Variateur de Vitesse Par Arduino [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITE HASSAN II DE CASABLANCA -----------Faculté des Sciences Aïn Chock

Département de Physique Master Spécialisé ELECTRONIQUE ELECTROTECHNIQUE AUTOMATIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIEL

Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Diplôme de Master Spécialisé sous le thème

TITRE Variateur de vitesse d’un moteur asynchrone triphasé commandé par une carte arduino Lieu de stage : AFRICA DRIVES Préparé par :

Encadré par :

BELYAMANI ZAKARIA HAYMER SALAH EDDINE

Pr. OUCHATTI ABDERRAHMANE

Soutenu le lundi 04/07/2022

devant le jury :

Pr. OUCHATTI Abderrahmane……………………………….…………….(Encadrant Pédagogique) Mr ETTOUMI AYOUB …………………………………………………………..(Encadrant Société) Pr. RHOUZI Mohamed………………………………………………………… (Examinateur) Pr. WAHBI Azzedine……………………………………………………………..(Président)

Dédicace Nos chers parents Que nulle dédicace ne puisse exprimer nos sincères sentiments, pour leur patience illimitée, leur encouragement et leur aide, en témoignage de notre profond amour et respect pour leurs grands sacrifices. Au personnel du service Pour leurs amabilités et leurs Collaborations tout au long de la période de notre stage. Adieu le tout puissant Qui nous a accordé la santé, la force et le courage pendant toutes ces années d’études. A nos chers professeurs Pour leurs efforts inestimables et leurs bienveillances tout au long de ma formation

Remerciements .

Nous tenons tout d’abord à remercier Mr ABDELILAH BAKOUH, Directeur Général Adjoint de la société AFRICA DRIVES, pour nos accepter pour passer notre stage de fin d’études.

Nous tenons à présenter nos remerciements à Mr ETTOUMI AYOUB, l’encadrant de stage. Merci pour votre assistance, dévouement et recommandation enrichissantes. Merci pour votre patience, votre disponibilité et surtout vos judicieux conseils.

Nous tenons à présenter nos reconnaissances à notre professeur encadrant Mr OUCHATTI Abderrahmane pour la disponibilité qu’il nous a accordée pour faire ce travail, tout au long de la période de stage.

Nous

remercions

nos

professeurs

d’université

HASSAN 2 DES SCIENCES AÏN CHOCK qui ont fait beaucoup

d’efforts

pour

nous

transmettre

leurs

connaissances. Vos compétences incontestables ainsi que vos humaines vous valent l’admiration et le respect de tous. Merci aux membres du jury pour l’honneur qu’ils nous font en jugeant ce travail. Et à vous tous, honorables lecteurs

SOMMAIRE Introduction Générale ..................................................................................................................... 1 Définition de la problématique ....................................................................................................... 3 Chapitre I. ......................................................................................................................................... 4 Présentation Générale de la Société ............................................................................................... 4 I.

Introduction : ........................................................................................................................ 5 1.

Opération et maintenance : ............................................................................................... 6

2.

Maintenance preventive : .................................................................................................. 6

a.

Intervention de reparation: ............................................................................................... 6

b.

Exclusion: ........................................................................................................................... 6

c.

Atelier de reparation: ........................................................................................................ 7

3.

Fonctionnement et maintenance : ..................................................................................... 7

a.

Aspirer la poussière et la saleté : ....................................................................................... 7

b. :

Vérifier ou remplacer les filtres d’entrée d’air sur les variateurs de vitesse les plus grands 8

c. Soyez sûrs que les ventilateurs du variateur soient correctement opérationnels tournants librement & silencieusement : .................................................................................. 8 d.

Assez-vous que le panneau de contrôle soit ventiler : ....................................................... 8

e.

Vérifier le contrôle et que les bornes de puissance soient serrées :................................... 9

f.

Sauvegarder les paramètres de votre variateur : ............................................................... 9

g.

Vérifier la résistance des contacts sur les contacteurs du variateur : ................................. 9

h.

Retirer les claviers de programmation lcd lorsqu'ils ne sont pas utilisés : ....................... 10

i.

Soyez sûr que l'endroit où vous installé votre variateur soit sec et propre : .................... 10

j.

Assurer l'entretien de vos variateurs tous les cinq à huit ans : ........................................ 11

Chapitre II. ...................................................................................................................................... 12 GENERALITES SUR LES MOTEURS ASYNCHRONES ....................................................................... 12 I.

INTRODUCTION: ................................................................................................................ 13

II. Les moteurs asynchrones : ............................................................................................... 14 1.

Le Principe de fonctionnement des moteurs asynchrones ............................................... 14

2.

Le champ tournant........................................................................................................... 15

3.

La Vitesse de synchronism: .............................................................................................. 15

4.

Le Glissement :................................................................................................................. 16

5.

Principaux composants de la machine asynchrone : ........................................................ 16

6.

Commandes des machines asynchrones : ........................................................................ 17

a.

La commande scalaire V/f constant : ............................................................................... 17

b.

III.

La commande vectorielle: ................................................................................................ 21

Conclusion ...................................................................................................................... 25

Chapitre III...................................................................................................................................... 26 Variateur de vitesse pour un moteur asynchrone triphasé ........................................................ 26 I.

Introduction: ...................................................................................................................... 27

II. Etude du circuit électronique de variation de la vitesse de rotation d’un moteur : . 28 1.

Le redresseur ................................................................................................................... 29

2.

Le circuit intermédiaire .................................................................................................... 32

3.

L’Onduleur ....................................................................................................................... 32

4.

Principe de fonctionnement (onduleur de tension triphasée) ......................................... 34

5.

Fonction des variateurs de vitesse : ................................................................................. 38

a.

L’accélération contrôler : ................................................................................................. 39

b.

La décélération contrôler : ............................................................................................... 39

c.

La régulation de la vitesse : .............................................................................................. 40

d.

L’inversion du sens de moteur : ....................................................................................... 41

6.

Résumé sur la conception ................................................................................................ 41

a.

Partie redresseur : ........................................................................................................... 41

b.

Partie filtrage : ................................................................................................................. 41

c.

Partie onduleur : .............................................................................................................. 41

CHAPITRE IV : ................................................................................................................................. 42 REALISATION ET SIMULATION D’UN VARIATEUR DE VITESSE A .................................................. 42 BASE D’ONDULEUR PILOTE PAR ARDUINO................................................................................... 42 I.

INTRODUCTION : ............................................................................................................... 43

II. Présentation du logiciel PSIM : ........................................................................................ 44 1.

Simulation du réseau d’alimentation du variateur de vitesse : ........................................ 44

2.

Simulation de l’étage redressement : .............................................................................. 45

3.

Etage de filtrage : ............................................................................................................. 46

4.

L’étage onduleur : ............................................................................................................ 46

III. 1.

IV.

GENERALITIES SUR LES CARTES ARDUINO : ................................................................... 50 Alimentation : .................................................................................................................. 51

SIMULATION DU PROGRAMME SUR PROTEUS : ............................................................ 53

1.

Organigramme du programme Arduino : ......................................................................... 53

2.

Schéma de simulation : .................................................................................................... 54

3.

Résultats de simulation :.................................................................................................. 55

4.

CONCEPTION ET REALISATION PRATIQUE: ....................................................................... 58

V. Choix des composants électroniques :............................................................................... 59 1.

Carte de commande : ....................................................................................................... 59

a.

Alimentation 5V :............................................................................................................... 59

b.

Isolation galvanique avec PC817 :....................................................................................... 62

c.

Driver i2110 : .................................................................................................................... 63

2.

Routage de la carte d’alimentation : ................................................................................ 65

3.

Routage de la carte de commande les optocoupleurs :.................................................... 66

4.

Routage de la carte de commande(Driver 2110) : ............................................................... 67

5. Carte de puissance : ......................................................................................................... 68 6.

Routage de la Carte de puissance : ..................................................................................... 70

VII.

CONCLUSION.................................................................................................................. 73

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ................................................................................. 74

Liste des figures Figure 1:l’aspiration de la poussière................................................................................................................ 7 Figure 2:vérification des filtres d’air ................................................................................................................ 8 Figure 3:vérification des ventilateurs .............................................................................................................. 8 Figure 4:vérification des bornes de puissance ................................................................................................ 9 Figure 5:Sauvegarde les paramètres de variateur .......................................................................................... 9 Figure 6:vérification de la résistance de contacteur ..................................................................................... 10 Figure 7:le nettoyage des cartes électroniques ............................................................................................ 10 Figure 8: création d'un courant induit dans un conducteur fermé. ............................................................. 14 Figure 9:positionnement des enroulements dans les machines asynchrones triphasées. .......................... 15 Figure 10:Eclaté d'un moteur asynchrone. ................................................................................................... 16 Figure 11:Le couple électromagnétique en fonction de glissement pour une fréquence fixe. ................... 19 Figure 12:Caractéristique couple vitesse en fonction de la fréquence d'alimentation. .............................. 19 Figure 13:Un système de commande V/f constant pour une machine asynchrone. ................................... 20 Figure 14:Contrôle scalaire de la tension ...................................................................................................... 21 Figure 15: schéma de régulation de vitesse de MAS en IRFO avec la commande vectoriel ........................ 23 Figure 16: schéma générale d'un variateur de vitesse ................................................................................. 28 Figure 17:Schéma d'un redresseur triphasé en pont complet ..................................................................... 29 Figure 18:signaux triphasés de tensions simples à l'entrée du pont de diodes d’un réseau équilibré ....... 30 Figure 19:formes d'ondes obtenues à un pont triphasé de Graetz.............................................................. 31 Figure 20:Circuit auxiliaire. ............................................................................................................................ 32 Figure 21:Schéma de l'onduleur monophasé de tension en demi pont à gauche et en pont complet à droite .............................................................................................................................................................. 33 Figure 22: Schéma de principe d’un onduleur de tension ............................................................................ 33 Figure 23:Formes d'ondes de tensions de ligne............................................................................................ 36 Figure 24:Caractéristiques statique et dynamique d’un interrupteur de l'onduleur ................................... 37 Figure 25:Onduleur de tension à MOSFET .................................................................................................... 37 Figure 26:Caractéristique de la vitesse du MAS ............................................................................................ 39 Figure 27: Schéma synoptique du système variateur-moteur sans un comparateur « boucle ouvert » .... 40 Figure 28:Schéma synoptique du système variateur-moteur avec un comparateur « boucle fermée » .... 40 Figure 29: réseaux d’alimentation triphasée ................................................................................................ 44 Figure 30:allures des tensions d’entrées des 3 phases ................................................................................. 45 Figure 31:redresseur ...................................................................................................................................... 45 Figure 32:tension de sortie du redresseur .................................................................................................... 45 Figure 33:filtrage capacitive .......................................................................................................................... 46 Figure 34: simulation de la tension filtrée..................................................................................................... 46 Figure 35: Schéma du principe du moteur avec commande MLI ................................................................. 47 Figure 36: la porteuse et les signaux de références ..................................................................................... 47 Figure 37: simulation de la porteuse ............................................................................................................. 48 Figure 38: Simulation des tensions V1ref, V2ref et V3ref............................................................................. 48 Figure 39: simulation de la porteuse et V1ref............................................................................................... 49 Figure 40: simulation de K1 (résultat de la comparaison de la porteuse et le signal de référence V1ref) . 49 Figure 41: Les signaux de commande k2 ................................................................................................ 50 Figure 42:tension entre phase....................................................................................................................... 50 Figure 43:arduino mega 2560 caractéristiques ............................................................................................ 51 Figure 44:Organigramme du programme Arduino ...................................................................................... 53 Figure 45:Schéma de simulation programme sur PROTEUS......................................................................... 54 Figure 46:Les 6 PWM avec Vitesse maximale ............................................................................................... 55 Figure 47:Les 6 PWM avec Vitesse moyenne................................................................................................ 56

