Principes de fonctionne¬ment – EFV à c.a.

a. Moteurs c.a. à induction

Un moteur c.a. à induction comprend un rotor dont les enrou¬lements coupent le champ magnétique tournant engendré par les enroulements du stator.

À la vitesse de pleine charge, le rotor tourne à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme du moteur. Ceci provient du fait que le champ magnétique provoque la circulation de courants dans les enroulements du rotor, ce qui engendre un couple qui entraîne la rotation du rotor. Ainsi, si le rotor tournait à la même vitesse que le champ magnétique tournant, le mouvement relatif entre rotor et champ magné¬tique serait nul et aucun couple ne serait engendré.

La valeur du décalage de vitesse entre le rotor et le champ magnétique tournant se nomme “glissement du moteur”. Le couple développé par le moteur est d’autant plus important que le glissement est plus élevé.

La vitesse de rotation du champ magnétique tournant dépend du nombre de pôles ou de bobines répartis autour du stator, et de la fréquence du courant d’alimentation. Elle se nomme “vitesse synchrone”.

Vitesse synchrone = 120 x fréquence
Nombre de pôles

 

Les vitesses types des moteurs à induction sont : 3600, 1800, 1200, et 900 tr/min.

La figure 4 montre la relation couple-vitesse d’un moteur à induction standard.

 
Courbe couple-vitesse d’un moteur à induction

Figure 4 : Courbe couple-vitesse d’un moteur à induction.

Version texte : Figure 4

Figure 4

Graphique avec le couple de démarrage sur l'axe vertical allant de 0 à 200 et la vitesse d'% sur l'axe horizontal allant de 0 à 100.

Ligne tracée commence à 160 couple de démarrage et la vitesse de 0% et courbes vers le bas à 125 couple de démarrage à 25% de la vitesse où il commence à se recourber vers le haut jusqu'à ce qu'il atteigne au pic de couple de démarrage de 200 à une vitesse de 75%. La ligne tracée tombe alors à 0 le couple de démarrage à la vitesse de 100%. La courbe initiale vers le bas est étiqueté comme « couple de traction » et la baisse après le pic est étiqueté comme « Répartition du couple ».

 

Starting Torque

Couple de démarrage

Breakdown Torque

Couple de décrochage

Pull-up Torque

Couple minimal au démarrage

% speed

% de la vitesse

 

b. Moteurs c.a. à induction à cage d’écureuil

La majorité des moteurs c.a. à induction sont des moteurs à cage d’écureuil.

Dans ce type de moteurs, les enroulements du rotor (voir la figure 5) se composent de barres en aluminium ou en alliage de cuivre disposées parallèlement à l’arbre et qui sont court-circuitées par des anneaux d’extrémité suivant le dessin ci-après.

 
Schéma du rotor d’un moteur à cage d’écureuil

Figure 5 : Schéma du rotor d’un moteur à cage d’écureuil

 

Laminations

Tôles du rotor

End rings

Anneaux d’extrémité

Rotor bars

Barres du rotor

 

La forme des barres et la résistance de l’alliage qui les constitue influent sur les caractéristiques de la courbe couple-vitesse du moteur.

c. Entraînements à fréquence variable à modulation d’impulsions en durée

Lorsqu’ils fonctionnent à partir d’une source d’alimentation à fréquence constante (normalement 60 Hz), les moteurs c.a. à induction sont des machines à vitesse fixe.

Un entraînement à fréquence variable commande la vitesse d’un moteur c.a. en faisant varier la fréquence de l’alimen¬tation du moteur.

L’entraînement assure également la régulation de la tension de sortie par rapport à la fréquence de sortie, de façon à maintenir relativement constant le rapport tension sur fréquence (V/Hz), qu’exigent les caractéristiques d’un moteur c.a. pour engendrer le couple qui convient.

La première étape du processus consiste à transformer la tension d’alimentation c.a. en une tension c.c. au moyen d’un redresseur. La sortie c.c. renferme des ondulations de tension qui sont lissées par des condensateurs de filtrage. Cette partie d’un EFV est souvent désignée sous le nom de liaison c.c.

Cette tension c.c. est alors reconvertie en une tension c.a. La conversion est en principe réalisée par des dispositifs électro¬niques de puissance tels que transistors de puissance bipolaires à grille isolée IGBT employant la technique de modulation d’impulsions en durée (PWM). La tension de sortie est établie et coupée à haute vitesse, la durée ou largeur des impulsions commutées étant contrôlée de façon à obtenir une forme d’onde voisine d’une onde sinusoïdale.

Les anciennes technologies d’entraînements comme les redresseurs à courant constant et les régulateurs par variation de tension, employaient comme dispositifs de commande des redresseurs commandés au silicium (SCR) ou thyristors. Ces technologies sont désormais remplacées par les EFV à modulation d’impulsions en durée (PWM).

L’ensemble du processus est commandé par un microproces¬seur qui contrôle :

  • la tension d’alimentation d’entrée
  • le point de consigne de vitesse
  • la tension de la liaison c.c.
  • la tension et le courant de sortie assurant un fonction¬nement du moteur dans les limites des paramètres prédéterminés.

La figure 6 ci-après montre un entraînement EFV PWM classique.

 
Schéma pour une largeur d'impulsion modulée entraînement à fréquence variable

Schéma pour une largeur d'impulsion modulée entraînement à fréquence variable

 
Graphique comparant la tension de courant pour une largeur d'impulsion modulée entraînement à fréquence variable

Graphique comparant la tension de courant pour une largeur d'impulsion modulée entraînement à fréquence variable

 
Schéma montrant les composants d'un EFV PWM

Figure 6 : Schéma fonctionnel d’un EFV PWM classique

 

AC to DC Converter

Convertisseur c.a. - c.c.

DC Link

Liaison c.c.

DC to AC Inverter

Onduleur c.c. - c.a.

Variable Voltage Control

Régulation par variation de tension

Voltage smoothing

Lissage de la tension

Variable Frequency Control

Régulation par variation de la fréquence

Voltage (Line to neutral)

Tension (phase-neutre)

Current (Line)

Courant (de ligne)

AC Line

Ligne c.a.

Diode Bridge Rectifier

Redresseur à pont de diodes

Filter

Filtre

Inverter

Onduleur

Motor

Moteur

Speed Reference

Référence de vitesse

Voltage & Frequency Control

Contrôle de la tension et de la fréquence

 

Dans les entraînements ou applications les plus simples, la référence de vitesse est simplement un point de consigne. Cependant, pour les applications plus complexes, la référence de vitesse et délivrée par un système de commande de processus comme un automate programmable (PLC) ou un tachymètre.

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