Un drive à fréquence variable pour moteurs diphasés

[Tropique]

Présentation

Voici enfin le moment de dévoiler ce qui avait été promis dans ce teaser.

Quelques définitions, à l'intention de ceux pour qui le titre ressemble à de l'hébreu (ou du sanscrit, je ne suis pas sectaire).

• Qu'est-ce qu'un "drive à fréquence variable"?
  C'est ce qu'en français, on connait généralement sous le nom de variateur de fréquence. La dénomination anglaise est cependant beaucoup plus précise, ce type de variateur faisant bien plus qu'une simple variation de fréquence, il s'agit d'une solution complète de gestion d'un moteur.
• Qu'est-ce qu'un "moteur diphasé"?

Il s'agit d'un type de moteur asynchrone (communément appelé "moteur à induction"), dans lequel le champ tournant est créé par deux tensions en quadrature.Voir ici: http://fr.wikipedia.org/wiki/Biphas%C3%A9
En tant que système de distribution d'énergie, le diphasé est très largement tombé en désuétude, alors pourquoi s'intéresser à une cible aussi vieillotte et confidentielle?

En fait, ce système continue à être très utilisé au niveau des moteurs eux-mêmes.

Lorsqu'on utilise un moteur asynchrone en monophasé, il faut obligatoirement créer un déphasage si l'on veut qu'il démarre de lui-même.
C'est par exemple ce que l'on fait lorsqu'on veut employer un moteur tri en monophasé, mais contrairement à une idée répandue, l'immense majorité des moteurs à condensateur ne sont pas tri, mais bien diphasés.
La raison en est simple: le déphasage produit par un simple condensateur est plus proche de la quadrature que du triphasé, et le déclassement résultant est moins pénalisant.

Ce n'est que dans le cas où une machine doit pouvoir travailler avec une alimentation mixte que l'on trouve des moteurs triphasés.

• Ces moteurs diphasés sont extrêmement répandus au niveau domestique: ils animent aussi bien des ventilateurs que des pompes, des appareils électroménagers et de l'outillage comme des tourets à meuler, des compresseurs, des perceuses sur colonne, etc.

Ils existent en une grande variété de tailles, saveurs et couleurs, adaptées à l'utilisation précise.
Leur domaine de prédilection va typiquement de quelques dizaines à quelques centaines de watts, mais il y a de nombreuses exceptions dans les deux directions: à faible puissance, bien que le déphasage par spire de Fräger soit préféré, on recourt au condensateur lorsqu'il est nécessaire de pouvoir inverser la rotation, et on trouve des moteurs dépassant le kW également.

• On peut les classer en deux super-groupes: les symétriques, et les asymétriques.

Les symétriques sont des diphasés "vrais", et sont typiquement employés lorsqu'on souhaite une rotation dans les deux sens.
Beaucoup d'applications sont unidirectionnelles, et dans ces cas-là, on préfère un type asymétrique, dans lequel un des enroulements est plus "faible", et sert juste à créer l'asymétrie nécessaire au démarrage.
Cela offre un certain nombre d'avantages: il faut moins de cuivre, et la consommation est plus faible, la deuxième phase approximative tendant à s'opposer en partie au champ tournant dominant sur lequel le moteur s'est accroché à la vitesse nominale.

• Toutes ces particularités rendent la variation de vitesse problématique: une variation par la tension agit en dégradant le couple, et un variateur de fréquence conventionnel est adapté à du triphasé pur. Il existe bien des moyens, comme le transformateur de Scott, qui permettent de passer d'un système de coordonnées à l'autre, mais ajouter un transfo spécial et coûteux derrière un équipement qui n'est pas lui-même bon marché est disproportionné et risque de mal fonctionner, un VFD ayant normalement besoin de "voir" directement les enroulements du moteur qu'il contrôle, sans compter les cas de "faux" diphasé.

Quant à employer le variateur en monophasé en gardant le condensateur, c'est également une solution médiocre, le condensateur n'étant optimal qu'à une seule fréquence.
C'est ce manque de solution acceptable qui m'a poussé à développer ce projet. Comme il n'est pas question d'aboutir à une usine à gaz, le circuit a été simplifié au maximum, et des solutions innovantes ont été mises en oeuvre pour résoudre certain des problèmes les plus délicats.

• En effet, même simplifié à l'extrême, un drive doit assurer un minimum absolu de fonctions:

*Créer des tensions à fréquence variable ayant la bonne phase et commandées en tension
*Assurer une variation conjointe de la vitesse et la tension moyenne
*Permettre des corrections à la loi de base évoquée ci-dessus
*Assurer la commande isolée et sécurisée de chacun des éléments de commutation

Les VFD industriels font tout cela, et ont en plus des protections en courant, surchauffe, etc., et permettent des rampes de démarrage et d'autres fonctions plus sophistiquées et complexes, mais nous nous limiterons, dans la version de base, à assurer exclusivement les points ci-dessus... ce qui est déjà assez énorme.
Voici déjà le schéma pour ceux qui ont du mal à maitriser leur impatience...

A suivre....


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[Tropique]

Nous allons commencer à examiner le circuit.

N.B.: le schéma tel qu'il affiché sur le forum n'est pas très lisible, je conseille de right-clicker et choisir une option, soit de voir l'image, soit de la copier ou de la sauver pour la visualiser avec Paint ou autre.
N.B.2: il y a une ou deux erreurs sans importance dans les références des opérateurs, je rectifierai ultérieurement.

Une précision avant de commencer, les signaux de sortie envoyés au moteur sont de type "pseudo-sinus" (et souvent plus pseudo que sinus!), nous discuterons plus tard des conséquences de ce mode de fonctionnement.

• Le maitre oscillateur est U1, un circuit de PLL employé en VCO. C'est un circuit courant et bon marché, offrant une bonne flexibilité de configuration. La tension de commande est appliquée via un diviseur formatant la gamme d'entrée en 0-10V, d'autres choix seraient possibles.
  La fréquence générée est de 4X la fréquence de sortie Fo. Avec les valeurs indiquées, cette fréquence va de ~5Hz à 75Hz, Aj1 permet de régler la valeur maximale, R2 créant la butée basse, rien que du banal.
  La 4046 a une "zone morte" de ~1V aux deux extrémités, ce qui permet de "parquer" la fréquence de sortie en butées.

• Tout aussi banal est l'étage suivant, un compteur en anneau créant les signaux en quadrature à Fo. Un des étages peut optionnellement avoir ses sorties inversées via des XOR, pour créer une inversion de sens électronique. Notons que cette option a un corolaire intéressant: elle rend possible la rotation en sens inverse de moteurs unidirectionnels par construction, ayant des phases asymétriques.

• Les sorties sont combinées dans le comparateur de phase du CD4046, pour créer la fréquence 2Fo; celle-ci sert à déclencher des monostables, l'un sur les flancs montants, l'autre sur les flancs descendants. Chacun de ces monostables génère donc deux impulsions par cycle, les sorties sont ensuite combinées/aiguillées grâce à U4.
  Le résultat est donc deux paires de trains d'impulsions calibrées, en quadrature; comme chaque monostable gère son propre signal, on a la garantie d'avoir des alternances négatives et positives égales, ce qui est important pour assurer une valeur moyenne nulle au niveau de la sortie finale.

Ces signaux sont alors traités par les gate-drivers isolés, que l'on examinera en détail par la suite.
On constate qu'il n'est pas question de PWM dans tout cela, comment alors est traitée l'indispensable variation de tension?
Je rappelle que pour conserver un flux constant dans le moteur, il faut que la tension varie proportionnellement à la fréquence (en première approximation): cela découle des équations du moteur asynchrone.
En fait, cette variation est réalisée selon la méthode préférée des bureaucrates en ne faisant ... RIEN!
Elle est implicite: si la conduction reste constante lorsque la fréquence varie, la tension moyenne résultante varie de manière identique, ce qui est exactement le résultat souhaité. Le temps de conduction étant fixé par les monostables, il est constant. Notons que la présence de deux monostables séparés permet de réaliser élégamment le pilotage de moteurs asymétriques: il suffit de fixer des temps différents.
Cette doctrine de contrôle semble donc idéale: elle fait tout ce que l'on souhaite, sans la moindre complication.


Malheureusement, comme beaucoup de doctrines trop simples ou simplistes, elle rencontre vite ses limites dans la réalité (cf. capitalisme et communisme p.ex.).

