Cours electricite : installation des commande electronique des moteurs

Cours électricité : installation descommande électronique des moteurs

CHAPITRE 1

Types de commande électronique des moteurs

 Introduction

Pour des raisons économiques, l'énergie électrique est fournie par des réseaux triphasés (trois tensions sinusoïdales déphasées entre elles de 2p ) à la fréquence de 50Hz.

Du point de vue de l'utilisateur, l'énergie est souvent utilisée en continu ou à des fréquences différentes de celle du réseau.

Jusqu'au début des années 1970 environ, la mise en forme de l'onde électrique afin de l'adapter aux besoins a été obtenue au moyen de groupes tournants (moteurs). Les performances des composants semi-conducteurs de l'électronique de puissance (diodes, thyristors, triacs, transistors) ont ensuite permis de réaliser de telles conversions; on supprime ainsi les parties tournantes et on réduit la masse, l'encombrement et le coût de ces matériels.

Les convertisseurs statiques sont les dispositifs à composants électroniques capables de modifier la tension et/ou la fréquence de l'onde électrique.

On distingue deux types de sources de tension:

• Sources de tension continues caractérisées par la valeur V de la tension.
• Sources de tension alternatives définies par les valeurs de la tension efficace V et de la fréquence f.

On différencie quatre types de convertisseurs dont les schémas de principe sont donnés sur la figure ci-dessous:

• Convertisseur alternatif-continu : redresseur ;
• Convertisseur continu-continu : hacheur ;
• Convertisseur continu-alternatif : onduleur ;
• Convertisseur alternatif-alternatif : c'est un gradateur lorsque seule la valeur efficace de la tension alternative est modifiée, sinon c'est un cycloconvertisseur.

Voila quelques applications des convertisseurs statiques:

• Redresseurs : alimentation des moteurs à courant continu, charge des batteries
• Hacheurs : commande des moteurs à courant continu (vitesse variable) ; fonctions d'interrupteur onduleurs ou alimentation à découpage ;
• Onduleurs : production de tensions alternatives, alimentation des appareils électriques autonomes, protection contre les surtensions et coupures de réseau (informatique), commande des machines à courant alternatif ;
• Cycloconvertisseurs : production des vitesses variables en alternatif (levage, machine-outil).

La commande de vitesse des moteurs constitue l’application la plus importante de l’électronique de puisssance. Les installations industrielles utilisent de plus en plus des variateurs électroniques de vitesse à thyristors, soit pour obtenir la vitesse d’entraînement optimale de machines pour chaque étape d’un procédé industriel, soit pour asservir la vitesse d’un ou de plusieurs moteurs entraînant des équipements électromécaniques. Dans le cas des entraînements contrôles à vitesse variable, on utilise principalement les moteurs à courant continu à excitation séparée et les moteurs à courant alternatif triphasés asynchrones.

1.   Commande de moteurs à courant continu

Les moteurs à courant continu sont alimentés à partir :

• d’un réseau alternatif (monophasé ou triphasé) par l’intermédiaire de redresseur à                          thyristors  (Figure 1-1);
• de redresseurs à diodes suivis de hacheurs à thyristor  (Figure 1-2);
• d’une batterie d’accumulateurs par l’intermédiaire d’hacheurs à thyristors (Figure 1-3).

Alimentation c.a

FIGURE 1-1 REDRESSEUR À   THYRISTORS

…

FIGURE 1-3 HACHEUR DE  COURANT

Commande de moteurs asynchrones triphasés

Depuis les années 70, on utilise de plus en plus des moteurs à courant alternatif (synchones et asynchrones). Ces moteurs sont plus robustes que les moteurs à courant continu ayant des performances similaires et leur coût est moins élevé.

Les moteurs à courant alternatif sont alimentés par des tensions et des fréquences variables à partir :

• de gradateurs à thyristors ( Figure 1.4) ;
• d’onduleurs autonomes à fréquence variable (Figure 1.5) ;
• de cycloconvertisseurs ( Figure 1.6).

