le contrôle dun moteur à induction guy gauthier ing. ph.d. juillet 2011
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Le contrôle d’un moteur à induction
Guy Gauthier ing. Ph.D.
Juillet 2011
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Le contrôle des moteurs asynchrones en vitesse
• La vitesse d’un moteur à induction s’écrit comme suit:
• Elle dépend de:– Glissement S;– Fréquence du réseau fp.
Nf
nSm
p ( )1
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Contrôle du glissement
• Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur le glissement de trois façons:
– Changer le nombre de pôles;– Changer le voltage du stator;– Contrôle du rotor
• en changeant la résistance du rotor;• par le couplage en cascade
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Changer le nombre de pôles
• La vitesse de synchronisme d’un moteur alimenté à 60 Hz et ayant 2 pôles est de 3600 RPM.
• Si le moteur possède 4 pôles cette vitesse est divisée par 2 et devient 1800 RPM.
(moteur de typeDahlander)
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Changer le voltage au rotor
• Le couple du moteur est proportionnel au carré de la tension d’alimentation au stator.
• Donc, changer la tension d’alimentation change la vitesse en changeant la position du point d’opération.
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Changer la résistance au rotor
• Si le moteur est à rotor bobiné, on peut insérer des résistances dans le circuit du rotor.
• Les pertes par effet Joule au rotor change la caractéristique couple/vitesse.
R augmente
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Contrôle de la fréquence
• Pour changer la vitesse du moteur, on peut jouer sur la fréquence alimentant le moteur.
• Ce qui mène au variateur électronique de vitesse (drive).
Tpnvi R
R S Lmr r
p r p r
( )2 2 2 2
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Éléments d’un variateur électronique de vitesse
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Éléments d’un variateur électronique de vitesse
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Éléments d’un variateur électronique de vitesse
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Éléments d’un variateur électronique de vitesse
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Diode et thyristors
• Diode:
• Thyristor :
< 300 Hz
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Diode et thyristors
• GTO : gate turn off thyristor
< 1 kHz
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Transistors
• Bipolaire:
• MOS:
< 10 kHz
< 40 kHz
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Transistors
• IGBT: insulated gate bipolar transistor
< 20 kHz
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Le contrôleur à fréquence variable
• Schéma de principe
Redresseur Circuit intermédiaire Onduleur Moteur
Circuit de contrôle
Variateur électronique de vitesse
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Étape #1: Le redresseur
• La tension alternative de 60 Hz (50 Hz) doit être transformée en une tension continue.
• Il faut donc insérer un redresseur (ou pont de Graetz).
• Selon la composante semi-conductrice le redresseur donne:– Tension moyenne de sortie constante si diode;– Tension moyenne de sortie variable si thyristor.
Redresseur
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Redresseur à diodes
• Pas de contrôle…
• Donc la tension moyenne de sortie est constante.– Tension DC moyenne = 1.35 x la tension AC
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Redresseur à thyristors
• Contrôle de l’angle d’amorcage.
• Permet une valeur moyenne variable en sortie.– Tension DC moyenne = 1.35 * voltage AC * cos(alpha)
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Redresseur à thyristors
• Formes d’onde:
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Redresseur
• Lors du freinage du moteur, le redresseur à thyristor permet de retourner de l’énergie vers le réseau, ce qui n’est pas possible avec un pont de Graetz basé sur des diodes.
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Étape #2: Le circuit intermédiaire
• Le but du circuit intermédiaire est de filtrer le signal en sortie du pont de Graetz.
• Si le pont de Graetz est basé sur des diodes, la tension en sortie du circuit ne peut être variée que si le circuit intermédiaire varie cette tension.– Circuit hacheur.
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Bobine de filtrage
• Si le redresseur est contrôlé (thyristors), on utilise une bobine qui filtre les composantes de haute fréquence.
– Cette technique permet de retourner de l’énergie à la source de CA lors des freinages.
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Filtre L-C
• Une autre technique utilise un filtre L-C.• Elle fonctionne avec les deux types de
redresseurs.
