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Démarreur et variateur de vitesse

Lorsque l'on fabrique un équipement industriel, une simple commande en Tout ou Rien (TOR), peut ne pas être suffisante par rapport à certaines contraintes :
• Appel de courant élevé au démarrage.
• À-coups mécaniques lors des démarrages qui peuvent être dangereux pour le mécanisme d'une machine.
• Fonctionnement de la machine à vitesse constante.
Pour solutionner ces problèmes il existe la solution d'utiliser un démarreur moteur ou un variateur de vitesse électronique permettant de démarrer un moteur de façon progressive, changer le sens de rotation du moteur ou ralentir progressivement un moteur.

Sommaire :
• 1. Introduction
• 2. Présentation des principaux variateurs
• 3. Convertisseur de fréquence
• 4. Vidéos

1. Introduction :

La commande d'une grande variété de moteurs par une simple commutation tout ou rien est facile à mettre en œuvre mais peut mettre en évidence des contraintes gênantes dans certaines applications :
• La vitesse de rotation du moteur est constante (pas de variation de vitesse).
• Des pointes de courant (appel de courant) apparaissent lors du démarrage d'un moteur et peuvent perturber le fonctionnement des autres appareils connectés sur le réseau électrique.
• Des à-coups mécaniques surviennent lors des démarrages ou des arrêts des moteurs qui peuvent être contraignants pour les machines ou la sécurité des personnes.

Pour remédier à ces contraintes il est possible d'utiliser des démarreurs et des variateurs de vitesse électroniques pour les moteurs à courant continu ou courant alternatif.

Ces commandes permettent des démarrages ou arrêts progressifs en réglant les temps d'accélération ou de décéleration, mais également la variation de vitesse afin de s'adapter aux contraintes d'exploitations.

En fonction de la nature du moteur utilisé sur la machine on choisira la commande électronique adaptée :
• Redresseur controlé.
• Gradateur de tension.
• Convertisseur de fréquence.

2. Présentation des principaux variateurs :

Un variateur est un convertisseur d'énergie il permet de moduler l'énergie électrique fournie au moteur.
Les principales fonctions des démarreurs et des variateurs de vitesse électroniques sont :
• Accélération et décélération controlées en faisant varier les temps de mise en service et d'arrêt on contrôle ainsi les rampes d'accélération et de décélération.
• Variation de vitesse permettant d'augmenter ou diminuer la vitesse de rotation du moteur.
• Protections électriques du variateur et du moteur contre les surcharges (protection thermique) mais certains convertisseurs de fréquence sont équipés de protection contre les courts-circuits (protection magnétique), contre les surtensions ou les chutes de tension, contre les déséquilibres de phases et enfin contre la marche en monophasé.
• Inversion du sens de marche après décélération sans freinage électrique ou avec freinage électrique permettant une décélération et une inversion rapide du sens de rotation du moteur.
• Régulation de vitesse, la vitesse du moteur est définie par une consigne. Cette consigne est est permanence comparée à l'image de la vitesse du moteur mesurée par une génératrice tachymétrique ou un générateur d'impulsions monté en bout d'arbre moteur.
• Adapter le signal d'alimentation afin de le rendre compatible avec certains moteurs. Ainsi un réseau monophasé peut être transformé en alimentation triphasé (voir ATV12M2).

   2.1. Redresseur controlé :

Ce variateur est adapté au moteur à courant continu le plus souvent à excitation séparée.

   2.2. Gradateur de tension :

Ce variateur est utilisé avec les moteurs asynchrones à cage comme démarreur progressif si le couple de démarrage nécessaire n'est pas élevé ou comme variateur de vitesse pour les moteurs asynchrones à cage résistante ou à bagues.

   2.3. Convertisseur de fréquence :

Ce variateur est utilisé avec les moteur asynchrone à cage pour faire de la variation de vitesse.

3. Convertisseur de fréquence :

   3.1. Principe du variateur de vitesse :

Beaucoup d'application industrielle nécessite une variation de la vitesse ou l'inversion du sens de rotation d'un moteur électrique soit pour améliorer le fonctionnement ou le rendement ou pour s'adapter aux contraintes d'une machine.
La variateur de vitesse pour moteur asynchrone (MAS) présente de nombreux avantages dont le choix des temps d'accélération ou de décélération pour un démarrage ou un arrêt en douceur, la réduction des contraintes mécaniques, la suppression de l'appel de courant lors du démarrage moteur, choix simplifié de la vitesse de rotation.


La vitesse de rotation du champ magnétique appelé vitesse de synchronisme (n_s en tr/s) d'un moteur asynchrone dépend de la fréquence d’alimentation du stator (f en Hz) et du nombre de paires de pôles (p), la formule est :


Un variateur de vitesse peut être divisé en deux parties :
• La partie commande, centrée autour d'un microcontrôleur pour la gestion des entrées et des sorties du variateur et la commande de la partie puissance.
• La partie puissance composée d'un redresseur, d'une partie filtrage et d'un onduleur.

• Le redresseur va convertir la tension alternative sinusoïdale à l'entrée du pont de diodes en tension redressée.
• Le filtre composé d'un condensateur va atténuer ou éliminer les phénomènes d'ondulation de la tension afin de filtrer la tension qui sort du pont redresseur.
• L'onduleur est équipé d'interrupteurs électroniques (transistors) il permet de convertir une tension continue en une tension alternative de fréquence variable (MLI Modulation à Largeur d'Impulsion).

   3.2. Convertir du monophasé en triphasé 240V :

Certains variateurs Altivar ATV11 ou ATV12 peuvent à partir d'une alimentation Monophasée 240V sortir un signal triphasé 240V vers le moteur.

Ces variateurs offrent l'avantage d'utiliser des moteurs triphasés sur des installations monophasées.

   3.3. Mise en oeuvre / raccordement :

Cette animation permet de repérer les borniers de puissance (Alimentation ou sortie du moteur), les bornes digitales et analogiques ou autres.

Survolez les borniers du variateur ci-dessus afin de visualiser la correspondance entre l'appareil et le symbole du variateur.

Ce variateur ATV12M2 permet donc d'utiliser un moteur triphasé même si l'alimentation électrique est monophasé 240V~. Le variateur délivre en sortie une tension triphasé 240V~ (entre phases) permettant d'alimenter un moteur asynchrone triphasé de tension compatible.

   3.3. Schéma interactif :

Le schéma ci-dessous reprend le raccordement d'un variateur ATV312 (Altivar Schneider), les différents composants sont interactifs.
Choix de la commande du variateur :
• Le commutateur 3 positions S3 raccordé sur les bornes d'entrées digitales LI1 et LI2 du variateur permet l'inversion du sens de rotation du moteur en vitesse maximale (rFr=50hz).
• Les boutons poussoirs S4 et S5 raccordés sur LI3 et LI4 permettent respectivement d'augmenter ou de diminuer la vitesse de rotation du moteur par le changement de la fréquence.

Ainsi en fonction du câblage des entrées logiques (LI1, LI2, LI3, LI4, etc.) du variateur de vitesse ATV312, il est possible de modifier le principe de commande du moteur asynchrone triphasé (inversion du sens de rotation du moteur, modification de la vitesse, marche / arrêt, etc.).

Retrouvez le fonctionnement du variateur de vitesse sur l' application android ci-dessous.

4. Vidéos :

• Principe d'utilisation simple d'un variateur de vitesse Schneider Altivar ATV312.

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• Principe d'utilisation simple d'un variateur de vitesse Schneider Altivar ATV12.

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• Comment déverrouiller ou verrouiller un variateur de vitesse Schneider ATV12 ?