Asg 5 departs_moteur

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5 - Départs moteurs

5chapitreDéparts moteurPrésentation :• Fonctions nécessaires à la construction d'un départ moteur

• Tableau de choix des fonctions des départs moteurs et des produits concernés

Sommaire5 - Départs moteurs

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5.1 Généralités Page

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs Page

5.3 Une fonction complémentaire : la communication Page

5.4 Départs-moteurs et coordination Page

5.5 Les variateurs de vitesse Page

5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques Page

5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu Page

5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone Page

5.9 Gradateur de tension pour moteur asynchrone Page

5.10 Moto-variateurs synchrones Page

5.11 Moto-variateurs pas-à-pas Page

5.12 Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse Page

5.13 Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique Page

5.14 Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance Page

5.15 Grille de choix des départs moteurs Page

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5.1 Généralités

Un départ-moteur comprend quatre fonctions de base :- le sectionnement,- la protection contre les courts-circuits,- la protection contre les surcharges,- la commutation ou commande (marche - arrêt).

Chaque départ-moteur peut être enrichi de fonctionnalitéssupplémentaires selon les besoins de l’application. Elles peuventconcerner :

- la puissance : variation de la vitesse, démarrage progressif, inversionde phase, etc.

- le contrôle : contacts auxiliaires, temporisation, communication, etc.

Selon la constitution d’un départ-moteur, les fonctions peuvent êtreréparties de différentes manières dont la figure 1 donne des schémas.

La variation de vitesse ou les démarreurs progressifs, qui sont dessystèmes sophistiqués de départ moteur, font l’objet d’une sectionparticulière de ce chapitre 5.5.

Les moto variateurs particuliers comme les variateurs pour moteurssynchrones et moteurs pas à pas trouvent place également dans cettesection en raison des similitudes de fonctionnement.

Dans la section 5.13 et 5.14, nous mettons l’accent sur le bilan énergétiqueet les économies possibles, informations qui sont souvent mal interprétées.

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs

b Le sectionnement La fonction de sectionnement est une obligation et doit se trouver à l'origine de tout circuit (cf. normes d’installation NF C15-100, CEI 60364-5-53), non imposée, mais préconisée au niveau de chaquedépart moteur. Elle a pour rôle d’isoler les circuits de leur sourced’énergie (réseau d’alimentation puissance) de manière sûre afin d’assurerla protection des biens et des personnes en cas d’opérations de maintenance, de dépannages ou de modifications sur les circuitsélectriques qui se trouvent en aval.

Ce sectionnement doit être conçu conformément aux spécifications quiexigent :

- la coupure omnipolaire et simultanée, - le respect des distances d'isolement en fonction des tensions

d’alimentation,- la condamnation,- la coupure visible ou pleinement apparente :- la « coupure visible » signifie que l’ouverture des pôles est directement

visible par un opérateur,- la coupure apparente est identifiée soit par la position de l’organe de

manœuvre, soit par un indicateur de position qui, selon la norme, nepeut indiquer la position « hors tension » que si les contacts sonteffectivement séparés par une distance suffisante spécifiée dans lesnormes. Les constructeurs proposent de nombreux appareils pouvantremplir cette fonction. Souvent, un même appareil combine lesfonctions de sectionnement et de protection contre les courts-circuits(ex. : sectionneur à fusibles). Pour cela certains appareils de basedoivent être complétés d’un dispositif complémentaire, par exemple,d’un support d’embrochage.

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A Fig. 1 Les différentes fonctions et leurassociation pour constituer undépart-moteur

5.1 Généralités5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs


Un sectionneur est destiné à isoler un circuit, il n’a ni pouvoir de coupure ni defermeture. Il se manipule donc toujours à vide.

Un interrupteur offre en plus de la capacité de sectionnement celle de pouvoirétablir, supporter et interrompre des courants (norme IEC 947-3).

b La protectionv La protection contre les courts-circuits (C chapitre 4 Démarrage et

protection des moteurs)Cette fonction nécessite la détection des surintensités consécutives auxcourts-circuits (généralement supérieures à 10 fois le courant nominal) etl’ouverture du circuit en défaut. Elle est remplie par des fusibles ou desdisjoncteurs magnétiques.

v La protection contre les surcharges (C chapitre 4 Démarrage etprotection des moteurs)

Cette fonction nécessite la détection des surintensités consécutives auxsurcharges (Ir < I surcharges < Im) et l’ouverture du circuit en défaut. Elle estremplie par des dispositifs électromécaniques ou électroniques (relais desurcharge) associés à un organe de coupure (disjoncteur ou contacteur)ou intégrés aux démarreurs ou variateurs de vitesse électroniques. Elleprotège aussi la ligne du moteur contre les surcharges thermiques.

v Protections associées aux démarreurs et aux variateurs devitesse électroniques

Le démarrage en direct sur le réseau de distribution des moteursasynchrones est la solution la plus répandue, la plus économique etconvient le plus souvent pour une grande variété de machines.Cependant, elle s’accompagne parfois de contraintes qui peuvents’avérer gênantes pour certaines applications, voire incompatibles avec le fonctionnement souhaité au niveau de la machine (appel de courant au démarrage, à-coups mécaniques lors des démarrages, impossibilité de contrôler l’accélération et la décélération, impossibilité de faire varier la vitesse, etc.).

Les démarreurs et les variateurs de vitesse électroniques (C Fig. 2)permettent de supprimer ces inconvénients, mais les protectionsconventionnelles décrites précédemment sont inefficaces avec cesappareils qui modulent l’énergie électrique fournie au moteur.

Les variateurs de vitesse et les démarreurs électroniques ont donc desprotections intégrées. Les variateurs modernes assurent en général laprotection de surcharge des moteurs et leur propre protection. A partir de la mesure du courant et d’une information sur la vitesse, un microprocesseur calcule l’élévation de température du moteur etfournit un signal d’alarme ou de déclenchement en cas d’échauffementexcessif.

De plus, les informations élaborées par la protection thermique incorporéeau variateur peuvent être échangées avec un automate ou un superviseurpar la liaison de communication dont sont munis les variateurs etdémarreurs les plus évolués.

La variation de vitesse fait l’objet de la section 5.5 de ce chapitre.

b La commutation ou commandev La fonction de commande Par « commander », il faut comprendre fermer (établir) et ouvrir(interrompre) un circuit électrique en charge. La fonction commande estréalisée par les interrupteurs voir même par les disjoncteurs-moteurs,démarreurs et variateurs de vitesse. Mais le contacteur est le produit leplus utilisé pour réaliser cette fonction car il permet la commande àdistance (télécommande). Pour les moteurs, cet organe de commande doitpermettre un grand nombre de manœuvres (durabilité électrique) et êtreconforme aux normes CEI 60947-4-1.

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A Fig. 2 Variateur de vitesse(ATV58H - Telemecanique)

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs5 - Départs moteurs

Selon ces normes, sur ce matériel, les constructeurs doivent préciser lescaractéristiques suivantes :

• Circuit de commande- nature du courant de commande, ainsi que sa fréquence dans le cas

du courant alternatif,- tension assignée des circuits de commande (Uc) ou tension

d’alimentation de commande (Us).

• Circuit de puissance- tension assignée d'emploi (Ue) : elle s’exprime généralement par la

tension entre phases. Elle détermine l'emploi des circuits auxquels serapportent les pouvoirs de fermeture et de coupure, le type de serviceet les caractéristiques de démarrage,

- courant assigné d'emploi (Ie) ou puissance assignée d’emploi : Cettecaractéristique est définie par le constructeur selon des conditionsd’emploi spécifiées et tient compte notamment de la tension assignéed’emploi et du courant thermique conventionnel (Ith correspondant àla valeur maximale du courant d’essai). Dans le cas de matériels pourla commande directe d'un seul moteur, l'indication d'un courantassigné d'emploi peut être remplacée ou complétée par celle de lapuissance maximale disponible assignée.

Ces informations peuvent, dans certains cas, être complétées par : - le service assigné, avec indication de la classe de service intermittent,

s'il y a lieu. Les classes définissent différents cycles de manœuvres,- les pouvoirs assignés de fermeture et/ou de coupure. Ce sont des

valeurs maximales de courant, fixées par le constructeur, qu’un matérielpeut établir (fermeture) ou interrompre (coupure) de manière satisfaisantedans des conditions spécifiées. Les pouvoirs assignés de fermeture etde coupure ne sont pas forcément spécifiés par le constructeur, mais lanorme exige des valeurs minimales pour chaque catégorie d’emploi.

v Les catégories d’emploi des appareils de commandeLes normes de la série CEI 60947 définissent des catégories d’emploi selonles applications dont les appareils de commande sont destinés (C Fig. 3).Chaque catégorie est caractérisée par une ou plusieurs conditions deservice telles que :

- des courants, - des tensions, - le facteur de puissance ou constante de temps,- et si nécessaire, d’autres conditions de service.

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Nature du courant Catégories d’emploi Applications caractéristiques

Courant alternatif AC-1 Charges non inductives ou faiblement inductives, fours à résistances.Distribution d’énergie (éclairage, groupe électrogène…).

AC-2 Moteurs à bagues : démarrage, coupure.Equipement à service intensif (levage, manutention, broyeurs, train delaminoir…).

AC-3 Moteurs à cage : démarrage, coupure des moteurs lancés*.Commande moteur (pompes, compresseurs, ventilateurs, machine outils,transporteurs, presses…).

AC-4 Moteurs à cage : démarrage, inversion de marche, marche par à-coups.Equipement à service intensif (levage, manutention, broyeurs, train delaminoir…).

Courant continu DC-1 Charges non inductives ou faiblement inductives, fours à résistances.

DC-3 Moteurs shunt : démarrage, inversion de marche, marche par à-coups.Coupure dynamique de moteurs pour courant continu.

DC-5 Moteurs série : démarrage, inversion de marche, marche par à-coups.Coupure dynamique de moteurs pour courant continu.

* La catégorie AC-3 peut être utilisée pour des marches par à-coups ou des inversions de marche de manœuvres occasionnelles de durée limitée, telles que lemontage d'une machine ; le nombre de ces manœuvres pendant ces durées limitées ne dépasse pas normalement cinq manœuvres par minute ni plus de dixpour une durée de 10 min.

A Fig. 3 Les différentes catégories d’emploi des contacteurs selon CEI 60947-1

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs5 - Départs moteurs

Sont ainsi prises en compte, par exemple :- les conditions d’établissement et de coupure de courant, - la nature du récepteur contrôlé (moteur à cage, moteur à bagues,

résistance),- les conditions dans lesquelles s’effectuent les fermetures et les

ouvertures (moteur lancé, moteur calé, en cours de démarrage,freinage en contre-courant, etc.).

v Choisir un contacteurLes catégories d’emploi définies dans la norme permettent une premièresélection d’un matériel à même de répondre aux exigences del’application à laquelle est destinée le moteur. Cependant d’autrescontraintes sont à prendre en compte, contraintes qui ne sont pas toutescaractérisées par la norme. Il en est ainsi des facteurs extérieurs àl’application : conditions climatiques (température, humidité), situationgéographique (altitude, bord de mer), etc.

Dans certaines situations, la fiabilité de l’équipement peut aussi être unfacteur critique, notamment lorsque la maintenance est difficile.L’endurance électrique (durabilité des contacts) des appareils (contacteur)est alors une caractéristique importante.

Il est alors nécessaire de disposer de catalogues complets et précis pourvérifier que tous ces impératifs sont respectés par le matériel retenu.

5.3 Une fonction complémentaire : la communication

b La communication est une fonction devenue quasimentincontournable

Dans les processus et les systèmes de production industriels, elle permetà distance de contrôler, d’interroger différents organes, et de piloter lesmachines d’un système de production.

Pour une telle communication entre tous les éléments d’un système deproduction, des composants ou modules communicants (C Fig. 4) sontintégrés dans bon nombre d’appareils y compris des appareils deprotection tels que des relais multifonctions ou encore des départs-moteurs.

b L’apport de la communication Avec des modules de communication tels que AS-I, Modbus, Profibus,etc., outre le pilotage d’un moteur (télécommande marche-arrêt dudémarreur-moteur), il est par exemple possible de connaître, à distance,la charge moteur (mesure du courant), et/ou les défauts existants(surintensités, surcharges, etc.) ou passés (historique).

