Les techniques de commande du moteur...

p.2La modulationde largeurd’impulsions(PWM)

p.4Le contrôle vectoriel de tension :contrôle E/F

p.5Le contrôle vectoriel de fluxpour moteur asynchrone

p.10Les diagrammesd’essais

p.13ApplicationsChoix des loisde commande

Un certain nombre de motsclés sont répertoriés dans lafigure 01. Ces mots cléssont rassemblés en 2 groupes qui sont relatifs à 2techniques distinctes.

• Le contrôle en tensionavec optimisation du fluxqui permet de délivrer lemaximum de couple surtoute la gamme de vitesse(1 à 20) et le courant à vide

Contrôle U/F ou E/F

Contrôle scalaire

Contrôle Vectoriel de Tension

Vector Voltage Control

Vector Pause Modulation

● Evaluation de la charge

● Evaluation de la résistance statorique

● Boost manuel / automatique

● Loi E/F autoadaptative

Contrôle vectoriel de fluxavec ou sans capteur

● Estimateur de glissement

● Reconnaissance des paramètres moteurs (Stator et Rotor)

Tous les contrôles sont PWM Sinus ou MLI

Les 2 techniques

Field Oriented Control

Moteur Asynchrone Autopiloté

Contrôle en tension Contrôle en courant

Flux Vector Control

figure 01

Ce guide technique a pour objet de rappeler et de classer les techniques les plus répandues et les plus récentes dela commande des moteurs asynchrones à vitesse variable.

Les techniques de commande

du moteur asynchrone

le plus réduit possible pour minimiserl'échauffement.• Le contrôle vectoriel de flux qui permet à un moteur, équipé d’uncapteur ou pas, d’atteindre un niveau élevéde performances dynamiques et une grande gamme devitesse (1 à 100 / 1 à 1000). Dans les 2 cas, la génération d’ondes de tensions alternativespossède un tauxd’harmoniques le plus réduit possible, ceci parmodulation de largeur d’impulsions (PWM).

GuideTechnique2

Intersections - Juin 1998

La modulation de largeur d'impulsionssinusoïdales(PWM sinus)Dans le domaine de lacommande des moteurs asynchrones, de puissanceinférieure à 500 kW, unestructure de puissance faitmaintenant l’unanimité :l’onduleur de tensionassocié à un redresseur non contrôlé et un filtrecapacitif (figure 02). Les progrès en coût et en performances accomplispar les interrupteurs depuissance, ont permis à

cette structure très simplede s’imposer. La modulationde largeur d’impulsionsconsiste à commander lesinterrupteurs de manière àdélivrer au moteur une suited’impulsions d’amplitudefixe, positives ou négativeset modulées en largeur. Ilexiste de très nombreusespossibilités de réalisations,par exemple :• la technique analogiqueutilisée sur les réalisationsindustrielles les plusanciennes. Elle consiste à générer :- une onde sinusoïdale deréférence par phase dontl’amplitude et la fréquencereprésentent la tension de sortie,

La modulation de largeur d’impulsions(PWM)

L1

L2

L3

E/2

E/2

0U

VW N

Le contrôle MLI

U-0E/2

-E/2

V-0

W-0

U-WE

-E

tension entre phases

50 Hz

20 Hz

-20 Hz détail

figure 02

figure 03 figure 04

- une onde de modulationde fréquence élevée deforme triangulaire. Les interrupteurs de puissance sont commandésaux instants d’intersectionde ces 2 ondes, instantsdéterminés par descomparateurs (figure 03).

• la technique numérique :l’apparition desmicroprocesseurs a permisde transposer le principedécrit précédemment en technique numérique.• la modulation, entièrementréalisée par le microprocesseur, consiste à

commander lesinterrupteurs avec un motifde base auquel onsuperpose une modulationà haute fréquence réalisantla variation de tension (figure 04).

GuideTechnique 3


La modulationvectorielleLa modulation vectorielleest un cas particulier de lamodulation de largeurd’impulsions. Suivant la représentationvectorielle précédente, sonprincipe consiste àconsidérer un vecteurtension quelconque commeétant, dans un intervalle detemps T, la combinaison de2 vecteurs adjacents et duvecteur nul. Autrement dit(figure 08), pour appliquer latension X pendant le tempsT, il est équivalentd’appliquer :• la tension a pendant letemps T1,

• la tension b pendant le

temps T2,

• une tension nulle pendantle temps T0,avec T = T0 + T1 + T2.L’algorithme de calcul apour objet de fournir lesvaleurs de T0, T1, T2.La figure 08 donne unexemple de chronogrammedes tensions sur l’intervalle T.L’intérêt de ce type demodulation est de pouvoirêtre facilement implantédans un microprocesseur.Toutefois, comme tous lestypes de modulation, laqualité de celle-ci résidedans la possibilité d’obtenirune fréquence élevée demodulation, c’est-à-dired’avoir un nombre élevéd’intervalles T par période.

La représentationvectorielle desvariablesDans tout système triphasééquilibré, les variablespeuvent être représentéespar un vecteur dont lescomposantes, disposéessur 3 axes à 120°, sont lesvaleurs de ces variables surchaque phase. Exemple : la figure 05 représente desvariables triphaséessinusoïdales.Ainsi, on peut représenter,sous forme d’un vecteur, lestensions U - 0, V - 0 et W - 0.

