Electricité
Les variateurs de vitesse
 
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Avant l'apparition des semi-conducteurs de très haute puissance, on a utilisé différents systèmes pour varier la vitesse d'un moteur. Le système le plus connu et le plus utilisé était le groupe Ward Leonard.

Le variateur électronique de vitesse est appellé variable frequency drive dans les pays anglo-saxons.

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Historique

Dans les années 1970, nous avons l'apparition des premiers transistors et thyristors de puissance. Il est donc tout à fait normal de les utiliser également pour modifier la vitesse de rotation des moteurs.


Un thyristor comme ceux
utilisés dans les premiers variateurs.
Une des premières utilisations à grande échelle des thyristors pour la commande de moteurs est l'ascenseur à navires de Strépy-Thieu, dont la construction a commencé en 1982. Cet ascenseur utilise donc la technologie de la fin des années 1970. La commande d'origine (Variacec) a entretemps été remplacée.


Courbes caractéristiques d'un moteur asynchrone
On note le fort appel de courant aux basses vitesses (cette puissance est dissipée en pure perte dans le rotor) et le couple qui atteint une valeur maximale à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme.

Le but du variateur de vitesse est de produire une fréquence légèrement supérieure à la vitesse du moteur pour obtenir le couple le plus élevé possible avec le meilleur rendement possible.


Trois courbes typiques d'un variateur
selon son mode de fonctionnement
1- Puissance constante (machines-outils)
2- Couple constant (machines de levage)
3- Couple augmente linéairement avec la vitesse (ventilateurs et pompes centrifuges)


Convertisseur à 6 pas
Avec ce système, le transistor est mis continuellement en conduction et connecte la sortie avec une des tensions d'alimentation. Le courant suit la tension avec du retard. Ce système n'est plus utilisé dans les nouvelles installations.


Production d'une sinusoïdale dans un onduleur
Dans les variateurs typiques, l'onduleur utilise une fréquence de 4kHz. Le courant est lissé par des inducteurs.


Schéma de principe d'un variateur


Ancien thyristor utilisé dans les variateurs
Ils sont maintenant remplacés par des transistors MOSFET

Au début, on utilise principalement des thyristors dont la commande est plus simple: il suffit d'envoyer une impulsion à la gachette et le thyristor entre en conduction. L'arrêt du thyristor n'est possible qu'en enclenchant le thyristor suivant (l'impulsion négative sur l'anode déclenche le premier thyristor). Il n'est pas possible d'avoir tous les thyristors éteints et donc de modifier le rapport de conduction.

Les variateurs à thyristors ont des inconvénients, ce qui fait qu'on les a remplacé par des transistors à effet de champ dès que ceux-ci ont été disponibles:

  • Difficile de faire tourner un moteur souplement à basse vitesse.

  • Pas possible de mofifier la tension selon la fréquence: même à basse vitesse le moteur reçoit toujours une tension maximale et doit être surdimensionné. Il doit souvent être équipé d'une ventilation auxiliaire.

  • Système complexe d'extinction des thyristors qui doit être surdimensionné pour réduire les risques de pannes.

Les ingénieurs ont utilisé des transistors classiques, mais ceux-ci nécessitent un circuit de commande complexe. Il faut une puissance relativement élevée pour mettre un transistor en conduction et le mettre à l'arrêt. Un variateur nécessite au moins 6 transistors de puissance, qui ont chacun besoin de leur alimentation propre (et indépendante l'une de l'autre).

Les transistors a effet de champ modernes ne nécessitent qu'une faible puissance de commande. De plus, ils sont intrinsèquement plus stables et ont peut augmenter la puissance en plaçant plusieurs transistors en parallèle, ce qui n'est pas possible avec des transistors classiques.

Les bases techniques

Les moteurs les plus utilisés sont des moteurs asynchrones: ils sont simples, bon marchés, fiables. On tente donc de les utiliser partout. Ils ont par contre quelques inconvénients: le couple au démarrage est moyen (moindre que le couple nominal) tandis que l'appel de courant est très important. Il est possible de construire un moteur avec un couple de démarrage plus élevé, mais alors son rendement à vitesse nominale est moindre.

L'appel de courant est important dans tous les cas, ce qui nécessite des circuits spéciaux pour le démarrage à partir d'une certaine puissance (branchement étoile-triangle). Le démarrage doit se faire à vide ou si cela n'est pas possible il faut surdimensionner le moteur et l'installation électrique.

