Ressource de formation sur le schéma électronique variateur de vitesse
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Ressource de formation sur le schéma électronique variateur de vitesse
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Le variateur de vitesse
- Problématique
Nous avons vu qu’il est possible de diminuer le courant en ligne lors du démarrage des moteurs asynchrones soit en procédant par un couplage étoile - triangle, soit par un démarreur électronique. Le problème est que la vitesse de rotation d’un moteur est fixée une fois pour toutes à la fabrication (nombre de paires de pôles). Grâce à l’électronique de puissance, il est aujourd’hui possible d’allier la robustesse des moteurs asynchrones et la possibilité de variation de vitesse sur une large plage.
- Fonction - symbole
La fonction du variateur de vitesse est la suivante :
Le variateur de vitesse permet de faire varier la vitesse de moteurs électriques asynchrones qui, de conception, ont une vitesse de rotation constante. La variation de vitesse est obtenue en faisant varier la fréquence de la tension d’alimentation du moteur.
Le symbole fonctionnel d’un variateur de vitesse électronique deux sens de rotation pour moteur asynchrone triphasé est le suivant :
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Le variateur de vitesse est un organe basé sur l’électronique de puissance. Il transforme la tension fixe du réseau qui peut être monophasée ou triphasée en une tension triphasée de valeur variable en amplitude et en fréquence. Chaque fabricant y ajoute selon ses spécifications des options telles que la limitation de courant au démarrage, la protection thermique du moteur, la gestion des défauts internes au variateur, des rampes d’accélération, de décélération… Le fonctionnement du moteur peut se faire à couple constant, à puissance constante…
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Analyse des défaillances affectant le variateur de vitesse de la machine asynchrone
Chapitre I – Analyse des défaillances affectant le variateur de vitesse de la machine asynchrone
I.1. Introduction
Le moteur asynchrone est le plus utilisé dans le domaine des puissances supérieures à quelques kilowatts car il présente de nombreux avantages, tels que : sa robustesse, sa construction simple, son faible coût, etc. En outre l’apparition dans les années 80 des variateurs permettant de faire varier la fréquence de rotation dans une large gamme a favorisé énormément l’extension de son domaine d’application. En effet, l’ensemble convertisseur de fréquence moteur asynchrone est actuellement la source principale d’énergie mécanique de nombreux procédés industriels, entre autres : traction électrique, laminoirs, levage, pompage, etc.
Ce premier chapitre porte sur la synthèse des défauts qui sont susceptibles d’apparaître sur les systèmes sus cités.
A cet effet, nous allons dans un premier temps décrire les différents constituants du système (machine asynchrone et variateur de vitesse).
En suite, les défaillances pouvant apparaître sur le variateur de vitesse de la machine asynchrone (onduleur de tension) seront énumérées. Parmi ces défauts, ceux concernant l’onduleur et sa commande rapprochée (défauts de driver ou d’un composant de puissance commandable (un IGBT par exemple) ou de capteur par exemple) sont considérés. Ces défauts conduisent à la perte du contrôle du courant et à l’apparition des ondulations de couple avec une amplitude importante.
Ce qui provoque des pannes et, par conséquent, des arrêts intempestifs préjudiciables au bon fonctionnement du système et au process technologique ainsi qu’à la sécurité des personnes.
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I.2. Constitution de la machine asynchrone
La machine asynchrone est constituée des principaux éléments suivants :
- le stator (partie fixe, constituée de disques en tôles magnétiques portant les enroulements chargés de magnétiser l’entrefer) ;
- l’entrefer constitue la partie amagnétique (c’est de l’air), qui doit être d’épaisseur la plus faible possible (de l’ordre du millimètre) assurant la séparation mécanique entre le stator et le rotor ;
- le rotor (partie tournante, constituée de disques en tôles magnétiques empilés sur l’arbre de la machine porté sur des enroulements) ;
- les organes mécaniques permettant la rotation du rotor et le maintien des différents sous-ensembles.
I.3. Association Convertisseur - Machine asynchrone
Dans le cas des moteurs asynchrones, la vitesse de rotation du rotor dépend de la fréquence statorique fs (fréquence de la tension d’alimentation du moteur) et de la fréquence des courants rotoriques (donc de la charge). Un convertisseur statique permet de faire varier la fréquence ou/et l’amplitude de la tension d’alimentation et donc de faire varier la vitesse de la machine.
Le schéma suivant (Fig. I.1) présente la structure générale qui permet de réaliser la variation de vitesse.
Fig. I.1 Structures de l’alimentation d’un moteur pour la variation de vitesse
Les différents éléments constituant la chaîne d’alimentation sont :
I.3.1. Source de tension continue (DC)
L’alimentation électrique continue est généralement obtenue par :
- Source de tension continue indépendantea.1. Batteries
Elles sont utilisées essentiellement dans les systèmes embarqués, notamment dans les avions, l’automobile et les systèmes de propulsion navale.
