Variateurs de vitesse

Qu'est-ce qu'un variateur de vitesse ? Un variateur de vitesse est un dispositif électronique destiné à commander la vitesse d'u...

Qu'est-ce qu'un variateur de vitesse ?

Un variateur de vitesse est un dispositif électronique destiné à commander la vitesse d'un moteur électrique. C'est un dispositif de conversion de puissance qui convertit la tension fixe, la fréquence fixe de la puissance d'entrée en tension et fréquence variable.

La vitesse du moteur AC est contrôlée de deux façons:

• par le contrôle de la tension
• par le contrôle de la fréquence

Le contrôle de la fréquence donne une meilleure performance grâce à une densité de flux constante que le contrôle de la tension.

Pour un moteur AC la vitesse mécanique du rotor est  liée à la fréquence  des  courants  au  stator.  Ce  lien mathématique  rend  possible  une  commande  de la  vitesse  du  rotor  par  la  commande  de la fréquence du courant au stator.

Pour une machine synchrone, la condition de synchronisme est : 

• ns : vitesse de synchronisme en tr/mn (fréquence du champ tourant)
• 𝛀s : vitesse de synchronisme en rad/s
• f : fréquence du réseau d'alimentation en Hz
• p : nombre de paire de pôles
• 𝝎 : pulsation en rd/s

Pour une machine asynchrone, la condition de synchronisme est :

Soit le glissement d’une machine asynchrone : 

Pourquoi faire varier la vitesse des machines électriques ?

La plupart des applications industrielles nécessitent des vitesses variables aux conditions de charge de pointe et des vitesses constantes aux conditions normales de fonctionnement.

• Débit
• Pression
• Température
• Vitesse de rotation
• Etc…

Et plusieurs machines sont utilisées

• Pompes
• Ventilateurs
• Compresseurs
• Convoyeurs
• Etc…

Economie d’énergie tout en gardant le même degré de confort et de souplesse dans le process industriel

Les constituants d'un variateur de vitesse

Un variateur de fréquence est constitué de quatre parties :

• Redresseur
• Circuit intermédiaire ou filtre de lissage
• Circuit de récupération
• Onduleur
• Circuit de commande

Synoptique d'un variateur de vitesse

Redresseur: connecté à une alimentation triphasée, le pont de diodes ou thyristors génère une tension continue à ondulation résiduelle (le signal n’est pas parfaitement continu). Le redresseur peut être de type commandé ou non commandé.

Filtrage: un condensateur de filtrage + bobine de lissage permettant d'éliminer les phénomènes d'ondulations de tensions et de courant en sorti du redresseur.

Récupération: ce système permet de transformer l'énergie mécanique lors du freinage du moteur en énergie calorifique dans les résistances de dissipation comme système de freinage.

Onduleur: Ce système est un pont tous thyristors ou transistors (IGBT) qui permettent de transformer la tension continue en une tension alternative amplitude et fréquence variables. Tout en maintenant le rapport U/f constant.

Electronique de commande : Pilote (transmission et réception des signaux) le redresseur, le circuit intermédiaire et l’onduleur (en utilisant des DSP : Digital Signal Processor, microprocesseur, microcontrôleurs..)

Les types de variateurs de vitesse

Les variateurs de vitesse peuvent être classés selon leur topologie, c'est-à-dire selon les relations entre leurs différents éléments.

• Variateur à source de tension
• Variateur à source de courant (MLI ou PWM)

Schéma d’un variateur utilisant un onduleur à source de tension :

La figure ci-dessus illustre le schéma d'un variateur de vitesse utilisant un onduleur autonome à source de tension.

Le pont redresseur triphasé tout thyristor (redressement commandé) permet de réaliser la conversion de la tension alternative du réseau en une tension continue. 

Le filtre LC permet de réaliser le lissage de la tension et du courant et d'éliminer les parasites.

Les thyristors sont commandés par un circuit dédié constitué d'un microcontrôleur, DSP, ou autres.

Schéma d’un variateur utilisant un onduleur à source de courant (MLI ou PWM):

La variateur est constitué de : 

• redresseur non commandé
• filtre LC
• hacheur de freinage
• onduleur à commande MLI

Les éléments Th et Rf constituent un hacheur de freinage, pendant la phase de freinage, la machine fonctionne en génératrice, et Th sera amorcé pour permettre à la résistance de freinage Rf d’absorber l’énergie cinétique emmagasinée.

Intérêts des variateurs de vitesse : 

Au niveau des ascenseurs, parmi la multitude de possibilités de fonctions qu’offrent les variateurs de vitesse actuels, on peut citer :

• l’accélération contrôlée,
• la décélération contrôlée,
• la variation et la régulation de vitesse,
• l’inversion du sens de marche,
• le freinage d’arrêt.

Schéma de raccordement électrique d'un variateur de vitesse

Remarque :  

Équiper  d’antiparasites,  tous  les  circuits  selfiques proches du variateur ou couplés sur le même circuit (relais, contacteurs, électrovanne, …). 

Les bornes de puissance : 

Les bornes de commande : 

Les fonctions configurables ou paramétrables :