Les différentes combinaisonsde commande desinterrupteurs sontreprésentées sur la figure06. A chacune de cescombinaisons correspondune position du vecteurtension. Ainsi la figure 06 (k)montre la position du

vecteur tension pour lacombinaison (a), lescomposantes suivant lesaxes U, V, W étant alorsrespectivement égales àE/2, - E/2, E/2.L’extrémité du vecteurtension a donc seulement

7 positions possibles(figure 07) :• sur les sommets d’unhexagone pour lescombinaisons (a) à (f),• au centre de l’hexagone(vecteur nul) pour lescombinaisons (g) et (h).

1

2

3

θ0

t

1

2

3

θ

E/2

– E/2E/2 a

V

U

W

0 U V W

E/2

E/2

a

0 U V W

E/2

E/2

b

0 U V W

E/2

E/2

c

0 U V W

E/2

E/2

d

0 U V W

E/2

E/2

e

0 U V W

E/2

E/2

f

0 U V W

E/2

E/2

h

0 U V W

E/2

E/2

g

k

V

W

U

d c

b

af

e g

h

b

a

U

X

0

T2

T.b

T1

T.a

a a b h b

E/2U-0-E/2

t

V-0 t

W-0 t

U-V t

T1 T2 T0

T

figure 05

figure 07

figure 06

figure 08

GuideTechnique4


Le schéma équi-valent du moteurasynchroneLa figure 09 représente leschéma équivalent parphase d’une machineasynchrone. Le flux est créépar le courant circulant dansl’inductance magnétisanteLm. Les performancesoptimales du moteur sontobtenues si le flux, et doncle courant magnétisant, estmaintenu sensiblementconstant sur toute la gammede vitesse.Le courant magnétisant peutêtre calculé par l’expression :

avec Es = Vs - (Rs + Lsω) IEn négligeant (Rs + Lsω) Ion obtient :

Le courant magnétisant peut donc être maintenuconstant en maintenant lerapport sensiblementconstant.Toutefois, à des fréquenceset des tensions faibles, leterme (Rs + Lsω) I ne peutplus être négligé, et en particulier le terme RsI.Pour maintenir le fluxconstant, quelle que soit lacharge du moteur et doncquel que soit le courant

absorbé, le maintien d’unrapport constant n’est pas suffisant.

La loi tension/fréquence

Ajustage manuel

Il consiste à adopter une loitension/fréquence avecaugmentation fixe de latension à basse fréquence.

Le contrôle vectorielde tension :contrôle E/F

Ls = inductance de fuite statorique

Rs = résistance statorique

Lm = inductance mutuelle, inductance magnétisante

Rr = résistance rotoriqueLr = inductance de fuite rotorique

Le schéma équivalentdu moteur asynchrone

I = Id + Iqmagnétisant flux

actif couple

Vs

Rs LsI

Es Lm

Id

Lr

Rr/g

Iq

figure 09

Cet ajustage est parfoisappelé “boost manuel”. La tension appliquée aumoteur n’est pas fonctionde sa charge. Cet ajustagepermet d’obtenir un coupleélevé à basse vitesse,mais présentel’inconvénient demaintenir un courant élevédans le moteur à vide avecrisque de saturation et desurcharge.

Ajustage automatique

Il consiste à délivrer aumoteur une tension aveccompensation automatiquede la chute de tension RsI. A une vitesse donnée, latension fournie au moteurvarie en fonction de lacharge. Cet ajustage est

parfois appelé “boostautomatique”. Un réglagepermet de faire varier lecoefficient, c’est-à-direcompenser au plus justela chute de tension RsI du moteur utilisé. Cet ajustage permetd’obtenir un couple élevé, àbasse vitesse, tout en ayantun courant faible à vide. Par contre, il présentel’inconvénient d’un tempsde réponse plus lent. Un excès decompensation peutégalement conduire à une suralimentationentretenue du moteur : - augmentation de la charge,- augmentation de la tension, - augmentation du courant.

Cas particulier :couple quadratique

Le couple résistant exercépar une pompe centrifugeou un ventilateur varie enfonction du carré de lavitesse. On peut donc, sansinconvénient, diminuer leflux du moteur et donc latension d’alimentation dumoteur, pour une fréquenceinférieure à la fréquencenominale (figure 10).Un ajustage automatique dela tension, fonction de lacharge du moteur, permetde délivrer un couple dedécollage suffisant à bassevitesse.

