de protection

6466 73 78 80 81 81 87

5

Dparts moteurs5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 Gnralits Les fonctions de base des dparts-moteurs Une fonction complmentaire : la communication Dparts-moteurs et coordination Les variateurs de vitesse Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques Variateur-rgulateur pour moteur courant continu Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone Gradateur de tension pour moteur asynchrone Moto-variateurs synchrones Moto-variateurs pas--pas Les fonctions complmentaires des variateurs de vitesse Les variateurs de vitesse et le bilan nergtique Les variateurs de vitesse et les conomies dnergie et de maintenance Grille de choix des dparts moteurs

9698 98 101 102 105 110 114 116 123 125 126 127 129 131 132

6

Acquisition de donnes : dtection6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 Introduction Les interrupteurs de position lectromcaniques Les dtecteurs de proximit inductifs Les dtecteurs de proximit capacitifs Les dtecteurs photolectriques Les dtecteurs ultrasons La dtection RFID -Radio Frequency IDentificationLa vision Les codeurs optiques Les pressostats et vacuostats Conclusion Guide de choix des diffrentes technologies

134136 137 138 140 142 144 146 149 153 158 161 162

6

Guide des solutions dautomatisme7

Sommaire dtaill

Scurit des personnes et des biens7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 Introduction Les accidents industriels La lgislation europenne et les normes Le concept de fonctionnement sr (safe operation) La certification et le marquage CE Les principes pour les organes de la scurit Les fonctions de scurit La scurit des rseaux Exemple dapplication Les fonctions et les produits de scurit Conclusion

164166 167 169 176 177 179 180 182 183 185 186

8

Dialogue homme/machine8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 Le positionnement du dialogue homme/machine Interfaces de dialogue Commande et signalisation tout ou rien Loffre Schneider Electric Commande et signalisation tout ou rien Les interfaces de dialogues volus Modes dchange Logiciels de dveloppement Conclusion

188190 192 192 195 195 199 200 201

9

Rseaux industriels9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 Introduction Historique Les besoins et les rponses du march Technologies des rseaux Les rseaux prconiss par Schneider Electric Ethernet TCP/IP Services Web et Transparent Ready Bus Can Open Synergie Ethernet et Can Open Bus AS-Interface (AS-I) Conclusion

202204 204 205 207 209 210 213 220 228 228 235

10

Traitement de donnes et logiciel10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 Dfinition Introduction Programmation, configuration et langages Catgories dapplications UAG : Gnrateurs dapplications Dfinition des principales abrviations employes

236238 238 239 240 254 258

11

Mise en uvre11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12 Conception dun quipement Choix dun fournisseur Etablissement des schmas et des programmes Mthodologie de programmation Choix dune technologie Conception de lquipement Construction dun quipement Le montage Aide la mise en place dappareils Essais en plate-forme Mise en service dun quipement Maintenance de lquipement

260262 263 264 266 267 268 269 272 273 274 277 279

12

Eco-Conception12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 Avant-propos Les concepts et les principales directives Les normes Lco-conception Le cycle de vie Principales rgles dco-conception Conclusion Applications

282284 285 286 287 287 288 291 291

M

MementoM.1 M.2 M.3 M.4 M.5 M.6 M.7 M.8 M.9 Grandeurs et units de mesure Courant charge nominale des moteurs asynchrones Formules lectriques Calcul des rsistances de dmarrage Formules mcaniques Formules fondamentales Les rgimes de neutre Entranement des machines Tables de conversion entre units usuelles

296298 299 300 302 303 304 305 306 308

7

18

chapitreGuide de choixA partir des besoins, choisir une architecture, puis une technologie pour aboutir un produit

1. Guide de choix

Sommaire

1 21.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Introduction Lquipement dautomatisme Les architectures dautomatisme Dfinition des architectures Les choix des quipements dautomatismePage

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 M

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9

1. Guide de Choix

1.1 1.2

Introduction Lquipement d'automatisme

1.1

IntroductionLes progrs des automatismes industriels ont permis aux industriels d'augmenter leur productivit et de rduire les cots. La gnralisation de l'lectronique, la puissance et la souplesse des logiciels autorisent des conceptions plus modulaires, une meilleure exploitation et offrent de nouveaux outils de maintenance. Les exigences des clients ont aussi considrablement volu, la concurrence, les contraintes de productivit et de qualit imposent une dmarche partir du processus de cration de valeur.

b Le processus de cration de valeur du clientLe processus de cration de valeur du client s'articule autour d'un flux principal correspondant sa prestation de base (C Fig. 1), par exemple la fabrication d'un produit, le transport de personnes, le dplacement d'une charge. Ce processus ncessite des moyens matriels composs de machines et d'quipements d'automatisme. Ces moyens peuvent tre regroups dans un seul lieu comme une fabrication manufacturire, mais aussi rpartis sur des zones trs tendues comme un ensemble de traitement et de distribution d'eau.A Fig. 1 Processus de cration de valeur

Pour assurer son fonctionnement, le processus ncessite des flux complmentaires tel que l'lectricit, l'air, leau, le gaz, les emballages, etc. Le processus rejette des dchets quil faut collecter, transporter, traiter et liminer.

1.2

Lquipement d'automatismeUn quipement d'automatisme est caractris par cinq fonctions de base associes et relies par des liaisons de puissance et de contrle (C Fig. 2).

b Les 5 fonctions de basev L'alimentation lectriqueElle assure la distribution de l'nergie lectrique vers les organes de puissance et de contrle. Elle doit pouvoir tre interrompue et protge en conformit avec les normes d'installation lectrique et celles des machines. Cette fonction est gnralement assure par un disjoncteur, ou un interrupteur porte-fusibles.

v La commande de puissanceElle permet de commander les charges lectriques (actionneurs) partir des ordres mis par l'automatisme. Un contacteur assurera la commande d'une charge en tout ou rien, tandis quun variateur lectronique permettra la commande progressive d'un moteur ou d'une rsistance de chauffage.

A Fig. 2

Les fonctions de base

v Le dialogueIl est l'interface entre l'homme et la machine. Il permet de donner les ordres et de visualiser l'tat du processus. La commande est assure par des boutons poussoir, des claviers et des crans tactiles. La visualisation tant faite par des voyants, des colonnes lumineuses et des crans.

v Le traitementIl sagit de la partie logique de l'automatisme qui permet partir des ordres mis par l'oprateur et des mesures de l'tat du processus de commander les pr-actionneurs et de fournir les informations ncessaires. Une large palette s'offre l'automaticien, depuis la solution la plus simple (un bouton poussoir commande directement un contacteur), en passant par les systmes logique programmable, jusqu' l'association collaborative entre des automates et des ordinateurs. La disponibilit d'automates simples faible prix a pratiquement fait disparatre les schmas relais.10

1. Guide de Choix

1.2

Lquipement d'automatisme

v L'acquisitionElle permet de dtecter un seuil ou de mesurer la valeur d'une grandeur physique. A ce jour presque toutes ces grandeurs sont dtectables ou mesurables. Les progrs technologiques permettent d'offrir un large choix de capteurs.

1

b L'quipement doit satisfaire aux contraintes externes- assurer la scurit des personnes et des moyens de production, - respecter les exigences de lenvironnement telles que la temprature, la protection contre les chocs, les poussires ou les ambiances agressives.

b Les liaisons de puissanceElles assurent la connexion entre les diffrents organes et comportent des cbles, des jeux de barres, des connecteurs et des protections mcaniques telles que des gaines et des crans. Les valeurs de courant s'chelonnent de quelques ampres plusieurs milliers dampres. Outre les contraintes thermiques, leur calcul doit prendre en compte les contraintes lectrodynamiques et mcaniques.

b Les liaisons de contrleElles permettent la commande et le contrle de l'automatisme. Le cblage traditionnel par fils spars est progressivement substitu par des connexions prfabriques avec des connecteurs et des bus de communication.

b Le cycle de vie de l'quipement d'automatismeUn quipement est conu, utilis et entretenu tout au long de son cycle de vie. Celui-ci se dfinit par ses acteurs, leurs besoins, les contraintes internes du client et les contraintes externes (lgales, normatives, etc.). Les tapes sont les suivantes : - dfinition de la machine ou du processus par le client, - choix des quipements dautomatisme, - approvisionnement des constituants, - mise en uvre, test, - exploitation, - maintenance, - dmantlement, recyclage, destruction.

b Le cot des quipementsLa rduction des cots est une proccupation tous les niveaux de choix et de dcisions. Elle est trs lie au contexte du client. Bien que ce guide ne prsente que l'aspect technique, sa ralisation a t conduite avec un souci permanent d'optimisation conomique.

b L'volution du march et des besoinsAu cours des dernires annes, le march du contrle des automatismes a t soumis de fortes contraintes conomiques et technologiques. Les principales priorits des clients sont devenues : - la rduction du temps de mise sur le march des offres (time to market), - la prolifration des offres dues la re-conception incrmentale (conception modulaire permettant de commercialiser de nouveaux produits sans refaire toute l'offre) et la personnalisation, - la pression des cots. Cette donne gnre de nouveaux besoins : - rduire le temps de dveloppement et la complexit, - accrotre la flexibilit, particulirement dans le cas des changements de srie pour les manufacturiers, - fournir des informations pour la gestion de production et pour la maintenance (rduire les cots, les temps d'arrts, etc.).11

1. Guide de Choix

1.2 1.3

Lquipement d'automatisme Les architectures d'automatisme

Pour rpondre ces besoins, la fourniture de produits fiables et performants doit tre complte par une offre d'architectures prtes l'usage qu'utiliseront les acteurs intermdiaires que sont les systmes Intgrateurs ou les OEM pour spcifier et raliser la solution adapte l'utilisateur final. La figure 3 illustre la liaison entre les acteurs du march et l'offre que nous leur proposons.