Figure 48:Les 6 PWM avec Vitesse minimale ................................................................................................ 57 Figure 49:Schéma synoptique ....................................................................................................................... 58 Figure 50:Plaque signalétique du moteur asynchrone triphasé ................................................................... 59 Figure 51:Alimentation 5VDC ........................................................................................................................ 59 Figure 52:Régulateur 7805 TO 220................................................................................................................ 60 Figure 53:Connecteur header male............................................................................................................... 60 Figure 54:Carte de commande ...................................................................................................................... 61 Figure 55:Isolation galvanique par l’optocoupleur PC817 ............................................................................ 62 Figure 56:Diagramme fonctionnel de IR2110 ............................................................................................... 63 Figure 57:Etude de HIN .................................................................................................................................. 63 Figure 58:Diagramme HIN ............................................................................................................................. 63 Figure 59: Etage de sortie bas ....................................................................................................................... 64 Figure 60:Etage de sortie haut ...................................................................................................................... 64 Figure 61:Montage d’application .................................................................................................................. 65 Figure 62: Typon de la carte d'alimentation ................................................................................................. 65 Figure 63:3D visualizer ................................................................................................................................... 66 Figure 64:Typon de la carte de commande les optocoupleurs .................................................................... 66 Figure 65:3D visualizer ................................................................................................................................... 67 Figure 66:Typon de la carte de commande les drivers IR2110..................................................................... 67 Figure 67: 3D visualizer .................................................................................................................................. 68 Figure 68:Schéma électronique de la carte de puissance ............................................................................ 69 Figure 69:Structure d’un IGBT ....................................................................................................................... 69 Figure 70: IGBT 50JR22 .................................................................................................................................. 70 Figure 71:Typon de la carte de puissance ..................................................................................................... 70 Figure 72:3D visualizer ................................................................................................................................... 71

Symbole

Correspondence

Unité

N

Vitesse de champ tournant

tr/min

Ns

Vitesse de synchronisme.

tr/min

f0

Fréquence de courant d’alimentation.

Hz

p

Nombre de pair de pôles

//

g

Glissement

//

C

Couple moteur

N.m

Is

Courant du stator

A

Ir

Courant du rotor

A

Rs

Résistance du stator

Ω

Rr

Résistance du rotor

Ω

Nr

Inductance de fuite rotorique

H

ω

Pulsation du stator

rad/s

M’

Inductance mutuelle entre le stator et le rotor

H

L

Inductance propre d’une phase statorique

H

Flux rotorique

weber

Flux statorique

weber

Courant induit rotorique dans l’axe q

A

Courant statorique dans l’axe d

A

α

Angle de commutation

°

k

Indice de kieme itération

//

Ir Is

M TKIS

Nombre des angles de commutation THYSSENKRUPP INDUSTRIAL SOLUTIONS MAROC.

//

Introduction Générale Le développement dans le domaine de l’industrie a entrainé une utilisation accrue des moteurs de différents types, se différenciant entre eux par plusieurs facteurs. Notamment la nature de leur source d’alimentation qui peut être thermique, hydraulique, électrique …, ou leur fonctionnement d’être utilisé soit comme moteur, soit comme générateur. L’utilisation des moteurs électriques est devenue une solution inévitable pour le futur dans différents domaines pour plusieurs raisons, parmi lesquelles la minimisation des émissions des gaz à effet de serre ainsi que la réduction de consommation des ressources énergétiques non renouvelables. Cependant on estime actuellement, parmi les moteurs utilisés dans le monde, 80% sont de moteurs électriques asynchrones. On les trouve dans plusieurs applications, dans le transport (trains, navires, véhicules électriques), dans l’industrie (machines-outils) ainsi que dans l’électroménagère. Le choix d’utilisation de moteurs asynchrones présente plusieurs avantages : leur facilité de construction et de maintenance ; leur coût minimal et leur rendement. Dans la plupart des applications industrielles, différentes machines sont appelées à fonctionner à de différentes gammes de vitesse, alors que le moteur asynchrone adapté à ces applications est conçu, dès sa fabrication, pour donner une seule vitesse de rotation imposée par deux contraintes : la fréquence du réseau d’une part et le nombre de pôles d’autre part. C’est ainsi que dans ce présent sujet le groupe Africa Drives s’est engagé dans une stratégie qui prend en considération la préoccupation du siècle étant l’usage rationnel de l’énergie. Dans ce cadre la loi 47-09 de l’efficacité énergétique, [1] visant à réduire la consommation de l’énergie : "Cela vaut également pour les défis auxquels le Maroc est confronté en matière énergétique. En effet, il nous appartient désormais de nous adapter aux mutations profondes qui touchent ce secteur à l’échelle mondiale, et dont tout porte à croire qu’elles ne vont pas s’estomper, mais plutôt s’aggraver de plus en plus. Il faudrait donc suivre une politique alliant, d’une part, la gestion rationnelle des produits énergétiques et, d’autre part, l’adoption d’une stratégie efficiente visant à réduire la consommation de l’énergie, sans porter atteinte à la productivité. Il est également nécessaire de veiller, dans le cadre de cette démarche, à la protection et à la diversification des sources d’énergie. Le Maroc n’a d’autre choix que de renforcer localement sa capacité de production d’énergie et d’ouvrir la voie aux investissements prometteurs en matière d’approvisionnement énergétique. Il se doit également de poursuivre résolument les efforts visant à faire des énergies alternatives et renouvelables la clé de voûte de la politique énergétique nationale." [1]

1

Par ailleurs, le Maroc est un pays dépendant énergétiquement, il devait développer sa propre politique pour y résoudre à ce besoin. Vu les « réserves » énergétiques, le monde ne manquera pas de ressources énergétiques, mais la préoccupation majeure est de sécuriser son approvisionnement en énergie dans le respect des générations avenir et de l’environnement, consommer moins et mieux ou faire de l’efficacité énergétique, tel est le chalenge qui décidera notre avenir économique. [2]

Pour arriver à varier la vitesse, les études ont montré qu’un moteur asynchrone nécessite une alimentation de fréquence et amplitude variable. Plusieurs méthodes existent à cet effet. Nous avons choisi, quant à nous, d’exploiter la commande scalaire basée sur le rapport tension- fréquence v/f constant qui implique un flux constant. Cette alimentation est assurée par un onduleur de tension triphasée constitué de trois bras dont chacun a deux interrupteurs qui sont commandés par un processus d’ouvertures et fermetures dans le temps très court et soigneusement pensé pour créer une alimentation à fréquence et amplitude variables. Les interrupteurs de l’onduleur doivent être pilotés pour son fonctionnement. C’est ainsi que plusieurs techniques de commande existent. Nous exploiterions la technique de modulation en largeur d’impulsion (MLI) sinus-triangle qui consiste à comparer deux ondes : la porteuse triangulaire et la modulante (référence) sinusoïdale. L’onduleur doit être alimenté par une source continue de tension. D’où la nécessité d’un redresseur de tension triphasée qui transformera la tension alternative triphasée en une tension redressée. Afin de réaliser ces objectifs, nous avons organisé ce mémoire en quatre chapitres. 

Le premier chapitre nous parlerons sur la présentation de la société d’accueil.



Dans le deuxième chapitre "Sélection d'un moteur asynchrone triphasé et de s on variateur", nous allons faire une étude le choix d'un moteur asynchrone triphasé ainsi que le moteur adapté



En troisième chapitre nous allons faire une étude de fonctionnement de différentes parties du circuit électronique de variation de vitesse d’un moteur à courant alternatif triphasé.



Dans le quatrième chapitre « Réalisation d’un variateur de vitesse à base d’onduleur piloté par arduino », nous allons faire la réalisation pratique d’un variateur de vitesse d’un moteur asynchrone triphasé.



Le projet se termine par « Conclusion générale et perspectives » présentant une synthèse de mon travail, ainsi que les perspectives permettant d’améliorer ce projet.

2

Définition de la problématique Dans le cadre du projet de fin d’étude, nous avons vu qu’il est possible de diminuer le courant en ligne lors du démarrage des moteurs asynchrones soit en procédant par un couplage étoile - triangle, soit par un démarreur électronique. Le problème est que la vitesse de rotation d’un moteur est fixée une fois pour toutes à la fabrication (nombre de paires de pôles). Grâce à l’électronique de puissance, il est aujourd’hui possible d’allier la robustesse des moteurs asynchrones et la possibilité de variation de vitesse sur une large plage. Aujourd’hui, de plus en plus de variateurs de vitesse disposant de moteurs alternatifs sont installés dans les différents bâtiments comme les entreprises, les hôtels ou même les restaurants. Depuis de très nombreuses années maintenant, l’électronique ne cesse de faire des progrès époustouflants, les variateurs actuels prennent donc l’avantage sur la MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion). L’objectif de ce sujet qui m’a été confié consister à faire une étude sur les variateurs de vitesse pour les machines asynchrones et de faire la réalisation. Ce dernier a un but didactique pour les futures formations au sein de la société AFRICA DRIVES Le problème résidé dans le variateur utilisé dans les formations actuelles appelées démo case. Celui-ci été inapte pour faire une formation à cause de sa forme très compacte « comme indique son nom » qui ne laisser rien voir à part les câbles de branchement de la source et de la machine. Pour cela on fait une étude sur les variateurs des vitesses pour réalise un exemple plus simple, par apport «démo case» pour que les stagiaires comprendre bien les instruments de variateur de vitesse

3

Chapitre I. Présentation Générale de la Société

4

I.