Alimentation triphasée

FIGURE 1.4 GR AD AT E U R

Alimentation c.a monophasée ou triphasée

FIGURE 1.5 ONDULEUR AU TONOME À  FRÉQUENCE VARIAB LE

Alimentation triphasé

FIGURE 1.6 CYCLO C ON VERTISSEUR

CHAPITRE 2

Le convertisseur alternatif continu

Le convertisseur C.A à C.C nous donne, à partir d’une source de tension alternative monophasée ou polyphasée, une tension continue qui peut être fixe ou variable (Figure 2.1).

Tension alternative monophasée ou triphasée

Tension continu fixe ou variable

FIGURE 2.1 CONVERTISSEUR ALTERNATIF -   CONTINU 

2.1 Le redresseur à tension fixe en commutation naturelle à base de diodes

2.1.1 Le redresseur fixe monophasé

Le redresseur fixe ou non commandé contient seulement des diodes produisant ainsi une tension continue fixe à sa sortie.

On retrouve deux types de  redresseurs monophasés, soit:

1. le redresseur simple alternance ou demi-onde;
2. le redresseur double alternance ou pleine-onde.

  a) Le redresseur simple alternance

Le redresseur simple alternance est composé d’une seule diode ( Figure 2.2) et la tension moyenne à la charge nous est donnée par  l’équation 2.1 :

…

FIGURE 2.2 REDRESSEUR MONOPHASÉ SIMPLE  ALTERNANCE

Vo moy = E max

b) Le redresseur double alternance en pont

Ce redresseur est réalisé à partir de quatre diodes montés en pont (Figure 2.3) et la tension moyenne à la charge est donnée par l’équation 2.2 :

…

FIGURE 2.3 REDRESSEUR MONOPHASÉ DOUBLE  ALTERNANCE

2E max

Vo moy =       p                                                      (2.2)

  Le redresseur  fixe triphasé

Le redresseur monophasé est limité à des puissances pouvant atteindre 10 kW. Pour alimenter des puissamces supérieures à cette valeur, on utilise des redresseurs triphasés, comme :

1. Le redresseur en étoile à simple alternance;
2. Le redresseur en pont.

               a) Le redresseur triphasé à simple alternance

Le redresseur triphasé en montage étoile, représentée à la Figure 2.4, comprend un transformateur triphasé dont les enroulements primaires sont branchés en triangle et les enroulements secondaires sont branchés en étoile.  Une diode est placée sur chaque phase et la charge résistive est branchée entre le point commun des cathodes des diodes D1, D2, D3 et le point neutre. Chaque diode conduit sur un intervalle de 120°. Elle laisse passer le courant dans l’intervalle de temps où la tension de sa phase est supérieure aux deux autres (Figure 2.5). Le courant moyen dans chaque diode équivaut au tiers du courant de charge et la fréquence du signal de sortie est égale à trois fois le signal d’entrée.

Ce  redresseur  est  employé  que  pour  des  montages  industriels  de     petites puissances.

FIGURE 2.4 REDRESSEUR TRIPHASÉ SIMPLE  ALTERNANCE

e1            e2              e3

D1            D2              D3

t (ms)

Erc

E phase max

0,5  E phase max                                 

E moy.

t (ms)

FIGURE 2.5 FORME D’ ONDE D’ UN  REDRESSEUR TRIPHASÉ SIMPLE ALTERNANCE

Valeurs caractéristiques des tensions et courants:

La valeur moyenne de tension à la charge est donnée par  l’équation 2.3 :

æ 3  3 ö

Vo moy = ç

÷ E max = 0,827E max         (2.3)

2p ø

E : tension de phase

Exemple 2-1:

Dans un redresseur simple alternance triphasé (Figure 2.4), la tension de phase est de 220 V à 50 HZ, et la charge est une résistance de valeur Rc=10W. En négligeant la chute de tension des diodes, calculez:

1. la tension moyenne à la charge ;
2. le courant moyen de charge ;
3. le courant moyen des diodes ;
4. la fréquence du signal à la charge.

Solutions:

…

1. fo = 3 x 50 hz = 150 hz

2.1.2. b) Le redresseur triphasé  en pont

Le redresseur triphasé en pont (Figure 2.6) est un des circuits redresseurs industriels les plus efficaces, il peut être considéré comme redresseur simple alternance à anode commune et cathode commune  montés en «  tête-bêche ».