L’utilisation de la communication, en plus d’être utile pour l’intégrationdes protections dans les processus d’automatismes industriels, apporteles services suivants :

- pré alarmes permettant d’anticiper l’apparition d’un défaut,- historique des défauts permettant de rechercher et d’identifier un

événement récurent,- aide à la mise en service,- aide à la maintenance en identifiant une dérive des conditions de

fonctionnement.

Elle concoure donc à l’amélioration de la gestion des équipements avecune conséquence positive sur les résultats économiques.

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A Fig. 4 Le démarreur contrôleur avec sonmodule de communication Modbus(Tesys U - Telemecanique)

5.2 Les fonctions de base des départs-moteurs5.3 Une fonction complémentaire :

la communication


5.4 Départs-moteurs et coordination

b Les solutions départs-moteursComme expliqué en début de ce chapitre, les principales fonctions quedoit assurer un départ-moteur (sectionnement, commande et protectioncontre les courts-circuits et les surcharges), peuvent être réalisées pardifférents équipements.

Trois associations d’appareils sont possibles (CFig. 5) pour qu’un départmoteur remplisse bien toutes ces fonctions, mais elles nécessitent lacompatibilité entre les caractéristiques de chacun des appareils associés.

• La solution « tout en Un »Un seul et même appareil réunit les trois fonctions. Ses performancesglobales sont garanties par son constructeur. Pour l’utilisateur, du bureaud’étude à l’installation, c’est la solution la plus simple : facile à mettre enœuvre (peu de câblage) et choix immédiat (pas d’étude particulière).

• La solution « 2 appareils »Disjoncteur magnétothermique + contacteur

La compatibilité entre les caractéristiques des deux appareils est à vérifierpar l’utilisateur.

• La solution « 3 appareils »Disjoncteur magnétique + contacteur + relais de surcharge.Elle permet de couvrir un large domaine de puissance. Cette associationnécessite une étude de compatibilité pour le choix des appareils etd’implantation pour leur montage sur châssis ou dans une enveloppe.

Ce travail (compatibilité, choix et implantation) n’est pas toujours évidentpour les utilisateurs car il faut réunir les caractéristiques des différentsappareils et savoir les comparer. C’est pourquoi les constructeurs étudientpuis proposent dans leurs catalogues des associations d’appareils. Dansla même démarche, ils s’efforcent de trouver des combinaisons optimalesentre les protections : c’est la notion de coordination.

b La coordination entre les protections et la commande Cette coordination est la combinaison optimale des différentesprotections (contre les courts-circuits et les surcharges) et de l’organe decommande (contacteur) qui composent un départ-moteur.

Etudiée pour une puissance donnée, elle permet de protéger au mieux les équipements commandés par ce départ-moteur (C Fig. 6).

v Les principes de la coordinationPour le bon fonctionnement d’un départ-moteur, la coordination entretous les appareils doit valider simultanément les points suivants :

- le relais de surcharge doit protéger le disjoncteur magnétique dans lazone de surcharge : sa courbe "1" doit passer en dessous de celle de la tenue thermique du disjoncteur,

- et inversement dans les zones de court-circuit, pour protéger le relaisthermique, la courbe de déclenchement aux courts-circuits doitpasser en dessous de celle de la tenue thermique du relais,

- enfin, pour que le contacteur soit protégé, sa limite de tenuethermique doit être au-dessus des courbes des deux déclencheursthermique "1" et magnétique "3" (ou fusible "2").

A noter que la norme fixe des courants limites d’essai :- jusqu'à 0.75 Ic seule la protection thermique doit intervenir,- à partir de 1.25 Ic seule la protection contre les courts-circuits doit

intervenir.

La coordination présente le double avantage de réduire les coûtsd’équipement et de maintenance puisque les différentes protections secomplètent le plus exactement possible, sans redondance inutile.

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A Fig. 5 Les trois associations possiblesd’appareils pour réaliser un départ-moteur

A Fig. 6 Les principes de la coordination

5.4 Départs-moteurs et coordination5 - Départs moteurs

v Les différents types de coordinationDeux types de coordination (type 1 et type 2) sont définis par la CEI 60947-4-1.

• Coordination type 1 : c’est la solution standard, la plus utilisée. Elleexige qu'en condition de court-circuit, le contacteur ou le démarreurn'occasionne pas de danger aux personnes ou aux installations. Elle accepte que des réparations ou remplacements de pièces soient nécessaires avant la remise en service.

• Coordination type 2 : c’est la solution haute performance ; elle exigequ'en condition de court-circuit, le contacteur ou le démarreurn'occasionne pas de danger aux personnes ou aux installations et qu’il soit en mesure de fonctionner ensuite. Le risque de soudure descontacts est admis; dans ce cas, le constructeur doit indiquer lesmesures à prendre en ce qui concerne la maintenance du matériel.

• Il existe une solution très haute performance, réalisée par les ACP etproposée par quelques constructeurs, c’est la « Coordination totale ».Cette coordination exige qu'en condition de court-circuit, le contacteur oule démarreur n'occasionne pas de danger aux personnes ou auxinstallations et qu’il soit en mesure de fonctionner ensuite. Le risque desoudure des contacts n’est pas admis ; le redémarrage du départ moteurdoit pouvoir être immédiat.

v ACP Principes de baseLes ACP ou « démarreurs-contrôleurs » sont conçus pour remplirsimultanément les fonctions de commande et de protection (surcharge etcourt-circuit), de plus ils sont prévus pour pouvoir réaliser descommandes en condition de court-circuit.

Ils peuvent aussi assurer des fonctions complémentaires telles que lesectionnement permettant ainsi de remplir complètement la fonction de« départ-moteur ». Ils répondent à la norme CEI 60947-6-2, qui définitnotamment les valeurs assignées et les catégories d’emploi des ACP, à l’image des normes CEI 60947-1 et 60947-4-1.

Les différentes fonctions réalisées par un ACP sont associées etcoordonnées de manière à permettre la continuité de service à tous lescourants jusqu’au pouvoir assigné de coupure de service en court-circuitIcs de l’ACP. Ce dernier peut ou non comporter un seul appareil, mais sescaractéristiques sont toujours assignées comme pour un seul appareil. De plus, la garantie d’une coordination « totale » entre toutes lesfonctions assure à l’utilisateur le choix simple d’une protection optimalefacile à mettre en œuvre.

Bien que présenté sous la forme d’un seul appareil, un ACP peut offrirune modularité identique voire supérieure à une solution départ-moteur« trois produits ». C’est le cas du démarreur-contrôleur « Tesys U » de lamarque Telemecanique (C Fig. 7). Ce dernier permet d’introduire ou dechanger à tout moment une unité de contrôle intégrant les fonctions deprotection et de commande pour des moteurs de 0.15 A jusqu’à 32 A,dans une « base puissance » ou « embase » générique de calibre 32 A.

Des fonctionnalités supplémentaires peuvent également être implantéesau niveau :• de la puissance : bloc inverseur, limiteur• du contrôle

- modules fonctions : alarmes, charge moteur, réarmementautomatique, etc.

- modules de communication : AS-I, Modbus, Profibus, CAN-Open, etc.- modules de contacts auxiliaires, contacts additifs.

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A Fig. 7 Exemple de modularité d’un ACP(démarreur contrôleurTesys U - Telemecanique)


Des possibilités de communication évoluées sont également apportéespar ce système (C Fig. 8).

v Quelle coordination choisir ?Le choix du type de coordination dépend des paramètres d'exploitation.

Il doit être fait de façon à obtenir l'adéquation besoin de l'utilisateur/coûtde l'installation optimisée :

• Type 1Acceptable lorsque la continuité de service n’est pas exigée et que laremise en service peut se faire après remplacement des élémentsdéfaillants.Dans ce cas, le service entretien doit être efficace (disponible etcompétent). L’avantage est un coût d'appareillage réduit.

• Type 2A retenir lorsque la continuité de service est exigée.Il nécessite un service d’entretien réduit.

• « Coordination totale »Lorsque le redémarrage immédiat du moteur est nécessaire. Aucun service d’entretien n’est nécessaire.

Les coordinations proposées dans les catalogues des constructeurssimplifient le choix de l’utilisateur et lui assure la conformité de sondépart-moteur vis-à-vis de la norme.

b La sélectivitéDans une installation électrique, les récepteurs sont reliés aux générateursà travers une succession de dispositifs de sectionnement, de protectionet de commande.

Sans une étude de sélectivité bien mise en œuvre, un défaut électriquepeut solliciter plusieurs dispositifs de protection. Ainsi un seul défaut peutprovoquer la mise hors tension d’une partie plus ou moins grande del’installation. Il en résulte une perte supplémentaire de disponibilité del’énergie électrique sur des départs sains.

Pour éviter cette perte, dans le cadre d’une distribution radiale (C Fig. 9),le but de la sélectivité est de déconnecter du réseau le départ ou moteuren défaut et seulement celui-ci, en maintenant sous tension la plusgrande partie possible de l’installation. La sélectivité permet ainsi d’alliersécurité et continuité de service, de plus elle facilite la localisation dudéfaut.

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Fonctions possibles : Unités de contrôle :Standards Evolutives Multifonctions

Etats du démarreur (prêt, en marche, en défaut)

Alarmes (surintensités, etc.)

Alarme thermique

Réarmement à distance par le bus

Indication de la charge moteur

Différenciation des défauts

Paramétrage et consultation à des fonctions de protection

Fonction « historique »

Fonction « surveillance »

Commandes de Marche et d’Arrêt

Informations véhiculées par le bus (Modbus) et fonctions réalisées

A Fig. 8 Les fonctions de communication de Thesys U

A Fig. 9 Principe de la sélectivité : en cas dedéfaut, seul D2 s’ouvre


Pour garantir une continuité de service maximale, il est nécessaired’employer des dispositifs de protection coordonnés entre eux. Pour celadifférentes techniques sont utilisées qui permettent d’obtenir, soit unesélectivité dite totale, si elle est garantie pour toutes les valeurs ducourant de défaut, jusqu’à la valeur maximale disponible dansl’installation, soit dite partielle dans le cas contraire.

v Les différentes techniques de sélectivitéIl existe plusieurs types de sélectivité :

• ampèremétrique, en utilisant un écart entre les seuils dedéclenchement des disjoncteurs placés en série.

• chronométrique, en retardant de quelques dizaines ou centaines demillisecondes le déclenchement du disjoncteur amont, ou encore enexploitant les caractéristiques normales de fonctionnement liées auxcalibres des appareils. Ainsi la sélectivité peut-être assurée entre deuxrelais de surcharge en respectant la condition Ir1 > 1,6. Ir2 (avec r1 en amont de r2).

• « Sellim » ou « énergétique », dans le domaine de la distributionélectrique, en plaçant en amont un disjoncteur limiteur qui s’ouvrependant le temps nécessaire au fonctionnement du disjoncteur aval, puisse referme.

• logique, en communiquant d'un disjoncteur à l'autre l'information dedépassement de seuil et laissant la possibilité d’ouverture au disjoncteurle plus en aval.

Des informations détaillées sont disponibles dans le Cahier TechniqueSchneider-Electric n°167.

v La sélectivité dans les processPour les équipements de commande de process (chaînes de fabrication,unités de production chimiques, etc.), les techniques de sélectivité lesplus employées entre les départs-moteurs et la distribution électriquealimentant ces process sont généralement du type ampèremétrique etchronométrique. Dans la plupart des cas, la sélectivité est assurée grâceau pouvoir limiteur ou ultra-limiteur des départs-moteurs.

5.5 Les variateurs de vitesseCette section aborde en détail tous les aspects de la variation de vitesse. Certainestechnologies très spécifiques : cyclo convertisseurs, cascade hypo-synchrone,convertisseur à onde de courant pour moteur synchrone ou asynchrone, pour n’enciter que quelques unes, ne sont pas abordées. L’utilisation de ces variateurs est trèsspécifique et réservée à des marchés particuliers. Des ouvrages spécialisés leur sontconsacrés. Le lecteur intéressé trouvera une description exhaustive dans lesouvrages, Entraînement électrique à vitesse variable, Bonal (Jean) et Séguier(Guy), Ed.Tec et Doc et Utilisation industrielle des moteurs à courant alternatif,Bonal (Jean), Ed.Tec et Doc.