A Fig. 3

Les acteurs du march des automatismes

La fourniture d'architectures valorise les acteurs intermdiaires depuis le distributeur ou grossiste, le fabriquant de tableaux, l'installateur ou le fabriquant de machine. Cette dmarche leur permet de rpondre plus srement, plus justement et plus rapidement aux clients finaux dans diffrents secteurs d'applications, tel que l'agroalimentaire, l'infrastructure ou le btiment par exemple.

1.3

Les architectures d'automatismeL'approche hirarchique traditionnelle traduite en concept aussi bien dans les processus manufacturiers (CIM : Computer Integrated Manufacturing) que dans les processus continus (PWS : Plant Wide Systems) a t substitue, la fin des annes 90 par une dmarche de dcentralisation. Les fonctions d'automatisme ont t implmentes au plus prs du processus. Le dveloppement du Web, s'appuyant sur Ethernet et le protocole TCP/IP, a d'abord pntr les systmes complexes d'automate. Progressivement ceux-ci se sont clats et se sont intgrs dans les autres fonctions donnant naissance aux smart devices. Cette architecture a permis une interconnexion transparente entre les systmes de contrle et les outils de gestions informatiques (MES, ERP). Simultanment les composants (actionneurs, variateurs de vitesse, capteurs, entres/sorties, etc.) ont volu progressivement vers le concept de composant intelligent (smart device) en intgrant des possibilits de programmation et de communication.

b Le composant intelligent ou smart deviceCette notion inclut les nano-automates, les petits lots d'automatisme (tel que Power Logic, Sepam, Dialpact, etc.) ainsi que les composants intgrant la fonction contrleur, tel que les variateurs de vitesse. Ces produits sont suffisamment intelligents pour grer localement les fonctions du processus et interagir entre eux. Le fait d'assurer une communication transparente permet de reconfigurer les tches, de faire des diagnostics. Ces fonctions sont bien intgres la philosophie Web (adressage individuel, formatage des informations prtes l'emploi, gestion des fournisseurs d'informations).

12

1. Guide de Choix

1.3

Les architectures d'automatisme

Ces smart devices ont adopt systmatiquement une approche de connexion/dconnexion chaud (plug and play) pour la puissance, les bus de contrle et les capteurs. Cette approche permet le remplacement rapide et ais de l'quipement en cas de dfaillance. L'intgration de navigateurs dans les claviers/crans, commandes radio et autres interfaces hommes/machines a acclr le dploiement des technologies Web, jusqu'aux niveaux des composants (C Chapitre 10 Traitement de donnes et Logiciel). L'intgration de fonctions de contrle dans les smart devices ont permis de rduire le flux de donnes changes sur les rseaux et donc de diminuer les cots, de rduire la puissance des automates et d'acclrer les temps de rponse. Le besoin de synchronisation est ainsi limit grce aux traitements locaux raliss par les smart devices.

1

b Les rseauxEn parallle, les rseaux sont de plus en plus accepts. La convergence s'est faite autour de quelques standards qui couvrent 80 % des applications. De nombreuses possibilits s'offrent aux concepteurs (Can Open, AS-Interface, Profibus, DeviceNet, etc.) mais la tendance est la standardisation d'un rseau unique. Dans ce cadre, Ethernet qui a dj conquis le domaine de l'informatique industrielle tend galement adresser les besoins des bus de terrain. Aujourd'hui, une large proportion de constituants est directement connectable sur les rseaux. Tout ceci est le rsultat des effets combins de la diffusion des technologies Web, de la rationalisation des standards de communication, de la dcroissance rapide des prix des technologies de l'information et enfin de l'intgration de l'lectronique dans les composants lectromcaniques. Ces dveloppements ont conduit la dfinition de bus de terrain adapts la communication entre composants et automates tel que Modbus, Can Open, AS-Interface, Device Net, Interbus S, Profibus, Fip, etc.). Le poids croissant des besoins d'change incitent les clients donner priorit au choix des rseaux avant les quipements d'automatisme.

b Les logiciels et outils de dveloppementLes outils de programmation ont beaucoup volu depuis les logiciels captifs des plates-formes matrielles jusqu'aux logiciels purement fonctionnels et tlchargeables sur diffrentes configurations matrielles. La configuration des communications entre les diffrents composants est gnre automatiquement. Les informations produites par les diffrents programmes sont accessibles travers un outil fdratif et partagent une base de donnes commune distribue, rduisant considrablement le temps de capture des informations (paramtres, variables, etc.). Jusqu' ce jour les concepts des langages de programmation d'automates industriels restent stables. Pratiquement tous les fournisseurs font la promotion d'offres bases sur la norme IEC 61131-3 et quelques fois amliores par des outils supportant le contrle collaboratif. Les principales amliorations venir concernent l'information gnre par des produits qui vont permettre : - de gnrer automatiquement la configuration de l'automate et le nommage des entres/sorties, - d'importer et d'exporter des fonctions entre le logiciel de l'automate et celui des composants, - d'intgrer les schmas lectriques dans les outils de diagnostic, - de grer une base de donnes communes, mme pour une configuration simple, - d'offrir une transparence complte, - de proposer une ergonomie permettant lapprentissage pour plusieurs usages.13

1. Guide de Choix

1.3 1.4

Les architectures d'automatisme Dfinition des architectures

En plus de la programmation, les logiciels sont de plus en plus utiliss pour configurer, paramtrer et diagnostiquer les constituants. Toutes ces fonctions sont parfois regroupes dans un logiciel unique.

1.4

Dfinition des architecturesUne architecture permet l'intgration et la coordination des fonctions d'automatisme ncessaires la machine ou au processus qui a pour objectifs principaux la productivit et la scurit de l'environnement. La majorit des besoins d'automatisme peut tre couverte par un nombre limit d'architectures. Dans un souci de simplicit Schneider Electric propose de classifier les architectures suivant deux niveaux de structure : (C Fig. 4) - l'intgration fonctionnelle en nombre d'armoires ou de coffrets d'automatisme, - le nombre de fonctions de contrle d'automatisme, c'est dire le nombre d'units de contrle, des automates par exemple.

A Fig. 4

Les types darchitectures

Nous allons dcrire et illustrer chacune de ces architectures dans les paragraphes suivants.

b All in one device - Toutes les fonctions dans un seul produitDans cette structure qui est la plus compacte, l'ensemble des fonctions est group dans un mme produit. Cette architecture va du plus simple au plus complexe, comme l'illustrent les deux exemples suivants.

A Fig. 5

Architecture simple All in one device

v Le rideau tlcommand (C Fig. 6)Il ne comporte que quelques fonctions (C Fig. 5). Le contrle est rduit la commande directe du pr-actionneur par le capteur et le dialogue est limit deux boutons poussoirs. Le pr-actionneur assure aussi les fonctions d'alimentation lectrique et de protection du circuit de puissance.

A Fig. 6

Rideau tlcommand

14

1. Guide de Choix

1.4

Dfinition des architectures

v Tronon de convoyage (C Fig. 8)L'ensemble des fonctions de puissance et de contrle est intgr dans le variateur (C Fig. 7). La liaison avec les autres parties de l'automatisme se fait par un bus de communication. L'alimentation de la puissance ncessite une armoire de distribution lectrique commune couvrant l'ensemble des quipements d'automatisme du procd.

1

A Fig. 8

Tronon de convoyeur pilot par un ATV71 intgrant une carte contrleur

A Fig. 7

Architecture complexe All in one device

b All in one panel - Toutes les fonctions dans une seule armoireCette architecture est la plus frquente (C Fig. 9). Les fonctions d'automatisme sont centralises dans une seule enveloppe qui suivant les cas sera, soit une armoire, soit le bti de la machine et intgrera une seule fonction de contrle (C Fig. 7). Vous trouverez des exemples dapplications aux figures 10, 11 et 12.

A Fig. 10

Pompe GPL

A Fig. 11

Machine d'inspection textile

A Fig. 9

Architecture All in one panel

A Fig. 12

Machine d'emballage

15

1. Guide de Choix

1.4

Dfinition des architectures

b Distributed peripheral - Fonctions distribues dansplusieurs armoires Cette architecture comporte un seul automate central qui pilote plusieurs armoires d'automatisme distribues autour de l'installation (C Fig. 13). Elle convient aux machines et aux procds tendus ainsi qu'aux machines modulaires (C Fig. 14). La liaison contrle s'effectue par un bus de terrain. L'alimentation lectrique est centralise et intgre souvent les lments du contrle et de commande de la scurit.