FIGURE 2.6 REDRESSEUR TRIPHASÉ EN   PONT

Considérons la représentation graphique des tensions triphasés d’alimentation (Figure 2.7). Quand la tension de phase e1 est supérieure aux tensions e2 et e3 , la diode D1 conduit, et les diodes D2 et D3 sont à l’état bloqué. De même la diode D6 conduit, et les diodes D5 et D6 sont bloquées.

Le même raisonnement s’applique lorsque la    tension e2 est supérieure aux deux

(2) autres. Chaque diode conduit pendant un intervalle de 120°. À titre d’exemple, la diode D1 conduit 60° avec D4 et 60° avec D5. Le courant moyen dans chaque diode est égale au tiers du courant de charge. La fréquence du signal à la sortie équivaut à six fois la fréquence d’entrée.

Une bobine peut être rajoutée en série avec la charge pour diminuer le taux d’ondulation.

ES

Erc

t (ms)

FIGURE 2.7 FORME D’ ONDE D’ UN  REDRESSEUR TRIPHASÉ EN PONT

Valeurs caractéristiques des tensions et  des courants:

La valeur moyenne de tension à la charge est donnée par l’équation 2.4 :

Vo moy = 1,65 E max                  (2.4) E : tension de phase

Exemple 2-2

Dans un redresseur en pont triphasé (Figure 2.6), la tension au secondaire du transformateur est de 220 V à 50 HZ. La charge est une résistance de 10W. En négligeant la chute de tension des diodes, calculez les valeurs suivantes:

1. la tension moyenne à la charge ;
2. le courant moyen  à la charge ;
3. le courant moyen des diodes ;
4. la fréquence de l’ondulation à la charge.

Solutions :

…

1. fo = 6 x 50 hz = 600 hz

Le redresseur à tension variable en commutation contrôlée à base de thyristors (redresseur commandé)

Les redresseurs commandés permettent de contrôler la tension moyenne à la charge. On les utilise surtout dans la commande des moteurs à courant continu pour varier la vitesse. On retrouve les redresseurs commandés à simple et double alternance pour des tensions monophasées et triphasées.

Le redresseur commandé monophasé

 2.2.1. a) Le redresseur commandé monophasé à simple alternance

Pour varier la tension moyenne à la charge, on utilise un thyristor qui est déclenché à partir d’un circuit de commande synchronisé sur le secteur (Figure 2.8). On utilise en général  la commande par rampe synchrone.

FIGURE 2.8 REDRESEUR COMMANDÉ SIMPLE   ALTERNANCE

En l’absence de signal sur la gachette, le thyristor est à l’état bloqué. Si l’on applique une impulsion sur la gachette durant le cycle positif, le thyristor conduit. Il bloque  lorsque la tension passe à zéro et durant le cycle négatif .

Tension moyenne à la charge

La valeur moyenne de tension est donnée par l’équation 2.5 :

E max

E moy = (1 + cosa )

2p

2.2.1. b)  Le redresseur  monophasé  en pont semi-commandé

Dans le cas du redresseur en pont mixte avec deux thyristors et deux  diodes (Figure2.9), les deux alternances sont contrôlées et le circuit nécessite des signaux de gachette déphasés de 180°. On utilise un transformateur d’impulsion avec deux secondaires pour réaliser l’amorçage.

La diode D5 est utilisée pour assurer le blocage des thyristors dans le cas d’une charge fortement inductive (moteur électrique). Cette diode est aussi appelée (diode de roue libre).

FIGURE 2.9 REDRESSEUR EN  PONT SEMI - COMMANDÉ

Tension moyenne à la charge:

La valeur de tension à la charge est donnée par l’équation 2.6 :

E moy = E max (1 + cosa )

c)Le redresseur  monophasé  en pont complètement commandé

On peut réaliser un redresseur en pont en utilisant quatre thyristors (Figure 2.10). Ce circuit nécessite l’utilisation de deux transformateurs d’impulsions avec chacun, deux enroulements au secondaire.

