Rapport de Stage
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Ecole Nationale Supérieure d’Electricité et de Mécanique Rapport de Stage -OCP JORF LASFAR- Sujet de Stage : Moto-Ventilateur 103AC56 Réalisé par : Houssam SALAHEDDINE Encadrant industriel : M.Salah Eddine CHEKROUN Direction d’accueil : Direction Maroc-Phosphore Jorf Lasfar Service : IDI/MA/ME Période de stage : du 12/07/2012 au 31/08/2012 0 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Avant d’entamer au vif de notre rapport, nous adressons d’abord notre sincères remerciements à : Mon encadrant Mr Salah Eddine CHEKROUN et à Mr FARHANI Mustapha pour l’encadrement de ce projet, leurs conseils, les corrections apportées et sa grande disponibilité.et leur accueil chaleureux, et pour l’aide qu’ils m’ont apportée tout au long de ce travail. Avec un grand respect, j’adresse mes sincères remerciements aux agents des services électrique, mécanique, et aussi aux agents responsables de la salle de contrôle pour l’aide qu’ils m’ont apportée Nous tenons également à remercier aussi la direction de l’ENSEM et nos professeurs pour l’excellente formation qu’elle nous donne ainsi que pour les moyens techniques qu’elle met à notre disposition. Nous tenons à remercier également tous personnes qui ont contribué à l’accomplissement de ce modeste travail. 1 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Sommaire : Partie 1 : présentation générale du groupe OCP……………………….……………….… 4 L’historique de développement du groupe OCP……………………….……………5 La dynamique de partenariat………………………………………….……………..6 Les différentes étapes de production de l’acide phosphorique……………………....9 unité de broyage……………………………………………………………………..9 Unité attaque filtration …………………………………………………………….10 Section d’attaque…………………………………………………………………..11 Unité concentration………………………………………………………………..13 Présentation de sujet……………………………………………………………….15 PARTIE 2 : Introduction aux systèmes de ventilation…………………………………..17 Introduction………………………………………………………………………..18 Les ventilateurs…………………………………………………………………….19 Le choix d’un ventilateur………………………………………………………….20 Caractéristiques du système de ventilation………………………………………..20 Le bruit…………………………………………………………………………….20 La vitesse de rotation……………………………………………………………...21 La température…………………………………………………………………….21 Courbes de performance du ventilateur…………………………………………....21 Contrôle des ventilateurs…………………………………………….……………..22 outlet dampers……………………………………………………………………...23 Le contrôle des Aubes d'entrée…………………………………………………….23 Etranglement mécanique…………………………………………………………...24 Ventilateur à pas variable…………………………………………………………..24 Variateur de vitesse………………………………………………………………..25 Parie 3 :Démarrage des moteurs électriques…………………………………………….26 Introduction……………………………………………………….………………27 Démarreur progressif………………………………………………………………28 Réalisation du démarrage progressif………………………………………………28 Diminution du couple moteur……………………………………………………...29 Influence de la tension moteur……………………………………………………..29 Types de démarrage ……………………………………………………………….30 Démarrage sur rampe de tension…………………………………………………30 Démarrage sur limite de courant…………………………………………………31 Types de démarreurs progressifs…………………………………………………32 Démarreur progressif commandé par alternance complète sur une phase………....32 Démarreur progressif commandé par demi-alternance sur trois phases………….33 Démarreur progressif commandé par alternance complète sur trois phases……..34 Charge thermique lors du démarrage…………………………………………….35 Avantages du démarreur progressif……………………………………………...36 Avantages pour le client………………………………………………………….36 Démarrage des ventilateurs……………………………………………………….37 Partie 4 : Etude des variateurs de vitesse…………………………………………………38 Introduction au problématique……………………………………………...........39 Technologie………………………………………………………………………40 Rappel sur les moteurs asynchrones………………………………………..........40 Variateur de vitesse ……………………………………………..……………….43 Redresseur…………………………………………………………………..........44 2 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Onduleur……………………………………………………………………..45 Circuit de commande………………………………………………………...47 Association d’un variateur de vitesse et d’un moteur………………………..48 Problème des harmoniques…………………………………………………..50 Exemple des harmoniques générées par un variateur de vitesse……………..52 Facteurs de décision et mise en œuvre……………………………………….53 Inconvénients des variateurs de vitesse par variation de fréquence………….56 Précautions et protections…………………………………………………….56 Conclusion : Comparaison des procédés de demarrage………………………………..59 Partie 5 : Etude technique-économique…………………………………………61 Conclusion générale………………………………………………………………………65 ANNEXE………………………………………………………………………………….66 Bibliographie ……………………………………………………………………………..67 3 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 4 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 L’historique de développement du groupe OCP : L’évolution du groupe OCP pendant les 92 années passées depuis sa création est réalisée selon les étapes suivantes : 1920 : Création du groupe OCP. 1921 : Extraction du phosphate à Boujniba dans la zone de Khouribga le 1er mars et l’exportation du phosphate le 23 Juillet de la même année. 1930 : Ouverture du centre de Youssoufia. 1931 : L’extraction du phosphate en souterrain à Youssoufia. 1936 : Premier train de phosphate de Youssoufia vers le port de Safi. 1954 : Démarrage des premières installations de séchage à Youssoufia. 1955 : Création de l’Ecole de maîtrise de Boujniba. 1958 : Création d’un centre de formation professionnelle à Khouribga. 1959: Création de la Société marocaine d'Etudes Spécialisées et Industrielles. 1960 : Développement de la mécanisation du souterrain à Youssoufia. 1961 : Mise en service de la première laverie à Khouribga. 1965 : Démarrage de la société Maroc Chimie à Safi, pour la fabrication des dérivés phosphatés (Acide phosphorique et Engrais). 1974 : Création de l’Institut de Promotion Socio-Educative en Août. 1981 : Démarrage de Maroc Phosphore II. 1986 : Démarrage du Site de Jorf Lasfar avec Maroc Phosphore III-IV. 1988 : Chargement du premier navire de DAP de Jorf Lasfar en Janvier. 1997 : Partenariats industriels avec Grande Paroisse. 1998 : Usine EMAPHOS pour l’acide purifié. 5 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 1999 : Usine IMACID pour l’acide phosphorique. 2000 : Démarrage de l’unité de flottation de phosphate à Khouribga. 2002 : Prise de participation, dans le cadre d’une joint-venture Groupe OCP Groupe BIRLA, dans la Société PPL (Inde). La dynamique de partenariat : Dans le cadre de sa stratégie de développement à l’international, le groupe OCP a noué des partenariats durables avec ses clients, cette coopération touche aussi bien les accords de livraison à moyen et long terme que la construction des unités de production. Dans cette optique, des unités basées au Maroc et à l’étranger sont en exploitation en jointventure avec des partenaires. D’autre axe de collaboration sont actuellement à l’étude ou en cour de réalisation, notamment avec l’Iran, le Pakistan et le Brésil. PRAYON (50% OCP, 50%SRWI-BELGIQUE) : La société PRAYON qui dispose de 2 sites de production en Belgique (ENGIS ET PUURS).les activités de PRAYON couvrent notamment la fabrication et la vente d’engrais, d’acide phosphorique et autres produits chimiques, de pigment minéraux, ainsi que la mise au point et la vente des produits techniques (acide phosphorique, fluor, uranium, …). EMAPHOS(EURO-MAROC PHOSPHORE :1/3 OCP,1/3 PRAYON,1/3 CFB) : Ce projet a été mené en collaboration avec des partenaires belges (PRAYON) et allemands (CHEMISCHE FABRIK BUDENHEIM).Il a débouché sur la mise en service, en1998 à JORF LASFAR, d’un complexe moderne capable de produire 120.000 tonnes P2O5d’acide phosphorique purifié par an, cet acide à haute valeur ajoutée est utilisé tel quel ou via des sels dérives dans l’industrie alimentaire :limonades , levures , fromages ,conservation des viandes et poissons traitement de l’eau potable… Il est également utilisé dans d’autres industries : détergents, alimentation animal, engrais traitement des métaux, textiles, ciments… IMACID (1/3 OCP, 1/3 CHAMBAL FERTILISER-INDE, 1/3 TATA CHEMICALS LTD-INDE) : Pour diversifier ses alliances stratégiques et sécuriser une partie de ses exportations, le Groupe OCP s’est rapproche de la société indienne CHAMBAL appartenant au groupe privé BIRLA. En 1999, ce partenariat a permis le démarrage, au sein du complexe industriel de JORF LASFAR, D’IMACID, une usine d’acide phosphorique dont la capacité de production annuelle a été portée à 370.000 tonnes P2O5. Un tel volume nécessite 1,2 million de tonnes de phosphate de Khouribga et 330.000 tonnes de soufre. En Mars 2005, un troisième actionnaire fut introduit dans le capital D’IMACID, TATA CHEMICALS LTD, filiale du Groupe Indien Tata. La totalité de la production D’IMACID en acide phosphorique est dédiée à ces deux actionnaires indiens. ZUARI MAROC PHOSPHATE (50% OCP,50% CHAMBAL FERTILISER-INDE) :Fruit d’un partenariat entre le Groupe OCP et CHAMBAL FERTILISER LTD(GROUPE INDIEN BIRLA), cette 6 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 société d’investissement détient 74% du capital social de la société PARADEEP PHOSPHATE LTD (PPL).Les 26% restants sont détenus par l’Etat indien . L’unité est spécialisée dans la fabrication d’engrais phosphates avec une capacité de1 million de tonnes par an. Pakistan Maroc Phosphore S.A. (50% OCP ,25% FFBL, 12,5% FAUJI POUNDATION, 12,5% FFCL) : Capital social : 800 millions de