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Cours de Electrotechnique - Contrôle électronique de vitesse

 

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cours d'Electrotechnique 

Contrôle électronique de vitesse

Note par nos Maxinautes :  

L'électronique prend une part trés importante dans la commande et le contrôle des machines électriques, en particulier des machines à courant continu.

On parle alors d'électronique de puissance.

Dans cette étude, nous ferons tout d'abord un rappel sur le thyristor et le transistor.

Ces composants sont utilisés en électronique de puissance comme des interrupteurs statiques :

  • Interrupteurs car ils permettent de commander ou d'interrompre le passage du courant dans un circuit tout comme le ferait un interrupteur.
  • Statique car il n'y a pas d'élément mobile dans ce composant.

On les commande en ouverture ou fermeture par le passage d'un courant de commande dans une électrode spéciale.

Vous apprendrez ensuite la façon de contrôler la vitesse d'un moteur à courant continu à l'aide de convertisseurs statiques.

1. Composants d'électronique de puissance

Thyristor :

Un thyristor est une diode commandée, c'est-à-dire qu'il possède, en plus d'une diode, une électrode de commande, appelée gâchette, qui déclenche le passage du courant. La figure 3.19 vous montre le symbole d'un thyristor. Vous avez d'ailleurs eu l'occasion d'étudier son fonctionnement dans les modules d'électronique.

Rappelez-vous qu'un thyristor se comporte comme un interrupteur (figure suivante). Il a donc deux états stables. Lorsque le potentiel de l'anode est inférieur au potentiel de la cathode, on ne peut amorcer le thyristor. On dit qu'il est bloqué et se comporte comme un interrupteur ouvert.

Lorsque le potentiel de l'anode est supérieur au potentiel de la cathode, on peut amorcer le thyristor en appliquant une impulsion sur sa gâchette. Dans ces conditions, on dit que le thyristor est amorcé et réagit comme un interrupteur fermé.

Symbole d'un thyristor et interrupteur équivalent :

Dès qu'il est amorcé par un courant de gâchette, il continue de conduire tant que le potentiel de l'anode reste supérieur à celui de la cathode. Dès que cette condition disparaît, le thyristor se bloque.

Lorsque le thyristor est placé en série avec une charge, la tension d'alimentation est reproduite aux bornes de la charge si le thyristor est à l'état passant tout comme si c'était un interrupteur fermé. A l'état bloqué, il se comporte comme un interrupteur ouvert et la tension aux bornes de la charge est nulle.

Transistor :

Il existe deux types de transistors de puissance dont les symboles sont donnés figure 3.20. La différence entre le type NPN et le type PNP est le sens des courants et des tensions qui sont inversés. Les principes de fonctionnement restant identiques, nous n'utiliserons dans la suite de l'étude que le transistor NPN.

En électronique de puissance, le transistor, tout comme le thyristor se comporte comme un interrupteur (figure suivante), l'électrode de commande étant alors la base. Lorsque le potentiel du collecteur d'un transistor NPN est supérieur au potentiel de l'émetteur, on peut saturer le transistor en appliquant un courant sur la base.

Dans ces conditions on dit que le transistor est saturé ou qu'il est passant et il réagit comme un interrupteur fermé. A la différence du thyristor où une impulsion suffit pour l'amorcer, il faut maintenir le courant de base pour que le transistor reste passant. Lorsqu'on supprime le courant de base, ce transistor se bloque, il se comporte comme un interrupteur ouvert.

Symboles des transistors NPN et PNP et interrupteurs équivalents :

La charge commandée par un transistor est placée en série avec le collecteur. Si le transistor est passant, la tension d'alimentation est reproduite aux bornes de la charge. A l'état bloqué, il se comporte comme un interrupteur ouvert et la tension aux bornes de la charge est nulle.

Convertisseur statique :

L'électronique de puissance permet d'adapter la forme de l'énergie du réseau à celle nécessaire à la charge.

On distingue quatre familles de convertisseurs permettant de passer du courant alternatif au continu et vice versa.

La figure suivante vous montre ces convertisseurs statiques.

Quatre familles de convertisseurs statiques :

Dans cette étude nous étudierons particulièrement les redresseurs et les hacheurs qui sont les convertisseurs qui permettent de fournir une tension variable à un moteur à courant continu.