À l’aide de ce redresseur, il est possible de fournir de l’énergie au réseau par l’intermédiaire du transformateur, à condition que l’angle d’amorçage soit supérieur à 90° et que la charge soit fortement inductive comme dans le cas d’un moteur à courant continu en période de freinage.

VO

FIGURE 2.10 REDRESSEUR EN  PONT COMPLETEMENT  COMMANDE

Exemple 2-3

Dans le montage en pont de la Figure 2.9 , la tension au secondaire du transformateur d’alimentation est de 220 volts à 50 hertz, et la charge a une impédance de 5 ohms.

Calculez:

1. la tension moyenne à la charge pour un angle d’amorçage de 120° ;
2. la tension inverse de crête (T.I.C) que doivent supporter les diodes et les thyristors.

Solutions:

a)     E moy =E max (1 + cosa ) =     E moy =

220 ´                         O

p        (1 + cos120) = 49,36V

b)         T.I.C = -Emax = -310,2V

              Le redresseur commandé triphasé

1. Redresseur commandé triphasé à simple alternance

Ce type de montage correspond à trois circuits redresseurs commandés monophasés à simple alternance qui fontionnent les uns après les autres (Figure 2.11).

Le circuit de commande du redresseur doit envoyer, sur la gachette des thyristors des impulsions décalés de 120°.

FIGURE 2.11 REDRESSEUR COMMANDÉ TRIPHASÉ À  SIMPLE   ALTERNANCE

Tension moyenne à la charge:

Lorsque l’angle d’amorçage est compris entre 0° et 30°, la tension à la charge n’est pas interrompue. La tension moyenne à la charge est donnée  par l’équation 2.7 :

E moy = ç

ö

÷ E max cosa

è  2p ø

Quand l’angle d’amorçage devient supérieur à 30° , la valeur moyenne est donnée par l’équation 2.8 :

E moy = 3E max 2p

 [1 + cos(a + 30°)]

Dans le cas d’une charge fortement inductive, le circuit peut agir comme redresseur (Figure 2.12) pour un angle situé entre 0° et 90°, et comme onduleur (générateur )pour un angle au dessus de 90°. Dans ce cas-ci, le circuit fournit de l’énergie au réseau (Figure 2.13).

Puissance active

L1 L2 L3

FIGURE 2.12 MONTAGE REDRESSEUR

Puissance active

L1 L2

L3

FIGURE 2.13 MONTAGE GÉNÉRATEUR OU   ONDULEUR

Ce fonctionnement est utilisé en traction électrique lors du freinage des trains;durant la période de freinage , les moteurs à courant continu deviennent temporairement des génératrices.

2.2.2. b)  Redresseur  triphasé  en pont  complètement commandé

Le redresseur en pont de la Figure 2.14 est constitué de six thyristors qui sont déclenchés à tour de rôle. On observe (Figure 2.15) que le thyristor Th1 est amorcé quand la phase e1 est durant la période  maximum; ensuite, c’est au tour de Th2 d’être amorcé 60° plus tard. Le même scénario se répète avec les thyristors Th3 et Th4. Dans le cas de charge inductive (moteur à courant continu, on branche une diode de roue libre en parallèle avec la charge.

Ce circuit est plus utilisé en industrie que le circuit précédent car il offre un meilleur rendement

FIGURE 2.14 REDRESSEUR TRIPHASÉ EN  PONT COMPLETEMENT  COMMANDE

FIGURE 2.15 FORME D’ ONDE POUR UN REDRESSEUR TRIPHASÉ EN PONT COMPLETEMENT COMMANDE

Tension moyenne à la charge

La tension moyenne à la charge  est donnée  par l’équation 2.9 :

…

CHAPITRE 3

Le convertisseur continu - continu (le hacheur)

Le hacheur est un commutateur statique constitué de thyristors ou de transistors qui permet de transformer une tension continue fixe en une autre tension continue variable (3.1).

Tension continue fixe tension continue variable

FIGURE 3.1 CONVERTISSEUR CONTINU -   CONTINU

On distingue deux types de hacheurs couramment utilisés :

• les hacheurs dévolteurs : ceux-ci fournissent, avec un excellent rendement, une tension continue de sortie dont la valeur est inférieure à celle de la tension continue d’entrée.
• les hacheurs survolteurs : ceux-ci permettent d’obtenir une tension de sortie supérieure à la tension d’entrée.