Introduction :

AFRICA DRIVES est située à 133, rue 105, lot les collines, Sidi Maarouf, Casablanca, Maroc. AFRICA DRIVES a été créé par des anciennes cadres d’ABB en 2018, sa mission est de se positionner dans le marché marocain ainsi que la région des pays francophone. AFRICA DRIVES offre des multiservices en tant que spécialiste des entrainements à vitesse variable et auditeur de l’efficacité énergétique dans le secteur industriel. L’audit des variateurs de vitesse et démarreurs électroniques améliore la fiabilité des installations électriques, permettant à nos clients une garantie sur les équipements, en minimisant le temps d’arrêt et améliorant les performances pour une meilleure productivité, Afrique Drives propose un plan d’amélioration adapté en fonction des besoins des procédés industriels et leur particularité. Le savoir-faire d’Afrique Drives dans les applications et les processus industriels, permet d’identifier des axes d’amélioration de la maintenance assurant une haute disponibilité des systèmes d’entrainements.

5

II.

Coûts opérationnels réduite : A chaque étape de la chaine de valeur, Afrique Drives peut supporter à diminuer

les dépenses opérationnelles avec des assistances techniques assurent un bon choix et un bon dimensionnement du variateur / démarreur. Des programmes de maintenance préventive qui minimisent considérablement les temps morts/masqués de la production.

1. Opération et maintenance : L'entretien préventif a pour objectif de réduire les coûts opérationnels : -

Réduire les risques de défaillance

-

Augmenter la durée de vie

-

Faciliter la budgétisation.

Un programme de maintenance existe pour chaque variateur, il consiste à : -

Des inspections périodiques

-

Le remplacement des composants.

2. Maintenance preventive : a.

Intervention de reparation:

Au cours de démarrage d’usine et en cas d’une défaillance d’un variateur de fréquence, AFRICA Drives s’engage à déléguer une équipe de techniciens sur site de Jorf lasfar afin de pallier aux anomalies relevées. Ou de récupérer les produits défectueux à notre atelier à sidi Maarouf. b.

Exclusion: Cas d’exclusion :

Les défaillances causées par une attaque corrosive avérée des circuits et composants. Les défaillances auxquelles TKIS aurait remédié sans en alerter le service de permanence de l’AFRICA Drives au plus tard jour ouvré suivant. Les opérations réalisées en vue d’investiguer sur des problèmes liés au procès du client, à l’optimisation des régulations, à la recherche de pannes ayant pour origine une cause extérieure aux équipements listés en cahier de charge.

6

c.

Atelier de reparation:

Les ateliers “Afrique Drives drive service” offrent le remplacement de composants, mises à jour logicielles et de réparations d'urgence.  Avant réparation, les variateurs sont parfaitement nettoyés, et après, Tout le travail est effectué par un personnel certifié, dans un environnement sans présence de poussière, ou de charge électrostatique.  Entièrement testé.  Si la réparation n'est pas possible, une unité d'échange est offerte, le cas échéant.  L’unité de rechange peut être un variateur entier remis à neuf, un module de variateur ou n’importe quel composant de variateur.

3. Fonctionnement et maintenance : a. Aspirer la poussière et la saleté : Dans un environnement de production, la poussière et la saleté peuvent facilement obstruer les radiateurs.

Cela

peut

provoquer

une

surchauffe du variateur et des composants internes et causer leur disfonctionnement. La poussière et la saleté peuvent également absorber la moisissure qui peut contribuer à la panne du variateur. Une bonne façon de prévenir ces disfonctionnements est d'utiliser un aspirateur ESD pour nettoyer le radiateur ou utiliser de l'air comprimé pour souffler hors du ventilateur la poussière.

Figure 1:l’aspiration de la poussière

Ces petits gestes peuvent prolonger la durée de vie de votre variateur pour plusieurs années. N'oubliez pas de verrouiller les ventilateurs.

7

b. Vérifier ou remplacer les filtres d’entrée d’air sur les variateurs de vitesse les plus grands : Pour déterminer tous les combiens vous devez vérifier vos

filtres

d'entrée d'air, vérifier

fréquemment les filtres quand votre drive est neuf. Cela devrait vous donner une idée de la fréquence à laquelle ils ont besoin d'être nettoyés ou éventuellement remplacés. Si vous n'avez pas le système adéquat pour maintenir un planning, utiliser Calendrier afin de créer des notes pour vous en rappeler à temps. Figure 2:vérification des filtres d’air c. Soyez sûrs que les ventilateurs du variateur soient correctement opérationnels - tournants librement & silencieusement : La principale cause de la panne d'un variateur est dû à des ventilateurs fonctionnant mal. Les ventilateurs aident à refroidir les composants internes qui sont dans le variateur tels que les condensateurs électrolytiques. Les condensateurs ont tendance à se dessécher plus vite lorsque la température interne est trop élevée et peut conduire le variateur à développer des fautes intermittentes telles que le déclenchement après un laps de temps d'attente.

Figure 3:vérification des ventilateurs Ne sous-estimez pas les effets de la chaleur d'un variateur de fréquence, plusieurs fabricants recommandent de déclasser la puissance jusqu'à 15% si la température est au-delà de 40°C.

d. Assez-vous que le panneau de contrôle soit ventiler : Maintenir le panneau de commande bien ventiler est nécessaire pour assurer des flux d'air suffisants à travers le variateur pour le garder à bonne température. Laisser votre drive surchauffer peut provoquer divers problèmes : des condensateurs qui se dessèchent trop vite voire la panne totale du variateur 8

e. Vérifier le contrôle et que les bornes de puissance soient serrées : L'une des parties de la maintenance préventive que la plupart des personnes oublie est de bien vérifier que les terminaux de connections soient serrés. Des connections lâches peuvent causées plusieurs problèmes tels qu’une surchauffe et des opérations intermittentes. Il est recommandé de vérifier annuellement la tension des connections.

Figure 4:vérification des bornes de puissance

f. Sauvegarder les paramètres de votre variateur :

Cela parait évident mais la plupart des ingénieurs n'ont pas de sauvegarde de leurs paramètres. Cela signifie que si votre variateur un jour échoue au-delà de la réparation, vous pouvez en commander un nouveau en aussi peu de temps que possible. Pour la plupart des utilisateurs, particulièrement ceux qui ont des applications complexes, les paramètres sont plus importants que le variateur, il y a donc tout intérêt à faire une copie des paramètres.

Figure 5:Sauvegarde les paramètres de variateur g. Vérifier la résistance des contacts sur les contacteurs du variateur : N'importe quelles pièces électromécaniques et de commutations sont soumises à l'usure, comme les contacts deviennent criblé de trous ils peuvent mener à un déséquilibre sur votre appareil causant des problèmes avec votre variateur AC bridge et le bus DC.

9

Figure 6:vérification de la résistance de contacteur h. Retirer les claviers de programmation lcd lorsqu'ils ne sont pas utilisés : Laisser un clavier de programmation LCD attaché à un variateur est un moyen sûr de réduire la durée de vie du clavier. La plupart des claviers restent constamment allumés et l'écran LCD finit par mourir. La majorité ont une durée de vie limitée à quelques heures et ils brûleront une fois le temps limité atteint. Retirer le clavier lorsqu'il n'est pas utilisé prolongera sa durée de vie et lorsque vous avez un défaut avec votre variateur, vous ne devez pas attendre un nouveau clavier avant de le diagnostiquer. i. Ceci est

Soyez sûr que l'endroit où vous installé votre variateur soit sec et propre : particulièrement

important pour les

variateurs ayant un classement IP00 ou IP20. Les variateurs de ces classements sont souvent exposés à la contamination de la poussière. Trop de poussières peut restreindre le flux d'air qui tourne et réduit la performance des ventilateurs - cela peut donc conduire à la panne de votre variateur. Figure 7:le nettoyage des cartes électroniques Garder un drive qui a un classement de bas IP dans un environnement où se trouve du moisi, est un autre moyen de mener votre variateur à la panne. La moisissure qui rentre dans le drive peut causer toute une série de problèmes, notamment de la corrosion sur le circuit.

10

j.

Assurer l'entretien de vos variateurs tous les cinq à huit ans :

Envoyer votre variateur de fréquence chez Africa drives Industriel tous les cinq à huit ans peut considérablement augmenter la durée de vie de celui-ci. En réservant un entretien, vous pouvez décider quand cela vous arrange de retirer le variateur de l'opération. Pendant l'entretien nous complétons toutes les étapes mentionnées ci-dessus et nous remplaçons également les composants ayant une durée de vie limitée tels que les ventilateurs et les condensateurs.

11

Chapitre II. GENERALITES SUR LES MOTEURS ASYNCHRONES

12

I.

INTRODUCTION:

D

ans ce chapitre, on va présenter quelques généra lités sur les moteurs asynchrones

13

II.

Les moteurs asynchrones : Les moteurs asynchrones comme leurs noms indiquent, fonctionnent contrairement aux machines synchrones, donc une différence de phase existe entre la vitesse du champ tournant crée par le stator et la vitesse de rotor. Ces moteurs sont les plus utilisées dans les milieux industriels et même dans les centrales électriques. Ceci est due à la stabilité de sa vitesse, son bon rendement et de son excellente Fiabilité. De plus ces machines offrent une grande simplicité de construction, une simplicité du démarrage, un prix assez bas et la robustesse des pièces de la machine. Le major inconvénient de la machine asynchrone s’agit de sa consommation relativement élevée de la puissance réactive due à la présence de l’entrefer. Si on veut minimiser la consommation de la puissance réactive par la réduction de quantité de l’entrefer. Ces machines présentent une difficulté réside à la variation de vitesse qui dépend de fréquence d'alimentation de stator, il est claire qu'on a besoin d'avoir une alimentation alternative à fréquence variable à partir d'une alimentation continue qui est assurée par un onduleur. On va présenter dans les titres suivants ces onduleurs et comment les commander. Les moteurs asynchrones avec tous ces avantages représentent presque 80% des machines existantes dans l’industrie. [3] 1. Le Principe de fonctionnement des moteurs asynchrones Le principe de fonctionnement des moteurs asynchrone se base sur la création d’un courant induit sur un conducteur fermé lorsque ce dernier est engendré par un champ magnétique variable et tournant. La combinaison entre le courant induit et les lignes de champ donne naissance à une force motrice appelée force de Lenz.

