1 - Régulation
de vitesse : asservissement
Le développement de l’électronique de puissance et
surtout des circuits dits Onduleurs Autonomes a permis d’envisager la variation
électronique des vitesses de moteurs.
On peut en trouver pour moteur à courant continu et
pour moteur alternatif.
Quelques soit le variateur, la partie commande
reste identique :
Les
principaux signaux de commande sont : 0-10V, 0-5V, 4-20mA, 0-20mA, -10+10V,…
Voici
à quelques détails prêt une carte simplifiée des
circuits de commande. Si vous désirez en fabriquer il vous faut tenir compte de
la plaque de votre moteur pour calibrer les résistances et les condensateurs .
La
tension Ue est obtenue par division potentiométrique de la
tension d’alimentation de l’onduleur.
Le
but du comparateur est de calculer l’erreur entre la consigne et le retour tachy qui doit être proche de zéro. Cette erreur est
amplifiée par un ratio prédéfini ou gain défini dans la boucle de
vitesse : c’est le PID ( voire plus bas en régulation de température)
A
ce circuit, il faut ajouter toutes les sécurités et limitations en courant et
en vitesse que l’on pourrait trouver sur certains variateurs de vitesse.
Ce
qui distingue les variateurs pour moteur à courant continu et les variateurs
pour moteurs triphasé se trouve essentiellement sur la partie puissance :
CARTE PUISSANCE D’UN VARIATEUR DE MOTEUR A
COURANT CONTINU
Dans
notre cas, chaque thyristor doit recevoir des impulsions de commande bien déterminées
en fréquence, position, durée, amplitude, et son niveau d’isolement.
Dans
la majorité des cas , les fabricants utilisent des
transformateurs d’impulsion pour justement envoyer des impulsions bien isolées
entre elles.
Outre
l’aspect purement commande du moteur, les circuits à thyristors assurent aussi
la sécurité du variateur et du moteur : limitation de courant, limitation
de surtension, fusible ultra-rapide…
CAS D’UN MOTEUR ALTERNATIF
Synoptique d'un variateur de vitesse pour moteur asynchrone
- Redresseur: Permet de
transformer une tension alternative en tension continue ondulée.
- Filtrage: Elimine les
phénomènes d'ondulations de la tension en sortie du redresseur.
- Récupération: Système
permettant de transformer l'énergie mécanique lors du freinage du moteur
en énergie calorifique dans le cas ou l'on
utilise une résistance de dissipation comme système de freinage. Ces
systèmes de récupération d'énergie assurent un freinage contrôlé du
moteur.
- Onduleur: Permet de
transformer une tension continue en une tension alternative amplitude et
fréquence variable.On peut ainsi maintenir le
rapport U/f constant.
Action sur la fréquence
Dans le cas d'un moteur asynchrone, la
vitesse de rotation du rotor est proportionel à la
fréquence des courants statoriques n=f/p.
En faisant
varier la fréquence de la tension d'alimentation on agit directement sur la
vitesse de rotation du moteur.
Un convertisseur de fréquence est donc inséré
entre le réseau et le stator du moteur.
Controle du couple
Pour conserver les performances du moteur
(couple maxi disponible en permanence quelque soit la vitesse), il faut
maintenir le flux Fs constant.
A flux
constant et pour différentes valeurs de la fréquence statorique,
les caractéristiques Tem=f(W) sont parallèles.
La nécessité de maintenir Fs=cte impose U/f=cte
U tension efficace d'alimentation moteur. Il faut que U et f évoluent proportionnellement.
Chaque valeur de f (donc
vitesse) doit imposer une nouvelle valeur de U.
Le couple délivré par la machine dépend de la
caractéristique du couple résistant de la charge entraînée.
a)- Fréquence
supérieure à f nominale :
En régime de survitesse (f>f nominale),
pour maintenir Fs=cte donc U/f=cte, la tension U devient supérieure à la tension nominale
du moteur ce qui est destructeur pour le moteur. On ne peut donc garantir la
caractéristique du moteur à couple maxi.
Le couple maxi décroît avec la vitesse: si
l'on maintient U=cte et l'on augmente f , le flux Fs diminu
donc Tem(max) aussi. On dit que le moteur fonctionne en défluxer.
b)- Faible fréquence :
Aux faibles vitesses le rapport U/f impose
une tension U faible. La résistance statorique R1
introduit une chute de tension R1I1 qui n'est pas négligeable à faible vitesse.
Pour maintenir constant le flux
du moteur, il faut compenser cette chute de tension et aux faibles vitesses en
augmentant le rapport U/f pour obtenir Fs=cte.
2- Régulation de température, niveau,
débit…
Dans plusieurs secteurs de l’industrie, il faut souvent chauffer,
refroidir, bref réguler la température du process.
Pour cela nous disposons de capteurs de température tels les thermocouples de
type J ou de type K ou alors les PT100 ( 100 ohms à
0°).
On peut connaître la T° du process
à partir de la tension délivrée par les capteurs et au moyen d’abaques fournis
par les constructeurs. La méthode qui nous intéresse est l’utilisation de
régulateurs de T°.
Pour cela il faut soit lancer un autoréglage dans
la plus part des cas ou sinon régler les différents paramètres soit même
c'est-à-dire le PID .
Principe du PID
Comme pour la variation de vitesse tout se
passe entre La Consigne et la Mesure .Entre les deux paramètres on trouve un
écart ou erreur qui peut être du à l’inertie du process
et aussi au temps que la sortie va mettre pour atteindre la consigne.
Une fois la consigne atteinte, quel va être le
comportement de notre produit ?
L’ensemble des actions entreprises pour que la
mesure reste variable tout autour de la consigne avec une erreur proche de zéro est ce que
l’on peut appeler PID ( Proportionnelle Intégrale
Dérivé )
Action Intégrale
Ti = RC c’est la constante de
temps d’intégration
Cette
constante représente le temps que met la
sortie pour être égale à l’entrée.
Le correcteur intégrateur est très précis avec une
erreur statique nulle mais présente des inconvénients tels l’instabilité et est peu rapide.
Action Proportionnelle Intégrale
Kp = R2/R1
est appelé constante de proportionnelle
Tn = R2C
est appelé temps de compensation du gain influe sur la rampe (temps
d’intégration ).
Ce type de
régulateur présente une plus grande précision mais très lente.
Action dérivée :
Si
une action intégrale se traduit par sa précision et par sa lenteur
, elle est souvent utilisée pour trouver un compromis entre les
différents paramètres.
Dans la dérivée, la sortie varie à la vitesse de
l’écart, ou, ce qui revient à dire que la vitesse de variation est
proportionnelle à l’écart.
L’action dérivée n’est jamais utilisée toute seule.
L’équation de sortie
s’écrit sous cette forme : S = So + dΦ/dt
Caractéristiques
du procédés : La rapidité, la stabilité, la précision sont les trois
paramètres qui caractérisent une
boucle d’asservissement.
Rapidité : capacité à atteindre la consigne après une perturbation
dans un temps court.
Stabilité : aptitude à reprendre sa position d’origine après une
perturbation.
Précision : capacité à maintenir une erreur faible en régime
établi.
Quelques exemples
1- Cas d’une boucle
simple
Le problème est de régler la
pression d’air comprimé dans le ballon ?
-
La grandeur réglée (pression du ballon )est celle que
l’on désire maintenir constante.
Avantages : boucle de
régulation simple, la régulation agit directement sur la grandeur réglante, la grandeur réglée est de même nature que la réglante.
Inconvénients : Il
faut attendre une perturbation pour commencer la correction.
2- Autres cas
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