Nombreuses sont les applications pour la commande des machines à courant continu et les alimentations à découpage.

  Principe du hacheur dévolteur (série)

1. Débit sur une charge résistive Montage de principe :

U est la source d’alimentation fixe et R est la charge.

Analyse de fonctionnement :

Loi des mailles : U – uK – v = 0 donc : v = U – uK

On choisit une période T et une fraction α de cette période.

α  s’ appelle rapport cyclique, 0 < α < 1, sans dimension.

De 0 à αT : K est fermé  ═> uK = 0 donc v = U et i = v / R = U / R

• De αT à T : K est ouvert  ═> i = 0, v = iR = 0 donc uK = U 

Commentaires

• La tension de sortie du hacheur (tension v) n’est pas continue mais toujours positive. Lorsque la période est assez faible ( fréquence de 100 à 1000 Hz) la charge ne « voit » pas les créneaux mais la valeur moyenne de la tension.

Le rapport cyclique α  peut être réglé. Par conséquent la valeur moyenne

v  (ou <v>) de v va varier.

• Il s’agit d’un hacheur série entre la source et la charge. 

La valeur moyenne de v en fonction du rapport cyclique α sur une période est :

aT ×U + (i - a )T × 0

v =                                    donc

Tv = aU

Débit sur une charge inductive Propriété des inductances

Equation fondamentale :

De cette équation résident les propriétés ci-dessous :

En régime continu établi : l’inductance se comporte comme un court-circuit.

En régime périodique établi : la tension moyenne est nulle : uL = 0

En régime quelconque : d’une façon générale :

-  Le courant dans une inductance ne peut pas subir des discontinuités

-  L’inductance s’oppose aux variations du courent qui la traverse, et ce d’autant plus que : - L est grand

- la tension aux bornes de l’inductance est plus faible.

Conclusion : L’inductance lisse le courant

La forme du courant pour une charge inductive

Montage de principe :

Loi des mailles : U – uK – v = 0 donc : v = U – uK

Loi des noeuds : i = iK + iD

Analyse de fonctionnement

• De 0 à αT : K est fermé  ═> uK = 0 → v = U donc i = iK et iD = 0

Le courant augmente progressivement (la pente dépende de la valeur de L).

Schéma équivalent est présenté à coté.

• De αT à T : K est ouvert  ═> v = 0 → uK = U donc i = iD et iK = 0

Comme la charge n’est pas alimentée, le courant diminue progressivement.

Schéma équivalent est présenté à coté. 

Commentaires :

A l’ouverture de K, il n’y aura pas d’étincelle puisque le courant imposé par la bobine pourra passer par la diode.

D est appelée diode de roue libre car elle est active lorsque la charge n’est pas alimentée. Elle est nécessaire pour un bon fonctionnement du montage.

La bobine lisse le courant. Plus L est grand plus ∆i sera petit.

Exemple de montage

L’interrupteur est remplacé par un transistor

Le courant iD commande la saturation (fermeture) ou le blocage (ouverture) du transistor.

Montages réels Hypothèse

• K est parfait (vk = 0 en conduction, les temps de commutation sont négligés)
• D est idéale
• Le régime est établi

K est commandé en commutation à la période T avec un rapport cyclique α Le rapport cyclique est défini comme α = (temps de conduction) / T Equation du circuit : V = E + L.di/dt Ua = v + vk Ia = i - id

Formes d’ondes en conduction continue

Hacheur deux cadrans

Hypothèse

• K est parfait (vk = 0 en conduction, les temps de commutation sont négligés)
• D est idéale
• Le régime est établi

K1 et K2 sont commandés simultanément avec le même état à la période T et un rapport cyclique α

Formes d’ondes en conduction continue

• En conduction discontinue la valeur moyenne du courant i est faible.
• Caractéristique de sortie : 

1. Hacheur quatre quadrants

Pour obtenir une réversibilité quatre quadrants, il suffit d'associer tête bêche deux hacheurs réversibles deux quadrants (K1, K2, D1, D2) et (K3, K4, D3, D4)

Deux stratégies de commande sont utilisées. 1èr stratégie de commande

 Tous les interrupteurs sont commandés de la même manière quelque soit le quadrant de fonctionnement.

