g2-vacon ac drives advanced_revision2 fr
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Convertisseurs de frquencePrincipes de Base
VCFR
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Sommaire
Chapter 1: Moteur induction Solutions de contrle de vitesse Construction Comportement
Chapter 2: Le convertisseur de frquence Construction Comportement
Chapter 3:Contrle du moteur AC
Modes de contrle Principes de base
Chapter 4: Lenvironnement du convertisseur de frquence CEM Harmoniques Filtres Du/dt
Chapter 5: Bnfices pour lutilisation de convertisseurs de frquence Mthodes
Facteurs de cot Comparaison cotstotal
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Entranements lectriques:Le moteur lectrique
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Diffrentes solutions de contrle de la vitesse
VSD
Vitesse Variable
Ent ranem ents
mcan iq ues
Solutions AC Solutions DC
Convertiseur
de frquence
AutreConvertisseur
StatiqueAutre
Rducteur
Courroies
Convert. de tension (PWM)
Convert. de courant (PAM)
Convert. direct
Moteurs multiples
Moteurs bagues
Variateurs CC
Variateurs brushless
WardLonard
Rsistances sries
Solution AC Drive
Ent ranem ents
lectr iq ues
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Les moteurs lectriques entranent la plupartdes machines industrielles
Alimentation:gnratrice
locale ourseau
national
Conversiondnergielectrique
Actionneur:Conversiondnergie
lectrique ennergie
mcanique
Transmission:Conversiondnergie
mcanique
Machine:Transformationou transport de
matire
MachMot
Etat final
Matire
Points possible pour le contrle de la vitesse
Systme variateur
Energie lectrique
Energie mcanique
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Moteur induction asynchrone(moteur cage dcureuil)
Les moteurs inductions sont les
moteurs les plus courants et les
plus robustes utiliss dans
lindustrie.
Utilis en grande majorit envitesse fixe
La vitesse est fonction de la
frquence du rseau lectrique (50
or 60 Hz) et de la tension.
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Courbes moteur asynchrone vitesse fixe (DOL)
La vitesse du moteur estproportionelle au nombre deples moteur (parconstruction) et la frquencedalimentation.
n = f / p x 60n=vitesse synchrone (tr/mn)p=nombre de paires de plesf=frquence dalim
50Hz 2 poles 3000rpm - glismt50Hz 4 poles 1500prm - glismt
50Hz 6 poles 1000rpm - glismt
.
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Formules de base dun moteur asynchrone
PN Est la puissance moteur en kWTN Est le couple moteur en Nmn Est la vitesse de rotation en Tr/minf Est la frquence en Hzp Est le nombre de pless Est le glissement en pourcentagefs Est la frquence synchrone en Hzns Est la vitesse de rotation synchrone en Tr/minnn Est la vitesse nominale du moteurUn Est la tension niminale aux bornes du moteurI Est le courant moteur
cos Est le facteur de puissance moteur
Est le rendement moteurXk Est linductance mutuelle moteur
Quelques quationsdcrivant le moteur
Vitesse desynchronisme :
n
f
pss2 60
Glissement :
sn n
n
s
s
Puissance larbre : P U IkW 3 n cos
Conversion kW en h :
P P
hpkW
0.746
Couple :
T Pn
Nm 9550 kWRPM
T P
nft lb
5250 hp
RPM
Couple maximum : T U
fmaxmot
n
2
Ratio Cm/Cn :
T
T
n U
n P X
maxmot
N
n n2
s N k2
Flux :
U
fn
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Moteur ou Gnrateur ?
r r
GvGv
Cc= G r
Cm> Cc
Cm Cm Cc= G r
Cm< Cc
Le moteur doit vaincre le couple de la charge
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Les quadrants de fonctionnement
C
n
Moteur
IIV
C
n
III
C
nII
C
n
GnrateurMoteur
Gnrateur
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Courbes moteur asynchrone avec variateur
Arrire Avant
moteur
gnrateur
-T
C
CN
FN
Glismt
nom.
