TECHNIQUES DE COMMANDE
ELECTRIQUE
1. Introduction
2. Entrainements Electriques
3. Equations de performance d’une machine asynchrone
4. Commande de la vitesse d’une machine asynchrone
5. Modélisation d’un ensemble onduleur/machine asynchrone
6. Commande Scalaire (CS)
7. Commande Vecteur (CV)
8. Commande Directe du Couple (DTC)
1. Introduction
Les activités où la vitesse variable est indispensable pour régler le système ou le processus tels que : Les entraînements de laminoirs et leurs auxiliaires, Les extrudeuses, les mélangeurs, les centrifugeuses, les fours rotatifs, les machines-outils, la traction et la propulsion électrique. La vitesse variable ne constitue pas une nouveauté et les solutions utilisées ont évolué avec le développement de la technologie.
Les entraînements de turbomachines réceptrices tels que : Les pompes, les ventilateurs, les soufflantes, les compresseurs. Ces derniers exigent un réglage du point de fonctionnement, afin d’adapter la machine aux paramètres d'exploitation du processus.
Le démarrage en direct sur le réseau de distribution des moteurs électriques est la solution la plus répandue et est souvent convenable pour une grande variété de machines. Cependant, elle s’accompagne parfois de contraintes qui peuvent s’avérer gênantes pour certaines applications, voire même incompatible avec le fonctionnement souhaité au niveau de la machine :
· appel de courant au démarrage pouvant perturber la marche d’autres appareils connectés sur le même réseau,
· à-coups mécaniques lors des démarrages, inacceptables pour la machine ou pour le confort et la sécurité des usagers,
· impossibilité de contrôler l’accélération et la décélération,
· impossibilité de faire varier la vitesse.
2. Entraînements Electriques
Les entrainements électriques suppriment ces inconvénients. La technologie de l’électronique de puissance leur a donné plus de souplesse et a étendu leur champ d’application.
Définition : Un entrainement électrique (également appelé variateur de vitesse ou Electric Drive en Anglais) est un convertisseur d’énergie dont le rôle consiste à moduler l’énergie électrique fournie au moteur.
Les entrainements électriques assurent une mise en vitesse et une décélération progressive, ils permettent une adaptation précise de la vitesse aux conditions d’exploitation. Les entrainements électriques (DC drives) sont du type redresseur contrôlé ou hacheur pour alimenter les moteurs à courant continu, ceux destinés aux moteurs à courant alternatif (AC Drives) sont des convertisseurs statiques de puissance.
Historique : Historiquement, l’entrainement électrique pour moteur à courant continu a été la première solution offerte. Les progrès de l’électronique de puissance et de la microélectronique ont permis la réalisation de convertisseurs de fréquence fiables et économiques. Les convertisseurs de fréquence modernes permettent l’alimentation des moteurs asynchrones standards avec des performances analogues aux meilleurs entrainements électriques à courant continu. Certains constructeurs proposent même des moteurs asynchrones avec des variateurs de vitesse électroniques incorporés dans une boîte à bornes adaptée ; cette solution est proposée pour des ensembles de puissance réduite (quelques kW).
Caractéristiques de l’entraînement électrique : L’importance des économies réalisables par l'utilisation des entraînements électriques à vitesse variable dépend de plusieurs facteurs :
· le temps de fonctionnement de l'installation
· le temps d'utilisation à charge partielle
· les caractéristiques de la charge entraînée
· le rendement des divers appareils
· le coût de l'énergie électrique.
Caractéristiques couple/vitesse de la charge entraînée : la caractéristique couple /vitesse de la charge entraînée joue un rôle essentiel. On distinguera les charges caractérisées par un couple selon quatre catégories :
· proportionnel au carré de la vitesse (C = k1N2, P = k1N3), comme les turbopompes et les ventilateurs.
· proportionnel à la vitesse (C = k2N, P = k2N2), comme les presses, les calandres (frottement visqueux).
· constant (C = k3, P = k3N), comme les pompes volumétriques, les laminoirs, les engins de levage.
· inversement proportionnel à la vitesse (C = k4/N, P = k4), donc un fonctionnement à puissance constante, comme les bobineuses.
Choix d’un système d’entraînement : Le choix d'un système d'entraînement à caractéristiques et conditions d'emploi.
· Puissance maximale, vitesse maximale, plage de réglage de la vitesse, caractéristique du couple résistant /vitesse, performances dynamiques, synchronisation avec d’autres machines.
· Conditions d’environnement, possibilités d'entretien.
· Conditions provenant du réseau d'alimentation.
· Masse, encombrement.
· Coût d'investissement et d'exploitation.
Il faut noter à ce stade que Le moteur à courant continu, adapté à la vitesse variable est la solution traditionnelle.
· Présence du collecteur inadapté en raison de l'environnement ou des conditions d'exploitation.
· Présence du collecteur ce qui implique des limites de vitesse et de puissance ce qui implique le développement d'entraînements à vitesse variable avec machines sans collecteur.
Classification des entraînements électrique ;
· Tout système d'entraînement électrique à vitesse variable comprend un convertisseur électromécanique qui est le moteur électrique, il peut être une machine à collecteur (1), une machine à bagues (2) ou une machine sans collecteur ni bagues (3).
· L'énergie primaire peut provenir d’une source de tension continue (1), être directement prélevée au réseau industriel (2) ou à des sources possédant des caractéristiques particulières (par exemple : alternateur moyenne fréquence).
