Démarreurs électroniques pour moteurs électriques industriels.

1.   Fonction :

Permettre le démarrage et éventuellement la variation de vitesse des moteurs électriques tout en protégeant les moteurs contre toutes surintensités et emballements.

2.   Types de démarreurs :

Deux grandes familles existent :

3.   Types d’actions sur le courant. 

Le courant d’alimentation des moteurs arrive en « tout ou rien », Il est modulé par des composants électroniques de puissance, soit des Thyristors (RECTIVAR), soit des triacs (GRADIVAR), soit enfin des transistors CMOS de puissance (pour l’ ALTIVAR). Ces composants sont prévus pour se fermer ou s’ouvrir dans des temps inférieurs à la micro seconde et se comportent comme des interrupteurs. 

De ce fait la puissance perdue dans le démarreur est minime et le rendement excellent, par contre, il y a risque de génération de parasites sur le secteur si les démarreurs ne sont pas bien antiparasités.

4.   Démarreurs pour moteurs à courant continu.

Généralement, Ce type de démarreur est alimenté en alternatif mono ou triphasé, 50Hz, par commodité. Cela sous-entend qu’il y a un redressement bi alternance pour obtenir du courant continu.

        4.1    Schéma fonctionnel :

Remarque : une génératrice couplée à l’arbre du moteur assure la fourniture de l’information vitesse du moteur en effectuent une conversion vitesse-tension.

        4.2    Principe : 

-          Tout moteur à courant continu est régie par la loi de récepteurs   

Þ    U = E’ + R . I

( R = résistance de l’induit.)

-          La fcem E’ dépend de la vitesse n, du nombre de brins actifs sur l’induit N et du flux magnétique produit par les inducteurs F  

Þ    E’ = n . N . F 

-          U =  n . N . F + R . I  , R est très petite, donc, si elle est négligée,

Þ U »  n . N . F

Il sera donc possible de faire varier la vitesse (n) de deux manières, en agissant sur la tension d’alimentation ou sur le flux. ( Le nombre de brins est impossible à modifier )

Deux constats : 

-          n varie linéairement avec U alimentation.

-          n présente une asymptote et tend vers l’infini si le flux tend vers zéro. Cette situation est très dangereuse, on dit que le moteur s’emballe. Il peut se détruire. 

La solution qui a été retenue : 

a)  Fixer une alimentation aux inducteurs qui produisent le flux magnétique ainsi que de tester en permanence leur état. Mettre hors énergie, s’il y a problème.

b ) Modifier la tension d’alimentation de l’induit.

c ) Permettre un asservissement de cette tension d’alimentation en fonction de la vitesse réelle de l’arbre moteur et de l’intensité consommée par l’induit. 

 

        4.3    Asservissement de la vitesse :

Le principe utilise un comparateur de tensions qui fournit une ddp fonction de la différence des tensions comparées.

a)      Si U consigne > U retour alors U’ important et > 0, donc le moteur accélère.

b)      Si U consigne < U retour, alors le moteur est arrivé et dépassé la vitesse voulue, donc U’ < 0 et le moteur est obligé de ralentir.

c)      Si U consigne = U retour, alors U’ tend vers zéro, le moteur est obligé de ralentir et l’on revient à la situation a)

Remarques : 

-          Lorsque le moteur est lancé et doit ralentir, il se comporte alors en génératrice fournit de l’énergie. Certains démarreurs récupèrent cette énergie.

-          Pour éviter des contraintes trop importantes dues à des variations trop rapides de la consigne, l’apparition de celle-ci, est retardée avec une cellule « RC », interne au variateur.

-          Pour simplifier la structure interne du démarreur, les constructeurs n’ont pas voulu que le démarreur puisse faire tourner le moteur dans les deux sens. Cela est cependant possible en rajoutant un couple de contacteurs qui assurent la permutation de l’alimentation de l’induit. Des modèles ( plus chers ) dispense de ce tracas. 

 

        4.4  Limitation de l’intensité. 

En série avec l’alimentation de l’induit , les constructeurs ont placé un « schunt » pour mesurer l’intensité absorbé . 

Cela est nécessaire : 

-          Lors du démarrage du moteur E’ est faible donc I risque d’être trop importante  .                      [ I = (U – E’ )  / R ]

-          Lors de l’asservissement, si U consigne< U retour. 

Une structure, elle aussi à comparateur, assure La limitation en fonction d’une consigné fixée lors du montage de l’installation. 

        4.5    Interface de puissance : 

Elle est généralement constituée d’un pont de thyristors monté en pont de diodes « Graetz ».

La commande agit par modification de l’angle de fermeture permet de faire varier la puissance de 0 à Pmaxi.

La courbe rouge est la tension qui apparaît au bornes de l’induit, les bobines de celui-ci assure une forme de filtrage. En réalité la forme est beaucoup plus «bruitée ».  