Le problème, c'est que le moteur ne réagit pas de la même manière selon la façon dont la tension moyenne est répartie: ici, lorsque la fréquence baisse, toute la tension est délivrée en un temps relativement bref, et puis plus rien ne se passe. Or, en sinusoidal, le déroulement de l'alternance courante dépend de l'alternance précédente: celle-ci génère une induction, des courants rotoriques qui vont modifier les conditions initiales. Si on attend trop longtemps, les courants s'évanouissent, l'induction tombe, et retombe sur des conditions initiales quasi-nulles.
Cela pose des problèmes, en augmentant les courants de crête et en générant de la saturation. En plus, avoir des brèves impulsions génère un couple haché en petits à-coups.
Bref, il y a une certaine distance entre le monde idéalisé de la théorie (simplifiée) et la dure réalité.
Cela ne rend pas ce schéma inutilisable: on peut employer une réduction de vitesse de deux à trois fois sans rencontrer trop d'inconvénients, si on veut aller plus loin, il faut diminuer le temps monostable, mais cela réduit également la puissance à des vitesses où le moteur pourrait la tolérer.
Si cet inconvénient est inacceptable, il est possible de réduire le temps monostable aux faibles vitesses: c'est l'option V-correction.
C'est un pis-aller, mais cela permet d'envisager des rapports de variation beaucoup plus élevés sans pénaliser les hautes vitesses. Cela peut très bien être suffisant: pour une machine en mode de test ou d'approche lente, un faible couple dans ces conditions n'est pas un problème.
Nous verrons qu'il est possible de faire mieux, en utilisant une autre option qui sera décrite ultérieurement.

A suivre...

[Tropique]

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Nous allons maintenant nous pencher sur un élément essentiel du circuit, les gate-drivers isolés.

• Leur but est de transmettre les ordres de conduction apparaissant sur les sorties de U4 vers les gates de leurs MOS respectifs.

La tâche est plus compliquée qu'il n'y parait:

-Il faut transmettre des signaux pouvant descendre à des fréquences très basses, proches du DC (5Hz par exemple), tout en conservant une bande passante élevée pour faire passer des transitions franches.
-Il faut en plus que toutes ces commandes soient isolées, entre elles et de la partie contrôle, et enfin qu'elles aient la vigueur indispensable pour attaquer la capacité de gate et de Miller de MOS haute tension, de calibre important.
-Il faut également qu'elles aient une fiabilité à toute épreuve: au moindre bafouillement, au premier ordre de conduction envoyé à contre-temps, c'est le feu d'artifice intégral: ce doit donc être zéro-défaut, dans toutes les conditions possibles et imaginables.

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Généralement, toutes ces contraintes imposent une alimentation individuelle côté gate, avec une alim multi-sorties.

Comme j'ai considéré que cette complication était inacceptable, j'ai opté pour une transmission passive, à transformateur. Evidemment, "il y a un truc": des transfos capables de passer 5Hz seraient volumineux, imparfaits et devraient être créés sur mesure.

Ici, le principe de fonctionnement est basé sur l'observation que, pour piloter correctement un MOS, il suffit de lui envoyer des transitions pour charger et décharger les capacités de gate; entre ces transitions, la consommation est quasi-nulle et on n'a besoin de rien faire.

Ce principe semble simple, mais évidemment, pour le mettre en musique, c'est un peu plus difficile....

• Examinons le fonctionnement: les transformateurs sont T1 à T4, ce sont des transfos d'impulsion (mais nous verrons qu'il existe des alternatives simples et couramment accessibles à de vrais transfos).

Ils sont pilotés chacun par deux quadruplets de drivers de bus, des 74HC540 et 541 (pour la facilité, des 74HC240 et 241 sont fonctionnellement identiques et utilisables également) qui forment un pont en H.
Une variété est inverseuse, l'autre pas, mais dans le chemin de celle-ci, on insère un inverseur, le CD40106.
Le résultat, c'est qu'en définitive les deux branches du H reçoivent le même signal.... ou presque: si c'était absolument identique, le primaire des transfos ne verrait jamais aucune tension, et le résultat de tout cela serait nul.
La subtilité, c'est que dans le chemin du 40106, il y a également un retard, introduit par des R-C. Le résultat, c'est que les signaux sont tout le temps identiques, sauf au moment des transitions, où le décalage d'une trentaine de µs a pour effet d'appliquer une impulsion aux bornes du transfo, tantôt positive, tantôt négative (voir illustration, les tensions sont décalées artificiellement pour plus de clarté, et le circuit est un peu différent, mais aboutit au même résultat).

Vargdrv1.png

Nous avons ainsi créé la première étape indispensable à l'attaque de gate choisie.

Pourquoi avoir choisi un principe de phase-shift apparemment complexe et biscornu pour créer de simples impulsions? Pourquoi ne pas les générer directement avec de simples monostables?

D'abord, le principe n'est pas si complexe qu'il n'y parait: il n'y a au fond pas beaucoup de composants en jeu, juste beaucoup de drivers en parallèle, mais ils viennent par boîtier de 8 et sont courants et bon marché.
Mais surtout, ce type de commande implicite possède un niveau de sécurité intrinsèque très grand: des générateurs d'impulsion peuvent créer une impulsion de mise en conduction surnuméraire, sur un parasite par exemple, ou au contraire rater une impulsion d'extinction. Dans les deux cas, avec le principe de commande quasi-bistable retenu ici, c'est la catastrophe.
Avec la méthode adoptée ici, le signal de sortie est toujours fidèlement identique à celui d'entrée, et ce malgré l'étape intermédiaire quasi-bistable.
Comme le signal d'entrée est "gaté" par des flip-flops, il est matériellement impossible d'avoir des commandes aboutissant à un conflit et une cross-conduction désatreuse, ce qui est essentiel.

• Il reste à transformer ces impulsions bipolaires en états stables.

C'est le rôle des transistors et diodes, qui avec C1 forment des échantillonneurs-bloqueurs pour les deux polarités.
La valeur retenue pour C1 est très forte, pour rendre négligeable les effets des capacités du MOS, et en particulier l'effet Miller.
A chaque impulsion, l'un ou l'autre des transistors+diodes charge ou décharge C1. La résistance R7 ajoute un petit retard à la charge, ce qui garantit environ 2µs d'action break-before-make, toujours dans l'optique d'éviter la cross-conduction, dans le cas où le rapport cyclique atteint 100% et n'est plus contrôlé par les monostables.
Enfin viennent C4/D3, dont le rôle est de clamper la forme d'onde à ~0, puisque les MOS n'ont pas besoin de polarisation négative, et que le surplus de tension permet de réduire la Rdson.
Accessoirement, D3 est une zener, ce qui lui permet également de protéger le gate du MOS, et également de limiter la tension générée par l'attaque: en première analyse, il semble que cette tension doive valoir un peu moins que deux fois la tension d'alim, mais les caractéristiques du transfo, inductances de fuite et magnétisante, peuvent avoir pour effet de modifier cette valeur, surtout vers le haut et parfois substantiellement. Il faut donc la limiter.
Des résistances de décharge sont prévues sur chacun des condensateurs, pour créer des conditions de repos en mode "off", prévisibles et déterministes.

La figure suivante montre l'ensemble du cheminement, le créneau transformé en impulsions, et régénéré à l'identique à la fin: on part du vert, transformé en bleu, puis en rouge et enfin en magenta.

Vargdrv2.png

A suivre....

PS: le schéma en #1 a été rectifié

[Tropique]

Alimentations

Le chapitre va être expédié assez vite, il n'y a pas grand chose de particulier à dire.

• Voyons d'abord l'alim côté contrôle:

Elle est de 6.5V, valeur un peu bizarre, mais pour de bonnes raisons: il est souhaitable d'en maximiser la valeur si l'on emploie des transfos d'impulsion 1:1, les plus basiques disponibles, pour garantir une tension correcte sur les gates des MOS. D'autre part, la résistance interne des drivers de bus faisant office de gate driver est également minimisée à tension plus élevée, et il est souhaitable que ce soit le cas: lorsque l'impulsion est terminée, l'inductance magnétisante du transfo accumule une certaine énergie, et tend à continuer à faire passer un courant. Si l'enroulement n'est pas parfaitement court-circuité, une tension va apparaitre et risque de déclencher l'échantillonneur opposé, déchargeant partiellement le condensateur de hold.

Toutes ces raison militent en faveur d'une tension d'alim aussi élevée que possible, mais les circuits HCMOS faisant office de driver de gate ont un abs max rating de 7V pour le Vdd, et une tension recommandée de 6V. Avec 6.5V, on se trouve encore dans une zone "sûre" sans pénaliser les performances (la famille HCMOS est plus que mature, et pourrait tolérer 7V en permanence sans problème).

