Choix Du Variateur de Vitesse

Chapitre III vitesse

Choix et dimensionnement du variateur de

III.1- Introduction :

La solution solution qui paraît paraît,, a priori, priori, la plus plus simple simple pour pour faire faire varier varier la vitesse vitesse d’un moteur asynchrone est celle qui consiste à faire varier la fréquence de sa source d’al d’alim imen enta tati tion on.. La mise mise en oeuv oeuvre re de ce prin princi cipe pe po pour ur des des appl applic icat atio ions ns industrielles utilise un convertisseur triphasé-triphasé qui transforme le système industriel triphasé de tensions de fréquence et d’amplitude fixes, aux légères fluctuations normales près, en un système triphasé de tensions ou de courant, de fréquence et d’amplitude maîtrisées. vant d!entam d!entamer er l!étude l!étude sur les les convertis convertisseurs seurs de fréque fréquence, nce, on fait fait d!a"ord d!a"ord un petit rappel sur les semi-conducteurs semi-conducteurs de puissance. puissance. III.2- Rappel sur les semi-conducteurs de puissance :

#our modifier, avec un "on rendement, la présentation de l’énergie électrique, les convertisseurs statiques utilisent des semi-conducteurs de puissance fonctionnant en commutation. commutation. $aire fonctionner des semi-conducteurs en commutation signifie qu’on leur leur dem demande ande l’op l’opér érer er par par tout tout ou rien rien,, comm commee des des inte interr rrup upte teur urss mécanique mécaniquess .on utilise d’ailleurs d’ailleurs pour ces composants composants électroniq électroniques ues le voca"ulaire des interrupteurs mécanique et, dans les schémas de principe, on les représente par des interrupteurs c’est ainsi q’on trouve % 

&n composant non commanda"le % la diode.



&n composant commanda"le seulement seulement à la fermeture fermeture % le thyristor.



des composants commanda"les à la fermeture et à l’ouverture % •

Le thyristor à ouverture commandée '()*+.

•

Le transistor "ipolaire ')+.

•

Le transistor '*/+ de puissance.

•

Le transistor "ipolaire à grille isolée '0()+.

a) Les diodes :

IEM01

Page12



La diode à 3onction #-4 est formée d’une pastille de silicium deux couches, celle de type # est reliée a l’anode , celle du type 4 à la cathode 5. la figure 'a+ donne la représentation d’une diode et indique les conventions de signe pour la tension v et le courant i. a.1) Caractéristique statique :

La diode est un composant non commanda"le, son comportement lui est imposé par le circuit dans lequel lequel est insérée. 6uand ce circuit veut lui imposer le passage d’un courant dans le sens positif, elle laisse passer ce courant avec une fai"le chute de tension positive à ses "ornes % elle est passante ou fermée. 6uand le circuit extérieur lui impose une chute de tension négative ,elle est "loquée ou ouverte 7 le courant négatif ou courant de fuite inverse est très fai"le par rapport au courant direct direct qu’elle peut écouler écouler lorsqu’elle est passante. passante. La figure " montre sa caractéristique statique à une température donnée % &ne diode est

caractérisée par % -la tension inverse de pointe répétitive 8 99 'repetitive pea: reverse voltage+ qu’elle peut supporter. -le courant moyen direct 0 $8 'average forivard current+ qu’elle peut écouler. ;n plus plus des limitati limitations ons sur la tensio tensionn inverse inverse et le courant courant moyen moyen la diode est soumise à des limites de température que l’on ne doit 3amais dépasser, en règle géné généra rale le les les diod diodes es au sili silici cium um po pouv uvan antt fonc foncti tion onne nerr dans dans un unee gamm gammee de IEM01

Page11



La diode à 3onction #-4 est formée d’une pastille de silicium deux couches, celle de type # est reliée a l’anode , celle du type 4 à la cathode 5. la figure 'a+ donne la représentation d’une diode et indique les conventions de signe pour la tension v et le courant i. a.1) Caractéristique statique :

La diode est un composant non commanda"le, son comportement lui est imposé par le circuit dans lequel lequel est insérée. 6uand ce circuit veut lui imposer le passage d’un courant dans le sens positif, elle laisse passer ce courant avec une fai"le chute de tension positive à ses "ornes % elle est passante ou fermée. 6uand le circuit extérieur lui impose une chute de tension négative ,elle est "loquée ou ouverte 7 le courant négatif ou courant de fuite inverse est très fai"le par rapport au courant direct direct qu’elle peut écouler écouler lorsqu’elle est passante. passante. La figure " montre sa caractéristique statique à une température donnée % &ne diode est

caractérisée par % -la tension inverse de pointe répétitive 8 99 'repetitive pea: reverse voltage+ qu’elle peut supporter. -le courant moyen direct 0 $8 'average forivard current+ qu’elle peut écouler. ;n plus plus des limitati limitations ons sur la tensio tensionn inverse inverse et le courant courant moyen moyen la diode est soumise à des limites de température que l’on ne doit 3amais dépasser, en règle géné généra rale le les les diod diodes es au sili silici cium um po pouv uvan antt fonc foncti tion onne nerr dans dans un unee gamm gammee de IEM01

Page11



tempér températu ature re allant allant de '-<= '-<= => à 2===>+ sa temp tempér érat atur uree peut peut augm augmen ente terr très très rapidement lorsqu’elle porte des courants supérieurs au courant nominal. b) Les thyristors :

