ALIMENTATIONS DES VARIATEURS DE VITESSE PAR BUS A COURANT CONTINU

25/04/2016
Auteurs : Franck Le Gall
Publication 3EI 3EI 2016-84
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-84:16437
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ALIMENTATIONS DES VARIATEURS DE VITESSE PAR  BUS A COURANT CONTINU

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Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 22 ALIMENTATIONS DES VARIATEURS DE VITESSE PAR BUS A COURANT CONTINU FRANCK LE GALL Lycée Jules Ferry Versailles 1. Introduction La solution la plus courante pour alimenter les variateurs de vitesses des machines alternatives consiste à utiliser un onduleur triphasé alimenté sous une tension continue (figure 1). Figure 1 : Structure de base d'un variateur Lorsque, dans de nombreuses applications industrielles (papeterie, fonderie ...), il est nécessaire d'utiliser une série de variateurs, il est alors souvent économique de connecter ces variateurs en parallèle sur la même source de tension qui est alors appelée "bus continu ou bus DC" (figure 2). Figure 2 : Bus DC alimentant plusieurs variateurs A titre d'exemple, des architectures constituées d'une vingtaine de variateurs alimentés sur le même Bus DC sont classiques dans les process de métallurgie ou des industries papetières. Les bus DC dépassent alors la centaine de mètres. Outre le gain financier évident lié au partage du même bus DC, cette structure est aussi très intéressante pour faciliter la sauvegarde en cas de défaillance du réseau. Un Bus continu secouru par des batteries permet d'éviter les problèmes d'interruption de production comportant des engagements de matière et des conditions de redémarrages complexes (exemple de tôles dans les lignes de parachèvement). Par ailleurs, il est important de veiller à ce que d'une part, les variateurs polluent le moins possible le réseau triphasé d'alimentation du bus continu tant du point de vue des fluctuations de puissance réactive que des harmoniques, et que d'autre part, les variations dans l'amplitude de tensions du réseau ne génèrent pas d'instabilités sur le bus DC. Enfin il faut que la tension du bus DC reste constante alors que la puissance active absorbée par les machines reste elle aussi constante. Cette double contrainte implique l'existence d'une résistance dynamique négative dont il faudra analyser les implications. 2. Structures d'alimentation du bus DC Partant d'un réseau triphasé, plusieurs solutions peuvent être envisagées pour alimenter le bus continu. On peut les classer en deux grandes catégories ; les sources non régulées à base de ponts de diodes et les sources régulées à base de composants de puissance commandables (thyristors ou transistors). 2.1. Ponts de diodes Le pont de diodes PD3 peut être utilement intégré dans une structure dodécaphasées pour annuler les harmoniques de rangs 5 et 7 en amont du transformateur (figure 3). Résumé : Dans les installations industrielles dont les procédés nécessitent l'utilisation de nombreux variateurs de vitesse, il est souvent économiquement pertinent de connecter ces convertisseurs sur un même bus continu. Il faut alors se poser des questions sur le dimensionnement du bus continu afin d'assurer sa stabilité et de limiter les perturbations sur le réseau. MEd Id MEd Id MEd MEd Id ALIMENTATION M2M1M3M4M5 ALIMENTATION M2 M1 M3 M4 M5 ALIMENTATION M2M1M3M4M5 ALIMENTATION M2 M1 M3 M4 M5 Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 23 Figure 3 : Structure dodécaphasée à diodes Cette structure est classique. Elle permet pour un faible coût d'obtenir un bus continu comportant de faibles ondulations et dont les pollutions harmoniques sur le réseau triphasé n'apparaissent qu'à partir du rang 11. En revanche, le bus continu ne peut être contrôlé. 2.2. Ponts tous thyristors Pour limiter les pollutions harmoniques sur le réseau alternatif, il est judicieux de conserver la structure dodécaphasée précédente. Par ailleurs, la tension de sortie du redresseur devant être constante, il faut porter un soin tout particulier au dimensionnement (choix d’un angle  de commande des thyristors, faible et dont la variation doit être liée aux variations de tension du réseau alternatif) pour limiter la demande en puissance réactive. Figure 4 : Structure à thyristors Si le procédé nécessite une gestion de la réversibilité énergétique, deux cas se présentent :  Les freinages sont exceptionnels. Il suffit alors d'ajouter de disposer sur le bus une résistance de dissipation enclenchable, statiquement ou par contacteur, en cas de surtension.  Les freinages sont répétitifs. Une alimentation réversible est alors nécessaire. La solution la moins contraignante, en terme de puissance réactive et de pollution harmonique est l’utilisation d’un redresseur actif ou « active front end ». 2.3. Redresseurs MLI La troisième structure envisageable est constituée d'un redresseur à Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI). Ce type de convertisseur est particulièrement bien adapté à l’alimentation des bus à courant continu car il est réversible en courant, il génère peu ou pas de courants harmoniques dans les basses fréquences, il consomme peu ou pas de puissance réactive sur le réseau. Figure 5 : Structure à redresseurs MLI En revanche, cette structure est plus couteuse et plus complexe à mettre en œuvre que les précédentes. 3. Existence des instabilités Le Bus DC en aval des structures de redressement étant constitué d’éléments L et C (figure 6). Quelque soit la structure choisie pour l'alimentation du bus DC, il existe un risque d’instabilité qui amplifierait d'éventuelles petites variations de la tension alternative, donc de la tension Ed0. Figure 6 : constituant LC du bus DC  C : somme des condensateurs présents sur le bus  R : résistance équivalente à l'ensemble des charges sur le bus Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 24  r : résistance due à la commutation des diodes  L : inductance totale correspondant aux 4 inductances des secondaires des transformateurs parcourues à un instant t (l'inductance du réseau est négligée). Il est primordial de connaître la fonction de transfert de cette structure pour dimensionner les composants afin d'éviter ces instabilités. Le calcul de la fonction de transfert U/Ed0 donne :  Pulsation propre :