Pour créer cette tension non-standard, une LED est ajoutée à un régulateur 78L05 standard, ce qui a également l'avantage de procurer une compensation en température de premier ordre.

Le courant nécessaire est dérisoire: le mode très particulier de commande "phase-shift" est également phénoménalement efficace sur le plan énergétique, et la consommation de toute la partie contrôle en 6.5V dépasse à peine le mA!
On peut donc se permettre n'importe quel type d'alimentation primaire, transfo faible puissance pour un contrôle isolé, voire même piles, ou alim à condensateur, si le variateur fonctionne en "stand-alone" et n'a pas besoin d'être isolé du secteur.
J'ai indiqué une tension d'entrée de 10V, parce qu'elle peut servir de base à la commande 0-10V, et j'ai donc mis en amont un 78L10, mais d'autres arrangements sont bien entendu possibles
On n'est notamment pas tenu à la convention 0-10V si c'est pour une application "propriétaire".

• Pour la partie puissance, on a une totale liberté:

à priori, comme la topologie est en demi-pont, si l'on souhaite pouvoir recréer du ~230VAC, il faut du +/-320VDC, devant être généré par un doubleur de tension, mais toutes les options sont envisageables.
En particulier, il n'est peut-être pas indispensable de travailler à tension aussi élevée: si on effectue un redressement double alternance normal, on pourra sortir jusqu'à 110V AC si l'on reste dans l'optique "pseudo-sinus": des conductions alternées de 5ms, séparées par des temps morts de 5ms. Cela limiterait la puissance du moteur à 50Hz à la moitié de sa puissance nominale.
Il y a cependant des facteurs mitigateurs à prendre en compte: d'une part, si l'on emploie un tel circuit, c'est pour faire tourner le moteur à une vitesse différente, et si l'on descend à 25Hz, il n'y a plus de différence: la tension ne peut de toutes manières pas excéder 110V.
D'autre part, l'association du moteur avec le variateur, malgré ses imperfections, améliore considérablement son comportement comparé au fonctionnement sur condensateur. La perte à 50Hz est donc moindre que 50%. Enfin, rien n'oblige à rester dans le paradigme "pseudo-sinus": le controleur peut parfaitement travailler à des rapports cycliques atteignant 100%, même si ce n'était pas le but initial.
On se retrouve alors en mode carré pur, ce qui procure un gain de Π/2 pour la valeur moyenne, comparé au sinus.
Si l'on prend tous ces facteurs en compte, on constate que la perte est finalement très marginale.

Pourquoi vouloir travailler à tension plus basse?

-A calibre égal, des MOS de 500V auront une Rdson plus faible que des 800V ou 900V
-Les problèmes augmentent en fonction du carré (au moins) de la tension: un souci mineur à une tension donnée peut se muer en un grave problème si cette tension est doublée
-Il est préférable d'éviter les tensions élevées lorsqu'il n'y a pas de nécéssité impérieuse, voir ci-dessus, composants et sécurité générale.

Pour le redressement, j'ai utilisé un redressement simple, sans PFC ou raffinements. Pour ne pas trop dégrader le facteur de forme, sans perdre de puissance excessive, j'ai employé une CTN et une self de 400µH en série. Comme ce drive ne va pas être utilisé commercialement, il ne doit pas satisfaire aux normes sur l'injection d'harmoniques, cette approche est donc acceptable.

On pourrait évidemment le précéder d'un PFC: cela permettrait en plus de pousser la tension d'alimentation à 450V ou plus, permettant un moyen terme interéssant entre le redressement simple et le doubleur.
Mais un PFC n'est pas un gadget qui s'improvise en deux temps/trois mouvements, et cela sort du cadre de ce projet, je n'en décrirai donc pas.

Une autre possibilité envisageable est de faire précéder le redresseur par un auto-transfo, permettant de gagner 25 ou 50% en tension, et agissant également comme filtre d'harmoniques.

• Enfin, les applications ne sont pas limitées aux moteurs haute tension:

Il est parfaitement possible de travailler avec des moteurs 24V~ par exemple, avec des MOS et une alimentation adéquate: le circuit de puissance est totalement "agnostique" sur ce plan, et je recommande d'ailleurs de faire les premiers tests sur une simple alim de labo, en 30V par exemple, c'est largement suffisant pour faire tourner à vide un moteur 230V, et tester le montage en toute sécurité.

Pour le choix des MOS, des diodes de redressement, condensateurs de filtrage, etc, tout dépend de la puissance du moteur, c'est du dimensionnement tout ce qu'il y a de classique, il n'est pas nécessaire d'approfondir cet aspect.

Ci dessous deux exemples passe-partout, l'un en doubleur, l'autre en simple.

A suivre....

[A voir en vidéo sur Futura]

[Pierrre]

LA SUITE, LA SUITE, LA SUITE .....

Merci Tropique, sujet interessant et tres bien explique, comme d'habitude ! (j'ai realise l'alim "design de ref..." NICKEL !)

[Tropique]

LA SUITE, LA SUITE, LA SUITE .....

La voici:

• Il n'y a pas grand chose à dire sur ce chapitre: à part les composants de puissance, le reste est du tout-venant, non-critique et dispo pour pas cher chez la plupart des revendeurs.

Il y a cependant une exception, et elle est de taille: ce sont les transfos d'impulsion. Certes, on sait en trouver, mais cela risque d'être beaucoup plus délicat que pour le reste.
Heureusement, il y a une alternative simple et couramment disponible, et le design des gate-drivers a été spécifiquement étudié pour la prendre en compte: le composant le plus apparenté est la CMC, self de mode commun.

Elle possède également deux enroulements fortement couplés, bobinés sur une ferrite à haute perméabilité et présentant une bonne rigidité diélectrique entre enroulements.

Ces composants s'utilisent à l'entrée de toutes les alimentations à découpage et de bon nombre des autres, et permettent d'atténuer les perturbations de mode commun.
Par rapport à un véritable transfo d'impulsions, il y a quand même quelques divergences: la principale étant que la ferrite est assez dissipative, pour amortir les résonances indésirables, mais ici c'est sans importance: on ne transporte que des mW, et si on en perd 10% en route, ce n'est pas un drame.
L'amortissement est d'ailleurs plutôt un avantage également.

• Ces selfs ont malgré tout une limitation: elles sont certes prévues pour fonctionner sous 250VAC, mais c'est une isolation "technique", fonctionnelle, et pas de sécurité.
  C'est un peu la même problématique que les condensateurs X et Y: les condensateurs X peuvent tenir du 250VAC en permanence, mais ne conviennent pas pour pour les applications où ils séparent le secteur des parties conductrices accessibles. Il faut pour cela des condensateurs Y, c'est un autre niveau d'exigence de sécurité.

Le résultat, c'est que si le variateur est construit avec des CMC, il devra rester isolé, et ne pourra pas par exemple avoir une masse commune avec un autre équipement.
Pour les tests, on pourra tolérer de relier ponctuellement la masse avec celle d'appareils de test, à condition de raccorder également la masse du montage à une bonne terre de protection: en cas d'incident (extrêmement improbable), on serait protégé.
Par contre, on ne peut pas laisser fonctionner une telle configuration de manière définitive, année après année, ces selfs ne sont en principe pas prévues pour ces applications.

Ci dessous, une illustration de la variété de formes que peuvent prendre ces composants: certains sont marqués, d'autres pas, ils sont parfois encapsulés, etc. En haut à droite, un "vrai" transfo d'impulsion, à haut isolement.

CMCs.jpg

Le courant est sans importance: même les plus petites, de ~200mA conviennent, et l'inductance peut être comprise entre 2.5mH et 50mH environ, ce n'est pas critique, et cela couvre la majorité.
Il faut également qu'elles tolèrent le nombre de volts*secondes de l'impulsion, mais avec les valeurs utilisées, cela devrait être le cas.
Un exemple convenant bien, parmi des milliers d'autres:
http://uk.farnell.com/schaffner/rn10...-3a/dp/1191459

Un gros plan des côtés pile et face de la carte de contrôle, montrant les isolations:

Face.jpg

Pile.jpg

En ce qui concerne les éléments de puissance, tout MOS ayant le pouvoir de coupure requis avec des marges suffisantes convient. Des IGBT seraient également utilisables, je n'en ai pas testés, mais pour de très grosses puissances, ce serait un choix logique, et les drivers sont compatibles.

A suivre

[Tropique]

Un petit interlude, pour casser un peu la monotonie et l'aridité de cette série de posts.

