Raccorder un variateur pour moteur asynchrone
La variation de vitesse était, il y a encore quelques années, réservée aux machines à courant continu. Elle seule permettait la régulation de la vitesse sans dégradation du couple.
Les progrès de l’électronique de puissance ont permis le développement des convertisseurs de vitesse pour les machines à courant alternatif. Cette nouvelle donne a mis en concurrence deux produits répondant aux exigences de l’entraînement à vitesse variable : les machines à courant continu et les machines à courant alternatif.
Pour des raisons de coût, d’encombrement, de fiabilité on préférera choisir les machines à courant alternatif. Par conséquent dans le secteur industriel il faut s’attendre à la disparition progressive des entraînements utilisant les machines à courant continu.
La variation de vitesse des moteurs asynchrone est obtenue par modulation de la fréquence du réseau d’alimentation. Pour cela, on utilise un convertisseur statique continu/alternatif raccordé à la source. Ce dernier permet la modulation de l’énergie par variation de la fréquence et de la tension efficace.
Pour des applications de pompage et de ventilation, l’installation équipée d’un variateur permet d’économiser de l’énergie par rapport à une installation standard.
Sans variateur : le moteur électrique est directement alimenté par le réseau et tourne à sa vitesse nominale à pleine puissance. La variation de débit est obtenue par un dispositif de restriction ou de pertes de charge (vanne pour une pompe, inclineur pour un ventilateur).
Avec ces systèmes lorsqu’on réduit le débit, la puissance absorbée chute très peu. A 80% du débit nominal, la puissance consommée est encore de 95% .
Avec un variateur : le dispositif de restriction est supprimé, la variation de débit est obtenue par réglage de la vitesse du moteur. Lorsque l’on réduit le débit, la puissance absorbée chute nettement. A 80% du débit nominal, la puissance consommée n’est plus que de 50% de la puissance nominale.
Exemples d’utilisation de ventilation commandée par variateur de vitesse :
- Installé pour un parking souterrain, il permet de contrôler les flux d’air en fonction de la fréquentation du parking selon des seuils de pollution.
- Installé pour alimenter des groupes frigorifiques, il permet de diminuer les contraintes mécaniques dues au démarrage direct et régule les débits d’eau par réglage de la vitesse de rotation des pompes.
- Installé dans les bâtiments, il permet de gérer la climatisation et le chauffage des locaux. L’ajustement des débits en fonction des besoins réels pour un meilleur contrôle de l’énergie.
Comment faire varier la vitesse d’une machine asynchrone triphasée ?
La fréquence de rotation de synchronisme dépend de la fréquence du réseau et du nombre de paires de pôles bobinés au stator :
f = P x Ns
f : fréquence du réseau EDF en Hz
P : nombre de paires de pôles de la machine
Ns : vitesse de rotation du champ tournant en tours par seconde (tr/s)
| 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. | Autre exemple à 50 Hz : P = 1 → 3000 tr/min P = 3 → 1000 tr/min P = 4 → 750 tr/min |
Pour déterminer la vitesse de synchronisme, il faudra donc appliquer la formule :
Ns= f/p
Glissement
Le rotor » glisse » par rapport au champ tournant, il a une vitesse inférieure, le mouvement est asynchrone. Le glissement g est la grandeur sans unité qui quantifie cette différence de vitesse.
En fonctionnement normal, le rotor tourne toujours moins vite que la vitesse de synchronisme d’où le nom de moteur asynchrone. Le glissement nominal est de l’ordre de quelques pourcents.
Principe de la variation de vitesse
Pour déterminer la vitesse de rotation du moteur, il faudra donc appliquer la formule :
N=Ns x (1-g)
Pour faire varier la vitesse d’un moteur asynchrone, on agit sur la fréquence de la tension alimentant les bobines du stator. Si le glissement reste constant, on peut admettre que la vitesse de rotation du rotor est pratiquement proportionnelle à la fréquence de rotation de synchronisme.
Constitution du variateur
La partie puissance est constituée par quatre modules principaux :
- un module redresseur raccordé au réseau qui peut être alimenté soit en monophasé soit en triphasé suivant sa structure (4 diodes, 6 diodes) permettant la conversion alternatif/continu ;
- un module de filtrage ;
- un module onduleur qui élabore un système de tensions triphasées en découpant une tension continue fixe (délivré par le redresseur) en impulsions dont la position et la largeur permettent de reconstituer la sinusoïdité ;
- un module de freinage qui permet d’évacuer l’énergie restituée par le moteur au moment du freinage ;
L’ensemble de ses modules est géré par la carte de commande.
Le choix du variateur est conditionné par les contraintes énoncées dans le cahier des charges fonctionnel. Cependant, on peut retenir principalement les critères suivants :
- le type de la machine à entraîner (pompe, ventilateur, monte charge…) et les conditions de fonctionnement dans le quadrant couple/vitesse ;
- la nature du réseau, monophasé ou triphasé ;
- la puissance d’entraînement ;
- la tension de sortie des convertisseurs ;
- la gamme de fréquence.
Documentations techniques et catalogues constructeurs :