Variateur de vitesse pour machine à courant continu
Application à l'axe Z du transgerbeur.
A.N : 
A.N : 
i est définie par le couple R24.C8 = 1,5 ms et le gain ki=R24 du correcteur est fixé par la résistance R24. Pour des raisons de sécurité, ce gain n'est pas réglable par l'utilisateur du variateur. Sur le variateur didactisé, ce réglage de gain est quand même possible afin d'optimiser les performances dynamiques de la boucle de courant, mais il n'est pas directement accessible en face avant par les élèves.
par P.Maussion et P.Ladoux
Maîtres de Conférences Génie Electrique à l'IUFM de Toulouse et Chercheurs au LEEI
Introduction
Si les principes de la variation de vitesse pour machine à courant continu sont bien connus et relativement bien documentés, les produits industriels qui les mettent en œuvre sont peu souvent accessibles. Cet article a pour objectif de décrire un ensemble de solutions utilisées sur le variateur de vitesse MSM 60 de type hacheur et fabriqué par la société Infranor et de présenter sa transposition didactique. Ces produits permettent la commande de la motorisation de l'axe Z du transgerbeur, utilisé comme support d'enseignement dans les classes de Génie Electrotechnique des lycées techniques et professionnels.
Les deux premières parties de cet article présentent une justification de la structure de la carte de commande du variateur industriel, tant du point de vue automatique que du point de vue électronique de commande. Des exploitations pédagogiques sont donc possibles sur ces deux plans. La troisième partie présente la transposition didactique réussie du variateur industriel, sous une forme didactisée, beaucoup plus pratique à utiliser avec des élèves .
Le schéma fonctionnel du constructeur de variateur est présenté figure 1.1 et le structurel de la carte de commande sur la figure 1.2 ci-après.
Figure 1.1 : schéma fonctionnel constructeur du variateur de vitesse.
1.1. Etage d'entrée de la consigne
Il s'agit d'un étage différentiateur à base d'amplificateurs opérationnels TL 064 et filtre passe-bas du 1° ordre permettant l'entrée de la consigne, sous forme différentielle. Avec Vcons= V2-V1, il vient :A.N : 1.2. Etage d'entrée du retour tachymétrique.
Il s'agit aussi d'un étage différentiateur TL 064 et filtre passe-bas permettant l'entrée de la ddp issue de la génératrice tachymétrique, sous forme différentielle. Avec Vtachy = V3-V4, il vient :La vitesse du moteur peut ne pas être mesurée grâce à une génératrice tachymétrique, mais estimée par un retour U-RI. Il faut alors que la séparation des modes soit vraie, c'est à dire que la dynamique de la boucle de courant soit beaucoup plus grande que la dynamique de la boucle de tension. Dans ce cas, U-RI est peu différent de E ( fem du moteur )=ke.
qui est donc l'image de la vitesse. Les connexions L3 et L4 sont réalisées et L5 ôtée, une ddp proportionnelle au courant est soustraite au travers de la résistance R25 qu'il faut ajuster en fonction du moteur. Cet étage permet alors d'obtenir en VX2.3, une ddp image de la ddp moyenne aux bornes du moteur U.
1.3. Etage correcteur PI de la boucle de vitesse.Un montage à base d'amplificateurs opérationnels TL 064 permet la réalisation sur un seul étage des fonctions sommation et intégration. La ddp de sortie de cet étage est alors l'image de la consigne en courant qui sera appliquée sur la boucle rapide permettant le contrôle du courant dans le variateur et le moteur. En négligeant l'effet de l'étage de filtrage passe-bas R11.C3 = 330.1,5nF=0,495
s, dans la bande passante de l'asservissement de vitesse et le condensateur C37 devant le condensateur C4, la ddp VN1.7 peut-être exprimée :
qui est donc l'image de la vitesse. Les connexions L3 et L4 sont réalisées et L5 ôtée, une ddp proportionnelle au courant est soustraite au travers de la résistance R25 qu'il faut ajuster en fonction du moteur. Cet étage permet alors d'obtenir en VX2.3, une ddp image de la ddp moyenne aux bornes du moteur U.