GuideTechnique 5


Performances

Contrôle de flux

Afin d’obtenir desperformances élevées, encouple de surcharge et enrégime transitoire, lesvariateurs de ce typeréalisent un contrôle de fluxcomportant les fonctionssuivantes :• estimation de la charge dumoteur réalisée à partir de lamesure du courant dansl’étage continu du variateur, • estimation de la résistancestatorique. Celle-ci estfonction du calibre dumoteur, connu par le réglagede la protection thermiqueet par son état thermique.Ces deux estimationspermettent de calculer latension à appliquer aumoteur, à une vitessedonnée, pour obtenir le flux

optimum,• boucle de fréquence. Elle évite le décrochage dumoteur en maintenant soncouple constant. Ceci estobtenu en réduisant à la foisla tension et la fréquence,• suralimentation transitoire.Une augmentation anticipéede la tension est fournie aumoteur lors d’accélérationsrapides, afin de maintenir leflux en régime transitoire.Cette fonction est parfoisappelée “boost dynamique”, • compensation deglissement. Afin demaintenir la vitesse de rotation sensiblementconstante, le moteur estalimenté à une fréquencelégèrement plus élevée en charge qu’à vide. Ce surcroît de fréquence estfonction de l’estimation de la charge citée plus haut

et de la fréquence deglissement nominale dumoteur. Celle-ci est estiméeen fonction du calibre du moteur mais peutégalement être ajustée

manuellement.Toutes ces fonctionspermettent d’obtenir unecourbe couple/vitesse ensurcharge telle quereprésentée sur la (figure 10)Toutefois, il apparaît que

tous les systèmes decontrôle en tension citésfigure 01, même optimisés,ne permettent pas decontrôler correctement leflux et le couple à très bassefréquence (ƒ < 2 ou 3 Hz).

U

Fm

Um

F

Vmf

= cte

U

Fm

Um

F

U

Fm

Um

F

C

F

A

B C D

Adaptation en fréquence Compensation de glissementCompensation RI automatiqueCouple indépendant de U réseau

Loi U/F adaptée à l'application

figure 10

Le contrôle vectorielde flux pour moteurasynchroneLa loi de Laplace Les moteurs électriquessont des actionneurs quipermettent de transformerune énergie électrique enénergie mécanique.Cette transformation est

régie par la loi de Laplace.“Un conducteur parcourupar un courant et placédans un champ magnétiqueuniforme est soumis à uneforce d’origineélectromagnétique”.

Analogie entre les moteurs continus et alternatifs

B(champ)

F(force)

I.(courant)

P

0

α

I

Le contrôle vectoriel de flux

Loi de Laplace

B

F

figure 11

GuideTechnique6


Le moteur synchrone autopiloté (brushless) Ce même principe est utilisédans le moteur synchroneautopiloté mais cette fois :• le flux rotorique estconstant. Il est créé par desaimants permanentsmontés dans le rotor,• le flux statorique estvariable. Il est créé par unenroulement triphasépermettant de l’orienterdans toutes les directions.La commutation mécaniquedu moteur à courant continua été remplacée par unecommutation électronique.Elle consite à contrôler laphase des ondes decourant de façon à créer unchamp tournant, toujours enavance de 90° sur le champdes aimants, afin que lecouple soit maximal.Dans ces conditions lecouple est proportionnel au courant statorique.C = K Φr Is

Le moteur asynchrone àcage C’est le moteur le plusrépandu dans l’industrie.Il est robuste, fiable,normalisé, économique,disponible, peuencombrant…Il est constitué :• d’un stator équipé d’unenroulement triphasé,• d’un rotor à cage d’écureuil. Lorsque les enroulementsstatoriques sont alimentés,ils produisent un champtournant.Les lignes de flux quitraversent le rotor sedéplacent par rapport auxbarres conductrices ; uncourant induit prendnaissance dans ces barresmises en court-circuit parleurs extrémités.L’action du champmagnétique sur ce courantgénère des forces (Loi deLaplace), donc un couplequi entraîne le rotor dans lesens du champ tournant.Le couple produit par lamachine est un couplemoteur car il s’oppose aucouple appliqué par la charge qui est à l’origine duglissement. On démontre que pour lesvitesses normales de fonctionnement proches dusynchronisme, le couple estbien proportionnel au glissement. C = Kg Us2

Us étant la tensiond’alimentation statorique(figure 14).

Le moteur à courant continu

φ = Kif C = k'φI

Pôle Sud Pôle Nord

I

I

If If

F

F

Sens de

rotation

moteurφ

I stator

N

S

φs

C = k φr Is

φr

Le moteur synchrone autopiloté

figure 12

figure 13

Le moteur à courant continu Le moteur à courant continu

est l’exemple le plus simple

d’application de la loi de

Laplace. Dans la machine à

courant continu à excitationséparée, le flux et le couplesont découplés etcontrôlablesindépendamment.• Le courant inducteur estproducteur de flux.• Le courant induit est

producteur de couple.Φ = Kif, C =K’ ΦILe maintien desconducteurs actifs dans leflux est réalisé par unecommutation mécanique àl’aide du collecteur et desbalais.

GuideTechnique 7


Φs

θ

Le moteur asynchronechamps statorique et rotorique

Rotor

Stator

Φrf = pNs

N

fr = gf

θ

Ns = N + g NsC = k Φs Φr sinθ

Rappel du principe :

L’enroulement statorique de2p pôles, alimenté par descourants de fréquence f,crée un champ tournant à lavitesse synchrone.

Ce flux balayant lesenroulements rotoriques yinduit des f.e.m., donc descourants puisque cesbobinages sont en court-circuit.Si le rotor tournait à lavitesse de synchronisme Ns,le flux à travers sesenroulements ne varieraitplus, d’où absence decourant rotorique et decouple. Le moteur tourne àune vitesse N d’autant plusinférieure à Ns que le coupledemandé sur l’arbre estimportant.On appelle glissementl’écart relatif :

Le couple provient del’action du flux statoriquesur le courant rotorique qu’ila lui-même induit.

