1 La variation de vitesse des La variation de vitesse des moteurs asynchrones moteurs asynchrones
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La variation de vitesse des La variation de vitesse des moteurs asynchronesmoteurs asynchrones
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pgfgnn s
)1()1( −=−=
Pairede pôles
Vitessede rotation
Vitesse duchamp tournant
fréquenceglissement
Principes
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Pour faire varier la vitesse il faut :
•Modifier le nombre de pôles
•Le glissement
•La fréquence d’alimentation
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Couplage de pôlesCouplage de pôles
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Action sur les pôles
•p est un nombre entier.•Les différentes vitesses seront des multiples.•Dans la pratique on limite la variation à deux vitesses (PV et GV).•Le moteur est plus volumineux et plus cher.
pgfn )1( −=
2 technologies sont utilisées suivant le rapport
- rapport quelconque : stator à enroulements séparés - rapport = 2 : stator composé de 6 demi-bobines
PVGV
On parle de variation par couplage de pôles
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T/Tn I/In
1000 3000 1000 3000
caractéristiques du couple et du courant en fonction de la vitesse
Action sur les pôles
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En grande vitesse les enroulements PV supportent des contraintes mécaniques et électriques importantes qui sont prises en compte dans la conception du moteur. Les puissances absorbées en GV et PV sont souvent très différentes ce qui nécessite un relais de protection thermique par vitesse.
PV
GV
Action sur les pôles Rapport GV/PV quelconque
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On a 4 pôles PVOn a le couplage triangle série
On a 2 pôles GV
On a le couplage étoile parallèle
L1
L2L3 L2
L1 L3
Action sur les pôlesRapport GV/PV =2
Le moteur Dahlander est constitué de 6 demi enroulements
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Câblage de la plaque à bornes
PVtriangle série
GVétoile parallèle
L1 L2 L3
L3 L2 L1
Action sur les pôlesRapport GV/PV =2
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La protection de moteur à couplage Dahlander
T/Tn I/In
1000 3000 1000 3000
P ’ P Cr
1500
Les courants absorbésen PV et GV
sont très différents.
Il est nécessaire de prévoirune protection thermique
séparées pour chaquefonctionnement .
Action sur les pôlesRapport GV/PV =2
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Action sur le glissementAction sur le glissement
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Au moyen d’un gradateur qui modifie la valeur efficace de la tension statorique
Du fait de sa faible plage de variation de vitesse sur moteur à cage standard, le gradateur statorique est surtout utilisé sur des machines dont le couple résistant est de type parabolique(ventilateur).
Action sur le glissement
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Rhéostat de glissement rotorique
Action sur le glissementAu moyen d’un gradateur qui modifie la valeur efficace des courants rotoriques (résistance variable).
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Action sur le glissement
Cr
En modifiant la résistance rotorique, on agit sur le glissement tout en conservant un couple maximal constant.
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Action sur le glissementP(Ωn, Cn)P ’(Ωs, 0)
Cr
C
Ω
P
P ’
Puissance absorbée =(Cn . Ωs) (Cn . Ωn)
Puissance utile + pertes
Grandevitesse
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Action sur le glissement
Inconvénient : - rendement très faible sauf avec cascade hyposynchrone- échauffement du moteur
Cr
C
Ω
P
P ’
Petitevitesse
Augmentation des pertes
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Cascade hyposynchrone La récupération de l'énergie rotorique assure un excellent rendement, voisin de celui du moteur seul.
Le facteur de puissance de la cascade est plus faible que celui du moteur seul et il y a nécessité de le relever avec une batterie de condensateurs.La cascade ne peut démarrer seule : il est nécessaire de prévoir un dispositif annexe de démarrage par résistances rotoriques.
Action sur le glissement
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Action sur la fréquenceAction sur la fréquence
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Action sur la fréquence
pfns =
Agir sur la fréquence, modifie la vitesse de synchronisme
ainsi que le point de fonctionnement
Cr P1P2P3
ns1
f1
ns2
f2<f1
ns3
f3<f2
Remarque:Les pertes sontconstantes
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On distingue:
•La conversion directe par cycloconvertisseur.
•La conversion indirecte par variateur de vitesse à commande scalaire ou vectorielle.
Action sur la fréquence
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C'est un convertisseur de fréquence, dont la fréquence de sortie est faible devant celle du réseau d'alimentation (1/3 maximum). Le montage complet nécessite 36 thyristors pour une machine triphasée.