· Le moteur est alimenté sous une forme appropriée par un convertisseur statique de puissance fournissant des tensions, des courants ou des fréquences variables ; ce convertisseur peut comporter plusieurs éléments en cascade. Seuls les convertisseurs électroniques de puissance ont été pris en considération.
Une filière peut être caractérisée par la nature du moteur électrique (indice 1), par la nature ou l’origine du courant primaire d’alimentation (indice 2) et par le principe de fonctionnement du convertisseur statique (indice 3).
Rappels ; Les principales fonctions des entraînements électriques à vitesse variable :
- Accélération contrôlée : La mise en vitesse du moteur est contrôlée au moyen d’une rampe d’accélération
- Décélération contrôlée : Quand un moteur est mis hors tension, sa décélération est due uniquement au couple résistant de la machine (décélération naturelle).
Les entraînements électriques permettent de contrôler la décélération au moyen d’une rampe. Cette rampe peut être réglée de manière à obtenir un temps de passage de la vitesse en régime établi à une vitesse intermédiaire ou nulle.
- Variation de vitesse : La vitesse du moteur est définie par une grandeur d’entrée (tension ou courant) appelée consigne ou référence. Pour une valeur donnée de la consigne, cette vitesse peut varier en fonction des perturbations (variations de la tension d’alimentation, de la charge, de la température). La plage de vitesse s’exprime en fonction de la vitesse nominale.
- Inversion du sens de marche : La majorité des entraînements électriques actuels permettent cette fonction en standard. L’inversion de l’ordre des phases d’alimentation du moteur est réalisée automatiquement soit par inversion de la consigne à l’entrée, soit par un ordre logique sur une borne, soit par une information transmise par une connexion réseau.
- Freinage d’arrêt : Ce freinage consiste à arrêter un moteur sans pour autant contrôler la rampe de ralentissement. Pour les entraînements électriques pour moteurs asynchrones, ceci est réalisé de manière économique en injectant du courant continu dans le moteur avec un fonctionnement particulier de l’étage de puissance. Toute l’énergie mécanique est dissipée dans le rotor de la machine et, de ce fait, ce freinage ne peut être qu’intermittent. Sur un entraînement électrique pour moteur à courant continu, cette fonction sera assurée en connectant une résistance aux bornes de l’induit.
- Protections intégrées : Les entraînements électriques ou variateurs de vitesse modernes assurent en général la protection thermique des moteurs et leur propre protection*. Les entraînements électriques, et notamment les convertisseurs statiques de fréquence, sont d’autre part fréquemment équipés de protections contre :
· les court-circsuits entre phases et entre phase et terre,
· les surtensions et les chutes de tension,
· les déséquilibres de phases,
· la marche en monophasé.
*NB : A partir de la mesure du courant et d’une information sur la vitesse (si la ventilation du moteur dépend de sa vitesse de rotation), un microprocesseur calcule l’élévation de température du moteur et fournit un signal d’alarme ou de déclenchement en cas d’échauffement excessif.
- Régulation de vitesse : Un entraînement électrique peut ne pas être en même temps régulateur. Dans ce cas, c’est un système qui possède une commande élaborée à partir des grandeurs électriques du moteur avec amplification de puissance, mais sans boucle de retour : il est dit « en boucle ouverte ». Un régulateur de vitesse est un entraînement électrique asservi (fig. 1). Il possède un système de commande avec amplification de puissance et une boucle de retour : il est dit « en boucle fermée ».
La vitesse du moteur est définie par une consigne. La valeur de la consigne est en permanence comparée à un signal de retour, image de la vitesse du moteur. Ce signal est délivré par un tachymètre ou un encodeur monté en bout d’arbre du moteur. Si un écart est détecté suite à une variation de la vitesse, les grandeurs appliquées au moteur (tension et / ou fréquence) sont automatiquement corrigées de façon à ramener la vitesse à sa valeur initiale. Grâce à la régulation, la vitesse est pratiquement insensible aux perturbations. La précision d’un régulateur est généralement exprimée en % de la valeur nominale de la grandeur à réguler.
3. Les principaux modes de fonctionnement et principaux types d’entraînements électriques
Les entraînements électriques peuvent, selon le convertisseur statique de puissance soit faire fonctionner un moteur dans un seul sens de rotation, ils sont alors dits « unidirectionnels », soit commander les deux sens de rotation, ils sont alors dits « bidirectionnels ».
Les entraînements électriques peuvent être « réversibles » lorsqu’ils peuvent récupérer l’énergie du moteur fonctionnant en générateur (mode freinage).
La réversibilité est obtenue soit par un renvoi d’énergie sur le réseau (pont d’entrée réversible), soit en dissipant l’énergie récupérée dans une résistance avec un hacheur de freinage.
La figure 2 illustre les quatre situations possibles dans le diagramme couple-vitesse d’une machine résumées dans le tableau associé.
A noter que lorsque la machine fonctionne en générateur elle doit bénéficier d’une force d’entraînement. Cet état est notamment exploité pour le freinage. L’énergie cinétique alors présente sur l’arbre de la machine est soit transférée au réseau d’alimentation, soit dissipée dans des résistances ou, pour les petites puissances, dans les pertes de la machine.
Fig 2 Les quatre quadrants possibles d’une machines dans son diagramme couple vitesse
- Enseignant: BENDIABDLLAH Azeddine