• Voici deux vidéos illustrant le fonctionnement et les performances que l'on peut attendre de ce variateur.

-Le moteur cible est emblématique: un moteur de machine à laver à deux vitesses, tout ce qu'il y a de classique.

Ces moteurs sont disponibles de manière pléthorique, pour à peine le prix de la ferraille dont ils sont constitués. Ils constituent un parfait exemple de la loi de la vexation universelle: leurs deux vitesses sont de 300t et 3000t environ, mais les bricoleurs qui voudraient les réutiliser ont typiquement besoin de la gamme entre 300 et 3000 tours, ces deux extrêmes étant pratiquement inutilisables.

On voit que la vitesse lente peut être portée à 800t, voire même plus si on le souhaitait, et que la vitesse rapide descend sans difficulté à moins de 300t, et qu'elle peut monter sans difficulté beaucoup plus haut que la vitesse d'origine: ici 8000t.

Nota: il peut sembler imprudent d'amener un moteur à plus du double de sa vitesse maximale, mais ici il s'agit d'un moteur asynchrone nu, dont la construction du rotor est très robuste: c'est pratiquement un monobloc d'acier et d'aluminium coulé, pouvant sans problème résister à des vitesses bien supérieures à 10000t/min. Il ne faut pas tenter ce genre d'expérience sur un moteur entraînant une charge, type pompe, ventilateur ou autre qui est beaucoup moins tolérant aux survitesses.

On constate que la vitesse est effectivement contrôlée, mais que ce n'est pas au détriment des performances: en fait le caractère du moteur change du tout au tout: lorsqu'on manipule le potentiomètre, on n'a pas du tout l'impression d'avoir devant soi un moteur à condensateur, poussif et pépère.
Pour un observateur non-averti, le comportement est plutôt comparable à celui d'un servo, ou d'un brushless: malgré les "raccourcis" employés pour le contrôle, une vraie variation de fréquence combinée à la synthèse de deux phases rigidement définies donne un coup de fouet aux performances.

A noter qu'ici, la partie puissance n'est même pas alimentée par un doubleur, juste un redresseur simple, donnant au maximum 110VAC en sortie.
Ce qui explique pourquoi j'ai précisé plus haut que l'option "haute tension" n'était probablement pas indispensable dans de nombreux cas.

Les plus attentifs auront constaté qu'il y a un élément en plus du variateur proprement dit: c'est une des options que j'ai déjà mentionnée et qui sera décrite en détails par la suite.

Voici un gros plan du set-up utilisé pour les démos:



Et voici les vidéos:





A suivre.....

[Tropique]

• Nous allons maintenant décrire cette option, qui remédie aux limitations de la "doctrine de base".

Certes, la variation virtuelle (ou implicite) de tension a des avantages, élégance du concept et simplicité, mais elle bute vite sur des obstacles si on veut l'exploiter un peu trop loin.
L'option V-correction permet de remédier en partie à ces inconvénients, mais au prix d'un sérieux déclassement aux basses vitesses. Si l'on veut pouvoir exploiter à fond et sans contraintes le plein domaine de vitesses, il va falloir autre chose.

Cet "autre chose" est la variation réelle, physique de la tension: avec la conduction répartie sur une grande partie du cycle, on gagne sur deux plans:

-Le couple va être mieux réparti, donc moins haché, moins impulsionnel
-Lors de l'alternance suivante, on bénéficiera pleinement des conditions initiales créées lors de la précédente, il ne sera donc plus nécéssaire d'ajouter une limitation de la conduction, et donc du courant moyen.

Le résultat de tout cela est un couple de meilleur qualité à basse vitesse, plus fort et plus lisse.

• Comment réaliser cette variation? Il ne faudrait pas que qu'un régulateur de tension "annexe" soit finalement plus complexe que le variateur qu'il doit servir.

Dans cette optique, c'est un simple variateur, non régulé, qui a été réalisé. C'est largement suffisant ici, et présente de nombreux avantages, liés notamment à l'absence de boucle de régulation: pas de problèmes de stabilité, et temps de réponse instantané.
Toujours dans cette optique, ce sera un régulateur à thyristor: à la fois simple, robuste et économique.

Le principe consiste à échantillonner le secteur redressé entre 90° et 180° au moyen d'un thyristor déclenché au bon moment, et stocker cette valeur dans le condensateur de filtrage. Pour 180°, la tension de sortie vaut 0 et pour 90° le maximum, soit un peu plus de 300V.

Voyons comment cela est réalisé en pratique:

Le circuit prend sa référence de temps de la tension redressée du transfo d'alim auxiliaire. Les arches de sinusoides sont mises à l'échelle par R5/R6 et exploitées directement pour la comparaison avec la tension de consigne.
Pourquoi cette manière de procéder?
Elle a deux avantages, outre sa simplicité: elle procure une compensation inhérente de la courbe de transfert arcsinusoidale de la fonction angle-> tension, et elle compense également les variations propres du secteur.
Au final, même si la tension de sortie n'est pas régulée, elle sera quand même stabilisée.

Ce variateur de tension est destiné à fonctionner en esclave de la tension de commande de 0-10V: une fraction de celle-ci est prélevée par Aj1, et ajoutée à un offset donné par Aj2. Celui ci est réglé pour que le moteur ne sature pas aux basses vitesses, tandis qu'Aj1 détermine le taux auquel la tension maximale est appliquée au moteur.

Le flanc descendant de la comparaison est différentié par C8 et génère une impulsion dans la LED de l'optocoupleur via Q2. De l'autre côté, l'opto déclenche le gate d'un thyristor au moyen d'une alim auxiliaire locale.

La tension de 10V créée localement est également envoyée au circuit principal pour son alimentation.
C'est simple, efficace et sans chichis, et cela suffit amplement pour l'application envisagée: cela fonctionne parfaitement, les vidéos de démo en témoignent.
On pourrait également employer le même circuit avec le doubleur de tension: il suffit de remplacer les deux diodes par des thyristors (bloquant 800V au moins), et ajouter un deuxième optocoupleur en série avec U3.

Pour éliminer la variation virtuelle de tension maintenant inutile, les résistances R5 et R6 des monostables sont portées à une grande valeur, par exemple 330K, pour éliminer leur effet sur l'essentiel de la plage de fonctionnement.

A suivre....

[Tropique]

• L'heure est venue d'examiner le revers de la médaille.

Ce variateur doit sa simplicité à certains "raccourcis" techniques, dont le plus évident est la génération de tensions non-sinusoïdales pour piloter le moteur.

Nous allons voir quels sont les inconvénients d'une telle attaque, mais au préalable je vais également parler plus généralement de l'interaction entre un moteur asynchrone, et tout variateur de fréquence, y compris les non-simplifiés.

Il faut être conscient que la rotation d'une machine asynchrone est un processus dynamique: des courants sont induits dans le rotor, persistent un certain temps, sont déphasés mécaniquement et réagissent avec une autre pôle pour générer le couple, et cela en permanence.
Les constantes de temps, le glissement, etc, sont le fruit de compromis entre rendement et facilité de démarrage entre autres, le tout étant optimisé pour la fréquence nominale de 50Hz.
Dès que l'on s'écarte de cette valeur, on va dégrader couple et rendement notamment. Il ne faut pas non plus dramatiser: si un moteur donné a un rendement de 85% dans ses conditions nominales, il ne va pas dégringoler à 42.5% à 25Hz. Disons que les pertes seront peut-être doublées (en schématisant beaucoup) à 25Hz, ce qui amènerait le rendement à 70%, ce qui est tout de même moins catastrophique.
Mais inévitablement, si l'on descend vraiment plus bas, à 5Hz par exemple, il y aura des dégradations substantielles de couple et de rendement.
Cela est vrai dans tous les cas, y compris avec une attaque idéalement sinusoïdale, et il ne faut donc pas attendre de miracles de ce côté.

Contrairement à un moteur synchrone, qui ne subit aucune dégradation de couple à basse vitesse, et peut même maintenir son couple avec le rotor à l'arrêt, un moteur asynchrone dans les mêmes conditions a un couple nul.

Ces points étant précisés, voyons quels sont les défauts spécifiques à ce variateur. Ils sont de deux ordres: l'augmentation des pertes fer et assimilées, et la génération de bruit/vibration/irrégularités de couple.

• Évacuons rapidement le premier point.