dirhams Démarrage : 2006 Capacité de production : 375.000 tonnes d’acide phosphorique Présentation de Jorf Lasfer Situé sur le littoral atlantique, à 20 km au sud-ouest d’El Jadida, le complexe industriel de JORF LASFAR a démarré sa production en 1986. Cette nouvelle unité a permis au Groupe OCP de doubler sa capacité de valorisation des phosphates. Le site a été choisi pour ses multiples avantages : proximité des zones minières, existence d’un port profond, disponibilité de grandes réserves d’eau et présence des terrains pour les extensions futures. Cet ensemble, qui s’étend sur 1700 hectares, permet de produire chaque année 2 millions de tonnes de P2O5 sous forme d’acide phosphorique, nécessitant la transformation de 7,7 millions de tonnes de phosphate extraits des gisements de Khouribga, 2 millions de tonnes de soufre et 0,5 million de tonnes d’ammoniac. Les besoins en énergie du complexe sont satisfaits par une centrale de 111 MW utilisant la chaleur de récupération. Une partie de la production est transformée localement en engrais DAP (1), MAP (2), éventuellement NPK (3) et TSP (4), ainsi qu’en acide phosphorique purifié. L’autre partie est exportée sous forme d’acide phosphorique marchand via les installations portuaires locales. Le complexe de JORF LASFAR compte trois entités, dont l’unité Maroc Phosphore III-IV créée en 1986. Avec la construction de l’usine EMAPHOS en 1997, en partenariat avec PRAYON (Belgique) et CFB (Allemagne), le Groupe OCP a inauguré une nouvelle ère dans la diversification de ses produits finis par la production d’un acide à haute valeur ajoutée : l’acide phosphorique purifié. Deux ans plus tard, la mise en service D’IMACID, en partenariat avec le Groupe indien BIRLA, lui a permis d’accroître sa capacité de production d’acide phosphorique de 25% sur le site de JORF LASFAR. 7 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 8 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Les différentes étapes de production de l’acide phosphorique : unité de broyage : Figure : Schéma de processus de broyage But : Le broyage est une opération de fragmentation du phosphate brute dans le but de réduire la granulométrie du phosphate < 400 μm pour augmenter la surface d’attaque du minerai par l’acide sulfurique pour atteindre un bon rendement d’attaque chimique. Description du procédé de broyage : Le broyage a pour but d’augmenter la surface d’attaque des phosphates. En effet la réaction chimique est d’autant plus facile que la surface solide offerte aux réactifs est plus grande. L’opération consiste à un broyage des phosphates en utilisant un broyeur à boulets jusqu'à une granulométrie bien déterminée. Les fines formées sont aspirées vers un filtre à manche, où une grande quantité de ces fines est arrêtée, alors qu’une fraction est évacuée à l’atmosphère via des cheminées. 9 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Processus de broyage : On distingue deux systèmes de broyage : Le broyage en circuit continue ouvert (Revamping) ; dans ce type de broyage, le produit passe une seule fois dans le broyeur, ce qui exige une quantité excessive d’énergie (le phosphate brut subit un criblage, le passant est livré vers la cuve d’attaque, le refus est envoyé au broyage pour être acheminé directement vers la section d’attaque, cadence 140 150 t/h). Le broyage en circuit continue fermé (Rhône-Poulenc) ; c’est le système de broyage avec séparation, le produit surdimensionné est retourné pour être broyé à nouveau (le phosphate brut subit un criblage, le passant est livré vers la cuve d’attaque, le refus est envoyé au broyage pour être acheminé ensuite vers les quatre cribles), ce procédé a une cadence de 90 t/h. Unité attaque filtration : Figure : Schéma de processus But : Cette unité a pour rôle la production d’acide phosphorique à 29% en P2O5. Deux procédés sont utilisés : Rhône-Poulenc, Revamping. Ces procédés sont divisés en deux étapes, la première consiste à l’attaque du phosphate par l’acide sulfurique. La deuxième à la filtration solide-liquide (Gypse-Acide Phosphorique). Les trois unités Rhône-Poulenc ont une capacité unitaire de 500 t P2O5/J et les cinq unités 10 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Revamping ont chacune une capacité de 700 t P2O5/J. Chaque unité comprend deux sections principales : Section d’attaque du phosphate par l’acide sulfurique ; Section de filtration solide-liquide (Gypse-Acide Phosphorique). Section d’attaque : Procédé Jorf (Revamping) : Le nouveau procédé de production de l’acide phosphorique mis au point est fondé sur l’augmentation de la capacité nominal de production d’acide 29% de 500 à 700 t P2O5 /j/ligne, soit une augmentation de capacité de 40% grâce aux améliorations au niveau du broyage et de la section d’attaque. Elle est constituée d’une cuve agitée où s’effectue l’attaque des phosphates broyés par l’acide sulfurique à 98.5% en présence d’acide phosphorique recyclé. La cuve d’attaque est équipée d’un agitateur central qui assure l’homogénéisation, quatre (4) disperseurs d’acide sulfurique, six (6) agitateurs refroidisseurs de la bouillie et dix (10) carneaux d’aération. Le refroidissement s’effectue par balayage d’air qui évacue les effluents gazeux de la cuve vers le venturi et la tour de lavage, avant d’être évacué par la cheminée, pour subir un lavage par l’eau brute. L’eau récupérée est utilisée pour le lavage dans toiles des filtres. Une cuve de passage destinée à l’augmentation du temps de séjour de la réaction. Un digesteur son rôle est d’augmenter la capacité de production ainsi que le temps de séjour de la réaction. Flash Cooler : Alimenté en acide sulfurique à 98.5% et en acide phosphorique recyclé (moyen) à 18% en P2O5 ainsi que la bouillie d’un débit d’environ 1600 m3/h ; son rôle est d’augmenter la capacité de refroidissement par le sous vide. Par un trop plein, le flash cooler déborde dans un digesteur équipé d’un agitateur, les gaz sont acheminés vers un dévisiculeur où se produit une séparation gaz / liquide. Le liquide est recyclé vers le digesteur puis, envoyé vers la cuve d’attaque par une gouttière de débordement. Les gaz séparés sont lavés par l’eau de mer puis évacués vers l’égout, par contre les gaz récupérés au niveau du digesteur et de la bouillie contenue dans la cuve d’attaque sont lavés par l’eau brute et subissent le même cheminement pour le procédé Rhône poulenc. La cuve d’attaque déborde par une gouttière vers la cuve de passage puis envoyé vers le filtre UCEGO par la pompe à bouillie P01. 11 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 L’attaque de phosphate par l’acide sulfurique est une réaction exothermique, un refroidissement s’impose pour éviter toute semi hydrate au delà de 80°C. Procédé Rhône Poulenc : Le phosphate broyé transporté par un Redler, l’acide sulfurique et l’acide phosphorique recyclé, sont introduits dans la cuve d’attaque. Cette dernière est munie d’un agitateur central hélice, et 10 agitateurs périphériques qui assurent le refroidissement de la cuve d’attaque, en projetant la bouillie à la surface, puis balayée par un courant introduit par 10 canots. Les gaz chauds est aspirés par un ventilateur au niveau de la cuve d’attaque subissent un lavage dans le venturi et une tour par l’eau propre. L’eau de procédé (l’eau de lavage) est utilisée pour alimenter le circuit d’eau pour le lavage du filtre à l’unité filtration, il est réchauffé par une vapeur base pression, afin de compenser les pertes de chaleur en production son utilisation principale est le lavage des filtres pendant les arrêts des lignes. Les principales réactions d’attaque: Section de filtration : Définition et but : La filtration est une opération de séparation entre deux phases liquide et solide qui permet d’éliminer le solide contenu dans la bouillie grâce à un filtre UCEGO soumis à vide. Le but de cette filtration sous vide est de récupéré l’acide phosphorique 29% en le séparant du gypse, l’acide phosphorique 29% est acheminé vers l’unité 13 de stockage d’acide 29% et le gypse est évacué vers la mer. 12 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Unité concentration : 13 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Définition : La concentration c’est l’augmentation de la teneur en acide 29% à 54% et aussi, c’est une opération de principe suivant : l’acide fort passe d’un bouilleur où il est évaporé, cette vapeur est aspiré vers le circuit à vapeur. Description de procédé : L’unité 04 est divisé en 4 lignes identique, chaque ligne est composé deux échelons. L’acide venant de l’unité 13J est versé dans un bac (bouilleur) D01, puis par l’intermédiaire d’une pompe P01 l’acide sera envoyé vers l’échangeur E01 en traversant un filtre S01, qui a pour but d’éliminer les particules solides qui provoque l’endommagement du circuit de l’échangeur. L’acide arrive dans l’échangeur, circule dans des conduites qui seront en contact avec une vapeur de haute température venant du transformateur de vapeur 20J. L’échauffement des conduites entraîne l’évaporation de l’eau conduit dans l’acide, donc l’acide récupéré dans le brouilleur sera de concentration 54% qui va être envoyé vers l’unité 14J par une pompe P02. La vapeur mélangée avec le gaz va traverser un bac appelé (grand laveur) E02 puis vers petits laveurs équipés des « éjecteurs » pour qu’il soit lavé par R04 pour qu’il soit envoyé par une pompe P03 vers l’unité 03J afin d’être utilisé pour l’évacuation du gypse vers la mer. Ainsi l’eau récupérée de l’échangeur va traverser un condensateur R07, puis il sera envoyé vers le transformateur de vapeur par une pompe P05. Travaux effectués : Durant la période de stage on a eu l’occasion de participer aux plusieurs travaux effectués par l’équipe de l’atelier de maintenance électrique, et qui nous ont aidé a approfondie beaucoup de connaissance dans le domaine de la technique, et qui ont participé par leur savoir dans la réalisation de ce travail. 