UNIVERSITÉ HASSAN 1er – SETTAT
Faculté des Sciences et Techniques
LP : Automation Industrielle
Dr. Mourad ZEGRARI
Chapitre...
Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
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Objectifs du cours
 Acquérir les notions de base sur la v...
Dr. Mourad ZEGRARI
1
Chapitre
ÉLÉMENTS DE LA VARIATION DE
VITESSE DES MACHINES ÉLECTRIQUES
Électronique de puissance
et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
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Plan
 Intérêt de la variation de vitesse.
 Composantes d...
Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
Cycles de fonctionnement dans les unités industrielles :
 Variation de ...
Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
 Entraînement à vitesse constante
Couple résistant de la pompe Tr et pu...
Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
 Entraînement à vitesse variable
Couple résistant de la pompe :
Réducti...
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et Variation de Vitesse
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 Entraînement à vitesse constante
• Baisse de rendement.
• Coût élevé...
Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
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nn 8.0D8.0D 
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nrr kT 
 Entraînement à vitesse variable
• G...
Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
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Exemples d’optimisation
Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConve...
Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
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Techniques de variation de vitesse
Sources Sources HarmoniquesInterru...
Électronique de puissance
et Variation de Vitesse
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Schéma synoptique d’un système d’entraînement électromécanique :
Équa...
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et Variation de Vitesse
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Évolution de la vitesse en fonction du temps :
Étude des phases de dé...
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• Couple de démarrage :
• Couple d’accélération :
ard TTT 
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• Couple de ralentissement :
• Couple de freinage :
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et Variation de Vitesse
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 Accélération et décélération contrôlées.
 Variation de vitesse.
 ...
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 Communication et supervisions ;
 Alarmes et diagnostic avancé ;
 ...
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Fonctions des variateurs évolués
Sources Sources HarmoniquesInterrupt...
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 Modifier la nature des grandeurs électrique (CC-CA).
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Classification des convertisseurs
Redresseurs
Gradateurs
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Un convertisseur statique comporte essentiellement :
 De...
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 Dispositifs à semi-conducteurs …
• Diodes.
• Thyristors...
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Interrupteur à 2 électrodes : Anode (A), Cathode (K)
• Co...
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Interrupteur à 3 électrodes : Anode (A), Cathode (K), Gâc...
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Le Circuit d’Aide à La Commutation (CALC) permet de proté...
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Variante du thyristor rapide complètement commandé par sa...
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Interrupteur à 3 électrodes : Base (B), Collecteur (E), E...
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Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Drain (D), Sour...
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Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Collecteur (E),...
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Dans le plan (vk, ik), le point de fonctionnement décrit ...
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Amorçage
Blocage
Spontané Commandé
Spontané  Diodes  Th...
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• Source de tension
• Source de courant
Caractérisation d...
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Le convertisseur statique connecte deux sources par l’int...
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Elle met en liaison une source de tension avec une source...
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1ère Structure : Modifier la nature de l’une des sources....
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2ème Structure : Utiliser deux convertisseurs directs int...
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En pratique, les convertisseurs statiques sont le plus so...
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La décomposition en série de Fourrier du courant donne :
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En électronique de puissance, le courant est non sinusoïd...
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Nous définissons les puissances suivantes :
 Puissance a...
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Le fonctionnement en mode non-linéaire met en évidence :
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La présence des harmoniques du courant absorbé par un con...
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Les effets des harmoniques peuvent être réduit par :
 Co...
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Chapitre
REDRESSEURS – HACHEURS
VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CC
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Plan
 Montages Redresseurs Non commandés à diodes.
 Mon...
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Conversion d’une source CA en une source CC :
 Facteur d...
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 Grandeurs caractéristiques
 Performances
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m
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D1
R
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 Tension moyenne dans la charge :
 Ondulations du coura...
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Tension vcc composée des sections les
plus positives et l...
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 Principe
• L’élément redresseur est un thyristor amorcé...
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T1
R
iS
icc
Tr
vCCvS
T3
T2 T4
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π 2π
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On converti une source CC fixe à une source CC variable.
...
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Un transistor de puissance
fonctionnant en commutation
T
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 Temps de conduction : tON
 Temps de blocage : tOFF
 P...
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 Phase de conduction
vF = Vcc
vL = Vcc - VR
iL = iT
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 Courant iL ininterrompu
(L suffisamment grande).
 Tens...
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 Ondulation du courant iL
 Ondulation de la tension vR
...
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Source Charge
VCC
icc iD iR
iC
vRvC
L D
RCT
iL
vL
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Combinaison de 2 hacheurs (série et parallèle) avec un se...
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et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
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Combinaison de 2 hacheurs avec inversion du sens de rotat...
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et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI
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Combinaison de deux hacheurs à 2 quadrants (dévolteur-sur...
Électronique de puissance
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 Tension moyenne :
Forme bipolaire de la tension.
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Équations simplifiés :
Expression de la vitesse :
Caracté...
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Procédure :
Placer une résistance Rv en série avec l’indu...
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Procédure :
Varier le courant inducteur Ie d’excitation.
...
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Procédure :
Varier la tension Va d’alimentation de l’indu...
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Équation de la vitesse :
Courbes paramétrées en tension. ...
Électronique de puissance
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Plusieurs critères sont à prendre en considération :
 Nature de la s...
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Redresseur
À Diodes
Hacheur
Réseau
Alternatif
Redresseur ...
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Hacheur 4 quadrants
Pont en H réversible en
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P < 5 kW
Double pont PD2 completPont PD2 mixte
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Réseau M
=
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Th2Th1
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 Les interrupteurs ...
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Pour inverser le sens de rotation, il faut croiser les connexions
sur...
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Réseau M
=
Th2
Th1
Th3 Th4
Nous utilisons le schéma suivant :
 Les i...
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Première solution : croiser les connexions par contacteur
Solution pe...
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Deuxième solution : ajouter un deuxième pont en tête-bêche.
 Les int...
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Alimentation par source continue
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
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Type de hacheur : Série
 Pas de freinage : Q1  Hacheur non réversib...
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Type de hacheur : Pont
 Réversibilité en tension (vitesse) et en cou...
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Afin de freiner le mouvement du moteur, il faut pour dissiper l’énerg...
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Réseau M
=
DRL
Th2Th1
D1 D2
Module de
freinage
 Aucune possibilité d...
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 Fonctionnement aux quadrants Q1 et Q2 : Freinage par inversion
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Commande
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DRL
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 Freinage possible sans modification de la...
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Commande par Hacheur en pont
Redresseurs
Commandés
Redresseurs
Non co...
Dr. Mourad ZEGRARI
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Chapitre
GRADATEURS – ONDULEURS
VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CA
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Plan
 Montages Gradateurs à contrôle de phase.
 Montage...