Figure 8: création d'un courant induit dans un conducteur fermé.

14

2. Le champ tournant Le champ tournant est créé à l’aide de trois enroulements radiaux (Figure 2) décalés de 120°. Ces trois enroulements sont parcourus par des courants alternatifs de la même amplitude et décalé de la même phase 120°. Le champ résultant est la somme vectorielle des trois champs créés par chaque bobine. Il sera donc tournant sortant de centre de cercle délimité par les trois bobines.

Figure 9:positionnement des enroulements dans les machines asynchrones triphasées.

3. La Vitesse de synchronism: La vitesse de synchronisme est définie par la vitesse de rotation de champ tournant. Elle est proportionnelle à la fréquence de courant d’alimentation et inversement proportionnelle au nombre de pair de pole. La vitesse de synchronisme est donnée par la relation :

Ns=

2𝜋.𝑓𝑜 𝑝

Où : Ns : la vitesse de synchronisme. f 0: la fréquence de courant d’alimentation. p : le nombre de pair de pole.

15

( 1.1)

4. Le Glissement : On appelle un glissement la différence entre la vitesse de synchronisme (Ns ) et celle de la spire (N). Il s’exprime en % et il est donné par :

𝑔 = 100.

𝑁𝑠−𝑁 𝑁𝑠

(1.2)

Il est notable d’après l’équation (1.1) que si on veut augmenter la vitesse de rotation de moteur on augmente la fréquence de courant d’alimentation. Mais dans la pratique ce n’est pas toujours le cas car il faut tenir compte si les conceptions mécaniques et électriques le permettent. Par exemple, la majorité des moteurs qu’on trouve dans l’industrie fonctionne dans des fréquences nominales bien données, généralement 50~60 ou 100 Hz. Dans la commande que nous allons implémenter on va utiliser le principe de V/f constant. Ou V est la tension appliquée aux bornes de chaque enroulement. 5. Principaux composants de la machine asynchrone : Les machines asynchrones se composent de deux principaux éléments appelées le stator et le rotor (Figure 3).

Figure 10:Eclaté d'un moteur asynchrone.

16

Le stator c’est la seule partie alimentée dans les moteurs asynchrones. Il est responsable de générer le champ tournant. Il est de forme d’un cylindre creux contient les trois enroulements triphasés répartie régulièrement dans des encoches (Figure 3). Il est aussi équipé d’une multitude des tôles feuilletées construisant un radiateur. Le rotor c’est l’élément tournant dans le moteur. Il est constitué d’un empilement des tôles minces isolées entre elle répartie sur l’axe de rotation forment un cylindre claveté sur l’arbre du moteur. Il existe deux types de rotor : - Rotor à cage Dans ce cas, le rotor est constitué de barres conductrices régulièrement réparties entre deux couronnes métalliques formant les extrémités. - Rotor à bague (bobiné) Dans le cas du moteur à rotor bobiné, on peut avoir un accès électrique au rotor à partir d’un ensemble de trois bagues ou cylindres métalliques disposés sur l’arbre du rotor [3]

6. Commandes des machines asynchrones : La commande des moteurs consiste à faire varier certains paramètre d’entrées tel que la tension, la fréquence et le courant à fin d’agir sur le couple moteur pour varie la vitesse, le sens de rotation et la position angulaire. On peut classer les commandes existant en deux types : commande scalaire et commande vectorielle. - La commande scalaire : basée sur le modèle en régime permanent, elle est simple à implanter avec une dynamique lente. Elle contrôle les grandeurs en amplitude. - La commande vectorielle : basée sur le modèle transitoire, précise et rapide elle permet le contrôle du couple. Elle est chère car nécessitant souvent des capteurs, encodeur incrémental ou estimateur de vitesse, DSP… Elle contrôle les grandeurs en amplitude et en phase. [4] a. La commande scalaire V/f constant : La commande scalaire se base sur la modélisation de la machine en équations simplifiés en ne tenant compte que des amplitudes et en prenant les déphasages entre les phases constantes par rapport au temps en régime permanant sinusoïdale. Plusieurs commandes scalaires existent selon que l'on agit sur le courant ou sur la tension. Le 17

Principe est d’avoir un bon couple électromagnétique pour un fonctionnement donné. Ce contrôle revient à maintenir le flux constant. Cette hypothèse nous ramène à maintenir le rapport V/f constant. [5] En effet, si on suppose que les tensions aux bornes de chaque phase sont équilibrées. Le couple moteur s’écrit : [6]

𝐶=

𝑃 Ω

𝑝

= 3. . 𝐼𝑟² 𝑔

(1.3)

Avec : 𝑉𝑠−𝑅𝑠𝐼𝑠

𝐼𝑟 = 𝑅𝑟 𝑔

+𝑗𝑁𝑟Ω

(1.4)

Où P c’est la puissance mécanique, Ω la vitesse de rotation. Is , Ir, Rs, Rr, Les courants et les résistances de stator et de rotor respectivement et Nr l’inductance de fuite rotorique et ω la pulsation de stator. Si on néglige la résistance statorique et on remplace (1.4) dans (1.3) on obtient : [6]

𝐶=

3𝑃 Ω

𝑉𝑠²

𝑅𝑟 𝑔 𝑅𝑟

( 𝑔 )²+(𝑁𝑠Ω)²

(1.5)

Pour des faibles glissements on aura :

C=

3𝑃 𝑔 𝑉𝑠² Ω 𝑅𝑟

(1.6)

On voit bien d’après la relation (1.6) que le couple varie quasi linéairement en fonction de glissement 18

Figure 11:Le couple électromagnétique en fonction de glissement pour une fréquence fixe.

De plus, le couple moteur est maximum pour une valeur de glissement : 𝑔𝑚

=

𝑅𝑟 𝑁𝑟Ω

On a alors :

𝐶𝑚𝑎𝑥 =

3𝑃 𝑉𝑠² 2𝑁𝑟 Ω

(1.7)

La relation (1.7) montre bien que le couple maximum est proportionnel au carré du rapport de tension sur la pulsation de courant statorique. Pour garder le couple maximum constant il faut maintenir ce rapport constant lors de variation de la fréquence de courant d’alimentation et la tension. Cela fait varie la vitesse de rotation tant que le couple moteur et le couple résistant ne sont pas égaux (figure 5)

Figure 12:Caractéristique couple vitesse en fonction de la fréquence d'alimentation.

19

En fait, garder le rapport constant revient à garder le flux constant. Quand la tension atteint sa valeur maximale, on commence alors à décroître ce rapport ce qui provoque une diminution du couple que peut produire la machine. On est en régime de "défluxage". Ce régime permet de dépasser la vitesse nominale de la machine, on l'appelle donc aussi régime de survitesse. Un système de commande scalaire V/f constant d’une machine asynchrone doit contenir un module pour le contrôle de ce rapport ainsi qu’un actionneur qui gêner les ondes de tension pour les trois phases. Cette topologie est représentée dans la figure 13.

Génération des signaux de commande.

Loi sur V/f

Onduleur de tension

Machine asynchrone

Figure 13:Un système de commande V/f constant pour une machine asynchrone.

Le schéma de commande ci-dessous présente la manière de réguler la vitesse de la machine en reconstituant la pulsation statorique à partir de la vitesse et de la pulsation rotorique. Cette dernière, qui est l'image du couple de la machine est issue du régulateur de vitesse. Si la machine est chargée, la vitesse à tendance à baisser, le régulateur va fournir plus de couple (donc plus de glissement) afin d'assurer cet équilibre. La pulsation statorique est donc modifiée pour garder cet équilibre. La tension est calculée de manière à garantir le mode de contrôle en V/f de la machine.

20

Figure 14:Contrôle scalaire de la tension

b.

La commande vectorielle: Comme on a vu dans la méthode de commande scalaire (Eq 1.5) nous n’avons pas montré le couplage entre le flux et le couple. Nous avons juste défini le couple en fonction de glissement. La méthode vectorielle, introduite au milieu des années 1980, se base sur le contrôle de couple par l’orientation de flux. Le couple électromagnétique des machines à induction résulte de l’interaction de plusieurs grandeurs non découplées.

Par conséquent, les stratégies de contrôle de ces

machines nécessitent l’élaboration d’algorithmes de complexité d’autant plus grande que les performances globales requises doivent être élevées. L’objectif du contrôle par orientation du flux est le découplage des grandeurs responsables de la magnétisation de la machine et de la production du couple. La loi de commande consiste à établir l’ensemble des transformations pour passer d’un système possédant une double non linéarité structurelle à un système linéaire qui assure l’indépendance entre la création du flux et la production du couple comme dans une machine à courant continu à excitation séparée. [6]

21

L’expression de couple moteur en fonction des flux rotorique et statorique dans un repère tournant dg (d : axe direct, q : axe en quadrature) est comme suit :

3 𝑀′ 𝐶= 𝜌 (Φ𝑟𝑑. 𝐼𝑟𝑑 + Φ𝑟𝑞. 𝐼𝑠𝑑) 2 𝐿 Où : M′ : L’inductance mutuelle maximale entre une phase statorique et une phase rotorique. : L : L’inductance propre d’une phase statorique. Φ𝑟𝑑,Φ𝑟𝑞: Flux rotorique et statorique respectivement. Ir: Le courant induit rotorique dans l’axe q. Ir: Le courant statorique dans l’axe d. Lors de l’application de la transformation de Park on choisit l’angle de rotation de repère dq de façon à avoir une composante en quadrature nulleΦ𝑟𝑑= 0, de sorte que le flux rotorique soit porté entièrement sur l’axe direct. La Figure suivante résume cette régulation puisqu'elle représente le schéma de contrôle vectoriel de la machine asynchrone avec une régulation de vitesse et la régulation des deux courants ids et iqs . Ces deux courants sont régulés par deux boucles de courants dont les sorties sont les tensions de références vds* et vqs* dans le repère dq.