La variation de vitesse pour moteur à courant continu, largement supplantée parla variation de vitesse par convertisseur de fréquence est cependant décrite, car lacompréhension du principe de fonctionnement permet d’aborder facilementcertaines spécificités et caractéristiques de la variation de vitesse dans sonensemble.

b Historique et rappelsv HistoriquePour démarrer les moteurs électriques et contrôler leur vitesse, lesdémarreurs rhéostatiques, les variateurs mécaniques et les groupestournants (Ward Leonard en particulier) ont été les premières solutions ;puis les démarreurs et les variateurs électroniques se sont imposés dansl’industrie comme la solution moderne, économique, fiable et sansentretien.

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5.4 Départs-moteurs et coordination5.5 Les variateurs de vitesse


Un variateur ou un démarreur électronique est un convertisseur d’énergiedont le rôle consiste à moduler l’énergie électrique fournie au moteur.

Les démarreurs électroniques sont exclusivement destinés aux moteursasynchrones. Ils font partis de la famille des gradateurs de tension.

Les variateurs de vitesse assurent une mise en vitesse et une décélérationprogressives, ils permettent une adaptation précise de la vitesse auxconditions d’exploitation. Les variateurs de vitesse sont du type redresseurcontrôlé pour alimenter les moteurs à courant continu, ceux destinés auxmoteurs à courant alternatif sont des convertisseurs de fréquence.

Historiquement, le variateur électronique pour moteur à courant continu a été la première solution offerte. Les progrès de l’électronique depuissance et de la microélectronique ont permis la réalisation deconvertisseurs de fréquence fiables et économiques. Les convertisseursde fréquence modernes permettent l’alimentation de moteursasynchrones standards avec des performances analogues aux meilleursvariateurs de vitesse à courant continu. Certains constructeurs proposentmême des moteurs asynchrones avec des variateurs de vitesseélectroniques incorporés dans une boîte à bornes adaptée ; cette solutionest proposée pour des ensembles de puissance réduite (quelques kW).

En fin de ce chapitre, sont évoquées les évolutions récentes desvariateurs de vitesse et la tendance qui se dessine chez les constructeurs.

Ces évolutions élégantes élargissent notablement l’offre et les possibilitésdes variateurs.

v Rappels : les principales fonctions des démarreurs et desvariateurs de vitesse électroniques

• Accélération contrôléeLa mise en vitesse du moteur est contrôlée au moyen d’une ramped’accélération linéaire ou en « S ». Cette rampe est généralement réglableet permet par conséquent de choisir le temps de mise en vitesseapproprié à l’application.

• Variation de vitesseUn variateur de vitesse peut ne pas être en même temps régulateur. Dans ce cas, c’est un système, rudimentaire, qui possède une commandeélaborée à partir des grandeurs électriques du moteur avec amplificationde puissance, mais sans boucle de retour : il est dit « en boucle ouverte ».

La vitesse du moteur est définie par une grandeur d’entrée (tension oucourant) appelée consigne ou référence. Pour une valeur donnée de laconsigne, cette vitesse peut varier en fonction des perturbations(variations de la tension d’alimentation, de la charge et de la température).

La plage de vitesse s’exprime en fonction de la vitesse nominale.

• Régulation de vitesseUn régulateur de vitesse est un variateur asservi (C Fig. 10). Il possède unsystème de commande avec amplification de puissance et une boucle deretour : il est dit « en boucle fermée ».

La vitesse du moteur est définie par une consigne.

La valeur de la consigne est en permanence comparée à un signal deretour, image de la vitesse du moteur. Ce signal est délivré par unegénératrice tachymétrique ou un générateur d’impulsions monté en boutd’arbre du moteur ou encore par un estimateur qui détermine la vitessedu moteur à partir de grandeurs électriques disponibles dans le variateur.Les convertisseurs de fréquence alimentant les moteurs asynchrones ensont fréquemment dotés.

Si un écart est détecté suite à une variation de la vitesse, les grandeursappliquées au moteur (tension et/ou fréquence) sont automatiquementcorrigées de façon à ramener la vitesse à sa valeur initiale.

Grâce à la régulation, la vitesse est pratiquement insensible auxperturbations.

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A Fig. 10 Principe de la régulation de vitesse

5.5 Les variateurs de vitesse5 - Départs moteurs

La précision d’un régulateur est généralement exprimée en % de la valeurnominale de la grandeur à réguler.

• Décélération contrôléeQuand un moteur est mis hors tension, sa décélération est dueuniquement au couple résistant de la machine (décélération naturelle).

Les démarreurs et variateurs électroniques permettent de contrôler ladécélération au moyen d’une rampe linéaire ou en « S », généralementindépendante de la rampe d’accélération.

Cette rampe peut être réglée de manière à obtenir un temps de passagede la vitesse en régime établi à une vitesse intermédiaire ou nulle :

- si la décélération désirée est plus rapide que la décélération naturelle,le moteur doit développer un couple résistant qui vient s’additionnerau couple résistant de la machine, on parle alors de freinageélectrique qui peut s’effectuer, soit par renvoi d’énergie au réseaud’alimentation, soit par dissipation dans une résistance de freinage,

- si la décélération désirée est plus lente que la décélération naturelle, le moteur doit développer un couple moteur supérieur au couplerésistant de la machine et continuer à entraîner la charge jusqu’àl’arrêt.

• Inversion du sens de marcheL’inversion de la tension d’alimentation (variateurs pour moteur à courantcontinu) ou l’inversion de l’ordre des phases d’alimentation du moteur estréalisée automatiquement, soit par inversion de la consigne à l’entrée, soitpar un ordre logique sur une borne, soit par une information transmise parune connexion réseau. La majorité des variateurs actuels pour moteursalternatifs permettent cette fonction en standard.

• Freinage d’arrêtCe freinage consiste à arrêter un moteur sans pour autant contrôler larampe de ralentissement. Pour les démarreurs et variateurs de vitessepour moteurs asynchrones, ceci est réalisé de manière économique eninjectant du courant continu dans le moteur avec un fonctionnementparticulier de l’étage de puissance. Toute l’énergie mécanique estdissipée dans le rotor de la machine et, de ce fait, ce freinage ne peutêtre qu’intermittent. Sur un variateur pour moteur à courant continu, cette fonction sera assurée en connectant une résistance aux bornes de l’induit.

• Protections intégréesLes variateurs modernes assurent en général la protection thermique des moteurs et leur propre protection. A partir de la mesure du courant et d’une information sur la vitesse (si la ventilation du moteur dépend de sa vitesse de rotation), un microprocesseur calcule l’élévation detempérature du moteur et fournit un signal d’alarme ou de déclenchementen cas d’échauffement excessif.

Les variateurs, et notamment les convertisseurs de fréquence, sontd’autre part fréquemment équipés de protections contre :

- les courts-circuits entre phases et entre phase et terre,- les surtensions et les chutes de tension, - les déséquilibres de phases,- la marche en monophasé.

b Les principaux modes de fonctionnement et principaux typesde variateurs électroniques

Les paragraphes qui suivent sont un exposé des principes fondamentaux.

v Les principaux modes de fonctionnementLes variateurs de vitesse peuvent, selon le convertisseur électronique, soit faire fonctionner un moteur dans un seul sens de rotation, ils sontalors dits « unidirectionnels », soit commander les deux sens de rotation,ils sont alors dits « bidirectionnels ».

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Les variateurs peuvent être « réversibles » lorsqu’ils peuvent récupérerl’énergie du moteur fonctionnant en générateur (mode freinage).

La réversibilité est obtenue soit par un renvoi d’énergie sur le réseau (pont d’entrée réversible), soit en dissipant l’énergie récupérée dans unerésistance avec un hacheur de freinage.

La figure 11 illustre les quatre situations possibles dans le diagrammecouple-vitesse d’une machine résumées dans le tableau associé.

A noter que lorsque la machine fonctionne en générateur, elle doitbénéficier d’une force d’entraînement. Cet état est notamment exploitépour le freinage. L’énergie cinétique alors présente sur l’arbre de lamachine est soit transférée au réseau d’alimentation, soit dissipée dansdes résistances ou, pour les petites puissances, dans les pertes de la machine.

• Variateur unidirectionnelCe type de variateur le plus souvent non réversible est réalisé pour :

- un moteur courant continu, avec un convertisseur direct (CA => CC)comportant un pont mixte à diodes et thyristors (C Fig.12a I),

- un moteur à courant alternatif, avec un convertisseur indirect (avectransformation intermédiaire en courant continu) comportant en entréeun pont de diodes suivi d’un convertisseur de fréquence qui faitfonctionner la machine dans le quadrant 1 (C Fig.12a II). Danscertains cas, ce montage peut être exploité en bidirectionnel(quadrants 1 et 3).

Un convertisseur indirect comportant un hacheur de freinage et unerésistance correctement dimensionnée convient parfaitement pour unfreinage momentané (ralentissement ou sur un engin de levage quand lemoteur doit développer un couple de freinage en descente pour retenir la charge).

En cas de fonctionnement prolongé avec une charge entraînante, un convertisseur réversible est indispensable car la charge restitue de la puissance en permanence, exemple : un moteur utilisé en frein sur un banc d’essai.

• Variateur bidirectionnelCe type de variateur peut être un convertisseur réversible ou nonréversible. S’il est réversible, la machine fonctionne dans les quatrequadrants (C Fig.11) et peut permettre le fonctionnement en freinagepermanent.

S’il est non réversible, la machine ne fonctionne que dans les quadrants 1 et 3.

La conception et le dimensionnement du variateur ou du démarreur sontdirectement affectés par la nature de la charge entraînée. En particulier ence qui concerne les capacités de fournir un couple suffisant pour la miseen vitesse.

Les différentes familles de machines et leurs courbes caractéristiquessont traitées dans le chapitre Moteurs et charges.

v Les principaux types de variateursSeuls les variateurs les plus courants et les réalisations technologiquesusuelles sont cités dans cette section.

Il existe, en effet, de nombreux schémas de variateurs de vitesseélectroniques :

- cascade hyposynchrone,- cycloconvertisseurs, - commutateurs de courant, hacheurs, etc.

Le lecteur intéressé trouvera une description exhaustive dans lesouvrages Entraînement électrique à vitesse variable Bonal (Jean) etSéguier (Guy), Ed. Tec et Doc et Utilisation industrielle des moteurs àcourant alternatif Bonal (Jean), Ed. Tec et Doc.

108

A Fig. 11 LLes quatre situations possibles d’unemachine dans son diagramme couplevitesse

A Fig. 12a LSchémas de principe :[I] convertisseur direct à pont mixte ;[II] convertisseur indirect avec (1) pontde diodes en entrée, (2) dispositif defreinage (résistance et hacheur),(3) convertisseur de fréquence


I II

• Redresseur contrôlé pour moteur à courant continuIl fournit, à partir d’un réseau alternatif monophasé ou triphasé, uncourant continu avec un contrôle de la valeur moyenne de la tension.

Les semi-conducteurs de puissance sont assemblés en pont de Graëtz,monophasé ou triphasé (C Fig.12b). Le pont peut être mixte (diodes /thyristors) ou complet (tout thyristor).

Cette dernière solution est la plus fréquente car elle permet un meilleurfacteur de forme du courant délivré.

Le moteur à courant continu est le plus souvent à excitation séparée, saufdans les petites puissances où les moteurs à aimants permanents sontassez fréquents.

L’utilisation de ce type de variateur de vitesse est bien adaptée pour touteapplication. Les seules limites sont imposées par le moteur à courantcontinu, en particulier la difficulté d’obtention de vitesses élevées et lanécessité de maintenance (remplacement des balais).

Les moteurs à courant continu et leur variateurs associés ont été lespremières solutions industrielles. Depuis plus d’une décennie, leur usageest en constante diminution au profit des convertisseurs de fréquence. Eneffet, le moteur asynchrone est à la fois plus robuste et plus économiquequ’un moteur à courant continu. Contrairement aux moteurs à courantcontinu, standardisés en enveloppe IP55, il est aussi pratiquementinsensible à l’environnement (ruissellement, poussières, ambiancesdangereuses, etc.).