0.5 CN
0.5fsN
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Questions
Quelle est la vitesse de synchronisme dun moteur 2 ples?dun moteur 4 paires de ples?
Si un moteur 4 ples plaqu 1480tr/mn fonctionne
1490tr/mn, estimer son couple de fonctionnement (% decharge)
Si vous avez un moteur 50Hz 1480tr/mn 400Vac que vousalimentez 60Hz, quelle sera sa vitesse?
Quel est le couple nominal dun moteur 110kW 1485tr/mn?
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Sommaire
Chapter 1: Moteur induction Solutions de contrle de vitesse Construction Comportement
Chapter 2: Le convertisseur de frquence Construction Comportement
Chapter 3:Contrle du moteur AC
Modes de contrle Principes de base
Chapter 4: Lenvironnement du convertisseur de frquence CEM Harmoniques Filtres Du/dt
Chapter 5: Bnfices pour lutilisation de convertisseurs de frquence Mthodes
Facteurs de cot Comparaison cotstotal
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Convertisseur de frquence
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Contrledu moteur triphas
- La vitesse moteur est proportionnelle la frquence
lectrique dalimentation
- Le flux moteur est proportionnel au rapport U / F
Les principes de base du contrle de la vitesse dun moteurtriphas sont :
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Rle dun convertisseur de frquence
Un convertisseur de frquence est un module de puissancelectronique qui autorise un contrle rglable en continu de lavitesse des moteurs alternatifs 3 phases, en transformant les
tensions et frquences fixes du rseau en des valeurs
variables en sortie.
REDRESSE
UR
CIRCUIT CC ONDULEUR
CIRCUIT DE
CONTROLE
Alimentation Moteur
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Courbes de fonctionnement du moteurasynchrone
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Tmax
voltage
flux
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
relative spee d
Courbes d'un moteur asynchrone cage
voltage
current
load torque
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
relative speed
Le flux nominal dans lemoteur est maintenu tant
que le rapport ~Un/Fn peuttre conserv
Le couple moteur est leproduit du Flux par le
Courant Actif
Le couple nominal moteurest disponible tant que leflux nominal moteur peut
tre maintenu
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Courbe U/F
50
fN
Umoteur
f
30
400V UN
Point de fctmt
P6.3
Tension au point de fonctionnement
FrquenceU/f
Midpoint
Tension U/f
midpoint
Tension
0Hz
Fct Boost
du couple
Contrle
vitesse pour
compenser le
glissementP6.1 = 1
(P1.14)
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Crer le flux dans le moteur
V1
C
+
-
U, 3 ~
MoteurAC DriveConvertisseur de
frquence
V3 V5
V2 V4 V6
Rectifier DC- circuit Inverter unit
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Commande du moteur
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Circuits principaux
L1
L2L3
U
WV
Self rseau
(BF)
Redresseur
Condensateurs
CC
Onduleur transistors IGBT(Insulated Gate
Bipolar Transistor)
Tension rseau
Tension desortie
Filtre RFI (HF)
Mesures de courant
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Grandeurs lectriques
P = 3 UrmsIrms P = 3 Urms IrmscosP = UdcIdc
3 3~= ~
=
Entre DC-Bus Sortie Machine
Moteur
3 ~
Tension constanteCourant proportionnel la puissance de sortieCos phi ~ 1Puissance appele =
puissance active +pertes
Tension constanteCourantproportionnel lapuissance de sortie
Tension proportionnelles lafrquence de sortieLe courant dpend du couple etdes acclrationsSi zro charge, le courant
correspond au courant demagntisationLe cosphi dpend de la charge
LA charge dfini lecoupleLe procd imposela vitesse
5 ... 15%~1.5%~1%
92 ... 82%
P = T
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Freinage
Valeur mini de la rsistance de freinage
Vacon LD / HD Specification
Vrifier que le variateur intgre un hacheur de freinage avantde raccorder la rsistance
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Rendement dun systme VV
Puissance
Sortie
(Mechanique)
Puis.sortie
Puis. entre
Variateur
Pertes
(Therm.)
PertesMoteur
(Therm.)
