Commande de moteur triphasé, méthodes de contrôle de la vitesse du moteur

Le contrôle des moteurs asynchrones peut être soit paramétrique, c'est-à-dire en modifiant les paramètres des circuits de la machine, soit par un convertisseur séparé.

Contrôle paramétrique

Le glissement critique dépend faiblement de la résistance active du circuit statorique. Lorsqu'une résistance supplémentaire est introduite dans le circuit du stator, la valeur diminue légèrement. Le couple maximal peut être considérablement réduit. En conséquence, la caractéristique mécanique prendra la forme illustrée à la Fig. 1.

Riz. 1. Caractéristiques mécaniques d'un moteur asynchrone lors de la modification des paramètres du circuit primaire et secondaire: 1 - naturel, 2 et 3 - avec introduction d'une résistance active et inductive supplémentaire dans le circuit du stator

En la comparant avec la caractéristique naturelle du moteur, on peut conclure que l'introduction d'une résistance supplémentaire dans le circuit du stator a peu d'effet sur la vitesse. A couple statique constant, la vitesse diminuera légèrement.Par conséquent, cette méthode de contrôle de débit est inefficace et n'est pas utilisée dans cette version la plus simple.

L'introduction d'une résistance inductive dans le circuit du stator est également inefficace. Le glissement critique diminuera également légèrement et le couple moteur sera considérablement réduit en raison de l'augmentation de la traînée. La caractéristique mécanique correspondante est représentée sur la même fig. 1.

Parfois, une résistance supplémentaire est introduite dans le circuit du stator pour limiter les courants d'appel… Dans ce cas, les inductances sont généralement utilisées comme résistance inductive supplémentaire et les thyristors sont utilisés comme résistances actives (Fig. 2).

Riz. 2. Y compris les thyristors dans le circuit du stator

Cependant, il convient de garder à l'esprit que cela réduit considérablement non seulement la critique, mais aussi couple de démarrage du moteur (en c = 1), ce qui signifie que le démarrage dans ces conditions n'est possible qu'avec un petit moment statique. L'introduction d'une résistance supplémentaire dans le circuit du rotor n'est bien entendu possible que pour un moteur à rotor bobiné.

La résistance inductive supplémentaire dans le circuit du rotor a le même effet sur la vitesse du moteur que lorsqu'elle est introduite dans le circuit du stator.

En pratique, l'utilisation d'une résistance inductive dans un circuit à rotor est extrêmement difficile du fait qu'elle doit fonctionner à une fréquence variable - de 50 Hz à plusieurs hertz et parfois des fractions de hertz. Dans de telles conditions, il est très difficile de créer un starter.

À basse fréquence, la résistance active de l'inducteur affectera principalement. Sur la base des considérations ci-dessus, la résistance inductive dans le circuit du rotor n'est jamais utilisée pour le contrôle de la vitesse.

Le moyen le plus efficace de contrôle paramétrique de la vitesse consiste à introduire une résistance active supplémentaire dans le circuit du rotor. Cela nous donne une famille de caractéristiques avec un couple maximal constant. Ces caractéristiques permettent de limiter le courant et de maintenir un couple constant, et peuvent également être utilisées pour contrôler la vitesse.

En figue. 3 montre comment en changeant r2, c'est-à-dire entrée rext, il est possible à un certain moment statique de modifier la vitesse sur une large plage - de la valeur nominale à zéro. En pratique, cependant, il est possible de régler la vitesse uniquement pour des valeurs suffisamment grandes du moment statique.

Riz. 3. Caractéristiques mécaniques d'un moteur asynchrone avec introduction d'une résistance supplémentaire dans le circuit du rotor

Aux faibles valeurs de (Mo) en mode quasi-ralenti, la plage de contrôle de la vitesse est fortement réduite et de très grosses résistances supplémentaires devront être introduites pour réduire sensiblement la vitesse.