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Conversion d’une source CA en une source CC réglable en p...
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Le contrôle de la valeur efficace de la sortie s’effectue...
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Les dispositifs utilisés sont à base de triacs ou de thyr...
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Fonctionnement
 Variation de la valeur efficace de la
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La tension fournie par un montage gradateur présente des
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La présence des harmoniques entraine des pertes en puissa...
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À l’aide d’un interrupteur à commandé périodique, on lais...
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 Rapport de commande : a =
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 Valeur efficace : Vch e...
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Conversion d’une source CC en une source CA réglable en f...
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Les onduleurs se classent en deux groupes :
 Onduleurs ...
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Le circuit de puissance identique à celui d’un hacheurs ...
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Séquences de fonctionnement
Les commandes sont symétriqu...
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 Tension vac en forme de créneaux symétriques
de moyenn...
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Séquences de fonctionnement :
Les commandes sont décalée...
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Analyse graphique :
Les commandes sont décalées :
 Tens...
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Dans la technique de Modulation de la Largeur d’Impulsio...
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Séquence d’amorçage en Modulation de Largeur d’Impulsion...
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Circuit produisant un système triphasé équilibré de cour...
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On distingue les trois commandes suivantes :
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Les formes d’onde de la tension et du courant sont :
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Les formes d’onde de la tension et du courant sont :
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Équations simplifiés :
Variation de la vitesse par modif...
Électronique de puissance
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Moteur 2 vitesses
DAHLANDER
Moteur DAHLANDER
Ce moteur e...
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Solution réalisée par un autotransformateur ou un gradat...
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Solution applicable uniquement aux moteurs à rotor bobin...
Électronique de puissance
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L’énergie prélevée du rotor est renvoyée vers le réseau ...
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
Tem
Tmax
s
fs
Tr
On varie la vitesse s du champ tour...
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Objectif : Éviter la saturation du circuit magnétique et...
Électronique de puissance
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 Démarrage et arrêt : réglage de l'accélération et de
l...
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C’est une classification des moteurs asynchrones
à cage ...
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Electronique de puissance

  1. 1. UNIVERSITÉ HASSAN 1er – SETTAT Faculté des Sciences et Techniques LP : Automation Industrielle Dr. Mourad ZEGRARI Chapitre ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE VARIATION DE VITESSE
  2. 2. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 2 Objectifs du cours  Acquérir les notions de base sur la variation de vitesse.  Caractériser les composants de l’électronique de puissance.  Analyser les principaux convertisseurs statiques : Redresseurs, Hacheurs, Onduleurs, Gradateurs.  Étudier les procédés de variation de vitesse des moteurs électriques.
  3. 3. Dr. Mourad ZEGRARI 1 Chapitre ÉLÉMENTS DE LA VARIATION DE VITESSE DES MACHINES ÉLECTRIQUES
  4. 4. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 4 Plan  Intérêt de la variation de vitesse.  Composantes d’un système de variation de vitesse.  Convertisseurs statiques de l’électronique de puissance.  Caractérisation des interrupteurs électroniques.  Structures de base des convertisseurs statiques.  Pollution harmonique et facteur de puissance.
  5. 5. Électronique de puissance et Variation de Vitesse Cycles de fonctionnement dans les unités industrielles :  Variation de vitesse intermittente La variation n’est pas une nécessité absolue, c’est une phase intermédiaire de fonctionnement (pompes, compresseurs).  Variation de vitesse continue L’application envisagée nécessite un fonctionnement à vitesse variable (traction, machines-outils, enrouleurs) 5 Intérêt de la variation de vitesse © M. ZEGRARI Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
  6. 6. Électronique de puissance et Variation de Vitesse  Entraînement à vitesse constante Couple résistant de la pompe Tr et puissance Pm constantes. Réduction de débit de 20% : Baisse du rendement : 6 unun P8.0PD8.0D  an un n a u P P P P  Optimisation de l’énergie © M. ZEGRARI Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
  7. 7. Électronique de puissance et Variation de Vitesse  Entraînement à vitesse variable Couple résistant de la pompe : Réduction du débit de 20% : Puissance en mode réduit : 7 nn 8.0D8.0D  2 nrr kT  3 nrnrn kTP  n 3 n 3 r P5.08.0kP  Réduction de 50% Optimisation de l’énergie © M. ZEGRARI Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
  8. 8. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 8  Entraînement à vitesse constante • Baisse de rendement. • Coût élevé. • Mauvaise précision. Optimisation des protocoles © M. ZEGRARI Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs
  9. 9. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 9 nn 8.0D8.0D  2 nrr kT   Entraînement à vitesse variable • Grande souplesse. • Meilleure précision. Optimisation des protocoles Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI
  10. 10. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 10 Exemples d’optimisation Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI
  11. 11. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 11 Techniques de variation de vitesse Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI
  12. 12. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 12 Schéma synoptique d’un système d’entraînement électromécanique : Équation fondamentale de mouvement : dt dΩ JTT rm  Moteurs d’entraînement Charges mécaniques Composantes d’un moto-variateur Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI Variateur Moteur Réducteur ChargeSource Commande Vs Va Tm Tc m c Capteur Cosigne Régulateur
  13. 13. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 13 Évolution de la vitesse en fonction du temps : Étude des phases de démarrage et de freinage. Cycle de vitesse : profil Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI
  14. 14. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 14 • Couple de démarrage : • Couple d’accélération : ard TTT  a a t60 N2 J dt d JT     Cycle de vitesse : Accélération Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI
  15. 15. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 15 • Couple de ralentissement : • Couple de freinage : r rra t60 N2 J dt d JTT     f frarrêt t60 N2 JTTT   Cycle de vitesse : Décélération Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI
  16. 16. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 16  Accélération et décélération contrôlées.  Variation de vitesse.  Régulation de vitesse.  Inversion du sens de marche.  Protections intégrées.  État du moteur (courant, tension, couple, vitesse, température) Fonctions d’un variateur de vitesse Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI
  17. 17. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 17  Communication et supervisions ;  Alarmes et diagnostic avancé ;  Cartes multi-moteur Fonctions évoluées Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI Ethernet Control net Device net Power Flex 700S - Allen Bradley Altivar ATV58H - Télémécanique
  18. 18. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 18 Fonctions des variateurs évolués Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseursVariateurs © M. ZEGRARI Système de commutation des pompes
  19. 19. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 19  Modifier la nature des grandeurs électrique (CC-CA).  Régler la puissance d’un système électrique.  Assurer conjointement, en cas de besoin, la modification de la nature et le réglage de la puissance électrique. Fonctions des convertisseurs Source de l’énergie électrique Convertisseur Statique Utilisation de l’énergie électrique Non réversible Réversible (CC ou CA) (CC ou CA) Variateurs Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseurs
  20. 20. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 20 Classification des convertisseurs Redresseurs Gradateurs Hacheurs Onduleurs Charge CC Charge CA Source CA Source CC + - Charge CA Charge CC • Chargeurs de batterie. • Commande des moteurs cc. • Systèmes d’alimentation. • Gradateurs de lumière. • Démarreurs électroniques. • Variateurs de vitesse à MAS. • Abaisseur-élévateur (tension). • Alimentation à découpage. • Commande des MCC. • Alimentation sans interruption • Fours industriels. • Commande des MAS. Variateurs Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseurs
  21. 21. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 21 Un convertisseur statique comporte essentiellement :  Des interrupteurs électroniques fonctionnant, de manière périodique, en régime de commutation (tout ou rien).  Des éléments réactifs (inductances et/ou condensateurs) permettant le stockage intermédiaire de l’énergie électrique. Convertisseur Statique Source d’entrée ie Commande Structure des convertisseurs statiques is Source de sortie ve vs Variateurs Sources Sources HarmoniquesInterrupteursConvertisseurs
  22. 22. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 22  Dispositifs à semi-conducteurs … • Diodes. • Thyristors et triacs. • Transistors (BJT, MOSFET, IGBT)  … adaptés aux dispositifs de puissances • Courants et tensions élevés. • Phénomènes de commutation (limites en tension et en courant). Types des interrupteurs Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  23. 23. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 23 Interrupteur à 2 électrodes : Anode (A), Cathode (K) • Conduction : VAK > 0 (conduction spontanée) • Blocage : IA = 0 (blocage spontané) Diode (D) : caractéristiques Symbole VAK IA Conduction en direct Blocage en inverse Caractéristique v-i A K VAK IA Diode de puissance Date1954 Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  24. 24. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 24 Interrupteur à 3 électrodes : Anode (A), Cathode (K), Gâchette (G) • Amorçage : VAK > 0 ET IG > 0 (amorçage commandé) • Blocage : IA < IH OU VAK << 0 (blocage spontané) Thyristor (SCR) : caractéristiques Symbole VAK IA Conduction en direct Blocage en inverse Caractéristique v-i A K VAK IA Thyristor de puissance BTW 48A-1200V IG Blocage en direct Date1962 Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  25. 25. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 25 Le Circuit d’Aide à La Commutation (CALC) permet de protéger contre :  Les variations importantes de la tension (dv/dt) par un circuit RC.  Les variations importantes du courant (di/dt) par une inductance L. Thyristor : Circuit de protection L RTh D C • Th : thyristor à protéger. • L : inductance pour protéger contre les (di/dt). • C : condensateur pour protéger contre les (dv/dt). • R : protège le thyristor pendant la décharge de C. • D : permet la charge rapide du condensateur. Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  26. 26. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 26 Variante du thyristor rapide complètement commandé par sa gâchette :  Amorçage : maintenir un courant IG > 0.  Blocage : maintenir un courant IG < 0. Utilisation Convertisseurs de forte puissance (jusqu’à 10 kV et 5 000 A). Toutefois, en raison des progrès des IGBT, leur part de marché tend à décroître. Thyristor GTO (Gate Turn-Off) Date1962 Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  27. 27. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 27 Interrupteur à 3 électrodes : Base (B), Collecteur (E), Emetteur (E) • Amorçage : VCE > 0 ET IB > 0 (amorçage commandé) • Blocage : IB = 0 OU VCE << 0 (blocage commandé) Transistor bipolaire (BJT) : caractéristiques Symbole VCE IC Conduction en direct Caractéristique v-i C E VCE IC Transistor bipolaire TIP 3055 – TO 218 IB Blocage en direct B Date1968 Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  28. 28. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 28 Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Drain (D), Source (S) • Amorçage : VDS > 0 ET VGS > 0 (amorçage commandé) • Blocage : VGS  0 (blocage commandé) Transistor à effet de champ (MOS-FET) Symbole VDS ID Conduction en direct Caractéristique v-i D S VDS ID Transistor MOS-FET en pont IB Blocage en direct G Date1963 VGS Conduction en inverse Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  29. 29. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 29 Interrupteur à 3 électrodes : Grille (G), Collecteur (E), Emetteur (E) • Amorçage : VCE > 0 ET VGE > 0 (amorçage commandé) • Blocage : VGE  0 (blocage commandé) Transistor à grille isolée (IGBT) Symbole VCE IC Conduction en direct Caractéristique v-i C E VCE IC Transistor IGBT 400 V - 12 A VGE Blocage en direct G Date1995 Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  30. 30. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 30 Dans le plan (vk, ik), le point de fonctionnement décrit un cycle au cours d'une période. Les modes de commutation se déduisent alors de ses positions initiales et finales. Choix d’un interrupteur Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  31. 31. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 31 Amorçage Blocage Spontané Commandé Spontané  Diodes  Thyristors Commandé  Thyristor dual  Transistor  Thyristor avec circuit d’e blocage. Tableau de synthèse Variateurs SourcesConvertisseurs Sources HarmoniquesInterrupteurs
  32. 32. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 32 • Source de tension • Source de courant Caractérisation des sources Circuit actif vsC Source de tension Circuit actif is Source de courant Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques
  33. 33. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 33 Le convertisseur statique connecte deux sources par l’intermédiaire des interrupteurs électroniques. Les règles d’interconnexion des sources sont : 1. Une source de tension ne doit jamais être court-circuitée, mais elle peut être ouverte. 2. Une source de courant ne doit jamais être ouverte, mais elle peut être court-circuitée. 3. Ne jamais connecter entre elles deux sources de même nature. 4. On ne peut connecter directement que deux sources de natures différentes. Règles d’interconnexion des sources Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques
  34. 34. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 34 Elle met en liaison une source de tension avec une source de courant. Séquences Configuration de base Conception des convertisseurs directs Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques
  35. 35. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 35 1ère Structure : Modifier la nature de l’une des sources. L’élément de stockage est placé à l’extérieur du convertisseur. Conception des convertisseurs indirects Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques
  36. 36. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 36 2ème Structure : Utiliser deux convertisseurs directs intercalés. L’élément de stockage fait partie du convertisseur global. Conception des convertisseurs indirects Variateurs SourcesConvertisseurs Interrupteurs Sources Harmoniques
  37. 37. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 37 En pratique, les convertisseurs statiques sont le plus souvent alimentés par des sources de tensions sinusoïdales 1~ ou 3~ : Le courants absorbé est périodique (T) mais non sinusoïdal :  Courant moyen :  Courant efficace : Fonctionnement non linéaire Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs tT vs is Pulsation :  = 2f = 2/T is vs Dipôle non-linéaire
  38. 38. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 38 La décomposition en série de Fourrier du courant donne : Où : et Notion d’harmoniques • si la fonction est paire, les coefficients bn sont nuls. • si la fonction est impaire, les coefficients an sont nuls. • si la fonction est symétrique, les termes d’indices pairs sont nuls. • le terme d’indice n = 1 est appelé fondamental. Les autres termes sont désignés « harmoniques » Propriétés générales Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs
  39. 39. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 39 En électronique de puissance, le courant est non sinusoïdal et déphasé de  par rapport à la tension d’alimentation : Représentation spectrale • termes an nuls. • coefficients In = bn/2 tT vs is f 2f 3f 4f 5f nf Fréquence Fondamental Harmoniques 0 I1 I2 I3 I4 I5 In Courant efficace : Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs
  40. 40. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 40 Nous définissons les puissances suivantes :  Puissance active :  Puissance réactive :  Puissance apparente :  Puissance déformante : Puissances effectives Puissance due uniquement au fondamental I1 du courant is. Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs
  41. 41. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 41 Le fonctionnement en mode non-linéaire met en évidence :  Facteur de puissance :  Facteur de déplacement :  Taux de Distorsion Harmonique du courant :  Facteur de crête du courant source absorbé : Grandeurs caractéristiques Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs
  42. 42. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 42 La présence des harmoniques du courant absorbé par un convertisseur provoque les effets suivants :  Diminution du facteur de puissance (à cause de la puissance D).  Augmentation des pertes Joule (effet accentué par l’effet de peau).  Augmentation des pertes magnétiques.  Déclassement des appareils alimentés (moteurs, transformateurs, etc.)  Création de courants homopolaires dans la ligne neutre. Effets de la pollution harmonique Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs
  43. 43. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 43 Les effets des harmoniques peuvent être réduit par :  Connexion sur des réseaux HTA (moyenne tension) ou HTB (haute tension) moins sensibles à la pollution harmonique.  Utilisation d’un filtre passif (par circuit RLC placé en parallèle).  Utilisation d’un filtre actif (onduleur) permettant d’absorber la composante polluante du courant fourni par le réseau.  Synthèse de convertisseurs avec des commandes particulières, de façon à compenser les effets des harmoniques. Compensation des harmoniques Variateurs Sources HarmoniquesConvertisseurs SourcesInterrupteurs
  44. 44. Dr. Mourad ZEGRARI 2 Chapitre REDRESSEURS – HACHEURS VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CC
  45. 45. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 45 Plan  Montages Redresseurs Non commandés à diodes.  Montages Redresseurs Commandés à thyristors.  Montages Hacheurs à 1 quadrant.  Montages Hacheurs à 2 et 4 quadrants.  Variateurs de vitesse des moteurs à courant continu.
  46. 46. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 46 Conversion d’une source CA en une source CC :  Facteur de forme :  Facteur d’ondulation : Redresseur •Interrupteurs •Éléments LC Source alternative Charge ica icc vca vcc Principe Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés )moy(v )eff(v FF cc cc      1²FF )moy(v ²)moy(v²)eff(v FO cc cccc   
  47. 47. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 47  Grandeurs caractéristiques  Performances FF = 1.11 FO = 48.2% D1 R iS iCC iD1 Tr vCCvS D3 D2 D4 ip vp D2 – D3D1 – D4 iD1, iD4 ωt π 2π vS vCC ωt vCC(moy) iCC ωt iCC(moy) Vm Im ωt pcc = vcc icc Pm pCC(moy) iD2, iD3 D1 – D4 m cc 2V v (moy)  cc m cc v (moy) 2V i (moy) R R    m cc V v (eff) 2  m cc I i (eff) 2  Pont monophasé : PD1 Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  48. 48. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 48 m cc 2V v (moy)  D1 R iS iCC iD1 Tr vCCvS D3 D2 D4 ip vp L Charge très inductive D1 – D4 ωt  conduction iCC ωt iCC(moy) π vCC ωt vCC(moy)Vm 2π 2π D1 – D4D2 – D3 π  Tension vcc doublement redressée.  Courant icc pratiquement constant. cc cc v (moy) i (moy) R  iD1 iS ωt Pont monophasé : PD1 Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  49. 49. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 49  Tension moyenne dans la charge :  Ondulations du courant négligeables :  cc m 3 3 v moy V 2   D1 ia icc A vcc D2 D3vAN vBN vCN B C ib ic N Source triphasée équilibrée R L Charge très inductive Vm D2D1 ωt vAN π 2π vCC ωt vCC(moy) iCC ωt iCC(moy) ωt D3 vBN vCN ωt ωt ia ib ic     tecc cc C R moyv moyi  Pont Simple Triphasé : PS3 Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  50. 50. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 50 Tension vcc composée des sections les plus positives et les plus négatives : vcc = vXN - vYN D1 R ia icc A vcc D2 D3vAN vBN vCN B C ib ic N Source triphasée équilibrée Vm ωt vAN π 2π ωt vXN ωt vBN vCN ωt ia  cc m 3 3 v moy V  D4 D6D5 vYN vCC(moy) vCC = vXN - vYN 1.73 Vm X Y    cc cc v moy i moy R  Pont Double Triphasé : PD3 Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  51. 51. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 51  Principe • L’élément redresseur est un thyristor amorcé à partir d’un circuit d’allumage ; • La tension obtenue est continue et réglable.  Structures • Redressement simple ou double alternance ; • Source monophasée ou triphasée ; • Emploi d’un pont tout thyristors ou mixte. Redresseurs commandés Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  52. 52. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 52 T1 R iS icc Tr vCCvS T3 T2 T4 ip vp Charge résistive Circuit d’allumage G1 G2 G3 G4 T2–T3T1–T4 ωt π 2π vS vCC ωt vCC(moy) iCC ωt iCC(moy) Vm T1–T4       cos1 V moyv m cc     R moyv moyi cc cc   Angle de conduction : θcond =  –  Valeurs moyennes : Im iT1 iS ωt ωt Pont commandé PD1 Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  53. 53. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 53 T2–T3T1–T4 ωt π 2π vS vCC ωt vCC(moy) iCC ωt iCC(moy) Vm Im ωt Pm pCC(moy) T1–T4   m cc 2V v moy cos      cc cc 0 v moy i moy I R     m 0 cc 2V I p moy cos    Les caractéristiques électriques sont : Courbes de variation de vcc(moy) et P : m2V   vCC(moy)  pCC(moy) P0 pcc  0 Redresseur pcc  0 Onduleur  /2/2       cc p s s p moy 2 2 F cos v eff i eff      Pont commandé : marche en onduleur Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  54. 54. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 54 Vm T2T1 ωt vAN π 2π vCC ωt vCC(moy) iCC ωt iCC(moy) ωt T3 T1 vBN vCN ωt ωt ia ib ic T1 R ia icc A vcc T2 T3vAN vBN vCN B C ib ic N Source triphasée équilibrée Sections les plus positives :  Conduction continue : 0    30°  Conduction discontinue : 30°    cc m 3 3 v moy V cos 2      m cc 3V v moy 1 cos 2 6             Pont commandé PS3 Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  55. 55. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 55 On converti une source CC fixe à une source CC variable.  Hacheur dévolteur : Vcc > Vch  Hacheur survolteur : Vcc < Vch Source continue Charge continueHacheurVcc Vch icc ich Tension continue variable Tension continue fixe Montage Hacheur Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  56. 56. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 56 Un transistor de puissance fonctionnant en commutation T Commande Un thyristor de puissance avec un circuit de blocage T Blocage t vcomSignal de commande Source VCC vCh D icc T Hacheur Charge L’interrupteur "T" peut être : Réalisation des interrupteurs Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  57. 57. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 57  Temps de conduction : tON  Temps de blocage : tOFF  Période de hachage : Ts = tON + tOFF  Rapport cyclique :  = tON / Ts tON = α Ts tOFF = (1 – α) Ts Source Charge VCC icc iD iR iC vRvC L D RC T iL vF Hacheur Filtre tON tOFF Ts = 1/fs t vCOM Signal de commande Hacheur dévolteur (série) Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  58. 58. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 58  Phase de conduction vF = Vcc vL = Vcc - VR iL = iT iD = 0  Phase de récupération vF = 0 vL = - VR iL = iD iT = 0 VCC icc = iL iD = 0 iR iC vRvC L D RC T iL vF = Vcc vL VCC icc= 0 iD= iL iR iC vRvC L D RC T iL vF= 0 vL Phases de fonctionnement Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheur non réversible en courant et en tension (1Q)
  59. 59. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 59  Courant iL ininterrompu (L suffisamment grande).  Tension vR constante (C suffisamment grande). 0 t vF vcc tON tOFF vF(moy) 0 tvL (1-α)vcc -αvcc 0 t iL ΔI iL(moy) 0 t iT 0 t iD   ccFR Vmoyvv   F ccv moy V   Lv moy 0 0  VR Vcc 1 Formes d’onde Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  60. 60. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 60  Ondulation du courant iL  Ondulation de la tension vR     cc L min 1 V i t t I L      s cc ON Rcc T L V 1t L VV I      R V R V moyi ccR L   0 t vF vcc tON tOFF vF(moy) 0 tvL (1-α)vcc -αvcc 0 t iL ΔI iL(moy) 0 t vC ΔV VC(moy)    2cc 2s s R cc 1 V T 1 TV 8 LC V V 8 LC            Filtre de sortie Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés
  61. 61. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 61 Source Charge VCC icc iD iR iC vRvC L D RCT iL vL Hacheur Filtre iT  Tension de sortie :  Ondulation de courant : Hacheur Survolteur (parallèle) Hacheurs réversibles Variateurs de vitesse Hacheurs 1 Quadrant Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés cccc OFF s R V 1 1 V t T v   0  VR/Vcc 1 1 2 3 4 5 0.5 s cc ON cc T L V t L V I 
  62. 62. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 62 Combinaison de 2 hacheurs (série et parallèle) avec un sens de rotation :  Hacheur série : Fonctionnement en moteur.  Hacheur parallèle : Fonctionnement en récupération. Source VCC icc L D1 R T1 ia1 Hacheur dévolteur Moteur CC E Source VCC icc L T2 RD2 ia2 Hacheur survolteur Moteur CC E Source VCC icc L R Moteur CC E T2 T1 ia Hacheur 2Q D2 D1 Hacheur réversible en I (2Q) Variateurs de vitesse Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Hacheurs réversibles
  63. 63. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 63 Combinaison de 2 hacheurs avec inversion du sens de rotation :  Hacheur série : Fonctionnement en moteur.  Hacheur parallèle : Fonctionnement en récupération. Source VCC icc L D3 R T3 ia1 Hacheur dévolteur Moteur CC E Source VCC icc L T2 RD2 ia2 Hacheur survolteur Moteur CC E Source VCC icc L R Moteur CC E ia T2 T3 Hacheur 2Q D2 D3 Hacheur réversible en V (2Q) Variateurs de vitesse Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Hacheurs réversibles
  64. 64. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 64 Combinaison de deux hacheurs à 2 quadrants (dévolteur-survolteur) :  Hacheur à 4 Quadrants réversible en courant et en tension. Source VCC is LR Moteur CC E ia T2 T1 Hacheur 2Q D1 D2 D4 T3 Hacheur 2Q D3 T4va Hacheur réversible en V et en I (4Q) Variateurs de vitesse Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Hacheurs réversibles
  65. 65. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 65  Tension moyenne : Forme bipolaire de la tension. 0 tva vcc - vcc 0 t ia ΔI ia(moy) 0 t is    a ccv moy 2 1 V  0  +Vcc 1 -Vcc 0.5 va Hacheur 4Q : caractéristiques Variateurs de vitesse Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Hacheurs réversibles
  66. 66. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 66 Équations simplifiés : Expression de la vitesse : Caractéristique mécanique : Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem(). Paramètres de variation de la vitesse :  Résistance d’induit : Ra  Flux inducteur :   Tension d’alimentation : Va   a a a a a em v em2 V R I V R T mT K K K           a v V K      a 2 R m K   v emmT    Variation de vitesse des moteurs cc Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles
  67. 67. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 67 Procédure : Placer une résistance Rv en série avec l’induit. Mode de variation :  Vitesse à vide v inchangée.  Modification de la pente m de la caractéristique mécanique. 1 Tr Tem  v   a v 2 R R m K    a v V K    Ra1Ra2Ra3 3 2 Entraînement à couple résistant constant Action sur la résistance d’induit Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles
  68. 68. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 68 Procédure : Varier le courant inducteur Ie d’excitation. Mode de variation :  Modification de la vitesse à vide v.  Modification de la pente m de la caractéristique mécanique. Tr Tem    a 2 R m K   a v V K    1 2 3 v1 v2 Entraînement à couple résistant constant v3 Action sur le flux inducteur Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles
  69. 69. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 69 Procédure : Varier la tension Va d’alimentation de l’induit. Mode de variation :  Vitesse à vide v déplacée.  Pente m de la caractéristique mécanique reste inchangée. Tr Tem  v1   a 2 R m K   a v V K    Va1Va2Va3 v3 v2 Entraînement à couple résistant constant Action sur la tension d’alimentation Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles
  70. 70. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 70 Équation de la vitesse : Courbes paramétrées en tension. Courbes paramétrées en couple.   a a em v em2 V R T mT K K        Tem  v1 Va1 Va2 Va3 v3 v2 Va  Tm1 Tm2 Tm3 Action sur la tension d’alimentation Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles
