15/10/2008 UED ID22, 2008-2009 Transmission de Puissance Transmission d’énergie électrique TD n°2 et 3 E. Semail, X. Kestelyn Suivi de profil vitesse et récupération d’énergie Introduction Nous nous intéressons dans ce TD à une famille de procédés pour laquelle les exigences sont différentes de la famille « pompage » (TDn°1). On ne se contente plus de vouloir travailler à différentes vitesses. On veut à présent suivre un profil de vitesse. Un asservissement de vitesse sera alors nécessaire d’autant plus que les couples de charge varient. Par ailleurs, dans la mesure où ces systèmes démarrent et s’arrêtent souvent, il existe actuellement (études européenne et américaine de 2003, 2005) de fortes potentialités pour récupérer de l’énergie lors du freinage. Cette famille comporte entre autres, des ascenseurs, des machines outils, des centrifugeuses, des véhicules électriques. Figure 1 : extrait de extrait de VSDs-SAVE-Study-Final-Report.pdf Support d’étude : ascenseur Evolution des ascenseurs ces trente dernières années Au début des années 80, la plupart des ascenseurs utilisaient une machine à courant continu pour leur motorisation. Afin de pouvoir l'alimenter avec des tensions élevées et de forts courants un groupe « Ward-Leonard » était utilisé1. 1 à savoir une machine asynchrone connectée au réseau alternatif entrainant une génératrice à courant continu qui produisait alors une tension continue réglable alimentant un moteur à courant continu Ces ensembles de machines avaient pour but d'adapter l’énergie électrique : ce sont des convertisseurs "électriques" tournants. Lorsqu'ils ont été remplacés pars des montages d'électronique de puissance, ces derniers ont été alors appelés convertisseurs statiques... et ils ont, depuis, conservés cette appellation. 1 15/10/2008 Avec les progrès de l'Electronique de puissance, les convertisseurs statiques AC - DC à thyristors (voir cours 1ere année) ont remplacé avantageusement les encombrants groupes Ward-Leonard. Les progrès croissants de l'Electronique de Puissance et de l'Informatique Industrielle, ont ensuite permis d'utiliser des machines asynchrones. En effet, celles-ci ont l'avantage indéniable de ne pas posséder de collecteur mécanique (balais) ce qui évite les problèmes de maintenance des machines à courant continu. Un redresseur à diode permettait d'obtenir une tension continue pour alimenter un onduleur triphasé directement connecté à la machine. Les variateurs électroniques utilisés étaient basés sur des lois statiques de type V/f (celle utilisée dans cette manipulation) dont les performances dynamiques sont limitées. Depuis le début des années 90, de plus en plus d'ascenseurs utilisent des variateurs électroniques avec des lois de commande dynamiques tel le contrôle vectoriel. Ces lois de commande permettent en effet de mieux gérer les régimes transitoires et de réduire de ce fait la consommation. Suite aux problèmes de pollution harmonique et aux normes croissantes, le redresseur à diode initial devrait de plus en plus être remplacé par un redresseur commandé à IGBT, moins polluant mais aussi réversible. Cette dernière propriété permet de surcroît de limiter la consommation électrique en renvoyant une partie de l'énergie électrique récupérée lors de la descente d'une cabine (mode frein). D'autres nouveaux systèmes utilisent des moteurs plats afin de réduire l'encombrement de la machine. Des machines synchrones à aimants permanents sont utilisées dans ce cadre. Le gain obtenu (pour un nombre réduit