P U I
P T n
P
P
in
out
out
in
3
260
cos
Puissance
Entre
(Electrique)
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Questions
Avec vos propres mots expliquer quoi correspond le pointde fonctionnement.
Quand un variateur prlve 500kW au rseau, pouvez vous
estimer la puissance bout darbre du moteur? et lapuissance de sortie du variateur?
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Sommaire
Chapter 1: Moteur induction Solutions de contrle de vitesse Construction Comportement
Chapter 2: Le convertisseur de frquence Construction Comportement
Chapter 3:Contrle du moteur AC
Modes de contrle Principes de base
Chapter 4: Lenvironnement du convertisseur de frquence CEM Harmoniques Filtres Du/dt
Chapter 5: Bnfices pour lutilisation de convertisseurs de frquence Mthodes Facteurs de cot Comparaison cotstotal
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Le contrle moteur
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Le contrle moteur .
Pour obtenir le couple et la vitesse bout darbre, le contrlemoteur,
contrle le courant et le flux dans le moteur
calcule la charge et la vitesse
Le convertisseur de frquence
maintien le courant et la tension lintrieur des limites
gnre la modulation de largeur dimpulsion (MLI/PWM)
Ct rseau
maintien le courant et la tension lintrieur des limites
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Diffrents modes de contrle moteur
RfrenceFrquence Lutilisateur dfini la rfrence frquence dumoteur. La vitesse de larbre moteur varie lgrement avec le glissementdu rotor et donc la charge.
Contrle de vitesse - Lutilisateur dfini la rfrence vitesse.
Le convertisseur de frquence compense le glissement du moteur enagissant sur la frquence de sortie.
Contrle de couple - Lutilisateur dfini la rfrence de couple.Le convertisseur de frquence augmente ou diminue la frquencemoteur pour atteindre et rguler la valeur du couple moteur.
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Diffrents modes de contrle moteur
Mthodes de commande dun convertisseur de frquence :
Scalaire, ou U/F constant : frquence suivant la consigne de vitessedemande et rapport U/F maintenu constant sur toute la plage de vitessemoteur.
Vectorielleboucle ouverte: amlioration de la matrise du moteur,notamment basses vitesses via une estimation du couple rel.
Vectorielleboucle ferme: ajout dunegrande prcision de vitesse moteuret un contrle du couple vitesse nulle, mais capteur de vitesse ncessairesur le moteur.
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Contrle du moteur en boucle ouverte
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Ref vitesse
U
Onduleur M
Ip
ASIC
f
Mesuresde courant
calculvectoriel
Contrle
UCC -bus
Couple
Flux
ref
Performance typique:
Erreur statique de vitesse < 0.5% (>1Hz)Erreur dynamique en vitesse < 1% / sec
Applications:
Partout ou la boucle ferme nest pas requise
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Contrle du moteur en boucle ferme
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Performance typique:Erreur statique de vitesse < 0.01% 0.03% (eg.vitesse nulle)
Erreur dynamique en vitesse < 0.3% / sec
Applications:
Levage, enrouleuse, treuils, process ligne papier/mtal
RefVitesse
U
Onduleur M
Ip
ASIC
f
Mesuresde courantcalcul
vectoriel
Contrle
UCC -bus
Couple
Flux
ref
E
Mesure de vitesse
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Contrle du moteur en boucle fermeIdentification du moteur
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ID ss rotation = Mesure etcompensation de la rsistancestatorique pour amliorer lecouple de dmarrage
ID avec rotation = Possibilit deraliser une identification de lacourbe de flux. Pour cela il faut fairetourner le moteur dsacoupl deprfrence
34
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Questions
Quelle est la diffrence principale entre le contrle defrquence et le contrle de vitesse?
Quelle est la diffrence entre un contrle en boucle ouverte
et un contrle en boucle ferme?
Dans un cas de contrle de couple dun moteur avec uneconsigne de 50%, que ce passe-t-il si laccouplementmoteur cde ?