• K1 et K2 sont commandés à la fermeture de 0 à αT alors que K3 et K4 sont ouverts.
• K3 et K4 sont commandés à la fermeture de αT à T alors que K1 et K2 sont ouverts.

C'est le sens du courant i qui détermine les composants actifs. Par exemple si K3 est commandé à la fermeture avec i > 0, c'est D1 qui conduira. Mais si K3 est commandé à la fermeture avec i < 0, c'est K3 qui sera traversé par le courant i.

Exemples d'états des composants en fonction du sens de courant i 

Remarques:

➢        αT correspond au temps de conduction de K1 et K2, au temps de blocage de K3 et K4

➢        Comme les formes d'ondes sont identiques à celles du hacheur deux quadrants, la tension <v> est de même expression : <v> = Ua.(2α -1)

➢        Quelque soit le quadrant, le hacheur contrôle la tension et le courant dans la charge.

2ème stratégie de commande

• K1 fonctionne à la fréquence de hachage alors que K2 et fermé en permanence si on souhaite une tension moyenne positive en sortie (K3 et K4 sont bloqués)
• K3 fonctionne à la fréquence de hachage alors que K4 et fermé en permanence si on souhaite une tension moyenne négative en sortie (K1 et K2 sont bloqués)

aT correspond au temps de conduction de K1 pour <v> >0 et au temps de conduction de K3 pour <v> <0

Alors <v> = a Ua si K2 =1 et <v> = - a Ua si K4 = 1

Remarques :

➢        <v> = Ua si K2 =1 et <v> = - Ua si K4 = 1

➢        Ldi/dt = (Ua-E)/L donc le courant croît si K2 = 1

➢        Ldi/dt = (-Ua-E)/L donc le courant décroît si K4 = 1

➢        Ces cas correspondent à un régime transitoire dans lequel le hacheur ne contrôle pas la pente du courant.

Circuits pour la commande du transistor

Pour alimenter la base du transistor, il faut réaliser un montage électronique délivrant un signal en créneaux avec un rapport cyclique réglable. Il s’agit d’un oscillateur.

Il existe plusieurs circuits intégrés réalisant cette fonction.

Exemple 1 :

Le courant de sortie de l’AOP étant très faible (10 à 20 mA), il conviendra d’utiliser un transistor Darlington.

æ         R  ö                       R

T  = (R3 + R4 )lnçç1 + 2        ÷÷  ;

Exemple 2 :

R2 ø

R3 + R4

CT = 0,33 µF, RC = 10 kΩ, RT = 33 kΩ, R = 1 kΩ/0,5 W

RC règle le rapport cyclique. RT règle la fréquence.

f =    1,1

RTCT

La figure 3.2 représente le schéma de principe d’un hacheur dévolteur muni d’un filtre de sortie LC, qui débite un courant dans une charge résistive. L’ouverture et la fermeture périodique de l’interrupteur S permet de hacher la tension continue d’entrée pour produire une tension de sortie variable. L’inductance réduit l’ondulation du courant de charge et le condensateur C maintient la tension de sortie sensiblement continue. La diode assure la continuité du courant dans la charge lorsque l’interrupteur est ouvert. La forme d’onde à la sortie du hacheur est montrée à la Figure 3.3

…

FIGURE 3.2 LE  HACHEUR DÉVOLTEUR

E sortie

impulsion d'amorcage

Impulsion de blocage

FIGURE 3.3 FORME D’ ONDE   À  LA SORTIE D’ UN  HACHEUR DÉVOLTEUR

La tension de sortie est donnée par l’équation :

…

Th : période de hachage tcond : période conduction du thyristor

L’amorçage des thyristors alimentés en courant continu ne présente pas de difficulté particulière. Par contre, leur désamorçage nécessite des circuits supplémentaires de blocage.