14 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 15 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Sujet de stage Moto-Ventilateur 103AC56 Actuellement le démarrage du moto-ventilateur de dégazage du gaz de la cheminée de l’unité phosphorique se fait à l’aide d’un démarreur électronique. Faire une étude théorique sur les variateurs de fréquence et les démarreurs de grande puissance pour les applications ventilateur de tirage Etudier la possibilité de démarrer le moteur-ventilateur par un variateur de fréquence Faire une étude technico-économique des deux solutions de démarrage 16 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 17 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Introduction : Les ventilateurs sont largement utilisés dans les applications industrielles et commerciales. Les ventilateurs sont essentiels pour l'appui au processus et la santé humaine, Dans le secteur manufacturier, les fans utilisent environ 78,7 milliards de kilowatts-heures d'énergie chaque année. Cette consommation représente 15 pour cent de l'électricité utilisé par les moteurs. De même, dans le secteur commercial, l'électricité nécessaire pour faire fonctionner les moteurs des ventilateurs compose une grande partie des coûts de l'énergie pour la climatisation des locaux. Les performances peuvent varier de «l'air libre» à plusieurs kilos par centimètre carré de jauge (psig :pounds per square inch gage), avec circulation d'air de quelques pieds cubes par minute (cfm : cubic feet per minute) à plus de 1 million cfm, Des pressions supérieures à 15 psig exigent généralement des compresseurs d'air.. Dans le secteur manufacturier, la fiabilité du ventilateur est essentielle à l'exploitation des installations, Par exemple, où les fans servent les applications de manutention, une petite panne de ventilateur crée immédiatement un arrêt de processus. Dans les applications de ventilation industrielle, une panne de ventilateur se forcent souvent un processus d'être arrêté (même si il ya souvent assez de temps pour mener le processus à un arrêt ordonnée). Même dans les applications de chauffage et de refroidissement, le fonctionnement du ventilateur est essentiel de maintenir un environnement de travail productif. Une panne de ventilateur conduit à des conditions dans lesquelles la productivité des travailleurs diminue la qualité du produit. Cela est particulièrement vrai pour certaines applications de production dans lesquels la propreté de l'air est essentielle pour réduire les défauts de fabrication (par exemple, le moulage par injection plastique et la fabrication de composants électroniques). Dans chaque cas, le fonctionnement du ventilateur a un impact significatif sur la production. L'importance de la fiabilité du ventilateur provoque souvent les concepteurs de systèmes de ventilation pour concevoir des ventilateurs conservateurs. Préoccupé d’être responsable de sous-performants des systèmes, les concepteurs ont tendance à compenser les incertitudes dans le processus de conception en ajoutant la capacité aux ventilateurs. Malheureusement, le surdimensionnement des systèmes de ventilation crée des problèmes qui peuvent augmenter les coûts de fonctionnement du système tout en diminuant la fiabilité du ventilateur Les fans qui seraient trop grands pour leurs besoins de services ne fonctionnent pas à leurs meilleurs points d'efficacité. Dans les cas graves, ces ventilateurs peuvent fonctionner dans 18 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 un environnement instable, les ventilateurs surdimensionnés génèrent un excès de débit d’énergie, ainsi qu’un bruit pour des grands débit d’air. Par conséquent, les ventilateurs surdimensionnés, non seulement coûtent plus chers à acheter et à utiliser mais ils créent évitables problèmes de performance du système. L'utilisation d'une «Approche systémique» dans le processus de sélection du ventilateur aidera à obtenir un ventilateur plus silencieux, plus efficace et un système plus fiable. Les ventilateurs : Il existe deux principaux types de ventilateurs :centrifuges et axiaux : Ces types sont caractérisés par la voie de l'écoulement d'air à travers le ventilateur. Les ventilateurs centrifuges utilisent une roue en rotation pour augmenter la vitesse du courant d'air. Comme l'air se déplace à partir du moyeu de la roue à l'extrémité des pales, il gagne de l'énergie cinétique. Cette énergie cinétique est ensuite converti en une augmentation de la pression statique de l'air. Les ventilateurs centrifuges sont capables de générer des pressions relativement élevées. Ils sont fréquemment utilisés dans les "sales" flux d'air (humidité élevée et la teneur en particules), dans les applications de manutention des matériaux et des systèmes à des températures élevées. Ventilateurs axiaux, comme leur nom l'indiquent, déplacent un flux d'air le long de l'axe du ventilateur. L'air est mis sous pression par la portance aérodynamique produite par les pales du ventilateur, un peu comme une hélice et d'une aile d'avion. Même si elles peuvent parfois être utilisés de façon interchangeable avec les ventilateurs centrifuges, les ventilateurs axiaux sont couramment utilisés dans "l'air pur," basse pression, et les applications à volume élevé. Les ventilateurs axiaux ont moins de masse en rotation et sont plus compacts que les ventilateurs centrifuges de capacité comparable. De plus, les ventilateurs axiaux ont tendance à avoir des vitesses de rotation plus élevées et sont un peu plus bruyants que les ventilateurs en ligne centrifuges de la même capacité, mais ce bruit tend à être dominé par les hautes fréquences, qui ont tendance à être plus faciles à atténuer. 19 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Le choix d’un ventilateur : Sélection du ventilateur est un processus complexe qui commence par une connaissance de base des exigences du système d'exploitation et des conditions telles que les débits d'air, les températures, les pressions, les flux d'air, les propriétés et la configuration du système.La variabilité de ces facteurs et d'autres facteurs, tels que le coût, l'efficacité, la durée de fonctionnement, l'entretien, la vitesse, le type de matériau, les contraintes d'espace, dispositifs d'entraînement, la température et gamme de conditions de fonctionnement, compliquent la sélection du ventilateur. Cependant, la connaissance des facteurs importants dans le processus de sélection du ventilateur peut être utile aux fins de la réduction de la consommation d'énergie au cours des rénovations ou des extensions système. Souvent, un type de ventilateur est choisie pour des raisons non techniques, comme le prix, la livraison, la disponibilité... Si les niveaux de bruit, les coûts énergétiques, les besoins d'entretien, la fiabilité du système, ou le rendement du ventilateur sont pires que prévu, alors la question de savoir si le type de ventilateur appropriée a été sélectionnée initialement devrait être réexaminée. Les ventilateurs sont habituellement choisis dans une gamme de modèles et de tailles, plutôt que conçus spécifiquement pour une application particulière.La sélection du ventilateur est basée sur le calcul du débit d'air et de pression d'un système, puis de trouver un ventilateur répond à ces exigences(matériau et conception). Malheureusement, il ya un niveau élevé d'incertitude sur le système de circulation d'air associé à la prédiction et exigences de pression. Cette incertitude, combinée avec des effets 'encrassement et de la capacité prévue expansion, encourage la tendance à surdimensionnée la taille spécifiée d'un assemblage ventilateur / moteur. Les concepteurs ont tendance à se protéger contre être responsable de la performance du système inadéquat par "sur spécification." Cependant, un Assemblage ventilateur/ moteur surdimensionné crée un ensemble différent de problèmes de fonctionnement, y compris le fonctionnement inefficace du ventilateur, le bruit d'air en excès, son manque de fiabilité, et la vibration du système tuyau /conduit. Caractéristiques du système de ventilation : Le bruit : Dans les applications industrielles de ventilation, le bruit peut être une préoccupation importante. Les niveaux acoustiques élevés Peut être la cause de la fatigue des travailleurs. Le bruit généré par un ventilateur dépend du type de ventilateur, le débit d'air et la pression. Le fonctionnement inefficace du ventilateur est souvent indiquée par un haut niveau de bruit 20 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 La vitesse de rotation : La vitesse de rotation du ventilateur est généralement mesurée en tours par minute (rpm : revolutions per minute). La vitesse de rotation a un impact significatif sur les performances du ventilateur, comme le montrent les lois de ventilateur suivantes: La vitesse de rotation doit être considéré en même temps avec d'autres problèmes, tels que la variation de la vitesse du ventilateur, température de flux d'air, le bruit ambiant, etrésistance mécanique du ventilateur. La température : Dans une large gamme de mesure, la température détermine le type de ventilateur et le choix des matériaux. En environnements à température élevée, de nombreux matériels perdre leur force mécanique. Les contraintes des composants augmente avec l’augmentation de la vitesse de rotation du ventilateur. Par conséquent, pour les applications à hautes températures le type de ventilateur qui nécessite une vitesse de fonctionnement plus bas pour un service particulier est souvent recommandée. Les ventilateurs à pales radiales peuvent être robuste construits et sont fréquemment utilisés dans environnements à température élevée. Les matériaux ont également une influence significative sur la capacité d'un ventilateur pour servir dans des applications à haute température, et différents alliages peuvent être choisis pour fournir les propriétés mécaniques nécessaires à des températures élevées. Courbes de performance du ventilateur : Le rendement du ventilateur est généralement définie par une parcelle de de la pression développée et de la puissance nécessaire au cours d'une gamme d'air généré par le ventilateur. 