Certes, il y aura bien une augmentation des pertes, mais elle sera très marginale: les pertes fer ont leur origine dans deux mécanismes principaux, le balayage de l'induction de -B^ à +B^, et la dissipation en courants de Foucault de composantes HF.
Le balayage reste le même qu'en 50Hz, puisqu'il n'y a que deux excursions par cycle, exactement comme en sinusoïdal.
Les flancs "durs", non filtrés vont eux bien générer des pertes supplémentaires, mais au rythme de deux transitions par période, cela reste très faible.
A noter qu'un "vrai" VFD en PWM, génére sensiblement plus de pertes: d'une part il y a une petite oscillation de l'induction au rythme de la fréquence de découpe, et surtout il y a de nombreuses transitions supplémentaires, qui augmentent largement le contenu HF des formes d'onde synthétisées.
Sur ce plan, le variateur simplifié fait mieux qu'un variateur industriel, il n'y a donc pas lieu de s'alarmer.

• Le deuxième point est nettement plus problématique:

D'une part, les harmoniques vont faire vibrer diverses parties de la structure, et d'autre part le couple va être irrégulier: un moteur peut délivrer un couple parfaitement uniforme sous certaines conditions: les structures du rotor et du stator doivent être mécaniquement et magnétiquement idéales, et l'attaque doit être parfaitement sinusoidale.
Ici, clairement ce dernier point n'est pas respecté: pour simplifier, le moteur va avoir tendance à "tourner carré". Cet effet sera d'autant plus sensible que l'inertie des pièces en rotation est faible et que la vitesse est basse.
La conséquence de tout cela, c'est que le moteur ainsi contrôlé va être bruyant; c'est le cas avec tous les variateurs de fréquence, mais sur les modèles industriels, la source de bruit principale est la fréquence de PWM, en principe fixe. Donc, à moins d'un coup de malchance, on ne va pas exciter une résonance mécanique quelque part.
Ici par contre, ce sont les harmoniques qui génèrent le bruit, et elles varient donc avec la vitesse. Lors d'une rampe, il y a des moments où une harmonique coincide avec une résonance, et cela fait des bruits étranges, voire inquiétants: genre vaisseau spatial sur le point d'entrer en "warp drive". Surprenant, mais pas dangereux. Par contre, il y a des applications où ce sera tout à fait rédhibitoire: je pense à de la ventilation entre autres.

Les irrégularités de couple vont générer leur part de bruits également, via d'autres mécanismes, et pourront avoir des inconvénients avec certaines transmissions, qui risquent de se détériorer prématurément, usure d'engrenages, cisaillement de goupilles, fatigue de paliers, etc.

Ces inconvénients sont le prix à payer pour la simplification; souvent il sera possible de s'en accommoder, mais il vaut mieux en tenir compte dès le départ pour éviter les surprises désagréables....

A suivre....

[Tropique]

• Nous avons fait le tour du sujet, voici le reste.

Construction

Vu les tensions dangereuses qui se promènent dans la partie "puissance" du circuit, il est essentiel de prendre toutes les mesures indispensables afin d'éviter des contacts accidentels: boitier isolant, capots isolants sur les bornes ou barres à un potentiel dangereux, séparation suffisante entre BT et HT.

Si vous optez pour des CMC, cela s'applique à tout le circuit.

Prévoyez un boitier externe métallique relié à la terre.

N'omettez pas les résistances de décharge sur les gros électrolytiques; attendez toujours une minute après la coupure du courant avant d'intervenir sur le circuit.

Choisissez des MOS ayant des marges de tension et de courant confortable: cela évitera de faire du "rase-motte", et vous permettra d'employer des radiateurs plus petits: au total une opération blanche sur le plan économique, mais une meilleure fiabilité.

Les circuits de gate-drive doivent être au plus près (quelques cm) des MOS qu'ils controlent; si un signal doit être transporté depuis la carte "controle", ce doit être le primaire du transfo, avec une paire torsadée (et ne pas en abuser).

Le variateur doit être placé à proximité du moteur: les signaux des deux phases sont bruts, non filtrés, et vont rayonner des interférences. Ne surtout pas mettre de condensateurs de déparasitage en sortie, cela tuerait les MOS instantanément.
N'oubliez pas d'enlever le condensateur existant sur le moteur avant de brancher le variateur: il est parfois très bien caché!
A l'entrée secteur, un filtre supplémentaire classique peut être rajouté pour limiter l'injection de perturbations dans le réseau.

Tests, essais, mise au point

Ne jamais tout brancher d'un coup en "live" une fois que vous avez terminé la réalisation: testez d'abord la partie controle en n'alimentant que la basse tension.
Tout doit être correct jusqu'aux gates de chacun des MOS.

Ensuite, à la place de la HT connectez une alim de labo limitée à moins de ~1A, et commencez avec la tension à 0. Augmentez progressivement jusqu'à 30V en surveillant le courant consommé et en regardant une des sorties demi-pont à l'oscilloscope: le courant consommé doit être négligeable, et on doit observer un carré bizarroide.

Ensuite, faire la même manip avec un moteur connecté: à une certaine tension (dépendant du moteur), celui ci devrait commencer à tourner; la consommation ne devrait plus être nulle mais faible; rien doit chauffer de maniére anormale.

Lorsque tout est validé, les essais en vraie grandeur peuvent débuter. Déconnectez l'oscilloscope, et branchez un voltmètre sur le HT continu, et un ampèremetre (gamme 10A AC) dans le commun du moteur. Choisissez de préférence un moteur de petit gabarit pour commencer.
Connectez tout, controle et puissance, éventuellement via un transformateur 230-->110V sur la puissance pour commencer.
Vérifiez que tout se passe normalement, que vous lisez 300V DC sur le voltmètre et un courant modéré sur l'ampèremetre (dépend du moteur) que le contrôle de vitesse agit, et laissez tourner quelques minutes. Débrancher tout, attendez une minute et vérifiez que rien ne chauffe de manière anormale.

Vous pouvez ensuite tout mettre dans la configuration définitive, à pleine tension.

Laissez d'abord tourner quelques minutes à une vitesse moyenne, pour vérifier qu'il n'y a pas d'anomalie.
Ensuite, baissez progressivement la vitesse vers le minimum que vous souhaitez en surveillant le courant. S'il se produit une augmentation brutale sous une certaine valeur, il va falloir rectifier les compensations.

-Pour la version de base sans options, il va falloir réduire les résistances R5 et R6: essayer d'abord 56K, puis 47K, etc jusqu'au moment ou le moteur ne consomme plus de manière excessive au minimum souhaité. Toujours débrancher à chaque manip! Ne jamais rien faire en live.

-Pour la version V-corr, augmentez Aj2 jusqu'au moment où le courant est satisfaisant. Eventuellement reprendre (augmenter) les valeurs de R5 et R6 si après modif du réglage la puissance à vitesse élevée est tombée excessivement.
Refaire éventuellement deux ~ trois itérations, les réglages s'influencent mutuellement.

-Avec la version "variation de tension", débutez avec Aj 1 et 2 à mi-course. Aux basses vitesses, réglez Aj2 pour rectifier le courant. Ensuite, à une vitesse moyenne (entre maxi et mini) augmentez le plus possible Aj1. Revenir ensuite sur Aj2 et faire deux ~ trois itérations.

Lorsque vous estimez avoir terminé, laissez tourner le moteur plusieurs dizaines de minutes à des vitesses diverses, pour vérifier qu'il ne souffre pas de manière anormale.

N'utilisez la possibilité de survitesse que si vous êtes certain que l'application la tolère. D'une manière générale, ce ne sera pas le cas de pompes, ventilateurs, compresseurs ou autres prévus avec le moteur d'origine.
Par contre, il serait possible de remplacer un moteur à balais par un moteur asynchrone, en le faisant tourner à la même vitesse. Un moteur asynchrone nu tolère sans difficultés des vitesses élevées (attention aux paliers ou roulements cependant).


A suivre...

[Tropique]

• Modifications, améliorations, extensions et adaptations diverses

Nous avons eu, dans les posts précédents, le loisir d'examiner un "drive" de moteur complet ainsi que diverses variantes et options permettant de simplifier ou de sophistiquer certaines parties.
Dans tous les cas, c'est un "dumb drive" (= variateur "idiot"): ce qui est présenté est juste l'interface entre un potentiomètre (une tension 0-10V) et le moteur.
Dans beaucoup de cas, ce sera suffisant.

Par contre, certains souhaiteront intégrer ce variateur dans un ensemble plus complexe, où les ordres de pilotages viendront non plus d'une commande manuelle directe, mais d'un autre module par exemple.

D'autres sont peut-être mal à l'aise parce qu'aucun paramètre moteur n'est surveillé, etc.