A Fig. 14

Fabrication de ptisserie industrielle

A Fig. 13

Architecture Distributed peripheral

b Collaborative control - Plusieurs fonctions de contrlecollaboratives Plusieurs machines ou parties de procd comportent leurs propres contrleurs (C Fig. 15). Ils sont relis entre eux et collaborent l'excution du fonctionnement. Cette architecture concerne les grands procds tels que ceux de la ptrochimie, de la sidrurgie, ou des infrastructures comme un aroport ou un systme de traitement des eaux (C Fig.16).

A Fig. 16

Systme de traitement des eaux

A Fig. 15 16

Architecture Collaborative control

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

1.5

Le choix des quipements d'automatismeb La mise en uvre des architecturesNous proposons d'accompagner le client en partant de sa problmatique pour le guider et optimiser le choix de larchitecture, des produits et des services qui y seront intgrs. La dmarche se fait partir de l'coute de ses besoins et d'un questionnement structur que nous allons dtailler. Pour faciliter les choix, Schneider a optimis plusieurs variantes des deux architectures les plus utilises. La premire oriente vers les applications compactes, regroupent les produits d'automatisme dans une armoire tout dans une armoire. La deuxime correspond aux applications distribues sur les procds. Les produits d'automatisme sont rpartis dans plusieurs armoires sous le nom de priphrie distribue. Les deux autres (All in One Device et Collaborative Control) sont, bien entendu, conserves, mais prsentes diffremment. La structure tout dans un produit est assimile un produit et sera traite comme telle. La structure contrle collaboratif concerne essentiellement les changes de donnes entre automates et est traite aux chapitres sur les liaisons et les changes. Elle sera dtaille aux chapitres concernant les automates ainsi que dans celui prsentant les logiciels.

1

b Les choix proposs par Schneider ElectricLes deux concepts d'architecture ci-dessus peuvent donner lieu de multiples dclinaisons. Pour faciliter le choix du client et lui proposer des associations optimises, Schneider Electric a retenu un total de 10 implmentations possibles. Pour viter la confusion entre les concepts d'architecture prsents prcdemment et les solutions pratiques que Schneider Electric propose, nous utiliserons pour celles-ci le terme d'implmentations prfres. Le tableau de la figure 17 rsume cette dmarche.

A Fig. 17

Choix des implmentations de Schneider Electric

17

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

b Les implmentations prfresLe tableau de la figure 18 en prsente une synthse. Elles sont plus amplement dtailles dans les documents fournis par Schneider Electric.

A Fig. 18

Principales caractristiques des implmentations prfres . Retrouvez les dtails des architectures dans les figures 5 11

18

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

b La description des implmentations prfresv Le choix d'une implmentation prfreL'approche solution de ces implmentations, intgrant l'ensemble des contraintes du client, prsente de multiples avantages : - une simplification du choix des automatismes, - la tranquillit et la confiance de l'utilisateur, car l'interoprabilit des produits et le niveau de performances sont garanties, - l'implmentation choisie, le client possdera un cadre suffisamment prcis pour slectionner, l'aide du catalogue et des guides spcialiss, les fonctions d'automatisme et les produits ncessaires, - la mise en uvre est facilite par le travail ralis en amont. Le tableau de la figure 19 rsume la dmarche propose :

1

A Fig. 19

Dmarche du choix dun automatisme

Pour aider le client dans ses choix, Schneider Electric a labor un guide complet de questions regroupes en quatre thmes dont le mnmotechnique est PICCS : (Performances, Installation, Contraintes, Cot, Surface). Un extrait est donn aux figures 20 et 21, titre d'exemple. Pour connatre l'ensemble des implmentations proposes, nous vous suggrons de vous reporter aux catalogues. Nous nous contenterons ici d'illustrer la dmarche partir d'exemples.

19

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

A Fig. 20

Guide pour les architectures compactes

20

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

1

A Fig. 21

Guide pour les architectures distribues

21

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

Nous allons prendre trois applications diffrentes et dterminer pour chacune d'entre elles la ou les architectures adaptes :

v Une grue de chantierCette machine (C Fig. 22), malgr sa simplicit apparente, doit satisfaire de svres exigences de scurit et d'environnement. Le march concurrentiel impose au fabricant des contraintes de cots sur tous les lments. Les caractristiques de ce type de grue sont : - Une puissance installe de 10 115 kW selon la charge leve (2 350 tonnes). - Les mouvements de levage, de rotation, de dplacement du chariot et de translation sont mus par des moteurs triphass cage deux ou trois vitesses ou associs un variateur lectronique. - Le freinage est mcanique ou lectrique. - L'ensemble de lapplication ncessite plus d'une dizaine de capteurs. - Linterface homme/machine peut se situer en cabine ou se raliser par une commande radio distance. Le choix de l'implmentation s'oriente naturellement vers un ensemble compact optimis, rassembl dans une seule armoire, dispos au pied de la grue.A Fig. 22 Grue de chantier

En surlignant en couleur le tableau de choix prcdent, nous visualisons rapidement les possibilits (C Fig. 23).

A Fig. 23

Choix darchitectures pour une grue de chantier

La Compact simple est limine car ses possibilits sont trop limites. Les deux autres Compact optimise et compact volutive optimise sont adaptes. La dernire prenant l'avantage si la machine est de conception modulaire ou si le besoin de tlmaintenance est prcis.

22

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

Le choix des composants dcoule naturellement des contraintes du client et de celles de l'implmentation choisie. Les figures 24 et 25 illustrent les implmentations possibles :

1

A Fig. 24

Solution Compact optimise

A Fig. 25

Solution compact volutive

23

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

Les fonctions des composants sont dtailles dans les chapitres suivants.

v Les convoyeurs et table rotatives (C Fig. 26 et 27)Ce type de machine est utilis couramment dans les industries manufacturires. Il est troitement li au procd qui l'environne. Le dbit doit tre rgul en fonction des produits. Les ordres viennent des automatismes amont et aval. Un automate contrle plusieurs sections de convoyeur, chaque lment dispose d'une ou plusieurs armoires. Les caractristiques principales sont les suivantes : - faible puissance installe, - besoin de performance moyenne, - par tronon, 2 10 moteurs triphass cage commands par des variateurs de vitesse, - de 10 50 entre/sorties, - interface par clavier cran, - connaissance en temps rel du type et du nombre de produits transports. Le choix se portera sur l'une des architectures distribues puisqu'il y a plusieurs armoires lies. Le tableau de choix (C Fig. 28) laisse clairement apparatre les solutions prfres. La solution avec bus ASI est un peu limite par la difficult de contrler la vitesse des variateurs. La solution Ethernet, sauf cas particulier, risque d'tre trop onreuse.

A Fig. 26

Table rotative

A Fig. 27

Convoyeur

A Fig. 28

Choix darchitecture pour un systme de convoyage

24

1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

Reste donc les deux solutions base de bus de terrain Can Open. La premire, optimise en cot (C Fig. 29), assure les fonctions de base demandes. La seconde (C Fig. 30) permet une transparence et une synchronisation avec les autres automatismes extrieurs au tronon dcrit. Cette dernire solution permet une volution facile. De plus, la configuration peut facilement tre tlcharge, en cas par exemple de changement de srie.

1

A Fig. 29

Solution Canopen optimise

A Fig. 30

Solution Canopen

v Une station de relevage pour l'alimentation en eau potableCet exemple (C Fig. 31) illustre une partie d'une infrastructure de traitement et de distribution des eaux. Elle est compose d'un ensemble d'units rparties sur le territoire. Ce genre d'application doit tre autonome et doit garantir la continuit de lalimentation. Les clients sont trs attentifs la surveillance et la maintenance de l'installation. Les caractristiques de cette station sont : - 4 pompes de 7.5kM associes des variateurs de vitesse, - une dizaine de capteurs (pression, dbit), - un automate grant la squence des pompes et la communication, - la tlsurveillance de l'installation.

A Fig. 31

Station de relevage

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1. Guide de Choix

1.5

Le choix des quipements d'automatisme

Le choix s'oriente vers une des implmentations distribues. Le tableau de la figure 32 permet de slectionner la plus optimale.Type d'implmenation Intitul de l'implmentation Contraintes globales Performances Besoin 40kW As-Interface Distribue Canopen optimis

Canopen

-Puissance installe -Prcision, cadence

pas de contrainte 4 - nombre de moteurs type de moteurs asynchrone et Variation de vitesse selon option oui -Echange de donnes 10 capteurs -Nombre d'entres / sorties -type et fonctions de dialogue clavier local + SCADA tlgestion Logique de traitement automate programmable tlgestion non dfini oui oui pour les armoires externes Intrusion et continuit de service important important moyenne sans contrainte

faible moyenne faible moyenne 1 10

Ethernet Transparent Factory faible forte lie au bus terrain >20

faible forte faible forte moyenne 1 10 moyenne 0.9). Les ballasts lectroniques ont cependant certaines contraintes du au schma utilis (C Fig. 38). La prsence dun pont de diodes associ des condensateurs entrane une pointe de courant la mise sous tension. En fonctionnement, le courant absorb (C Fig. 39) est riche en harmonique 3 ce qui entrane un mauvais facteur de puissance de lordre de 55 %. Lharmonique 3 a pour effet de surcharger le conducteur de neutre. Pour de plus amples informations, consulter le Cahier Technique N 202 Les singularits de lharmonique 3. Les ballasts lectroniques disposent en gnral de capacits places entre les conducteurs dalimentation et la terre. Ces condensateurs dantiparasitage sont responsables de la circulation dun courant de fuite permanent de lordre de 0.5 1 mA par ballast. Ceci conduit limiter le nombre de ballasts quil est possible dalimenter par un Dispositif courant Diffrentiel Rsiduel (DDR). (Voir le Cahier Technique n 114).