Les moteurs asynchrones ont besoin d'une puissance magnétisante importante pour établir de champ magnétique, avant même que le moteur ne puisse fournir de la puissance. Le facteur de puissance qui en résulte est médiocre, surtout si le moteur fonctionne à faible charge. Dans ce cas la puissance réactive (qui est constante) est relativement importante en comparaison de la puissance fournie.

Ce qu'on recherche avec un variateur, c'est une fréquence variable qui est légèrement supérieure à la fréquence motorique, puisque le moteur asynchrone a le meilleur couple quand il y a une légère différence entre la fréquence électrique (par exemple 50Hz, donc moteur synchrone tournant à 3000 tours) et la fréquence motorique (moteur tournant à 2850 tours). La caractéristique principale du moteur asynchrone est en effet son glissement par rapport à la fréquence du réseau. Pendant tout le démarrage, il faut une fréquence électrique légèrement supérieure à la fréquence motorique. Le rendement est alors maximal à toutes les vitesses et il ne faut pas de construction spéciale de la cage d'écureuil.

Le variateur doit également pouvoir agir sur le couple du moteur. Si le couple est trop important, le moteur consomme de la puissance en pure perte. Le couple est déterminé entre autre par la tension d'alimentation. Pour limiter les pertes dues à la magnétisation, on a intérêt à choisir la tension la plus basse possible (qui dépend du couple demandé). Dans les variateurs classiques, on joue sur la courbe U/F.

Fonctionnement d'un variateur

Le but est d'obtenir une onde sinusoïdale (ou qui s'en rapproche le plus) ce qui permet au moteur de fonctionner plus souplement. Si on utilise un circuit électronique classique (comme ceux utilisés dans les amplificateurs audio) on obtient un rendement maximal de 75%. Pour commander un moteur de 10kW (ce qui n'est pas beaucoup dans l'industrie), il faudrait dissiper une puissance de 2500W dans les transistors. Il est évident qu'on n'a jamais suivi cette voie.

Pour obtenir un rendement acceptable, on va faire travailler les transistors de puissance en mode tout-ou-rien (fonctionnement en onduleur ou inverter). Les pertes sont très faibles et on utilise de plus une fréquence de commutation la plus basse possible (il faut au minimum une fréquence de commutation qui soit de 10× supérieure à la fréquence de sortie. Pour du 50Hz, la fréquence de commutation minimale est de 500Hz. En pratique on utilise une fréquence de 4kHz.

Le variateur est équipé de self-inductions qui vont lisser le courant (et également empècher les parasites de commutation de se propager hors du boitier). Le moteur a également une très grande self-induction et produit aussi un lissage, mais le lissage dans le variateur même est le plus important.

Pour obtenir un couple constant, il faut que la tension augmente avec la fréquence (ce n'est pas possible avec les variateurs à thyristors). En effet, plus la fréquence augmente, et plus l'inductance du moteur joue et limite le courant.

Les variateurs modernes permettent donc de jouer avec la courbe U/F et modifier le couple selon la vitesse de rotation du moteur (fréquence). Cela permet d'économiser l'énergie quand le moteur ne doit tourner qu'à basse vitesse:

  • Un ventilateur a besoin d'un couple qui augmente avec la vitesse: la tension doit augmenter de façon quadratique avec la fréquence pour avoir un couple qui augmente linéairement.

  • Un moteur d'ascenseur doit avoir un couple relativement constant quelle que soit la vitesse: la tension doit augmenter de façon linéaire avec la fréquence.

  • Dans l'industrie, il faut un moteur qui puisse apporter une puissance constante quelle que soit la vitesse. L'outil travaille alors à sa puissance maximale, indépendamment du régime. Il faut ici une tension d'alimentation relativement constante.
Quel est le but de modifier la courbe U/F? Dans le cas d'un ventilateur, il a besoin de très peu de puissance à basse vitesse et cela ne sert à rien de l'alimenter à la tension nominale: le moteur consomme relativement beaucoup de puissance réactive et produit des pertes (échauffement des bobinages et des tôles). Dans le cas d'un ascenseur, il faut une tension à basse vitesse plus élevée, autrement le moteur ne pourrait pas démarrer en charge.

De nombreuses applications industrielles nécessitent un couple constant et une vitesse stable: par exemple les cages de laminoir (aciérie), ce qui permet à chaque cage d'étirer la tôle de façon controlée. Les bobineuses doivent avoir un couple déterminé par le diamètre de la bobine (enroulement de la tôle sur un coil). Le variateur doit ici jouer à la fois sur la fréquence et la tension.

