Variateur de vitesse (électricité)

Variateur de vitesse (électricité)

Un petit variateur de vitesse.

Un variateur de vitesse est un dispositif électronique destiné à commander la vitesse d'un moteur électrique.

Constitution

Les variateurs de vitesse sont constitués principalement d'un convertisseur statique et d'une électronique de commande. Les variateurs récents contiennent aussi un étage de correction du facteur de puissance afin de respecter les normes de compatibilité électromagnétique.

En général, le convertisseur statique est un hacheur ou un onduleur.

L'électronique de commande réalise la régulation et l'asservissement de la machine à travers le convertisseur statique de sorte que l'utilisateur puisse commander directement une vitesse. Sa conception dépend essentiellement de la stratégie de commande choisie (commande vectorielle, commande scalaire, etc.).

Variation de vitesse pour moteur à courant alternatif

Principe de fonctionnement

Dans un moteur à courant alternatif, la vitesse mécanique du rotor est liée à la fréquence des courants au stator. Ce lien mathématique rend possible une commande de la vitesse du rotor par la commande de la fréquence du courant au stator. C'est ce que l'on appelle la condition de synchronisme qui s'exprime différemment selon que l'on considère une machine synchrone ou une machine asynchrone.

Pour une machine synchrone, la condition de synchronisme est :

$Ns = {{{60 \times f}\over{p}}}$

Avec :

• Ns, la vitesse de synchronisme en tours par minute

•   f, la fréquence d'alimentation en hertz

•   p, le nombre de paires de pôles

Pour une machine asynchrone, la condition de synchronisme est :

$g = {{{Ns - N} \over Ns} \times 100}$

Avec :

•   g, le glissement en %

• Ns, la vitesse de synchronisme en tours par minute

•   N, la vitesse de l'arbre (vitesse réelle) en tours par minute

Ainsi, il existe une relation directe entre le pilotage de la fréquence du courant au stator et la vitesse mécanique du rotor qui permet, pour toute vitesse mécanique souhaitée, de fixer la fréquence statorique correspondante. C'est sur ce principe que se base le fonctionnement du variateur de vitesse : commander une vitesse de rotation mécanique en commandant la fréquence du courant statorique.

Bien que les machines à courant alternatif soient connues depuis le XIX^e siècle, c'est l'amélioration des variateurs de vitesse (grâce aux progrès de l'électronique de puissance) qui va leur permettre de s'imposer sur les machines à courant continu. En particulier, la machine synchrone était autrefois difficile à commander faute de dispositif garantissant la condition de synchronisme entre le rotor et le stator. On réalisait alors un accrochage, c'est-à-dire un entraînement du rotor à l'aide d'une génératrice à la vitesse souhaitée avant d'alimenter le stator. Il existait aussi certaines machines synchrones équipées de bobines rotoriques en court-circuit pour permettre un démarrage en machine asynchrone puis un fonctionnement en mode synchrone.

Application : machine synchrone alimentée par un onduleur

L'illustration représente une chaîne de traction comprenant une batterie, un onduleur triphasé et une machine synchrone.

L'alimentation d'une machine asynchrone peut se faire avec le même montage sachant que la différence portera sur la commande.

Sur cet exemple, l'onduleur est réversible en courant, ce qui permet un fonctionnement de type générateur aussi bien que moteur.

Quadrants de fonctionnement d'un moteur asynchrone

Quadrants d'un moteur asynchrone

Il existe des dispositifs 1, 2 et 4 quadrants :

- 1 quadrant (1) : Le moteur ne peut être piloté que dans un sens de rotation, et jusqu'à sa vitesse de synchronisme. Un freinage n’est possible que par l’adjonction d’une résistance absorbant le courant généré par le moteur. Le freinage n’est pas piloté.

- 2 quadrants (1+2 ou 1+3) :

* 1+2 ; Le freinage peut être effectué par inversion du sens de rotation.
* 1+3 ; Le freinage n’est géré qu’en sens avant.

- 4 quadrants : Le variateur sait gérer des accélérations et décélérations, ainsi que des freinages dans toutes les situations disponibles.

Protection des variateurs de fréquence

Les variateurs de fréquences sont paramétrables. Ils peuvent limiter le courant et la tension disponible aux bornes du moteur. Il s’agit d’entrée les données de la plaque signalétique du moteur dans les paramètres. Les variateurs ne sont cependant pas capables de gérer d’eux même les courts circuits. C’est pourquoi il faut protéger les variateurs par des disjoncteurs magnétiques (GV2L chez Télémécanique).

Variation de vitesse pour moteur à courant continu

Dans le cas d'un moteur à courant continu, la vitesse de rotation du rotor n'est plus donnée par la fréquence de la tension en sortie du variateur mais par la force électromotrice de la machine. C'est le hacheur de sortie qui adapte la tension de sortie du variateur à la vitesse désirée.

On utilise généralement un pont en H et un PWM pour faire varier la vitesse

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Liens internes

• Commande en U/f
• Commande vectorielle
• Modulation de largeur d'impulsion
• Hacheur
• Onduleur
• Cascade hyposynchrone

Liens externes

• Interface de puissance pour les moteurs à courant continu
• Typon d'un pont en H

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