Il existe de nombreux dispositifs hacheurs qui se différencient les uns des autres par leur circuit de blocage. Le rôle de ce circuit est de forcer l’extinction du thyristor principal à la fin du temps de conduction.   La Figure 3.4   représente    un hacheur dévolteur dont le thyristor principal (Th1) est bloqué à l’aide d’un thyristor auxiliaire (Th2) et d’un circuit LC.

E entrée charge

-

FIGURE 3.4 HACHEUR DÉVOLTEUR AVEC  SON  CIRCUIT DE  DÉSAMORÇAGE

Pour pemettre au condensateur de se charger M(+) et N(-), le thyristor Th2 doit être amorcé le premier, alors Th1 est à l’état bloqué. Lorsque le condensateur est chargé, le thyristor Th2 se bloque. Quand Th1 est amorcé, le courant circule dans la charge, et le condensateur se charge dans l’autre polarité à travers L et D. Lorsque le thyristor Th2 est amorcé, une tension négative est appliquée sur Th1 par le condensateur, et Th1 se bloque. Et ensuite le cycle recommence.

  Le hacheur survolteur

Le schéma de principe d’un hacheur survolteur est illustré à la Figure 3.5. Le thyristor qui joue le rôle de commutateur statique est placé en parallèle avec la charge. Lorsque th1 est à l’état passant, la bobine se charge à travers l’alimentation. Lorsque Th1 bloque, la tension appliquée à la charge devient la somme de la tension de la bobine et de la source. La tension de sortie nous est donnée par l’équation 3.2. On retrouve ce hacheur dans certaines commande de moteurs qui permettent la récupération d’énergie sur le réseau, pendant la période de freinage du moteur.

FIGURE 3.5 HACHEUR  SURVOLTEUR

E moy = E entrée æ        Th       ö                                   (3.2)

÷

è Th - Tcond ø

Exemple 3.1

Un hacheur dévolteur alimente une charge résistive de 65W à partir d’une batterie d’accumulateurs de 60v. Le temps de conduction est de 30% de la fréquence de hachage qui est de 500HZ. Calculez :

1. la période de hachage ;
2. le temps de conduction ;
3. la tension moyenne à la sortie.

Solutions

1          1

1. T =     =              = 2ms

F     500HZ

1. tcond = 0.30 x 2ms = 0,6ms

0,6ms

1. E moy = 60V x 2ms = 18 V

Les applications des hacheurs

Les hacheurs sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles, surtout dans le domaine de la traction électrique. Ils alimentent et contrôlent la vitesse des moteurs à courant continu qui équipent les locomotives électriques, les métros et les véhicules à batterie d’accumulateurs (charriots élévateurs, voitures électriques et locomotives de mines).

Les hacheurs de petite puissance ( 0 à 100KW) sont généralement employés dans les véhicules électriques à batteries. Les hacheurs de puissance > 100KW sont utilisés dans les locomotives électriques qui fonctionnenet à partir d’un réseau à courant continu (circuit redresseur).

CHAPITRE 4

Commande de vitesse pour moteur à courant continu

Les moteurs à courant continu sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles, bien que leur construction soit plus complexe que celle des moteurs à courant alternatif.

         Rappel sur le moteur a courant contin

Le moteur à courant continu et excitation séparée est constitué de deux enroulements indépendants. Le premier dit " inducteur " génère un champ magnétique permanent, le second dit " induit " est bobiné sur le rotor. Le schéma électrique équivalent de l’induit est un réseau R,L ,Efcem série. La force contre électromotrice Efcem est égale à K.ΦN où Φ est le flux généré par l’excitation et N

la vitesse de rotation. Si l’on asservit le courant d’induit, on pilotera le moteur à couple constant quelque soit la charge. Si l’on mesure la vitesse de rotation de l’arbre, on pourra alors réaliser une commande en vitesse.

Attention : l'alimentation de l’excitation ne doit jamais être coupée avant celle de l’induit. En effet, une telle opération entraîne une brusque diminution de Φ ; Compte tenu de l’inertie du moteur, Efcem se maintient constant de sorte que N croît rapidement en provoquant un emballement du moteur avec un effet gyroscopique potentiellement " dévastateur ".