Le thyrist thyristor or ou />9 'silico 'siliconn controll controlled ed rectif rectifier+ ier+ est un un semi-con semi-conduct ducteur eur à fermeture commandée .outre l’anode  et la cathode 5 'figure a+, il possède un électrode de commande, la g?chette 'g?te+ ( qui permet de le rendre conducteur lorsque la tension 8 ) à ses "ornes est positive. >ette >ette possi" possi"ili ilité té de comm command andee a fait fait du thyri thyristo storr le moteur moteur de de l’essor l’essor de de l’électronique de puissance, mais si à la fin de son intervalle de conduction son ouverture n’est pas spontanée, le thyristor nécessite pour son "locage un circuit auxi auxili liai aire re d’ex d’exti tinc ncti tion on.. u uss ssii dans dans les les conv conver erti tiss sseu eurs rs qu quii néce nécessi ssite tent nt des des interrupteurs à fermeture et ouverture commanda"les il est maintenant remplacé par d’autres composants. b.1) Caractéristiques et fonctionnement :

Le thyristor est "loqué tant que que la tension 8 ) a ses "ornes est négative on indique la tension inverse maximale répétitive qu’il peut supporter 8 99. /i de négative la tension 8 ) devient positive, le thyristor reste "loqué. 0l est alors caractérisé par la tension directe maximale répétitive qu’il peut supporter 8 @9. #our un thyristor symétrique, les valeurs de 8 99 et 8@9 sont voisines. ais si 8) étant étant positif, on fait passer une impulsion impulsion positive positive de courant courant de la g?chette à la cathode, par un phénomène d’amplification le thyristor devient passant. 6uand le thyristor thyristor est conducteur, il se comporte comme une diode % la g?chette g?chette n’a plus de pouvoir de commande, il ne se "loque que lorsque le courant direct s’annule 'en réalité devient inférieur au courant de maintien de la conduction 0

A

'holding current+. La caractéristique statique du thyristor est donc formée de trois segments '$igure "+.

IEM01

Page1B



*@ % )ension négative % thyristor "loqué fai"le courant de fuite inverse. * % )ension positive % pas d’impulsion sur la g?chette depuis que 8 ) est devenu positive % thyristor "loqué, fai"le courant de fuite direct. * % )hyristor conducteur % fai"le chute de tension directe, courant direct imposé par le circuit dans lequel le thyristor est inséré. La flèche montre que l’amorCage par la g?chette fait passer du segment * au segment *. Le thyristor peut s’amorcer d’une manière intempestive est généralement destructrice sans impulsion de g?chette %  

parce que la tension directe qui lui est appliquée est excessive. ou parce que la tension directe qui lui est appliquée avec une pente d8)Ddt trop fort.



ou parce qu’on lui applique une tension directe après un intervalle d’ouverture trop "ref.

IEM01

Page1<



c) Les thyristors !" :

Le thyristor ()* 'g?te turn-off+ est, comme son nom l’indique, un thyristor qui peut Etre "loqué par action sur la g?chette .celle-ci permet donc la commande de la fermeture et de l’ouverture. L’ouverture, gr?ce à une énergie d’extraction du courant par la g?chette, est notamment rendue possi"le par la division de la couche de la cathode en plusieurs centaines de petits "?tonnets entièrement entourés par la g?chette. Le ()* équivaut à plusieurs centaines de petits ()* mis en parallèle. Les thyristors ()* sont utilisés dans les convertisseurs de moyenne, forte ou très forte puissance % 

dans les onduleurs de courant % ils ont à "loquer des tensions inverses. *n utilise alors des ()* symétriques ayant une >aractéristique statique à 1 segments.



dans les onduleurs de tension et la plupart des hacheurs, les ()* ont des diodes en parallèle inverse à leurs "ornes. 0ls n’ont pas à "loquer de tension inverse nota"le et on utilise alors des ()* asymétriques.

c.1) Caractéristiques :

>omme pour un thyristor ordinaire, on indique % 

le courant direct moyen ou efficace, 0 )8 ou 0)9/, toléra"le.



la tension directe répétitive maximale toléra"le 8 @9 .



La tension inverse répétitive maximale toléra"le 8 997 celle-ci étant très fai"le si la ()* est asymétrique.

IEM01

Page1F



III.#- Choi$ du %ariateur de %itesse : Les technologies d’entraînements à vitesse varia"le pour moteurs asynchrones sont nom"reuses et viennent compléter les technologies disponi"les pour les moteurs à courant continu et les moteurs synchrones. Le choix de la technologie et de la structure du convertisseur dépend de nom"reux facteurs liés à l’application visée. III.#.1- &acteurs de choi$ : a) &acteurs techniques :

#armi les principaux facteurs techniques de choix figurent % 

la puissance et la vitesse nominales.



le régime d’utilisation 'utilisation en régime permanent ou intermittent+.



la plage de variation de vitesse et le domaine de fonctionnement dans le plan puissance-vitesse 'G quadrant, 2 quadrants, Bquadrants+.



le type de machine entraînée 'inertie, caractéristique de couple résistant selon la vitesse+.



la précision de contrHle de couple et de vitesse.



la tension du réseau d’alimentation.



les contraintes d’installation 'place disponi"le, degrés de protection, etc.+.

b) &acteur économique :

;nfin, un critère essentiel est "ien sIr le coIt total d’investissement de l’entraînement comprenant le coIt du variateur, du moteur et de leur installation. Le coIt d’exploitation de l’entraînement 'maintenance, coIt d’indisponi"ilité, pertes énergétiques+ est un critère économique supplémentaire de choix .