21 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 La compréhension de cette relation est essentielle à la conception, l'approvisionnement, et l'exploitation d'un système de ventilateur et est la clé optimum à la sélection du ventilateur. Point de meilleur rendement : L'efficacité des ventilateurs est le rapport de la puissance transmise à l'écoulement d'air vers la puissance délivré par le moteur. La puissance du flux d'air est le produit de la pression et du débit, L'équation est la suivante: Un aspect important d'une courbe de rendement du ventilateur est le point de meilleur rendement (BEP : best efficiency point), où un ventilateur fonctionne de manière plus rentable en termes de l'efficacité énergétique et les considérations de maintenance. Commande d'un ventilateur près de son BEP améliore sa performances et réduit l'usure, ce qui permet d’augmenter l’intervalles entre réparations. Déplacement d'exploitation d'un ventilateur pointer en dehors de son BEP augmente les charges portant et le bruit. Contrôle des ventilateurs : Principe de base : Ventilateurs servent souvent sur une large plage des conditions de fonctionnement Par exemple, le système de ventilation de nombreuses applications industrielles est soumis à des charges variables en raison de changements dans les conditions ambiantes, l'occupation, et les contraintes de la demande de production. Pour répondre à ces changements, les flux est contrôlée par trois méthodes principales: inlet vanes(Le contrôle des aubes d'entrée), outlet dampers(volets de sortie), et fan speed control(variation de vitesse). Chaque méthode présente un ensemble 22 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 d'avantages et inconvénients en termes de coût initial, l'efficacité du contrôle de flux et l'efficacité énergétique. Dans les systèmes de ventilation qui sont relativement peu utilisé (par exemple, moins de 500 heures par an), le coût initial peut être le facteur dominant. Pour des applications en exécution permanente, l'efficacité du contrôle de flux et l'efficacité énergétique peuvent être des facteurs déterminants. Dans de nombreuses applications industrielles,les ventilateurs doivent fonctionner pendant des périodes prolongées. Ils sont souvent utilisés directement pour soutenir la production (manutention) ou à maintenir des conditions de travail (ventilation). Dans les deux cas, l'efficacité de fonctionnement du système de ventilation a une priorité élevée. Les efficacités relatives à chaque méthode de la régulation du débit sont présentées dans la Figure 2-20. outlet dampers : assure le contrôle de flux par modification de la restriction dans le trajet de l'écoulement d'air. Quand les volets se ferment, ils réduisent la quantité de flux et augmentent la pression sur le côté amont. Le contrôle des Aubes d'entrée (Inlet Vanes) : sont plus communément utilisés avec ventilateurs centrifuges que les ventilateurs axiaux.les aubes d'entrée modifier le profil de flux d'air entrant dans un éventail. Le contrôle des aubes d'entrée crée des tourbillons qui tournent dans la même direction comme une roue de ventilateur. Ces tourbillons de prérotation diminuent l'angle d'attaque entre l’air entrant et les pales du ventilateur, ce qui réduit la charge sur le ventilateur et réduit la pression d'air du ventilateur et. En changeant la sévérité de la turbulence d'entrée, Le contrôle des Aubes d'entrée (intel vanes) modifie essentiellement la courbe de performance du ventilateur. Parce qu'ils peuvent réduire à la fois la charge et débit d'air délivré Le contrôle des Aubes d'entrée (intel vanes) peut améliorer l'efficacité du ventilateur. Le contrôle des Aubes d'entrée sont particulièrement rentables lorsque la demande d'air varie entre 80 et 100 pour cent du plein débit, mais à des débits d'air faibles, Le contrôle des Aubes d'entrée sont moins efficaces. 23 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Etranglement mécanique(Disc Throttle) : Dans certains modèles de ventilateurs centrifuges, le courant d'air généré peut être contrôlée en modifiant la largeur efficace de la turbine à l'aide d'une plaque coulissante d'étranglement. Lors du déplacement de la plaque, il modifie la valeur de largeur de roue qui est exposée au courant d'air. Bien que cette caractéristique de conception du ventilateur n'est pas commun, sa conception simple peut être possible dans certaines applications. Ventilateur à pas variable(Variable-Pitch Fans) : Une option dans certains types de ventilateurs axiaux,c’est l'incorporation d'une fonctionnalité à pas variable pour les pales du ventilateur. Les ventilateurs à pas variable permettent aux pales de ce dernier de s’incliner, modifiant l'angle d'attaque entre le flux d'air entrant et de la lame. Réduire l'angle d'attaque permet de réduire à la fois la circulation de l'air et de la charge sur le moteur. Par conséquent, les ventilateurs à pas variable peuvent garder l'efficacité élevée du ventilateur sur une gamme de conditions de fonctionnement. Ventilateurs à pas variable peuvent être une option très efficace de contrôle de débit et offrent plusieurs avantages de performance. Parce que les ventilateurs à pas variable maintiennent leur vitesse de fonctionnement normale, ils évitent les problèmes de résonance qui peut être problématique pour certains types de ventilateurs. En outre, les pales à pas variable peut fonctionner à partir d'un débit nul à un état nominal de débit sans problèmes de décrochage. Pendant le démarrage, les pales du ventilateur peut être déplacé à un faible angle d'attaque, ce qui réduit le couple nécessaire pour accélérer le ventilateur à vitesse de fonctionnement normale. Inconvénients de cette option de contrôle de flux comprennent les problèmes d'encrassement potentiels en raison de l'accumulation de contaminants dans l'actionneur mécanique qui contrôle les lames. Aussi, parce que le rendement du moteur et facteur de puissance se dégradent de façon significative à des charges inférieures à 50 pour cent de la capacité nominale,le fonctionnement à faible charge pendant de longues périodes peut ne pas fournir des avantages d'efficacité et peut entraîner une charge de faible puissance facteur de l'utilitaire. 24 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Variateur de vitesse (variable frequency drives :VFD) : Pour de nombreux systèmes, VFDs offrent un moyen d'améliorer l'efficacité de fonctionnement du ventilateur sur une large gamme de conditions de fonctionnement. VFD également fournit une méthode efficace et facile pour contrôler la circulation de l'air. Parmi les principales raisons de la sélection VFD sont : améliorées le contrôle de flux, la capacité d'adaptation aux moteurs existants, leurs avantages espace compact, et l'élimination des problèmes d'encrassement associés à des dispositifs de commande mécaniques. VFD diminuer les pertes d'énergie en abaissant le débit du système global. En ralentissant le ventilateur et la diminution de la quantité d'énergie nécessaire communiquée à l'écoulement d'air,les variateurs de vitesse permettent des économies substantielles par rapport au volume coût par unité d'air déplacé. Lorsque la vitesse du ventilateur diminue, les courbes de rendement et la puissance au frein du ventilateur se déplacent vers l'origine. L'efficacité des ventilateurs se déplace vers la gauche, en fournissant un avantage de coût essentiel pendant les périodes de demande réduite du système. VFD élimine la dépendance sur les composants mécaniques, offrant un avantage intéressant opérationnelle, en particulier dans les "sales" courants d'air. Un autre avantage du système des VFD est leur capacité de démarrage en douceur. Lors du démarrage, la plupart des moteurs ont un courants d'appel qui sont 5 à 6 fois plus élevé que courants de fonctionnement normaux. En revanche, les variateurs de fréquence permettre au moteur de démarrer avec un courant de démarrage (généralement environ 1,5 fois la normale opérationnel courant), réduisant ainsi les enroulements du moteur. 