La vitesse de balayage duflux statorique à travers lerotor est :Ns - N = g NsLes courants rotoriquesauront donc une fréquencefr = p g Ns = gf

Le rotor alimenté par descourants de fréquence gfcrée un champ tournant parrapport au rotor à la vitesse gf/p = g Ns = Ns-N (voir tableau ci-dessous).Puisque les champs, statorique Φs et rotoriqueΦr, tournent à la mêmevitesse constante Ns, laposition relative des pôlesdu stator et de ceux durotor est fixe. Ces pôlespeuvent donc s’attirer ou serepousser, ce qui crée uncouple sur l’arbre. Le champrotorique Φr est accroché à celui du stator (figure 15).On démontre quel’expression du couple est C = k Φs Φr sin θOn voit que le couple estmaximum si θ = 90°, d’oùl’analogie avec le moteursynchrone autopiloté.

Le moteur asynchrone

C = k g Us2

Us

Machine asynchrone élémentairestator triphasé et rotor à cage

i

t

iu iv iwU V W

Neutre

ϕ

figure 15

Vitesse champ statorique par rapport au stator Ns

Vitesse champ rotorique par rapport au rotor Ns-N

Vitesse rotor par rapport au stator N

Vitesse champ rotorique par rapport au stator (Ns-N) + N = NS

figure 14

GuideTechnique8


Le schéma équivalent du moteur asynchrone à cage Dans le moteur asynchrone,le courant statorique sert àla fois à générer le flux et lecouple. Le découplagenaturel de la machine àcourant continu n’existeplus.Par analogie avec le moteurà courant continu, on peutdécomposer le courant statorique en : • un courant magnétisant Idqui va générer le flux,• un courant actif Iq qui vagénérer le couple.Les performancesoptimales du moteur sontobtenues si le flux, donc lecourant magnétisant Id, estmaintenu constant sur toutela plage de vitesse (voirpages 4 et 5). La figure 16 indiquecomment se décompose lecourant statorique Is quandle couple varie.

Le contrôle vectoriel de fluxPour obtenir des couplesimportants à très faiblevitesse, voire à vitesse nulle,ainsi que des performancesdynamiques, il estnécessaire d’utiliser unmode de contrôle différent :le contrôle vectoriel de fluxou contrôle à flux orienté.Le contrôle vectoriel de fluxconsiste à modéliser la

machine et à transformerses équations de manière àdécoupler les variables flux et couple et à contrôler séparement lescourants Id et Iq. Considérons la machine

asynchrone biphaséeéquivalente équipée dedeux bobines fictivesorthogonales, l’une étantdestinée à produire le fluxet l’autre à produire lecouple (figure 17).

Les 2 flux Φr et Φs sontproduits par les deuxcourants sinusoïdaux Id et Iq. A partir de là, il est possibleaussi de considérer que cesbobines sont équivalentes à

2 pôles fictifs, créés par descourants continus, que l’onferait tourner à la vitessenécessaire comme dans lemoteur synchroneautopiloté.En fait, si l’on considère quela bobine D, alimentée parle courant continu Id, créeun flux fixe d’axe d et quel’on alimente la bobine Qpar un courant continu Iq, ily a naissance d’un fluxd’axe q. Selon la loi deLENZ un courant rotoriques’oppose à la croissance dece flux. Le courant rotoriqueet le flux d’axe d produisentun couple comme dans lamachine à courant continu.Le couple ainsi produitn’étant que transitoire, il estnécessaire pour le maintenirde déplacer la bobine Q enmaintenant l’interactionchamp-courant, donc degarder le flux d’axe dperpendiculaire à l’axe q.Ainsi il suffit de faire tourner l’ensemble desbobines fictives D et Q en les maintenantperpendiculaires.Le courant Id et le flux Φsseront maintenus constantsdans le cas dufonctionnement à coupleconstant.

Le moteur équivalent biphasé

Φs

F

D

q

d

Q

id F

iq

I = Id2 + Iq2

La somme vectorielle

Iq2 => couple 2

courant actifI 2

mot

eur

I 1 m

oteu

r

courant réactif Id => flux = constante (jusqu'à ωn)

θ2

θ1

Iq1 => couple 1

figure 16

figure 17

GuideTechnique 9


La transformation deséquations de la machine,appelée transformation dePark, consiste tout d’abordà remplacer le moteurtriphasé par le moteurbiphasé équivalent. D’unsystème triphasé fixe onpasse à un systèmebiphasé fixe (les grandeursrestent sinusoïdales) puis àun repère tournant à lavitesse du champ statorique ; dans ce repèreles grandeurs électriques

deviennent des grandeurscontinues.Cette transformationnécessite de nombreusesopérations mathématiqueset d’avoir accès à tous lesparamètres de la machine(résistances, inductances,flux). La transformationréciproque, égalementpossible, va permettre de générer les courantsalternatifs statoriques dansle moteur triphasé.