IEM01

Page1J



III.#.2- Les différents types de %ariateurs électroniques de %itesse pour moteur asynchrone:

Les principaux types de convertisseurs employés pour les moteurs asynchrones sont des convertisseurs indirects de fréquence, c’est-à-dire qui utilisent un étage intermédiaire à fréquence nulle 'tension ou courant continu+ par l’association d’un convertisseur alternatif continu 'redresseur+ et d’un convertisseur continu alternatif 'onduleur+. #lusieurs technologies de convertisseurs reposent sur ce principe, selon que l’étage à fréquence nulle est constitué d’une source de tension ou d’une source de courant et selon les formes d’ondes produites par l’onduleur. @es convertisseurs directs de fréquence, dénommés cycloconvertisseurs, qui réalisent la conversion de la fréquence sans recourir à un étage intermédiaire à fréquence nulle, sont aussi utilisés pour des cas particuliers d’entraînements par moteurs asynchrones de forte puissance 'quelques mégaKatts+. Les convertisseurs indirects de fréquence sont au3ourd’hui les plus utilisés, avec essentiellement le convertisseur L0. Le ta"leau suivant présente les principales caractéristiques des technologies d’entraînements à vitesse varia"le pour moteurs asynchrones.

IEM01

Page1



Technologies

Convertisseur

Convertisseur

Convertisseur

Convertisseur avec

d’entraînement

avec onduleur de

avec onduleur à

avec onduleur de

Onduleur autonome de

tension à M.L.I

pleine onde de

tension M.L.I à 3

courant

tension

niveaux

synchrone à cage


synchrone à cage "asse tension 9edresseur-onduleur autonome de courant

Nature du moteur


Nature du

9edresseur-

9edresseur-

haute tension 9edresseur-

convertisseur

onduleur de

onduleur de

onduleur de

tension à

tension à

tension à 1 niveaux

commutation

commutation

à commutation

forcée et .L.0 @iodes (.).* ou

forcée )hyristors (.).*

forcée et .L.0 @iodes (.).* et diodes

)hyristors )hyristors et diodes

usqu’à G2 M 1.1 à F.F 58

=.G à 1 M 0nférieur à G=== 8

edresseur Onduleur

transistors et !amme de puissance !amme de tension

diodes @e G5M à 1M 1= à FF= 8 et

usqu’à 1M 1= à FF= 8 et

du variateur et du

3usqu’à G<== 8

3usqu’à G<== 8

moteur !amme de vitesse

usqu’à plusieurs

usqu’à plusieurs

usqu’à ===

inférieur à F=== trDmin

nominale

milliers de trDmin

milliers de trDmin

trDmin 'inf à G2=

'inf à G== AN+

"lage de variation de

'inf àB== AN+ Gà G== O

'inf à G=== AN+ G= à G== O

AN+ G à G== O

2 à G== O

vitesse #omaine de

2 quadrants

2 quadrants

2 quadrants

B quadrants

$onctionnement

'B quadrants en

B quadrants

'B quadrants en

%pplications

option+ )echnologie de

#ompes,

option+ #ompes,

pplications spécifiques

principales

référence pour

ventilateurs,

ventilateurs,

'levage, manutention+

toutes applications

compresseurs,

compresseurs,

industrielles de

extrudeuses,

extrudeuses,

fai"le et moyenne

malaxeuses

mlaxeuses,

puissance >ontrHle vectoriel

dapté à

laminoirs #our machine de

)echnologie de moins

disponi"le pour

l’entraînement

forte puissance

en mois utilisé

pilotage précis du

direct de machines

couple

à grande vitesse

O&servations

T

IEM01

Page1P



ec h n ol og ie s d’ en tr aî ne m en t N at ur e d u m ot eu r N at ur e d u co n ve rt is se ur

IEM01

PageB=



 ed re ss eu r O n d ul eu r ! a m m e de p ui ss a nc e ! a m m e de te ns io n d u va ri

IEM01

PageBG



at eu r et d u m ot eu r ! a m m e de vi te ss e n o m in al e "l ag e de va ri at io n de vi te

IEM01

PageB2



ss e # o m ai ne de $o nc ti o n ne m en t % p pl ic at io ns pr in ci p al es O &s er va ti o ns

IEM01

PageB1

Chapitre III vitesse Technologies

Choix et dimensionnement du variateur de Convertisseur avec Onduleur de courant assist'

Cascade h(po s(nchrone et h(per s(nchrone

C(cloconvertisseur pour moteur as(nchrone


synchrone à rotor "o"iné


9edresseur-onduleur de courant assisté 9accordé au rotor

>onvertisseur direct de fréquence à commutation assistée

Onduleur

9edresseuronduleur de courant à commutation assisté )hyristors )hyristors

)hyristors )hyristors

!amme de

=.< à 2= M

)hyristors )hyristors ou (.).* et diodes Aypo Ayper synchrone synchrone 2= M F= M

d’entraînement

Nature du moteur Nature du convertisseur

edresseur

puissance !amme de

=.< à J.2 58

G= M 0nférieur à G 58

tension du variateur et du moteur !amme de

B=== trDmin

G<== trDmin

GP== trDmin

F== trDmin

G= à G== O

<= à G== O

J= à G1= O

= à G== O

vitesse nominale "lage de variation de vitesse #omaine de

2 quadrants

$onctionnement %pplications principales O&servations

#ompes, ventilateurs, compresseurs centrifuges 9éférences en conversion de moteurs à la vitesse varia"le