Il est tout à fait possible d'étoffer le variateur de base de nombreuses manières. J'ai préféré laisser la fonction "variateur" nue, pour permettre à chacun de la compléter à sa manière et selon ses préférences: l'ajout d'une rampe par exemple, fonction commune sur ce genre de dispositif peut se faire avec quelques composants discrets ou un microcontroleur, solutions préférées des bidouilleurs, mais également se baser sur un API pour ceux qui préfèrent quelque chose de plus "structuré".

• Je vais donner quelques pistes, à l'intention de ceux qui veulent "customiser" leur variateur.

Monitoring des valeurs clé
Si l'on souhaite pouvoir diagnostiquer en permanence le fonctionnement du circuit, on peut installer des "sondes" diverses: mesure de la tension d'entrée avec diviseur, mesure des courants moteur, du courant d'entrée, voire même de chaque MOS individuellement au moyen de capteurs de courants genre LEM ou similaire. Les températures des radiateurs et du moteur peuvent aussi être collectées au moyen de sondes adéquatement placées.
Un contrôleur peut centraliser tout ça, allumer des LEDs de différentes couleur en fonction de la situation, voire même prendre des actions conséquentes, comme réduire la puissance ou couper l'alimentation. La seule limite dans ces domaines est l'imagination (et le portefeuille!).
Je n'ai pas estimé nécessaire d'inclure des contrôles, même très basiques, parce que ce drive tolère bien de fonctionner avec des glissements élevés sans sur-courant démesuré. Lorsque la vitesse approche du synchronisme, il y a une brève augmentation de courant, mais rien de problématique, et ni le moteur ni le variateur ne nécessitent de rampe de démarrage ou de contrôle de courant pour eux-mêmes (ce peut être différent pour l'application).

Interfaçage, fonctionnement en esclave
Pour contrôler le drive, la solution la plus bêtement évidente est de synthétiser la tension de commande au moyen de l'automate ou du micro, ou d'un circuit spécifique.
Il y a peut-être de meilleures solutions: souvent, l'info consigne sera sous une forme digitale, qu'il faudra convertir pour s'adapter à l'entrée.
Une solution plus directe est peut être de générer directement la fréquence (x4): on bypasse le VCO, et on entre directement dans le compteur (TP4Fo).

On peut même vouloir aller plus loin: gérer directement les ordres de conduction vers les MOS (sorties de U4).

C'est possible, mais là on franchit une "frontière", invisible mais néanmoins importante: tant qu'on pilote en tension ou en fréquence, rien ne sait aller de travers: les ordres physiques sont créés par la logique locale, avec une sécurité inhérente très élevée: même en cas de plantage intégral, le hardware empêche l'envoi d'ordres de conduction contradictoires, et cela couplé à la sécurité intrinsèque des gate-drivers donne un niveau de sécurité très élevé: il faudrait un défaut physique sur un composant pour causer un flash.
A partir du moment où un circuit externe gère également cet aspect, la sécurité disparait, ou plus exactement sa responsabilité est déférée au "super-controleur".
Il vaut donc mieux que celui-ci soit "à l'épreuve des balles", pour que même en cas de plantage gravissime, cela ne puisse avoir de répercussions néfastes: n'oublions pas qu'un ordre erroné unique de quelques microsecondes suffit à provoquer le feu d'artifice.
Pour choisir cette solution, il vaut donc mieux avoir des compétences suffisantes: il faut savoir gérer le temps réel, et pouvoir faire en sorte qu'aucune situation résultant d'un plantage ne puisse conduire à des états dangereux. C'est quelque chose de beaucoup plus délicat qu'il n'y parait.
Si l'on maitrise tous ces aspects, on peut même aller plus loin, et générer du PWM: les gate-drivers n'ont pas été conçus pour ça, mais ils peuvent en principe le gérer, cela permettrait d'obtenir une rotation plus lisse à bas régime.

Il est également possible "d'esclavager" ce circuit d'une autre manière: sa structure est quasiment celle d'une PLL, et il suffit d'un comparateur de phase à l'entrée, d'un capteur de vitesse sur le moteur et on a un système qui pourra fidèlement et précisément recopier une fréquence de consigne.

Isolations supplémentaires
Pour ceux qui ne trouvent pas de transfos de gate certifiés de sécurité, il y a une solution simple: il suffit de mettre le générateur de fréquence (d'origine ou custom) côté isolé, et de le coupler par un optocoupleur. C'est beaucoup plus simple que de transporter la commande 0-10V à travers une isolation, voir exemple:



Il va obligatoirement falloir un XOR pour remplacer celui qui était dans le 4046, on peut en profiter pour implémenter l'option REV/FWD, et le dernier opérateur sert à mettre en forme le signal optocouplé.
L'alimentation du contrôleur peut alors se faire par une simple alim capacitive délivrant quelques mA, tandis que la partie isolée est alimentée par un transfo.

Autres applications
Bien que ce drive ait été créé spécifiquement pour des moteurs asynchrones, il peut également piloter d'autres types de machines: des moteurs synchrones notamment. Les moteurs synchrones à hystérésis sont également fréquemment diphasés et seraient parfaitement utilisables, avec peut-être une rampe de démarrage pour leur permettre de s'accrocher plus facilement.
J'ai également fait le test sur des moteurs monophasés (à spire de Frager). Cela fonctionne, mais c'est loin d'être idéal, puisque la spire est optimisée pour le 50Hz.

A suivre....

[Tropique]

• Pour en terminer, il nous reste à traiter un point qui avait été évoqué, mais pas encore abordé: le cas des moteurs asymétriques.

Nombre de moteurs apparemment diphasés sont en fait essentiellement des moteurs monophasés, sur lesquels un enroulement auxiliaire permet le démarrage autonome.

Il existe deux variétés de ce type d'enroulement supplémentaire:

-Les temporaires, destinés à fonctionner uniquement pendant la phase de démarrage, et utilisés avec relais temporisé, relais en courant, interrupteur centrifuge ou dispositif similaire.
-Les permanents, qui restent connectés en marche normale.

Les premiers servent typiquement aux applications nécessitant un fort couple au démarrage, comme des compresseurs, les autres dans des applications type ventilateur ou autre, pour lesquels le couple est proportionnel à la vitesse.

Ce variateur n'est en principe compatible qu'avec le second type, bien qu'il y ait peut-être des "work-around" possibles pour le premier, j'en parlerai plus loin*.

Dans les moteurs à condensateur permanent, l'enroulement auxiliaire tolère souvent la pleine tension nominale du moteur, mais il est dimensionné pour prendre moins de puissance. On peut donc sans inconvénient l'alimenter de manière normale, sans correction.
D'autres ne tolèreront pas directement la tension d'alimentation sans être ballastés par le condensateur; dans ces cas là, on peut diminuer la tension moyenne vue par l'enroulement en réduisant le temps monostable correspondant: on peut par exemple passer la résistance de 68K à 33K pour la diviser par ~deux.
Même dans le cas des moteurs acceptant toute la tension, une réduction sur l'enroulement "faible" (celui qui a la plus forte résistance ohmique) est également possible: cela permettra une économie (marginale) d'énergie.

Notons que ces adaptations ne fonctionneront que si ce sont effectivement les monostables qui contrôlent la tension: dans le cas de l'option "variation physique de tension", ce n'est plus le cas et c'est donc inopérant. On pourrait envisager de faire un système hybride, combinant un peu des deux, mais là, il faudra expérimenter pour voir si c'est réellement possible.
Mettre deux variateurs de tension distincts serait la solution, mais elle est trop lourde pour être avantageuse pratiquement.

*En principe, ce variateur n'est pas compatible avec les moteurs utilisant un dispositif de démarrage, mais il y a peut-être une possibilité malgré tout. Attention, ce n'est qu'une possibilité théorique, qui pour l'instant n'a pas été testée en pratique.
La méthode la plus évidente est de continuer à employer le système de démarrage d'origine, klixon ou autre, avec le variateur en lieu et place du condensateur de démarrage. Cela devrait fonctionner, mais l'inconvénient le plus évident est qu'il faudra dimensionner la phase auxiliaire de manière à ce qu'elle encaisse le pic de démarrage, qui peut être sévère. C'est une solution très désavantageuse sur le plan économique.
Une autre possibilité, si le moteur ne sert plus dans sa fonction d'origine, est d'employer la phase auxiliaire comme enroulement permanent: on peut réduire fortement la tension qui lui est envoyée au moyen du monostable, ce qui autorisera le fonctionnement permanent, mais le couple au démarrage sera perdu.
Tout cela est à mettre au conditionnel, et des expérimentations pratiques (prudentes!) seraient indispensables pour le valider.