22

Figure 15: schéma de régulation de vitesse de MAS en IRFO avec la commande vectoriel

On a donc 3 régulateurs dans ce schéma : Le régulateur de vitesse : Il prend en entrée la vitesse de référence et la vitesse mesurée. Il agit sur le couple (c'est-àdire que sa sortie est le couple de référence) pour réguler la vitesse. Le régulateur de courant iqs : Il prend en entrée le courant iqs* de référence et sa mesure. Il agit sur la tension de référence vqs* pour ajuster le courant iqs. Si l'on regarde de plus près le schéma, on remarque qu'il y a un coefficient entre le couple de référence et le courant de référence iqs*. Ce coefficient tient compte de la valeur du flux (voir la formule du couple) mais également un facteur 2/3 qui dépend de la transformation triphasé – biphasé choisie. La présence de ce facteur 2/3 est due au choix de la transformation Clarke dans ce schéma. Le régulateur de courant ids : Il prend en entrée le courant ids* de référence et sa mesure. Il agit sur la tension de référence vds*. Réguler ce courant à une valeur constante, c'est garantir un flux rotorique constant car

𝑀 𝜑𝑟 = 𝑖𝑑𝑠 1 + 𝜌𝜏

23

Avec τr=Lr /Rr la constante de temps rotorique et p la variable de la transformé de Laplace. On voit alors qu'en régime permanent φ r=Mids Il reste à examiner deux parties importantes : Les transformations directes et inverses : L'une permet, à partir des tensions biphasés (vds* , vqs*) dans le repère dq, de calculer les tensions triphasées vas*, vbs*, vcs* à imposer à la machine via l'onduleur à MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion). La deuxième transformation calcule, à partir des trois courants de ligne de la machine, les courants biphasés (ids , iqs) dans le repère dq qu'il faut réguler. Ces deux transformations nécessitent le calcul de l'angle θs. Le calcul de l'angle de la transformation de Park θs : Ce bloc utilise la vitesse mesurée et la "pulsation" de glissement ωr . Dans le cadre de l'IRFO, la pulsation de glissement se calcule par ω r=iqs/τrids Ou en utilisant les références au lieu des mesures. Ainsi le calcul de l'angle des transformations directes et inverses peut se faire en sommant la pulsation de glissement avec la vitesse électrique, ce qui donne la pulsation statorique puis en intégrant cette dernière, on obtient θs :

θs = ∫ 𝜔𝑠 𝑑𝑡 = ∫ (𝑝Ω +

𝑖𝑞𝑠 ) 𝑑𝑡 𝜏𝑖𝑑𝑠

On obtient ainsi le schéma général à implanter sur une commande numérique (DSP ou microcontrôleur).  Conclusion

Le contrôle vectoriel est introduit afin de pouvoir commander la machine asynchrone avec le maximum de dynamique. Il repose sur un modèle en régime transitoire. Il permet un réglage précis du couple de la machine et même d'assurer du couple à vitesse nulle.

24

III.

Conclusion Dans ce chapitre nous avons vu des généralités sur les moteurs asynchrones, ainsi les différents commande (scalaire et vectorielle) ce qui nous avons permis d’avoir une petite comparaison entre les deux commandes.

25

Chapitre III. Variateur de vitesse pour un moteur asynchrone triphasé

26

I.

Introduction:

D

ans ce chapitre nous allons étudier les différant partie d’un variateur de vitesse Dou le redresseur, circuit intermédiaire et en fin l’onduleur.

27

II.

Etude du circuit électronique de variation de la vitesse de rotation d’un moteur : Un variateur de vitesse est un équipement électrotechnique permettant de faire tourner un moteur électrique à différentes vitesses en faisant varier la fréquence du signal d’alimentation. Comme nous l’avions déjà mentionné dans le premier chapitre, pour faire varier la vitesse d’un moteur électrique par variation de sa fréquence d’alimentation, plusieurs cas se présentent, on peut soit varier la vitesse à couple constant, soit à puissance constante ou soit à couple qui est proportionnel au carré de la fréquence. Dans notre travail, notre variateur de vitesse est basé sur le principe de la commande scalaire (contrôle V/f) d’un moteur asynchrone qui consiste à varier la vitesse du moteur à couple constant.

Figure 16: schéma générale d'un variateur de vitesse

Le convertisseur de fréquence fournit à partir d’un réseau alternatif à fréquence fixe, une tension alternative triphasée de valeur efficace et de fréquence variable. Ainsi le variateur de vitesse sera composé : - D’un redresseur qui va permettre de convertir la tension alternative triphasée du réseau pour en faire une tension continue à ondulation résiduelle (tension redressé), - D’un circuit intermédiaire pour le "lissage" de la tension de sortie du redresseur, - D’un onduleur pour permettre de recréer une tension alternative triphasée ayant la fréquence et l’amplitude désirées à partir de la tension continue, - D’une électronique de commande pour piloter l'onduleur.

28

1. Le redresseur

Un redresseur par définition est un convertisseur statique alternatif-continu qui permet de convertir une tension alternative en une tension redressée unidirectionnelle. Un redresseur peut être monophasé ou triphasé, simple alternance ou double alternance, non commandé formé de diodes (la tension moyenne de sortie est constante et ne peut être changée) ou commandé les diodes sont remplacées par des thyristors et permet de commander la puissance voulue aux bornes du récepteur et la valeur moyenne de la tension obtenue est réglable. Principe de fonctionnement (montage triphasé en pont de diodes) Le schéma du montage triphasé en pont, appelé pont de Graetz, est donné à la figure 10

Figure 17:Schéma d'un redresseur triphasé en pont complet

Ce montage est constitué de deux groupes de commutation en série, connaissant le fonctionnement de diodes, le principe de fonctionnement du montage est que le groupe formé de D1, D3, D5 travaille sur l’alternance positive, c’est-à-dire une seule diode dont l’anode est au potentiel le plus élevé conduit et le groupe formé de D4, D6, D2 travaille sur l’alternance négative c’est-à-dire une seule diode dont la cathode est au potentiel le plus bas conduit.

29

V1

V2

V3

Figure 18:signaux triphasés de tensions simples à l'entrée du pont de diodes d’un réseau équilibré

Soit la figure ci-dessus, montrant les signaux des tensions simples 𝑉1, 𝑉2 et 𝑉3 respectivement de la ligne 𝐿1, 𝐿2 et 𝐿3 d’un réseau triphasé équilibré sinusoïdale à l’entrée du redresseur. Connaissant le principe de fonctionnement du montage et en suivant le diagramme de la figure 11, nous tirons ceci : Etat 1 : pour 0>𝑤𝑡>𝜋6 , on a 𝑉3>𝑉1>𝑉2, pour le groupe travaillant sur l’alternance positive c’est la diode 𝐷5 qui conduit (tension à ses bornes 𝑢𝐷5=0) et pour le groupe fonctionnant sur l’alternance négative c’est la diode 𝐷6 qui conduit (𝑢𝐷6=0), ainsi la tension à la sortie du pont est 𝑈𝑢=𝑉3−𝑉2, ce qui conduit à ce que les tensions au bornes de diode nous donne: 𝑢𝐷1=𝑉1−𝑉3𝑉2, la diode 𝐷1 entre en conduction (𝑢𝐷1=0) et la diode 𝐷6 reste à son état précèdent (𝑢𝐷6=0), ainsi la tension à la sortie du pont est 𝑈𝑢=𝑉1−𝑉2, de même : 𝑢𝐷3=𝑉2−𝑉1𝑉3, la diode 𝐷1 reste en conduction (𝑢𝐷1=0) et la diode 𝐷2 entre en conduction (𝑢𝐷2=0), ainsi la tension à la sortie du pont est 𝑈𝑢=𝑉1−𝑉3, et 30

que 𝑢𝐷3=𝑉2−𝑉1𝑉3, 𝑢𝐷3=0 et 𝑢𝐷2=0, 𝑈𝑢=𝑉2−𝑉3 et ainsi 𝑢𝐷1=𝑉1−𝑉2𝑉1, 𝑢𝐷3=0 et 𝑢𝐷4=0, 𝑈𝑢=𝑉2−𝑉1 et ainsi 𝑢𝐷1=𝑉1−𝑉2𝑉1, 𝑢𝐷5=0 et 𝑢𝐷4=0, 𝑈𝑢=𝑉3−𝑉1 et ainsi 𝑢𝐷1=𝑉1−𝑉3𝑉2, remarquez que cet état est similaire à l’état 1 (0>𝑤𝑡>𝜋6), ainsi le cycle de commutation recommence pour continuer avec la période suivante. Ainsi les formes d’ondes obtenu à un pond de diodes ainsi que la tension inverse dans une diode du redresseur (cas de la diode D1) sont représentées sur la figure 12

Figure 19:formes d'ondes obtenues à un pont triphasé de Graetz

31

2. Le circuit intermédiaire

Figure 20:Circuit auxiliaire. Le circuit intermédiaire du variateur électronique de vitesse n’est rien d’autre qu’un circuit de filtrage de la tension de sortie du redresseur. Le filtrage a pour rôle de rendre l'allure de la tension issue du redressement en une tension aussi continue que possible, on insère donc un filtre passe bas en sortie du redresseur pour permettre de réduire l’ondulation de tension. Un redresseur commandé est réversible, c.-à-d. lors du freinage électrique, le récepteur, le moteur dans notre cas, fonctionnant en génératrice, le redresseur renvoie de l'énergie à la source d'alimentation (freinage électrique récupératif); dans le cas d’un redresseur non commandé, cette opération inverse est impossible, c’est ainsi dans le variateur de vitesse utilisant ce type de redresseur, on ajoute dans le circuit intermédiaire un absorbeur. Un Absorbeur n’est qu’un dispositif permettant un freinage électrique dissipatif, constitué d’un hacheur de freinage et une résistance correctement dimensionnée pour permettre un freinage momentané. 3. L’Onduleur Un onduleur est un convertisseur statique assurant la conversion continu-alternatif, c.-àd. il fournit une tension (ou un courant) de grandeur et de fréquence réglables à un récepteur monophasé ou triphasé, à partir d’une source de tension (ou de courant) continue. On distingue principalement deux classes d’onduleur : les onduleurs non autonomes et les onduleurs autonomes. Entre ces deux types d’onduleurs, il existe un type intermédiaire d’onduleur appelé onduleur à commutation par la charge (ou encore onduleur à résonance). Un onduleur est dit non autonome si l’énergie nécessaire pour la commutation des thyristors est fournie par le réseau alternatif qui est donc un réseau actif (cas observé en fonctionnement en onduleur des redresseurs) ; et un onduleur est dit autonome si l’établissement et la connexion entre l’entrée et la sortie ne dépend que de la commande des 32

semi-conducteurs, c.-à-d. on modifie de façon périodique les connexions entre l’entrée et la sortie et permet d’obtenir de l’alternatif à la sortie. Un onduleur autonome peut être soit un onduleur de courant (commutateur de courant) alimenté par une source de courant continu ou soit un onduleur de tension alimenté par une source de tension continue. Un onduleur de tension est soit monophasé configuré en push-pull (onduleur monophasé avec transformateur de sortie à point milieu), en demi pont (l’onduleur monophasé avec diviseur capacitif) ou en pont complet destiné à alimenter des charges alternatives monophasées ; ou soit triphasé qui fournit une source de tension triphasée destiné aux applications des moyennes et des fortes puissances.