G ou 2 quadrants moteurs ;ntraînements de pompes, ventilateurs, compresseurs centrifuges )echnologie ancienne pénalisée par l’utilisation d’un moteur à "agues !ableau 'III.#.2)

B quadrants pplications fai"le vitesse fort couple 'laminoirs, propulsion de navires+ >onvertisseur utilisé aussi pour moteurs synchrones pour les mEmes applications

#our notre processus, nous avons les caractéristiques suivantes % IEM01

PageBB

Chapitre III vitesse 


le "esoin d’une "onne précision du couple 'nécessité des opérations de forage+



la puissance est de quelques centaines de 5M 'moyenne puissance+



2 quadrants de fonctionnement '0 et 000+



réseau de F== 8DF=AQ



plage de variation de la vitesse de G à G== O

@onc la meilleure solution est de choisir un variateur de vitesse de type convertisseur de fréquence avec onduleur de tension à .L.0. III.(- Con%ertisseur de fréquence a%ec onduleur de tension  *.L.I :

L’o"3ectif des

convertisseurs de fréquence est d’alimenter les moteurs

asynchrones triphaés de manière à o"tenir des caractéristiques de fonctionnement radicalement différentes de leurs utilisation normale, à amplitude et fréquence constantes. III.(.1- +rincipe :

0l consiste à fournir au moteur une onde de tension à amplitude et fréquence varia"les, en maintenant le rapport 'tension D fréquence+ sensi"lement constant. La génération de cette onde de tension est réalisée par un dispositif électronique de puissance dont le schéma de principe est illustré sur la figure suivante % 'seau

Moteur

&i,ure 'III.(.1) : chéma de principe

III.(.2- Comparaison a%ec lalimentation directe : IEM01

PageB<



Le ta"leau suivant nous donne une comparaison de la variation des différents paramètres du moteur asynchrone quand il est directement alimenté, ou à travers un convertisseur de fréquence. Moteur as(nchrone Courant de d'marrage

)n usage normal

%vec un variateur de vitesse

)rès élevé, de l’ordre de F à 

Limité dans le moteur 'en

Couple de d'marrage C d

fois le courant nominal Rlever et non contrHlé , de

générale de G.< fois 0 4+. @e G.< fois le > 4 , >ontrHlé

#'marrage

l’ordre de 2 à 1 > 4 rutal dont la duré n’est

pendant toute l’accélération #rogressif sans à-coup et

fonction que des

contrHlé

caractéristiques du moteur et *itesse

de la charge entraînée 8arié légèrement selon la

8ariation possi"le de = 3usq’à

Couple maximal CM

charge 'proche de 4/+ ;levé, de l’ordre de 2 à 1 le

une valeur supérieur à 4 / ;levé disponi"le sur toute la

+reinage 'lectri,ue Inversion du sens de marche

couple nominal 9elativement complexe $acile seulement après

plage de vitesse 'de G.< > 4+ $acile $acile

arrEt moteur is,ue de d'crochage

*ui, en cas de surcouple, ou

4on

en cas de "aisse de tension !ableau 'III.(.2)

III.(.#- Constitution du con%ertisseur :

Le convertisseur comporte % 

un pont redresseur triphasé à diodes qui délivre une tension continue d’amplitude pratiquement constante.



un étage de filtration comportant un condensateur, de forte capacité.



un pont onduleur alimenté par la tension continue et générant une onde

de tension alternative à amplitude et fréquence varia"les par la technique de S odulation de Largeur d’0mpulsions T ou L0.

IEM01

PageBF



;n général, la tension fondamentale est d’amplitude proportionnelle à la fréquence de faCon à maintenir le flux 'rapport &D$+ constant dans le moteur sur toute la plage de vitesse. @ans la suite de ce chapitre on fait l!étude détaillée des deux parties essentielles du convertisseur 'un pont redresseur à diodes et un onduleur de tension+. III./- 0tude des monta,es redresseurs et onduleurs : III./.1- Redresseur triphas '+ont  diodes) : a) +rincipe:

Les trois tensions simples %

V V

sin ω t

V = V

 

2π 

V = V

sin ω t −

 

Bπ 

A

=

max

sin ω t − max

B

max

C

1

1

 

 

/ont redressées à l’aide de deux groupes de diodes, trois à cathodes réunies @ G, @2, @1. ;t trois avec anodes réunies @ ’G, @’2, @’1. La conduction d’une diode du premier groupe rend la tension à la plus positive des tensions

V ,V A

B

V − V

=

M

égale

ouV C et de ce fait, "loque les deux

autres. La conduction d’une diode du second groupe rend la tension la plus négative des tensions #our

V V V

DG D 2 D 1

π

F =

< ω t <

π

2

=.

V − V = V − V =

IEM01

,V A

B

A

C

A

<

=.