Il convient de garder à l'esprit que lors d'un fonctionnement à basse vitesse et avec des couples statiques élevés, la stabilité de la vitesse sera insuffisante, car en raison de la forte pente des caractéristiques, de légères fluctuations du couple entraîneront des changements importants de vitesse.

Parfois, afin de fournir une accélération du moteur sans retrait successif des tronçons de rhéostat, un rhéostat et une bobine inductive sont connectés en parallèle aux anneaux du rotor (Fig. 4).

Riz. 4. Connexion parallèle d'une résistance active et inductive supplémentaire dans le circuit du rotor du moteur asynchrone

Au moment initial du démarrage, lorsque la fréquence du courant dans le rotor est élevée, le courant est principalement fermé à travers le rhéostat, c'est-à-diregrâce à une grande résistance qui fournit un couple de démarrage suffisamment élevé. Lorsque la fréquence diminue, la résistance inductive diminue et le courant commence également à se fermer à travers l'inductance.

Lorsque les vitesses de fonctionnement sont atteintes, lorsque le glissement est faible, le courant circule principalement dans l'inductance dont la résistance à basse fréquence est déterminée par la résistance électrique de l'enroulement rrev. Ainsi, au démarrage, la résistance externe du circuit secondaire passe automatiquement de rreost à roro, et l'accélération se produit à couple pratiquement constant.

La commande paramétrique est naturellement associée à des pertes d'énergie importantes. L'énergie de glissement, qui sous forme d'énergie électromagnétique est transmise à travers l'entrefer du stator au rotor et est généralement convertie en mécanique, avec une grande résistance du circuit secondaire, va principalement chauffer cette résistance, et à s = ​​1 toute l'énergie transférée du stator au rotor, sera consommée dans les rhéostats du circuit secondaire (Fig. 5).

Riz. 5. Pertes dans le circuit secondaire lors du réglage de la vitesse d'un moteur asynchrone en introduisant une résistance supplémentaire dans le circuit du rotor: I - zone de puissance utile transmise à l'arbre du moteur, II - zone de pertes dans les résistances du circuit secondaire

Par conséquent, le contrôle paramétrique est principalement utilisé pour la réduction de vitesse à court terme au cours du processus technologique effectué par la machine de travail.Uniquement dans les cas où les processus de régulation de la vitesse sont combinés avec le démarrage et l'arrêt de la machine de travail, comme par exemple dans les installations de levage, le contrôle paramétrique avec l'introduction d'une résistance supplémentaire dans le circuit du rotor est utilisé comme principal moyen de contrôle de la vitesse.

Régulation de la vitesse en faisant varier la tension appliquée au stator

Lors du réglage de la vitesse d'un moteur à induction en modifiant la tension, la forme de la caractéristique mécanique reste inchangée et les moments diminuent proportionnellement au carré de la tension. Les caractéristiques mécaniques à différentes contraintes sont présentées sur la Fig. 6. Comme vous pouvez le voir, dans le cas de l'utilisation de moteurs conventionnels, la plage de contrôle de la vitesse est très limitée.

Riz. 6… Régulation de la vitesse d'un moteur à induction en changeant la tension dans le circuit du stator

Une plage légèrement plus large peut être obtenue avec un moteur à glissement élevé. Cependant, dans ce cas, les caractéristiques mécaniques sont raides (Fig. 7) et un fonctionnement stable du moteur ne peut être obtenu qu'avec l'utilisation d'un système fermé qui assure la stabilisation de la vitesse.

Lorsque le couple statique change, le système de commande maintient un niveau de vitesse donné et une transition d'une caractéristique mécanique à une autre se produit, de sorte que le fonctionnement se poursuit aux caractéristiques représentées par les lignes en pointillés.

Riz. 7. Caractéristiques mécaniques lors du réglage de la tension du stator dans un système fermé

Lorsque le variateur est surchargé, le moteur atteint la caractéristique limite correspondant à la tension maximale possible que le convertisseur fournit, et à mesure que la charge augmente encore, la vitesse diminue en fonction de cette caractéristique. A faible charge, si le convertisseur ne peut pas réduire la tension à zéro, il y aura une augmentation de la vitesse en fonction de la caractéristique AC.