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Dimensionnement
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Pourquoi optimiser le dimensionnement
Lobjectif principale du dimensionnement et de rpondre auxcaractristiques spcifies de lapplication
Sur-dimensionner augmente considrablement les cots duvariateur de vitesse mais aussi ceux des quipements amonts,transformateur, cbles, disjoncteur, salle lectrique,
ventilation Sur-dimensionner contribue par ailleurs :
un moins bon rendement de lentrainement
diminuer la prcision du contrle moteur
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Etapes principales du dimensionnement
1. Vrifier lalimentation: Tension et Frquence nominale, min et max
2. Obtenir les donnes mcaniques ramenes au bout darbre:forme de couple, couple de dmarrage, couple rsistant, plage devitesse, surcharge en marche, freinage, etc
3. Obtenir les donnes sur lenvironnement: T max permanent,agressivit du milieu ambiant, altitude, humidit, contraintesparticulires du lieu dinstallation (m, hauteur, cbles existants) etc
4. Dimensionner le moteur: le moteur est assimil un gnrateur decouple, dimensionnement des couples max et thermique, surisolation,paliers isols le cas chant.
5. Slectionner le variateur: slection sur la base du courant moteur calculer en intgrant les dclassement ventuel T et altitude.
Dfinir les options dexcution en fonction des modes de commandes etinterfaces prvoir.
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Diffrentes formes de couple
Couple constant
Puissance constante
Couple/puissance constante
Couple quadratique
Marche et dmarrage fort
surcouple
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http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_10/Forme%20de%20couple%20&%20Applications%20VV.pdfhttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_10/Forme%20de%20couple%20&%20Applications%20VV.pdf -
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Dimensionnement cinmatique
Voir formules de base dansengineering drive manuel etautres ouvrages pour lesdimensionnementsmcaniques
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http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_10/Engineered-Drives-Manual_7_7.pdf -
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Sommaire
Chapter 1: Moteur induction Solutions de contrle de vitesse Construction Comportement
Chapter 2: Le convertisseur de frquence Construction Comportement
Chapter 3:Contrle du moteur AC
Modes de contrle Principes de base
Chapter 4: Lenvironnement du convertisseur de frquence CEM Harmoniques Filtres Du/dt
Chapter 5: Bnfices pour lutilisation de convertisseurs de frquence Mthodes Facteurs de cot
Comparaison cotstotal
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CEM & Harmoniques
4203/08/2014
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La Directive CEM
Domaine dapplication: La directive est applicable toutquipement ou appareil commercialis dans lUE.
Selon le modle New Approach directive, cette directivene dtaille pas les mesures techniques, mais se limite dcrire les exigences fondamentales.
4303/08/2014
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PDS = Power Drive System (entrainement)
4403/08/2014
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Structure dun convertisseur de frquence(PWM/MLI)
L1
L2L3
U
WV
Self de ligne
Redresseur
Condensateurs CC
IGBT
U inU sortie
Filtre RFI
Mesures
de courant
U var. / f var.
4503/08/2014
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CEM, mission et immunit
Niveau dmission
Niveau dimmunit
Marge
4603/08/2014
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Niveaux dimmunit
En gnral pas critique car pris en charge ds la conceptiondes produits convertisseurs de frquence sur la base desexigences les plus svres.
Niveaux dmission
Plusieurs niveaux dmission existe en fonction de ladestination du produit.
Le niveau de filtrage impacte le cot du produit, et de faitplusieurs classes sont proposes.
4703/08/2014
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Niveaux dmissionsconduites
30
40
50
60
70
80
90
0,1 1 10 100
First env. QP dB
category C1
First env. Av dB
Category C1
First env. QP dB.
Category C2
First env. Av dB.
Category C2
30
50
70
90
110
130
150
0,1 1 10 100
Second env.QP dB,
I100 A
4803/08/2014
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Normes harmonises de rfrence
La norme de produit de rfrence est la EN61800-3 (2004)
La norme de produit EN61800-3 prvaut sur les normesgnriques telles que 61000-6-1,-2,-3 and -4.