Ces éléments permettant de stocker de l’énergie. Ils doivent remplir les conditions suivantes :
- Une bonne puissance massique (rapport puissance/poids en W/kg) permettant de bonnes accélérations ;
- Une bonne énergie massique (en Wh/kg) étant synonyme d’une bonne autonomie ;
- Une tension stable engendrant des performances régulières ;
- Une durée de vie élevée, calculée en nombre de cycles chargement/déchargement, conduisant à une diminution du coût pour l’utilisateur ;
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- Nécessité d’un faible entretien et composants facilement recyclables.
a.2. Pile à combustible
La pile à combustible peut être une autre source d’énergie pour de nombreuses applications, tels que le véhicule électrique, etc. Système peu polluant, qui permet de passer à une autonomie supérieure à 400 km. Néanmoins, beaucoup de progrès restent à faire en matière de fiabilité, longévité, et sécurité. Il faudra évaluer le coût des infrastructures et les retombées sur l’environnement. En effet, certains matériaux constitutifs tels que le platine restent coûteux.
- Association source électrique AC-redresseur-filtre d’entrée
La source électrique alternative est généralement obtenue par le réseau électrique monophasé ou triphasé. Le redresseur permet de transformer la tension alternative monophasée ou triphasée en une tension continue. Le filtrage (LC) élimine les phénomènes d'ondulation de la tension en sortie du redresseur (Fig. I.1).
I.3.2. Onduleur
Largement décrit dans la littérature, l’onduleur de tension a pour tâche de transformer une source de tension continue constante en une tension alternative polyphasée de fréquence et d’amplitude variables.
L’architecture de ce convertisseur se compose de plusieurs bras, connectés chacun à une phase du moteur et comportant deux interrupteurs de puissance. Le cas le plus fréquent est l’onduleur triphasé à trois ou quatre bras (Fig. I.l). Ces interrupteurs découpent la tension d’entrée en impulsions de largeur variable. En faisant varier la largeur des impulsions (leur amplitude étant fixée par la tension d’alimentation continue), on peut modifier l’amplitude et la fréquence du fondamental, donc de la tension d’alimentation du moteur.
Il est composé de deux modules généralement regroupés dans une même enveloppe :
1- un module de puissance qui alimente le moteur en énergie électrique. Il est principalement constitué de :
a- composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT, etc.) ;
b- interfaces de mesure des tensions et/ou des courants.
2- un module de contrôle,
- Composants de puissance
Les interrupteurs de puissance en tant qu’éléments de base de l’onduleur se composent, selon la puissance commutée: de GTO, de MOSFET de puissance ou d’IGBT, etc., en parallèle avec une diode. La diode permet d’assurer la continuité du courant lors du changement de sens de celui-ci (Fig. I.l) .
Les caractéristiques de l’onduleur sont principalement définies par ses composants de puissance. Ceux-ci déterminent la puissance, la tension et le courant maximal commuté, la fréquence maximale de commutation et le temps mort.
Les composants de puissance sont à base des semi-conducteurs (à base des matériaux semi-conducteurs, tels que : le silicium, dont la résistivité se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants) fonctionnant en tout ou rien, donc comparables à des interrupteurs statiques pouvant prendre les deux états : passant ou bloqué.
a.1. IGBT
C’est un transistor de puissance commandé par une tension appliquée à une électrode appelée grille ou « gate » isolée du circuit de puissance, d’où son nom «Insulated Gate Bipolar
Transistor». Ce composant nécessite des énergies infimes pour faire circuler des courants importants. C’est aujourd’hui le composant utilisé en interrupteur tout ou rien dans la majorité des convertisseurs de fréquence jusqu’à des puissances élevées (de l’ordre du MW). Ses caractéristiques tension-courant sont similaires à celles des transistors bipolaires, mais ses performances en énergie de commande et fréquence de découpage sont très nettement supérieures à tous les autres semi-conducteurs. Les caractéristiques des IGBT progressent très rapidement et des composants haute tension (> 3 kV) et forts courants (plusieurs centaines d’ampères) sont actuellement disponibles.
Le transistor IGBT possède les caractéristiques principales suivantes :
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- Une tension de commande :
- permettant la mise en conduction et le blocage du composant.
- À l’état passant :
- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne ;
- un courant maximum permanent admissible.
- À l’état bloqué :
- une tension directe maximale admissible.
Les transistors IGBT utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner à des fréquences de quelques dizaines de kilohertz.
a.2. Diode
La diode est un semi-conducteur non contrôlé comportant deux régions P (anode) et N (cathode) et qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens, de l’anode vers la cathode. Elle conduit quant l’anode a une tension supérieure à celle de la cathode : elle se comporte alors comme un interrupteur fermé. Elle bloque le courant et se comporte comme un interrupteur ouvert, si la tension d’anode devient moins positive que celle de la cathode.
La diode possède les caractéristiques principales suivantes:
- À l’état passant :
- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne ;
- un courant maximal permanent admissible (ordre de grandeur, jusqu’à 5 000 A pour les composants les plus puissants).