Les moteurs les plus utilisés dans les applications qui nécessitent des vitesses variables sont :

- les moteurs universels (moteurs fonctionnant aussi bien en courant continu qu'en courant alternatif), lesquels sont principalement employés dans l'outillage portatif, les appareils ménagers, etc. ;

- les moteurs série, lesquels conviennent bien en traction électrique (tramway, locomotives, automobiles électriques, etc.) et sont également utilisés dans les appareils de levage (grues, ponts roulants, etc.) ;

- les moteurs à excitation séparée, lesquels sont utilisés dans certains systèmes asservis.

Redresseurs :

Les montages redresseurs utilisent soit :

des diodes, on a alors une tension de sortie fixe ;

des thyristors, on obtient une tension de sortie réglable, le montage est un redresseur contrôlé en pont complet ;

des thyristors et des diodes, la tension de sortie est toujours réglable, le montage est un pont mixte.

Ce sont les deux derniers qui nous intéressent pour alimenter un moteur à courant continu sous une tension variable. Tous ces montages existent pour un réseau alternatif monophasé et triphasé.

Pont monophasé tout thyristor PD2 :

La figure suivante vous montre le schéma d'un pont complet tout thyristors, monophasé, encore appelé PD2.

Schéma d'un pont complet monophasé :

C'est un pont de Graëtz avec quatre thyristors Th1 à Th4. Il est alimenté en alternatif par l'intermédiaire d'un tansformateur qui assure l'isolation galvanique du montage avec le réseau et l'adaptation des tensions.

Rappel : 
Pour qu'un thyristor conduise, il faut que le potentiel de l'anode soit supérieur à celui de la cathode et qu'il reçoive une impulsion sur sa gâchette.

Les impulsions doivent être produites, par des générateur rigoureusement isolés entre eux et de façon simultanée sur les quatre gâchettes. Seuls, les deux thyristors qui sont soumis à une tension positive s'amorceront.

On peut amorcer les thyristors avec un certain retard par rapport au passage à OV de la tension comme le montre la figure suivante pour l'alternance positive. Ce sont les thyristors Th1 et Th3 qui conduisent. Du fait de la f.c.é.m. et de l'inductance du moteur, leur conduction ne cessera pas immédiatement quand la tension deviendra négative.

Conduction des thyristors Th1 et Th3 :

Un retard plus ou moins grand à l'amorçage nous bloque une partie plus ou moins importante de la tension d'alimentation, laissant au moteur une valeur moyenne de plus en plus petite. Nous obtenons finalement une tension variable aux bornes du moteur entre OV et la pleine tension.

Pour l'alternance négative, ce sont les thyrisors Th2 et Th4 qui conduisent, laissant passer le courant dans le moteur toujours dans le même sens.

Ainsi, en variant l'angle d'amorçage (pour retarder l'amorçage), on fait varier la tension aux bornes du moteur. Dans le cas d'un moteur à courant continu, en variant la tension, on fait varier la vitesse de rotation.

Pont monophasé mixte P2 :

La figure suivante vous montre le schéma d'un pont mixte monophasé.

Schéma d'un pont mixte monophasé :

Ces montages monophasés conviennent pour des moteurs de faible puissance (< 10 kW).

Ce pont mixte à deux thyristors et à deux diodes alimentent un moteur série. La tension redressée appliquée aux bornes du moteur est contrôlée par les deux thyristors Th1 et Th2.

Rappel :
Une diode se comporte comme un interrupteur fermé lorsque le potentiel de l'anode est supérieur au potentiel de la cathode, et comme un interrupteur ouvert lorsque le potentiel de l'anode est inférieur au potentiel de la cathode. Une diode n'a pas de circuit de gâchette.

Lorsque l'angle d'amorçage de chacun des thyristors diminue, la tension aux bornes du moteur augmente. Par conséquent, la vitesse du moteur augmente. La branche qui comporte les diodes D1 et D2 assure un courant ininterrompu à travers le moteur lorsque l'un des thyristors est bloqué.

Pont triphasé tout thyristor PD3 :

La figure suivante vous montre le schéma d'un pont triphasé tout thyristor.

Schéma d'un pont triphasé tout thyristor :

Le pont triphasé à thyristors alimente un moteur à excitation séparée. Il fournit une tension redressée moins ondulée que le pont monophasé. Remarquez que le circuit de l'inducteur est alimenté par un pont monophasé non contrôlé à diodes puisque l'inducteur exige une tension constante à ses bornes. Le fonctionnement du pont triphasé PD3 est identique au pont monophasé PD2. Les thyristors conduisent deux à deux et sont amorcés successivement dans l'ordre suivant :

- Th1, Th2, Th3, Th4, Th5, Th6, Th1… à 60° d'intervalle et avec un angle de retard à l'amorçage .


