entraînements électriques à vitesse variable

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2004 - Université catholique de Louvain

Entraînements électriques à vitesse variableEntraînements électriques à vitesse variable

H. BUYSEH. BUYSE

ELEC 2753 Electrotechnique

2 2004 - Université catholique de Louvain

LES ENTRAÎNEMENTS A VITESSE VARIABLELES ENTRAÎNEMENTS A VITESSE VARIABLE

Augmentation du coût de l'énergie Ã recherche en vue d'améliorer les rendementsénergétiques des différents procédés industriels. Les entraînements de puissance peuventêtre améliorés par l'utilisation d'entraînements électriques à vitesse variable.

1. Activités où la vitesse variable est indispensable pour régler le système ou le processus(entraînements de laminoirs et leurs auxiliaires, d'extrudeuses, de mélangeurs, decentrifugeuses, de fours rotatifs, de machines-outils, traction et de propulsion électrique).la vitesse variable ne constitue pas une nouveauté et les solutions utilisées ont évolué avecle développement de la technologie.

2. Entraînements de turbomachines réceptrices (pompes, ventilateurs, soufflantes,compresseurs) qui requièrent un réglage du point de fonctionnement, afin d’adapter lamachine aux paramètres d'exploitation du processus.- Réglage traditionnel : vannage, persiennes, aubes directrices ajustables, palesd’incidence variable Ã pertes de charge supplémentaires Ã augmentation de la puissanceconsommée.- Vitesse variable : déplacement de la caractéristique de la turbomachine Ã point defonctionnement souhaité ( puissance consommée = puissance utile nécessaire).

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Quelques évolutions techniques

Les progrès des semiconducteurs de puissance (diodes, thyristors, transistors) permettent aujourd'hui de réaliser des convertisseurs de courant, de tension, de fréquence, dans une gamme de puissance allant de quelques centaines de watts à plusieurs dizaines de mégawatts.

Résultat de plusieurs développements techniques :- transistors de puissance (transistors à jonction et à effet de champ, Insulated Gate BipolarTransistors: IGBT) pour les applications de faible et moyenne puissance;

- convertisseurs de très grandes puissances (à thyristors ou thyristors blocables) alimentésdirectement par le réseau moyenne tension;

- convertisseurs opérant à des fréquences très supérieures à 50 Hz permettant d'alimenter desmoteurs à grande vitesse pour attaque directe de machines rapides (compresseurs, pompes,centrifugeuses, meules, etc...);

- le développement de techniques numériques et des microprocesseurs permet des progrès dansla commande des convertisseurs et la régulation des systèmes d'entraînement. Ces dispositifsassurent en outre des fonctions des communication avec l'utilisateur.


Caractéristiques de l ’entraînementCaractéristiques de l ’entraînement

L’importance des économies réalisables par l'utilisation des entraînements à vitesse variabledépend de plusieurs facteurs - le temps de fonctionnement de l'installation

- le temps d'utilisation à charge partielle- les caractéristiques de la charge entraînée- le rendement des divers appareils- le coût de l'énergie électrique.

La caractéristique couple/vitesse de la charge entraînée joue un rôle essentiel.On distinguera les charges caractérisées par un couple :

- proportionnel au carré de la vitesse ( G = kN2, P = kN3),comme les turbopompes et les ventilateurs.- proportionnel à la vitesse (G = k’N , P = k’N2),comme les presses, les calandres (frottement visqueux).- constant (G = k" , P = k"N ), comme les pompes volumétriques, les laminoirs, les engins de levage.- inversement proportionnel à la vitesse (donc un fonctionnement à puissanceconstante), comme les bobineuses.

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Choix d ’un système d ’entraînementChoix d ’un système d ’entraînement

Le choix d'un système d'entraînement À caractéristiques et conditions d'emploi.- Puissance maximale, vitesse maximale, plage de réglage de la vitesse, caractéristique du couple résistant /vitesse, performances dynamiques, synchronisation avec d ’autres machines.- Conditions d ’environnement, possibilités d'entretien.- Conditions provenant du réseau d'alimentation.- Masse, encombrement.- Coût d'investissement et d'exploitation.

Le moteur à courant continu, adapté à la vitesse variable = solution traditionnelle.Collecteur inadapté en raison de l'environnement ou des conditions d'exploitation.Collecteur Ã limites de vitesse et de puissance.Ã développement d'entraînements à vitesse variable avec machines sans collecteur.


