Variation de vitesse des machines asynchrones

rer indispensable dans certains cas. La machine universelle pour les faibles puissances en alimentation monophasée et la machine asynchrone à cage sont les plus couramment utilisées pour une alimentation directe sur le réseau. Le point de fonctionnement statique dépend donc exclusivement des caractéristiques du réseau, de la machine, et de la charge entraînée. Bien entendu toute variation des caractéristiques de la machine, de la charge et du réseau d’alimentation se traduira par un déplacement du point de fonctionnement. Les accélérations et les décélérations dépendent, elles aussi, exclusivement des caractéristiques de la machine, de la charge et du réseau d’alimentation sans possibilité de réglage. Un certain nombre d’applications demandent une adaptation du couple, de la vitesse, de l’accélération ou d’autres grandeurs pour une conduite satisfaisante du procédé : • Démarrage progressif du procédé, accélération et décélération contrôlée. • Contrôle précis du couple, de la vitesse en régime statique et/ou dynamique. • Réglage/asservissement des flux de production à la demande. L’investissement pour une solution en vitesse variable électronique ne se fera que si il apporte des gain en : • • • • Qualité des produits finis (tôles pour l’industrie agro-alimentaire, papier…) Economies de production (pompage/propulsion à débit variable…) Souplesse d’exploitation (adaptation des flux de production à la demande…) Réduction de maintenance (entraînement direct se substituant à des éléments mécaniques…)

Pour bien choisir un système d’entraînement à vitesse variable il est absolument nécessaire de connaître les contraintes imposées par la charge à l’ensemble réseau/convertisseur/machine. • • • • Caractéristique couple vitesse de la machine entraînée Inertie de la machine entraînée Performances statiques et dynamiques attendues Régime et service dans tous les cas d’exploitation

On entend par régime l’ensemble des grandeurs électriques et mécaniques caractérisant le fonctionnement d’une machine à un instant donné On entend par service les différents régimes auxquels la machine est soumise avec leur durées respectives et leur ordre de succession. Le choix d’un ensemble convertisseur/machine pour une application spécifique résulte de l’adéquation la plus parfaite entre le cahier des charges, les solutions techniques disponibles à un instant donné, les moyens humains et la rentabilité financière de l’investissement.

3

Philippe LE BRUN Lycée Louis ARMAND 173 Bd de Strasbourg 94736 NOGENT sur Marne

Florence.vadee@wanadoo.fr : 01 45 14 28 28 : 01 48 73 63 15

I. Principe de la variation de vitesse des machines asynchrones

1. Quadrants de fonctionnement

Vitesse

Frein av ec v it esse p o sit iv e M o t eur av ec v it esse p o sit iv e

F

F

II III

I IV

Couple F

F

Les machines synchrone, asynchrone et à courant continu sont naturellement réversibles. Pour bénéficier de cette propriété, il faut que le convertisseur et la source soient également réversibles. Si la source ne l’est pas on ne peut pas récupérer l’énergie lors d’une phase de freinage de la machine mais on peut la dissiper dans des rhéostats ( réversibilité dissipatrice ). Le choix d’une structure convertisseur/machine 1, 2 ou 4 quadrants repose exclusivement sur le cahier des charges. • Quadrant I seul : la machine ne tourne que dans un seul sens de rotation, le couple est positif ou nul ( accélérations contrôlées et décélération non contrôlées )

M o t eur av ec v it esse n égat iv e

Frein av ec v it esse n égat iv e

• 2 Quadrants (I et II) : la machine ne tourne que dans un seul sens de rotation, le couple est positif ou négatif ( accélérations et décélération contrôlées ) • 2 Quadrants (I et IV) : la machine tourne dans les deux sens de rotation ( pour le sens inverse la charge est nécessairement entraînante ), le couple est toujours positif ( accélérations contrôlées et décélération non contrôlées ) • 4 Quadrants (I à IV) : la machine tourne dans les deux sens de rotation quelque soit la charge entraînée le couple est positif ou négatif ( accélérations et décélération contrôlées )

2.