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Hacheur (chopper)
• Cela peut aussi être un circuit appelé “hacheur” qui découpe le signal à CC.
• L’onde résultante est filtrée pour obtenir un signal à CC d’amplitude variable.
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Commande du hacheur
• L’amplitude moyenne du signal de sortie est:
V Vt
t tou t inon
on o ff
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Après deux étages
• Avec un pont de diodes au premier étage et un filtre L-C, le troisième étage reçoit une tension constante.
• Avec un pont de diodes au premier étage et un hacheur, le troisième étage reçoit une tension variable.
• Avec un pont de thyristors au premier étage et une bobine, le troisième étage reçoit un courant variable.
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Étape #3: L’onduleur
• Si l’onduleur recoit un courant variable, on peut générer un signal à CA. Cet onduleur est dit à source de courant (CSI).
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Onduleur CSI
• L’onduleur CSI comprend 6 thyristors, 6 diodes et 6 condensateurs.
• Quand un thyristor est activé il ne peut s’arrêter que si la tension s’inverse, ce qui est le rôle des condensateurs dans ce circuit.
• Ces composantes doivent être adaptées à la grosseur du moteur à alimenter.
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Onduleur CSI
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Étape #3: L’onduleur
• L’autre variante d’onduleur permet de générer un courant de sortie CA.– Exige l’utilisation de transistors.
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Onduleur à transistors
• Les thyristors ne peut être arrêtés que lorsqu’il y a inversion de tension.
• Un transistor offre plus de contrôle puisqu’il peut être arrêté à n’importe quel moment.
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Onduleur à transistors
• Mais tous les transistors ne sont pas égaux dans leurs caractéristiques.
• En particulier les puissances et fréquences de commutation.– Fréquences plus élevées qu’avec les thyristors.
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Les deux types de modulation
• Pulse amplitude modulation (PAM)
• Pulse width modulation (PWM).
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La modulation d’amplitude
• Principe:
– L’ajustement de la tension dans le bobinage dépend des transistors ouverts et fermés…
1
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La modulation d’amplitude
• Dans ce circuit:– U = 0 ou Um selon l’état de T1 et T2;
– V = 0 ou Um selon l’état de T3 et T4.
• Ainsi, U-V = -Um, 0 ou +Um.
1
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PAM• Ainsi, par une
commutation adéquate, on peut obtenir une onde sinusoidale.
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La modulation d’amplitude
• La tension RMS de sortie est égale à 86.6 % de la tension moyenne du signal continu.
• Le type de modulation (à 6 ou 18 impulsions) à un effet sur la qualité du signal de sortie.
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La modulation de largeur d’impulsion (PWM)
• On peut aussi obtenir une onde sinusoïdale en utilisant la modulation de largueur d’impulsion (PWM).
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La modulation de largeur d’impulsion (PWM)
• Anciennement: méthode analogique.
u vf f
v
u
fm
f
m est un multiple de 3 pour limiter les harmoniques
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La modulation de largeur d’impulsion (PWM)
• Maintenant implanté dans des contrôleurs et des DSP.
• Ainsi, on peut obtenir des approches de contrôle plus performantes.
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Le PWM
• L’onduleur varie à la fois l’amplitude et la fréquence.
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Le PWM
• L’amplitude RMS maximale de la sortie est de 86.6 % la tension d’entrée de l’onduleur.
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Le PWM et la fréquence
• La fréquence fv à un impact sur la qualité du signal. Mais, un compromis doit être fait.– fv faible augmente les pertes
dans le moteur;– fv grand augmente les pertes
dans l’onduleur.
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Le problème des harmoniques
• Exemple des harmoniques présentes pour une modulation d’amplitude à 6 impulsions.
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Le problème des harmoniques
• Les nuisances ont lieu à base vitesse car à haute vitesse, les harmoniques sont filtrées par les réactances du moteur.
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Le problème des harmoniques
• Visualisation des champs tournants:
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Conséquences des harmoniques
• Augmentation des pertes Foucault;• Echauffement du moteur;• Rendement et efficacité réduite;• Vibrations;• Pulsations de couple;• Augmentation du bruit.