<

=.

V ,V A

B

V − V égale à =

N

ouV C et "loque les deux autres.

> V B > V C % DG et D2 conduisent.

V V V A

=

M

−

=

i i

DG

= id

D 2

= i D1 = =. PageBJ



V D = =. i D = id V D = V − V < =. i = i D D V D = V − V < =. !

!

2

V V V

2

!

B

G !

A

C

1

!

!

G

1

=

B

=.

b c

2

< ω t <

<π F

,V A

=

=

M

d

G

D 2

=

−

=

=

=

d

= −

d

=

> V B > V C % DG et D1! conduisent.

V =7V V V ,V i D i , i i =. DG

−

i i. i i. i =.

@onc % U d = V A − V B .

π

N

A

a

#our

=

=

D 2

A

=

V V B

−

A

<

=,V D 1 = V C − V A < =,

=

D 1

V D = =7V N − V = = V C ,V D = V C − V A < =,V D = V C − V B < =, i D = id , i D = i D = =. !

!

!

1

G

2

!

!

!

1

G

2

U V V , i i , i d

=

A

−

C

a

=

d

b

=, ic =

=

−

i

d

.......

La tension redressée est à chaque instant égale à la plus grande différence entre les tensions simples. b) !ension de sortie :

La valeur moyenne U d = de la tension redressée est % F

U d = = π V max sin

IEM01

π

1

= G.F
PageB



La tension est la somme de sa valeur moyenne pulsationU p

, 2 pω .......

ω

U dkpω =U d =

, l’amplitude de pulsation

U

kp

d =

et Ud’harmoniques de

est %

2 2

k p

2

−G

La tension de sortie est d’autant moins ondulée et d’autant plus facile à UlisserU que p est plus grand 'indice de pulsation+.

&i,ure 'III./.1.b) c) !au$ dondulation : IEM01

PageBP



#our caractériser l’importance de l’ondulation de la tension redressée, on indique son taux d’ondulation .il existe plusieurs définitions de ce taux, le dictionnaire de la >.;.0. en définit au moins deux % 

!au$ dondulation de crte:

>’est l’écart entre la valeur instantanée maximale et la valeur instantanée minimale rapporté à la valeur a"solue de la composante continue.

q = U

d max

− U d min

U

ud

.

d =



τ ud

!au$ dondulation efficace :

=

U U

d max

d max

− +

U U

d min d min

≈

U

U 2U

d max

−

d min

d =

=

q

ud

2

d) Courant dentrée :

La valeur efficace du courant à l’entrée est %

i =

2 1

i

d

.

III./.2- "nduleurs de tension : 

énéralité:

&n onduleur est un convertisseur statique assurant la conversion de l’énergie électrique de la forme continue à la forme alternative. >omme un redresseur tout thyristors un onduleur est réversi"le, il permet le transfert de puissance de l’alternative vers le continu, mais le sens normal du transfert est du continu vers l’alternatif comme c’est de l’alternatif vers le continu pour un redresseur. La principale différence entre un vrai onduleur et un redresseur qui fonctionne en onduleur non autonome tient à son autonomie, la fréquence et la forme d’onde des grandeurs alternatives ne sont pas imposées par la source placée du coté alternatif.

IEM01

Page<=



>’est la tension ou le courant coté continu qui, à travers l’onduleur impose la forme d’onde de la tension ou du courant coté alternatif. *n distingue deux grands types d’onduleurs % 

Les onduleurs de tension, alimentés par une source de tension continue.



Les onduleurs de courant, alimentés par une source de courant continu.

>es onduleurs peuvent Etre monophasés ou triphasés, suivant qu’ils alimentent un récepteur monophasé ou triphasé. @ans les variateurs de vitesse les onduleurs alimentent presque tou3ours des moteurs triphasés, synchrones ou asynchrones. 4ous limiterons notre étude à celle des onduleurs de tension triphasés. L’onduleur alimentant un moteur doit délivrer des tensions à fréquence varia"le. *n ne peut faire effectuer aux semi-conducteurs qu’un cycle de fermeture V ouverture par période des grandeurs de sortie, on dit alors que l’onduleur fonctionne à un créneau par alternance ou en pleine onde. ais on utilise de plus en plus la possi"ilité des semi-conducteurs de travailler à fréquence plus élevée pour les faire fonctionner plusieurs fois par période, on forme à chaque alternance des tensions ou des courants de sortie de plusieurs créneaux de largeurs convena"les, on a alors des onduleurs à modulation de largeur d’impulsions '.L.0+. #our les onduleurs de tension nous traiterons d’a"ord le fonctionnement en pleine onde, car ce fonctionnement sert de point de départ et de "ase de comparaison pour l’étude des onduleurs à .L.0. III./.2.1- "nduleur de tension triphasé  un créneau par alternance :

La figure suivante donne le schéma de principe de l’onduleur de tension triphasé.

IEM01

Page


&i,ure 'III./.2.1)

L’onduleur est placé entre une source de tension continue supposée parfaite '& constante+, et une source de courant alternatif triphasé supposée parfaite, donc de courants

!

!

i i i , a

, b

!

c

formant un système triphasé sinusoWdal équili"ré.

L’onduleur triphasé est l’assem"lage de trois demi ponts monophasés formés !

!