La transformation de Park

ϕ

i

t

iu iv iw

U V W

ϕ

i

t

ia ib

Ua Ubn

β

α

VW

U Repère triphasé fixeGrandeurs sinusoïdales

β

α

Repère biphasé fixeGrandeurs sinusoïdales

A

B

figure 18

La transformation de ParkLe pilotage vectoriel

Φs

Repère biphasé tournantGrandeurs électriques continues

q (couple)

d (flux)

φs = k1 IdC = k2 φs Iq

F

D

q

d

Q

idF

iq

La structure de la partiepuissance est classique, elleest constituée d’un onduleurde tension associé à unredresseur non contrôlé et àun filtre capacitif. Les ondes de tension sontgénérées par modulation delargeur d’impulsion.La vitesse du moteur estsoit mesurée par un capteursoit calculée.La référence flux estélaborée en fonction de lavitesse du moteur.

La sortie du régulateur devitesse constitue laréférence de couple.La vitesse du champ tournant est obtenueen ajoutant à la vitesse dumoteur le glissement qui aété calculé pour obtenir lecouple.Deux boucles de courantsont utilisées pour imposerles courants triphasés aumoteur en fonction du fluxet du couple nécessaires.

L'algorithme typed'une commande vectorielle

M

référence flux

2/3

Iq

Im

Id

générateurMLI

2/3

Iq

Im

Idcalculéemesurée

ou calculée

intégrateur

ωR

référencevitesse

Id Id

Id'

Iq Iq

Iq'

référence courant / couple

position angulaire

Ur, s, t

Ir

It

Id'

Iq'

ωs

ωR ωg

γs

Le pilotage vectoriel est réalisé

figure 19

figure 20

La transformation de Park L'algorithme type d'une commande vectorielle

GuideTechnique10


Inversion ± 50 Hzavec rampe de 5 secondes

La figure 21 montre lavitesse et le courant dumoteur au cours d'uneinversion entre - 50 Hz et + 50 Hz avec une rampelongue de 5 secondes. Le temps de rampereprésente l'accélération de0 à la vitesse nominale.Donc, ici, l'inversion dure 10 s. On remarque lalinéarité de la vitesse,notamment au passage duzéro de vitesse.

Les résultats suivants ontété obtenus avec un produitindustriel, le variateur devitesse TelemecaniqueAltivar 66. Le moteur utilisé est unmoteur standard du marchéde 7,5 kW, sans capteur. Il entraîne une génératrice

qui possède une dynamotachymétrique servant uniquement àvisualiser la vitesse réelle. Les caractéristiques dumoteur à notre dispositionne sont rien d'autre quecelles marquées sur laplaque signalétique.

Inversion ± 33 Hzavec rampe rapide

Avec une rampe rapide,l'inversion entre ± 33 Hz ou1 000 t/mn dure moins de0,3 s. L'échelle de tempsest dilatée 20 fois par rapport à la figureprécédente. On note toujours la linéaritéde la vitesse qui démontrela constance du couple etdu flux pendant l'inversion (figure 22).

Les diagrammesd'essais

2 s/div

Vitesse (500 t/mn/div)

Courant (10 A/div) figure 21- Linéarité de la vitesse

0,1 s/div


Courant (10 A/div) figure 22 - Passage par zéro sans discontinuité

GuideTechnique 11


Inversion ± 3 Hz

A basse vitesse (ici 3 Hz), le passage par zéro se faitd'une façon linéaire et sansoscillation. L'aspect sinusoïdal ducourant montre aussi que le flux est stable et biencontrôlé (figure 23).

Accélération lente à 70 Hz

Le bon contrôle du flux sevoit surtout dans cetteévolution lente de la vitesse.La constance du courantmagnétisant depuis lavitesse nulle jusqu'à lavitesse nominale montreque le flux est constantdans cette région. Au-delàde la vitesse nominale, leflux diminue avec ladésexcitation automatique.(figure 24).

Tenue en couple à 33 Hz

La figure 25 montre lecomportement en régimedynamique : accélération àvide à 1 000 t/mn puis à-coup de charge nominaleet délestage. On voit que le glissement est biencompensé, car il n'y a pasd'erreur statique. Le module du courantaugmente car, en plus du courant magnétisant, la composante active monteavec le couple.

Courant (18 A/div) figure 23 - Forme de courant à basse vitesse

Vitesse (25 t/mn /div)

0,2 s/div

5 s/div

Vitesse (750 t/mn /div)

Courant (10 A/div) figure 24 - Bon contrôle du flux sur toute la gamme de vitesse

0,5 s/div


Courant (10 A/div) figure 25 - Sans erreur statique

GuideTechnique12


Diagramme couple-vitesse

Ce diagramme couple-vitesse illustre lefonctionnement dans les 4 quadrants : moteur etgénératrice dans les 2 sensde marche. Avec le courantlimité à 1,5 fois le courantnominal, on obtient plus de

1,4 fois le couple nominal,et ceci jusqu'à 1 Hz. En génératrice, le couple est encore plus élevé (icic'est le système de chargequi est limité). Le diagramme estpratiquement le mêmequ'avec un moteur courantcontinu ceci sans capteurde vitesse (figure 27).