Action sur la fréquence conversion directe par cycloconvertisseur
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L a machine asynchrone, en raison de son faible coût et de sa robustesse, constitue actuellement la machine la plus utilisée pour réaliser des variateurs de vitesse.
De par sa structure, la machine asynchrone à cage d'écureuil possède un défaut important par rapport à la machine à courant continu et aux machines de type synchrone. En effet, l'alimentation par une seule armature fait que le même courant crée le flux et le couple et ainsi les variations du couple provoquent des variations du flux.
Ce type de couplage donne à la machine asynchrone un modèle complètement non linéaire, ce qui complexifie beaucoup la commande de cette machine.
Action sur la fréquence
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Scalaire(U/f)- Commande fondée sur le modèle de la machine en régime
permanent.– Boucle Ouverte
• Contrôle par mesure du courant– Boucle Fermée
• Correction en fonction de la vitesse réelle- Simple à implanter.- Dynamique lente.- Contrôle des grandeurs en amplitude.
Action sur la fréquence conversion indirecte(Choix du type de commande)
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Vectorielle- Commande fondée sur le modèle de la machine en régime
transitoire (Park :découplage du flux et du couple)– Boucle Ouverte
• Tout repose dans l’estimation du modèle.– Boucle Fermée
• Les meilleures performances.- Précision et rapidité- Contrôle du couple à l’arrêt(avec capteur de position ou vitesse)- Chère (codeur ou estimateur de vitesse, DSP) .- Contrôle des grandeurs en amplitude et en phase.
Action sur la fréquence conversion indirecte(Choix du type de commande)
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Contrôle U/f Contrôle U/f ouou
Contrôle scalaireContrôle scalaire
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Pour une bonne maîtrise de l ’équipement, on cherche à conserver un couple moteur maximal constant.A l ’aide du modèle équivalent, on a obtenu l ’expression :
p et L’r sont liés à la construction de la machine
Action sur la fréquence Commande scalaire
sfV
est représentatif du flux magnétisant
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On travaille à flux constant
Action sur la fréquence Commande scalaire
f varie et on veut Cmax⇒
sfV
doit rester constant.
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Action sur la fréquence Commande scalaire
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Conséquence sur lacaractéristique Cm = f(Ω)
à basse vitesse
Commande scalaireLimite du modèle utilisé
A basse vitesse, donc à faible tension V, on a l’influence de Rs qui ne peut être négligée.
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C/Cn
0,5
1
1,5
f(Hz)fn 2fn0
Zone de survitesseà puissance constante
Moteur moto ventilé couple utile permanentMoteur auto ventilé couple utile permanent
Surcouple transitoire
Caractéristiques constructeurs
Pas de coupleaux très basses vitesses
Action sur la fréquence Commande scalaire
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Pour compenser les imperfections du modèle adopté ou l ’adapter à une charge particulière, les constructeurs proposent de modifier la loi U/f.
f(Hz)fn 2 fn
Vn
V
Au démarrage il y a renforcement du flux magnétique⇒ augmentation du couple aux basses vitesses
f(Hz)fn 2 fn
Vn
V
Vd
Action sur la fréquence Commande scalaire
Pour obtenir les caractéristiques précédentes, la loi U/f a l ’allure suivante Zone en régime de ″défluxage″
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Ajustement automatique (boost automatique)La tension délivrée au moteur permet une compensation de la chute de tension RsI suivant la charge.On obtient un couple élevé à basse vitesse tout en maintenant un courant magnétisant faible dans le moteur à vide.il a un temps de réponse plus lent que l ’ajustement manuel.
Ajustement manuel (ou boost manuel)La tension appliquée n ’est pas fonction de sa charge.On obtient un couple élevé à basse vitesse mais on maintient un courant magnétisant élevé dans le moteur à vide avec risque de saturation magnétique (échauffement)
Action sur la fréquence Commande scalaire
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Action sur la fréquence Commande scalaire
ωn
ω-ω-ωn
On en déduit la caractéristique V=f(ω) pour les deux sens de rotation.
boost
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La compensation permet de rattraper le glissement en fournissant un supplément de fréquence
C
N (ou f)Cr1
P1Cr2
P 2
NsNp1glissement
+∆f
P ’1+∆f
P ’2
(valable pour un point de fonctionnement ou de petites variations)
Commande scalaireCompensation du glissement
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Commande scalaire en tensionSynoptique de la commande
Thèse BAGHLI
MLI
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Commande scalaire en courantLa machine est alimentée en courant. Il est nécessaire de déterminer la loi de variation Is =f(ωr ) en gardant un flux statorique constant (Io = cst).