Figure 21:Schéma de l'onduleur monophasé de tension en demi pont à gauche et en pont complet à droite

Figure 22: Schéma de principe d’un onduleur de tension

33

4. Principe de fonctionnement (onduleur de tension triphasée) L’onduleur de tension triphasée est constitué d’une source de tension continue (dans notre cas obtenu à partir du redresseur triphasé à diodes suivi d’un filtre) et de six interrupteurs montés en pont formant ainsi trois bras. Pour obtenir la tension alternative, le principe de fonctionnement est basé sur le découpage de la tension d’entrée continue et l’appliquer une fois dans un sens, une autre fois dans l’autre sens à la charge grâce au jeu d’ouverture des interrupteurs, c.-à-d. les interrupteur sur chaque bras doivent être complémentaire deux à deux pour assurer la continuité des courants de sortie alt ernatif et chaque bras doit être commander avec un retard de T/3 sur le précédent pour que les tensions de sortie soient identiques à un tiers de la période T de leur fondamental prés, la période de fonctionnement est fixée par la commande des interrupteurs. Pour comprendre le fonctionnement de l’onduleur, nous allons nous référer à la figure 22 de l’onduleur de tension. En respectant les conditions générales de source de tension et de courant : - Une source de tension ne doit jamais être court-circuitée mais elle peut être ouverte. - Le circuit d’une source de courant ne doit jamais être ouvert mais il peut être courtcircuité. Donc en aucun moment deux interrupteurs en série (par exemple S1 et S4) doivent être fermés simultanément sous peine de court-circuit. Et pour voir le fonctionnement nous allons supposer au moins un des interrupteurs en série est toujours fermé, on obtient huit états possible, nous notons un ‘’1’’ l’état quand l’interrupteur du haut d’un bras est fermé et par un ‘’0’’ l’état lorsque celui du bas est fermé. Le tableau des données suivant, illustre toutes les combinaisons possibles des états respectifs des interrupteurs qui ne violent aucune des règles fondamentales.

34

Tableau 1:Les tensions composées et signaux de commande. Où : - UA0, UB0 et UC0 les tensions simples entre les bornes A, B et C, et le point milieu du pont capacitif d’entrée pris comme référence à potentiel nul. Sont des tensions alternatives rectangulaires de valeurs distinctes ± E/2. - UAB, UBC et UCA les tensions de ligne entre phase A, B et C. données respectivement par : UA0- UB0, UB0- UC0 et UC0- UA0.

En parcourant périodiquement les états ‘’cas 1’’ à ‘’ cas 6’’ on obtient trois phases déphasées de 120°. Graphiquement nous obtenons les formes d’ondes de tensions composées entre phases montrée sur la figure suivante :

35

Figure 23:Formes d'ondes de tensions de ligne Et les cas 0 et 7 (états de roue libre) permettent d’obtenir une tension résultante maximale ; c.-à-d. en exploitant ces positions on aura une variation de la tension moyenne à la sortie de l’onduleur. Cependant cette simple succession d’états ne permet pas d’avoir une forme d’ondes sinusoïdales satisfaisantes. C’est ainsi qu’on recourt à de technique de commande de l’onduleur pour se rapprocher de plus en plus à une forme d’onde sinusoïdale. Les interrupteurs de l’onduleur sont réalisés suivant la puissance à contrôler, avec des transistors MOS ou bipolaire, des IGBT ou des thyristors GTO, on associe des diodes en 36

antiparallèles (diodes dites de ‘‘roue libre’’) pour étendre les caractéristiques des interrupteurs pour en faire des commutateurs réversibles en courant ainsi constituer des interrupteurs bidirectionnels en courant à simple commande d’amorçage.

Figure 24:Caractéristiques statique et dynamique d’un interrupteur de l'onduleur

La figure suivante nous montre un onduleur de tension à MOSFET de puissance avec diodes de roue libre.

Figure 25:Onduleur de tension à MOSFET

37

 Techniques de commande :

Pour obtenir une onde sinusoïdale à la sortie d’un onduleur, plusieurs types de commande sont possibles, les plus utilisées sont :

- La commande pleine onde (dite 180°) : Dans un onduleur de tension commandé par la technique plein onde, on commande chaque interrupteur pour conduire pendant une demipériode et à tout instant trois interrupteurs de branche différente sont en état de conduire et les trois autres sont bloqués, Les trois branches de l'onduleur sont commandées avec un décalage de 120° électriques de façon à générer des tensions triphasées symétriques directes à la sortie de l’onduleur. - La commande décalée : Le principe de la commande décalée ou séquentielle consiste à utiliser deux angles de retard à l’allumage différents, α1 et α2, pour commander les deux groupes de commutation. - La commande à Modulation de largeur d’impulsion (MLI) : La tension générée par les deux premières stratégies à une forme rectangulaire, permet un réglage de la fréquence des tensions composées et simples, le réglage des valeurs efficaces ne peut être réalisé, les formules mathématiques (décomposition en série de Fourier), ont montré que cette forme d’onde est riche en harmoniques. Les techniques de modulation de largeur d’impulsion, en anglais « Pulse Width Modulation » (PWM), consistent à introduire des commutations supplémentaires dans la commande des interrupteurs, à une fréquence supérieure à celle du fondamental de la tension de sortie c’est-à-dire au lieu de former chaque alternance d’une tension de sortie avec un seul créneau rectangulaire, on la forme de plusieurs créneaux de largeurs bien spécifies pour éliminer les harmoniques à fréquences proches de fondamentale. 5. Fonction des variateurs de vitesse : Parmi la multitude de possibilités de fonctions qu'offrent les variateurs de vitesse actuels, nous épinglons : • L’accélération contrôlée, • La décélération contrôlée, • La variation et la régulation de vitesse, • L’inversion du sens de marche, • Le freinage d'arrêt. 38

Figure 26:Caractéristique de la vitesse du MAS a. L’accélération contrôler : Le profil de la courbe de démarrage d'un moteur il peut être soit linéaire ou en forme de "s". Ce profil ou "rampe" est la plupart du temps ajustable en permettant de choisir le temps de mise en vitesse du moteur. [4]

b. La décélération contrôler : Les variateurs de vitesse permettent une décélération contrôlée sur le même principe que l'accélération. Dans le cas des ascenseurs, cette fonction est capitale dans sens où l'on ne peut pas se permettre de simplement mettre le moteur hors tension et d'attendre son arrêt complet suivant l'importance du couple résistant (le poids du système cabine/contrepoids varie en permanence) ; Il faut impérativement contrôler le confort et la sécurité des utilisateurs par le respect d'une décélération supportable, d'une mise à niveau correcte, ... On distingue, au niveau du variateur de vitesse deux types de freinage : 

En cas de décélération désirée plus importante que la décélération naturelle, le freinage peut être électrique soit par renvoi d'énergie au réseau d'alimentation, soit par dissipation de l'énergie dans un système de freinage statique.



En cas de décélération désirée moins importante que la décélération naturelle, le moteur peut développer un couple moteur supérieur au couple résistant et continuer à entraîner la cabine jusqu'à l'arrêt. [4]

39

c. La régulation de la vitesse : Parmi les fonctionnements classiques des variateurs de vitesse, nous distinguons :

La variation de vitesse proprement dite où la vitesse du moteur est définie par une consigne d'entrée (tension ou courant) sans tenir compte de la valeur réelle de la vitesse du moteur qui peut varier en fonction de la charge, de la tension d'alimentation, ... Nous sommes en boucle "ouverte" (pas de feedback).

Figure 27: Schéma synoptique du système variateur-moteur sans un comparateur « boucle ouvert »

La régulation de vitesse où la consigne de la vitesse du moteur est corrigée en fonction d'une mesure réelle de la vitesse à l'arbre du moteur introduite dans un comparateur. La consigne et la valeur réelle de la vitesse sont comparées, la différence éventuelle étant corrigée. Nous sommes en boucle "fermée".[8]

Figure 28:Schéma synoptique du système variateur-moteur avec un comparateur « boucle fermée »

40

d. L’inversion du sens de moteur : Sur la plupart des variateurs de vitesse, il est possible d'inverser automatiquement le sens de marche. L'inversion de l'ordre des phases d'alimentation du moteur s'effectue 

Soit par inversion de la consigne d'entrée,



Soit par un ordre logique sur une borne,



Soit par une information transmise par une connexion à un réseau de gestion. [8]

 Le freinage d’arrêt : C'est un freinage de sécurité : Avec des moteurs asynchrones, le variateur de vitesse est capable d'injecter du courant continu au niveau des enroulements statorique et par conséquent stopper net le champ tournant ; la dissipation de l'énergie mécanique s'effectuant au niveau du rotor du moteur (danger d'échauffement important). Avec des moteurs à courant continu, le freinage s'effectue au moyen d'une résistance connectée sur l'induit de la machine. [8]

6. Résumé sur la conception a. Partie redresseur : Dans notre conception nous allons utiliser un pont de diode PD3 Son courant de sortie maximal est 35A. Le courant nominal est évalué à environ 10A pour un moteur de 4KW. Celui-ci peut cependant fortement augmenter en raison du couple appliqué au moteur ou bien du courant de démarrage. Il est surdimensionné en raison des forts « pics » de courants brefs mais élevés pour que la fonction soit toujours assurée. b. Partie filtrage : On utilise une capacité de filtrage en parallèle avec le circuit de redressement La valeur de la capacité est environ 1000μF elle doit supporter entre ces bornes une tension de 400v de minimum c. Partie onduleur : Dans cette partie on utilise Des IGBT Le transistor deviendra passant lorsque la tension aux bornes des condensateurs sera supérieure à 360 V. L'IGBT peut supporter 600V entre collecteur et émetteur et peut laisser passer un courant de 14A. 41

CHAPITRE IV : REALISATION ET SIMULATION D’UN VARIATEUR DE VITESSE A BASE D’ONDULEUR PILOTE PAR ARDUINO

42

I.