40 20 10 5 1 1 5 10 20 40 Hz

1

2

1

2T/Tn

Reprise à la volée

La commande vectorielle, endehors de l'amélioration dela qualité de l'entraînement,permet aussi d'obtenird'autres fonctions annexesde manière plusperformantes (figure 26).Par exemple, la fonctionreprise à la volée permet dereprendre le contrôle d'unmoteur en pleine rotation. Le moteur étant coupé, savitesse diminue. Afin dereprendre le contrôle sans

surintensité il faut connaîtrela vitesse et la position duflux pour pouvoir sesynchroniser. Grâce à lastructure de la commande, ilest possible d'estimer lavitesse et le flux alors que lemoteur n'est plus alimenté.On remarque ici que la coupure a duré plus de 5 secondes. Autrement dit l'estimation de la vitesse a pu se fairealors qu'il ne reste qu'unfaible flux rémanent dans la machine.

2 s/div


Courant (10 A/div) figure 26 - Reprise de contrôle sans surintensité

figure 27 - Diagramme couple-vitesse

Les besoins sont très variésdans le domaine desentraînements. Ils vont desapplications simples tellesque l’entraînement despompes, ventilateurs,jusqu’à des applicationsnécessitant desperformances dynamiquesainsi que des plages devitesse très étendues.Les lois de commande,décrites dans ce quiprécède, permettentd’atteindre des niveaux deperformances trèsdifférents, et couvrentaujourd’hui la plus grandepartie des applications, àl’exception des commandesd’axes des machines-outilset de robots, réservées auxsolutions “ brushless ”.Le tableau figure 28 résumeles différences essentiellesentre les 3 types de contrôleet indique les applicationsles plus courantesaccessibles par chaquetype de contrôle.Par ailleurs, les avantagesdes convertisseurs defréquence, par rapport auxsolutions “moteur à courantcontinu ” se retrouvent dans chacun des cas, cecipour des puissances allant au-delà de 500 kW :• inversion du sens demarche par inversion duchamp tournant (inversionstatique de deux phases par le variateur),• possibilité de fonctionnerau-delà de la vitessenominale, en faisant varier lafréquence seule au-delà de

la vitesse nominale,• un surcouple importantpendant les régimestransitoires, allant jusqu’à 2 Cn, indépendamment dela vitesse defonctionnement et de lapuissance en jeu.Le principal critèrepermettant de différencierles 3 types de contrôle estla gamme de vitesse exigéepar l’application.

Cette plage de vitesseconcerne toutes les vitesses pour lesquelles lecouple disponiblecorrespond au besoin del’application.Autrement dit la chute devitesse devra resteracceptable lors del’application de la pleinecharge. Ceci s’exprime parla précision statique quipeut être estimée à ± 1 %de la vitesse nominale pourles systèmes sans capteur.Toutefois les systèmes decompensation deglissement du contrôle E/Fet les estimateurs de

glissement des CVF*permettent d’obtenir unécart de vitesse plus faiblepar rapport à la consigne.S’il s’agit d’un CVF aveccapteur (codeur incrémental1 024 points/tour parexemple) la précision statique atteindra 0,01 %de la vitesse nominale sansaucune dérive en fonctionde la température et desvariations du réseau, si la

consigne est numérique.Dans ce cas il est possibleaussi d’obtenir le couplemaximal à l’arrêt. Il est doncpossible de tenir la chargesur un mouvement vertical.On appelle cela le «zéroélectrique» qui est utile enlevage lorsque la vitesse depositionnement doit êtreinférieure au 1/20 de lavitesse maximale, pourrespecter les impératifs deprécision dupositionnement.Dans les deux premiers cas,le frein mécanique sera gérépar le variateur de façon àéviter tout dévirage et tout

à-coup préjudiciable à lacharge et à la mécanique.A chaque contrôlecorrespond un certainnombre d’applicationstypiques. La liste n’est pasexhaustive, et la solutionindiquée ici est à vérifier aucas par cas en fonction ducahier des chargesparticulier à la machine.Une application se définittoujours à partir de la

mécanique et des impératifsde fonctionnement. Il faudraconnaître les couplesrésistants et entraînants enfonction de la vitesse, lesinerties et les accélérations/décélérations imposées, quidéfiniront les couplesd’accélération et defreinage. Pour les machinesà cycles rapides, cesnotions peuvent influer surle rapport de réduction àprévoir en vue d’optimiser lemoteur en couple et envitesse. Le choix du moteurdécoule donc toujours de lacinématique et celui duvariateur ne dépend que de

la puissance nominale dumoteur (courant permanent)et surtout du couplemaximal à transmettre. A ceci correspond lecourant maximal à fournir,en considérant que cecourant doit rester inférieurau courant de limitation duvariateur de façon à évitertout phénomène desaturation qui ne permettraitplus d’assurer un bon suivide vitesse. Il faut aussirappeler qu’en cas desurcharge au-delà de ce courant, la vitesse chute,mais le rapport U/F est maintenu constant defaçon à préserver le coupledisponible, ce qui peutpermettre de trouver un autre point defonctionnement, et de revenir à la vitesse affichée après disparition de la surcharge.

*CVF : Contrôle Vectoriel de Flux.

