Contrôle de vitesse des moteurs à courant alternatif et à courant continu

Last updated on mars 13th, 2024 at 02:58 am

Des appareils électroménagers utilisés à la maison comme les aspirateurs et les sèche-cheveux aux pompes, aux tapis roulants et aux machines-outils des grandes installations industrielles, un grand nombre d’appareils font partie de notre quotidien. Toute machine qui utilise un moteur électrique est systématiquement équipée d’un dispositif de commande de la vitesse du moteur.

Commande de la vitesse des moteurs à courant alternatif

Le moteur à induction à courant alternatif est essentiellement un dispositif à vitesse constante. La vitesse du champ magnétique tournant est appelée vitesse synchrone. La vitesse synchrone (N) d’un moteur est définie par la formule N = 120 (F) ÷ P, où F représente la fréquence de ligne d’entrée et P le nombre de pôles du moteur. 

Étant donné que la fréquence de ligne à CA aux États-Unis  est de 60 Hertz à 120 Volts, un moteur à induction à CA à quatre pôles aurait donc une vitesse synchrone de 1 800 tr/min. Cependant, en réalité, lorsque la charge est appliquée au moteur, celui-ci tourne à moins de 1 800tr/min.

Cette différence de vitesse est appelée glissement et est généralement exprimée en pourcentage. Comme le nombre de pôles dans une machine est fixe, la seule variable qu’on peut changer est la fréquence de ligne d’entrée. C’est la base du fonctionnement d’un régulateur de vitesse de moteur connu sous le nom de variateur électronique de vitesse (VFD).

Le VFD a deux fonctions : premièrement, il convertit le signal alternatif d’entrée en un signal continu par redressement ; deuxièmement, il inverse le signal continu redressé en un signal alternatif à fréquence variable. 

La vitesse d’un moteur à courant continu peut être modifiée en augmentant ou en diminuant la tension appliquée. Ce n’est pas le cas pour un moteur à courant alternatif. Une variation significative de la tension d’alimentation endommagerait un moteur à induction à courant alternatif. 

Régulateur de vitesse de moteur à courant alternatif

Un régulateur de courant alternatif qui contrôle la vitesse du moteur à courant alternatif est également appelé variateur électronique de vitesse (VFD), Adjustable Speed Drive (ASD) et convertisseur de fréquence (FC). Le moteur à courant alternatif reçoit une puissance à fréquence variable générée par le régulateur de courant alternatif. Cette fréquence réglable permet un contrôle précis de la vitesse du moteur. 

Composants d’un régulateur de vitesse à courant alternatif

Un régulateur de vitesse à courant alternatif se compose de trois éléments principaux :

1. Le redresseur
2. L’onduleur
3. Le circuit intermédiaire en tension continue

L’alimentation en courant alternatif est convertie en courant continu par un redresseur. L’onduleur reconvertit la tension continue en courant alternatif à la fréquence souhaitée. 

Différents types de Variateur électronique de vitesse 

Les variateurs électroniques de vitesse (VFDs) se déclinent sous trois formes principales : 

1. L’onduleur en source de courant (CSI)
2. L’onduleur en source de tension (VSI)
3. La modulation de largeur d’impulsion (PMW). 

Les différentes parties d’un VFD sont : un convertisseur, un circuit intermédiaire en tension continue et un onduleur.  

Onduleurs en source de courant (CSI)

Un onduleur en source de courant (CSI) convertit la tension alternative d’entrée et contrôle la fréquence et la tension qui alimente le moteur à induction à courant alternatif. Le CSI convertit le courant alternatif d’entrée en une tension continue variable en utilisant : 

• Les redresseurs au silicium commandé (SCR) 
• Les Thyristors à commutation de porte (GCT)
• Les Thyristors symétriques à commutation de porte (SGCT)

Onduleurs en source de tension (VSI)

Comme avec le CSI, la conversion de l’onduleur en source de tension (VSI)  consiste à convertir le courant alternatif d’entrée en courant continu, à la seule différence que le VSI utilise un redresseur à pont de diodes pour réaliser la conversion. Le pont utilise des condensateurs pour maintenir une tension continue constante, ainsi que pour stocker de l’énergie pour le système d’entraînement. 