La tension fournie par un pont à diodes est constante. Par contre, celle fournie par un pont à thyristors est variable et est fonction de l'angle d'amorçage.

Il existe, par ailleurs, d'autres façons de contrôler la vitesse d'un moteur, comme à l'aide de redresseurs non contrôlés à diodes suivis d'un hacheur. Alimenté par la tension redressée constante, le hacheur fournit à sa sortie une tension continue variable.

C'est le cas, par exemple, du métro de Paris. La tension alternative est redressée à l'aide de redresseurs puis appliquée aux rails. La tension est de 750 V continu . Les rails alimentent des hacheurs situés en dessous des wagons.

Hacheurs :

Le hacheur est un convertisseur continu-continu. C'est-à-dire qu'il permet d'obtenir une tension continue réglable à partir d'une tension continue fixe avec un rendement voisin de l'unité.

Principe :

Le montage de la figure suivante vous montre une résistance R alimentée par une source de tension continue fixe U et un interrupteur K.

Schéma de principe d'un hacheur :

Lorsque l'interrupteur K est fermé la tension UR aux bornes de la résistance R vaut U et le courant I vaut U/R. Lorsque K est ouvert, UR = OV et I = OA. Le principe de fonctionnement du hacheur consiste à ouvrir et fermer très rapidement l'interrupteur K. Si l'on appelle t1 le temps de fermeture de K, t2 son temps d'ouverture et T la période ouverture + fermeture, on a T = t1 + t2. La tension aux bornes de R varie telle que :

UR =  U.

Si on appelle a le rapport , alors on obtient UR = aU. La tension moyenne UR est
proportionnelle au temps de fermeture comme le montre
la figure suivante.

Tension moyenne obtenue par un hacheur :

Réalisation d'un hacheur :

Dans la pratique, l'interrupteur K  représenté sur la figure 3.26 est en fait un interrupteur électronique dont on commande l'ouverture et la fermeture à une fréquence élevée (de quelques centaines de Hz à plusieurs dizaines de kHz). Il peut être constitué d'un transistor de puissance ou d'un thyristor comme le montre la figure suivante.

Dans ces montages où la charge est inductive (moteur), il est nécessaire d'ajouter une diode appelée "diode de roue libre", sans laquelle on observerait des surtensions importantes à l'ouverture et à la fermeture de K. On aura également besoin de circuits d'aide à la commutation (CACT) pour le transistor ou de blocage (CBTh) pour le thyristor.

On peut également utiliser des thyristors type GTO que l'on commande à l'amorçage mais aussi au blocage.

Réalisation d'un hacheur :

2. Variation de vitesse

On peut agir sur la tension d'alimentation ou sur le courant d'excitation pour faire varier la vitesse de rotation d'un moteur à courant continu.

En diminuant le courant d'excitation, le flux diminue et la vitesse augmente. Mais cette action sur le courant d'excitation fait aussi diminuer le couple du moteur, ce qui n'est pas souhaité.

Pour éviter cet inconvénient, on garde le circuit inducteur sous une tension constante et on fait varier la tension appliquée à l'induit du moteur.

Principe :

Un moteur à courant continu entraîne une charge caractérisée par un couple résistant et une vitesse de rotation. Un variateur de vitesse doit donc être capable de fournir au moteur la tension nécessaire au moteur pour le faire tourner à la vitesse voulue et la puissance nécessaire pour entraîner la charge. Il devra en outre assurer les fonctions suivantes :

Démarrage : Pendant la phase de démarrage, il devra limiter le courant absorbé par le moteur.

Variation de vitesse : La vitesse choisie doit rester constante malgré les variations du couple résistant.

Freinage : Le variateur doit pouvoir contrôler la décélération du moteur jusqu'à l'arrêt complet.

Inversion du sens de marche : Le sens de rotation du moteur dépend du sens du courant dans l'induit ou dans l'inducteur. En inversant l'un ou l'autre, on change de sens de rotation.

La figure suivante représente le schéma d'un contrôleur avec boucle de régulation de vitesse appliqué à un moteur à excitation séparée.

Schéma fonctionnel d'une régulation de vitesse :

Ce circuit permet d'agir à la fois sur la tension appliquée à l'induit et sur le courant traversant l'inducteur. La régulation de vitesse est réalisée à l'aide d'une dynamo tachymétrique, d'une boucle de rétroaction et d'un amplificateur d'erreur qui agit sur les circuits d'amorçage des thyristors.

