Maîtriser le courant, la puissance et le couple dans les variateurs de vitesse

Le comportement du courant et de la puissance dans un système de variateur de vitesse n'est pas toujours bien compris par les utilisateurs, en particulier la question de la façon dont les courants d'entrée et de sortie du variateur changent alors que la vitesse de l'arbre du moteur et la charge changent. Dans ce blog, nous examinons le comportement de base des variateurs de vitesse pour clarifier comment ces valeurs se rapportent. Cela aide à comprendre le comportement du système et à prendre en compte les effets des cycles de service variables sur la consommation d'énergie et sur la puissance nominale des composants principaux. Nous regardons brièvement les variateurs CC (redresseur commandé) ainsi que les variateurs onduleurs CA, car il y a quelques différences intéressantes.

Courant moteur

Le couple produit par un moteur électrique peut toujours être considéré comme le produit du flux magnétique agissant sur des conducteurs porteurs de courant. Pour un niveau de flux moteur donné, le couple est une fonction directe du courant qui relie le flux.

En ignorant les effets du second ordre, nous pouvons résumer cela pour les moteurs CC et CA :

• Dans une machine CC, le flux est défini par le courant d'excitation (bobine de champ), et le couple est le produit du flux et du courant d'induit.
• Dans un moteur CA sans aimant permanent, l'amplitude du flux est définie par le rapport de la tension appliquée à la fréquence. Le couple est le produit du flux et du courant producteur de couple, c'est-à-dire la composante du courant qui est en phase avec la tension.

Dans les moteurs CC et les moteurs asynchrones CA, le courant d'aimantation est généralement constant indépendamment du couple, à moins qu'un contrôle spécial d'économie d'énergie ne soit appliqué à couple réduit. Pour un petit moteur asynchrone, le courant d'aimantation peut être une proportion considérable (ex. 70 %) du courant nominal. C'est un avantage d'un moteur à aimant permanent qu'aucun courant d'aimantation n'est requis, donc les pertes associées à ce courant sont évitées.

La Figure 1 montre une variation typique du courant moteur (normalisé) avec le couple, pour un moteur asynchrone avec une tension d'alimentation fixe. La variation avec la vitesse est insignifiante.

Puissance moteur

La puissance à l'arbre est donnée par le produit du couple et de la vitesse.

Si nous ignorons les pertes, alors la puissance électrique d'entrée est donnée, pour une machine CC par le produit de la tension et du courant CC, et pour une machine CA par le produit de la tension efficace et de la composante du courant en phase avec la tension, puisque le courant retarde généralement la tension en phase.

En première approximation, le courant dépend du couple et la tension de la vitesse. La puissance d'entrée est similaire à la puissance de sortie sauf pour les pertes, qui à la puissance nominale sont généralement dans la gamme de 5 % à 20 % de la puissance nominale.

Courants et puissance du variateur

Puisque les variateurs utilisent des dispositifs de commutation avec une perte de puissance minimale, environ 2 %, la puissance d'entrée doit être très proche de la puissance de sortie. Le comportement du courant d'entrée du variateur est un peu moins évident.

La Figure 2 montre les éléments essentiels d'un redresseur d'induit de variateur CC.

Les thyristors permettent à la tension de sortie d'être régulée afin de contrôler le couple et la vitesse du moteur. Notez qu'il y a continuité entre les phases d'entrée et la sortie, sans chemins de courant alternatifs tels que condensateurs ou connexions partagées. Excepté pendant le bref intervalle de chevauchement, seulement deux thyristors conduisent à tout moment, donc le courant de charge doit toujours circuler dans les phases d'entrée à moins qu'une diode de roue libre ne soit installée.

Variateur CC – sortie

Le courant à la sortie d'un variateur CC est le courant d'induit du moteur, qui est proportionnel au couple. Il y a un petit convertisseur additionnel pour alimenter le champ.

Variateur CC – entrée

Si nous regardons maintenant comment le courant d'entrée est affecté par l'opération du moteur, nous voyons que la magnitude du courant d'entrée est directement proportionnelle au couple dans une relation très simple. Si la ondulation du courant peut être ignorée alors . Ceci indépendamment de la vitesse, ou de la tension de sortie[1].

Comment alors la puissance d'entrée peut-elle varier pour correspondre à la sortie, si le courant et la tension d'entrée sont indépendants de la vitesse ? La réponse est que le facteur de puissance d'entrée change, puisque lorsque le redresseur est déphasé (angle de tir supérieur à 0°) le courant d'entrée retarde la tension d'alimentation en phase. Dans l'extrême, si le moteur est à l'arrêt mais délivre le couple nominal, donc la puissance d'arbre est nulle, le courant d'entrée est encore à sa valeur nominale, mais avec un déphasage qui serait de 90° s'il n'y avait pas les pertes. Cela peut être un inconvénient assez sérieux des variateurs CC, et c'est la raison pour laquelle les grands variateurs CC sont souvent utilisés avec des condensateurs de correction de facteur de puissance.

Variateur CA – sortie

Le courant de sortie du variateur CA est le courant du moteur, qui comme nous l'avons vu comprend une composante productrice de couple et une composante d'aimantation, cette dernière étant fournie par le variateur indépendamment du couple requis. Le courant dans l'étage onduleur, qui représente une grande partie du coût matériel du variateur, est donc une fonction du couple de sortie ensemble avec une composante fixe. Il est à peine affecté par la vitesse.

Variateur CA – entrée

La Figure 3 montre les éléments essentiels d'un variateur onduleur CA.