A Fig. 37

Ballast magntique

A Fig. 38

Exemple de schma dun ballast lectronique

(A) 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 0 0,02 t (s)

A Fig. 39

Forme donde du courant prlev au rseau

58

3. Moteurs et charges

3.8

Les vannes et vrins

3.8 Les vannes et vrinsb IntroductionLes process ncessitent le positionnement et le dplacement de charges. Cette fonction est assure par des vrins pneumatiques et hydrauliques, mais galement par des vrins lectromcaniques. Ces derniers sont susceptibles dtre incorpors dans des systmes de dpart moteur ou relis des dispositifs de rgulation pour, par exemple, des contrles de position. Les pages qui suivent donnent une brve description de ces organes de positionnement. Les vannes destines contrler le passage des fluides reprsentent un vaste march et sont utilises pour : - provoquer linterruption dun fluide (vannes darrt), - changer le circuit du fluide (vannes trois voies), - mlanger des produits (vannes mlangeuses), - rguler un dbit (vannes de rgulation). Les fluides peuvent tre des liquides ou du gaz (ventilation ou industrie chimique).

3

b Les vrins lectriquesLes applications d'entranements linaires exigent des vrins lectriques de grandes performances notamment en terme d'effort, de vitesse, de dure de vie et de fiabilit. Les fournisseurs proposent des gammes trs compltes de vrins lectriques conus pour satisfaire la plupart des demandes.

v Constitution dun vrin lectriqueA Fig. 40 Photo dun vrin lectrique (Schneider Electric)

Les vrins lectriques (C Fig.40) incorporent dans un mme ensemble, une tige de commande ou un organe dentranement, un botier de guidage et un moteur lectrique. La photo (C Fig.40) reprsente un type de vrin lectrique pour dplacement linaire. Lorgane dentranement peut avoir un mouvement linaire pour raliser une translation ou un mouvement rotatif. Dans le cas de mouvements linaires, lorgane dentranement se dplace linairement sous leffet dun systme vis crou. Deux ralisations sont courantes : la vis filet trapzodal et la vis billes. La vis filet trapzodal est fabrique en acier roul et lcrou est en plastique. Il sagit dune conception relativement conomique avec des proprits favorables : plastique et mtal travaillent bien conjointement sans accrochage. La vis filet trapzodal a un fonctionnement silencieux, ce qui signifie quelle convient des environnements de bureau, dhpitaux, etc. Un autre avantage intressant est le coefficient de frottement important dans la vis filet trapzodal. Cette conception est particulirement bien adapte aux vrins utiliss dans des applications o ils doivent tre autobloquants, cest dire sans recul sous la masse de la charge. Par exemple, en utilisant un vrin pour le rglage vertical d'une table hauteur variable, la conception avec une vis filet trapzodal permet la table de supporter de fortes charges sans modifier sa position verticale. En bref, cela signifie quaucun frein ou mcanisme de blocage supplmentaire nest ncessaire pour maintenir le vrin dans sa position lorsquil ne fonctionne pas.

A Fig. 41

Vrin lectrique haute performance (Schneider Electric)

Le systme avec vis billes se rencontre dans les systmes haute performance (C Fig.41).

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3. Moteurs et charges

3.8

Les vannes et vrins

Document SKF

Les vis billes incorpores dans les vrins sont en acier et quipes dune range de roulements situs dans un systme ferm entre lcrou et la vis. La conception permet un coefficient de frottement extrmement faible entre crou et vis, du fait du contact roulant entre les billes, lcrou et les pistes. Dans des conditions de fonctionnement identique, lusure est rduite par rapport une vis filet trapzodal, ce qui donne une longvit 10 fois suprieure pour une vis billes. Cette dure de vie de la vis signifie galement quelle tolre des charges importantes ainsi quun cycle de travail important. Grce son faible coefficient de frottement la vis bille possde un rendement particulirement lev ce qui se traduit par un chauffement trs faible. En consquence, la vis billes est particulirement adapte des situations dans lesquelles il est ncessaire de travailler sur de longues priodes vitesse leve. Un vrin utilisant une vis billes prsente un jeu minimum, et sa prcision est donc significativement suprieure dans des applications dans lesquelles positionnement et prcision sont essentiels.

A Fig. 42

Famille de produit vrins lectriques SKF

v Famille de produitsLes vrins lectriques peuvent tre raliss dans une multitude de dispositions mcaniques pour tre incorpors aisment dans les machines. Les constructeurs proposent galement des units de contrle qui facilitent le contrle du vrin. La photo (C Fig.42) donne un aperu de la gamme propose par un constructeur (SKF).

v Guide de slectionChoisir le vrin lectrique idal demande souvent de connatre de nombreux dtails de l'application ainsi que de raliser quelques calculs. Cependant, partir des catalogues dits par les constructeurs, il est possible de faire une premire slection de vrins qui rpondent aux critres de base comme la charge et la vitesse. Motorisation des vrins et accessoires Motorisations proposes par les constructeurs. Les vrins lectriques peuvent tre actionns par des moteurs, - courant continu, - alternatif asynchrone, - synchrone de type brushless, - pas pas. Les moteurs courant continu sont en gnral des moteurs basse tension (12 ou 24 Volts) pour des forces moyennes (ordre de grandeur 4 000 N) et des performances modres (ordre de grandeur 50 mm/s). On trouvera ces vrins sur des appareils mobiles et autonomes (fonctionnement sur batteries). La motorisation avec moteur asynchrone permet daccrotre sensiblement les performances jusqu 50 000 N et 80 mm/s. Ces vrins sont plus particulirement installs dans les machines poste fixe. La motorisation brushless permet dobtenir des performances dynamiques leves (ordre de grandeur 750 mm/s) pour des forces maximum denviron 30 000 N. La motorisation par moteur pas pas permet dobtenir un positionnement prcis de la charge sans bouche de retour.

60

3. Moteurs et charges

3.8

Les vannes et vrins

v Accessoires et variantes Contrleur intgr Certains vrins lectriques ont leur dispositif de contrle commande intgr. Cest le cas en particulier de certains vrins pilots par un moteur brushless. Ce type de vrins intgre le variateur de vitesse, celui-ci pouvant tre reli lautomatisme par un bus de terrain. Potentiomtre Le potentiomtre est un capteur de dplacement. Ce dispositif permet de connatre la position du mobile et de raliser un positionnement prcis. Protection thermique Celle-ci protge les entranements et les units de commande des sur chauffements. Codeur Cest un capteur qui, lorsquil est connect une unit de commande, permet de donner la position du vrin. Limiteurs defforts Certains types de vrins sont quips d'un dispositif mcanique de scurit similaire un embrayage par friction afin de protger le moteur et la rduction contre tout endommagement. Limiteurs de fin de course Cest un interrupteur limitant le dplacement dans une direction donne consistant dans des dispositifs mcaniques qui activs, ouvrent et ferment un contact lectrique. Les limiteurs de fin de course existent dans diverses dimensions et configurations et peuvent tre monts lintrieur ou lextrieur du vrin. De tels dispositifs de scurit font partie du systme de contrle et il est important dy prter attention lorsque lon utilise les vrins dans un automatisme ou avec tout autre systme. Anti-coincement mcanique Ce mcanisme de scurit est destin protger les personnes contre des efforts excessifs. Anti-coincement lectrique Cest une option de scurit disponible sur certains vrins lectriques. Elle coupe lalimentation du moteur lorsquun effort externe est appliqu dans le sens oppos au dplacement du vrin.

3

b Les vannesLe fonctionnement des vannes sort du cadre de cet ouvrage. Cependant, les vannes pouvant tre associes des systmes de contrle industriel, comme par exemple des boucles de rgulation ou des variateurs de vitesse, il est intressant de connatre la constitution sommaire dune vanne et les phnomnes engendrs par leur fonctionnement.

v Constitution dune vanneUne vanne (C Fig.43) est constitue dun corps et dun clapet de fermeture qui vient sappuyer sur un sige. Une tige de manuvre commande par un moteur lectrique permet douvrir ou de fermer le passage du fluide. Les mmes produits existent en commande pneumatique. De nombreuses vannes sont commande pneumatique, certaines sont commande lectrique (lectrovannes).A Fig. 43 Vue en coupe dune vanne

Il existe une multitude de conception de vannes (vannes papillon, vannes sphrique, vannes membrane, etc.) suivant lutilisation la quelle elles sont destines, le fluide qui circule et la loi de progressivit de la vanne (relation dbit/position du clapet ou signal de commande dans le cas des vannes de rgulation).