INTRODUCTION :

L’objectif de ce chapitre c’est réalisation et simulation d’un variateur de vitesse à base d’onduleur à MLI pour un moteur asynchrone triphasé piloté par arduino.

43

II.

Présentation du logiciel PSIM : PSIM est un logiciel de simulation pour l’électrotechnique et l’électronique de puissance. Ce logiciel permet de dessiner le schéma du montage à partir des éléments de la bibliothèque (Machines, transformateurs, interrupteurs électroniques, éléments de commande et de contrôle). Les appareils de mesure disposés sur le schéma de montage définissent les courbes représentatives des grandeurs électriques et mécaniques que l’on peut obtenir après simulation

1. Simulation du réseau d’alimentation du variateur de vitesse : Le variateur de vitesse est alimenté par un système de tension triphasé équilibré. Ce système à une amplitude égale à 230 x √2 et une fréquence égale à 50 Hz.

Figure 29: réseaux d’alimentation triphasée

V1IN=Vmaxsin(ωt) V2IN= Vmaxsin(ωt-2π /3) V3IN= Vmaxsin(ωt-4π /3) Avec Vmax=230√ =325v Après la simulation de ces signales on n’obtient les formes suivantes :

44

Figure 30:allures des tensions d’entrées des 3 phases

2. Simulation de l’étage redressement : Cet étage est constitué par un PD3 tous diodes, permet la conversion de la tension alternative en continue « AC/DC » comme il est présenté dans la figure suivante :

Figure 31:redresseur

À la sortie du redresseur, la visualisation de la tension est simulée dans la figure suivante :

Figure 32:tension de sortie du redresseur

45

On constate que la tension est ondulée ce qui nécessite une opération de filtrage 3. Etage de filtrage : À la sortie du redresseur, une capacité de filtrage de 1400μF est installée pour filtrer la tension de sortie du pont redresseur et une volte mètre pour visualiser cette tension.

Figure 33:filtrage capacitive

On obtient l’allure suivant :

Figure 34: simulation de la tension filtrée

4. L’étage onduleur : L'onduleur de tension transforme en tension alternative triphasée une tension continue. Il impose une forme de tension déterminée à la machine quel que soit le courant absorbé, et travaille en commutation forcée. Une commande adéquate appliquée à l’onduleur ce qui lui permet de régler la fréquence et l'amplitude des grandeurs de sortie. On va appliquer la commande MLI pour commande les IGBT

46

La stratégie MLI permet d’imposer à la machine des ondes de tensions à amplitudes et fréquences variables à partir du réseau standard. La commande MLI plus répandue est appelée sinus-triangle. Cette technique repose sur la comparaison d’un signal haute fréquence appelée porteuse avec un signal de basse référence, l’image de la tension désirée à la sortie du convertisseur tout en éliminant les harmoniques

Figure 35: Schéma du principe du moteur avec commande MLI

Figure 36: la porteuse et les signaux de références

47

Figure 37: simulation de la porteuse

Les allures des tensions 𝑉1ref, 𝑉2ref et 𝑉3ref de références appelées modulantes déphasées de 2π/3 à la même fréquence f sont données dans la figure suivante.

Figure 38: Simulation des tensions V1ref, V2ref et V3ref

Le principe de MLI sinus-triangle sur une seule période est illustré dans la figure suivante. Les intersections entre la tension de référence et la porteuse donnent les instants d’ouverture et de fermeture des interrupteurs. Il s’agit de comparer la référence (en bleu) à la porteuse triangulaire (en rouge). Le signal de sortie de l’interrupteur K1 vaut 1 si la modulante est plus grande que la porteuse, 0 sinon ; le signal de sortie change donc d'état à chaque intersection de la modulante et de la porteuse. Les allures des autres signaux de commandes K2 et K3 sont dans la figure qui suit. 48

Figure 39: simulation de la porteuse et V1ref

Figure 40: simulation de K1 (résultat de la comparaison de la porteuse et le signal de référence V1ref)

49

Figure 41: Les signaux de commande k2

Figure 42:tension entre phase

III.

GENERALITIES SUR LES CARTES ARDUINO :

Arduino est une carte qui contient tout le nécessaire pour fonctionner microcontrôleur, pour pouvoir l'utiliser et le démarrer, il suffit de le connecter à un Ordinateur à l'aide d'un câble USB. Elle peut profiter des ressources disponibles et trouver répondre à sa question. Cette technologie est utilisée dans de nombreuses applications telles qu’Électronique industrielle. Cette carte dispose de :



54 broches numériques d'entrées/sorties (dont 14 peuvent être utilisées en sorties PWM)



16 entrées analogiques (qui peuvent également être utilisées en broches entrées/sorties numériques)



4 UART (port série matériel),



Quartz 16Mhz



Connexion USB



Connecteur d'alimentation jack



Connecteur ICSP (programmation "in-circuit")



Bouton de réinitialisation (reset).

50

Figure 43:arduino mega 2560 caractéristiques Spécifications techniques : 1. Microcontrôleur : ATmega2560 2. Tension de fonctionnement : 5 V 3. Gamme de tension d’entrée (recommandée) : 7-12 V 4. Gamme de tensions d’entrée (limite) : 6-20 V 5. Pins digitaux I/O : 54 6. Pins digitaux I/O PWM : 14 7. Pins d’entrée analogique : 16 8. Courant direct par pin I/O : 40 mA 9. Courant direct pour les pins 3,3 V : 50 mA 10. Mémoire flash : 256 KB 11. Mémoire Flash du Bootloader : 8 KB 12. SRAM : 8 KB 13. EEPROM : 4 KB 14. Fréquence d’horloge de l’oscillateur à quartz : 16 MHz 15. Dimensions : 101,52 x 53,3 mm 16. Poids : 37 g 1. Alimentation : La carte Arduino Mega 2560 peut être connectée via une connexion USB fournissant du 5V ou depuis Utilisez une alimentation externe de 6 à 20 volts. Cependant, si la carte est alimentée moins de Les broches 7V, 5V peuvent fournir des tensions inférieures à 5V et la carte peut être instable. Si nous utilisons plus de 12V, le régulateur de tension de la carte peut chauffer et endommager la carte. Aussi, la plage La tension idéale recommandée pour alimenter la carte est de 7V à 12V. 51

Les broches d'alimentation sont les suivantes : 1. VIN. La tension d'entrée positive lorsque la carte Arduino est utilisée avec une source de tension externe (à distinguer du 5V de la connexion USB ou autre source 5V régulée). 2. 5V. La tension régulée obtenue à l'aide d’un régulateur utilisée pour faire fonctionner le microcontrôleur et les autres composants de la carte. Cette tension fournie par cette broche peut provenir soit de la tension d'alimentation VIN via le régulateur, ou bien de la connexion USB (qui fournit du 5V régulé). 2. Mémoire :

L'ATmega 2560 à 256Ko de mémoire FLASH pour stocker le programme (dont 8Ko également utilisés par le bootloader). Elle à également 8 ko de mémoire SRAM (volatile) et 4Ko d'EEPROM (non volatile). Le bootloader est un programme préprogrammé une fois pour toute dans l'ATméga et qui permet la communication entre l'ATmega et le logiciel Arduino via le port USB, notamment lors de chaque programmation de la carte. 3. Broches numériques :

Chacune des 54 broches numériques de la carte Mega peut être utilisée soit comme une entrée ou bien sortie numérique. Ces broches fonctionnent en 5V et chaque broche peut fournir ou recevoir un maximum de 40mA d'intensité Broches 0 à 13 : Impulsion PWM (largeur d'impulsion modulée) qui fournissent une impulsion PWM 8bits. La carte dispose de 16 entrées repérées d’A0 à A15, qui peuvent admettre toute tension analogique comprise entre 0 et 5 V. Mais la tension ne doit jamais dépasser 5 Volts sous peine de détruire le microcontrôleur. Pour mesurer des tensions supérieures à 5 Volts il faut équiper l’entrée d’un pont diviseur.

52

IV.

SIMULATION DU PROGRAMME SUR PROTEUS :

1. Organigramme du programme Arduino : DEBUT

DECLARATION DES VARIABLE

LECTURE VITESSE (ANALOGIQUE)

CONVERSION VITESSE (NUMERIQUE)

GENERER LES 6 PWM (4-5KHZ) Figure 44:Organigramme du programme Arduino

53

2. Schéma de simulation :

Le schéma de simulation est composé de la carte Arduino Mega, un potentiomètre 1K pour varier la fréquence des 6 PWM, six optocoupleurs et deux oscilloscopes pour visualiser les signaux. Pour le programme de la carte voir annexe 1.

Figure 45:Schéma de simulation programme sur PROTEUS

54

3. Résultats de simulation : Vitesse maximale :

PH1+

PH1-

PH2+

PH2-

PH3+

PH3-

Figure 46:Les 6 PWM avec Vitesse maximale

55

Vitesse moyenne:

PH1+

PH1-

PH2+

PH2-

PH3+

PH3-

Figure 47:Les 6 PWM avec Vitesse moyenne

56

Vitesse minimal :

PH1+ PH1+

PH1PH1-

PH2+ PH2+ PH2PH2-

PH3+ PH3+

PH3PH3-

Figure 48:Les 6 PWM avec Vitesse minimale

57

4. CONCEPTION ET REALISATION PRATIQUE: Carte Arduino 6 PWM

Optocoupleur PC817

Carte de Commande DRIVER IR2110

6 IGBT Carte de Puissance

Moteur Asynchrone 3~

Moteur asynchrone 3

Figure 49:Schéma synoptique

58

V.

Choix des composants électroniques :

Le premier calcul est celui du courant nominal délivré par l’onduleur. Considérons la charge est un moteur asynchrone triphasé 230/400V avec un facteur de puissance de 0.72 et une puissance utile de 0.75Kw.