Voila, nous arrivons au terme de ce sujet.

• Le variateur décrit est minimaliste et n'est pas sans inconvénients, mais il permettra peut-être de valoriser des moteurs, attractifs par leur robustesse et leur prix, mais peu prisés à cause de la difficulté de les contrôler correctement.
  Ne vous y trompez pas: malgré sa simplicité, ce drive n'est pas un pis-aller de bas étage, et le caractère du moteur ainsi contrôlé change complètement: il gagne en réactivité, couple, souplesse et agilité et peut même prendre le rôle d'un moteur DC ou BLDC.
  Malgré la relative complexité du projet, son cout devrait rester très raisonnable, et sera dicté essentiellement par les éléments de puissance, eux-mêmes dépendant du calibre du moteur: le reste est de la "petite épicerie" électronique, courante et bon marché.

Place aux questions s'il y en a, bonne réalisation et prudence!!!

Fin ◆

[romulus123]

Bonsoir !

Super présentation Tropique !!

Un grand merci. (encore un future projet pour moi)

Est-ce qu'un tel variateur est disponible dans le commerce ? Je n'en ai jamais vu...

[Tropique]

Est-ce qu'un tel variateur est disponible dans le commerce ? Je n'en ai jamais vu...

Je n'ai jamais vu non plus de variateur spécifique pour moteur diphasé. Peut-être que certains variateurs classiques triphasés disposent maintenant de la possibilité de piloter des diphasés (ce n'est qu'une question de programmation du firmware), mais je n'en connais pas (ce qui ne constitue pas une référence parce qu'il y a longtemps que je ne m'intéresse plus au détail des gammes de chaque fabricant). Et les choses changent vite: il y a dix ans, ce n'était surement pas rentable de proposer un variateur de quelques centaines d'euros pour un misérable moteur de 150W coutant une dizaine d'euros, maintenant le prix du variateur se rapproche de celui du moteur et cela devient donc une possibilité réelle (que les Chinois ne vont probablement pas rater).

[polo974]

Bonsoir !

Super présentation Tropique !!

En effet...

Est-ce qu'un tel variateur est disponible dans le commerce ? Je n'en ai jamais vu...

Peut-être en pièce détachée pour les clim "inverter"...

[Tropique]

Je reviens sur le sujet, avant tout pour rectifier une erreur qui aurait pu s'avérer funeste, pour donner quelques détails et infos additionnels, et enfin pour proposer une variante supplémentaire.

L'erreur:
Dans le schéma, j'avais inversé les sorties des 540 et 541 sur les transfos d'impulsions. On a beau être attentif, il y a parfois des détails qui vous échappent...
Le schéma du premier post est maintenant rectifié.

• Une ou deux précisions, qui vont normalement sans dire, mais qu'il est peut-être préférable de dire explicitement.

-Les 74HC employés dans le circuit peuvent indifféremment être des HC ou des HCT, et peuvent même être mélangés, c'est sans importance. Des 74HC240 et 241 peuvent également être employés, le brochage change mais la fonction est identique.

-Pour les réglages, essentiellement à basse vitesse, il faut se baser sur le courant maximal du moteur (en tenant compte de son facteur de puissance); attention, cela ne veut pas dire qu'il faut conserver le courant nominal (rms) à basse vitesse: il est impératif d'appliquer un déclassement (derating).
Pourquoi? il serait tentant au contraire d'augmenter le courant à basse vitesse pour compenser la perte de couple.
Lorsque le moteur tourne plus lentement, il n'est plus ventilé normalement, et si les pertes Joule demeurent au même niveau, il va surchauffer.
Cela est valable même pour les moteurs n'ayant pas de ventilation explicite, et même ceux qui sont complètement fermés: la rotation rapide génère des turbulences qui homogénéisent la température et évite les points chauds.
De combien faut-il déclasser? Il n'y a pas de réponse unique, cela dépend de quantité de variables concernant le moteur, son environnement, son utilisation.
Le déclassement ne peut en aucun cas être inférieur à 10%, mais il devra parfois être beaucoup plus élevé. Pour déterminer la valeur optimale, le mieux est de procéder à des essais prudents.

-Ce variateur a été testé sur des moteurs divers, allant de quelques dizaines de watts à 600W. Il peut sans problème monter plus haut, à condition d'employer des MOS adaptés (toujours prévoir une marge plantureuse).

-Certains moteurs ont les 4 fils d'enroulement disponibles. Si on le souhaite, on peut exploiter cette liberté en adoptant une commande en H, qui permettra de doubler la tension disponible. Cela permettrait par exemple de travailler en survitesse sans perte de couple. Si on adopte le variateur de tension et la possibilité de monter à 100% de rapport cyclique, on pourrait monter à ~3x la vitesse nominale sans perte de couple (Πx pour être précis, mais avec les pertes, cela fait ~3).
Pratiquement, il faut ajouter des drivers et MOS commandés par les mêmes signaux logiques, mais avec les éléments haut et bas intervertis.

• Ces précisions étant apportées, voici une variante triphasée de ce drive.

La démarche peut sembler bizarre, mais je sais que le sujet va être mis sur la table un jour ou l'autre: ce variateur diphasé est "un mouton à cinq pattes", n'ayant pas d'équivalent industriel, et beaucoup de gens sont précisément attirés par ces moutons à cinq pattes.... juste pour leur en couper une et en faire des moutons ordinaires, avec l'impression de gagner un petit plus dans l'opération.
C'est dans la nature humaine, j'ai déjà eu des exemples: le projet d'alim de labo dans cette même section était destiné à sortir du sempiternel 0-30V xA, résultat 90% des réalisations l'ont été en .... 0 à 30V!!!
Je préfère donc prendre les devants...

Cette version est très similaire à celle d'origine: ce qui change principalement et (sans surprise) est le séquenceur et sa logique générant les instants de commutation des MOS.
C'est maintenant géré par un anneau de trois bascules, faisant partie d'un CD40175 (ou74(H)C(T)175, peu importe).
Toute la partie driver/puissance reste identique, et la logique partage avec sa soeur la caractéristique d'être intrinsèquement sûre: même en cas de plantage intégral, il est impossible d'envoyer des ordres contradictoires aux MOS.

• Il y a une différence appréciable cependant: la génération implicite de la troisième phase implique de maintenir des relations temporelles précises (et fixes) entre les signaux générés, ce qui exclut ipso-facto la variation implicite de tension avec des monostables.

Pour utiliser correctement cette variante, il faut donc impérativement l'associer au variateur physique de tension (sauf si on ne souhaite que de faibles ajustements de vitesse).
La gestion d'inversion de rotation est plus complexe, et necéssite de changer effectivement l'ordre de succession des phases, ce qui implique l'emploi d'un multiplexeur, et plus simplement de XOR.
L'option peut bien entendu être éliminée si elle n'est pas utile.

Attention à ceux qui réalisent cette version et substituent un opérateur pour un autre, etc. C'est bien entendu permis, mais à condition de respecter strictement la logique originelle. En diphasé, la plupart des inversions se soldent par une modification du sens de rotation, mais ici il y a 36 possibilités, et une seule qui génère un système triphasé cohérent, toutes les autres aboutissent à un déséquilibre sévère.
Soyez donc particulièrement attentifs.
Je précise que cette version n'a pas été testée (même pas en simulation); c'est juste une extrapolation, et il n'est pas impossible que j'aie commis une erreur, malgré tout le soin que j'ai apporté: errare humanum est...
Soyez prévenus!
Quoiqu'il en soit, j'assurerai le SAV pour cette version-ci également, et le fait que la partie driver/puissance, qui est de loin la plus critique, reste identique devrait rassurer les natures inquiètes...

Fin finale?

[bavaria59]

Salut,
je ne sais pas si je suis le seul, mais, là, j'ai pris un cours. Bravo pour ta réalisation et tes explications.
J'ose abuser: aurais-tu les typons de tes circuits pour la cas d'un monophasé?
Merci

[Antoane]

Bonjour et bienvenue !

Tropique n'a pas fait de typons (cf. les photos de ses prototypes post7).

Mais si tu en fais, il serait très aimable de les poster ici pour en faire profiter un prochain lecteur !

[ludocornut]

Bonjour,

Je me joint au autre forumeur et te félicite pour cette excellent article et la manière dont vous arriver à vulgariser les différentes technique évoqué.

Je suis à la recherche depuis plusieurs semaine d'un appareille de ce type, je viens de faire l’acquisition d'une mortaiseur à bédane (peut s'apparenter à une perceuse a colonne où le mandrin est directement sur l'arbre du moteur, pas de pignons, poulies, courroie, chaines ... rien).