25 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 26 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Introduction : Grâce à leur simplicité, leur robustesse et leur coût attractif, les moteurs à cage sont les moteurs les plus souvent utilisés dans l’industrie. En commutation directe, ils absorbent un courant de démarrage jusqu’à 8 fois plus important que le courant nominal et ils développent donc un couple de démarrage élevé. Les courants de démarrage élevés ont souvent comme conséquence une chute de tension désagréable et les couples de démarrage élevés nécessitent des éléments mécaniques résistant aux surcharges. C’est la raison pour laquelle les distributeurs d’électricité fixent des valeurs limites pour les courants de démarrage des moteurs, par rapport aux courants de fonctionnement nominaux. Les valeurs permises varient d’un réseau à l’autre, en fonction de la charge. En ce qui concerne la mécanique, des procédés qui diminuent les couples de démarrage sont souhaitables. Pour diminuer les courants et les couples, il existe différentes commutations et méthodes de démarrage : • Démarrage étoile-triangle • Démarrage par autotransformateur • Démarrage avec bobines de self ou résistances • Démarrage multi-vitesses • Démarrage avec démarreur progressif électronique • Démarrage avec convertisseur de fréquence 27 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 i. Démarreur progressif : 1. Généralités : Selon la qualité du réseau, des variations rapides du courant consommé, comme c’est le cas lors du démarrage d’un moteur, peuvent provoquer des chutes de tension qui perturbent les autres appareils alimentés par le même réseau : • Fluctuations de luminosité des éclairages • Influence sur les installations informatiques • Défaillances des contacteurs et des relais Lors des démarrages, les éléments mécaniques d’une machine ou installation sont fortement sollicités par l’impact du couple dû au démarrage. Avec les solutions traditionnelles telles que : • commutation étoile-triangle • autotransformateur • bobines de self ou résistances, la tension aux bornes du moteur ainsi que le courant ne peuvent être influencés que par étapes. Le démarreur progressif gère en continu la tension depuis une valeur de départ sélectionnable jusqu’à cent pour-cent. Le couple et le courant augmentent ainsi de manière continuelle. Le démarreur progressif permet également un cycle d’arrêt continuel du moteur sous charge. 2. Réalisation du démarrage progressif : La caractéristique de couple du moteur permet d’expliquer comment obtenir un démarrage de moteur lent. En comparant la caractéristique de charge avec la caractéristique du moteur, il apparaît que la caractéristique de couple du moteur se situe toujours au-dessus de la caractéristique du couple résistant, jusqu’à ce qu’elle coupe cette dernière. A ce moment du cycle, la charge nominale atteint la vitesse nominale. La différence entre la caractéristique du couple résistant et la caractéristique du couple 28 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 moteur représente ce qu’on appelle le couple d’accélération (MB). Ce couple fournit l’énergie servant à commencer à faire tourner et à accélérer l’entraînement. Le rapport entre les deux caractéristiques représente la mesure du temps de démarrage ou d’accélération d’un entraînement. Si le couple moteur est beaucoup plus grand que le couple résistant, l’énergie d’accélération est grande et donc le temps d’accélération est court. Si par contre le couple moteur est seulement un peu plus grand que le couple résistant, il fournit une faible énergie et le temps d’accélération est d’autant plus grand. Le démarrage progressif est ainsi réalisé en diminuant le couple d’accélération. a) Diminution du couple moteur : Les caractéristiques représentées ne sont valables que lorsque toute la tension UN est à disposition. Aussitôt qu’une tension plus petite est appliquée, le couple est réduit de manière quadratique. Si la tension effective du moteur est réduite de 50%, le couple est alors réduit au quart de sa valeur. En comparant les caractéristiques du couple moteur et du couple résistant, on voit que l’écart est plus important en présence de la tension du réseau UNetz que pour la tension réduite Ured. Le couple moteur et donc la force d’accélération sont influencés par l’adaptation de la tension aux bornes du moteur. b) Influence de la tension moteur : 29 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 La tension moteur est facilement modifiée avec une commande à découpage de phase. Au moyen d’un semi-conducteur, le thyristor, il est possible de n’appliquer au moteur qu’une partie de la tension, en coupant la demi-alternance sinusoïdale. A l’instant où le thyristor coupe la demi-alternance sinusoïdale, on définit l’angle d’amorçage “Alpha”. Si l’angle “Alpha” est grand, la tension eff. moteur est petite. En déplaçant petit à petit l’angle d’amorçage “Alpha” vers la gauche, la tension eff. moteur augmente. Avec la commande correspondante, le découpage de phase est une méthode simple et efficace pour modifier la tension moteur. 3. Types de démarrage : Il y a deux possibilités principales pour faire démarrer un moteur progressivement. Il s’agit du démarrage sur rampe de tension et du démarrage sur limite de courant. Démarrage sur rampe de tension : Lors du démarrage sur rampe de tension, le temps de démarrage ou temps d’accélération et le couple initial de décollement sont fixés. Le démarreur progressif augmente la tension aux bornes du moteur linéairement depuis une valeur prédéfinie (tension de départ) jusqu’à la tension entière du réseau. La faible tension moteur au départ du processus a pour conséquence un couple moteur plus faible et entraîne ainsi un cycle d’accélération progressif. La valeur de départ de la tension à appliquer est définie par le couple initial de décollement = couple de départ du moteur. Avec la commande Dialog Plus SMC, il est possible de choisir entre deux profils de démarrage progressif avec des temps de rampe et des valeurs de couple de décollement applicables séparément. Le temps d’accélération du moteur résulte du réglage du temps d’accélération et du couple de décollement. Si le couple de décollement est choisi très grand ou le temps d’accélération très petit, on se rapproche alors du démarrage direct. Dans la pratique, on définit d’abord le temps d’accélération (10 sec. environ pour les pompes) et ensuite le couple de décollement de manière à ce que le démarrage progressif soit réalisé. Le temps de réglage déterminé n’est pas le temps d’accélération effectif de l’entraînement; il est dépendant de la charge et du réglage du couple de décollement. 30 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Lors d’un démarrage progressif sur rampe de tension, le courant augmente jusqu’à une valeur maximale et il redescend à la valeur IN en atteignant la vitesse nominale du moteur. Le courant maximal ne peut pas être déterminé à l’avance; il dépend de chaque moteur. Cependant, si une certaine valeur de courant ne doit pas être dépassée, il est alors possible de choisir le démarrage sur limite de courant. Démarrage sur limite de courant Le courant augmente selon une certaine rampe jusqu’à la valeur maximale définie et il redescend à la valeur IN en atteignant la vitesse nominale du moteur. Le moteur ne peut ainsi tirer qu’un certain courant de démarrage. Cette méthode de démarrage est souvent demandée par les distributeurs d’électricité dans les cas où un gros moteur (aération du foin, pompe) doit être connecté au réseau. Couples : Ce graphique montre les différents couples du moteur pour démarrage direct, démarrage progressif sur rampe de tension et sur limite de courant. 31 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 4. Types de démarreurs progressifs : La différence entre les différents types de démarreurs progressifs réside dans la construction de la partie puissance et la caractéristique de commande. Comme déjà expliqué, le démarreur progressif est basé sur le principe du découpage de phase. Au moyen d’un thyristor, il est possible de n’appliquer qu’une partie de la tension au moteur, en coupant la demi-alternance sinusoïdale. Le thyristor ne laisse passer le courant que dans une direction. Un second semi-conducteur polarisé en sens contraire conduisant le courant négatif (semi-conducteur monté tête-bêche) est donc nécessaire. On différencie les démarreurs progressifs selon les deux critères suivants : 1. Nombre de phases commandées. Une phase (démarreur progressif commandé sur une phase), deux phases (démarreur progressif commandé sur deux phases) ou trois phases (démarreur progressif commandé sur trois phases). 2. Types du second semi-conducteur polarisé inversement. Si on choisit une diode, on parle alors d’un démarreur progressif commandé par demialternance. Si on choisit un thyristor, on parle alors d’un démarreur progressif commandé par alternance complète. Comme les différents types influencent différemment la tension et le courant, on peut expliquer au moyen des trois schémas de principe qui suivent : Démarreur progressif commandé par alternance complète sur une phase : 32 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Dans le démarreur commandé sur une phase, le découpage de phase est réalisé sur une phase au moyen de deux thyristors placés tête-bêche (phase L2). Les phases L1 et L3 sont directement connectées au moteur. Dans les phases L1 et L3, lors du démarrage, circule toujours un courant de 6 fois le courant nominal du moteur. Il est possible de diminuer le courant à 3 fois le courant nominal, seulement dans la phase commandée. En comparant cette méthode avec le démarrage direct, on constate que le temps d’accélération est plus long mais que le courant moteur eff. n’est pas considérablement réduit. La conséquence est que le même courant environ que pour le démarrage direct circule à travers le moteur. Ce qui fait que le moteur s’échauffe. Comme une seule phase est découpée, le réseau est chargé asymétriquement pendant la phase de démarrage. Cette méthode correspond à la commutation KUSA classique. Les démarreurs commandés sur une et deux phases sont principalement utilisés dans les domaines de puissances allant jusqu’à 5,5 kW maximum. Ils sont seulement appropriés pour éviter les chocs mécaniques dans le système. Le courant de démarrage du moteur à courant alternatif n’est pas diminué avec cette méthode. Démarreur progressif commandé par demi-alternance sur trois phases : Dans le démarreur progressif commandé par demi-alternance sur trois phases, le découpage de phase est appliqué sur les trois phases. Comme semi-conducteur de puissance, un thyristor est monté tête-bêche avec une diode. Le découpage de phase se fait donc uniquement en demi-alternance (commande par demi-alternance). Ainsi, la tension n’est diminuée que lors de la demi-alternance, lorsque le thyristor est conducteur. Lors de la deuxième demialternance, lorsque la diode est conductrice, la tension réseau entière est appliquée au moteur. 