Figure 50:Plaque signalétique du moteur asynchrone triphasé Dans ce cas le courant nominal est : Pn 750 𝐼𝑛 = = =1.50A √3.U.cos φ

√3.400.0,72

1. Carte de commande : Schéma électronique de la carte de commande est réalisé par le logiciel EAGLE comporte :

a. Alimentation 5V : La carte Arduino est alimentée à partir d’une pile 9V à travers un câble jack et la carte de commande à travers un bornier à 2 vis X1. J’ai besoin d’une alimentation 5V, pour cette raison j’ai ajouté un régulateur de tension 7805

Figure 51:Alimentation 5VDC

59

Il existe dans le commerce des régulateurs de tension linéaire sous forme de circuit intégré à trois broches. Ce genre de circuit est à utilisation simple : il suffit de brancher une broche à la masse, une autre vers la tension d'alimentation et j’obtiens en sortie une tension régulée. Il est généralement nécessaire d'ajouter quelques condensateurs à l'entrée et en sortie servant de réservoir d'énergie de filtrage et de découplage. Selon la puissance dissipée par le composant, fonction du courant consommé en sortie et de la chute de tension à ses bornes, il est quelquefois nécessaire de lui adjoindre un dissipateur

Figure 52:Régulateur 7805 TO 220

Entrées/sorties Arduino Mega : La connexion entre la carte Arduino et la carte de commande est faite par l’intermédiaire des connecteurs Headers male ; JP4 pour les entrées et JP4 pour les sorties.

Figure 53:Connecteur header male

60

Carte de commande :

Figure 54:Carte de commande

61

b. Isolation galvanique avec PC817 : L'isolation galvanique a pour objectif de supprimer tout lien électrique entre la partie commande (carte Arduino) et la partie puissance (les IGBT). J’ai réalisé l’isolation galvanique avec 6 optocoupleurs PC817. Et pour une totale isolation j’ai séparé les masses. De cette manière, toute l'électronique de commande a une masse commune GND et toute l'électronique de puissance a une autre masse commune AGND, indépendante de la première.

Figure 55:Isolation galvanique par l’optocoupleur PC817

L’optocoupleur PC817 est formé d'une LED infrarouge et d'un phototransistor. Il y a un isolement électrique entre les deux. Lorsqu'on fait passer un courant dans la LED, elle émet de l'infrarouge dans un boitier bien hermétique à la lumière. La lumière émise par la LED est captée par le phototransistor qui devient alors passant. On peut donc transmettre un courant électrique tout en isolant électriquement

62

c. Driver i2110 : C'est un circuit intégré qui permet le pilotage en haute fréquence de 2 IGBT, sous des tensions pouvant atteindre 600v, en garantissant l'isolation électrique de chaque étage. Ci-dessous:

Figure 56:Diagramme fonctionnel de IR2110 Les entrées HIN, LIN et SD sont des entrées logiques, compatibles CMOS et TTL LS. Les niveaux de basculement sont liés à la valeur de la tension d'alimentation VDD. Par exemple, pour VDD=15v, le niveau haut est compris entre 9,5v et 15v, le niveau bas est compris entre 0v et 6v.  Fonctionnement des entrées logiques :

L'étude suivante concerne HIN, mais s'applique de la même façon à LIN.

Figure 57:Etude de HIN L'entrée logique SD, lorsqu'elle est au niveau haut, bloque la sortie OUT (OUT= 0). Lorsque SD est au niveau bas, les impulsions qui arrivent sur HIN sont présentes sur la sortie OUT. Grâce à la bascule RS, une impulsion en partie bloquée par SD, reste bloquée jusqu'à sa fin. Cette propriété peut être utilisée pour moduler les largeurs d'impulsions à partir de l'entrée SD.

Figure 58:Diagramme HIN

63



Étage de sortie bas :

Cet étage dispose d'une sortie LO pouvant délivrer un courant de 2A par l'intermédiaire du pushpull T1T2. Ces transistors ont un fonctionnement complémentaire. Lorsque la tension Vcc est insuffisante, T1 est bloqué et T2 est saturé. Dans le cas contraire, c'est DELAY qui fixe l'état de T1 et T2

Figure 59: Etage de sortie bas



Étage de sortie haut :

Cet étage dispose d'une sortie HO pouvant délivrer un courant de 2A par l'intermédiaire du pushpull T3T4. Ces transistors ont un fonctionnement complémentaire. Lorsque la tension VB est insuffisante, T3 est bloqué et T4 est saturé. Dans le cas contraire, c'est PULSE FILTER qui fixe l'état de T1 et T2.

Figure 60:Etage de sortie haut

64



Montage d'application :

Dans ce montage, les condensateurs C1, C2 et C3 assurent le filtrage des alimentations VDD, VCC et VB. La tension VCC doit être comprise entre 10v et 20v, la tension VDD entre 4,5v et 20v. L'alimentation VB est obtenue à partir de VCC, par charge de C2 à travers D et Load, lorsque T2 est saturé

Figure 61:Montage d’application 2. Routage de la carte d’alimentation : À l’aide du logiciel Proteus PCB ; j’ai réalisé le routage de la carte d’alimentation sur un circuit imprimé simple :

Figure 62: Typon de la carte d'alimentation

65

Figure 63:3D visualizer 3. Routage de la carte de commande les optocoupleurs : À l’aide du logiciel Proteus PCB ; j’ai réalisé le routage de la carte de commande (les optocoupleurs) sur un circuit imprimé simple :

Figure 64:Typon de la carte de commande les optocoupleurs

66

Figure 65:3D visualizer

4. Routage de la carte de commande(Driver 2110) : À l’aide du logiciel Proteus PCB ; j’ai réalisé le routage de la carte de commande (Driver 2110) sur un circuit imprimé simple :

Figure 66:Typon de la carte de commande les drivers IR2110

67

Figure 67: 3D visualiser

5. Carte de puissance : Les transistors sont fabriqués pour des courants, des tensions et des fréquences de commutation élevées. Ils remplacent les thyristors dans les onduleurs des variateurs de vitesse. La valeur du courant dans les transistors ne passe pas impérativement par zéro comme pour les cas des diodes et des thyristors. On peut demander au transistor de commuter à n’importe quel moment en changeant la polarité de l’électrode de commande. Les développements les plus récents de la technologie des semiconducteurs ont permis d’augmenter substantiellement la fréquence de commutation des transistors. Le seuil supérieur se trouve maintenant au-dessus de plusieurs centaines de KHz. On peut donc éviter le bruit magnétique produit par la magnétisation par impulsion du moteur. Un autre avantage de la fréquence de commutation élevée est la grande souplesse de la tension de sortie du variateur. Il est en fait possible d’obtenir un courant moteur parfaitement sinusoïdal à condition que le circuit de commande allume et éteigne les transistors du convertisseur selon un schéma convenable. La fréquence de commutation de l’onduleur réside à un compromis entre les pertes dans le moteur et les pertes dans l’onduleur. Si la fréquence de commutation augmente, les pertes dans l’onduleur augmentent aussi. Le transistor à haute fréquence qui sera utilisé c’est le bipolaire à grille isolée (IGBT). Il associe les avantages des transistors bipolaires (tensions et courants élevés) et ceux des transistors MOSFET (rapidité des commutations, énergie de commande faible).

68

Le schéma électronique de la carte de puissance est réalisé par le logiciel EAGLE :

Figure 68:Schéma électronique de la carte de puissance

a.

IGBT :

Un IGBT de type NPN possède comme un transistor bipolaire un colleteur et un émetteur mais la base remplacée par une électrode haute impédance qui est la grille d’un MOS. Il est constitué par un transistor bipolaire PNP de puissance de faible gain associé à un MOS canal N qui fournit le courant de base. La structure interne est représentée sur la figure ci-contre, nous avons utilisé transistor IGBT 50N60*.

Figure 69:Structure d’un IGBT

69

Figure 70: IGBT 50JR22

6. Routage de la Carte de puissance : À l’aide du logiciel Proteus PCB ; j’ai réalisé le routage de la Carte de puissance sur un circuit imprimé simple :

Figure 71:Typon de la carte de puissance

70

Figure 72:3D visualizer VI.

REALISATION PRATIQUE :

1. Carte de commande :

Figure 73:Face de composants de carte de commande

71

2. Visualisation sur oscilloscope :

Figure 74:Visualisation des signaux de commande

3. Carte de puissance :

Figure 75:Face composants de la carte de puissance

72

VII.

CONCLUSION

Dans ce chapitre, nous avons simulé et réalisé les différents étages de notre variateur L’alimentation, redresseur, l’onduleur, et la commande MLI pour un moteur Asynchrone triphasé piloté par Arduino, simulation sur le logiciel PSIM.

73

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES Nous avons étudié le choix du moteur asynchrone ainsi que son variateur, nous avons fait la simulation du fonctionnement en comparant la commande pleine onde et M.L.I. et en montrant l’avantage de cette dernière. En outre nous avons effectué la réalisation pratique du variateur dans laquelle nous rencontré plusieurs difficultés que nous put les résoudre. Certes, des améliorations peuvent être apportées au niveau de la commande du variateur. Elles consistent à le commander par d'autres circuits spéciaux ou par automate via les bus communication. Ce travail nous avons permis d’élargir mes connaissances dans le domaine de l’électronique de puissance et de commande ainsi que la maîtrise de l’outil de simulation

74

Annexe 1 : Programme de la carte ARDUINO #include #include

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,20,4); #define VT1 6 #define VT2 7 #define VT3 8 #define VT4 9 #define VT5 10 #define VT6 11 #define RELAY 2

#define MAX_FREQ 12150 #define MIN_FREQ 1575

#define SET_FREQ A0 #define SET_K_ZAP A1

void setup(){ lcd.init(); lcd.init(); lcd.backlight(); Serial.begin(9600); pinMode(VT1, OUTPUT); pinMode(VT2, OUTPUT); pinMode(VT3, OUTPUT); pinMode(VT4, OUTPUT); 75

pinMode(VT5, OUTPUT); pinMode(VT6, OUTPUT); pinMode(RELAY, OUTPUT); Serial.begin(9600); digitalWrite(RELAY, LOW); analogWrite(VT1, 255); analogWrite(VT2, 255); analogWrite(VT3, 255); analogWrite(VT4, 255); analogWrite(VT5, 255); analogWrite(VT6, 255); pinMode(SET_FREQ, INPUT); pinMode(SET_K_ZAP, INPUT); TCCR1B = TCCR1B & 0b11111000 | 0x02; TCCR2B = TCCR1B & 0b11111000 | 0x02; TCCR3B = TCCR1B & 0b11111000 | 0x02; TCCR4B = TCCR1B & 0b11111000 | 0x02; } int sw_time = 60; int K_zap = 130; int time_start; void pwm_loop_fwd_a2(void) { int iteration; for (iteration = 1; iteration 220)//stop { analogWrite(VT1, 255); analogWrite(VT2, 255); analogWrite(VT3, 255); analogWrite(VT4, 255); analogWrite(VT5, 255); analogWrite(VT6, 255); delayMicroseconds(sw_time); } 79

else { time_start = millis(); for (i = 1; i