  71. 71. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 71 Plusieurs critères sont à prendre en considération :  Nature de la source d’énergie (continue ou alternative)  Inversion du sens de rotation  Charge entraînante ou non  Mode de freinage (naturel ou forcé)  Gamme de puissance du moteur  Mode de commande du moteur (en couple ou en vitesse) Structure des variateurs MCC Tem (Ia)  (Va) Q1 Moteur Q4 Génératrice Q3 Moteur Q2 Génératrice © M. ZEGRARI
  72. 72. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 72 Redresseur À Diodes Hacheur Réseau Alternatif Redresseur Commandé À Thyristors Convertisseur Direct MCC Variateurs de vitesse pour MCC Réseau Alternatif Convertisseur Indirect Hacheur Convertisseur Direct Réseau Continu MCC MCC Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles
  73. 73. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 73 Hacheur 4 quadrants Pont en H réversible en courant et en tension. VCC icc ia T2 T1 D1 D2 D4 T3D3 T4 va MCC M A C B A B C LS LS L L Double pont redresseur SCR Redresseurs à thyristors réversibles montés en inverse. Modes de variation de la tension Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles
  74. 74. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 74 P < 5 kW Double pont PD2 completPont PD2 mixte  Tem Q1  Tem Q1 Q4 Q2 Q3 Source Schneider Électrique gamme Rectivar Alimentation par réseau monophasé Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  75. 75. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 75 P > 5 kW Double pont PD3 completPont PD3 mixte  Tem Q1  Tem Q1 Q4 Q2 Q3 Source Schneider Électrique gamme Rectivar Alimentation par réseau triphasé Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  76. 76. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 76 Réseau M = DRL Th2Th1 D1 D2 Schéma de principe :  Les interrupteurs statiques sont unidirectionnels en courant (non réversible en couple).  Un seul sens de rotation.  1 quadrant de fonctionnement (Q1).  Aucune contrainte de freinage. Montage avec pont mixte Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  77. 77. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 77 Pour inverser le sens de rotation, il faut croiser les connexions sur le moteur (inversion de polarité) à l’aide d’un contacteur : Réseau M = DRL Th2 Th1 D1 D2  2 quadrants de fonctionnement (Q1 et Q3).  Les conclusions précédentes restent identiques.  Industriellement, on utilise un pont mixte avec des blocs intégrés. Montage avec pont mixte Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  78. 78. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 78 Réseau M = Th2 Th1 Th3 Th4 Nous utilisons le schéma suivant :  Les interrupteurs sont unidirectionnels en courant.  Nous obtenons 2 sens de rotation.  Fonctionnement sur 2 quadrants (Q1 et Q2).  Freinage statique (Q°2). Montage avec pont complet Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  79. 79. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 79 Première solution : croiser les connexions par contacteur Solution peu retenue industriellement  pas de freinage dynamique.  Les interrupteurs sont unidirectionnels en courant  2 sens de rotation.  4 quadrants de fonctionnement.  Freinage statique (quadrants Q2 et Q4). Inversion du sens de marche Réseau M = Th2 Th1 Th3 Th4 Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  80. 80. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 80 Deuxième solution : ajouter un deuxième pont en tête-bêche.  Les interrupteurs composés sont bidirectionnels en courant  2 sens de rotation.  4 quadrants de fonctionnement.  Freinage statique et dynamique (quadrant Q2 et Q4).  Solution rentable en cas de récupération de l’énergie. Inversion du sens de marche Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles Réseau M = Th2Th1 Th3 Th4 Réseau T’h2T’h1 T’h3 T’h4 © M. ZEGRARI
  81. 81. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 81 Alimentation par source continue Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI Redresseur À Diodes Hacheur MCC Réseau Alternatif Convertisseur Indirect Hacheur Convertisseur Direct Réseau Continu MCC Le réseau continu provient : - soit de batteries - soit d’un redresseur à diode
  82. 82. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 82 Type de hacheur : Série  Pas de freinage : Q1  Hacheur non réversible en courant.  Avec freinage : Q1 - Q2  Hacheur réversible en courant (condition à satisfaire par les interrupteurs et par la source). Fonctionnement à 1 sens de rotation Tem  Q2 Q1 Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles MoteurGénératrice © M. ZEGRARI
  83. 83. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 83 Type de hacheur : Pont  Réversibilité en tension (vitesse) et en courant (couple).  Freinage assuré dans les deux sens de rotation.  Les interrupteurs statiques doivent être bidirectionnels en courant. Fonctionnement à 2 sens de rotation Tem  Q2 Q1 Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles MoteurGénératrice Q4Q3 Moteur Génératrice © M. ZEGRARI
  84. 84. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 84 Afin de freiner le mouvement du moteur, il faut pour dissiper l’énergie cinétique (inertie) emmagasinée par le rotor et la charge. Plusieurs solutions sont possibles :  Freinage mécanique (non abordé dans ce chapitre)  Utilisation d’un module de freinage (résistance électrique) pour faire débiter la machine cc.  Renvoi de l’énergie dans la source d’alimentation. Freinage des moteurs cc Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  85. 85. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 85 Réseau M = DRL Th2Th1 D1 D2 Module de freinage  Aucune possibilité de freinage par le variateur.  Ajouter un module de freinage. Commande par pont mixte Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  86. 86. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 86  Fonctionnement aux quadrants Q1 et Q2 : Freinage par inversion de la tension (renvoi de l’énergie sur le réseau). Réseau M = Th2 Th1 Th3 Th4 Module de freinage  Par contre, la réversibilité en courant n’est pas possible. Solution : Rajouter un module de freinage : quadrants Q2 et Q4. Commande par pont complet Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  87. 87. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 87 Commande VaM DRL Ia Vcc T  Freinage possible sans modification de la structure si l’interrupteur statique et la source sont réversibles en courant.  Dans le cas d’une impossibilité de la réversibilité de la source on rajoute un module de freinage  Il faut alors surveiller la tension aux bornes de la source afin qu’elle ne devienne pas trop importante (tenue des composants en tension). Commande par Hacheur série Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles © M. ZEGRARI
  88. 88. Électronique de puissance et Variation de Vitesse 88 Commande par Hacheur en pont Redresseurs Commandés Redresseurs Non commandés Hacheurs 1 Quadrant Variateurs de vitesse Hacheurs réversibles  Freinage possible sans modification de la structure à condition que : • les interrupteurs statiques soient réversibles en courant. • La source d’alimentation soit réversible en courant.  En cas de non réversibilité de la source (cas fréquent en industrie), le freinage peut être réalisé par un module de freinage placé aux bornes de la source. © M. ZEGRARI
  89. 89. Dr. Mourad ZEGRARI 3 Chapitre GRADATEURS – ONDULEURS VARIATION DE VITESSE DES MOTEURS CA
  90. 90. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 90 Plan  Montages Gradateurs à contrôle de phase.  Montages Gradateurs à ondes entières.  Montages Onduleurs monophasés.  Montages Onduleurs triphasés.  Variateurs de vitesse des moteurs à courant alternatif.