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3. Moteurs et charges

3.8

Les vannes et vrins

Dh

+C

Le clapet est souvent de forme particulire pour viter ou attnuer les effets des phnomnes indsirables connus sous le non de coup de blier et de cavitation. Coup de blier Ce phnomne se rencontre dans les conduites hydrauliques, lors de la fermeture dune vanne darrt. A ce moment, le dbit travers la conduite est brusquement interrompu ce qui occasionne un phnomne connu sous le nom de coup de blier.02h >2h >2h >2h

CC) comportant un pont mixte diodes et thyristors (C Fig.12a I), - un moteur courant alternatif, avec un convertisseur indirect (avec transformation intermdiaire en courant continu) comportant en entre un pont de diodes suivi dun convertisseur de frquence qui fait fonctionner la machine dans le quadrant 1 (C Fig.12a II). Dans certains cas, ce montage peut tre exploit en bidirectionnel (quadrants 1 et 3). Un convertisseur indirect comportant un hacheur de freinage et une rsistance correctement dimensionne convient parfaitement pour un freinage momentan (ralentissement ou sur un engin de levage quand le moteur doit dvelopper un couple de freinage en descente pour retenir la charge).

I

II

En cas de fonctionnement prolong avec une charge entranante, un convertisseur rversible est indispensable car la charge restitue de la puissance en permanence, exemple : un moteur utilis en frein sur un banc dessai. Variateur bidirectionnel Ce type de variateur peut tre un convertisseur rversible ou non rversible. Sil est rversible, la machine fonctionne dans les quatre quadrants (C Fig.11) et peut permettre le fonctionnement en freinage permanent. Sil est non rversible, la machine ne fonctionne que dans les quadrants 1 et 3. La conception et le dimensionnement du variateur ou du dmarreur sont directement affects par la nature de la charge entrane. En particulier en ce qui concerne les capacits de fournir un couple suffisant pour la mise en vitesse. Les diffrentes familles de machines et leurs courbes caractristiques sont traites dans le chapitre Moteurs et charges.

A Fig. 12a

LSchmas de principe : [I] convertisseur direct pont mixte ; [II] convertisseur indirect avec (1) pont de diodes en entre, (2) dispositif de freinage (rsistance et hacheur), (3) convertisseur de frquence

v Les principaux types de variateursSeuls les variateurs les plus courants et les ralisations technologiques usuelles sont cits dans cette section. Il existe, en effet, de nombreux schmas de variateurs de vitesse lectroniques : - cascade hyposynchrone, - cycloconvertisseurs, - commutateurs de courant, hacheurs, etc. Le lecteur intress trouvera une description exhaustive dans les ouvrages Entranement lectrique vitesse variable Bonal (Jean) et Sguier (Guy), Ed. Tec et Doc et Utilisation industrielle des moteurs courant alternatif Bonal (Jean), Ed. Tec et Doc.

108

5 - Dparts moteurs

5.5

Les variateurs de vitesse

Redresseur contrl pour moteur courant continu Il fournit, partir dun rseau alternatif monophas ou triphas, un courant continu avec un contrle de la valeur moyenne de la tension. Les semi-conducteurs de puissance sont assembls en pont de Gratz, monophas ou triphas (C Fig.12b). Le pont peut tre mixte (diodes / thyristors) ou complet (tout thyristor).A Fig. 12b LSchma dun redresseur contrl pour moteur courant continu

Cette dernire solution est la plus frquente car elle permet un meilleur facteur de forme du courant dlivr. Le moteur courant continu est le plus souvent excitation spare, sauf dans les petites puissances o les moteurs aimants permanents sont assez frquents. Lutilisation de ce type de variateur de vitesse est bien adapte pour toute application. Les seules limites sont imposes par le moteur courant continu, en particulier la difficult dobtention de vitesses leves et la ncessit de maintenance (remplacement des balais). Les moteurs courant continu et leur variateurs associs ont t les premires solutions industrielles. Depuis plus dune dcennie, leur usage est en constante diminution au profit des convertisseurs de frquence. En effet, le moteur asynchrone est la fois plus robuste et plus conomique quun moteur courant continu. Contrairement aux moteurs courant continu, standardiss en enveloppe IP55, il est aussi pratiquement insensible lenvironnement (ruissellement, poussires, ambiances dangereuses, etc.). Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone Il fournit, partir dun rseau alternatif frquence fixe, une tension alternative triphase de valeur efficace et de frquence variable (C Fig.13). Lalimentation du variateur pourra tre monophase pour les faibles puissances (ordre de grandeur de quelques kW) et triphase au-del.

5

A Fig. 13

LSchma de principe dun convertisseur de frquence

Certains variateurs de petite puissance acceptent indiffremment des tensions dalimentation monophases et triphases. La tension de sortie du variateur est toujours triphase. De fait, les moteurs asynchrones monophass sont mal adapts lalimentation par convertisseur de frquence. Les convertisseurs de frquence alimentent des moteurs cage standard avec tous les avantages lis ces moteurs : standardisation, faible cot, robustesse, tanchit, aucun entretien. Ces moteurs tant auto-ventils, leur seule limite demploi est leur utilisation prolonge basse vitesse en raison de la rduction de cette ventilation. Si un tel fonctionnement est souhait, il faut prvoir un moteur spcial quip dune ventilation force indpendante. Gradateur de tension pour le dmarrage des moteurs asynchrones Ce type de variateur (connu galement sous le nom de soft starter, voir galement le chapitre Moteurs et Charges) est presque exclusivement utilis pour le dmarrage des moteurs. Par le pass, associ des moteurs spciaux (moteurs cage rsistante), il tait utilis pour raliser la variation de vitesse de ces moteurs. Ce dispositif fournit, partir dun rseau alternatif, une tension variable de mme frquence. Le schma le plus usuel comporte deux thyristors monts tte-bche dans chaque phase du moteur (C Fig.14). Le mme gradateur peut tre utilis pour raliser une dclration programme. Une fois le dmarrage effectu, le gradateur peut tre court cicuit par un contacteur et tre utilis pour le dmarrage dun autre moteur.

A Fig. 14

LDmarreur de moteurs asynchrones et forme du courant dalimentation

Ce type dutilisation est frquent dans les stations de pompage, un seul dmarreur tant utilis pour mettre en service une pompe supplmentaire en fonction des besoins du rseau dutilisation. Le schma de principe est expos dans le chapitre Moteurs et charges.

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5 - Dparts moteurs

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniquesb StructureLes dmarreurs et les variateurs de vitesse lectroniques sont composs de deux modules gnralement regroups dans une mme enveloppe (C Fig.15) : - un module de contrle qui gre le fonctionnement de lappareil, - un module de puissance qui alimente le moteur en nergie lectrique.

v Le module de contrleSur les dmarreurs et les variateurs modernes, toutes les fonctions sont commandes par un microprocesseur qui exploite les rglages, les ordres transmis par un oprateur ou par une unit de traitement, et les rsultats de mesure comme la vitesse, le courant, etc. Les capacits de calcul des microprocesseurs ainsi que des circuits ddis (ASIC) ont permis de raliser des algorithmes de commandes extrmement performants et, en particulier, la reconnaissance des paramtres de la machine entrane. A partir de ces informations, le microprocesseur gre les rampes dacclration et de dclration, lasservissement de vitesse, la limitation de courant, et gnre la commande des composants de puissance. Les protections et les scurits sont traites par des circuits spcialiss (ASIC) ou intgres dans les modules de puissance (IPM). Les rglages (limites de vitesse, rampes, limitation de courant, etc.) se font soit par claviers intgrs, soit partir dautomates par des bus de terrain ou de PC pour charger des rglages standard. De mme, les diffrents ordres (marche, arrt, freinage, etc.) peuvent tre donns partir dinterfaces de dialogue homme/machine, par des automates programmables ou par des PC. Les paramtres de fonctionnement et les informations dalarme et de dfauts peuvent tre visualiss par des voyants, des diodes lectroluminescentes, des afficheurs segments ou cristaux liquides, ou dports vers des superviseurs par des bus de terrains. Des relais, souvent programmables, donnent des informations de : - dfaut (rseau, thermique, produit, squence, surcharge, etc.), - surveillance (seuil de vitesse, pr alarme, fin de dmarrage).A Fig. 15 LStructure gnrale dun variateur de vitesse lectronique

Les tensions ncessaires pour lensemble des circuits de mesure et de contrle sont fournies par une alimentation intgre au variateur et spare galvaniquement du rseau.

v Le module de puissanceLe module de puissance est principalement constitu de : - composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT, etc.), - interfaces de mesure des tensions et/ou des courants, - et frquemment dun ensemble de ventilation. Les composants de puissance Les composants de puissance sont des semi-conducteurs fonctionnant en tout ou rien, donc comparables des interrupteurs statiques pouvant prendre les deux tats : passant ou bloqu. Ces composants, associs dans un module de puissance, constituent un convertisseur qui alimente, partir du rseau tension et frquence fixes, un moteur lectrique sous une tension et/ou une frquence variable. Les composants de puissance sont la clef de vote de la variation de vitesse et les progrs raliss ces dernires annes ont permis la ralisation de variateurs de vitesse conomiques.Les matriaux semi-conducteurs, tels que le silicium, ont une rsistivit qui se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants.