!

chacun de deux interrupteurs en série K G et K G , K 2 et K 2 , K 1 et K 1 . Les interrupteurs d’un mEme demi pont doivent Etre complémentaires pour que la source de tension & ne soit 3amais en court-circuit, pour que les circuits des courants ne soient 3amais ouverts. #our que les six interrupteurs puissent imposer les tensions de sortie quelque soient les courants

!

!

i i i , a

, b

!

c

il faut que ces interrupteurs soient "idirectionnels en

courant. >hacun d’eux est formé d’un semi-conducteur à fermeture et ouverture commandées

et !

d’une

diode

montée

en

antiparallèle,

!

G ,T 2 et D2 ,......etc T G et DG ,T G et D

IEM01

Page<2



a) Relations ,énérales : 

!ensions :

6uels que soient les courants, les interrupteurs fermés imposent les tensions entre les "ornes de sortie , , > et le point milieu * 'fictif+ de la source de tension continue. U U +ou − ' K ouvert +7 V −V = 2 ' K fermé 2 A

G

=

G

U U +ou − ' K ouvert +7 V −V = 2 ' K fermé 2 2

=

B

2

U U +ou − ' K ouvert +7 V −V = 2 ' K fermé 2 =

C

1

1

Les interrupteurs imposent donc aussi les tensions composées aux "ornes des phases réceptrices.

!

!

V V A !

−

B !

V V A !

−

B !

V V A !

−

B !

V V A

−

B

=

'V A − V =+ − (V B − V = ) = U 6uand

=

'V A − V =+ − (V B − V = ) = = quand

=

'V A − V =+ − (V B − V = ) = -& quand

=

'V A − V =+ − (V B − V = ) = = quand

K fermé, K ouvert G

2

K et K fermés G

2

, K fermé K ouvert G

2

K et K ouverts G

2

;t de mEme pour %

V V (V V ) (V V ) V V (V V ) (V V ) !

B

!

−

!

C

C !

−

A

=

B

=

−

C

=

−

=

−

−

C

−

A

−

=

=

#ou un récepteur équili"ré on a % !

!

!

V V V A

IEM01

+

B

+

C

=

= Page<1



@’oX

les

expressions

!

de

!

!

en

V V V , A

, B

C

fonction

de

!

! ! ! ! ! − − − , , V A V B V B V C V B V A

;t de V A − V = , V B − V = , (V C − V = ) .

!

= A

V

V B = V C = 

!

!

!

!

A

B

C

A

!

!

!

!

B

C

A

B

!

!

!

!

C

A

B

C

C

=

=

=

A

B

=

C

=

A

B

=

C

Courants :

i +i +i k G

B

=

k 2

!

!

i i i , a

, b

!

c

coté alternatif, on passe au courant

i

coté continu par

k 1

vec

!

i =i

K conduit i i quand K conduit i i quand K conduit a

!

b

!

c

=

=

k G

k 2

k 1

quand

G

2

1

b) &ormes dondes :

Lors du fonctionnement en pleine onde, on ferme chaque interrupteur pendant la moitié de la période ) des tensions alternatives de sortie.

IEM01

=

G G 2 [ ] ( ) ( ) − − − = − ( − ) − ( − ) + V V V V V V 1 V V 1 (V −V ). 1 1

G

@es courants i=

A

G 2 G [ ] ( − ) − ( − ) = − ( − ) + ( − ) − V V V V V V 1 V V 1 (V −V ). 1 1

G

!

!

2 G G [ ( −V ) − (V −V )] = (V −V ) − (V −V ) − (V −V ). V 1 1 1 1

G

Page
=



#our que ces tensions forment un système triphasé équili"ré, on décale les commandes des phases successives d’un tiers de période ou, à l’échelle de pulsation

ω des fondamentaux de ces tensions de

K

2π 1

Bπ

K #our 1 1



<

<

ω t <

on ferme donc %

K pour

π

G

2π + π , 1

ω t <

1 !

#our =Y ω t < π , G

K 2 #our

2π

!

K 2 pour

Bπ + π , 1

2π 1

< ω t < 2π t 2π +

< ω <

!

K 1 pour

Bπ 1

2π 1

t 2π +

< ω <

Bπ 1

!ensions de sortie :

;n haut de la figure ' III.5.2.1.b+ on a tracé, à partir des intervalles de fermeture des interrupteurs, les formes d’ondes des tensions −V = = A

V

U 2

! et − V A V = V A %

pour = < ω t < π .

U V − V = − 2 pour π < ω t < 2π . =

A

V

B

− !

V = et V C − V = /ont identiques àV A − V = , à

V A Rgale

U 1

U 1

pour = < ω t <

pour

2π 1

π

1

,

2U 1

< ω t < π ,−

π

pour

U 1

1

2π 1

et

Bπ 1

prés.

< ω t < 2π 1

pour π < ω t <

Bπ 1

− 2U pour Bπ < ω t < <π ,− U pour <π < ω t < 2π 1

1

!

1

!

1

1

!

Les tensions V B et V C sont identiques à V A à 

IEM01

2π 1

et

Bπ 1

prés .

Courants dentrée :

Page<<



Les courants de sortie

!

!

i i i , a

, b

!

!

c

leur amplitude i m et leur déphasage

,supposés sinusoWdaux, sont caractérisés par ϕ par

rapport au fondamental des tensions

simples correspondantes. Le courant d’entrée

se traduit de

i

!

