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=60xf/p
ns : vitesse de synchronisme en tr/mn (fréquence du champ tournant)
- 𝛀s : vitesse de synchronisme en rad/s
- f : fréquence du réseau d’alimentation en Hz
- p : nombre de paires de pôles
- 𝝎 : pulsation en rad/s
Pour une machine asynchrone, la condition de synchronisme est :
Soit le glissement (en %) d’une machine asynchrone :
D’après la relation, pour faire varier la vitesse de rotation du rotor, on peut agir sur :
- La fréquence
- Le nombre de paires de pôles
- Le glissement
Par exemple :
Dans le cas où le moteur possède 2 « paires de pôles » sur le réseau (f=50 Hz), sa vitesse de synchronisme sera de 25 tr/s soit 1500 tr/min.
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 ou monophasée, 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 :
Les couples des charges imposés :
Comprendre les différents types de couple des charges est essentiel pour bien configurer un variateur de vitesse. On distingue généralement quatre profils principaux :
- Le couple constant est typique des convoyeurs, compresseurs à vis, ou des machines-outils. Ici, le couple demandé reste identique quelle que soit la vitesse.
- Le couple proportionnel à la vitesse (ou couple linéaire) est plus rare, mais peut se rencontrer dans certains entraînements spécifiques où le couple varie de façon directe avec la vitesse.
- Le couple parabolique est caractéristique des ventilateurs, pompes centrifuges et agitateurs. Le couple varie avec le carré de la vitesse, ce qui permet une importante économie d’énergie à basse vitesse.
- Enfin, le couple hyperbolique est associé aux charges à puissance constante comme les bobineuses ou dérouleurs, où le couple augmente quand la vitesse diminue pour maintenir une puissance constante.
💡 La bonne identification du type de charge permet de paramétrer correctement le variateur (loi U/f, rampes, limitation de courant) et d’optimiser le rendement énergétique de l’installation.