- À l’état bloqué :
- une tension maximale admissible qui peut dépasser 5000 V crête.
- Interface de mesure des tensions et/ou des courants
Elle est constituée par des capteurs de courant et de tension, système de conditionnement et convertisseur analogique/numérique (CAN) (cas de la commande numérique).
- Module de contrôle (circuit de commande)
Assurant toutes les fonctions de commande via un microprocesseur (automates programmables, PC, etc), qui exploite les réglages et les ordres (consignes et limites de vitesse, rampes, limitation de courant, marche, arrêt, freinage, etc.) transmis par un opérateur (via claviers intégrés ou à partir d’interfaces de dialogue homme/machine) ou par une unité de traitement, et les résultats de mesure (venant de l’interface de mesure), tels que la vitesse, le courant, etc.
Ce module doit garantir les fonctions essentielles de la commande des semi-conducteurs du variateur de vitesse et l'échange d'informations de commande, de régulation et d'analyse avec les périphériques.
L’application des microprocesseurs a permit d'accroître la vitesse d'exécution des informations de commande et de régulation du circuit de commande vis à vis des autres circuits (circuit intermédiaire, onduleur, etc).
I.4. Commande du variateur de vitesse de la machine asynchrone
Le but de cette partie n’est pas de donner des outils complets et précis pour l’utilisation des diverses commandes, mais plutôt de décrire quelques architectures de contrôle (commande) des machines électriques.
I.4.1. Commande rapprochée
Sur le schéma suivant (Fig. I.2), nous situons la partie commande rapprochée:
Fig. I.2 Contexte de la commande rapprochée
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L’unité de calcul fournit des tensions en temps discrets à appliquer au moteur électrique après amplification par l’intermédiaire de l’onduleur alimenté par une tension continue. Le choix d’une stratégie de modulation peut s’effectuer en fonction des objectifs souhaités par l’utilisateur.
Certaines stratégies sont plus adaptées à une diminution des ondulations de couple ou à une diminution de pertes. Les paragraphes suivants présentent brièvement les principaux types de commande rapprochée.
- Pleine onde
C’est une commande simple : les bras de l’onduleur sont commandés tous les tiers de période.
L’inconvénient majeur est la forme des tensions qui génèrent beaucoup d’harmoniques perturbant la qualité du couple. De plus, il n’existe aucun degré de liberté sur la tension.
- Modulation de la largeur d’impulsions MLI
L’onduleur de tension à MLI (PWM-VSI) est choisi en vue d’avoir une réponse rapide et des performances élevées. Dans ce type d’onduleur, la tension continue alimentant l’onduleur est considérée comme étant constante. Dans ce cas, la tension et la fréquence de sortie sont contrôlées par l’onduleur en utilisant la technique MLI.
b.1 MLI Intersective
Cette technique est héritée des techniques analogiques. Elle consiste à calculer la largeur d’une impulsion de manière à obtenir la tension de référence, en moyenne sur une période de commutation. Une variante de la MLI Intersective est la modulation sinusoïdale.
En effet, la technique la plus commune pour synthétiser des formes d’onde sinusoïdales de
MLI est la méthode de modulation triangulaire ou la MLI sinus triangle. Cette dernière était particulièrement appropriée aux premiers modulateurs analogiques. Elle est réalisée par comparaison d’une onde modulatrice basse fréquence (tension de référence) à une onde porteuse haute fréquence de forme triangulaire. Ainsi, les instants de commutation sont déterminés par les points d’intersection entre la porteuse et la modulatrice. La fréquence de commutation des interrupteurs est fixée par la porteuse. En triphasé, les trois références sinusoïdales sont déphasées de 2π/3 à la même fréquence.
b.2 MLI Vectorielle
L’utilisation des technologies numériques permet le recours à des stratégies de modulation triphasée spécifiques, non déduites des techniques analogiques initialement conçues en monophasé. Parmi ces techniques numériques on trouve la modulation vectorielle (ou SpaceVector Modulation, en anglais) qui traite les signaux directement dans le plan diphasé de la transformée nommée de Concordia.
La MLI vectorielle est certainement la méthode de MLI la mieux adaptée au contrôle des moteurs asynchrones. Contrairement à d’autres méthodes, la MLI vectorielle ne s’appuie pas sur des calculs séparés des modulations pour chacun des bras de l’onduleur. Un vecteur tension de contrôle est calculé globalement et approximé, sur une période de modulation, par un vecteur tension moyen. Cette modulation est utilisée dans les commandes modernes des machines asynchrones pour obtenir des formes d’ondes arbitraires non nécessairement sinusoïdales.
La dite technique de modulation repose sur la représentation d’une machine triphasée par une machine diphasée équivalente.
On définit ainsi deux repères diphasés, l’un lié au stator (α-β), et l’autre lié au champ tournant (d-q), où le passage des grandeurs triphasées aux grandeurs diphasées se fait par simple projection sur les axes concernés.