Et bien entendu, pour optimiser les vitesse de coupe, je souhaiterais faire varier la vitesse du moteur.

Le moteur est en mono 230v, 1.1kw, dans la boite de raccordement, j'ai 2 fils qui envoient le 230v et 2 autres sur lesquels sont connecté un condensateur. Je pense être en présence d'un moteur diphasé.

1er question : existe t il une méthode fiable permettant de confirmer avec certitude le type de moteur ? (et bien sure, la plaque signalétique ne donne pas cette info).
2eme question : votre circuit supporterait-il un moteur de 1.1kw ? si oui, pourrait je vous solliciter afin de dimensionner convenablement l'étage de sortie ?
3eme question : avez vous modélisé le circuit dans un simulateur genre LTspice ? si oui, pouvez vous communiquer les fichiers ?

Merci d'avance

[ludocornut]

Bonjour,

Petit complément d'information :
- Je ne peux pas changer le moteur par un équivalent tri phasé puisque le système de fixation semble propriétaire. A la fois au niveaux de la bride, mais aussi au niveau de l'arbre.
- le moteur est bien un moteur monophasé : 4 Ohms au niveaux de l'enroulement principale et 10 Ohms pour le secondaire.

Cdt.

[Antoane]

Bonsoir,

Tropique a provisoirement quitté le forum, il ne répondra probablement pas.

Je ne suis pas nécessairement bien placé pour répondre à tes questions, mais je peux essayer pour les 2 dernières :

2. Je ne vois pas ce qui peut empêcher le circuit de fonctionner avec un moteur de 1,1kW. Seuls les MOSFET de découpage seraient à re-dimenssioner, en fonction de la tension et du courant de fonctionnement (prendre de la marge et prévoir les cas particuliers : démarrage, arbre bloqué...). Il doit y avoir une charge de gate maximale admissible limitant la puissance max transmissible (via la Qg des MOSFET de découpage). Comment la calculer/estimer... aucune idée. Le fait que Tropique n'en parle pas laisse penser que le problème ne doit pas vraiment se poser... Des mesures pourront confirmer.

3. Les schémas sont réalisés sous LTSpice. Tropique poste généralement ses fichier de simulation ; le fait qu'il ne l'ai pas fait et qu'il ai utilisé un symbole standard pour le 40175 laisse entendre qu'il n'ai pas simulé tout le montage...

[ludocornut]

Bonsoir,

Merci d'avoir pris un moment pour me répondre.
Pour le 1er point je pense avoir répondu tous seul dans mon 2eme post.
Par contre pour le 2eme ppint, bien que j'ai une partie de ma formation qui soit en électronique, a ce jour je suis incapable de déterminer la puissance des mosfet.
J'en profite donc pour fait appel a une bonne volonté pour m'aider dans cette tache.

Merci ....

[bas2laisne]

Bonsoir
Ayant un tour à métaux je désire construire ce drive pour le ralentir car je réalise des filetages, il faut approcher l'outil à petite vitesse mais pas de variateur installé, ce tour est une entrée de gamme. Le moteur est un 500w avec condo. Sur la description TROPIQUE envisage le reverse mais je ne vois pas a quel endroit cela ce situe. Quel qu'un a t' il réalisé ce montage? je suis fortement intéressé.
Merci pour la suite

[Tropique]

Sur la description TROPIQUE envisage le reverse mais je ne vois pas a quel endroit cela ce situe.

Il s'agit de l'entrée logique CW/CCW.

Pour l'instant, je suis en train de convertir ma perceuse sur colonne: j'en ai marre du dilemme <chipoter à la courroie >/< utiliser des vitesses inadaptées>

[bas2laisne]

Bonjour
C'est avec grand plaisir que la pêche à l'info est bonne, tout d'abord merci pour la reprise de contact je trouve que c' est un montage accessible car de la logique pure et dure pour l'instant j'ai commandé et reçu tout le matériel, et je commence par un montage d'essai. Après j'envisage de réaliser une implantation et typon pour CI car j'ai d'autres machine à équiper dont la perceuse à colonne tri qui traine dans la cour depuis des ans (bonne idée au passage)j'aime pas jeter!!!. Pour la reverse je pense qu'il faut ramener avec un inter la masse ou le plus sur cw/cww.Pour la variation je démarre simple avec un potentiomètre 10k sur le 10v.
Merci a + j'espère

[Tropique]

Après j'envisage de réaliser une implantation et typon pour CI car j'ai d'autres machine à équiper dont la perceuse à colonne tri qui traine dans la cour depuis des ans (bonne idée au passage)j'aime pas jeter!!!.

Petit avertissement tout de meme: je n'ai physiquement realisé que la version diphasée. La version tri utilise exactement les memes principes, il y a juste les sequences qui changent, elle doit donc pouvoir fonctionner aussi bien si elle est implémentée correctement, mais évidemment ce n'est qu'après le test de la réalité que l'on saura avec certitude si je n'ai pas fait d'erreur dans la transposition du schema...

J'ai été particulièrement attentif, vu que je savais que je ne ferais pas de prototype de contrôle, mais nul n'est à l'abri d'une erreur....

En tous cas, lors des essais, il est essential de ne pas brûler les étapes: d'abord tester la partie contrôle sans alimenter le côté puissance, verifier la forme des signaux, les séquences, etc, et ensuite alimenter le pont de sortie en basse tension, avec une alim de labo limitée en courant, à 60V DC par exemple.
Vérifier que le moteur tourne, que la conso est normale, etc
Ensuite, alimenter la puissance presque normalement, avec juste une lampe à incandescence en série dans le 230V avant de passer au test final

Pour la reverse je pense qu'il faut ramener avec un inter la masse ou le plus sur cw/cww

. Ou plus simplement, un interrupteur simple et une pull-up.

[bas2laisne]

Je suis bien d'accord sur les précautions à prendre avant toutes mises sous tension de la partie puissance. J'ai déja donné et vu ce que cela pouvais donner, j'ai travaillé a proximité et au contact de courant fort traction transports parisien souterrain et aérien. Je vais déja bien me familiarisé avec le montage et le tri sera pour un peu plus tard. Pour l'instant je suis sur la partie commande logique, il faut que je me remette sur tout ce qui est boucle de phase, monostable, bascule D etc, bonne révision cela commence à dater pour moi, je suis du siècle dernier. Bonne exercices. J'apprécie.
A+

[didoxcpls]

Bonjour,

Etudiant réalisant un projet d'étude concernant la réalisation d'une maquette hydrolienne, je souhaiterais varier mon débit de pompe via votre système tropivar.

Caractéristique de ma pompe : Tension :230V Puissance : 200W Débit nominal (50Hz) : 20 000l/h

L'idée est de faire varier ; de manière électrique; via un arduino avec une commande 0/5V la vitesse de rotation de la pompe en jouant sur son alimentation.

J'ai lu avec grand intérêt votre post sur votre système, néanmoins est-il possible d'avoir la liste des composants nécessaires ? De plus comment intégrer la commande de l'arduino (0/5V) à votre système ?

D'avance merci, pour votre aide, celle-ci est précieuse pour la réussite de ce projet.

Cordialement,

Didoxcpls.

[Antoane]

Bonjour didoxcpls et bienvenue sur Futura !

Quel type de pompe utilises-tu ? à moteur synchrone, asynchrone, triphasée, monophasée... ?

[didoxcpls]

Bonjour Antoane, merci !

C'est une pompe de marque Jebao , modèle CM-20000
Possédant les caractéristiques suivantes :
Moteur Asynchrone
Monophasé
Puissance 200W
Debit : 20 000 l/h

Je peux envoyer via mon Arduino une consigne en 0-5v.
Mon but final étant de faire varier mon débit entre 0 et 20 000 l/h via des tests lorsque ma commande 0-5V pilotera le drive et donc la variation de vitesse du moteur de la pompe.

J'aimerai bien commander et réaliser ce drive (Tropivar); mais je n'arrives pas à comprendre qu'elles sont les éléments que je dois acheter (composants) pour mener à bien ce projet.

Remarque: j'ai tenté un montage simpliste avec un TRIAC BTA16-600bw et optocoupleur MOC3023 avec commande 0-5V en essai sur une charge résistive (ampoule) ; c'était un échec la luminosité de l'ampoule ne varié pas. C'était un échec, donc je suppose que le système proposé via ce drive est beaucoup plus adapté à mon moteur.

Encore merci pour votre aide