!

i i i , a

, b

!

c

à partir du diagramme des

conductions des interrupteurs % π

#our =Y ω t < 1 , π

#our 1 < ω t <

2π 1

! ouvert et fermés , , = − i K G K 1 K 2 ib ,

!

, K G fermé , K 2 et K 1 ouvert , i = i a Z.etc.

c) Caractéristiques : 

!ensions de sortie : !

!

!

Les tensions de sortie V A ,V B ,V C ont pour valeur efficace V

!

La valeur efficace de leur fondamental est V

!

G

=

2 π

2 1

U

.

U .

G

!

La valeur efficace des harmoniques de rang n existantes est V n 

=

=

!

V . n G

Courant dentrée :

Le courant d’entrée

i

a une fréquence égale à six fois celle des grandeurs de

sortie. La valeur moyenne de

i

se déduit de la valeur efficace

i

!

des courants de sortie

en utilisant le fait que la puissance est la mEme à l’entrée et à la sortie % Ui

=

!

!

1V G i cos ϕ

*n a aussi % V

!

G

IEM01

=

2

U

π

Page

@’oX

i=

Choix et dimensionnement du variateur de 1 2 π

i

!

!

cos ϕ = G.1< cos ϕ

i

&i,ure 'III./.2.1.b) III./.2.2- "nduleur de tension triphasé  *.L.I :

IEM01

Page


*n cherche à approximer des tensions de sortie sinusoWdales en faisant varier sinusoWdalement leur valeur moyenne, pour cela on forme chaque alternance non plus d’un créneau, mais d’une succession de créneaux de largeurs convena"les a)*odulation sinus -trian,le : a.1) +rincipe de la modulation sinuso3dale : !

>onsidérons un demi pont monophasé formé de deux interrupteurs K G et K G complémentaires et délivrant une tension

U − égale à ou à V A V = 2

;n .L.0, on détermine les instants de fermeture de

−

U 2

.

!

K G et K G par les

intersections % @’une onde de référence

(V A − V ) =

M

représentant la tension désirée, 'l’indice

K vient de l’anglais UKantedU+ de fréquence f. vec une onde de modulation 'ou porteuse+ , de fréquence f ’ nettement supérieure à f, de forme triangulaire et d’amplitude égale à

U 2

&i,ure 'III./.2.2.a.1) IEM01

Page<



Les intersections de

(V A − V ) =

avec  croissant déterminent les instants de

K

!

fermeture de K G et donc le dé"ut des intervalles à Les intersections de

(V A − V ) =

V V A

−

=

égal à −

U 2

.

avec  décroissant déterminent les instants de

K

U

V V /i f est nettement supérieure à f, la tension (V V ) varie peu pendant une fermeture de K G et donc le dé"ut des intervalles à ’

A

−

A

=

−

=

égal à + 2 .

K

période )’ de l’onde de modulation et on peut la confondre avec sa valeur moyenne durant cette période. L’examen de la figure

montre facilement que la valeur moyenne de

(V A − V ) soit % =

(V A − V ) =

G U  ! moy [  2 

T

T −( t 2 −t G)  !

est égale à

(V A − V ) =

K

/i la référence varie sinusoWdalement, deux paramètres caractérisent la commande des interrupteurs % !



l’indice de modulation

m=

f 'rapport des fréquences de modulation et f

de référence+. 

le c\fficient de réglage en tension r, c’est le rapport de l’amplitude de la référence à la valeur de crEte, ici

U 2

, de l’onde de modulation, qui est elle-

mEme égale à l’amplitude des créneaux de la tension de sortie. b) 0$emple de tracés des formes dondes : IEM01

Page


;n triphasé, si la modulation est synchrone, on choisit un indice de modulation m multiple de1, ainsi les formes d’ondes des tensions des trois phases sont identique. La figure donne un exemple très simple 'on a pris m[F pour pouvoir distinguer les intervalles de conduction des interrupteurs des trois phases+.

IEM01

PageF=



&i,ure 'III./.2.2.b) c) !ensions de sortie : 

&ondamental : !

Le fondamental des tensions

!

!

V V V , A

, B

C

est le mEme que celui des

tensionsV A − V = ,V B − V = ,V C − V = . @és que m est suffisant 'égal ou supérieur à six+ ce fondamental est pratiquement égal à la tension de référence et a donc pour valeur efficace

V

!

G

=

G 2

r

U 2

.

 tension & d’entrée donnée, la .L.0. permet de faire varier la valeur des tensions de sortie, ce que ne permettait pas la commande à pleine onde. !

U



6uand r varie de = à G, V G varie de = à



La valeur maximale du fondamental est inférieur à sa valeur,

2

2 U

2

π

o"tenue

avec la commande en pleine onde, on dit qu’il y a un Udéchet de tension U. >elui-ci  

2

U

−

G 2 2

π

U représente

2G.< O de U

2

π

.

4armoniques :

;n commande pleine onde, le développement en série de la tension

V − V ,de fréquence f comporte les harmoniques de fréquence 1f, A

=

;n .L.0. synchrone, le spectre de

V − V A

=

varie avec les

coefficients de réglage en tension r et l’indice de modulation.