33 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Dans la demi-alternance non-commandée (diode) les pointes de courant sont plus grandes que dans la demi-alternance commandée. Les oscillations harmoniques ainsi générées entraînent un échauffement supplémentaire du moteur. Comme les pointes de courant dans la demi-alternance non-commandée (diode) et les oscillations harmoniques conséquentes sont critiques pour des grandes puissances, les démarreurs progressifs commandés par demi-alternance ne sont utilisables efficacement que jusqu’à environ 45 kW. Démarreur progressif commandé par alternance complète sur trois phases : Dans ce type de démarreur, le découpage de phase se fait sur les trois phases. Comme semi-conducteur de puissance on utilise deux thyristors montés tête-bêche. La tension de phase est ainsi découpée dans les deux demi-alternances (commande alternance complète). A cause des oscillations harmoniques créées lors du découpage de phases, le moteur, par contre, est thermiquement plus sollicité avec le démarrage progressif qu’avec le démarrage direct. Les démarreurs progressifs commandés par alternance complète sur trois phases sont utilisés pour des puissances allant jusqu’à environ 630 kW. 34 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 5. Charge thermique lors du démarrage : Ce graphique montre l’influence des différents types de démarreurs progressifs sur l’échauffement supplémentaire du moteur par rapport au démarrage direct. Le point 1/1 représente l’échauffement du moteur après le démarrage direct. Sur l’axe X se trouve le coefficient de multiplication du temps de démarrage et sur l’axe Y le coefficient de multiplication de l’échauffement du moteur. Si par exemple on double le temps de démarrage par rapport au démarrage direct, • l’échauffement du moteur est multiplié par 1,75 pour le démarreur progressif commandé sur une phase. • l’échauffement du moteur est multiplié par 1,3 pour le démarreur progressif commandé sur deux phases. • l’échauffement du moteur est multiplié par 1,1 pour le démarreur progressif commandé par demi-alternance. • on ne constate pratiquement aucun échauffement supplémentaire pour le démarreur progressif commandé par alternance complète. Pour des temps de démarrage plus longs et pour des grandes puissances, seul le démarreur progressif commandé par alternance complète est applicable. 35 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 6. Avantages du démarreur progressif : • Grâce au démarrage lent, le démarreur progressif ménage le moteur et la machine. • Le courant de démarrage est réduit ou peut être limité. • Le couple est adapté à la charge correspondante. • Pour les pompes, les ondes de pression au démarrage et à l’arrêt sont évitées. • Les mouvements de retour et les chocs pouvant perturber un processus sont évités. • L’usure des courroies, chaînes, entraînements et paliers est diminuée. • Grâce aux différentes possibilités de commande, l’automatisation est facilitée. 7. Avantages pour le client : Avantages mécaniques : Avec un démarrage direct, le moteur développe un couple de démarrage très important. Normalement les valeurs des couples de démarrage sont de 150 à 300% celles du couple nominal. Selon le type de démarrage et à cause du fort couple de démarrage, la mécanique de l’entraînement peut être sollicitée exagérément (“contrainte mécanique”), ou bien le processus de fabrication est perturbé par des chocs et des à-coups inutiles. • Grâce à la mise en œuvre d’un démarreur progressif, on évite les chocs subis par les parties mécaniques de la machine. • La caractéristique de démarrage peut être adaptée à l’utilisation (par exemple commande de pompe). • Câblage moteur facilité (seulement 3 conducteurs). Avantages électriques : Le démarrage d’un moteur à courant alternatif entraîne dans le réseau des appels de courant importants (6 à 7 fois le courant nominal). Il peut en résulter d’importantes chutes de tension qui perturbent les autres utilisateurs connectés sur ce réseau. Les distributeurs d’électricité imposent donc des limites pour les courants de démarrage des moteurs. • Avec un démarreur progressif, il est possible de limiter le courant de démarrage du moteur, pour autant qu’un couple de démarrage élevé ne soit pas nécessaire. • Les charges sur le réseau sont alors diminuées. • Diminution éventuelle des frais de connexion au réseau. • Dans de nombreux cas, une limitation du courant de démarrage est imposée par le distributeur d’électricité; les prescriptions correspondantes sont ainsi respectées. 36 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 8. Démarrage des ventilateurs : Pour certaines applications, le moteur est démarré avec un couple de charge réduit, c'est-àdire un démarrage à vide. Pour les grands ventilateurs centrifuges,au démarrage ,le volet est souvent fermé et cela va rendre le démarrage plus facile (plus court), mais puisque le moment d'inertie est toujours présent, le temps de démarrage peut être assez long tout de même. Courbes de démarrage : Démarrage direct (D.O.L) : Démarreur progressif(Softstarter) : 37 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 38 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Introduction au problématique : Au total, 80% de la consommation d’électricité industrielle revient aux moteurs électriques. Les pompes et les installations à air comprimé y contribuent pour une part importante. Dans le secteur tertiaire également, les moteurs représentent une consommation considérable, avec comme principales applications la ventilation, les systèmes de réfrigération et la climatisation. Beaucoup de systèmes utilisant des pompes, des ventilateurs, des compresseurs, ... et devant travailler dans des conditions de charge variable, sont régulés par étranglement ou par by-pass. Ce mode de régulation est énergivore : on accélère et on freine en même temps! Il est nettement plus efficace de réduire la vitesse des moteurs pour l'adapter aux besoins. Par exemple, réduire de moitié la vitesse d'un ventilateur pour adapter le débit d'air frais à l'occupation d'un local permet de diviser par huit la consommation électrique du moteur ! Ceci est possible grâce aux variateurs de vitesse et aux énormes progrès réalisés dans le domaine de l'électronique de puissance. Ainsi, dans toute application utilisant des moteurs (distribution de chauffage, ventilation, pompage, traction, ...),l'intérêt de la régulation de vitesse mérite d'être étudié : des dizaines de pourcents d'économie peuvent être faits sur la consommation électrique des moteurs. La régulation de vitesse offre en outre des possibilités de régulation très attrayantes qui peuvent contribuer à l'amélioration du procédé principal. A l’origine, seuls les moteurs à courant continu étaient utilisés pour les entraînements à vitesse variable car ils permettaient d’obtenir la vitesse et le couple requis sans recourir à des dispositifs électroniques complexes. Cependant, le développement des variateurs de vitesse à courant alternatif résulte en partie de la volonté d’obtenir les niveaux de performances très élevés des moteurs à courant continu (en termes de temps de réponse en régulation de couple et de précision en régulation de vitesse) avec des moteurs à courant alternatif, réputés pour leur robustesse, leur coût plus abordable et leur simplicité de maintenance. Les variateurs de vitesse à courant alternatif sont basés sur un principe simple. Les caractéristiques physiques des moteurs asynchrones font que leur vitesse de rotation est fonction de la fréquence de la tension d'alimentation. C'est en jouant sur ce paramètre que les variateurs parviennent à réguler la vitesse. Cette étude est composée de deux chapitres : er 1 chapitre : Technologie • Rappel du fonctionnement des moteurs asynchrones ainsi que de leurs caractéristiques générales. • Présentation de la technologie des variateurs de vitesse et de leurs modes de fonctionnement. • Rappel de la problématique des harmoniques. ème 2 chapire : Facteurs de décision et mise en œuvre • Synthèse des avantages et des inconvénients liés à la variation de vitesse • recommandations concernant les précautions et les protections d'installations • l'ensemble des facteurs à prendre en compte pour l'évaluation de l'investissement et des temps de retour • Le choix du variateur 