• Convertisseur de fréquence pour moteur asynchroneIl fournit, à partir d’un réseau alternatif à fréquence fixe, une tensionalternative triphasée de valeur efficace et de fréquence variable (C Fig.13).L’alimentation du variateur pourra être monophasée pour les faiblespuissances (ordre de grandeur de quelques kW) et triphasée au-delà.

Certains variateurs de petite puissance acceptent indifféremment destensions d’alimentation monophasées et triphasées. La tension de sortiedu variateur est toujours triphasée. De fait, les moteurs asynchronesmonophasés sont mal adaptés à l’alimentation par convertisseur defréquence. Les convertisseurs de fréquence alimentent des moteurs àcage standard avec tous les avantages liés à ces moteurs :standardisation, faible coût, robustesse, étanchéité, aucun entretien. Cesmoteurs étant auto-ventilés, leur seule limite d’emploi est leur utilisationprolongée à basse vitesse en raison de la réduction de cette ventilation.Si un tel fonctionnement est souhaité, il faut prévoir un moteur spécialéquipé d’une ventilation forcée indépendante.

• Gradateur de tension pour le démarrage des moteurs asynchronesCe type de variateur (connu également sous le nom de soft starter, voirégalement le chapitre Moteurs et Charges) est presque exclusivementutilisé pour le démarrage des moteurs. Par le passé, associé à desmoteurs spéciaux (moteurs à cage résistante), il était utilisé pour réaliserla variation de vitesse de ces moteurs.

Ce dispositif fournit, à partir d’un réseau alternatif, une tension variable demême fréquence.

Le schéma le plus usuel comporte deux thyristors montés tête-bêchedans chaque phase du moteur (C Fig.14).

Le même gradateur peut être utilisé pour réaliser une décélérationprogrammée.

Une fois le démarrage effectué, le gradateur peut être court cicuité par uncontacteur et être utilisé pour le démarrage d’un autre moteur.

Ce type d’utilisation est fréquent dans les stations de pompage, un seuldémarreur étant utilisé pour mettre en service une pompe supplémentaireen fonction des besoins du réseau d’utilisation. Le schéma de principeest exposé dans le chapitre Moteurs et charges.

109

5

A Fig. 12b LSchéma d’un redresseur contrôlé pourmoteur à courant continu

A Fig. 13 LSchéma de principe d’unconvertisseur de fréquence

A Fig. 14 LDémarreur de moteurs asynchrones etforme du courant d’alimentation


5.6 Structure, composants des démarreurs et variateurs électroniques

b StructureLes démarreurs et les variateurs de vitesse électroniques sont composésde deux modules généralement regroupés dans une même enveloppe(C Fig.15) :

- un module de contrôle qui gère le fonctionnement de l’appareil,- un module de puissance qui alimente le moteur en énergie électrique.

v Le module de contrôleSur les démarreurs et les variateurs modernes, toutes les fonctions sontcommandées par un microprocesseur qui exploite les réglages, les ordrestransmis par un opérateur ou par une unité de traitement, et les résultatsde mesure comme la vitesse, le courant, etc.

Les capacités de calcul des microprocesseurs ainsi que des circuitsdédiés (ASIC) ont permis de réaliser des algorithmes de commandesextrêmement performants et, en particulier, la reconnaissance desparamètres de la machine entraînée. A partir de ces informations, le microprocesseur gère les rampes d’accélération et de décélération,l’asservissement de vitesse, la limitation de courant, et génère lacommande des composants de puissance. Les protections et lessécurités sont traitées par des circuits spécialisés (ASIC) ou intégréesdans les modules de puissance (IPM).

Les réglages (limites de vitesse, rampes, limitation de courant, etc.) se font soit par claviers intégrés, soit à partir d’automates par des bus de terrain ou de PC pour charger des réglages standard. De même, les différents ordres (marche, arrêt, freinage, etc.) peuvent être donnés à partir d’interfaces de dialogue homme/machine, par des automatesprogrammables ou par des PC. Les paramètres de fonctionnement et les informations d’alarme et de défauts peuvent être visualisés par desvoyants, des diodes électroluminescentes, des afficheurs à segments ouà cristaux liquides, ou déportés vers des superviseurs par des bus de terrains.

Des relais, souvent programmables, donnent des informations de :- défaut (réseau, thermique, produit, séquence, surcharge, etc.), - surveillance (seuil de vitesse, pré alarme, fin de démarrage).

Les tensions nécessaires pour l’ensemble des circuits de mesure et de contrôle sont fournies par une alimentation intégrée au variateur et séparée galvaniquement du réseau.

v Le module de puissanceLe module de puissance est principalement constitué de :

- composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT, etc.),- interfaces de mesure des tensions et/ou des courants,- et fréquemment d’un ensemble de ventilation.

• Les composants de puissanceLes composants de puissance sont des semi-conducteurs fonctionnanten tout ou rien, donc comparables à des interrupteurs statiques pouvantprendre les deux états : passant ou bloqué.

Ces composants, associés dans un module de puissance, constituent unconvertisseur qui alimente, à partir du réseau à tension et fréquence fixes,un moteur électrique sous une tension et/ou une fréquence variable.

Les composants de puissance sont la clef de voûte de la variation devitesse et les progrès réalisés ces dernières années ont permis laréalisation de variateurs de vitesse économiques.Les matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium, ont une résistivité qui sesitue entre celle des conducteurs et celle des isolants.

110

A Fig. 15 LStructure générale d’un variateur devitesse électronique

5.6 Structure, composants des démarreurs etvariateurs électroniques


Leurs atomes possèdent 4 électrons périphériques. Chaque atomes’associe avec 4 atomes voisins pour former une structure stable à 8 électrons.

Un semi-conducteur de type P s’obtient en incorporant au silicium purune faible proportion d’un corps dont les atomes possèdent 3 électronspériphériques. Il manque donc un électron pour former une structure à 8 électrons, ce qui se traduit par un excédent de charges positives.

Un semi-conducteur de type N s’obtient en incorporant un corps dont lesatomes ont 5 électrons périphériques. Il y a donc un excédent d’électrons,c’est-à-dire un excédent de charges négatives.

La diode (C Fig.16a)La diode est un semi-conducteur non contrôlé comportant deux régionsP (anode) et N (cathode) et qui ne laisse passer le courant que dans unseul sens, de l’anode vers la cathode.

Elle conduit quand l’anode est à une tension plus positive que celle de la cathode : elle se comporte alors comme un interrupteur fermé.

Elle bloque le courant et se comporte comme un interrupteur ouvert, si la tension d’anode devient moins positive que celle de la cathode.

La diode possède les caractéristiques principales suivantes :• à l’état passant :

- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’unerésistance interne,

- un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur,jusqu’à 5 000 A pour les composants les plus puissants).

• à l’état bloqué :- une tension maximale admissible qui peut dépasser 5 000 V crête.

Le thyristor (C Fig.16b)C’est un semi-conducteur contrôlé constitué de quatre couchesalternées : P-N-P-N. Il se comporte comme une diode par l’envoi d’uneimpulsion électrique sur une électrode de commande appelée gâchetteou « gate ». Cette fermeture (ou allumage) n’est possible que si l’anodeest à une tension plus positive que la cathode.

Le thyristor se bloque quand le courant qui le traverse s’annule.

L’énergie d’allumage à fournir sur la « gate » n’est pas liée au courant àcommuter, et il n’est pas nécessaire de maintenir un courant dans lagâchette pendant la conduction du thyristor.

Le thyristor possède les caractéristiques principales suivantes :• à l’état passant :


- un courant maximum permanent admissible (ordre de grandeur,jusqu’à 5 000 A pour les composants les plus puissants).

• à l’état bloqué :- une tension inverse et directe maximale admissible (pouvant dépasser

5 000 V crête),- en général les tensions directes et inverses sont identiques,- un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel

une tension anode cathode positive ne peut être appliquée aucomposant sous peine de le voir se réamorcer spontanément,

- un courant de gâchette permettant l’allumage du composant.

Il existe des thyristors destinés à fonctionner à la fréquence du réseau,d’autres dits « rapides » pouvant fonctionner à quelques kilohertz, endisposant d’un circuit d’extinction.

Les thyristors rapides ont parfois des tensions de blocage directe etinverse dissymétriques.

En effet dans les schémas usuels, ils sont souvent associés à une diodeconnectée en antiparallèle et les fabricants de semi-conducteurs utilisent

111

5A Fig. 16a L

A Fig. 16b L



cette particularité pour augmenter la tension directe que le composantpeut supporter à l’état bloqué. Ces composants sont maintenantcomplètement supplantés par le GTO, les transistors de puissance etsurtout les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor) (C Fig.16c)C’est une variante du thyristor rapide qui présente la particularité depouvoir être bloqué par sa gâchette. Un courant positif envoyé dans lagâchette ou « gate » entraîne la mise en conduction du semi-conducteurà condition que l’anode soit à une tension plus positive que la cathode.Pour maintenir le GTO conducteur et limiter la chute de tension, lecourant de gâchette doit être maintenu. Ce courant est en général trèsinférieur à celui nécessaire pour initialiser la mise en conduction. Le blocage s’effectue en inversant la polarité du courant de gâchette.

Le GTO est utilisé sur les convertisseurs de très forte puissance, car il estcapable de maîtriser les fortes tensions et intensités (jusqu’à 5 000 V et5 000 A). Cependant, en raison des progrès des IGBT, leur part de marchétend à s’amenuiser.

Le thyristor GTO possède les caractéristiques principales suivantes :• à l’état passant :


- un courant de maintien de gâchette (ou gate) destiné à réduire lachute de tension directe,

- un courant maximum permanent admissible,- un courant de blocage pour provoquer l’interruption du courant.

• à l’état bloqué :- des tensions inverse et directe maximales admissibles, souvent

dissymétriques, comme avec les thyristors rapides et pour les mêmesraisons,

- un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel le courant d’extinction doit être maintenu sous peine de le voir seréamorcer spontanément,

- un courant de gâchette permettant l’allumage du composant.

Les GTO peuvent fonctionner à des fréquences de quelques kilohertz.

Le transistor (C Fig.16d)C’est un semi-conducteur bipolaire contrôlé constitué de trois régionsalternées P-N-P ou N-P-N. Il ne laisse passer le courant que dans un seulsens : de l’émetteur vers le collecteur en technologie P-N-P, du collecteurvers l’émetteur en technologie N-P-N.

Les transistors de puissance capables de fonctionner sous des tensionsindustrielles sont du type N-P-N, souvent montés en « Darlington ». Le transistor est un amplificateur de courant.

La valeur du courant qui le traverse est fonction du courant de commandecirculant dans sa base. Mais il peut également fonctionner en tout ou riencomme interrupteur statique : ouvert en l’absence de courant de base etfermé injectant dans la base un courant suffisant pour le maintenir en étatde saturation. C’est ce deuxième mode de fonctionnement qui est utilisédans les circuits de puissance des variateurs.

Les transistors bipolaires couvrent des tensions jusqu’à 1 200 V etacceptent des courants pouvant atteindre 800 A.

Ce composant est aujourd’hui remplacé dans les convertisseurs parl’IGBT.Dans le fonctionnement qui nous intéresse, le transistor bipolaire possèdeles caractéristiques principales suivantes :

• à l’état passant :- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une

résistance interne,- un courant maximum permanent admissible,

112



A Fig. 16c L

A Fig. 16d L

- un gain en courant β (pour maintenir le transistor saturé, le courantinjecté dans la base doit être supérieur au courant qui circule dans lecomposant, divisé par le gain).

• à l’état bloqué :- une tension directe maximale admissible.

Les transistors de puissance utilisés en variation de vitesse peuventfonctionner à des fréquences de quelques kilohertz.

L’IGBT (C Fig.16e)C’est un transistor de puissance commandé par une tension appliquée àune électrode appelée grille ou « gate » isolée du circuit de puissance,d’où son nom « Insulated Gate Bipolar Transistor ».

Ce composant nécessite des énergies infimes pour faire circuler descourants importants.

C’est aujourd’hui le composant utilisé en interrupteur tout ou rien dans lamajorité des convertisseurs de fréquence jusqu’à des puissances élevées(de l’ordre du MW).