La section onduleur utilise plusieurs types de transistors et de thyristors qui agissent comme des interrupteurs pour créer une sortie à modulation de largeur d’impulsion (PWM) afin de contrôler la fréquence et la tension appliquées au moteur.

Ce mécanisme de contrôle sophistiqué permet non seulement une régulation précise de la vitesse et du couple du moteur, mais améliore également l’efficacité énergétique de divers systèmes motorisés.

Modulation de largeur d’impulsion (PWM)

La modulation de largeur d’impulsion (PWM) utilise un pont de diodes redresseur, comme un VSI, qui convertit la tension alternative d’entrée en tension continue. Les ondulations générées par le redresseur sont lissées grâce aux gros condensateurs du circuit intermédiaire en tension continue. Cela garantit une tension de bus CC stable.

Des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) de forte puissance sont utilisés dans l’étage d’inversion à plusieurs étapes du circuit d’attaque pour mettre en marche et arrêter le moteur, afin de contrôler à la fois la fréquence et la tension fournies au moteur dans une sortie de forme d’onde sinusoïdale. En variant la largeur de l’impulsion de tension, on obtient une tension d’alimentation moyenne qui est fournie au moteur. Le nombre de transitions de forme d’onde par seconde détermine la fréquence dont le moteur a besoin.

Commande de la vitesse des moteurs à courant continu

Les moteurs à courant continu sont utilisés dans des applications de contrôle de vitesse précises en raison de leur capacité à passer assez facilement et efficacement de la position d’arrêt à la vitesse maximale. Le contrôle de la vitesse d’un moteur série à courant continu lorsque le champ est en série avec l’induit se fait par l’augmentation ou la diminution de la tension appliquée au circuit. 

Dans un moteur à courant continu en dérivation où le champ est parallèle à l’induit, la vitesse est contrôlée en augmentant ou en diminuant la tension appliquée à l’induit à l’aide d’un rhéostat. 

À la place des rhéostats, on utilise aujourd’hui des redresseurs au silicium commandé (SCR) car ils peuvent gérer de grandes quantités de puissance sans dissipation de chaleur. En outre, les SCR sont beaucoup plus petits et se connectent facilement avec les automates programmables (PLC).

Contrôle de flux

La vitesse d’un moteur à courant continu peut être contrôlée en modifiant le flux qui lui est appliqué, car la vitesse du moteur est inversement proportionnelle au flux par pôle. Pour contrôler le flux, une résistance variable ou un rhéostat est ajouté en série avec l’enroulement de champ. L’augmentation de la résistance augmente la vitesse, car elle diminue le flux. Dans les moteurs shunt, le courant de champ est très faible, donc cette méthode fonctionne assez efficacement. Le contrôle du flux est une méthode facile et pratique pour contrôler la vitesse, car la perte de puissance est faible en raison du faible courant de champ shunt.

Contrôle de l’induit 

La vitesse d’un moteur à courant continu est directement proportionnelle au champ électromagnétique arrière. Cela signifie que lorsque la tension d’alimentation et la résistance de l’induit sont maintenues constantes, la vitesse est directement proportionnelle au courant de l’induit. Ainsi, si on ajoute la résistance en série avec l’induit, le courant diminue, et donc la vitesse aussi. Plus la résistance en série avec l’induit est grande, plus la diminution de la vitesse est importante. Bien que la méthode par contrôle de l’induit entraîne la perte d’une grande quantité de puissance, elle reste utile pour les petits moteurs.

Régulation de tension

Multiple régulation de tension

Le champ shunt reçoit une tension d’excitation fixe, mais des tensions variables sont appliquées à l’induit. Cette tension aux bornes de l’induit est contrôlée par un dispositif de commutation approprié et la vitesse du moteur est généralement proportionnelle à la tension aux bornes de l’induit.

Commande Ward-Léonard

Le contrôle de vitesse de la commande Ward-Leonard des moteurs à courant continu est utilisé lorsqu’un contrôle de vitesse très précis du moteur est requis. Dans cette méthode, la tension de sortie du générateur est envoyée à l’induit du moteur dont la vitesse doit être contrôlée. La tension de sortie du générateur peut être modifiée à l’aide du régulateur de champ de zéro à sa valeur maximale, faisant ainsi varier la tension de l’induit en douceur pour permettre un contrôle très souple de la vitesse du moteur à courant continu. 

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