X0V
Is
L’r
Iµ I’r
R’r/g
ZZo
ZZZI
YYYII
os
o
os
+=
+=µ
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Commande scalaire en courant
avec ωr= g ωs
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Commande scalaire en courantSynoptique de la commande
Thèse BAGHLI
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Contrôle Contrôle VectorielVectorielde Fluxde Flux
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U
WV
Contrôle vectoriel de fluxOn peut montrer que le MAS triphasé peut être représentée par un système biphasé dans un repère tournant à la vitesse du champ statorique. Les grandeurs électriques deviennent des grandeurs continues.
Q
D
qcouple
dflux
iq
id
ϕs
Ωs
ϕs
Ωs
Transformation de Park
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Contrôle vectoriel de flux
L0V
Iµ I’rL’r
R’r/g
ZZZI
YYYII
o
os
osr
+=
+='
ZZo
Is
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2''3r
r
se I
gRC
Ω=
Contrôle vectoriel de flux Couple électromagnétique
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Pour imposer ou contrôler le couple il faut :- maîtriser Is et ωR
- connaître R’r et Lo,L’r
Mesurés par des capteurs
Fournies par les constructeurs ou par identification au démarrage du moteur
Contrôle vectoriel de flux
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Transformation de ParkRappels
Cette transformation consiste, tout d’abord, à remplacer le moteur triphasé par le moteur biphasé équivalent.
D’un système triphasé fixe (a,b,c) on passe à un système biphasé fixe αβ (les grandeurs restent sinusoïdales).
Puis on passe à un repère tournant à la vitesse du champ statorique. Dans ce repère les grandeurs deviennent continues.
Concordia
ou Clarke Park
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~=
~=
M
Gén
érat
eur
MLI
2/3Im
IdIq
IaIb
Iq’Id’
2/3ImId
Iq
intégrateurθs
Id
Id’
Iq
Iq’Référencecourant/couple
Référenceflux
réseau
ωR mesuréeou calculée
ωG
calculée
Référencevitesse
ωsωR
GI
Contrôle vectoriel de flux
Schéma fonctionnel (très simplifié)
Park
Park-1
VaVb
Vc
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~=
~=
M
réseau
Logique decommutation
Modèle moteur
adaptatif
Commandedes I.S.
Régulateurconsignecouple
Consigne couple
Consignevitesse
Régulateurvitesse
PID
vitesse réelle
Flux réel
Régulateur de consigne de flux
Opt
imis
atio
nflu
x
Frei
nage
cont
rôle
du
flux
Aff
aibl
isse
men
tsu
rvite
sse
Coupleréel
Synoptique contrôle vectoriel de fluxSans capteur de vitesse ou de position
Estimateur
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Contrôle vectoriel de fluxSans capteur de vitesse ou de position
Park-1
Park
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• Des performances exceptionnelles dans la mesure où la machine est parfaitement connue et la commande parfaite.
• Requiert une bonne connaissance des paramètres de la machine asynchrone, paramètres évoluant en fonction des conditions d’exploitation de la machine (température, saturation,…).
• Il y a contrôle vectoriel et contrôle vectoriel!!
Comparatif avec machine synchrone (terre-rare):* robustesse, prix: ++
* couple massique/volumique: - -
* rendement: -
* précision: machine synchrone + simple…et donc mieux contrôlée.
Contrôle vectoriel de fluxConclusion
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StructureStructureInterneInterne
d ’un Variateurd ’un VariateurMLIMLI
50
Redresseur
Structure et commande classique: redresseur à diode/thyristors, onduleur à « transistor »
Onduleur
MoteurC
tension tension tension
actio
n
courantcourantcourantréac
tion
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Traitement des informations
Structure interne d ’un variateur MLI
réseau
Commande des voies
afficheurclavier
priseDB9
CAN
Bor
nier
ent
rées
/ so
rties
DT
CANU I
CAN
Toutes les grandeurs rentrantes ou sortantes du µP sont optocouplées
52document Schneider
Structure interne d ’un variateur MLI
53
Câblage d ’un variateur MLI
54
FINFIN