Ses caractéristiques tension courant sont similaires à celles destransistors bipolaires, mais ses performances en énergie de commande et fréquence de découpage sont très nettement supérieures à tous lesautres semi-conducteurs.

Les caractéristiques des IGBT progressent très rapidement et descomposants haute tension (> 3 kV) et forts courants (plusieurs centainesd’ampères) sont actuellement disponibles.

Le transistor IGBT possède les caractéristiques principales suivantes :• une tension de commande :

- permettant la mise en conduction et le blocage du composant.

• à l’état passant :- une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une

résistance interne,- un courant maximum permanent admissible.

• à l’état bloqué :- une tension directe maximale admissible.

Les transistors IGBT utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner àdes fréquences de quelques dizaines de kilohertz.

Le transistor MOS (C Fig.16f)Ce composant fonctionne de manière différente des précédents, parmodification du champ électrique dans un semi-conducteur obtenue enpolarisant une grille isolée, d’où l’appellation : « Métal Oxyde Semi-conducteur ».

Son usage en variation de vitesse est limité aux utilisations en bassetension (variateurs de vitesse alimentés par batterie) ou de faiblepuissance, car la surface de silicium nécessaire à l’obtention d’unetension de blocage élevée avec une faible chute de tension à l’étatpassant est économiquement irréalisable.

Le transistor MOS possède les caractéristiques principales suivantes :• une tension de commande :

- permettant la mise en conduction et le blocage du composant.

• à l’état passant :- une résistance interne,- un courant maximum permanent admissible.

• à l’état bloqué :- une tension directe maximale admissible (pouvant dépasser 1 000 V).

Les transistors MOS utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner àdes fréquences de quelques centaines de kilohertz. On les trouve demanière quasi universelle dans les étages d’alimentation à découpage,sous la forme de composants discrets ou d’un circuit intégré comportantla puissance (MOS) et les circuits de commande et régulation.

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5



A Fig. 16f L

A Fig. 16e L

L’IPM (Intelligent Power Module)Ce n’est pas à proprement parler un semi-conducteur, mais unassemblage (C Fig.17) qui regroupe un pont onduleur à transistors depuissance IGBT et leur électronique de commande bas niveau.

Sont réunis dans un même boîtier compact :- 7 composants IGBT, dont six pour le pont onduleur et un pour le

freinage,- les circuits de commande des IGBT,- 7 diodes de puissance de roue libre associées aux IGBT pour

permettre la circulation du courant,- des protections contre les courts-circuits, les surintensités et les

dépassements de température,- l’isolation galvanique de ce module.

Le pont redresseur à diodes est le plus souvent intégré à ce mêmemodule.

Cet assemblage permet de maîtriser au mieux les contraintes de câblageet de commande des IGBT.

5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu

b Principe généralL’ancêtre des variateurs de vitesse pour moteur à courant continu est legroupe Ward Leonard (C chapitre 3 Moteurs et charges).

Ce groupe, constitué d’un moteur d’entraînement, généralementasynchrone, et d’une génératrice à courant continu à excitation variable,alimente un ou des moteurs à courant continu. L’excitation est régléepar un dispositif électromécanique (Amplidyne, Rototrol, Regulex), oupar un système statique (amplificateur magnétique ou régulateurélectronique).

Ce dispositif est aujourd’hui totalement abandonné au profit desvariateurs de vitesse à semi-conducteurs qui réalisent de manière statiqueles mêmes opérations avec des performances supérieures.

Les variateurs de vitesse électroniques sont alimentés sous une tensionfixe à partir du réseau alternatif et fournissent au moteur une tensioncontinue variable.

Un pont de diodes ou un pont à thyristors, en général monophasé,permet l’alimentation du circuit d’excitation.

Le circuit de puissance est un redresseur. La tension à délivrer devantêtre variable, ce redresseur doit être du type contrôlé, c’est-à-direcomporter des composants de puissance dont la conduction peut êtrecommandée (thyristors). La variation de la tension de sortie est obtenueen limitant plus ou moins le temps de conduction pendant chaque demi-période.

Plus l’amorçage du thyristor est retardé par rapport au zéro de la demi-période, plus la valeur moyenne de la tension est réduite et, de ce fait, lavitesse du moteur plus faible (rappelons que l’extinction d’un thyristorintervient automatiquement quand le courant passe par zéro).

Pour des variateurs de faible puissance, ou des variateurs alimentés parune batterie d’accumulateurs, le circuit de puissance, parfois constitué detransistors de puissance (hacheur), fait varier la tension continue de sortieen ajustant le temps de conduction. Ce mode de fonctionnement estdénommé MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion).

114

A Fig. 17 LModule IPM (Intelligent Power Module)


5.7 Variateur-régulateur pour moteur courantcontinu


b RégulationLa régulation consiste à maintenir avec précision la vitesse à la valeurimposée en dépit des perturbations (variation du couple résistant, de latension d’alimentation et de la température). Toutefois, lors desaccélérations ou en cas de surcharge, I’intensité du courant ne doit pasatteindre une valeur dangereuse pour le moteur ou le dispositifd’alimentation.

Une boucle de régulation interne au variateur maintient le courant à unevaleur acceptable. Cette limite est accessible pour permettre l’ajustementen fonction des caractéristiques du moteur. La vitesse de consigne estfixée par un signal, analogique ou numérique, transmis par l’intermédiaired’un bus de terrain ou par tout autre dispositif qui délivre une tensionimage de cette vitesse désirée.

La référence peut être fixe ou varier au cours du cycle de fonctionnementde la machine entraînée.

Des rampes d’accélération et de décélération réglables appliquent defaçon progressive la tension de référence correspondant à la vitessedésirée. L’évolution de cette rampe peut suivre toutes les formes voulues.

Le réglage des rampes définit la durée de l’accélération et duralentissement.

En boucle fermée, la vitesse réelle est mesurée en permanence par unedynamo tachymétrique ou un générateur d’impulsions (C chapitre 6Acquisitions de données) et comparée à la référence. Si un écart estconstaté, l’électronique de contrôle réalise une correction de la vitesse. La gamme de vitesse s’étend de quelques tours par minute jusqu’à lavitesse maximale. Dans cette plage de variation, on obtient aisément desprécisions meilleures que 1 % en régulation analogique et mieux que1 / 1 000 en régulation numérique. En cumulant toutes les variationspossibles (vide/charge, variation de tension, de température, etc.), cetterégulation peut également être effectuée à partir de la mesure de latension du moteur en tenant compte du courant qui le traverse.

Les performances sont dans ce cas nettement inférieures, à la fois engamme de vitesse et en précision (quelques % entre marche à vide et marche en charge).

b Inversion du sens de marche et freinage parrécupération d’énergie

Pour inverser le sens de marche, il faut inverser la tension d’induit. Cecipeut être réalisé à l’aide de contacteurs (cette solution est maintenantabandonnée) ou en statique par inversion de la polarité de sortie duvariateur de vitesse ou de la polarité du courant d’excitation.

Cette dernière solution est peu usitée en raison de la constante de tempsde l’inducteur.

Lorsqu’un freinage contrôlé est désiré ou que la nature de la chargel’impose (couple entraînant), il faut renvoyer l’énergie au réseau. Pendantle freinage, le variateur fonctionne en onduleur, en d’autres termes lapuissance qui transite est négative.

Les variateurs capables d’effectuer ces deux fonctionnements (inversionet freinage par récupération d’énergie) sont dotés de deux pontsconnectés en antiparallèle (C Fig.18).

Chacun de ces ponts permet d’inverser la tension, le courant ainsi que lesigne de l’énergie qui circule entre le réseau et la charge.

115

5

A Fig. 18 LSchéma d’un variateur avec inversion de marche et freinage par récupération d’énergie pour un moteur à courant continu

5.7 Variateur-régulateur pour moteur courant continu5 - Départs moteurs

b Modes de fonctionnement possibles La nature des charges est évoquée avec plus de détails dans le chapitre 3Moteurs et charges. En ce qui concerne le fonctionnement du moteur àcourant continu, nous aborderons le fonctionnement « à coupleconstant » et le fonctionnement à « puissance constante ».

v Fonctionnement dit à « couple constant »À excitation constante, la vitesse du moteur est fonction de la tensionappliquée à l’induit du moteur. La variation de vitesse est possible depuisl’arrêt jusqu’à la tension nominale du moteur qui est choisie en fonctionde la tension alternative d’alimentation.

Le couple moteur est proportionnel au courant d’induit et le couplenominal de la machine peut être obtenu de manière continue à toutes lesvitesses.

v Fonctionnement dit à « puissance constante »Lorsque la machine est alimentée sous sa tension nominale, il est encorepossible d’augmenter sa vitesse en réduisant le courant d’excitation. Le variateur de vitesse doit dans ce cas comporter un pont redresseurcontrôlé alimentant le circuit d’excitation. La tension d’induit reste alorsfixe et égale à la tension nominale et le courant d’excitation est ajustépour obtenir la vitesse souhaitée.

La puissance a pour expression :P = E . IavecE sa tension d’alimentation,I le courant d’induit.

La puissance, pour un courant d’induit donné, est donc constante surtoute la gamme de vitesse, mais la vitesse maximale est limitée par deuxparamètres :

- la limite mécanique liée à l’induit et en particulier la force centrifugemaximale pouvant être supportée par le collecteur,

- les possibilités de commutation de la machine, en général plusrestrictives.

Le fabricant du moteur doit donc être sollicité pour bien choisir unmoteur, en particulier en fonction de la gamme de vitesse à puissanceconstante.

5.8 Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

Le variateur de vitesse pour moteur asynchrone reprend les mêmesprincipes de base que le variateur pour moteur à courant continu.L’apparition sur le marché de variateurs de vitesse économiques pourmoteur asynchrone est assez récente. En France, Telemecanique a étéune des compagnies pionnières en la matière. L’évolution destechnologies a permis la réalisation de variateurs économiques fiables etperformants.

b Principe généralLe convertisseur de fréquence, alimenté à tension et fréquence fixes parle réseau, assure au moteur, en fonction des exigences de vitesse, sonalimentation en courant alternatif à tension et fréquence variables.

Pour alimenter convenablement un moteur asynchrone à couple constantquelle que soit la vitesse, il est nécessaire de maintenir le flux constant.Ceci nécessite que la tension et la fréquence évoluent simultanément etdans les mêmes proportions.

116

5.7 Variateur-régulateur pour moteur courantcontinu

5.8 Convertisseur de fréquence pour moteurasynchrone


b ConstitutionLe circuit de puissance est constitué par un redresseur et un onduleurqui, à partir de la tension redressée, produit une tension d’amplitude etfréquence variables (C Fig. 19). Pour respecter la directive CE - Communauté Européenne - et les normes associées, un filtre « réseau »est placé en amont du pont redresseur.

v Le redresseurLe redresseur est en général équipé d’un pont redresseur à diodes etd’un circuit de filtrage constitué d’un ou plusieurs condensateurs enfonction de la puissance. Un circuit de limitation contrôle l’intensité à lamise sous tension du variateur. Certains convertisseurs utilisent un pont àthyristors pour limiter le courant d’appel de ces condensateurs de filtragequi sont chargés à une valeur sensiblement égale à la valeur crête de lasinusoïde réseau (environ 560 V en 400 V triphasé).Malgré la présence de circuits de décharge, ces condensateurs sont susceptiblesde conserver une tension dangereuse en l’absence de tension réseau. Uneintervention à l’intérieur d’un tel produit ne doit donc être effectuée que par despersonnes formées et connaissant bien les précautions indispensables à mettreen place (circuit de décharge additionnel ou connaissance du temps d’attente).

v L’onduleurLe pont onduleur, connecté à ces condensateurs, utilise six semi-conducteurs de puissance (en général des IGBT) et des diodes de rouelibre associées.

Ce type de variateur est destiné à l’alimentation des moteurs asynchronesà cage. Ainsi l’Altivar, de la Marque Telemecanique, permet de créer unmini-réseau électrique à tension et fréquence variables capabled’alimenter un moteur unique ou plusieurs moteurs en parallèle.

