- Cet article explique comment effectuer des mesures avec un oscilloscope exploitant une application logicielle dédiée à l’analyse des variateurs, des moteurs et des convertisseurs de puissance.
- Cette solution permet de réaliser des mesures électriques stables et précises sur les entrées, les bus CC et les sorties des variateurs à fréquence variable, ainsi que des mesures des paramètres mécaniques du moteur.
Auteur : Lee Morgan, directeur marketing technique chez Tektronix pour la région EMEA (Europe, Moyen Orient et Afrique).
Effectuer des mesures stables sur des signaux modulés en largeur d’impulsion mis en œuvre par les systèmes de commande moteurs constitue un véritable défi. Il est très difficile de déterminer manuellement quelle combinaison de filtres et de fonctions de déclenchement permet d’obtenir des formes d’onde stables. Ce qui est pourtant une condition indispensable à la cohérence des mesures.
Outre les mesures réalisées en sortie du variateur de vitesse, il est également important d’effectuer des mesures de paramètres permettant d’évaluer les performances des étages d’entrée du variateur, tels que les harmoniques, la puissance et le facteur de puissance. Il est possible d’exporter des données relatives aux formes d’onde dans un tableur ou tout autre logiciel pour en effectuer l’analyse. Mais ce processus est chronophage et réclame la réalisation de calculs spécifiques.
La réalisation de telles mesures nécessite de connecter le dispositif sous test à l’instrumentation avec les sondes appropriées. La mauvaise connexion des sondes au système d’entraînement moteur est un bien souvent source d’erreurs de mesure.
Il est également indispensable d’effectuer des mesures de paramètres mécaniques à l’aide de capteurs appropriés. Cependant, il peut être difficile, voire impossible, d’obtenir le résultat exprimé en unités de mesure de vitesse, d’accélération ou de couple sans recourir à un traitement et une mise à l’échelle spécifiques.
Dans ces conditions, on comprend pourquoi l’analyse détaillée du fonctionnement d’un système d’entraînement moteur à l’aide d’un oscilloscope réclame des réglages minutieux, la stabilité des formes d’onde mesurées et la mise en œuvre de robustes algorithmes de traitement des mesures.
Commande vectorielle ou à flux orienté
Les variateurs les plus évolués pour le pilotage des moteurs AC à induction et synchrones mettent en œuvre des techniques de commande vectorielle. S’ils procurent davantage de souplesse et d’efficacité que leurs homologues scalaires, ils sont cependant plus complexes.
Les variateurs vectoriels présentent des similitudes avec leurs homologues scalaires. Ils mettent notamment en œuvre un courant sinusoïdal pour entraîner le moteur. Cependant, les variateurs vectoriels se distinguent par leur souplesse de fonctionnement, leur plus grande accélération et leur capacité à mieux contrôler le couple. Ces systèmes, qui mettent souvent en œuvre une technique de commande vectorielle ou à flux orienté (FOC pour field-oriented control), sont nettement plus complexes que les entraînements scalaires.
Les vecteurs D et Q sont des vecteurs orthogonaux dont l’amplitude est liée au couple et au flux magnétique au sein du moteur.
Le système de commande moteur doit mesurer la position du rotor afin de synchroniser le système. Pour ce faire, on utilise souvent des capteurs à effet Hall ou des codeurs en quadrature. (Des systèmes sans capteurs peuvent également être utilisés. Le système de commande utilise alors la force contre-électromotrice du moteur pour déterminer la position du rotor). Le contrôleur exploite la transformation de Clarke et de Park pour calculer les amplitudes des vecteurs D et Q, puis utilise ces valeurs comme points de consigne pour la boucle de contrôle.
Sondes de connexion d’un variateur de fréquence à l’oscilloscope
Pour réaliser des mesures de puissance avec un oscilloscope sur les systèmes d’entraînement moteur à fréquence variable, il faut utiliser des sondes de tension et de courant appropriées. Voici les aspects à prendre en compte pour choisir les sondes de tension adaptées :
- Les niveaux de tensions mesurés sur des variateurs de vitesse sont relativement élevés. Par exemple, la tension du bus DC d’un système d’entraînement de moteur triphasé de 480 Vac est généralement d’environ 680 Vdc. Assurez-vous que la tension nominale supportée par la sonde ainsi que les accessoires de connexion sont compatibles avec ces valeurs.
- Les tensions de mode commun peuvent également être relativement élevées. Les mesures sont souvent « flottantes » par rapport à la terre. Les sondes référencées à la terre ne peuvent donc pas être utilisées. Il est important de s’assurer que les valeurs flottantes des signaux ne sont pas supérieures à la tension nominale de mode commun de la sonde.
- La fréquence des signaux d’intérêt est inférieure à 200 MHz. Les sondes présentant une telle largeur de bande conviennent donc pour les mesures les plus courantes.
- Les sondes doivent convenir à un large éventail d’applications de mesure.
Pour toutes ces raisons, les sondes différentielles haute tension sont celles qui conviennent le mieux aux mesures à réaliser sur les sous-systèmes de conversion de puissance, les entrées/sorties de variateurs et sur les systèmes de commande moteur.
Remarque : les sondes passives référencées à la terre ne doivent pas être utilisées pour mesurer les tensions entre phase et neutre. La borne neutre n’étant probablement pas au potentiel de terre, cela entraîne l’afflux de courants importants à travers la sonde et la terre de l’oscilloscope. Ce qui est dangereux. Cela peut provoquer un choc électrique ou endommager le dispositif sous test ou l’oscilloscope.