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5 - Dparts moteurs

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques

Leurs atomes possdent 4 lectrons priphriques. Chaque atome sassocie avec 4 atomes voisins pour former une structure stable 8 lectrons. Un semi-conducteur de type P sobtient en incorporant au silicium pur une faible proportion dun corps dont les atomes possdent 3 lectrons priphriques. Il manque donc un lectron pour former une structure 8 lectrons, ce qui se traduit par un excdent de charges positives. Un semi-conducteur de type N sobtient en incorporant un corps dont les atomes ont 5 lectrons priphriques. Il y a donc un excdent dlectrons, cest--dire un excdent de charges ngatives. La diode (C Fig.16a) La diode est un semi-conducteur non contrl comportant deux rgions P (anode) et N (cathode) et qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens, de lanode vers la cathode. Elle conduit quand lanode est une tension plus positive que celle de la cathode : elle se comporte alors comme un interrupteur ferm. Elle bloque le courant et se comporte comme un interrupteur ouvert, si la tension danode devient moins positive que celle de la cathode.A Fig. 16a L

La diode possde les caractristiques principales suivantes : ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur, jusqu 5 000 A pour les composants les plus puissants). ltat bloqu : - une tension maximale admissible qui peut dpasser 5 000 V crte. Le thyristor (C Fig.16b) Cest un semi-conducteur contrl constitu de quatre couches alternes : P-N-P-N. Il se comporte comme une diode par lenvoi dune impulsion lectrique sur une lectrode de commande appele gchette ou gate . Cette fermeture (ou allumage) nest possible que si lanode est une tension plus positive que la cathode. Le thyristor se bloque quand le courant qui le traverse sannule. Lnergie dallumage fournir sur la gate nest pas lie au courant commuter, et il nest pas ncessaire de maintenir un courant dans la gchette pendant la conduction du thyristor. Le thyristor possde les caractristiques principales suivantes : ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur, jusqu 5 000 A pour les composants les plus puissants). ltat bloqu : - une tension inverse et directe maximale admissible (pouvant dpasser 5 000 V crte), - en gnral les tensions directes et inverses sont identiques, - un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel une tension anode cathode positive ne peut tre applique au composant sous peine de le voir se ramorcer spontanment, - un courant de gchette permettant lallumage du composant. Il existe des thyristors destins fonctionner la frquence du rseau, dautres dits rapides pouvant fonctionner quelques kilohertz, en disposant dun circuit dextinction. Les thyristors rapides ont parfois des tensions de blocage directe et inverse dissymtriques. En effet dans les schmas usuels, ils sont souvent associs une diode connecte en antiparallle et les fabricants de semi-conducteurs utilisent

5

A Fig. 16b

L

111

5 - Dparts moteurs

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques

cette particularit pour augmenter la tension directe que le composant peut supporter ltat bloqu. Ces composants sont maintenant compltement supplants par le GTO, les transistors de puissance et surtout les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor) (C Fig.16c) Cest une variante du thyristor rapide qui prsente la particularit de pouvoir tre bloqu par sa gchette. Un courant positif envoy dans la gchette ou gate entrane la mise en conduction du semi-conducteur condition que lanode soit une tension plus positive que la cathode. Pour maintenir le GTO conducteur et limiter la chute de tension, le courant de gchette doit tre maintenu. Ce courant est en gnral trs infrieur celui ncessaire pour initialiser la mise en conduction. Le blocage seffectue en inversant la polarit du courant de gchette. Le GTO est utilis sur les convertisseurs de trs forte puissance, car il est capable de matriser les fortes tensions et intensits (jusqu 5 000 V et 5 000 A). Cependant, en raison des progrs des IGBT, leur part de march tend samenuiser. Le thyristor GTO possde les caractristiques principales suivantes : ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant de maintien de gchette (ou gate) destin rduire la chute de tension directe, - un courant maximum permanent admissible, - un courant de blocage pour provoquer linterruption du courant. ltat bloqu : - des tensions inverse et directe maximales admissibles, souvent dissymtriques, comme avec les thyristors rapides et pour les mmes raisons, - un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel le courant dextinction doit tre maintenu sous peine de le voir se ramorcer spontanment, - un courant de gchette permettant lallumage du composant. Les GTO peuvent fonctionner des frquences de quelques kilohertz. Le transistor (C Fig.16d) Cest un semi-conducteur bipolaire contrl constitu de trois rgions alternes P-N-P ou N-P-N. Il ne laisse passer le courant que dans un seul sens : de lmetteur vers le collecteur en technologie P-N-P, du collecteur vers lmetteur en technologie N-P-N. Les transistors de puissance capables de fonctionner sous des tensions industrielles sont du type N-P-N, souvent monts en Darlington . Le transistor est un amplificateur de courant.A Fig. 16d L

A Fig. 16c

L

La valeur du courant qui le traverse est fonction du courant de commande circulant dans sa base. Mais il peut galement fonctionner en tout ou rien comme interrupteur statique : ouvert en labsence de courant de base et ferm injectant dans la base un courant suffisant pour le maintenir en tat de saturation. Cest ce deuxime mode de fonctionnement qui est utilis dans les circuits de puissance des variateurs. Les transistors bipolaires couvrent des tensions jusqu 1 200 V et acceptent des courants pouvant atteindre 800 A. Ce composant est aujourdhui remplac dans les convertisseurs par lIGBT. Dans le fonctionnement qui nous intresse, le transistor bipolaire possde les caractristiques principales suivantes : ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible,

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5 - Dparts moteurs

5.6

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques

- un gain en courant (pour maintenir le transistor satur, le courant inject dans la base doit tre suprieur au courant qui circule dans le composant, divis par le gain). ltat bloqu : - une tension directe maximale admissible. Les transistors de puissance utiliss en variation de vitesse peuvent fonctionner des frquences de quelques kilohertz. LIGBT (C Fig.16e) Cest un transistor de puissance command par une tension applique une lectrode appele grille ou gate isole du circuit de puissance, do son nom Insulated Gate Bipolar Transistor . Ce composant ncessite des nergies infimes pour faire circuler des courants importants.A Fig. 16e L

Cest aujourdhui le composant utilis en interrupteur tout ou rien dans la majorit des convertisseurs de frquence jusqu des puissances leves (de lordre du MW). Ses caractristiques tension courant sont similaires celles des transistors bipolaires, mais ses performances en nergie de commande et frquence de dcoupage sont trs nettement suprieures tous les autres semi-conducteurs. Les caractristiques des IGBT progressent trs rapidement et des composants haute tension (> 3 kV) et forts courants (plusieurs centaines dampres) sont actuellement disponibles. Le transistor IGBT possde les caractristiques principales suivantes : une tension de commande : - permettant la mise en conduction et le blocage du composant. ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible. ltat bloqu : - une tension directe maximale admissible. Les transistors IGBT utiliss en variation de vitesse peuvent fonctionner des frquences de quelques dizaines de kilohertz. Le transistor MOS (C Fig.16f) Ce composant fonctionne de manire diffrente des prcdents, par modification du champ lectrique dans un semi-conducteur obtenue en polarisant une grille isole, do lappellation : Mtal Oxyde Semiconducteur .

5

A Fig. 16f

L

Son usage en variation de vitesse est limit aux utilisations en basse tension (variateurs de vitesse aliments par batterie) ou de faible puissance, car la surface de silicium ncessaire lobtention dune tension de blocage leve avec une faible chute de tension ltat passant est conomiquement irralisable. Le transistor MOS possde les caractristiques principales suivantes : une tension de commande : - permettant la mise en conduction et le blocage du composant. ltat passant : - une rsistance interne, - un courant maximum permanent admissible. ltat bloqu : - une tension directe maximale admissible (pouvant dpasser 1 000 V). Les transistors MOS utiliss en variation de vitesse peuvent fonctionner des frquences de quelques centaines de kilohertz. On les trouve de manire quasi universelle dans les tages dalimentation dcoupage, sous la forme de composants discrets ou dun circuit intgr comportant la puissance (MOS) et les circuits de commande et rgulation.113

5 - Dparts moteurs

5.6 5.7

Structure, composants des dmarreurs et variateurs lectroniques Variateur-rgulateur pour moteur courant continu

LIPM (Intelligent Power Module) Ce nest pas proprement parler un semi-conducteur, mais un assemblage (C Fig.17) qui regroupe un pont onduleur transistors de puissance IGBT et leur lectronique de commande bas niveau. Sont runis dans un mme botier compact : - 7 composants IGBT, dont six pour le pont onduleur et un pour le freinage, - les circuits de commande des IGBT, - 7 diodes de puissance de roue libre associes aux IGBT pour permettre la circulation du courant, - des protections contre les courts-circuits, les surintensits et les dpassements de temprature, - lisolation galvanique de ce module. Le pont redresseur diodes est le plus souvent intgr ce mme module. Cet assemblage permet de matriser au mieux les contraintes de cblage et de commande des IGBT.