La vitesse du moteur est mesurée à l'aide de la dynamo tachymétrique qui produit une tension proportionnelle à la vitesse. La différence entre cette tension et la tension de référence fixée par le potentiomètre donne un signal d'erreur qui, après amplification, contrôle l'angle d'amorçage des thyristors du redresseur contrôlé.

Si la vitesse prédéterminée diminue à cause de la charge, la tension de la dynamo diminue et le signal d'erreur augmente. Ceci se traduit par une diminution de l'angle d'amorçage. Par conséquent, la tension redressée appliquée à l'induit augmente et la vitesse de rotation reprend sa valeur initiale.

Fonctionnement en quatre quadrants :

Nous avons vus qu'un moteur, à courant continu ou autre, entraîne une charge caractérisée par un couple et une vitesse.

Pour un moteur, le couple de la charge est résistant, il s'oppose à la rotation du moteur. Par contre, si la charge devient entraînante, elle n'oppose plus un couple résistant, mais c'est elle qui produit le couple moteur. Le moteur ne fonctionne plus en moteur, mais en générateur et freine le mouvement de la charge.Ceci, sans changer le sens de rotation.

On peut raisonner de la même façon lorsque la machine tourne dans l'autre sens : on définit ainsi quatre modes de fonctionnement que l'on classe en quatre quadrants que vous pouvez voir sur la figure suivante.

Fonctionnement en quatre quadrants :

Dans les quadrants 1 et 3, la vitesse et le couple sont dans le même sens, le moteur fournit une puissance mécanique en tournant dans un sens (quadrant 1) ou dans l'autre (quadrant 3).

- Dans les quadrants 2 et 4, la vitesse et le couple sont en sens inverse, le moteur freine. Dans ce mode de fonctionnement, il absorbe une puissance mécanique et restitue une puissance électrique, soit au réseau, soit dans des résistances.

Exemple :

Le moteur d'une grue qui monte une charge fonctionne en quadrant 1 (ou 3) alors qu'à la descente, la charge est entraînante et le sens de rotation a changé, il est donc en quadrant 4 (ou 2).

Le convertisseur doit être capable de gérer ce mode de fonctionnement.

- S'il permet le passage de l'énergie du réseau vers le moteur (fonctionnement en moteur) aussi bien que du moteur vers le réseau (fonctionnement en freinage), on dit qu'il est bidirectionnel, ou réversible.

- S'il ne permet que le fonctionnement en moteur, on dit qu'il est unidirectionnel.

Variateur de vitesse :

La figure suivante représente le schéma d'un variateur de vitesse industriel Rectivar.

Ces variateurs de vitesse sont destinés à l'alimentation de moteurs à courant continu à excitation séparée ou aimants permanents pour les petites puissances à partir d'un réseau monophasé ou triphasé. Le modèle de la figure 3.31 est constitué d'un pont mixte monophasé.

Ils existent à pont complet et en triphasé.

  • Les variateurs à pont mixte ne fonctionnent que dans un seul quadrant (1 ou 3). ;
  • Les variateurs à pont complet ils fonctionnent dans les quadrants 1 et 4 ou 2 et 3 ;
  • Les variateurs à double pont complet dans les quatre quadrants.

Ces derniers sont particulièrement adaptés aux applications qui nécessitent un freinage par récupération d'énergie sur le réseau et une régulation de vitesse.

Variateur de vitesse Rectivar :

3. Résumé sur le contrôle électronique de vitesse

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

- De nos jours, le contrôle de la vitesse d'un moteur à courant continu se fait à l'aide de convertisseurs à semi conducteurs.

- Dans les convertisseurs électroniques, on utilise le thyristor, lequel fonctionne comme un interrupteur. Il est fermé lorsqu'il est amorcé, tandis qu'il est ouvert lorsqu'il est bloqué.

- Il existe deux types de transistors : PNP et NPN, ils se comportent comme un interrupteur fermé lorsqu'ils sont saturés et comme un interrupteur ouvert lorsqu'ils sont bloqués.

- On utilise un pont monophasé tout thyristor (PD2) ou mixte (P2) pour alimenter des moteurs de faible puissance et quand le réseau est monophasé.

- Lorsque le réseau est triphasé et pour les moteurs de forte puissance, on utilise un pont triphasé tout thyristor (PD3).

- Il existe des variateurs de vitesse qui sont constitués d'un redresseur non commandé à diodes suivi d'un hacheur donnant une tension continue variable appliquée aux moteurs.

- Dans la plupart des circuits de moteurs, on trouve une boucle de rétroaction avec le variateur de vitesse afin de corriger la vitesse en cas de perturbations. On parle alors de régulateur de vitesse.

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