39 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Chapitre 1 : Technologie Introduction : Les variateurs de type «convertisseurs de fréquence» sont utilisés pour alimenter les moteurs asynchrones. Ils permettent essentiellement de faire varier la vitesse de rotation de ces moteurs, mais aussi d'obtenir des caractéristiques de fonctionnement du moteur radicalement différentes de celles obtenues lors de l'utilisation normale à amplitude et fréquence constantes (moteurs alimentés en direct par la tension du réseau). La vitesse de rotation du moteur varie en fonction de la fréquence de la tension d'alimentation. Les variateurs utilisent cette caractéristique pour obtenir une régulation en vitesse. L'évolution de l'électronique de puissance et de la vitesse des processeurs a permis de développer de très bons systèmes de contrôle des caractéristiques de fonctionnement. Commençons par rappeler le fonctionnement et les caractéristiques des moteurs asynchrones. Rappel sur les moteurs asynchrones : Le moteur asynchrone (également appelé moteur à induction) est le moteur électrique le plus répandu et le plus utilisé dans l’industrie. Ce moteur fiable, robuste, peu encombrant requiert peu d’entretien. Cela justifie son succès. Comme tout moteur électrique, il transforme une énergie électrique en énergie mécanique, transformation régie par la loi de Laplace : «Un conducteur traversé par un courant et placé dans un champ magnétique subit une force d’origine électromagnétique». Principe : Le moteur asynchrone est composé d’un stator (fixe) équipé d’un enroulement triphasé et d’un rotor (mobile) le plus souvent dit à cage d’écureuil (barreaux court-circuités). Le stator relié au réseau électrique triphasé produit un champ électromagnétique tournant à une vitesse proportionnelle à la fréquence de la tension d’alimentation. La vitesse de ce champ est appelée la vitesse de synchronisme du moteur (n0). n0 = (f x 60) / p [tr/min] f : fréquence de la tension d’alimentation n0 : vitesse de synchronisme p : nombre de paires de pôles Le rotor immobile voit défiler un champ électrique tournant à la vitesse n0, ce qui donne naissance à un courant dans les barreaux court-circuités du rotor. L’action du champ magnétique sur ce courant induit une force qui entraîne le rotor dans le sens de ce champ tournant. La vitesse du rotor augmente alors jusqu’à une vitesse proche mais inférieure à la vitesse de synchronisme. En effet, le rotor ne peut atteindre la vitesse du champ tournant, vu qu'à vitesse égale aucun courant n’est induit dans les barreaux du rotor. Tous les développements des variateurs de vitesse se basent sur ce principe. On voit en effet que la vitesse du rotor, qui correspond à la vitesse de rotation de l'arbre du moteur, dépend directement de la fréquence de la tension d'alimentation. Cette dépendance passe par l'intermédiaire du champ tournant créé par cette tension d'alimentation. 40 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Courbes de fonctionnement : Les courbes caractéristiques du moteur asynchrone (Figure 1.1) nous permettent de comprendre son fonctionnement ainsi que ses limitations. Au démarrage, la vitesse du moteur est nulle et l’on se trouve sur l’axe n/n0 = 0. Cela nous permet de comprendre qu’au démarrage le moteur asynchrone fournit un couple représenté par Ta sur la figure. Il s’agit du couple développé par le moteur, à l’arrêt lorsqu’on lui applique la tension et la fréquence nominales. Au fur et à mesure que le moteur prend de la vitesse, on voit que le couple est croissant et passe par un maximum aussi appelé le couple de décrochage du moteur (Tk). Le fonctionnement du moteur se stabilise alors à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme (n/n0 < 1) et présente alors ses caractéristiques nominales (vitesse nominale nN, couple nominal TN, courant nominal IN). La plage de fonctionnement du moteur est divisée en deux zones : la zone d’accélération 0 < n/n0 < nk/n0 et la zone d'utilisation nk/n0 < n/n0 < 1. Le rendement d’un tel moteur varie en fonction de sa puissance et du nombre de pôles mais se situe généralement entre 0,7 et 0,9. 41 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Fonctionnement moteur et choix du moteur: Les caractéristiques d'un moteur sont généralement représentées par les diagrammes vitesse couple ou vitesse - puissance. La figure 1.2 présente le diagramme de caractéristique pour les machines utilisant la force centrifuge, comme les ventilateurs et pompes centrifuges, centrifugeuses, ... On parle d'état stationnaire lorsque les couples moteur et machine sont égaux. Cela se produit au point d'intersection des courbes de couples. Sur l'exemple de la figure 1.3, l'état stationnaire se situe au point d'intersection B. Pour assurer un bon fonctionnement de l'application, il ne suffit pas de disposer d'un état stationnaire. En effet, l'amorçage au moment du démarrage nécessite de disposer d'un surcouple. De plus, pour les accélérations il est également indispensable de disposer d'une marge de manœuvre au niveau du couple disponible. Il faudra donc éviter les situations telles que celle de l'exemple de la figure 1.4. 42 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Effectuer un dimensionnement correct du moteur nécessite de bien connaître les caractéristiques de son application. Variateur de vitesse : Le variateur fournit au moteur asynchrone une onde de tension à amplitude et fréquence variables tout en maintenant le rapport tension / fréquence sensiblement constant. En modifiant la fréquence de la tension d'alimentation du moteur, le variateur permet de modifier la vitesse du champ tournant du stator et donc la vitesse de rotation du moteur. La génération de cette onde de tension est réalisée par un dispositif électronique de puissance schématisé à la figure 1.5. Le principe général du variateur de vitesse est de transformer la tension d'alimentation sinusoïdale triphasée du réseau en une tension continue, de façon à disposer d'une «matière première» permettant de générer une nouvelle tension sinusoïdale triphasée de la fréquence désirée. Le schéma de la figure 1.5 présente les quatre grandes parties d’un variateur de vitesse. Nous allons brièvement décrire chacune d'elles. 43 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Redresseur : La fonction du redresseur est de transformer la tension alternative triphasée du réseau en tension continue. En pratique, il est difficile d’obtenir une tension de sortie parfaitement continue, ce qui donne en général une tension continue comportant une ondulation résiduelle. Suivant le type de technologie utilisé, il est possible de concevoir un circuit redresseur non commandé ou commandé. Outre la nécessité d’une commande, le circuit à thyristor se caractérise par la possibilité de faire varier la valeur moyenne de la tension continue de sortie. Le redresseur commandé entraîne une plus grande perte que le redresseur non commandé ainsi qu'une plus grande perturbation sur le réseau d’alimentation. En contre partie, il permet de renvoyer sur le réseau l’énergie récupérée lorsque le moteur fonctionne en génératrice (le fonctionnement en génératrice correspond à un cycle de freinage). Notons que d’autres technologies mixtes permettent de concevoir des circuits semicommandés. Le redresseur fournit au circuit intermédiaire la tension continue présente à sa sortie. Circuit intermédiaire Typiquement constitué d’un condensateur, le circuit intermédiaire joue le rôle d’un stock tampon entre la sortie du redresseur et l’entrée de l’onduleur. Il en existe différents types, à choisir suivant le redresseur et l’onduleur utilisés. Sa fonction est essentiellement de lisser les caractéristiques électriques à la sortie du redresseur. Rappelons que la tension à la sortie du redresseur présente une ondulation résiduelle. Le circuit intermédiaire est également en charge d’un certain nombre de fonctions supplémentaires telles que : - découplage du redresseur et de l’onduleur ; - réduction des harmoniques ; - stockage d’énergie permettant de contenir des pointes intermittentes de charge. Suivant les cas, il fournit à l’onduleur : - un courant continu variable ; - une tension continue variable ; - une tension continue constante. 44 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Onduleur : L’onduleur est la dernière partie du variateur de vitesse située avant le moteur. Il fournit des grandeurs électriques variables au moteur. Dans tous les cas, l’onduleur est composé de semiconducteurs disposés par paires en trois bras. Les semi-conducteurs de l’onduleur commutent sur des signaux en provenance du circuit de commande. L’onduleur classique, typiquement conçu pour une sortie de circuit intermédiaire à courant variable, est composé de six diodes, six thyristors et six condensateurs comme présentés à la figure 1.8. La figure 1.9 représente le schéma de principe de l’onduleur pour une sortie de circuit intermédiaire à tension constante ou variable. Quel que soit le type de semi-conducteur utilisé, le principe reste le même : un circuit de commande allume et éteint les composants de façon à générer une tension de sortie à fréquence variable. 