Il comporte : - un redresseur avec condensateurs de filtrage, - un onduleur à 6 IGBT et 6 diodes,- un hacheur qui est connecté à une résistance de freinage (en général

extérieure au produit),- les circuits de commande des transistors IGBT,- une unité de contrôle organisée autour d’un microprocesseur, lequel

assure la commande de l’onduleur,- des capteurs internes pour mesurer le courant moteur, la tension

continue présente aux bornes des condensateurs et dans certains casles tensions présentes aux bornes du pont redresseur et du moteurainsi que toutes les grandeurs nécessaires au contrôle et à laprotection de l’ensemble moto-variateur,

- une alimentation pour les circuits électroniques bas niveau.

Cette alimentation est réalisée par un circuit à découpage connecté auxbornes des condensateurs de filtrage pour bénéficier de cette réserved’énergie. Cette disposition permet à l’Altivar de s’affranchir des fluctuationsréseau et des disparitions de tension de courte durée, ce qui lui confère deremarquables performances en présence de réseaux fortement perturbés.

b La variation de vitesseLa génération de la tension de sortie est obtenue par découpage de latension redressée au moyen d’impulsions dont la durée, donc la largeur,est modulée de telle manière que le courant alternatif résultant soit aussisinusoïdal que possible (C Fig.20).

Cette technique connue sous le nom de MLI (Modulation de Largeurd’Impulsions ou PWM en anglais) conditionne la rotation régulière à bassevitesse et limite les échauffements. La fréquence de modulation retenue estun compromis : elle doit être suffisamment élevée pour réduire l’ondulationde courant et le bruit acoustique dans le moteur sans augmenternotablement les pertes dans le pont onduleur et dans les semi-conducteurs.

Deux rampes règlent l’accélération et le ralentissement.

117

5

A Fig. 19 LSchéma de principe d’unconvertisseur de fréquence

A Fig. 20 LLa modulation de largeur d’impulsions



b Les protections intégréesLe variateur s’auto-protège et protège le moteur contre les échauffementsexcessifs, en se verrouillant jusqu’au retour à une température acceptable.

Il en est de même pour toute perturbation ou anomalie pouvant altérer le fonctionnement de l’ensemble, comme les surtensions ou sous tension,la disparition d’une phase d’entrée ou de sortie.

Dans certains calibres le redresseur, l’onduleur, le hacheur, la commandeet les protections contre les courts-circuits sont intégrés dans un uniquemodule IPM - Intelligent Power Module -.

b Lois de commande du moteur asynchroneLes variateurs de vitesse pour moteur asynchrone de première générationutilisaient une loi de commande, dite en U/F dite également commandescalaire, seule possibilité réalisable économiquement. L’apparition desmicroprocesseurs et de leur puissance de calcul a permis d’appliquer lacommande vectorielle, infiniment plus performante. Les constructeursproposent sur la majorité de leurs produits la commande scalaire, la commande vectorielle sans capteur et sur certains variateurs, la commande vectorielle avec capteur.

v Fonctionnement en U/fDans ce type de fonctionnement, la référence vitesse impose unefréquence à l’onduleur et par voie de conséquence au moteur, ce quidétermine la vitesse de rotation. La tension d’alimentation est en relationdirecte avec la fréquence. Ce fonctionnement est souvent nomméfonctionnement à U/f constant ou fonctionnement scalaire.

Si aucune compensation n’est effectuée, la vitesse réelle varie avec la charge ce qui limite la plage de fonctionnement et les performances.Une compensation sommaire peut être utilisée pour tenir compte del’impédance interne du moteur et limiter la chute de vitesse en charge.

v Contrôle vectoriel de flux sans capteurLes performances sont grandement augmentées par une électronique decommande faisant appel au contrôle vectoriel de flux - CVF - (CFig.21).

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A Fig. 21 LSchéma de principe d’un variateur à contrôle vectoriel de flux

La plupart des variateurs modernes intègrent cette fonction en standard.Pour la majorité des applications, la connaissance ou l’estimation desparamètres de la machine permet de se passer de capteur de vitesse.Dans ce cas, un moteur standard peut être utilisé avec la limitationusuelle de fonctionnement prolongé à basse vitesse.

Le variateur élabore les informations à partir des grandeurs mesurées auxbornes de la machine (tension et courant).

Ce mode de contrôle apporte des performances acceptables sansaugmentation de coût.

Pour obtenir ces performances, certains paramètres de la machinedoivent être connus.

A la mise en service, le metteur au point de la machine doit notammentintroduire les caractéristiques plaquées sur le moteur dans les paramètresde réglage du variateur telles que : UNS : tension nominale moteur,FRS : fréquence nominale stator,NCR : courant nominal stator,NSP : vitesse nominale,COS : cosinus moteur.

Ces abrégés sont utilisés par les variateurs Altivar de la marqueTelemecanique.

A partir de ces valeurs, le variateur calcule les caractéristiques du rotor :Lm, Tr. (Lm : inductance magnétisante, Tr : moment du couple).

A la mise sous tension, un variateur avec contrôle vectoriel de flux sanscapteur (type ATV58F – Telemecanique) pratique un autoréglage qui luipermet de déterminer les paramètres statoriques Rs, Lf. Cette mesurepeut se faire moteur accouplé à la mécanique.

La durée varie en fonction de la puissance moteur (1 à 10 s).

Ces valeurs sont mémorisées et permettent au produit d’élaborer les loisde commande.

L’oscillogramme de la figure 22 représente la mise en vitesse d’un moteur,chargé à son couple nominal alimenté par un variateur sans capteur.

On remarquera que le couple nominal est obtenu rapidement (moins de0.2 s) et la linéarité de la mise en vitesse. La vitesse nominale est obtenueen 0.8 seconde.

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5



A Fig. 22 LCaractéristiques d’un moteur à sa mise sous tension par unvariateur avec contrôle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F – Telemecanique)

v Variateur avec contrôle vectoriel de flux en boucle fermée aveccapteur

Le contrôle vectoriel de flux en boucle fermée avec capteur est une autrepossibilité. Cette solution fait appel à la transformation de Park et permetde contrôler indépendamment le courant (Id) assurant le flux dans lamachine et le courant (Iq) assurant le couple (égal au produit Id, Iq).

La commande du moteur est analogue à celle d’un moteur à courantcontinu.

Cette solution (C Fig.23) apporte la réponse aux applications exigeantes :forte dynamique lors des transitoires, précision de vitesse, couple nominalà l’arrêt.

Le couple maximal transitoire est égal à 2 ou 3 fois le couple nominalsuivant le type de moteur.

De plus, la vitesse maximale atteint souvent le double de la vitessenominale, ou davantage si le moteur le permet mécaniquement.

Ce type de contrôle autorise également des bandes passantes trèsélevées et des performances comparables et même supérieures auxmeilleurs variateurs à courant continu. En contrepartie, le moteur utilisén’est pas de construction standard en raison de la présence d’un capteuret le cas échéant d’une ventilation forcée.

L’oscillogramme représenté dans la figure 24 représente la mise en vitessed’un moteur, chargé à son couple nominal, alimenté par un variateur aveccontrôle vectoriel de flux avec capteur. L’échelle des temps est de 0.1 spar division. Par rapport au même produit sans capteur, l’augmentationdes performances est sensible. Le couple nominal s’établit en 80 ms et letemps de montée en vitesse, dans les mêmes conditions de charge estde 0.5 seconde.

En conclusion, le tableau de la figure 25 compare les performancesrespectives d’un variateur dans les trois configurations possibles.

b Inversion du sens de marche et freinage

Pour inverser le sens de marche, un ordre externe (soit sur une entréedédiée à cet effet, soit pour un signal circulant sur un bus decommunication) entraîne l’inversion dans l’ordre de fonctionnement descomposants de l’onduleur, donc du sens de rotation du moteur.

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A Fig. 24 LOscillogramme de la mise en vitessed’un moteur, chargé à son couplenominal alimenté par un variateur aveccontrôle vectoriel de flux (type ATV58F– Telemecanique).

A Fig. 25 LPerformances respectives d’unvariateur dans les trois configurationspossibles (type ATV58F –Telemecanique)

A Fig. 23 LSchéma de principe d’un variateur avec contrôle vectoriel de fluxavec capteur

Plusieurs fonctionnements sont possibles.

v 1er cas : inversion immédiate du sens de commande des semi-conducteurs

Si le moteur est toujours en rotation au moment de l’inversion de sens de marche, cela se traduit par un glissement important et le courant dansle variateur est alors égal au maximum possible (limitation interne). Le couple de freinage est faible en raison du fort glissement et larégulation interne ramène la consigne de vitesse à une faible valeur.Quand le moteur atteint la vitesse nulle, la vitesse s’inverse en suivant larampe. L’excédent d’énergie non absorbée par le couple résistant et lesfrottements est dissipé dans le rotor.

v 2ème cas : inversion du sens de commande des semi-conducteurs précédée d’une décélération avec ou sans rampe

Si le couple résistant de la machine est tel que la décélération naturelleest plus rapide que la rampe fixée par le variateur, celui-ci continue àfournir de l’énergie au moteur. La vitesse diminue progressivement ets’inverse. Par contre, si le couple résistant de la machine est tel que ladécélération naturelle est plus lente que la rampe fixée par le variateur, lemoteur se comporte comme une génératrice hyper synchrone et restituede l’énergie au variateur. Cependant, la présence du pont de diodesinterdisant le renvoi de l’énergie vers le réseau, les condensateurs defiltrage se chargent, la tension augmente et le variateur se verrouille. Pour éviter cela, il faut disposer d’une résistance qui est connectée auxbornes des condensateurs par un hacheur de façon à limiter la tension àune valeur convenable. Le couple de freinage n’est plus limité que par les capacités du variateur de vitesse : la vitesse diminue progressivementet s’inverse.

Pour cette utilisation, le fabricant du variateur fournit des résistances defreinage dimensionnées en fonction de la puissance du moteur et desénergies à dissiper. Le hacheur étant dans la majorité des cas inclusd’origine dans le variateur, seule la présence d’une résistance de freinagedistingue un variateur capable d’assurer un freinage contrôlé. Ce mode de freinage est donc particulièrement économique.

Il va de soi que ce mode de fonctionnement permet de ralentir un moteurjusqu’à l’arrêt sans nécessairement inverser le sens de rotation.

v 3ème cas : fonctionnement prolongé en freinageUn cas typique d’application est rencontré par les bancs d’essai demoteur. Il est inenvisageable de dissiper dans des résistances l’énergieainsi produite, le bilan énergétique serait inacceptable et la dissipationdes calories problématique. La plupart des constructeurs proposent desassociations qui permettent de restituer au réseau l’énergie récupérée. En général, le pont de diode connecté au réseau est remplacé par unpont de semi-conducteurs contrôlés constitué d’IGBT. La restitution, par une commande MLI appropriée, est faite le plus souvent sous laforme d’un courant sinusoïdal.

v Autre possibilité de freinageUn freinage économique peut être facilement réalisé en faisantfonctionner l’étage de sortie du variateur en hacheur qui injecte ainsi uncourant continu dans les enroulements. Le couple de freinage n’est pascontrôlé. Il est assez peu efficace, surtout à grande vitesse, et de ce faitla rampe de décélération n’est pas contrôlée. Néanmoins c’est unesolution pratique pour diminuer le temps d’arrêt naturel de la machine.L’énergie étant dissipée dans le rotor, ce mode de fonctionnement est,par nature, occasionnel.

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b Les modes de fonctionnement possiblesv Fonctionnement dit à « couple constant »Tant que la tension délivrée par le variateur peut évoluer et dans la mesureoù le flux dans la machine est constant (rapport U/f constant ou mieuxencore avec contrôle vectoriel de flux), le couple moteur seragrossièrement proportionnel au courant et le couple nominal de la machinepourra être obtenu sur toute la plage de vitesse (C Fig.26a).

Cependant, le fonctionnement prolongé au couple nominal à bassevitesse n’est possible que si une ventilation forcée du moteur est prévue,ce qui nécessite un moteur spécial. Les variateurs modernes disposentde circuits de protection qui établissent une image thermique du moteuren fonction du courant, des cycles de fonctionnement et de la vitesse derotation : la protection du moteur est donc assurée.

v Fonctionnement dit à « puissance constante »Lorsque la machine est alimentée sous sa tension nominale, il est encorepossible d’augmenter sa vitesse en l’alimentant à une fréquencesupérieure à celle du réseau de distribution. Toutefois, la tension de sortiedu convertisseur ne pouvant pas dépasser celle du réseau, le coupledisponible décroît en proportion inverse de l’accroissement de la vitesse(C Fig.26b).