d'étage, c'est à dire une puissance nécessaire pas trop élevée) permet de supprimer la salle de machine au-dessus de la cage d'ascenseur : le moteur s'insère alors dans cette cage, entre la cabine et le contrepoids le plus souvent. Figure 3: moteur plat à flux axial Figure 4: coupe du moteur a> stator b>aimant permanent c>culasse ferromagnétique rotorique d>arbre Figure 2: ascenseur sans la salle des machines (KONE elevator) 2 15/10/2008 On considérera le système simple de la Figure 5 pour l’étude. sens positif pour le couple et la vitesse de rotation On négligera dans tout le problème la masse des cables + Masse maximale de la charge utile: mu=630 kg Poulie/moteur D Masse de la cabine: mv=90 kg Masse du contrepoids: mc=400 kg Cabine Diamètre de la poulie: D =25 cm Accélération de la pesanteur g=10 m/s2 Charge utile Moment d'inertie de la 2 poulie: J p=3,5 kg m Contrepoids Figure 5 A>Suivi de profil Un profil typique pour le passage d’un palier à un autre est donné en Figure 6. Il comporte différentes phases qui doivent pouvoir être ajustées sur mesure pour le confort et la sécurité des passagers. On prendra dans la suite un profil simplifié Figure 6. vitesse de la cabine en m/s 1,2 0,9 0,6 0,3 Temps en seconde 0 0 2 phase 1 4 5 6 7 phase 2 8 9 10 11 phase 3 12 13 14 phase 4 15 16 Figure 6 : à gauche exemple de profil de vitesse réel, à droite celui adopté 1>En considérant une masse utile mu de 630 kg, en déduire le profil de force requis par la charge en phase de montée. 2> En supposant un entraînement direct, quelle serait la vitesse maximale de rotation du moteur Ωmax ainsi que le couple maximum requis Tmax et la puissance maximale Pmax ? Quel est le taux et la durée de la surcharge du moteur par rapport au régime permanent? La valeur maximale de l’accélération est liée à des considérations de confort des passagers. Que vaut la surcharge si on réduit à 0,5s la phase 1. 3 15/10/2008 3>Un moteur asynchrone développant le couple désiré à la vitesse de régime permanent n’appartient pas aux gammes standard. Afin de pouvoir utiliser un moteur 230/400V de vitesse de synchronisme 1500 tr/mn on utilise un transmetteur mécanique de rendement 85% et de rapport de réduction 12,5. Parmi les différentes options proposées par le constructeur Schneider Electric (voir annexe), quel est le variateur qui convient dans les 2 cas correspondant à 2 s et 0,5 s d’accélération? 4>Ce moteur est alimenté par un onduleur de tension commandé en Modulation de Largeur d’Impulsions dont la commande permet de maintenir constant le rapport entre valeur efficace de la tension simple Vs et la fréquence d’alimentation fs : Vs/fs=K. Pour étudier son alimentation on considère un modèle monophasé (de régime permanent) donné en Figure 7. « Stator » lS RS is « Rotor » RS : Résistance statorique lS l2 : Inductance de fuites statoriques Lm : Inductance magnétisante R2 g M vs i2 l2 : Inductance de fuites rotoriques ramenée R2 : Résistance rotorique ramenée g : Glissement Figure 7 : schéma monophasé équivalent de la machine asynchrone Rs=0.41 Ω ; ls=2.8mH ; M=69.3mH ; l2=4.5 mH ; R2=0.23Ω; p=2; P=5,5 kW ; Vs : tension simple On rappelle2 : • l’expression du couple : T= 2 Tms avec ω r ω ms + ω ms ω r Tms = 1,5 p φ s2 l ⎞ ⎛ l 2 (1 + ⎛ l ⎞ )⎜⎜1 + s ⎟⎟ M⎠ ⎜ 1+ s ⎟l 2 ⎝ ⎟ ⎜ ls ⎝ 2 ; ω ms = R2 1 l 2 (1 + ⎛ llss ⎞ ) et ωr=ωs-pΩ, la ⎜⎜ 1+ M ⎟⎟ l 2 ⎝ ⎠ M⎠ pulsation des grandeurs rotoriques ; ω ms = 33rd / s ; Tms=187 Nm Vs • ωs = jφ s + Rs I s ωs Tem Vs/fs = cte ⇒ Tmax = cte avec φ s = l s I s + M I m pour