Configuration des sondes de l’oscilloscope
Avant d’effectuer des mesures de puissance, il convient de prendre quelques précautions. Les sondes de courant doivent être démagnétisées et le biais de toutes les sondes doit être corrigé afin d’obtenir des résultats précis.
Il est important de procéder à la démagnétisation des sondes de courant avant de réaliser des mesures afin d’éliminer du noyau magnétique de la sonde toute magnétisation résiduelle qui conduirait à des mesures incorrectes. La procédure consiste généralement à retirer tous les conducteurs de la mâchoire de la sonde de courant et à lancer la procédure en appuyant sur le bouton prévu à cet effet. Les sondes de courant de Tektronix, telles que celles de la série TCP0030A, vous invitent automatiquement à lancer la procédure de démagnétisation avant utilisation.
Il faut également procéder à la correction des divers retards de propagation entre deux voies de l’oscilloscope, y compris ceux induits par la sonde et son câblage. Ce processus est important car les déphasages entre signaux jouent un rôle critique pour de nombreuses mesures effectuées sur les systèmes d’entraînement à fréquence variable. La procédure classique consiste à délivrer aux entrées un signal synchronisé puis à ajuster les retards de chaque canal afin de les aligner dans le temps. Tektronix propose une solution dédiée aux mesures de puissance pour faciliter cette opération.
Lors de la connexion des sondes de courant, il est important de tenir compte de l’orientation de la flèche qui figure sur la sonde. Lorsque la sonde de courant est connectée du côté de la charge, la flèche doit pointer vers la charge. Si la sonde de courant est connectée sur le côté retour de la charge, la flèche doit être orientée dans la direction opposée à la charge.
Modes de câblage
Les variateurs de vitesse sont souvent des équipements triphasés. Cependant, certains variateurs utilisés par des systèmes d’entraînement utilisés dans les secteurs commerciaux, résidentiels ou automobiles peuvent être alimentés par un courant alternatif ou continu monophasé. En outre, les systèmes triphasés peuvent être câblés et branchés en étoile (ou wye) et en triangle. Le mode de câblage choisi détermine les calculs à effectuer pour réaliser l’analyse de la puissance. Il est donc important de comprendre et de sélectionner la configuration de câblage appropriée afin d’obtenir les résultats escomptés. Ces configurations s’appliquent à la fois aux entrées et aux sorties des systèmes de commande moteur.
Mesure sur des systèmes triphasés
Bien que deux wattmètres suffisent pour mesurer la puissance totale d’un système triphasé, l’utilisation de trois wattmètres présente néanmoins certains avantages. L’emploi de trois wattmètres nécessite l’utilisation de six voies de l’oscilloscope : 3 pour les mesures de tensions et 3 pour les mesures de courants (3V3I).
La configuration 3V3I permet de mesurer toutes les tensions entre la phase et le neutre ainsi que la puissance de chaque phase. Ce qu’il n’est pas possible de réaliser avec deux wattmètres.
Pour les mesures sur les systèmes triphasés effectuées en utilisant 3 canaux pour la mesure de tension et 3 canaux de courant courant (3V3I), le logiciel IMDA (Inverter Motor Drive Analysis) de Tektronix propose un paramétrage permettant la conversion des tensions entre lignes de phase (LL) en tensions entre ligne de phase et le neutre (LN). Bien que ce système ne dispose pas de neutre physique, il est possible de déterminer les tensions instantanées entre les lignes de phase et le neutre à partir des tensions instantanées entre lignes de phase.
Cette conversion LL-LN exprime toutes les tensions par rapport à une référence unique et corrige les relations de phase entre la tension et le courant pour chaque phase. Vous pouvez visualiser la correction de phase de la conversion LL-LN en notant les relations de phase sur le diagramme de phase en activant puis désactivant la fonction de conversion LL-LN. L’activation de la conversion LL-LN permet de calculer la puissance instantanée en multipliant les tensions phase-neutre et les courants de phase. Nous pouvons notamment déterminer la puissance totale réelle (ΣTrPwr) fournie à la charge.
Mesure de systèmes triphasés à 4 conducteurs en utilisant 3 canaux pour la mesure de tension et 3 canaux pour la mesure de courant (3V3I)
Trois canaux de mesure de tension et trois canaux de mesure de courant doivent être utilisés pour mesurer la puissance totale dans un système qui utilise un conducteur neutre entre la source et le variateur, ou entre le variateur et le moteur. Les tensions sont toutes mesurées par rapport au neutre. Les tensions de phase à phase peuvent être calculées avec précision par calculs vectoriels à partir des angles de phase et des amplitudes des tensions entre phase et neutre. La puissance totale est : ΣTrPwr = P1 + P2 + P3.
Il est fortement recommandé d’utiliser le logiciel intégré de l’oscilloscope qui comprend une fonction d’auto-ajustement triphasée qui configure automatiquement les tensions et les sources de courant en fonction du mode de câblage sélectionnée. Cette fonction optimise les paramètres verticaux, horizontaux, d’acquisition et de déclenchement de l’oscilloscope et peut être utilisée pour toutes les mesures de puissance active.
Cela simplifie grandement la configuration des mesures, en particulier pour les formes d’ondes modulées en largeur d’impusions (PWM) en sortie du système d’entraînement à fréquence variable. Ce qui permet d’effectuer des mesures plus rapidement et plus précisément.