        4.6    Conseils de documentation :  

Sur le «  mémotech électrotechnique » collection A. Capliez, page261

        4.7  Quelques documents :

                a ) Cadrans de fonctionnement :  

b ) Synoptique complet d’un démarreur de moteurs à courant continu.

  c) Quelques modèles :

 d ) Schémas de câblage de variateurs :

5.   Démarreurs pour moteurs à courant alternatif de type asynchrones. 

Généralement, Ce type de démarreur est alimenté en alternatif mono ou triphasé, 50Hz, par commodité. 

 Il faut dissocier les modèles en plusieurs types :  

-          Les démarreurs simples qui ne gèrent que le démarrage d’un moteur en limitant l’intensité dans des limites acceptables.

-          Les variateurs pour moteurs asynchrones de type « ALTIVAR » qui ne gèrent que la vitesse de rotation du moteur. (Télémécanique )

-          Les variateurs pour moteurs asynchrones de type « GRADIVAR » qui eux, gèrent la vitesse de rotation du moteur et son démarrage. (Télémécanique )

-          Les variateurs pour moteurs asynchrones à cage d’écureuil, de type « contrôleur de champ magnétisant» qui eux, gèrent la vitesse de rotation du moteur et son démarrage. Ils permettent par injection de courants spécifiques alternatifs dans le stator, de piloter les courants dans le rotor et de faire si on le désire de l’asservissement de vitesse et de position.

-          Il existe aussi des pilotes de moteurs synchrones ( avec roue polaire), qui eux ne sont que l’équivalent industriel des pilotes de moteurs pas à pas utilisés en électronique. Nous n’en parlerons pas dans cette étude. 

    5.1    Démarreurs simples : 

Ce démarreur tend à remplacer avantageusement tout les démarreurs à contacteurs classiques tels les « étoile-triangle », « statorique », « auto-transformateur », hormis le démarreur « rotorique ». Il doit être alimenté en triphasé, 50Hz. 

Il est possible de changer le sens de rotation en actionnant un interrupteur, dans ce cas, le démarreur gère entièrement l’arrêt, puis enfin le démarrage en sens inverse. 

Ils se placent en série avec le moteur. Ils convient de protéger celui-ci par des relais thermiques et des protections rapides. 

Le principe de base est celui des gradateurs de lumière ;pour les trois phases, le courant alternatif est haché par des triacs, dont la fermeture est assurée par un oscillateur de relaxation ou à retard de phase.

La commande de l’oscillateur est assurée par une rampe de tension que l’utilisateur choisit en fonction de son moteur et de l’environnement. Le moteur peut démarrer en 1, 2, 5 secondes…

Comme le démarreur agit sur la tension efficace seulement, le moteur ne peut entraîner de trop forte charge au démarrage.

    Schéma unifilaire :

    Fourniture d’énergie au moteur : 

Exemple : t3 est le temps choisi pour le démarrage

         5.2    Démarreur de type « ALTIVAR : 

Ce type de démarreur permet de modifier la vitesse du moteur dans une fourchette allant de 0 à 1,1 n synchronisme.

( Selon les modèles, la vitesse minimum est plus ou moins grande, 0,1- 0,3 n synchronisme) 

La commande s’effectue par l’imposition d’une tension ou par l’action sur un potentiomètre. 

Ce démarreur tend à remplacer avantageusement tout les démarreurs à contacteurs classiques tels les « étoile-triangle », « statorique », « auto-transformateur », hormis le démarreur « rotorique ». Il peut-être alimenté en triphasé, monophasé, 50Hz, voire du continu. 

Il est possible de changer le sens de rotation en actionnant un interrupteur, dans ce cas, le démarreur gère entièrement l’arrêt (certains par injection de courant continu, pour freiner), puis enfin le démarrage en sens inverse. 

Ils se placent en série avec le moteur. Il convient de protéger celui-ci, par des relais thermiques et des protections rapides.

            5.2.1    Le principe de base est radicalement différent. 

-        Les moteurs ont un règle de fonctionnement qui précise qu’il existe une relation entre la vitesse de synchronisme, le nombre de paires de pôles( Nord-Sud) et la fréquence du réseau d’alimentation.

f = p . n_s 

(f en Hz, n_s en tours par seconde)

Le nombre de pôles est constant, le variateur agit sur la fréquence. La vitesse s’en trouve modifiée.

  Si f augmente, ns augmente.

-          Pour une fréquence de réseau donnée, les moteurs ont une courbe de couple en fonction de la vitesse qui présente un extremum, si la vitesse du moteur tend à diminuer, le moteur cale et s’arrête.

Les « ALTIVAR » font tourner le moteur à une vitesse légèrement supérieure à ce point. De ce fait le moteur tourne avec presque le maximum de couple sans risquer de décrocher et caler. 

     On démontre mathématiquement que le couple restera constant en fonction de la fréquence lorsque le rapport, tension / fréquence, sera constant. 