IEM01

PageFG





V − V est formé de signaux rectangulaires

/i r est nul,

A

=

3ointifs de fréquence 'm]f [ f ’+, son développement en série comprend les termes de rang m, 1m,


6uand r croit, le fondamental augmente, les harmoniques de rang m, 1m,
d) Courant dentrée :

La valeur moyenne

i

du courant d’entrée se déduit de la conservation des

puissances entre l’entrée et la sortie du convertisseur, si on néglige toutes les pertes. /i les courants alternatifs sont équili"rés sinusoWdaux, de valeur efficace déphasé de Ui

=

!

ϕ par

i

!

rapport au fondamental des tensions simples de %

!

1V G i cos ϕ . !

*n déduit% i =

1V G

U

i cosϕ . !

!

*u, compte tenu de % V G =

G 2

r

U 2

donc % i

=

1 2 2

r i

!

!

cos ϕ G.=Fr i cos ϕ =

III.5- +rotection : III.5.1- +rotection des composants du con%ertisseur de fréquence :

0l faut assuré la protection contre %

IEM01

PageF2



les surchauffes de leurs composants électroniques qui pouvant entraîner



leur destruction.&n capteur placé sur le dissipateur thermique provoque l’arrEt du variateur, lorsque la température dépasse un certain seuil. les surtensions à fréquence industrielle du réseau % il s’agit d’éviter les



destructions éventuelles de leurs composants. >ette protection est assurée par une résistance et un condensateur en parallèle avec les composants. 

Les surintensités qui sont assuré par une inductance en série.

III.5.2- +rotection assurée par le con%ertisseur : a) +rotection contre les surchar,es :

Le convertisseur assure la protection du moteur contre les surcharges % 

par une limitation instantanée du courant efficace à G,< fois le courant nominal environ,



par un calcul permanent du courant thermique '0^.t+, avec pris en compte de la vitesse 'la plupart des moteurs étant auto-ventilés, le refroidissement est moins efficace à "asse vitesse+.

 noter que lorsqu’un départ n’alimente qu’un moteur et son variateur, cette protection de surcharge du moteur assure simultanément la protection de surcharge de l’ensem"le appareillage et c?"lage. b) +rotection contre les courts-circuits moteurs ou li,ne en a%al du co%ertisseur :

;n cas de court-circuit entre phases en sortie de variateur 'aux "ornes du moteur ou à un endroit quelconque de la ligne entre le variateur et le moteur+, la surintensité est détectée au sein du variateur et un ordre de "locage est envoyé très rapidement aux semi-conducteur commandé. Le courant de court-circuit est interrompu en quelques microsecondes, ce qui assure la protection du variateurmoteur, ce courant très "ref est essentiellement fourni par le condensateur de IEM01

PageF1



filtrage associé au redresseur, et est donc indiscerna"le dans la ligne d’alimentation.

III.6- 7imensionnement du con%ertisseur : #our dimensionner le convertisseur il faut connaître pour chaque montage les paramètres de sortie ainsi d’entrée, #our pouvoir calculer les courants dans les semi-conducteurs et les tensions à leurs "ornes, puis on fait le choix d’après les catalogues des composants. III.6.1- +our le pont onduleur : a) Les courants dans les semi 8conducteurs commandés :

L’onde courant est plus proche d’un sinusoWdal donc on peut l’écrire comme %

i = I ! × 2 × sin (ω t − ϕ ). 

9aleur ma$imale :

i

max

= I ! × 2.

I ! % 8aleur efficace du courant de charge. 

9aleur efficace :

π −ϕ sin 2ϕ = + i I ! × 2 × . eff Bπ Lπ

IEM01

PageFB



9aleur moyenne :

 G + cosϕ     2π 

= I ! ×

i moy

2 × 

.

b) Les courant dans les diodes : 

9aleur ma$imale :

La diode @ du Ger interrupteur est parcourue par le courant maximal qui est égale%

I D max

I ! × 2 ×sin(π −ϕ ) = I ! × 2 ×sin

=

I = I ! × 2 D max



Y

Y π

ϕ

Bπ

− sinϕ . Lπ

9aleur moyenne :

! I Dmoy = I



π 2

9aleur efficace :

I I ! × 2 × = Deff 

/i %

- 

2×

G − cosϕ 2.π

.

!ension in%erse ma$imale :

V

rrm

=

U 2

.

c) Courant dentrée dans londuleur :

!

i = I ⋅ e

IEM01

 

2 × cos ω ⋅ t +

2 ⋅ π 1

− ϕ   .  PageF<


9aleur efficace :

I

eeff




!

I

=

2×

G 2

+

1 B

1

×

cos 2ϕ .

π

9aleur moyenne :

1 ! = ⋅ I emoy π I ×

2. cosϕ

III.6.2- +our le pont redresseur : a) Courant moyenne :

I e = I moy q b) !ension in%erse : π

V = 2×V max × Cos i max 2q

/i q % impair 'q[1+.

Conclusion :

#armi les convertisseurs de fréquence utilisés pour la variation de la vitesse des moteurs asynchrones, on a choisi le montage redresseur -onduleur de tension à .L.0, car c’est une technologie de référence pour toutes les applications industrielles de fai"le et moyenne puissance. >e montage permet d’o"tenir un pilotage précis du couple par l’application de la commande vectoriel ce qui répond aux exigences de notre processus.

IEM01

PageFF

Choix Du Variateur de Vitesse

Recommend Documents