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Commande scalaire
• Le couple maximal d’un moteur asynchrone se produit quand le glissement S est:
• Et est égal à:
r
p r
RS
L
2
max 2f
r p
vpnT
L
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Commande scalaire
• En changeant à la fois la fréquence et la tension pour maintenir le rapport vf/ωp, le flux dans le moteur est maintenu constant et la caractéristique du moteur se déplace.
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Commande scalaire
• Au delà d’une certaine vitesse, la tension vf atteint son maximum et le couple maximum chute.
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Commande scalaire
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Commande scalaire
• Cette commande scalaire est dite « contrôle V/f ».
• Simple à implanter car basé sur le régime permanent.
• Dynamique lente.• Contrôle des amplitudes de vitesse ou de
couple.
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Commande scalaire V/F
• Commande en vitesse avec la tension.
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Commande scalaire V/F
• Commande en vitesse avec le courant.
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Commande vectorielle
• Comme montré dans une des acétates précédentes, le contrôle vectoriel donne un champ tournant parfaitement circulaire.
• Dans le cas d’un moteur à CC, on peut faire le contrôle de ce moteur utilisant les bobinages du rotor et du stator de façon indépendante.
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Moteur CC à excitations indépendantes
• Équations en jeu:
• Il existe un couple (ia, if) correspondant à un couple (ωm, Tm).– Indépendance du couple et la vitesse.
• Certains diraient découplage !
ma
fm f a
vk i
T ki i
e t
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Commande vectorielle
• Donc, idéalement il faudrait pouvoir faire de même en CA.
• Mais, pour un moteur à CA à 3 phases, il y a une représentation triphasée des flux, courants et tensions.
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Commande vectorielle
• Transformation à faire:
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Commande vectorielle
• Les moteurs CC sont très optimaux au niveau du couple car le flux et le courant sont orthogonaux.
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Orientation du champ
• Orientation non optimale:
• Orientation optimale:
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Mesure de la position et de l’orientation du flux
• Mesure du flux:
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Mesure de la position et de l’orientation du flux
• Calculateur de couple:
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Contrôle direct de l’orientation du flux
• Schéma de principe:
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Contrôle vectoriel par mesure de l’orientation du flux
• Schéma de principe:
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Contrôle vectoriel d’un moteur
• Mesure indirecte de l’orientation du flux:
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Choix du contrôleur
• La caractéristique vitesse-couple de la combinaison contrôleur-moteur devient rectangulaire:
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Choix du contrôleur
• Le contrôleur peut fournir:– un couple égal à 160% du couple nominal;– une vitesse égale à 200% de la vitesse nominale.
1/n
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Choix du contrôleur
• La caractéristique de la charge à un impact sur le choix du contrôleur:– Exemple: ventilateur (domaine d’utilisation 30
à 80% de la charge maximale).
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Choix du contrôleur
• Il faut s’assurer que le couple moteur soit toujours plus grand au couple résistant:
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Choix du contrôleur
• La caractéristique de la charge à un impact sur le choix du contrôleur:– Exemple 2: charge à couple constant
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Choix du contrôleur
• Si le contrôleur et le moteur permettent un couple 60% plus grand que le couple nominal, cela est suffisant pour accélérer la charge.
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Choix du contrôleur
• Si le contrôleur et le moteur ne permettent pas un couple plus grand que le couple nominal, il faut prévoir le couple d’accélération.
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Choix du contrôleur
• La façon la plus simple de choisir le contrôleur est de mesurer le courant maximum du moteur à pleine charge.
• Si le moteur n’est pas à pleine charge, le courant peut être déduit en comparant avec des applications similaires.
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Choix du contrôleur
• Choix basé sur la puissance de sortie du moteur et la charge et la puissance de sortie du contrôleur.
• Implique de connaître le rendement et le facteur de puissance (moins précis).
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Choix du contrôleur
• Choix basé sur la puissance nominale du moteur.
• Surdimensionnement du contrôleur si le moteur ne travaille jamais à pleine charge.