  91. 91. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 91 Conversion d’une source CA en une source CC réglable en puissance :  Réglage par contrôle de phase : Découpage de l’onde de la source.  Réglage par train d’ondes entières. GradateurSource alternative Charge ica ica vca vca Principe Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  92. 92. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 92 Le contrôle de la valeur efficace de la sortie s’effectue par modification de l’angle de retard à l’amorçage de 2 thyristors en tête-bêche. Tension efficace : Gradateur VAN Charge   vch t N VCh Gradateur monophasé         2 2/2sin Veffv mch Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Pour un récepteur inductif :   
  93. 93. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 93 Les dispositifs utilisés sont à base de triacs ou de thyristors : Gradateur triphasé A B C La difficulté de réglage apparaît quand le déphasage  varie avec l'état de la charge, ce qui est le cas pour un moteur asynchrone. Gradateur triphasé Charge Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  94. 94. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 94 Fonctionnement  Variation de la valeur efficace de la tension Vs par réglage de l’angle de retard à l’amorçage des thyristors.  Intégration des fonctions de protections et de contrôle avancées (exemple : Démarreur SMC-3). Gradateur Q RT L1 L2 L3 KML W MAS U V Application : Démarreur pour MAS Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  95. 95. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 95 La tension fournie par un montage gradateur présente des harmoniques de valeur importante :  1 0.5 90 1800 V1 / Vs u = 90°  0.4 0.3 0.2 0.1 90 1800 V3 / V1 30° u = 90° 60° 0° u = 0° Fondamentale Harmonique 3 Problème des harmoniques Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  96. 96. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 96 La présence des harmoniques entraine des pertes en puissance. 75 50 25 0.50 10.25 0.75 Onde pleine  = 30°  = 90°  = 120° P1 / Pn Rendement % Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Altération du rendement
  97. 97. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 97 À l’aide d’un interrupteur à commandé périodique, on laisse passer un certain nombre de sinusoïdes complètes. Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateur à train d’ondes Gradateurs Contrôle Phase Interrupteur Vs Charge vch t VCh  Période de la source : Ts = 1/fs  Période de commande de l’interrupteur : Tg = NTs  Durée de conduction de l’interrupteur : Tc = nTs Tg = N Ts Tc = n Ts
  98. 98. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 98  Rapport de commande : a = n N  Valeur efficace : Vch eff = a × Vs  Puissance de sortie : Pch = a × Ps Applications : • Chauffage industriel. • Mélangeur (homogénéisation). Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Valeurs caractéristiques Gradateurs Contrôle Phase
  99. 99. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 99 Conversion d’une source CC en une source CA réglable en fréquence : Champs d’application :  Continuité de service (Alimentations Sans Interruptions).  Productions de tensions sinusoïdales.  Variation de la vitesse des moteurs à courant alternatif. OnduleurSource continue Charge icc ica vcc vca Structure de l’onduleur Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  100. 100. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 100 Les onduleurs se classent en deux groupes :  Onduleurs à fréquence fixe : alimentations de secours en urgences (centres hospitaliers, systèmes informatiques, centrales téléphoniques, etc.). Ces dispositifs sont alimentés par une batterie d’accumulateurs.  Onduleurs à fréquence variable : systèmes alimentés en courant continu à partir du réseau alternatif par l’intermédiaire d’un redresseur. (variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones). Types d’onduleurs Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  101. 101. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 101 Le circuit de puissance identique à celui d’un hacheurs 4Q :  4 interrupteurs électroniques.  4 diodes de récupération. Source VCC icc LR Charge CA ica T2 T1 Hacheur 2Q D1 D2 D4 T3 Hacheur 2Q D3 T4 vca Onduleur en pont Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  102. 102. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 102 Séquences de fonctionnement Les commandes sont symétriques :  0  t  Ts/2 : amorçage de T1-T4.  Ts/2  t  Ts : amorçage de T2-T3. Onde sortie La tension de sortie vac est alternative, rectangulaire en créneaux. Le taux d’harmoniques est élevé. 0 t T1 T1 : ON Ts/2 Ts T1 : ON État passant État bloqué 0 t T2 T2 : ON Ts/2 Ts 0 t T3 T3 : ON Ts/2 Ts 0 t T4 T4 : ON Ts/2 Ts T4 : ON 0 t vca +Vcc -Vcc Commande symétrique Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  103. 103. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 103  Tension vac en forme de créneaux symétriques de moyenne nulle, riche en harmoniques.  Courant iac continu pour débit sur charge inductive. La forme devient linéaire si l’inductance est élevée. 0 tVac – iac 0 t vca Composante Fondamentale +Vcc -Vcc T1-T4 : ON T1-T3 : ON ica vca Ts/2 Ts  ac ccv eff V   cc ac 4V 1 1 1 v t sin sin3 sin5 sink 3 5 k                k : impair Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Formes d’onde
  104. 104. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 104 Séquences de fonctionnement : Les commandes sont décalées :  0  t  Ts/2 : amorçage de T1.  Ts/2  t  Ts : amorçage de T3.  t0  t  t0+Ts/2 : amorçage de T4.  t0+Ts/2  t  t0+Ts : amorçage des T2. Tension e de sortie 0 t T1 T1 : ON Ts/2 Ts T1 : ON État passant État bloqué 0 t T2 T2 : ON Ts/2 Ts 0 t T3 T3 : ON Ts/2 Ts 0 t T4 T4 : ON Ts/2 Ts T4 : ON 0 t vca +Vcc -Vcc   0 ac cc s 2t v eff V 1 T        Commande décalée Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  105. 105. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 105 Analyse graphique : Les commandes sont décalées :  Tension de sortie en forme de créneaux séparés par des intervalles où elle est nulle.  Zones mortes de largeur t0 ajustable, permettant le réglage de la valeur efficace de la tension de sortie. Tension efficace de sortie : 0 t Composante Fondamentale ica vca   0 ac cc s 2t v eff V 1 T        0 t vca +Vcc -Vcc T1 : ON T1-T3 : ON Ts/2 Tst0 T3 : ON T4 : ON T2 : ON Formes d’onde Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  106. 106. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 106 Dans la technique de Modulation de la Largeur d’Impulsion (MLI ou PWM), la génération de la tension de sortie est obtenue par découpage de la tension redressée au moyen d’impulsions dont la durée, donc la largeur, est modulée de telle manière que le courant alternatif résultant soit aussi sinusoïdal que possible. ia t va t Onde de sortie moyenne Modulation de la Largeur d’Impulsion MLI Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  107. 107. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 107 Séquence d’amorçage en Modulation de Largeur d’Impulsions. t ia t va Fondamentale Formes d’onde de la commande MLI Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Onduleurs Monophasés Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase
