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Auteur(s)
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Bernard de FORNEL : Ingénieur de l’École nationale supérieure d’électrotechnique, d’électronique, d’informatique et d’hydraulique de Toulouse (ENSEEIHT) - Professeur des universités, Institut national polytechnique (INP) de Toulouse
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le moteur asynchrone, dit parfois d’induction, est utilisé depuis de très nombreuses années pour assurer la variation de vitesse non seulement de processus industriels, mais aussi de chaînes de traction pour les transports (ferroviaires et véhicules électriques), également de systèmes domotiques... Pour des applications de faible puissance et pour des domaines restreints de variation de vitesse, on peut agir sur cette dernière par variation de l’amplitude de la tension statorique à l’aide de gradateurs. La récupération rotorique permet la variation de vitesse pour des machines de grande puissance (machine asynchrone associée à des éoliennes), sur des plages réduites de vitesse. Actuellement, la majorité des variateurs de vitesse utilise des alimentations à fréquence et amplitude variables sur le stator de la machine asynchrone. Le domaine de vitesse est beaucoup plus étendu et les performances dynamiques plus élevées. La machine asynchrone présente l’avantage d’être robuste, de construction simple et peu coûteuse, surtout si le rotor est à cage d’écureuil. Cependant, son contrôle est plus complexe que celui de la machine à courant continu ou de la machine synchrone. Dans la mesure où l’alimentation a lieu par une seule armature, le découplage entre les deux variables principales de cette machine, à savoir le flux magnétique et le couple électromagnétique, est difficile à réaliser (voir l’article suivant [D 3 621] sur la commande des machines asynchrones).
Après une brève présentation des variateurs asynchrones à fréquence statorique constante (gradateur et cascade hyposynchrone), on considère l’étude des comportements en régime statique et dynamique de la machine asynchrone, alimentée à fréquence variable, selon plusieurs préoccupations :
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en régime statique, on étudie successivement les formes d’onde des signaux électriques et mécaniques (courants, tensions et couple) pour différents modes d’alimentation, les caractéristiques électromécaniques en régime permanent sinusoïdal à amplitude et fréquence variables pour différents choix de fonctionnements et de variables d’entrée ;
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en régime dynamique, on s’intéresse à une modélisation autour d’un point de fonctionnement en raison de la non-linéarité des modèles. On s’intéresse au positionnement des pôles et des zéros en vue de définir les conditions de stabilité et de réponse non minimale de phase.
VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 1990 par Bernard DE FORNEL
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2. Alimentation à fréquence variable
2.1 Formes d’onde
Actuellement, la variation de vitesse de la machine asynchrone est principalement assurée par la variation de la fréquence statorique de machines asynchrones à cage. Les onduleurs de courant, ou commutateurs, un temps utilisés en commutation forcée, ne le sont plus depuis que sont apparus et se sont développés les semi-conducteurs commandés tant à l’ouverture qu’à la fermeture (IGBT : insulator gate bipolar transistor, GTO : gate turn off...). La très grande majorité des variateurs avec machine asynchrone utilise l’onduleur de tension à deux niveaux, constitué de trois bras identiques. La conduction est du type 180˚ pour chaque bras, c’est-à-dire qu’à tout instant, un des deux interrupteurs conduit soit par le semi-conducteur commandé, soit par la diode, selon le sens du courant par rapport à la tension dans la phase correspondante. En général, on peut considérer que ce type d’onduleur se comporte, vis-à-vis de la machine, comme une véritable source de tension dont l’amplitude et la forme peuvent être considérées comme indépendantes de la charge. L’amplitude des tensions appliquées au stator est réglée soit par la tension du bus continu E à l’aide d’un hacheur ou d’un redresseur contrôlé, soit par modulation de largeur d’impulsions (MLI). Le schéma de principe de l’onduleur de tension est donné sur la figure 15a.
Les MLI sont très nombreuses. On peut distinguer celles qui sont basées sur des comparaisons de signaux (régulière symétrique par exemple), celles basées sur des angles imposés pour supprimer tel harmonique ou encore celles de type vectoriel où les rapports cycliques sur chaque bras de l’onduleur sont calculés à partir de la connaissance d’une tension de référence (modulations vectorielles). Il existe également des modulations aléatoires qui permettent un étalement du spectre.
Il est aussi possible d’obtenir au niveau de la machine une véritable alimentation...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Équipe d’enseignants de la filière électrotechnique avec la collaboration de chercheurs du LEEI - Hacheurs et onduleurs autonomes. - ENSEEIHT (1988).
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(2) - BÜHLER (H.) - Électronique de puissance. - Dunod (1993).
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(3) - CHATELAIN (J.) - Machines électriques - . Tomes 1 et 2, Dunod (1993).
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(4) - DE FORNEL (B.), PIETRZAK-DAVID (M.), ROBOAM (X.) - * - « De la modélisation à la commande du moteur asynchrone ». Dans Modélisation, Contrôle vectoriel et DTC. Hermès (2000).
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(5) - ROBOAM (X.), DE FORNEL (B.), PIETRZAK-DAVID (M.) - * - « Lois de commande directe de couple du moteur asynchrone ». Dans Modélisation, Contrôle vectoriel et DTC. Hermès (2000).
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(6) - LEONHARD (W.) - Control of Electrical Drives - ....
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