Les « ALTIVAR » fournissent une tension efficace variable, telle que : 

U secteur / fréquence = U secteur / 50 = constante.

Deux conséquences apparaissent :  

a) Le couple au démarrage restera le même.

b) Il n’y aura plus de surintensités pour les basses fréquences.( on rappelle que les bobines du stator ont une impédance fonction de f)

5.2.2    Forme de l’alimentation fournie au moteur.

L’alimentation est fournie par un hacheur de tension qui reconstitue le triphasé, après un redressement plus un filtrage du réseau. 

Un circuit spécialisé ( et très secret quant à sa structure) calcule les temps de fermeture et d’ouverture de six transitors de type CMOS de puissance.

Ces transistors se comportent comme des interrupteurs.

Le pilote, grâce à un algorithme, ferme au moment où l faut, les interrupteurs ; il n’y a jamais deux interrupteurs en série

fermés ensembles,  pour éviter le court-circuit.   

La reconstitution de la tension alternative s’effectue en modifiant le rapport cyclique du signal de hachage.   

La tension n’est pas sinusoïdale, mais les bobines du moteur réagissent et l’intensité qui les traverse, tend vers une sinusoïde.

Pour une tension entre deux phases :

Remarque : les deux autres tensions sont biens sur déphasées de 120° et 240° par rapport à celle dessinée.

            5.2.3    Schéma de câblage :

        5.3    Démarreur-variateur de type  « GRADIVAR: 

Ce type d’élément industriel combine les deux principes déjà cités. 

Il gère le démarrage et permet de modifier la vitesse du moteur dans une fourchette allant de 0 à 1,1 n synchronisme. 

( Selon les modèles, la vitesse minimum est plus ou moins grande, 0,1-0,3 fois la vitesse n synchronisme) 

La commande s’effectue par l’imposition d’une tension ou par l’action sur un potentiomètre. 

Ce démarreur tend à remplacer avantageusement tout les démarreurs à contacteurs classiques tels les « étoile-triangle », « statorique », « auto-transformateur », hormis le démarreur « rotorique ». Il peut-être alimenté en triphasé, monophasé, 50Hz, voire du continu. 

Il est possible de changer le sens de rotation en actionnant un interrupteur, dans ce cas, le démarreur gère entièrement l’arrêt (certains par injection de courant continu, pour freiner), puis enfin le démarrage en sens inverse. 

Ils se placent en série avec le moteur. Il convient de protéger celui-ci par des relais thermiques et des protections rapides.

                5.3.1    Schéma de câblage :

5.2    Démarreur-variateur de type  « contrôleur de champ magnétisant»  

L’informatique entre dans les démarreurs !   

Ce type de démarreur se place en série avec le moteur. Ils convient de protéger celui-ci par des relais thermiques et des protections rapides. 

Le principe est entièrement différent de tous ceux qui ont étés cités. 

Après avoir étudié dans le détails les réactions des courants rotoriques des moteurs asynchrones, il à été mathématiquement prouvé qu’il était possible :

-          D’interagir sur les courants statoriques et rotoriques et de modifier les caractéristiques couple et vitesse.

-          De freiner voire de bloquer la rotation du moteur.

-          Que l’on pouvait modifier les courants dans le rotor depuis le stator.

Les variateurs pour moteurs asynchrones à cage d’écureuil, de type « contrôleur de champ magnétisant », gèrent la vitesse de rotation du moteur et son démarrage. Ils permettent par injection de courants spécifiques, alternatifs dans le stator, de piloter les courants dans le rotor et de faire si on le désire de l’asservissement de vitesse et de position.

A la sortie de chaque phase,  vers le moteur se trouvent en réalité, deux générateurs de courant, couplé en parallèle. 

-          Un des générateurs fournit un courant dit « magnétisant. ( qui génère le champ tournant)

-          Chaque phase reçoit un courant de magnétisation déphasé de 120°.

-          Le deuxième courant permet dans le rotor, d’avoir une intensité parfaitement adaptée et sans modifier le champ tournant. Pour chaque phase, ce courant est différent, en phase et amplitude.

-          L’interaction du flux et de l’intensité ( Loi de LAPLACE) permet la création d’une force.

-          Les deux générateurs fournissent des intensités différentes, l’une de l’autre et aussi différente d’une phase à l’autre. 

Ce type de variateur  utilise lui aussi des hacheurs de tension,  analogues à ceux cités pour « l’ALTIVAR » ou le « GRADIVAR »

 Les intensités sont mesurées en permanence.

 Un calculateur (cher) gère le tout.

6.   Contrainte spécifique de sécurité.

Si l’on est amené à utiliser un variateur de vitesse, il conviendra de créer un refroidissement supplémentaire aux moteurs. 

Ceux-ci possèdent des ventilateurs calculés pour agir à des vitesses données et donc, il y a risque de surchauffe à faible vitesse de rotation.

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