Les trois jambes de phase de l'onduleur sont connectées au même circuit de bus CC, qui est alimenté par le redresseur. La présence de cette connexion commune signifie que lorsque la tension de sortie de l'onduleur est inférieure à sa valeur maximale, c'est-à-dire à une vitesse inférieure à la vitesse de base, le courant de sortie circule partiellement entre les jambes de phase de l'onduleur. La même chose s'applique à la partie réactive du courant de sortie. Le bus CC n'a qu'à fournir la puissance réelle requise par le moteur, c'est-à-dire le produit de la tension de sortie et de la partie réelle (active) du courant. La tension CC est fixée par la tension d'alimentation, donc le courant CC varie proportionnellement à la puissance, ou à la vitesse si le couple est constant.

Le courant d'entrée du redresseur reflète le courant du bus CC. La puissance d'entrée est pratiquement la même que la puissance du bus CC, puisque la perte du redresseur est négligeable. La valeur efficace du courant est plutôt plus élevée que ce qui serait attendu pour la puissance, car la forme d'onde n'est pas sinusoïdale, c'est-à-dire que le courant contient des harmoniques. À mesure que le courant augmente, les harmoniques deviennent proportionnellement moins importants grâce à l'effet de lissage des selfs de lissage ou de réduction d'harmoniques. À la puissance de charge nominale, le courant d'entrée efficace est souvent assez proche du courant de sortie efficace, et cela peut amener les utilisateurs à supposer qu'ils sont les mêmes. Cependant, c'est vraiment juste une coïncidence, avec des moteurs typiques ayant un facteur de puissance d'environ 0,85, et des variateurs typiques ayant un facteur de distorsion d'environ 0,85. À vitesse réduite, les deux courants deviennent complètement différents.

Pour résumer, la Figure 4 montre comment le courant d'entrée et de sortie d'un variateur CA typique varient alors que la vitesse et le couple varient. Toutes les quantités sont normalisées de sorte que la valeur nominale ou de base est 1,0.

Il n'y a qu'une seule ligne pour le courant de sortie car il varie à peine avec la vitesse. Le courant d'entrée augmente en fonction du produit du couple et de la vitesse, mais avec une pente décroissante à mesure que l'effet des selfes devient plus prononcé à mesure que le courant nominal est approché, améliorant le facteur de puissance en réduisant les harmoniques du courant. Il y a une petite perte fixe et une certaine perte variant avec le couple, comme vu dans la ligne pour vitesse nulle, principalement causée par la perte résistive dans les enroulements du moteur.

Direction du couple et de la vitesse – régénération

Pour simplifier, la discussion ci-dessus s'est appliquée à des situations à quadrant unique. Si le couple et/ou la vitesse peuvent s'inverser, alors certains facteurs supplémentaires doivent être pris en compte.

Pour les variateurs CC, une application à quatre quadrants nécessite deux ponts de thyristors pour permettre le courant CC bidirectionnel. Le comportement du courant d'entrée alors que le sens de rotation s'inverse est une continuation du cas à quadrant unique, le facteur de puissance passant par zéro à vitesse nulle puis remontant vers le maximum d'environ 0,82 mais avec la phase de la partie réelle inversée donnant un flux de puissance inversé.

Pour les variateurs CA, le redresseur non commandé ne peut pas retourner de puissance au réseau d'alimentation. L'onduleur est naturellement régénératif, donc avec une charge motrice, le bus CC reçoit la puissance retournée, et un circuit de freinage résistif est requis pour éviter un déclenchement de sur-tension. Le courant d'entrée est alors nul.

Nous pouvons résumer tout ce qui précède dans un graphique comme montré dans la Figure 5. Cela s'applique à une charge à couple constant (plutôt théorique), c'est-à-dire une où le couple est constant sur toute la plage de vitesse de -100 % à +100 %. En pratique, cela se produit avec un ascenseur ou un palan portant une charge fixe, et où l'accélération est assez faible pour que nous puissions ignorer la force requise pour accélérer la charge. En d'autres termes, nous faisons varier la vitesse lentement.

Dans la Figure 5, nous commençons à la vitesse maximale. Pour les variateurs CC et CA, le courant d'entrée est d'environ 100 %. Nous commençons maintenant à réduire la vitesse. Pour le variateur CC, la magnitude du courant d'entrée reste inchangée, et nous ne pouvons dire que la vitesse chute que si nous regardons sa composante active (en phase avec la tension). Pour le variateur CA, le courant d'entrée chute, pas tout à fait proportionnellement à la vitesse.

À une vitesse de zéro, le courant d'entrée du variateur CC est encore légèrement supérieur à 100 %. Son angle de phase est près de -90°, la seule partie active du courant étant causée par les pertes de puissance, puisque la puissance d'arbre est nulle. Le courant d'entrée du variateur CA est très faible, ne fournissant que les pertes de puissance. Le facteur de puissance est plutôt mauvais car les selfes de lissage ont peu d'effet à un tel faible courant – mais cela n'a pas d'importance pratique puisque le courant est bien inférieur à la valeur nominale.

À des vitesses négatives, le courant d'entrée du variateur CC est encore à sa valeur nominale, mais la partie réelle est devenue négative, donc le variateur retourne l'énergie régénérée au réseau d'alimentation, avec un facteur de puissance plutôt faible. Le variateur CA a un courant de zéro, car le redresseur d'entrée a été bloqué et la perte de puissance du variateur est fournie par la puissance régénérée de la charge. Toute puissance excédentaire doit être dissipée dans la résistance de freinage.