Dans le cas d'une bande transporteuse, il faut un démarrage progressif et quand la vitesse nominale se rapproche il faut réduire l'accélération. Cela évite que les produits sur la bande ne se renversent. La courbe vitesse/temps qui est normalement une droite (accélération constante) a ici une forme de S.

Les variateurs les plus courants (voir schéma à droite) se composent d'un redresseur alimenté en triphasé, mais il existe également des variateurs monophasés (pour des puissances jusqu'à 2.2kW environ). Il est possible d'alimenter certains variateurs triphasés en monophasé si on limite la puissance demandée.

La tension est récoltée sur un gros condensateur électrolytique et 6 transistors à effet de champ sont mis en conduction selon un cycle bien défini. Le lissage produit une tension pratiquement sinusoïdale. Les selfs de lissages ne sont pas reprises sur le schéma.

En plus de cette construction de base, il y a une self-induction entre le redresseur et le condensateur pour améliorer le facteur de crête. En effet une diode n'est en conduction que si la tension d'alimentation est plus élevée que la tension du condensateur. Ces pics de courant doivent être éliminés et c'est facilement réalisable avec une self, car avec du triphasé (contrairement au monohasé) il y a toujours deux diodes en conduction. La self doit avoir une inductance élevée puisqu'elle travaille avec une fréquence de réseau de 50Hz et non avec la fréquence de commutation des étages de sortie (4kHz).

Commande vectorielle et commande directe du couple

Dans les applications pointues où il faut jouer à la fois sur la fréquence et la tension, on utilise des variateurs à commande vectorielle ou à commande directe du couple.

Les moteurs à courant continu permettent de commander indépendamment la vitesse de rotation du moteur et son couple en jouant sur la tension du rotor et du stator. C'est cet avantage qu'on utilise avec la commande vectorielle qui a deux signaux en entrée: la consigne de vitesse et de couple. Le commande vectorielle nécessite des capteurs pour déterminer exactement la vitesse de rotation du moteur.

Le variateur à commande directe du couple détermine le couple (qui est le produit du flux et du courant) et passe à l'état suivant dès que la limite est dépassée (le flux est estimé en intégrant la tension d'alimentation). Ce variateur n'utilise donc pas de fréquence de commutation fixe: la fréquence dépend de la vitesse de rotation et du glissement du moteur. Ce type de variateur se rapproche dans son principe de fonctionnement du variateur à 6 pas mais utilise des capteurs de courant et un processeur pour déterminer l'instant de la commutation.

Influence du variateur sur le type de moteur

Si pour les premiers types de variateurs il fallait un moteur surdimensionné, ce n'est plus le cas avec les variateurs modernes qui peuvent être paramétrés.

Si le moteur doit fonctionner régulièrement à bas régime, il est nécessaire de prévoir une ventilation supplémentaire pour compenser la ventilation insuffisante.

On a noté des pannes de moteur si le variateur est de mauvaise qualité (il laisse passer trop d'harmoniques et de pics à la commutation). Il s'agit de cours-circuits dans les bobinages, mais également de roulement grippés. Les roulement grippés sont causés par la capacité entre les bobinages et le rotor. Les pics de commutation peuvent charger électriquement le rotor qui se décharge alors via les billes des roulements. Cette panne peut être évitée par une bonne mise à la masse du rotor.

Il est possible de choisir un moteur qui ait le meilleur rendement possible, sans devoir tenir compte de la caractéristique couple/vitesse, de l'appel de courant, etc. Le variateur permet aisément de modifier les paramètres du moteur.

Par contre le type de moteur détermine également la puissance du variateur. Un cas que j'ai rencontré: un moteur de 50kW (surdimensionné: il ne sert qu'à tester des roulements, il fonctionne donc pratiquement à vide). La consommation du moteur se situe aux alentours de 5kW. Un variateur de 10kW devrait donc suffire, non? Et bien non: le moteur nécessite une puissance réactive de plus de 10kVAR que le variateur ne peut pas fournir. Le moteur ne se met même pas à tourner, parce que le champ magnétique ne peut pas être réalisé.

Les variateurs peuvent être utilisés pour d'autres choses que pour faire démarrer des moteurs! J'ai réalisé un stabilisateur qui permet un allumage graduel de lampes de studio, ce qui permet d'éviter leur claquage trop rapide. Plus d'information sur le stabilisateur pour lampes de studio (éclairage continu).

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