Au-dessus de sa vitesse nominale, le moteur fonctionne non plus àcouple constant, mais à puissance constante (P = Cω), tant que lacaractéristique naturelle du moteur l’autorise.

La vitesse maximale est limitée par deux paramètres :- la limite mécanique liée au rotor,- la réserve de couple disponible.

Pour une machine asynchrone alimentée à tension constante, le couplemaximum variant comme le carré de la vitesse (C chapitre 3 Moteurs etcharges), le fonctionnement à « puissance constante » n’est possible quedans une plage limitée de vitesse déterminée par la caractéristique decouple propre à la machine.

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A Fig. 26a LCouple d’un moteur asynchrone àcharge constante alimenté par unconvertisseur de fréquence [a] – zonede fonctionnement à couple constant,[b] – zone de fonctionnement àpuissance constante

A Fig. 26b LCouple d’un moteur asynchrone àcharge constante alimenté par unconvertisseur de fréquence [a] – zonede fonctionnement à couple constant,[b] – zone de fonctionnement àpuissance constante

5.9 Gradateur de tension pour moteur asynchrone

b Historique et présentationCe dispositif de variation de tension, (C Fig.27) exploitable pourl’éclairage et le chauffage, n’est pratiquement plus utilisé commevariateur de vitesse.

Par le passé, cette solution a été utilisée avec des moteurs asynchrones à cage résistante ou à bagues. Le mode de fonctionnement est illustrédans la figure 28. On voit clairement qu’une variation de vitesse estpossible en faisant varier la tension et en particulier avec un moteur àcage résistante. Ces moteurs asynchrones sont dans la majorité des castriphasés, occasionnellement monophasés pour les petites puissances(jusqu’à 3 kW environ). Autrefois populaires pour certaines applications,telle la variation de vitesse des petits ventilateurs, les gradateurs ontquasiment disparu au profit des convertisseurs de fréquence pluséconomiques en phase d’exploitation.

Le gradateur de tension, dénommé « soft starter » dans les pays de langueanglaise, est utilisé universellement pour le démarrages des moteurs.

Ces moteurs asynchrones sont dans la majorité des cas triphasés,occasionnellement monophasés pour les petites puissances (jusqu’à3 kW environ).

Il est utilisé comme démarreur ralentisseur progressif, dans la mesure oùun couple de démarrage élevé n’est pas nécessaire et permet de limiterl’appel de courant, la chute de tension qui en découle et les chocsmécaniques dus à l’apparition brutale du couple.

Parmi les applications les plus courantes, citons le démarrage despompes centrifuges et des ventilateurs, des convoyeurs à bande, desescaliers roulants, des portiques de lavage d’automobiles, des machineséquipées de courroies, etc. et en variation de vitesse sur les moteurs detrès faible puissance ou sur les moteurs universels, comme dansl’outillage électroportatif.

Dans le cas des pompes, la fonction ralentisseur permet égalementd’éliminer les coups de bélier.

Trois types de démarreurs se trouvent sur le marché : soit à une phasecontrôlée dans les petites puissances, soit à deux phases contrôlées (la troisième étant une connexion directe), soit avec toutes les phasescontrôlées. Les deux premiers systèmes ne sont à utiliser que pour descycles de fonctionnement peu sévères en raison du taux d’harmoniquessupérieur.

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5.9 Gradateur de tension pour moteur asynchrone5 - Départs moteurs

A Fig. 27 LDémarreur de moteurs asynchrones etforme du courant d’alimentation

A Fig. 28 LCouple disponible d’un moteur asynchrone alimenté à tensionvariable et dont le récepteur présente un couple résistantparabolique (ventilateur) [a] – moteur à cage d’écureuil,[b] – moteur à cage résistante

b Principe général

Le circuit de puissance comporte, par phase, 2 thyristors montés tête-bêche (C Fig. 28).

La variation de tension est obtenue en faisant varier le temps deconduction de ces thyristors au cours de chaque demi-période. Plusl’instant de l’amorçage est retardé, plus la valeur de la tension résultanteest faible.

L’amorçage des thyristors est géré par un microprocesseur qui assureégalement les fonctions suivantes :

- contrôle des rampes de montée en tension et de diminution detension réglables ; la rampe de décélération ne pourra être suivie quesi le temps de décélération naturel du système entraîné est plus long,

- limitation de courant réglable,- sur couple au démarrage,- commande de freinage par injection de courant continu,- protection du variateur contre les surcharges,- protection du moteur contre les échauffements dus aux surcharges ou

aux démarrages trop fréquents,- détection de déséquilibre ou d’absence de phases, de défauts

thyristors.

Un tableau de bord qui affiche différents paramètres de fonctionnementapporte une aide à la mise en service, à l’exploitation et à la maintenance.

Certains gradateurs, comme l’Altistart (Telemecanique) peuventcommander le démarrage et le ralentissement

- d’un seul moteur,- de plusieurs moteurs simultanément, dans la limite de son calibre,- de plusieurs moteurs successivement par commutation. En régime

établi, chaque moteur est alimenté directement par le réseau à traversun contacteur.

Seul l’Altistart dispose d’un dispositif breveté permettant une estimationdu couple moteur ce qui permet d’effectuer des accélérations etdécélérations linéaires et, si nécessaire, de limiter le couple moteur.

b Inversion du sens de marche et freinageL’inversion du sens de marche s’effectue par inversion des phasesd’entrée du démarreur. Le freinage se fait alors à contre courant et toutel’énergie est dissipée dans le rotor de la machine. Le fonctionnement estdonc par nature intermittent.

b Freinage de ralentissement par injection de courantcontinu

Un freinage économique peut être facilement réalisé en faisantfonctionner l’étage de sortie du démarreur en redresseur qui injecte ainsiun courant continu dans les enroulements.Le couple de freinage n’est pas contrôlé et le freinage est assez peuefficace, surtout à grande vitesse. De ce fait, la rampe de décélérationn’est pas contrôlée. Néanmoins, c’est une solution pratique pour diminuerle temps d’arrêt naturel de la machine.

L’énergie étant dissipée dans le rotor, ce mode de fonctionnement estégalement occasionnel.

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5.9 Gradateur de tension pour moteur asynchrone5 - Départs moteurs

5.10 Moto-variateurs synchrones

b Principe généralLes moto-variateurs synchrones (C Fig. 29) sont une association d’unconvertisseur de fréquence et d’un moteur synchrone à aimantspermanents équipé d’un capteur. Ces moteurs sont souvent dénommés« moteurs brushless ».

Ces moto-variateurs sont destinés à des marchés spécifiques, comme lesrobots ou les machines-outils, pour lesquels sont exigés un faible volumedes moteurs, des accélérations rapides et une bande passante tendue.

b Le moteurCe moteur a été décrit dans le chapitre sur les moteurs. Ce qui suitcomplète ces informations pour permettre au lecteur d’appréhender lemode d’alimentation par un variateur de vitesse. Le rotor du moteur estéquipé d’aimants permanents en terre rare pour obtenir un champ élevédans un volume réduit. Le stator comporte des enroulements triphasés A, B, C (C Fig.30).

Ces moteurs peuvent accepter des courants de surcharge importantspour réaliser des accélérations très rapides. Un capteur équipe cesmoteurs pour indiquer au variateur la position angulaire des pôles dumoteur, afin d’assurer la commutation des enroulements (C Fig.31).

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5.10 Moto-variateurs synchrones5 - Départs moteurs

A Fig. 30 LReprésentation simplifiée du statormoteur synchrone à aimantspermanents « moteur brushless »

A Fig. 29 LPhotographie d’un moto-variateursynchrone (Variateur Lexium + moteur,Schneider Electric)

A Fig. 31 LReprésentation simplifiée d’un moteur synchrone à aimantspermanents « moteur brushless », illustrant le capteur angulaire de position du rotor

b Le variateurDans sa constitution, le variateur est similaire à un convertisseur defréquence : il fonctionne de façon analogue.

Il est aussi constitué d’un redresseur et d’un onduleur à transistors àmodulation de largeur d’impulsions (MLI) qui restitue un courant de sortiede forme sinusoïdale. Il est fréquent de trouver plusieurs variateurs de cetype alimentés par une même source de courant continu. Ainsi, sur unemachine-outil, chaque variateur commande un des moteurs associés auxaxes de la machine. Une source commune à courant continu alimente enparallèle cet ensemble de variateurs. Ce type d’installation permet demettre à disposition de l’ensemble, l’énergie qui proviendrait du freinagede l’un des axes.

Comme dans les convertisseurs de fréquence, une résistance de freinageassociée à un hacheur permet d’évacuer l’énergie de freinage en excès.

Les fonctions d’asservissement de l’électronique et les faibles constantesde temps mécaniques et électriques autorisent des accélérations et plusgénéralement des bandes passantes très élevées, avec en même tempsune très grande dynamique de vitesse.

5.11 Moto-variateurs pas-à-pas

b Principe généralLes moto-variateurs pas-à-pas sont des associations d’une électroniquede puissance, similaire dans sa conception à celle d’un convertisseur defréquence, et d’un moteur pas-à-pas.

Ils fonctionnent en boucle ouverte (sans capteur) et sont destinés à desapplications de positionnement.

b Le moteurLe moteur peut être à réluctance variable, à aimants permanents ouprésenter une combinaison des deux (C chapitre 3 Moteurs et charges,pour des explications détaillées).

b Le variateurDans sa constitution, le variateur est analogue à un convertisseur defréquence (redresseur, filtrage et pont constitué de semi-conducteurs depuissance).

L’étage de sortie aliment les bobines du moteur pas-à-pas, comme dansl’exemple de la figure 32 pour un moteur pas-à-pas bipolaire.

Cependant, son fonctionnement est fondamentalement différent dans la mesure où il a pour objectif d’injecter un courant constant dans lesenroulements.

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5.10 Moto-variateurs synchrones5.11 Moto-variateurs pas-à-pas


A Fig. 32 LSchéma de principe d’un variateur pour moteur bipolaire pas-à-pas

Parfois, il fait appel à la modulation de largeur d’impulsions (MLI) pourobtenir de meilleures performances, en particulier le temps de montée ducourant (C Fig.33), ce qui permet d’étendre la plage de fonctionnement.

Le fonctionnement (C Fig.34) en micropas, déjà évoqué dans le chapitre3 Moteurs et charges, permet de multiplier artificiellement le nombre depositions possibles du rotor en générant des échelons successifs dansles bobines, durant chaque séquence. Les courants dans les deuxbobines ressemblent alors à deux courants alternatifs décalés de 90°.

Le champ résultant est la composition vectorielle des champs créés parles deux bobines. Le rotor prend ainsi toutes les positions intermédiairespossibles.

Le schéma représente les courants d’alimentation des bobines B1 et B2et les positions du rotor sont représentées par le vecteur.

5.12 Les fonctions complémentaires des variateurs de vitesse

b Les possibilités de dialoguePour pouvoir assurer un fonctionnement correct du moteur, les variateursintègrent un certain nombre de capteurs pour surveiller la tension, lescourants du moteur et son état thermique. Ces informations,indispensables pour le variateur, peuvent être utiles pour l’exploitation.

Les variateurs et démarreurs récents intègrent des fonctions de dialogueen tirant profit des bus de terrain. Il est ainsi possible de générer desinformations qui sont utilisées par un automate et un superviseur pour laconduite de la machine, les informations de contrôle proviennent del’automate par le même canal.

Parmi les informations qui transitent citons :- les consignes de vitesse,- les ordres de marche ou d’arrêt,- les réglages initiaux du variateur ou les modifications de ces réglages

en opération,- l’état du variateur (marche, arrêt, surcharge, défaut),- les alarmes,- l’état du moteur (vitesse, couple, courant, température).