A Fig. 17

LModule IPM (Intelligent Power Module)

5.7

Variateur-rgulateur pour moteur courant continub Principe gnralLanctre des variateurs de vitesse pour moteur courant continu est le groupe Ward Leonard (C chapitre 3 Moteurs et charges). Ce groupe, constitu dun moteur dentranement, gnralement asynchrone, et dune gnratrice courant continu excitation variable, alimente un ou des moteurs courant continu. Lexcitation est rgle par un dispositif lectromcanique (Amplidyne, Rototrol, Regulex), ou par un systme statique (amplificateur magntique ou rgulateur lectronique). Ce dispositif est aujourdhui totalement abandonn au profit des variateurs de vitesse semi-conducteurs qui ralisent de manire statique les mmes oprations avec des performances suprieures. Les variateurs de vitesse lectroniques sont aliments sous une tension fixe partir du rseau alternatif et fournissent au moteur une tension continue variable. Un pont de diodes ou un pont thyristors, en gnral monophas, permet lalimentation du circuit dexcitation. Le circuit de puissance est un redresseur. La tension dlivrer devant tre variable, ce redresseur doit tre du type contrl, cest--dire comporter des composants de puissance dont la conduction peut tre commande (thyristors). La variation de la tension de sortie est obtenue en limitant plus ou moins le temps de conduction pendant chaque demipriode. Plus lamorage du thyristor est retard par rapport au zro de la demipriode, plus la valeur moyenne de la tension est rduite et, de ce fait, la vitesse du moteur plus faible (rappelons que lextinction dun thyristor intervient automatiquement quand le courant passe par zro). Pour des variateurs de faible puissance, ou des variateurs aliments par une batterie daccumulateurs, le circuit de puissance, parfois constitu de transistors de puissance (hacheur), fait varier la tension continue de sortie en ajustant le temps de conduction. Ce mode de fonctionnement est dnomm MLI (Modulation de Largeur dImpulsion).

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5 - Dparts moteurs

5.7

Variateur-rgulateur pour moteur courant continu

b RgulationLa rgulation consiste maintenir avec prcision la vitesse la valeur impose en dpit des perturbations (variation du couple rsistant, de la tension dalimentation et de la temprature). Toutefois, lors des acclrations ou en cas de surcharge, Iintensit du courant ne doit pas atteindre une valeur dangereuse pour le moteur ou le dispositif dalimentation. Une boucle de rgulation interne au variateur maintient le courant une valeur acceptable. Cette limite est accessible pour permettre lajustement en fonction des caractristiques du moteur. La vitesse de consigne est fixe par un signal, analogique ou numrique, transmis par lintermdiaire dun bus de terrain ou par tout autre dispositif qui dlivre une tension image de cette vitesse dsire. La rfrence peut tre fixe ou varier au cours du cycle de fonctionnement de la machine entrane. Des rampes dacclration et de dclration rglables appliquent de faon progressive la tension de rfrence correspondant la vitesse dsire. Lvolution de cette rampe peut suivre toutes les formes voulues. Le rglage des rampes dfinit la dure de lacclration et du ralentissement. En boucle ferme, la vitesse relle est mesure en permanence par une dynamo tachymtrique ou un gnrateur dimpulsions (C chapitre 6 Acquisitions de donnes) et compare la rfrence. Si un cart est constat, llectronique de contrle ralise une correction de la vitesse. La gamme de vitesse stend de quelques tours par minute jusqu la vitesse maximale. Dans cette plage de variation, on obtient aisment des prcisions meilleures que 1 % en rgulation analogique et mieux que 1 / 1 000 en rgulation numrique. En cumulant toutes les variations possibles (vide/charge, variation de tension, de temprature, etc.), cette rgulation peut galement tre effectue partir de la mesure de la tension du moteur en tenant compte du courant qui le traverse. Les performances sont dans ce cas nettement infrieures, la fois en gamme de vitesse et en prcision (quelques % entre marche vide et marche en charge).

5

b Inversion du sens de marche et freinage par rcupration dnergiePour inverser le sens de marche, il faut inverser la tension dinduit. Ceci peut tre ralis laide de contacteurs (cette solution est maintenant abandonne) ou en statique par inversion de la polarit de sortie du variateur de vitesse ou de la polarit du courant dexcitation. Cette dernire solution est peu usite en raison de la constante de temps de linducteur. Lorsquun freinage contrl est dsir ou que la nature de la charge limpose (couple entranant), il faut renvoyer lnergie au rseau. Pendant le freinage, le variateur fonctionne en onduleur, en dautres termes la puissance qui transite est ngative. Les variateurs capables deffectuer ces deux fonctionnements (inversion et freinage par rcupration dnergie) sont dots de deux ponts connects en antiparallle (C Fig.18). Chacun de ces ponts permet dinverser la tension, le courant ainsi que le signe de lnergie qui circule entre le rseau et la charge.

A Fig. 18

LSchma dun variateur avec inversion de marche et freinage par rcupration dnergie pour un moteur courant continu

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5 - Dparts moteurs

5.7 5.8

Variateur-rgulateur pour moteur courant continu Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

b Modes de fonctionnement possiblesLa nature des charges est voque avec plus de dtails dans le chapitre 3 Moteurs et charges. En ce qui concerne le fonctionnement du moteur courant continu, nous aborderons le fonctionnement couple constant et le fonctionnement puissance constante .

v Fonctionnement dit couple constant excitation constante, la vitesse du moteur est fonction de la tension applique linduit du moteur. La variation de vitesse est possible depuis larrt jusqu la tension nominale du moteur qui est choisie en fonction de la tension alternative dalimentation. Le couple moteur est proportionnel au courant dinduit et le couple nominal de la machine peut tre obtenu de manire continue toutes les vitesses.

v Fonctionnement dit puissance constante Lorsque la machine est alimente sous sa tension nominale, il est encore possible daugmenter sa vitesse en rduisant le courant dexcitation. Le variateur de vitesse doit dans ce cas comporter un pont redresseur contrl alimentant le circuit dexcitation. La tension dinduit reste alors fixe et gale la tension nominale et le courant dexcitation est ajust pour obtenir la vitesse souhaite. La puissance a pour expression : P=E.I avec E sa tension dalimentation, I le courant dinduit. La puissance, pour un courant dinduit donn, est donc constante sur toute la gamme de vitesse, mais la vitesse maximale est limite par deux paramtres : - la limite mcanique lie linduit et en particulier la force centrifuge maximale pouvant tre supporte par le collecteur, - les possibilits de commutation de la machine, en gnral plus restrictives. Le fabricant du moteur doit donc tre sollicit pour bien choisir un moteur, en particulier en fonction de la gamme de vitesse puissance constante.

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchroneLe variateur de vitesse pour moteur asynchrone reprend les mmes principes de base que le variateur pour moteur courant continu. Lapparition sur le march de variateurs de vitesse conomiques pour moteur asynchrone est assez rcente. En France, Telemecanique a t une des compagnies pionnires en la matire. Lvolution des technologies a permis la ralisation de variateurs conomiques fiables et performants.

b Principe gnralLe convertisseur de frquence, aliment tension et frquence fixes par le rseau, assure au moteur, en fonction des exigences de vitesse, son alimentation en courant alternatif tension et frquence variables. Pour alimenter convenablement un moteur asynchrone couple constant quelle que soit la vitesse, il est ncessaire de maintenir le flux constant. Ceci ncessite que la tension et la frquence voluent simultanment et dans les mmes proportions.116

5 - Dparts moteurs

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

b ConstitutionLe circuit de puissance est constitu par un redresseur et un onduleur qui, partir de la tension redresse, produit une tension damplitude et frquence variables (C Fig. 19). Pour respecter la directive CE - Communaut Europenne - et les normes associes, un filtre rseau est plac en amont du pont redresseur.