Normes de test rfrences dans la norme de produit: Dcharge lectrostatique (EN61000-4-2)
Electrical fast transient (EN61000-4-4)
Surge (EN61000-4-5)
RF-electromagnetic field (ENV 50140)
GSM field immunity test (ENV 50204) RF electromagnetic conducted immunity (ENV 50141)
4903/08/2014
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Limitations au droit de la EN61800-3
Non applicable dans les cas suivants (classe C4):
1. Tension > 1000 V
2. Courants > 400 A
3. Rseau IT
Dans ces cas de figure, un plan de CEM doit tre dfini aucas par cas au droit du systme ou de linstallation.
5003/08/2014
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Environnements
5103/08/2014
-
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Catgories de filtrage selon EN61800-3 (2004)
PDS de catgorie C1 (Vacon code C)
PDS de tension assigne
-
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Catgories de filtrage selon EN61800-3 (2004)
PDS de catgorie C3 (Vacon code L)
PDS de tension assigne 1 000 V, ou de In>400A, ou prvu pourtre utilis dans des systmes complexes dans le second
environnement, ou avec une rgime de neutre IT.
5303/08/2014
54
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03/08/2014
Harmoniques rseau
54
55
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03/08/2014
Convertisseurs de frquence & Harmoniques rseau
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
THD i , taux de distorsionen courant en% charge nominale
80 %
40 % (28%)*
< 15 %
Redresseur 6-pulse avec Self de ligne 3% (Vacon NFE/FFE)
* Redresseur 6-pulse avec self surdimensionneRedresseur 12-pulse (Vacon NFE/FFE)
Redresseur 6-pulse sans self
Y Y M
Y Y M
YY
M
D
Point de mesure (PCC)
< 5 %
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Redresseur AFE (Vacon AFE)
L1L2L3
M
Filtre Redresseur actif Onduleur
LCL
55
56
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Exemple de mesures 6 pulses / BTavec self rseau pleine charge
L1L2L3
-F1
-L1
-F2
-U1
DC+
DC-
NFE
56
57
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Exemple de mesures 12 pulses / MT
57
58
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Exemple de mesures AFE : courant rseau
AFE
L1L2L3
-F1
-K4 -F4
-L1.1
-K5
-V4
-R4
-F2
-U1
DC+
DC-
58
-
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Le moteur en alimentation VVFiltres de sortie
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-
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Forme d onde au moteur
Moteur:
U= 415 V
f = 50 Hz
I = 373.4 A
cos = 0.85
nN = 1485
P = 220 kW
-600
-400
-200
0
200
400
600
-600
-400
-200
0
200
400
600
5 Hz 30 Hz
A
U
A
U
-600
-400
-200
0
200
400
600
-600
-400
-200
0
200
400
600
Motor side with 7 meters cable length and DU/DT filter
60
Forme donde au moteur
-
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Forme donde au moteurDu/Dt - IEC/TS60034-25
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-
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Moteur, cble et filtre de sortie
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M~
230..690 V
-Longueurs max cble moteur variableselon Pn et Un( rduire au maximum pour la CEM)-Cbles blinds recommands /CEM
Se rfrer aux recommandations dans lesmanuels
Nota! En cas de moteurs en parallle, lalongueur du cble considrer est celle de lasomme des cbles.
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-1
0
1
Vu[Udc]
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-1
0
1
Vv[Udc]
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-1
0
1
Vw
[Udc]
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-1
0
1
time [s]
Vcommon[U
dc]
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-
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Filtres de sortie
* Recommended for high quality industrial motors, unless otherwise stated by the motor manufacturer
M
3ph
ac
ac
sinus-filter
5kV/usSINUSVOLTAGE
M
3ph
ac
ac
du/dt-filter
5kV/us 1kV/us
FIILTRE DU/DT
FIILTRE SINUS
63
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Dclassement thermique
Moteur BT
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< 100 kW 100 kW ou IEC 315 350 kW
Recommandations courantes de constructeurs demoteur standard CEI VV BT (L cble
-
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Slection sur la base du courant
Approximation dans la zonede flux nominal..