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5.11 Moto-variateurs pas-à-pas5.12 Les fonctions complémentaires des variateurs

de vitesse


A Fig. 33 LAllure du courant résultant d’unecommande à MLI

A Fig. 34 LDiagramme, courbes d’intensité et principe d’échelons pour unecommande en micropas d’un moto-variateur pas-à-pas

Ces possibilités de dialogue sont également utilisées en liaison avec unPC pour pouvoir simplifier les réglages à la mise en route (téléchargement)ou archiver les réglages initiaux.

b Les fonctions intégréesPour couvrir efficacement bon nombre d’applications, les variateursdisposent d’un nombre important d’ajustages et de réglages comme :

- les temps des rampes d’accélération et de décélération,- la forme des rampes (linéaires, en S, en U ou paramétrables),- les commutations de rampes permettant d’obtenir deux rampes

d’accélération ou de décélération pour permettre par exemple unaccostage en douceur,

- la réduction du couple maximum commandée par une entrée logiqueou par une consigne,

- la marche pas-à-pas,- la gestion de la commande d’un frein pour les applications de levage,- le choix de vitesses présélectionnées,- la présence d’entrées sommatrices permettant d’additionner des

consignes de vitesse,- la commutation des références présentes à l’entrée du variateur,- la présence d’un régulateur PI pour les asservissements simples

(vitesse ou débit par exemple),- l’arrêt automatique suite à une coupure réseau permettant le freinage

du moteur,- le rattrapage automatique avec recherche de la vitesse du moteur

pour une reprise à la volée,- la protection thermique du moteur à partir d’une image générée dans

le variateur,- la possibilité de connexion de sondes PTC intégrées au moteur,- l’occultation de fréquence de résonance de la machine (la vitesse

critique est occultée de sorte que le fonctionnement permanent àcette fréquence est rendu impossible),

- le verrouillage temporisé à basse vitesse dans les applications depompage où le fluide participe à la lubrification de la pompe et évite le grippage.

Ces fonctions, sur les variateurs sophistiqués, se trouvent le plus souventen standard comme dans l’Altivar (ATV58H) Telemecanique.

b Les cartes optionnellesPour des applications plus complexes, les fabricants proposent descartes optionnelles qui permettent soit des fonctions particulières, parexemple le contrôle vectoriel de flux avec capteur, soit des cartes dédiéesà un métier particulier.

On trouve par exemple : - des cartes « commutation de pompes » pour réaliser économiquement

une station de pompage comportant un seul variateur alimentantsuccessivement plusieurs moteurs,

- des cartes « multi-moteurs »,- des cartes « multi-paramètres » permettant de commuter

automatiquement des paramètres prédéfinis dans le variateur,- des cartes spécifiques développées à la demande d’un utilisateur

particulier.

Certains fabricants proposent également des cartes automates intégréesdans le variateur permettant des applications simples. L’opérateurdispose alors d’instructions de programmation et d’entrées et sorties pourla réalisation de petits automatismes, là où la présence d’un automate nese justifie pas.

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5.12 Les fonctions complémentaires des variateursde vitesse


5.13 Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique

b Facteur de déphasagev RappelLe facteur de déphasage ou cosinus ϕ est le cosinus de l’angle dedéphasage du courant par rapport à la tension. Le facteur de déphasagen’a de signification que pour des tensions et des courants sinusoïdaux de même fréquence. Si le courant prélevé à la source présente desharmoniques, ce qui est le cas pour la majorité des variateurs de vitesse,le facteur de puissance sera, par définition, le déphasage du fondamental(ou premier harmonique) du courant par rapport au fondamental de latension d’alimentation.

v 1er cas : le circuit d’entré est constitué de semi-conducteurscommandés de type thyristor : ex : variateur pour moteur à courantcontinuLe facteur de déphasage est sensiblement égale au cosinus de l’angle deretard à l’amorçage. En d’autres termes, si la tension de sortie est faible(basse vitesse), le cosinus ϕ est faible. Si la tension de sortie est élevée(vitesse élevée) le cosinus ϕ est voisin de l’unité.

Le cosinus ϕ devient négatif si le variateur restitue de l’énergie au réseaudans le cas de variateur réversible.

v 2ème cas : pont de diodes constitué de diodes : ex convertisseur defréquence pour moteur asynchroneLe fondamental du courant est quasiment en phase avec la tensiond’alimentation et le cosinus ϕ est proche de 1.

v 3ème cas : le circuit d’entré est constitué de semi-conducteurscommandés de type IGBTCette disposition est utilisée pour effectuer un prélèvement de courantsinusoïdal. Avec une commande MLI appropriée, le cosinus ϕ est égal ouproche de 1.Un convertisseur de fréquence associé à un moteur asynchrone a un meilleurfacteur de déphasage que le moteur lui même. En effet, le pont de diode quiéquipe en général ce mode de convertisseur à un facteur de déphasage prochede 1. Ce sont les condensateurs de filtrage incorporés au variateur qui font officede « réservoir » d’énergie réactive.

b Facteur de puissancev RappelLe facteur de puissance est le rapport de la puissance apparente S et dela puissance active P.

Fp = P/S

La puissance active P est le produit de la tension fondamentale par lecourant fondamental et le cosinus ϕ

P = U x I x cosinus ϕLa puissance apparente S est égale au produit de la valeur efficace de latension par la valeur efficace du courant. Si la tension et le courant sontdéformés, il faudra effectuer la somme quadratique des valeurs efficacesde chaque rang.

Si l’impédance du réseau est faible (ce qui est le cas en général), la tension d’alimentation sera proche de la sinusoïde, en contre partie, le courant absorbé par les semi-conducteurs est riche en harmoniques et d’autant plus riche que l’impédance du réseau sera faible.

La valeur efficace du courant s’exprime de la manière suivante :Ieff = (I1_ + I2_+ I3_+ …… In_) 0.5

Et la puissance apparente S par : S= Veff x Ieffou très sensiblement : S = V x Ieff

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5.13 Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique5 - Départs moteurs

5.13 Les variateurs de vitesse et le bilan énergétique5 - Départs moteurs

Un rapport P/S faible dénote une réseau d’alimentation surchargé en raison des harmoniques avec des risques d’échauffement desconducteurs qui doivent être dimensionnés en conséquence.

v 1er cas : le circuit d’entré est constitue de semi-conducteurscommandés de type thyristor : ex. variateur pour moteur à courantcontinuLe prélèvement de courant est sensiblement carré. Le facteur depuissance est faible à basse tension de sortie et s’améliore quand latension de sortie augmente pour atteindre la valeur de 0.7 environ.

v 2ème cas : pont de diodes constitué de diodes : ex. convertisseur defréquence pour moteur asynchroneLe courant prélevé est riche en harmonique (C Fig.35) et le facteur depuissance est faible quelle que soit la vitesse du moteur. Ce phénomèneest supportable pour les petits variateurs mais devient pénalisant au fur età mesure que les puissances s’accroissent. Pour réduire ce phénomène,des inductances de ligne et des inductances dans les circuits de lasource continue en série avec les condensateurs de filtrage deviennentindispensables. Elles ont pour effet d’atténuer l’amplitude desharmoniques et d’améliorer sensiblement le facteur de puissance. Les convertisseurs de fréquence qui utilisent un pont de diodes, sansinductance de ligne ou dans le circuit continu ont un facteur de puissancede l’ordre de 0.5.

v 3ème cas : le circuit d’entrée est constitué de semi-conducteurscommandés de type IGBTCette disposition est utilisée pour effectuer un prélèvement de courantsinusoïdal. Avec une commande MLI appropriée. Ce mode deprélèvement permet d’obtenir un courant proche de la sinusoïde etd’obtenir un facteur de puissance optimal sensiblement égal au facteurde déphasage et proche de l’unité (C Fig.36).

Compte tenu du prix d’une telle solution, ce type de prélèvement est peurépandu dans l’offre des constructeurs.

b Rendementv Pertes dans le convertisseurLes pertes dans les convertisseurs sont associées aux semi-conducteursqui les constituent.

Les semi-conducteurs sont le siège de perte d’énergie de deux types :- les pertes par conduction dues à la tension résiduelle de l’ordre

du volt,- les pertes par commutation liées à la fréquence de découpage.

Les semi-conducteur ayant des temps de commutation rapides ont lespertes de commutation les plus faibles, comme des IGBT qui autorisentdes fréquences de découpage élevées.

De ce fait, les convertisseurs présentent des rendements excellentssupérieurs à 90%.

v Pertes dans le moteurLes moteurs associés aux convertisseurs voient leurs pertes augmenteren raison du découpage de la tension appliquée. Cependant, la fréquencede découpage étant élevée ; le courant absorbé est quasi sinusoïdal(C Fig. 37) et les pertes supplémentaires peuvent être considéréescomme négligeables.

130

A Fig. 36 LPrélèvement sinusoïdal

A Fig. 37 LAllure du courant moteur

A Fig. 35 LFormes du courant absorbé par unvariateur de vitesse

5.14 Les variateurs de vitesse et les économiesd’énergie et de maintenance


5.14 Les variateurs de vitesse et les économies d’énergie et de maintenance

b Choix du moteurLes convertisseurs de fréquence peuvent alimenter des moteursstandards. sans précaution particulière, si ce n’est le déclassement àbasse vitesse dans le cas de moteurs moto ventilés.

Il sera toujours préférable, cependant, de choisir le moteur ayant lemeilleur rendement et le plus haut cos ϕ.

Dans les faibles puissances, le choix d’un moto variateur synchrone peutêtre judicieux en raison du rendement supérieur de cette association. La différence de prix d’achat est en effet rapidement amortie.

b Nature de la chargeLes convertisseurs de fréquence s’imposent pour le réglage de débit despompes et ventilateurs en raison de la caractéristique de couple de cescharges (C chapitre 3 Moteurs et charges).

L’usage de variateurs de vitesse par rapport à des fonctionnements toutou rien ou à des systèmes de réglage faisant appel à des vannes, desvolets ou des clapets permet des économies substantielles d’énergie.

La documentation des constructeurs donne des exemples de calculd’économie d’énergie permettant d’estimer le retour sur investissement.Cette économie ne peut être évaluée qu’en connaissant parfaitementl’application et les spécialistes des constructeurs sont en mesure deguider le choix de l’utilisateur.

b Réduction de la maintenanceLes convertisseurs de fréquence et les démarreurs électronique (C chapitre 4 Démarrage des moteurs) effectuent un démarrage progressifqui élimine les contraintes mécaniques imposées à la machine pouvantainsi être optimisée directement à la conception.

Dans le cas de la commande multi-moteur (ex. station de pompage), une gestion appropriée des moteurs permet d’équilibrer les heures defonctionnement de chacun d’entre eux et d’augmenter la disponibilité etl’endurance de l’installation.

b ConclusionLe choix d’un variateur de vitesse étant intimement lié à la nature de lacharge entraînée et aux performances visées, toute définition et recherched’un variateur de vitesse doivent passer par une analyse des exigencesfonctionnelles de l’équipement, puis des performances requises pour lemoteur lui-même.

La documentation des fournisseurs de variateurs de vitesse faitégalement abondamment mention de couple constant, couple variable,puissance constante, contrôle vectoriel de flux, variateur réversible, etc.

Ces désignations caractérisent toutes les données nécessaires pourretenir le type de variateur le plus adapté.

Un choix incorrect de variateur peut conduire à un fonctionnement décevant.

De même, il faut tenir compte de la gamme de vitesse souhaitée pourchoisir convenablement l’association moteur/variateur.

Il est conseillé de s’adresser, avec toutes les précisions nécessaires, auxservices spécialisés des constructeurs pour sélectionner le variateurapportant le meilleur rapport prix/performances.

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5.15 Tableau de choix des départs moteurs5 - Départs moteurs

5.15 Grille de choix des départs moteurs

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Démarreur Variateur Relais Protections Porte Interrupteur Disjoncteur Disjoncteur DémarreurContacteur Interrupteur

progressif vitesse thermique complémentaire fusibles fusibles ligne moteur contrôleurProduit

Fonction

Section-nement

Interruption

Protectioncourt circuit

Surcharge

Fonctionscomplémen-

taires

Commu-tation

(TOR, 2V, ∆)

Commutationà vitessevariable

Commutationà vitessevariable

133

5

Asg 5 departs_moteur

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