Classification des entraînements électriqueClassification des entraînements électrique

1. Tout système d'entraînement à vitesse variable comprend un convertisseurélectromécanique qui est le moteur électrique , il peut être une machine à collecteur (1),une machine à bagues (2) ou une machine sans collecteur ni bagues (3).

2. L'énergie primaire peut provenir d’une source de tension continue (1), êtredirectement prélevée au réseau industriel (2) ou à des sources possédant descaractéristiques particulières (par exemple : alternateur moyenne fréquence).

3. Le moteur est alimenté sous une forme appropriée par un convertisseur électriquefournissant des tensions, des courants ou des fréquences variables; ce convertisseur peutcomporter plusieurs éléments en cascade. Seuls les convertisseurs électroniques depuissance ont été pris en considération.

Une filière peut être caractérisée par la nature du moteur électrique (indice 1) , par lanature ou l’origine du courant primaire d’alimentation (indice 2) et par le principe defonctionnement du convertisseur statique (indice 3)

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1.1.1. Moteur à courant continu, source à1.1.1. Moteur à courant continu, source àcourant continu, hacheur unidirectionnelcourant continu, hacheur unidirectionnel

Moteur à excitation indépendante Moteur série


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1.1.1. Performances des entraînements à1.1.1. Performances des entraînements àmoteur à courant continu alimenté moteur à courant continu alimenté ppar hacheurar hacheur

Applicationsen tractionélectrique

Courant

Tension

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1.1.2. Moteur à courant continu, source à1.1.2. Moteur à courant continu, source àcourant continu, hacheur bidirectionnelcourant continu, hacheur bidirectionnel

Hacheur bidirectionnel en courant

Hacheur bidirectionnel en courant et en tension


1.2.1. Moteur à courant continu, source à1.2.1. Moteur à courant continu, source àcourant alternatif, redresseur semi-commandécourant alternatif, redresseur semi-commandé

Pont semi-commandé triphasé Pont semi-commandé monophasé

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1.2.1. Moteur à courant continu, source à1.2.1. Moteur à courant continu, source àcourant alternatif, redresseur commandécourant alternatif, redresseur commandé

Redresseur en pont commandé Montage tête-bêche de deuxredresseurs en pont commandés

Réversibilité en tension Réversibilité en tension et en courant


Limites de Limites de pperformances des moteurs àerformances des moteurs àcourant continucourant continu

Puissance

Vitesse

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Performances des moteurs à courant continuPerformances des moteurs à courant continualimentés alimentés ppar redresseurar redresseur

Courant

Tension


2.1.1. Machine s2.1.1. Machine syynchrone auto-nchrone auto-ppilotéeilotée

Schéma

Performances

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1

2.2.1. Machine s2.2.1. Machine syynchrone alimentée parnchrone alimentée parccyycloconvertisseurcloconvertisseur


2.2.2. Cascade 2.2.2. Cascade hyposhyposyynchronenchrone

Schéma

Performances

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2.2.3. Machine as2.2.3. Machine asyynchrone doublementnchrone doublementalimentéealimentée


3.1.1. Moteur asynchrone à ca3.1.1. Moteur asynchrone à cagge alimentée alimentéppar onduleur de tensionar onduleur de tension

Onduleur pleine onde - source continue variable

Onduleur à Modulation de Largeur d ’Impulsions - source continue fixe

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3.1.2. Moteur asynchrone à ca3.1.2. Moteur asynchrone à cagge alimentée alimentéppar onduleur de courantar onduleur de courant


Performances des moteursPerformances des moteursasasyynchrones à canchrones à caggee

Puissance

Vitesse

Courant

Tension

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3.1.3. Moteur s3.1.3. Moteur syynchrone auto-nchrone auto-ppilotéilotésans balaissans balais

SchémaPerformances


3.2.1. Moteur as3.2.1. Moteur asyynchrone alimenté parnchrone alimenté parggradateurradateur

Schéma Caractéristiques couple:vitesse

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3.2.2. Moteur cascade doublement alimenté3.2.2. Moteur cascade doublement alimenté


3.2.3. Moteur as3.2.3. Moteur asyynchrone alimenté parnchrone alimenté parccyycloconvertisseurcloconvertisseur

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3.2.4. Moteur s3.2.4. Moteur syynchrone sans balais alimenténchrone sans balais alimentépar par ccyyclocovertisseurclocovertisseur1


Variantes d ’entraînement d ’une Variantes d ’entraînement d ’une ppomomppee

Pompe entraînée à vitesse constante+ vanne de réglage

Pompe entraînée à vitesse variable

entraînements électriques à vitesse variable

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