A Fig. 19

LSchma de principe dun convertisseur de frquence

v Le redresseurLe redresseur est en gnral quip dun pont redresseur diodes et dun circuit de filtrage constitu dun ou plusieurs condensateurs en fonction de la puissance. Un circuit de limitation contrle lintensit la mise sous tension du variateur. Certains convertisseurs utilisent un pont thyristors pour limiter le courant dappel de ces condensateurs de filtrage qui sont chargs une valeur sensiblement gale la valeur crte de la sinusode rseau (environ 560 V en 400 V triphas).Malgr la prsence de circuits de dcharge, ces condensateurs sont susceptibles de conserver une tension dangereuse en labsence de tension rseau. Une intervention lintrieur dun tel produit ne doit donc tre effectue que par des personnes formes et connaissant bien les prcautions indispensables mettre en place (circuit de dcharge additionnel ou connaissance du temps dattente).

v LonduleurLe pont onduleur, connect ces condensateurs, utilise six semiconducteurs de puissance (en gnral des IGBT) et des diodes de roue libre associes. Ce type de variateur est destin lalimentation des moteurs asynchrones cage. Ainsi lAltivar, de la Marque Telemecanique, permet de crer un mini-rseau lectrique tension et frquence variables capable dalimenter un moteur unique ou plusieurs moteurs en parallle. Il comporte : - un redresseur avec condensateurs de filtrage, - un onduleur 6 IGBT et 6 diodes, - un hacheur qui est connect une rsistance de freinage (en gnral extrieure au produit), - les circuits de commande des transistors IGBT, - une unit de contrle organise autour dun microprocesseur, lequel assure la commande de londuleur, - des capteurs internes pour mesurer le courant moteur, la tension continue prsente aux bornes des condensateurs et dans certains cas les tensions prsentes aux bornes du pont redresseur et du moteur ainsi que toutes les grandeurs ncessaires au contrle et la protection de lensemble moto-variateur, - une alimentation pour les circuits lectroniques bas niveau. Cette alimentation est ralise par un circuit dcoupage connect aux bornes des condensateurs de filtrage pour bnficier de cette rserve dnergie. Cette disposition permet lAltivar de saffranchir des fluctuations rseau et des disparitions de tension de courte dure, ce qui lui confre de remarquables performances en prsence de rseaux fortement perturbs.

5

b La variation de vitesseLa gnration de la tension de sortie est obtenue par dcoupage de la tension redresse au moyen dimpulsions dont la dure, donc la largeur, est module de telle manire que le courant alternatif rsultant soit aussi sinusodal que possible (C Fig.20). Cette technique connue sous le nom de MLI (Modulation de Largeur dImpulsions ou PWM en anglais) conditionne la rotation rgulire basse vitesse et limite les chauffements. La frquence de modulation retenue est un compromis : elle doit tre suffisamment leve pour rduire londulation de courant et le bruit acoustique dans le moteur sans augmenter notablement les pertes dans le pont onduleur et dans les semi-conducteurs. Deux rampes rglent lacclration et le ralentissement.

A Fig. 20

LLa modulation de largeur dimpulsions

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5 - Dparts moteurs

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

b Les protections intgresLe variateur sauto-protge et protge le moteur contre les chauffements excessifs, en se verrouillant jusquau retour une temprature acceptable. Il en est de mme pour toute perturbation ou anomalie pouvant altrer le fonctionnement de lensemble, comme les surtensions ou sous tension, la disparition dune phase dentre ou de sortie. Dans certains calibres le redresseur, londuleur, le hacheur, la commande et les protections contre les courts-circuits sont intgrs dans un unique module IPM - Intelligent Power Module -.

b Lois de commande du moteur asynchroneLes variateurs de vitesse pour moteur asynchrone de premire gnration utilisaient une loi de commande, dite en U/F dite galement commande scalaire, seule possibilit ralisable conomiquement. Lapparition des microprocesseurs et de leur puissance de calcul a permis dappliquer la commande vectorielle, infiniment plus performante. Les constructeurs proposent sur la majorit de leurs produits la commande scalaire, la commande vectorielle sans capteur et sur certains variateurs, la commande vectorielle avec capteur.

v Fonctionnement en U/fDans ce type de fonctionnement, la rfrence vitesse impose une frquence londuleur et par voie de consquence au moteur, ce qui dtermine la vitesse de rotation. La tension dalimentation est en relation directe avec la frquence. Ce fonctionnement est souvent nomm fonctionnement U/f constant ou fonctionnement scalaire. Si aucune compensation nest effectue, la vitesse relle varie avec la charge ce qui limite la plage de fonctionnement et les performances. Une compensation sommaire peut tre utilise pour tenir compte de limpdance interne du moteur et limiter la chute de vitesse en charge.

v Contrle vectoriel de flux sans capteurLes performances sont grandement augmentes par une lectronique de commande faisant appel au contrle vectoriel de flux - CVF - (CFig.21).

A Fig. 21

LSchma de principe dun variateur contrle vectoriel de flux

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5 - Dparts moteurs

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

La plupart des variateurs modernes intgrent cette fonction en standard. Pour la majorit des applications, la connaissance ou lestimation des paramtres de la machine permet de se passer de capteur de vitesse. Dans ce cas, un moteur standard peut tre utilis avec la limitation usuelle de fonctionnement prolong basse vitesse. Le variateur labore les informations partir des grandeurs mesures aux bornes de la machine (tension et courant). Ce mode de contrle apporte des performances acceptables sans augmentation de cot. Pour obtenir ces performances, certains paramtres de la machine doivent tre connus. A la mise en service, le metteur au point de la machine doit notamment introduire les caractristiques plaques sur le moteur dans les paramtres de rglage du variateur telles que : UNS : tension nominale moteur, FRS : frquence nominale stator, NCR : courant nominal stator, NSP : vitesse nominale, COS : cosinus moteur. Ces abrgs sont utiliss par les variateurs Altivar de la marque Telemecanique. A partir de ces valeurs, le variateur calcule les caractristiques du rotor : Lm, Tr. (Lm : inductance magntisante, Tr : moment du couple). A la mise sous tension, un variateur avec contrle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F Telemecanique) pratique un autorglage qui lui permet de dterminer les paramtres statoriques Rs, Lf. Cette mesure peut se faire moteur accoupl la mcanique. La dure varie en fonction de la puissance moteur (1 10 s). Ces valeurs sont mmorises et permettent au produit dlaborer les lois de commande. Loscillogramme de la figure 22 reprsente la mise en vitesse dun moteur, charg son couple nominal aliment par un variateur sans capteur. On remarquera que le couple nominal est obtenu rapidement (moins de 0.2 s) et la linarit de la mise en vitesse. La vitesse nominale est obtenue en 0.8 seconde.

5

A Fig. 22

LCaractristiques dun moteur sa mise sous tension par un variateur avec contrle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F Telemecanique)

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5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

v Variateur avec contrle vectoriel de flux en boucle ferme avec capteurLe contrle vectoriel de flux en boucle ferme avec capteur est une autre possibilit. Cette solution fait appel la transformation de Park et permet de contrler indpendamment le courant (Id) assurant le flux dans la machine et le courant (Iq) assurant le couple (gal au produit Id, Iq). La commande du moteur est analogue celle dun moteur courant continu. Cette solution (C Fig.23) apporte la rponse aux applications exigeantes : forte dynamique lors des transitoires, prcision de vitesse, couple nominal larrt.

A Fig. 23

LSchma de principe dun variateur avec contrle vectoriel de flux avec capteur

Le couple maximal transitoire est gal 2 ou 3 fois le couple nominal suivant le type de moteur.A Fig. 24 LOscillogramme de la mise en vitesse dun moteur, charg son couple nominal aliment par un variateur avec contrle vectoriel de flux (type ATV58F Telemecanique).

De plus, la vitesse maximale atteint souvent le double de la vitesse nominale, ou davantage si le moteur le permet mcaniquement. Ce type de contrle autorise galement des bandes passantes trs leves et des performances comparables et mme suprieures aux meilleurs variateurs courant continu. En contrepartie, le moteur utilis nest pas de construction standard en raison de la prsence dun capteur et le cas chant dune ventilation force. Loscillogramme reprsent dans la figure 24 reprsente la mise en vitesse dun moteur, charg son couple nominal, aliment par un variateur avec contrle vectoriel de flux avec capteur. Lchelle des temps est de 0.1 s par division. Par rapport au mme produit sans capteur, laugmentation des performances est sensible. Le couple nominal stablit en 80 ms et le temps de monte en vitesse, dans les mmes conditions de charge est de 0.5 seconde. En conclusion, le tableau de la figure 25 compare les performances respectives dun variateur dans les trois configurations possibles.

b Inversion du sens de marche et freinageA Fig. 25 LPerformances respectives dun variateur dans les trois configurations possibles (type ATV58F Telemecanique)

Pour inverser le sens de marche, un ordre externe (soit sur une entre ddie cet effet, soit pour un signal circulant sur un bus de communication) entrane linversion dans lordre de fonctionnement des composants de londuleur, donc du sens de rotation du moteur.

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5 - Dparts moteurs

5.8

Convertisseur de frquence pour moteur asynchrone

Plusieurs fonctionnements sont possibles.

v 1er cas : inversion immdiate du sens de commande des semiconducteursSi le moteur est toujours en rotation au moment de linversion de sens de marche, cela se traduit par un glissement important et le courant dans le variateur est alors gal au maximum possible (limitation interne). Le couple de freinage est faible en raison du fort glissement et la rgulation interne ramne la consigne de vitesse une faible valeur. Quand le moteur atteint la vitesse nulle, la vitesse sinverse en suivant la rampe. Lexcdent dnergie non absorbe par le couple rsistant et les frottements est dissip dans le rotor.

v 2me cas : inversion du sens de commande des semiconducteurs prcde dune dclration avec ou sans rampeSi le couple rsistant de la machine est tel que la dclration naturelle est plus rapide que la rampe fixe par le variateur, celui-ci continue fournir de lnergie au moteur. La vitesse diminue progressivement et sinverse. Par contre, si le couple rsist