l’expression du flux statorique. Que pouvez-vous dire, pour l’expression du couple, de l’intérêt de maintenir Vs/fs constant tant que φs >> Rs I s ? Interprétez la jω s Figure 8. Vitesse 30% 60% 75% Ωc Figure 8 5> En considérant une pulsation statorique ωs de 28rd/s, une résistance statorique de 0.41 Ω et une valeur efficace du courant de ligne de 13 A, pouvons nous considérer dans notre cas que l’on vérifie l’inégalité ? On obtient en tenant compte de la résistance statorique et de l’inductance de fuite statorique les courbes de la Figure 9. Ce type de contrôle3 du variateur peut il suffire ? 2 3 voir cours 1ere année c’est un contrôle dit scalaire car il s’appuie seulement sur une expression de la valeur efficace du flux. Figure 9 4 15/10/2008 5> Il existe des variateurs à contrôle scalaire du flux pour lesquels on réalise une compensation des chutes de tension « statorique ». Quelle grandeur faut-il mesurer pour les réaliser ? 6>Outre la possibilité d’imposer un couple statique à basses vitesses, le variateur doit être également capable d’imposer le couple avec la dynamique requise. Avez-vous des éléments relatifs à cet aspect dans la documentation de l’annexe ? 7> Analyser le document figure 10 Figure 10 B> Récupération d’énergie Pour un ascenseur, il y a à chaque utilisation une phase où l’on doit freiner (Figure 11) avec donc récupération possible d’énergie (cinétique ou potentielle). Figure 11: extrait de VSDs-SAVE-Study-Final-Report.pdf 5 15/10/2008 1>On suppose mu= 630 kg et on considère une descente de la cabine (phase 2 : 10s). En considérant le profil en vitesse (Figure 6) donner le couple mécanique total Cm(t) et la puissance mécanique Pm(t) en fonction du temps. 2>On considère un variateur à contrôle vectoriel dont la structure de puissance est donnée Figure 12 Figure 12 : variateur indirect « classique » Cette structure peut-elle renvoyer de l’énergie électrique sur le réseau (« line ») ? Pourquoi ? Lors du freinage la machine asynchrone renvoie de l’énergie vers l’onduleur, que dire sur le déphasage entre tension et courant (en supposant un freinage suffisamment lent pour utiliser un modèle de régime permanent) ? Quel est l’élément qui permet de dissiper cette énergie ? 3> En supposant un rendement énergétique unitaire pour tous les éléments et une durée de la phase 2 de 10s, donner la « chaleur » qu’il faudra évacuer. 4> En Figure 13, on donne une structure réversible. Le variateur qui remplace le pont de diodes est à présent commandé en Modulation de Largeur d’Impulsion. Entourer les cellules de commutation pour les deux convertisseurs et donner les appellations selon le sens du flux d’énergie. Figure 13 : structure de variateur indirect réversible 5> Indiquer sur la figure 14 le point de fonctionnement lorsque la machine asynchrone fonctionne en génératrice asynchrone. C Frein à courant de Foucault (courant continu au stator) Cmax N Ωs g =1 g=0 g>1 Ω<0 zone de fonctionnement en frein (contre-courant) 1>g>0 0<Ω<Ωs zone de fonctionnement en moteur Figure 14 6 0>g Ωs<Ω zone de fonctionnement en générateur (frein hypersynchrone) 15/10/2008 Annexe : extrait de documentation Schneider Electric 7 15/10/2008 8 15/10/2008 Figure 15 : extrait de VSDs-SAVE-Study-Final-Report.pdf Figure 16 : comparatif des différentes technologies d’ascenseurs ; technologie hydraulique, technologie asynchrone avec réducteur ; technologie synchrone à aimants (ecodisc :à flux axial)sans réducteur ; Publicité comparative à droite pour machine synchrone 9 15/10/2008 10