GuideTechnique 13


Applications Choix des lois de commande

lois de gamme de précision de couple à applicationscommande vitesse vitesse l’arrêt

convertisseurs 1 à 10 pompes centrifuges - ventilateurs - compresseursde fréquence 1 à 20 ± 1% non convoyeurs - transporteurs à bande - extracteursE/F agitateurs - broyeurs - presses (volant)

contrôle 1 à 100 ± 1% non pompes doseusesvectoriel levage/manutentionde flux machines à cyclessans capteur machines d’emballage et de conditionnement

contrôle 1 à 100 ± 0,01% oui levage lourdvectoriel manutention automatisée avec positionnement précisde flux amenage de presseavec capteur

figure 28 - Convertisseurs de fréquence pour moteurs asynchrones - Lois de commande

GuideTechnique14


Prenons l’exemple d’unepompe.La figure 30 représente lacourbe (AC) des pertes decharge d’un réseau sur lediagramme débit/pression.Les courbescaractéristiques de lamachine sont représentéespour 2 vitesses différentes.Pour faire passer le débit de 1 (valeur nominale) à 0,7 il y a 3 méthodes possibles :- by pass : le point defonctionnement reste lepoint A,- par vannage, à vitesseconstante de la pompe : lepoint de fonctionnement sedéplace de A à B,- par variation de vitesse : lepoint de fonctionnement sedéplace de A à C.Généralement les exemplesde calculs de temps deretour sur investissementpermettent de conduire àun amortissement en moinsde 2 ans. Pour faire cecalcul, il faut connaître lescaractéristiques précisesdes machines, lesconditions defonctionnement ou

hypothèses d’étude àretenir, la différence de coûtd’investissement, quandelle existe, le type decontrat EDF à appliquer,etc.Notre logiciel ECO 6permet rapidement de faireune estimation.

Des lois de commande bienadaptées à la courbe decouple de ces machines(C = kN2) permettent sur lesvariateurs actuelsd’optimiser le courant parrapport au coupledemandé, réalisant 5 %d’économie supplémentaire.

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La différence de pression entre B et C entraîne une différence d’énergie consommée.

Dans le cas présent sur le plan énergétique EB/EC = 2,17.

Diagramme débit/hauteur ou débit/pression.figure 30

Ventilateurs et pompesLes gammes de vitessessont généralement trèsfaibles (1 à 3) pour obtenirla pleine variation de débit.La variation de vitesse segénéralise sur cesapplications, l’intérêtprincipal étant, outre unesimplification desinstallations, le potentield’économie d’énergie trèsimportant que représente lasuppression des systèmesà perte de charge, sur lebudget d’exploitation. Sur100 % de la consommationélectrique des moteursindustriels, 63 %correspondent à lacirculation des fluides.L’EDF et l’Ademe (Agencede l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie ) quiorchestrent actuellementune campagne

d’information et depromotion concernant la«Maîtrise de la demanded’électricité», estiment queles économies réalisablessont de l’ordre de 30 % à chaque fois qu’il y avariation de débit. Dans lecas des ventilateurs,différentes solutionsexistent pour adapter ledébit.

La figure 29 récapitule etcompare la puissanceappelée par les différentsprocédés de réglage. Du point de vue économied’énergie, ils peuvent êtreclassés, du meilleur aumoins bon :• angle des pales d’unventilateur axial réglable enmarche (essentiellement àbasse vitesse),• vitesse de rotationvariable (elle n’est plusdésormais qu’électronique),• inclineurs à l’aspiration,• registre au refoulement.Du point de vue coûtd’achat et d’installation, duplus bas au plus élevé, leclassement estapproximativement :• registre,• inclineurs,• vitesse de rotationvariable,• pales réglables.L’économie d’énergie

correspond à la différencedes puissances appelées.Le diagrammedébit/hauteur oudébit/pression met cetteéconomie encore plus enévidence. Les courbes sontsimilaires pour lesventilateurs et les pompes.

puissanceappelée

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vitesse de rotation variable

angle des pales variable en marche

(ventilateur axial)

inclineurs à l’aspiration

(ventilateur centrifuge)

registre au refoulement

figure 29

GuideTechnique 15


sont également importants,puisque dans l’industrieautomobile, le temps decycle constitue le critèreprincipal. Si une meilleurestabilité est obtenue enphase d’accostage, les

phases de petite vitessepeuvent être réduites,entraînant une diminution ducycle de 20 % etaugmentant d’autant lescadences de passage surl’ascenseur-descenseur .

ManutentionCes systèmes concernenttous les transferts de piècesd’un point à un autre. Ilsdoivent se faire à unevitesse ou dans un tempsimparti, avec unpositionnement manuel ouautomatique, qui répondaussi aux critères du cahierdes charges en termes deprécision et de rapidité depositionnement.Les positionnements lesplus simples se font à partird’une vitesse d’approcheréduite.Celle-ci peut être donnéepar un moteur à deuxvitesses ou un palier devitesse plus faible donnépar le variateur du moteurasynchrone.Par contre si lepositionnement doit êtrerapide et précis, ce palierde basse vitesse doit êtreéliminé. Une répétitivitésuffisante peut être obtenuepar une rampe dedécélération préréglée. Une boucle de position(carte d’axe et capteur) seranécessaire pour obtenir unebonne précision. Notre expérience dansl’industrie automobile