Les amplificateurs magnétiques ou les convertisseurs à thyristor sont généralement utilisés comme source commandée en tension. Dans le cas de l'utilisation d'un convertisseur à thyristors (Fig. 8), ce dernier fonctionne généralement en mode impulsionnel. Dans ce cas, une certaine tension moyenne est maintenue aux bornes du stator du moteur à induction, nécessaire pour assurer une vitesse donnée.

Riz. 8. Schéma de contrôle de la vitesse d'impulsion d'un moteur à induction

Pour réguler la tension aux bornes du stator du moteur, il semblerait possible d'utiliser un transformateur ou un autotransformateur à bobinages sectionnels. Cependant, l'utilisation de blocs transformateurs séparés est associée à des coûts très élevés et n'offre pas la qualité de régulation nécessaire, car dans ce cas, seul un changement de tension par étapes est possible, et il est pratiquement impossible d'introduire un dispositif de commutation de section dans un système automatique. Les autotransformateurs sont parfois utilisés pour limiter les courants d'appel des moteurs puissants.

Contrôle de la vitesse en commutant les sections d'enroulement du stator sur un nombre différent de paires de pôles

Il existe un certain nombre de mécanismes de production qui, au cours du processus technologique, doivent fonctionner à différents niveaux de vitesse, alors qu'une régulation en douceur n'est pas nécessaire, mais il suffit d'avoir un entraînement avec un changement de vitesse discret et progressif. Ces mécanismes comprennent certaines machines à travailler les métaux et le bois, les ascenseurs, etc.

Un nombre limité de vitesses de rotation fixes peut être atteint moteurs à cage d'écureuil à plusieurs vitesses, dans lequel l'enroulement du stator commute sur un nombre différent de paires de pôles. La cellule d'écureuil d'un moteur à cellule d'écureuil forme automatiquement le nombre de pôles égal au nombre de pôles du stator.

Deux conceptions de moteur sont utilisées : avec plusieurs enroulements dans chaque encoche de stator et avec un seul enroulement dont les sections sont commutées pour produire un nombre différent de paires de pôles.

Les moteurs multivitesses à plusieurs enroulements statoriques indépendants sont inférieurs aux moteurs multivitesses à un seul enroulement sur le plan technique et économique. Dans les moteurs à plusieurs enroulements, l'enroulement du stator est utilisé de manière inefficace, le remplissage de l'encoche du stator est insuffisant, le rendement et le cosφ sont inférieurs à l'optimum. Par conséquent, la distribution principale est obtenue à partir de moteurs à un seul enroulement à plusieurs vitesses avec commutation des enroulements sur un nombre différent de paires de pôles.

Lors de la commutation de sections, la répartition MDS dans l'alésage du stator change. En conséquence, la vitesse de rotation du MDS change également, et donc le flux magnétique. Le moyen le plus simple consiste à commuter des paires de pôles avec un rapport de 1: 2. Dans ce cas, les enroulements de chaque phase sont réalisés sous la forme de deux sections.Changer le sens du courant dans l'une des sections permet de diviser par deux le nombre de paires de pôles.

Considérez les circuits de l'enroulement du stator du moteur, dont les sections sont commutées sur huit et quatre pôles. En figue. 9 montre un enroulement monophasé pour simplifier. Lorsque deux sections sont connectées en série, c'est-à-dire lorsque la fin de la première section K1 est connectée au début de la seconde H2, nous obtenons huit pôles (Fig. 9, a).

Si nous changeons le sens du courant dans la deuxième section en sens inverse, le nombre de pôles formés par la bobine sera réduit de moitié et sera égal à quatre (Fig. 9, b). Le sens du courant dans la deuxième section peut être modifié en transférant le cavalier des bornes K1, H2 aux bornes K1, K2. De plus, quatre pôles peuvent être obtenus en connectant des sections en parallèle (Fig. 9, c).