  108. 108. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 108 Circuit produisant un système triphasé équilibré de courant :  Trois transistors sont en conduction à chaque instant.  Deux transistors d’un même bras (T1-T4) sont amorcés à 180° de décalage. Source continue VCC icc A ia T1 D1 T2 D2 T3 D3 T4 D4 T5 D5 T6 D6 Charge triphasée B C ib ic Structure de l’onduleur triphasé Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés
  109. 109. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 109 On distingue les trois commandes suivantes :  Commande 180° Chaque transistor est commandé pendant 180°. Les commandes de deux transistors d’un même bras sont décalées de 120° par rapport aux transistors du bras voisin.  Commande 120° Elle est identique à celle d’un pont triphasé à thyristors. Chaque transistor conduit pendant le 120°, ce qui correspond à une zone vide de 60° entre la commande de deux transistors d’un même bras.  Commande MLI Afin d’atténuer certaines harmoniques de la tension, on module les largeurs des impulsions. Cette technique permet d’éviter l’emploi d’un filtre encombrant et onéreux en sortie de l’onduleur. Commandes de l’onduleur triphasé Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés
  110. 110. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 110 Les formes d’onde de la tension et du courant sont : t va t ia Fondamentale Formes d’onde : Commande 180° Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés
  111. 111. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 111 Les formes d’onde de la tension et du courant sont : t ua b t ia Fondamentale Formes d’onde : Commande MLI Onduleurs Triphasés Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés
  112. 112. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 112 Équations simplifiés : Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem(). Paramètres de variation de la vitesse :  Nombre de paires de pôles : p  Tension d'alimentation : Vs  Résistance rotorique : Rr  Fréquence d'alimentation : fs s s s s VE     T 2 T 2 s s maxe L2 p3 X2 Vp3 T     T r max X 'R g ; ; Modes de variation de vitesse Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés Onduleurs Triphasés
  113. 113. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 113 Moteur 2 vitesses DAHLANDER Moteur DAHLANDER Ce moteur est réalisé avec une conception particulière de l'enroulement statorique. Cette conception permet, grâce à des connexions extérieures, de varier le nombre de paires de pôles (p) de la machine, et par conséquent la vitesse de rotation. On se limite en général à deux vitesses : PV : Petite Vitesse. GV : Grande Vitesse. Action sur les de pôles Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés Onduleurs Triphasés
  114. 114. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 114 Solution réalisée par un autotransformateur ou un gradateur de tension.  Le couple maximal Temax est atténué  Faible couple de démarrage.  Charges Tr = k.n avec service continu : Pompes, Centrifugeuses, Ventilateurs.  L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement :  = (1 – g)  Le glissement gmax se conserve puisqu'il est indépendant de la tension Vs. Tem  s Tem Tr = k ² V2 = 85 % V1 = 100 % V3 = 65 % s  V1 V2 V3 V4 Tr = k  min max min max MAS à cage. MAS à bagues. s s V   T 2 maxe L2 p3 T   T r max X 'R g  Action sur la tension du stator Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés Onduleurs Triphasés
  115. 115. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 115 Solution applicable uniquement aux moteurs à rotor bobiné.  Le couple maximal Tem(max) reste constant  Td important tout en diminuant Id.  Charges à couple constant Tr = k : Engins de levage, Treuil.  L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement.  Le glissement gc augmente avec R’r. Le rendement est diminué. Tem  Tmax s Tr Rr1 Rr0Rr2 s s V   T 2 maxe L2 p3 T   T r max X 'R g ; ; Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés Onduleurs Triphasés Action sur le rotor
  116. 116. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 116 L’énergie prélevée du rotor est renvoyée vers le réseau par un redresseur-onduleur. Le glissement s’écrit :  Niveaux de rendements élevés pouvant dépasser les 90%.  Possibilité d’obtenir un freinage par récupération. Transformateur (m) MAS Redresseur OnduleurFiltre MAS triphasé à rotor bobiné Réseau d'alimentation Vdc V'dc Vs Vr    cos n/n m g sr Commande  des thyristors Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés Onduleurs Triphasés Cascade hypo-synchrone
  117. 117. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 117  Tem Tmax s fs Tr On varie la vitesse s du champ tournant par action sur la fréquence fs de la source Vs :  Le couple maximal Temax reste inchangé.  Le glissement reste pratiquement constant, le rendement est conservé. s s V   T 2 maxe L2 p3 T   T r max X 'R g ; ; Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés Onduleurs Triphasés Action sur la fréquence
  118. 118. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 118 Objectif : Éviter la saturation du circuit magnétique et limiter le courant à vide Is0. Procédure :Maintenir le flux constant en ajustant la fréquence fs avec la tension Vs : Usage général : Bon rendement et bon couple même a basses vitesses. ttancons: V s s   Redresseur Onduleur à transistorsFiltre A B C MAS Vs t Tension instantanée Tension moyenne t Is Courant moteur Convertisseur indirect de fréquence : Redresseur PD3 à diodes + Onduleur à transistors IGBT. Tension et courant fournis par l’onduleur à MLI. Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés Onduleurs Triphasés Commande V/f
  119. 119. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 119  Démarrage et arrêt : réglage de l'accélération et de la décélération au moyen d’un profil de vitesse.  Variation et régulation de la vitesse : certains variateurs sont munis d'un régulateur de vitesse avec une boucle de retour.  Inversion du sens de rotation : cette fonction est souvent réalisée par inversion de la consigne à l’entrée du variateur.  Freinage : réalisé par injection du courant continu dans le moteur avec un fonctionnement réversible de l’étage de puissance.  Protections intégrées : contre les courts-circuits, les surtensions et les chutes de tension, les déséquilibres et la marche en monophasé.Variateur de vitesse pour MAS (type ATV58H – Télémécanique)  Démarrage Arrêt td ta t Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés Onduleurs Triphasés Variateur de vitesse industriel
  120. 120. Électronique de puissance et Variation de Vitesse© M. ZEGRARI 120 C’est une classification des moteurs asynchrones à cage afin d’adapter leurs caractéristiques nominales aux charges mécaniques usuelles. Pour un moteur asynchrone, le rapport (Td/Tn) est proportionnel à Rr alors que le rapport (Id/In) lui est inversement proportionnel.  Couple de démarrage :  Glissement maximal correspondant :   2 2 s d r sd r 2 2 s s r T V3p 3p T R' I R' R' X      T r max X 'R g  Caractéristiques normalisées des classes NEMA des moteurs asynchrones. Variateurs de vitesse MAS Gradateurs Ondes Gradateurs Contrôle Phase Onduleurs Monophasés Onduleurs Triphasés Classification NEMA

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