 Moteur idéal

En négligeant la résistance d'induit du moteur dans un premier temps, on a le chronogramme suivant :

L'expression de l'ondulation résiduelle de courant ∆I en régime établi nous donne :

∆I = αT (E - Efcem)/L et ∆I = (1-α) T Efcem /L

D'où on tire : et par suite :

Efcem = α.E = Vi moyen

)K.Φ(/αE/  =  N

La vitesse de rotation est donc bien proportionnelle à la tension moyenne appliquée à l'induit.

La puissance électrique Pa absorbée par l'induit vaut Pa =Vi:  moyen. Iindmoyen

Elle est transformée en puissance mécanique : Pm = Cm.N. D'où l'on tire la relation de proportionnalité du couple moteur au courant moyen d'induit :

))(K.Φ(Cm= Imoyen.

Dans le cas idéal, la vitesse de rotation et le couple sont deux grandeurs indépendantes.

1. Imperfections du moteur

• Pertes mécaniques par frottement secs => Couple de cèdage : couple minimum pour vaincre les frottements secs.
• Pertes par frottement visqueux : fonction de la vitesse.
• Pertes Joules dans l'induit (bobinage, balais et collecteur) : R= 15 Ω

En tenant compte de la résistance d'induit R, le courant Iind décrit des arcs d'exponentielle de constante de temps L/R. Le couple et la vitesse ne sont plus indépendants : si le couple résistant augmente, I moyen augmente, la fcem diminue et N diminue. Le rendement également diminue (augmentation des pertes joules en I2).

Les avantages de ces moteurs sont :

• une large gamme de variations de vitesse au-dessus et au-dessous de  la vitesse de régime ;
• un fonctionnement avec des couples constants ou variables ;
• une accélération, un freinage et une inversion du sens de rotation très rapide,  ce qui est avantageux dans le cas des appareils de levage et des machines outils ;
• une vitesse de rotation qui peut être régulée par l’intermédiaire d’un système de rétroaction ;
• la possibilité de fonctionner comme générateur lors du freinage par récupération d’énergie.

1. Caractéristiques d’un moteur à courant continu

➢        La vitesse d’un moteur à courant continu est inversement proportionnelle au flux inducteur et directement proportionnelle à la force contre-  électromotrice  du moteur.Cette relation nous est donnée  par :

F.C. E. M

N =       Kf          (Equation 4-1)

➢        Le couple du moteur est proportionnel au flux inducteur et au courant de l’inducteur :   C = K ´ f ´ I A

(Equation 4-2)

➢        La puissance mécanique est proportionnelle au couple et à la vitesse du moteur :

P = 0,105 ´ C ´ N   (Erreur ! Source du renvoi introuvable.).

On peut faire fonctionner le moteur à couple constant en variant la tension de l’induit. Dans ce cas, la puissance varie en fonction de la vitesse. Si on varie le flux inducteur et si l’on garde la tension de l’induit constante, le couple variera inversement proportionnellement à la vitesse du moteur, et la puissance demeurera constante.

La Figure 4-4 nous montre la relation entre le couple et la puissance du moteur en fonction de la vitesse.

FIGURE 4-4 PUISSANCE ET  COUPLE EN FONCTION DE  LA  VITESSE

Dans l’industrie, 90% des applications fonctionnent à couple constant. Ainsi on retrouve le fonctionnement à puissance constante dans les pompes, les machines outils et les systèmes d’enroulement.

             Variateur de vitesse à thyristors

Les convertisseurs alternatif- continu sont les variateurs de vitesse les plus répandus pour les moteurs à courant continu, puisqu’ils utilisent directement la tension du réseau. Ils sont monophasés ou triphasés. Les ponts monophasés sont utilisés dans les variateurs de faible puissance (jusqu’à 10kw environ). Ils comprennent soit un pont complet de quatre thyristors (Figure 4-5) ou un pont mixte à deux thyristors et deux diodes. Les ponts triphasés sont employés pour les puissances supérieures à 10kw. On peut choisir un pont complet à six thyristors  ou mixte à trois thyristors et trois diodes.