..sinon consulter:
NB: il faut aussi intgrer la chute detension dans le filtre de sortie (~2%DUT, ~8% SIN)
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-
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Slection sur la base du courant
Exemple de dimensionnementsur charge cyclique:
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Sommaire
Chapter 1: Moteur induction Solutions de contrle de vitesse Construction Comportement
Chapter 2: Le convertisseur de frquence Construction Comportement
Chapter 3:Contrle du moteur AC Modes de contrle Principes de base
Chapter 4: Lenvironnement du convertisseur de frquence CEM Harmoniques Filtres Du/dt
Chapter 5: Bnfices pour lutilisation de convertisseurs de frquence Mthodes Facteurs de cot
Comparaison cotstotal
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Bnfices
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La meilleure solution pour adapter une vitesse
Dans cette situation,que faites vous?
Maintenez votre pied surlacclrateur et freiner?(= vanne ou registre)
Rtrogradez la vitesse enutilisant le frein moteur?
(= variation de vitesse)
-
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Etrangler ou adapter
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Valeur dachat / Cot dexploitation
Energie 98%
Achat 2 %
Fuel 51%
Achat 49 %
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90%
5 %
5%
Achat Maintenance Energie
Segmentation du cot dun moteur sur sadure de vie
calcul sur une dure de vie de 15 ans
S t ti d t d t f ti
-
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Segmentation du cot dun moteur en fonctionde sa puissance
1,5 kW 15 kW 110 kW
Invest.2,3 %
Energie 96,8 % 98,7 % 99 %
Maintenance0,9 %
0,2 % 0,1 %
12 ans 15 ans 20 ans
1,1 % 0,9 %
100 %
10 %
1%
0
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-
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M
Rendement = 35,1 %
100%
160%
265%
281%
285%Transfo
= 98,6 %
AC moteur= 94,3 %
Pompe= 60 %
Vanne
= 62,5 %
Puis. lentre
Source: ZVEI
Importance des rendements
M
Rendement = 62,5 %
100%
142%
152%
157%
160%Transfo
= 98,2 %
AC moteur= 96,8 %
Pump= 70 %
f1
f2 Variateur AC= 98,1 %
Puis. lentre
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C ti d i diff t
-
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Consommation dnergie avec diffrentesmthodes de rgulation sur pompescentrifuges
H % Variation devitesse parrapport auxvannes @Q=70%
0 57%
25 46 %
50 37 %
75 27 %
100 18 %valeurs typiques dconomie
denergiequand H>0
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-
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Contrle de dbit
Exemple dans le pompage:
Construction simple
Dimensionnement optimal difficile
Consommations lectriques leves si surdimensionn
Coups de blier au dmarrage DOL Appels de courant au dmarrage DOL
Stress mcaniques
Vanne
M
Bypass
M
Ctrl On-Off
M
-
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Pas de pices mcaniques avec un AC drive
D.O.L+
Vanne
AC Drive
Electrique
Mcanique
M1~
~ ~
D.O.L+
Marche/arrt
Mthode traditionnelle Convertisseur de frquence
M1~
M3~
TA
NK
R l i d dbi
-
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Rgulation de dbit
Contrle de dbit avec vanne:
Puissance consomme au point nominal:
P = 1,0 x 1,0 = 1,0
Puissance consomme Q = 70 P = 0,7 x 1,25
= 0,875
0 0,50
0,50
0 0,50
0,50
1,00
.
Q Q
H
H
0,70 1,00
1,00
1,25
Contrle de dbit avec variateur:
Puissance consomme au point nominal:
P = 1,0 x 1,0 = 1,0
Puissance consomme Q = 70%
P = 0,7 x 0,6 = 0,42
1,000,70
0,60
Courbe rseau
Q=100%
Courbe rseau
Q=70%
Courbe rseau
Courbe pompe
Courbe pompe Q=100%
Courbe pompe Q=70%
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Programme dconomie dnergie exemplepour un ventilateur
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Rsumez ce que vous avez appris !
-
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Chaque moteur mriteun convertisseur Vacon