Schéma équivalent et expression du couple

Le schéma équivalent d’une phase en régime sinusoïdal équilibré est le suivant :

Rs V

Is V’

I’r Ls

Nω

R/g

C’est à partir de ce schéma que nous allons donner l’expression du couple électromagnétique produit par la machine. Exprimons la puissance transmise au rotor. P = 3 . R/g . (I’r)2 = Ce . Ωs Qui après quelques manipulations peut s’écrire.

4

Philippe LE BRUN Lycée Louis ARMAND 173 Bd de Strasbourg 94736 NOGENT sur Marne

Florence.vadee@wanadoo.fr : 01 45 14 28 28 : 01 48 73 63 15

R/ g V '  Ce = 3 p  ω 2 2  ω  (R / g ) + (Nω )

2

3.

Variation de vitesse de la machine asynchrone

Le point de fonctionnement (C, Ω) dans le quadrant I en régime établi de l’ensemble machine plus charge se situe à l’intersection des caractéristiques Ce = f(Ω) du moteur et Cr = f(Ω) de la charge. Le réglage de la vitesse de la machine asynchrone est donc obtenu en agissant sur le couple qu’elle produit, soit, si l’on se réfère à son expression ci-dessus : le nombre de paires de pôles, la tension d’alimentation de la machine, le glissement ou la fréquence d’alimentation de la machine.

C

Moteur

Point de fonctionnement

rge Cha

Ωs

Ω

Réglage par variation du nombre de paires de pôles Ceci donnant une variation non continue de la vitesse ce mode n’est donc pas envisagé pour un réglage fin du point de fonctionnement désiré. Réglage par variation de tension Le couple électromagnétique de la machine asynchrone est proportionnel au carré de la tension d’alimentation statorique. Il est donc possible d’envisager un ajustement de la vitesse au dessous de la vitesse nominale en modifiant la tension d’alimentation statorique avec un gradateur triphasé. Cette solution est le plus souvent utilisée pour le démarrage de charges à caractéristique de couple quadratique (Cr = k. Ω2). Réglage par action sur le glissement L’utilisation de résistances rotorique permet un réglage de la vitesse au dessous de la vitesse nominale mais avec un rendement déplorable. on essaiera donc de récupérer cette énergie transmise au rotor : c’est la cascade hyposynchrone réservée à la très forte puissance pour des machines à rotor bobiné. Réglage par variation de fréquence La fréquence de rotation de la machine étant au glissement près proportionnel à la fréquence d’alimentation des enroulements statoriques, on essaiera de créer pour ces enroulements un réseau à fréquence variable ce sont les Onduleurs de tension. On peut aussi chercher à injecter des courants dans les enroulement pour imposer le couple de la machine ce sont les Onduleurs de courant ou commutateurs de courant. On peut également convertir directement la fréquence du réseau industriel en une fréquence variable plus faible (de 0 à 1/3 de la fréquence réseau) à l’aide d’un cycloconvertisseur à commutation naturelle piloté lui aussi en fréquence en courant ou vectoriellement.

5

Philippe LE BRUN Lycée Louis ARMAND 173 Bd de Strasbourg 94736 NOGENT sur Marne

Florence.vadee@wanadoo.fr : 01 45 14 28 28 : 01 48 73 63 15

II. Alimentation à fréquence statorique variable

Pour des puissance allant jusqu’au Megawatt la structure de l’onduleur reste la même, seuls les calibres des composants vont croissants avec la puissance de l’équipement. Cette structure possède deux variantes : une première à réversibilité rhéostatique (énergie de freinage dissippée),

MAS

une seconde à réversibilité complète (énergie de freinage restituée au reseau).

MAS

La fonction sera donc définie uniquement par la commande de