Principaux types de variateurs

Seuls les variateurs les plus courants et les réalisations technologiques usuelles sont cités dans ce chapitre. Il existe de nombreux schémas de variateurs de vitesse électronique : cascade hypo-synchrone, cyclo-convertisseurs, commutateurs de courant, hacheurs…

Redresseur contrôlé pour moteur à courant continu 

Il fournit, à partir d’un réseau alternatif monophasé ou triphasé, un courant continu avec un contrôle de la valeur moyenne de la tension. Les semi-conducteurs de puissance sont assemblés en pont de Graëtz, monophasé ou triphasé. Le pont peut être mixte (diodes / thyristors) ou complet (tout thyristor). Cette dernière solution est la plus fréquente car elle permet un meilleur facteur de forme du courant délivré. Le moteur à courant continu est le plus souvent à excitation séparée, sauf dans les petites puissances où les moteurs à aimants permanents sont assez fréquents. L’utilisation de ce type de variateur de vitesse est bien adaptée pour toute application. Les seules limites sont imposées par le moteur à courant continu, en particulier la difficulté d’obtention de vitesses élevées et la nécessité de maintenance. Les moteurs à courant continu et leurs variateurs associés ont été les premières solutions industrielles. Depuis plus d’une décennie, leur usage est en constante diminution au profit des convertisseurs de fréquence. En effet, le moteur asynchrone est à la fois plus robuste et plus économique qu’un moteur à courant continu. Contrairement aux moteurs à courant continu, standardisés en enveloppe IP55, il est aussi pratiquement insensible à l’environnement (ruissellement, poussières, ambiances dangereuses…).

Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

Il fournit, à partir d’un réseau alternatif à fréquence fixe, une tension alternative triphasée de valeur efficace et de fréquence variables. L’alimentation du variateur pourra être monophasée pour les faibles puissances (ordre de grandeur de quelques kW) et triphasée audelà. Certains variateurs de petite puissance acceptent indifféremment des tensions d’alimentation mono et triphasées. La tension de sortie du variateur est toujours triphasée. De fait, les moteurs asynchrones monophasés sont mal adaptés à l’alimentation par convertisseur de fréquence. Les convertisseurs de fréquence étant auto-ventilés, leur seule limite d’emploi est leur utilisation prolongée à basse vitesse en raison de la réduction de cette ventilation. Si un tel fonctionnement est souhaité, il faut prévoir un moteur spécial équipé d’une ventilation forcée indépendante.

Gradateur de tension pour le démarrage des moteurs asynchrones

Il fournit, à partir d’un réseau alternatif, un courant alternatif de fréquence fixe égale à celle du réseau avec un contrôle de la valeur efficace de la tension par modification de l’angle de retard à l’amorçage des semi-conducteurs de puissance, deux thyristors montés tête-bêche dans chaque phase du moteur [2].

Structure des variateurs de vitesses

Les démarreurs et les variateurs de vitesse électroniques sont composés de deux modules généralement regroupés dans une même enveloppe : un module de contrôle qui gère le fonctionnement de l’appareil, et un module de puissance qui alimente le moteur en énergie électrique.

Module de contrôle

Sur les démarreurs et les variateurs modernes ; toutes les fonctions sont commandées par un microprocesseur qui exploite les réglages, les ordres transmis par un opérateur ou par une unité de traitement, et les résultats de mesure comme la vitesse, le courant, etc. Les capacités de calcul des microprocesseurs ainsi que des circuits dédiés (ASIC) ont permis de réaliser des algorithmes de commande extrêmement performants et, en particulier, la reconnaissance des paramètres de la machine entraînée. A partir de ces informations, le microprocesseur gère les rampes d’accélération et de décélération, l’asservissement de vitesse, la limitation de courant, et génère la commande des composants de puissance. Les protections et les sécurités sont traitées par des circuits spécialisés (ASIC) ou intégrés dans les modules de puissance (IPM). Les réglages (limites de vitesse, rampes, limitation de courant…) se font soit par claviers intégrés, soit à partir d’automates par des bus de terrain ou de PC pour charger des réglages standard. De même, les différents ordres (marche, arrêt, freinage…) peuvent être donnés à partir d’interfaces de dialogue homme / machine, par des automates programmables ou par des PC. Les paramètres de fonctionnement et les informations d’alarme et de défauts peuvent être visualisés par des voyants, des diodes électroluminescentes, des afficheurs à segments ou à cristaux liquides, ou déportés vers des superviseurs par des bus de terrains. Des relais, souvent programmables, donnent des informations de défauts (réseau, thermique, produit, séquence, surcharge…), de surveillance (seuil de vitesse, pré-alarme, fin de démarrage). Les tensions nécessaires pour l’ensemble des circuits de mesure et de contrôle sont fournies par une alimentation intégrée au variateur et séparée galvaniquement du réseau.

Module de puissance

Le module de puissance est principalement constitué de composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT…), d’interfaces de mesure des tensions et/ou des courants, et fréquemment d’un ensemble de ventilation [2].