1.3. Etage correcteur PI de la boucle de vitesse.
.1,5nF=0,495s, dans la bande passante de l'asservissement de vitesse et le condensateur C37 devant le condensateur C4, la ddp VN1.7 peut-être exprimée :Le couple R17.C4 = 8,2 ms règle la constante d'intégration v du correcteur PI tandis que le gain kv=R17/k2..R10 peut-être ajusté par l'intermédiaire du potentiomètre R122, terme k2. Le gain kv du correcteur PI permet à l'utilisateur d'ajuster les performances dynamiques de la boucle mécanique en fonction de la charge que doit entraîner le moteur.
v du correcteur PI tandis que le gain kv=R17/k2..R10 peut-être ajusté par l'intermédiaire du potentiomètre R122, terme k2. Le gain kv du correcteur PI permet à l'utilisateur d'ajuster les performances dynamiques de la boucle mécanique en fonction de la charge que doit entraîner le moteur.En négligeant le courant dans R17 devant celui qui circule dans R122, k2 vaut directement (R18+a.R122)/(R18+R122). Ce coefficient est donc ajustable entre 1 et R18/(R18+R122)=1/21, le gain proportionnel du PI vitesse est alors réglable entre R17/R10 et 21.R17/R10 soit entre 8,2 et 172,2.
Le potentiomètre R120 permet une mise à l'échelle du signal issu de la génératrice tachymétrique, ou aux bornes du moteur en cas de retour U-RI. Le variateur peut ainsi être utilisé sur toute une gamme de moteurs+génératrices tachymétriques fournis par différents fabriquants.
Avec 
d'où, pour Vcons = 10v, lorsque VT =5v alors k1#0 et lorsque VT =60v, k1=1,02. Sur l'axe Z du transgerbeur, une génératrice tachymétrique TBN 206 est implantée sur le moteur à courant continu PARVEX RX320E. Elle délivre une ddp de 6v pour 1000 tr/mn. Pour une vitesse maximale de rotation dans ce système de 3000tr/mn, k1=0,24 d'où
Le groupe de résistances-potentiomètre R13, R14 et R121 permet de régler l'offset de tous les étages d'entrée ( pour une consigne nulle, le moteur doit être à l'arrêt ). Le transistor FET en parallèle sur C4 permet de bloquer l'intégration lorsque le moteur est arrêté, en fonctionnement normal ou lors du déclenchement de l'une des protections. L'arrêt de l'intégration évite ainsi des dépassements et un allongement du temps de réponse qui résulteraient de la dérive de l'intégrateur pour une consigne nulle.
en parallèle. Un étage à transistors puis amplificateurs opérationnels permet ici encore une mesure différentielle. Il est suivi d'un filtre passe-bas constitué du couple R76.C30 = 33us implanté sur la carte de puissance, qui extrait du signal image du courant moteur, sa valeur moyenne. En effet, la fréquence de coupure de ce filtre est de 4,8 KHz. Or la fréquence de l'ondulation en courant est de 16 KHz et la bande passante de la boucle de courant fermée est de l'ordre de 1 KHz. On a donc bien 1 KHz < 4,8 KHz < 16 KHz.
1.4. Chaîne de retour de l'information courant moyen.
Le courant Is en sortie du hacheur et donc dans le moteur et dans le pont en H est capté par un groupe de 3 résistances de 0,1 en parallèle. Un étage à transistors puis amplificateurs opérationnels permet ici encore une mesure différentielle. Il est suivi d'un filtre passe-bas constitué du couple R76.C30 = 33us implanté sur la carte de puissance, qui extrait du signal image du courant moteur, sa valeur moyenne. En effet, la fréquence de coupure de ce filtre est de 4,8 KHz. Or la fréquence de l'ondulation en courant est de 16 KHz et la bande passante de la boucle de courant fermée est de l'ordre de 1 KHz. On a donc bien 1 KHz < 4,8 KHz < 16 KHz.Cet étage fournit sur l'entrée référencée D sur la carte de commande, une ddp continue de 10V pour un courant moteur de 12A.
1.5. Correcteur PI sur la boucle de courant.
La structure utilisée pour l'implantation analogique du correcteur proportionnel-intégral sur la boucle de courant est identique à celle utilisée pour la même fonction sur la boucle de vitesse. La constante d'intégration i est définie par le couple R24.C8 = 1,5 ms et le gain ki=R24 du correcteur est fixé par la résistance R24. Pour des raisons de sécurité, ce gain n'est pas réglable par l'utilisateur du variateur. Sur le variateur didactisé, ce réglage de gain est quand même possible afin d'optimiser les performances dynamiques de la boucle de courant, mais il n'est pas directement accessible en face avant par les élèves.La ddp de sortie de cet étage VX2.16 est un signal de commande destiné à générer les ordres de commande des transistors de hacheur.