Les variateurs de vitesse : cours de Bac pro MELEC

Dans le chapitre précédent, tu as étudié les moteurs et leurs démarrages : un moteur branché sur le réseau tourne à une vitesse imposée par sa construction et par la charge. Or de nombreuses machines n'ont pas besoin de tourner toujours à la même allure. Un convoyeur doit parfois ralentir pour ne pas casser les objets qu'il transporte, une pompe n'a pas à débiter le même volume à toute heure, un ventilateur peut tourner doucement quand la demande est faible.

Le variateur de vitesse répond à ce besoin. Dans ce cours, tu vas voir ce qu'il est, de quoi il se compose, quelles fonctions il remplit à la mise en route, comment il corrige la vitesse quand celle-ci s'écarte de ce qu'on veut, et en quoi un variateur mécanique diffère d'un variateur électronique. Le référentiel du Bac pro MELEC range d'ailleurs les variateurs parmi les équipements dont il faut expliquer le principe, la mise en œuvre et l'impact sur l'installation ¹.

Le variateur ne fait donc pas tourner le moteur lui-même : il se place entre le réseau et le moteur, et fabrique à sa sortie une alimentation « sur mesure ». Quand tu règles la consigne de vitesse, c'est cette alimentation qui change, et le moteur suit.

Selon la description classique, l'ensemble se compose de trois éléments : un moteur électrique, un contrôleur et une interface utilisateur. Cet ensemble fait partie d'un système d'entraînement ⁵. Le contrôleur est le cerveau : il calcule ce qu'il faut envoyer au moteur. L'interface est ce qui te permet de dialoguer avec lui : régler une valeur, lancer, arrêter, lire un état.

Avant l'électronique, on disposait de trois grandes solutions pour lancer un moteur et en piloter l'allure : le démarreur à rhéostat, le variateur mécanique et le groupe tournant Ward Leonard ⁵. Chacune avait ses limites : pièces qui s'usent, rendement médiocre, encombrement.

Puis l'électronique de puissance a progressé, et tout a changé. Dans l'industrie, les variateurs électroniques ont gagné la partie : ils coûtent peu, tombent rarement en panne et ne demandent pas d'entretien ⁵. Depuis quarante ans environ, ces avancées ont aussi réduit leur prix et leur encombrement. Elles concernent les composants de puissance à semi-conducteurs, les techniques de contrôle-commande et les logiciels qui pilotent l'appareil ⁵.

Retiens l'ordre d'arrivée : le premier variateur électronique visait le moteur à courant continu. Les convertisseurs de fréquence, fiables et économiques, destinés aux moteurs alternatifs, sont venus ensuite ⁵.

Une rampe linéaire fait augmenter la vitesse de façon régulière : si tu doubles le temps écoulé, tu doubles la vitesse atteinte. Avec une rampe linéaire qui mène de 0 à une vitesse finale $N_f$ en une durée $T$, la vitesse à l'instant $t$ vaut :

$N(t) = N_f \cdot \frac{t}{T}$

La rampe en S adoucit le début et la fin de la montée : le démarrage est plus progressif, l'arrivée à la vitesse finale aussi. On la choisit quand la charge mécanique est fortement inertielle, ou pour des dispositifs qui manipulent des liquides ou des objets fragiles ⁵.

Au démarrage, le variateur remplit une seconde mission : empêcher les fortes pointes de courant. Il commence par envoyer au moteur une tension et une fréquence basses, qu'il fait ensuite monter peu à peu ⁵. Avec cette méthode, à bas régime, le moteur peut en général fournir 150 % de son couple nominal, tandis que le courant pris au réseau par le variateur reste autour de 50 % du courant nominal ⁵. Attention : c'est le courant absorbé côté réseau qui reste faible, car la puissance demandée à basse vitesse est petite. Le courant dans le moteur, lui, augmente avec le couple et dépasse alors sa valeur nominale.

Un variateur simple impose une alimentation correspondant à la consigne, sans vérifier la vitesse réellement obtenue. Or une charge qui augmente peut ralentir le moteur. Pour garder la vitesse voulue malgré les perturbations, on ferme la boucle.

Le capteur peut être une génératrice tachymétrique, un générateur d'impulsions électriques ou un capteur opto-électronique ⁵. Le principe de fonctionnement tient en une phrase : si un écart apparaît parce que la vitesse réelle a varié, le variateur agit pour ramener la vitesse à la valeur de consigne ⁵.

Le mot « variateur » désigne aussi un objet purement mécanique. Tu le croises sur les scooters, ce qui explique que le langage courant appelle « variateur » ce type de transmission.

L'intérêt est d'adapter en continu la vitesse de rotation de l'arbre de sortie, sans palier. Le moteur peut ainsi rester à son régime de fonctionnement optimal, choisi pour limiter la consommation ou pour maximiser la puissance et le couple disponibles. Les variations de vitesse sont aussi plus douces, puisqu'on évite les changements de régime d'une boîte à rapports fixes ⁶.

Dans le modèle à courroie, on trouve une courroie (métallique ou synthétique) et deux poulies dont les gorges ont un écartement variable. Selon l'écartement des parois, la courroie s'enfonce plus ou moins vers le centre, ce qui modifie le rapport de démultiplication ⁶. On rencontre ce montage sur de nombreux engins : cyclomoteurs, scooters, voiturettes, motoneiges, quads ⁶.

Pour un système poulie-courroie classique, le rapport de transmission est fixé par les diamètres des poulies motrice et réceptrice ⁶. Dans ce cours, on le note :

$R = d_{réc} / d_{mot}$

et on admet, pour les calculs, que la vitesse de l'arbre mené vaut la vitesse de l'arbre moteur divisée par $R$. Un variateur mécanique à poulies extensibles change les diamètres utiles en marche, donc fait varier $R$ sans palier.

Les deux appareils portent le même nom mais n'agissent pas au même endroit de la chaîne. Le variateur électronique agit en amont du moteur, sur l'alimentation. Le variateur mécanique agit en aval, entre le moteur et la charge, sur la transmission.

En tant que futur électricien, tu dois savoir pourquoi un variateur est installé et ce qu'il impose. Voici une démarche de raisonnement, construite à partir de ce que tu viens d'apprendre.