Riz. 9. Commutation des sections de l'enroulement du stator sur un nombre différent de paires de pôles

Les caractéristiques mécaniques d'un moteur à deux vitesses avec des enroulements de stator commutés sont illustrées à la Fig. dix.

Riz. 10. Caractéristiques mécaniques d'un moteur à induction lors de la commutation de l'enroulement du stator d'un nombre différent de paires de pôles

Lors du passage du schéma a au schéma b (Fig. 9), la puissance constante du moteur est maintenue aux deux niveaux de vitesse (Fig. 10, a). Lors de l'utilisation de la deuxième option de changement de vitesse, le moteur peut développer le même couple. Il est possible de commuter des sections de l'enroulement du stator, offrant un rapport de vitesse non seulement 1: 2, mais également d'autres. En plus des moteurs à deux vitesses, l'industrie produit également des moteurs à trois et quatre vitesses.

Contrôle de fréquence des moteurs triphasés

Comme il ressort de ce qui précède, la régulation de la vitesse du moteur à induction est extrêmement difficile. Le contrôle de vitesse infiniment variable sur une large plage tout en maintenant une rigidité suffisante des caractéristiques n'est possible qu'avec un contrôle partiel. En modifiant la fréquence du courant d'alimentation et donc la vitesse de rotation du champ magnétique, il est possible de régler la vitesse de rotation du rotor du moteur.

Cependant, pour contrôler la fréquence dans l'installation, un convertisseur de fréquence est nécessaire, qui pourrait convertir un courant de fréquence constante du réseau d'alimentation de 50 Hz en un courant de fréquence variable variant en douceur sur une large plage.

Au départ, il y a eu des tentatives d'utilisation de convertisseurs sur des machines électriques. Or, pour obtenir un courant à fréquence variable d'une génératrice synchrone, il est nécessaire de faire tourner son rotor à vitesse variable. Dans ce cas, les tâches de régulation de la vitesse du moteur en marche sont attribuées au moteur qui entraîne en rotation la génératrice synchrone.

Le générateur de collecteur, qui peut générer un courant de fréquence variable à une vitesse de rotation constante, n'a pas non plus permis de résoudre le problème, car, d'une part, un courant de fréquence variable est nécessaire pour l'exciter, et d'autre part, comme toutes les machines à collecteur à courant alternatif , de grandes difficultés surgissent, assurant une commutation normale du collecteur.

En pratique, le contrôle de fréquence a commencé à se développer avec l'avènement de dispositifs semi-conducteurs… Dans le même temps, il s'est avéré possible de créer des convertisseurs de fréquence pour contrôler à la fois les centrales électriques et les moteurs exécutifs dans les servosystèmes et les servocommandes.

Outre la complexité de la conception d'un convertisseur de fréquence, il est également nécessaire de contrôler simultanément deux grandeurs - la fréquence et la tension. Lorsque la fréquence diminue pour diminuer la vitesse, l'équilibre entre la FEM et la tension du réseau ne peut être maintenu qu'en augmentant le flux magnétique du moteur. Dans ce cas, le circuit magnétique va saturer et le courant stator va augmenter intensément selon une loi non linéaire. De ce fait, le fonctionnement d'un moteur asynchrone en régulation de fréquence à tension constante est impossible.

En réduisant la fréquence, afin de maintenir le flux magnétique inchangé, il est nécessaire de réduire simultanément le niveau de tension. Ainsi, en contrôle de fréquence, deux canaux de contrôle doivent être utilisés : fréquence et tension.

Riz. 11. Caractéristiques mécaniques d'un moteur à induction lorsqu'il est alimenté en tension à fréquence contrôlée et à flux magnétique constant

Les systèmes de contrôle de fréquence sont généralement construits comme des systèmes en boucle fermée et plus d'informations à leur sujet sont données ici : Régulation de fréquence d'un moteur asynchrone