permet de synthétiser lessolutions sur lesdiagrammes figures 31 et 32.Citons l’exemple del’ascenseur-descenseurpour l’industrie automobile.Il permet de mettre envaleur l’intérêt du CVF sanscapteur.Dans ce cas particulier, le but est de monter unevoiture du niveau 1 auniveau 2 afin de poursuivred’autres opérations demontage. Sur cesapplications, le problèmeprincipal réside dans lepositionnement à chaqueniveau.C’était le domaine dumoteur à deux vitesses,mais avec une mécaniqueplus complexe, et des fraisde maintenance élevés.La vitesse variable a permisd’apporter à la fois une plusgrande souplesse, unemeilleure flexibilité, descadences plus élevées ainsiqu’une meilleure fiabilité enminimisant les contraintesmécaniques. Des gainssont apparus à la mise enroute, puisque la machine apu être réglée simplementavec les réglages«standard» du produit. Le variateur s’est chargéd’intégrer, par la mesure, les paramètres nécessairesà ses algorithmes, et parl’intermédiaire de soncontrôleur de fluxpermanent, les a optimisésau cours de sonfonctionnement.Les gains à l’exploitationsont évidents, la variationde vitesse et le contrôle du

couple dans les phasesd’accostage ayantpérennisé la mécanique.D’autres gains peuvent êtreinduits par l’autoprotectionliée au produit.Les gains de productivité

Choix du mode d'entraînement en fonction du temps de cycle et de la course

moteur asynchrone deux vitesses- cycle PV/GV- vitesse 0,12 à 0,45 m/s

course en mètres

temps en secondes

1

1

2

3

4

5

6

7

2 3 4 5 6 7

convertisseur de fréquence E/Fvitesse 1,2 m/s

CVF sans capteur vitesse 1,5 m/s

CVF avec capteur vitesse 2 m/s

figure 31

Choix du mode d'entraînement en fonction de la précision d'arrêt

20 10 2 1 0,5 0,1

carte d’axeGV/PV sur cames

carte d’axeGV/PV sur cames

carte de positionnement GV/PV sur cames

asynchrone 2 vitesses

CVF avec capteur

CVF sanscapteur

contrôleE/F

précision en mm

temps admis pour le déplacement

figure 32

GuideTechnique16


LevageDe façon générale lepositionnement est manuelmais les qualités requisesdes systèmes serontessentiellement rapidité etsouplesse d’utilisation, avecpar conséquent une parfaitemaîtrise de la charge auxbasses vitesses, voirejusqu’à l’arrêt.Les systèmes à CVF sanscapteur peuvent être utilisésgénéralement jusqu’à despuissances importantes(plusieurs centaines de kW),mais des critères desouplesse (notion de coupleà l’arrêt) et de sécurité(contrôle de la vitesse réelle)font préférer la solution aveccapteur. Le CVF avec capteur estnécessaire aussi sur lessystèmes automatiques oùla précision depositionnement demandéeest très importante.

Pour éviter le balancementde la charge, les rampes en«S» (dérivée del’accélération et de ladécélération constante)peuvent suffir sur les ponts-roulants à l’abri desperturbations extérieures.En extérieur les portiquesportuaires avec des vitesses

de déplacement élevées (2 m/s à vide, 1 m/s en charge) exigent uncontrôle de l’angle queprend la charge par rapport à la verticale (système SWAYTEL).Le système corrige lavitesse du mouvement de translation.

Nous ne parlerons pas icides nombreusesfonctionnalités «métier»qu’il est directementpossible de programmermaintenant sur lesvariateurs de vitesse.C’est aussi ce quidifférencie les produitscatalogués, car pour lesmoteurs asynchronesstandard, le CVF sanscapteur tend à segénéraliser, ceci sanssurcoût.Le meilleur contrôle ducouple est nécessaire pourl’utilisation des bassesvitesses. Il permet aussid’optimiser le courant, cequi est utile pour lespompes et ventilateurs.

Commande scalaire. 0,5 s/div

Courant (10 A/div)

Commande vectorielle sans capteur 0,5 s/div

figure 33 - Application ascenseur-descenseur

Afin d’illustrer la stabilitéobtenue, la figure 33présente ce que l’on peutobtenir en terme decourant, en phase dedécélération, avec unecommande scalairestandard et avec unecommande vectorielle sanscapteur.Sur une commandescalaire, en phased’accostage, apparaissentd’importantes instabilitésde courant qui provoquentdes à-coups mécaniquesgénérateurs d’usuresnotables et qui empêchentun positionnement précis.

Avec une commandevectorielle sans capteur, lepassage de grande à petitevitesse, visible sur la phaseélargie de la sinusoïde,assure une complètestabilité qui autorise, defaire du positionnementavec un moteur totalementstandard.

GuideTechnique17


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GuideTechnique 18


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GuideTechnique 20


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GuideTechnique 22


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GuideTechnique23


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GuideTechnique 24


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GuideTechnique25


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GuideTechnique 26


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GuideTechnique27


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GuideTechnique 28


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GuideTechnique29


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GuideTechnique31


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GuideTechnique 32


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GuideTechnique33


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GuideTechnique 34


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Guide37


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Les techniques de commande du moteur...

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