45 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 L’évolution des composants électroniques permet aujourd’hui de recourir à des fréquences de commutation élevées situées typiquement entre 300 et 20k Hz. Ces fréquences de commutation élevées rendent possible l’alimentation du moteur par une tension parfaitement sinusoïdale (figure a coté). Il faut cependant veiller à un équilibre car ces fréquences peuvent engendrer des surchauffes du moteur ainsi que des tensions de pointe élevées. La modulation correspond à la manière dont on façonne la tension continue pour en faire une tension variable. Pour ce faire, il existe une série de techniques différentes.A titre d'exemple, nous en présentons une, largement répandue : la Modulation par Largeur d’Impulsion à commande sinusoïdale (M.L.I. ou P.W.M. pour Pulse Width Modulation). Le principe (figure 1.11) consiste à appliquer aux enroulements du moteur une suite d’impulsions de tension, d’amplitude égale à la tension continue fournie par le redresseur. Les impulsions sont modulées en largeur de manière à créer une tension alternative d’amplitude variable. Tout le problème est de générer la commande qui va procéder à l'allumage et à l'extinction des composants électroniques pour obtenir le résultat désiré. C'est le rôle du circuit de commande. Dans le cas de la M.L.I. à commande par sinusoïde, on obtient la commande par comparaison de deux signaux : un triangulaire et l'autre sinusoïdal (figure 1.11a). Chaque fois que ces deux signaux se croisent, cela correspond à une commande d'allumage ou d'extinction d'un composant (figure 1.11b & 1.11c). En effectuant la soustraction des deux signaux ainsi générés, on obtient le résultat désiré (figure 1.11d). 46 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Circuit de commande : Le circuit de commande est la quatrième et dernière partie du variateur de vitesse. Ce circuit intègre quatre fonctions essentielles : - commandes des semi-conducteurs du redresseur, du circuit intermédiaire et de l'onduleur - échange de données entre le variateur de vitesse et les périphériques - protection pour le variateur de vitesse et le moteur - collecte et compte-rendu des messages de défaut. Les circuits de commande actuels se composent de microprocesseurs qui permettent une augmentation importante de la vitesse de fonctionnement, l'incorporation de nombreuse fonctionnalités utiles pour les applications ainsi qu'une optimisation de l'alimentation du moteur pour chaque état de son fonctionnement. L'évolution récente est basée sur deux principes de commandes présentant chacune leurs spécificités : • commande tension / fréquence (U/F ou E/F) ou encore commande scalaire ; • commande vectorielle de flux. Chacune de ces méthodes présente ses avantages qui seront fonction des exigences spécifiques de chaque application. La commande U/F est relativement simple à mettre en oeuvre et facile à adapter au moteur. Elle présente un bon comportement aux variations de charges instantanées dans toute sa plage de vitesse. En contrepartie, sa plage de vitesse est relativement limitée (de l'ordre de 1 à 20) et elle nécessite une stratégie de commande différente pour les faibles vitesses (technique de compensation). La commande vectorielle de flux présente quant à elle une large plage de vitesse ainsi qu'une réaction rapide aux variations de vitesse. Elle a une bonne réaction dynamique aux variations de sens et constitue une stratégie de commande applicable sur toute la plage de vitesse. Par contre, elle nécessite une configuration spécifique au moteur, ce qui impose une connaissance détaillée des caractéristiques de celui-ci. La solution optimale pour l'utilisateur est évidemment de pouvoir disposer des meilleures caractéristiques de chacune de ces deux techniques. Certains constructeurs fabriquent des systèmes de commande à technologie hybride permettant d'optimaliser au maximum les procédés. Exemple de caractéristiques de couple dans le cas d'une régulation tension / fréquence (U/F) : 47 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Association d’un variateur de vitesse et d’un moteur : Comme annoncé en début, la technologie décrite permet, non seulement de faire varier la vitesse de rotation des moteurs, mais également d'obtenir des caractéristiques de fonctionnement radicalement différentes. Dans cette section, on compare les caractéristiques du moteur avant et après installation d'un variateur, montrant ainsi la modification fondamentale de la zone de fonctionnement dans le plan couple/vitesse. On présente également des exemples de modes de fonctionnement rendus possibles grâce au variateur. Au travers de ces exemples, on voit que le variateur prend également la fonction de pilotage du moteur. Cette fonction additionnelle ouvre de nombreuses possibilités au niveau de l'application et constitue dès lors un avantage très important. Les diagrammes d'essais présentés ensuite nous montrent la précision que l'on peut attendre de ces pilotages. Courbes caractéristiques : Les figures 1.13 & 1.14 présentent les zones de fonctionnement dans le plan couple - vitesse d'un moteur sans variateur de vitesse (moteur alimenté par le courant triphasé) et avec variateur de vitesse. La partie grisée de chaque courbe représente la zone de fonctionnement. La figure 1.14 montre très clairement l'avantage de l'utilisation du variateur de vitesse pour assurer un bon contrôle des caractéristiques de fonctionnement du moteur. 48 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Modes de pilotage possibles avec variateur de vitesse : Le variateur de vitesse devient un moyen de pilotage du moteur et donc de l'application : • Pilotage de la vitesse de rotation du moteur Un ou plusieurs signaux pilotent la fréquence de sortie du variateur et donc la vitesse de rotation du moteur. Lorsque la référence de vitesse augmente, le moteur tourne plus vite, ce qui a pour conséquence une modification de la caractéristique couple-vitesse du moteur. Sur la figure 1.15, cette modification se traduit par un déplacement de la partie verticale de la courbe vers la droite. Tant que le couple exercé par la charge reste inférieur au couple moteur, la vitesse de rotation s'ajuste à la vitesse commandée par la consigne. • Freinage dynamique Lorsque la référence de vitesse diminue, le moteur joue la fonction de génératrice et donc de frein. Il se met à produire de l'électricité au lieu d'en consommer. Il récupère alors l'énergie de l'application pour la restituer au variateur de vitesse. Cette énergie, suivant les cas, est dissipée sous forme de chaleur par le variateur ou restituée au réseau d'alimentation. Si l'énergie de freinage dépasse la puissance dissipée dans le variateur, la tension du circuit intermédiaire du variateur augmente. Elle peut augmenter jusqu'à une certaine valeur où une protection va se déclencher. Il est possible d'ajouter une résistance de dissipation qui permet d'obtenir une puissance de freinage plus élevée. Il faut alors veiller au problème de surchauffe du moteur. On peut aussi restituer au réseau d'alimentation l'énergie électrique récupérée par le variateur. Pour un variateur à redresseur non commandé, cela est directement possible. Avec un redresseur commandé, il est nécessaire de connecter un onduleur en couplage antiparallèle sur le redresseur. • Inversion du sens de rotation du moteur Le sens de rotation du moteur dépend de la séquence des phases du réseau d'alimentation. On obtient l'inversion du sens de rotation en permutant, à l'aide d'un contacteur, deux des phases d'alimentation. Le variateur de vitesse est capable d'effectuer cette commutation de façon électronique, soit par l'intermédiaire d'une commande de vitesse négative, soit par un signal de commande externe. • Rampes d'accélération et de décélération La rampe d'accélération indique le profil de la fréquence au moment de sa modification. Ces rampes sont exprimées en terme d'un temps d'accélération ou de décélération. C'est-à-dire le temps nécessaire au variateur de vitesse pour passer de la fréquence 0 Hz à la fréquence nominale du moteur (50 Hz) (figure1.16). On peut déterminer la valeur optimale de ces temps d'accélération et de décélération à partir du moment d'inertie sur l'arbre du moteur. Les ariateurs de vitesse peuvent être programmés de façon à tenir compte de ces valeurs optimales ainsi que des contraintes imposées par l'application (par exemple une décélération en douceur ou une réaction rapide à une consigne de vitesse) 49 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 En pratique, les variateurs de vitesse permettent d'obtenir de très bonnes caractéristiques de rampe avec une bonne linéarité de la vitesse ainsi qu'un bon comportement au passage par l'arrêt (dans le cas d'une inversion de sens). Exemple : Le diagramme d'essais ci-dessous (figure 1.17) présente une inversion de vitesse +/- 33 Hz avec rampe rapide. Ce diagramme correspond à des résultats obtenus sur un moteur standard de 7,5 kW sans capteur. Le moteur entraîne une charge constituée par une génératrice. On y note le bon comportement de la vitesse. On voit également la modification de la fréquence du courant avec la vitesse. Problème des harmoniques : Les variateurs de vitesse et notamment les composants électroniques de puissance sont responsables de la génération de courants harmoniques. Les harmoniques sont des phénomènes électriques nuisibles aux installations. Effets des harmoniques sur les charges et les procédés : Les courants harmoniques n'ont pas d'effet direct sur la consommation énergétique mais ils augmentent les pertes par échauffement dans les installations (transformateurs, câblage, etc.). On peut distinguer leurs effets dans le temps en deux catégories : Les principaux effets instantanés ou à court terme : - le déclenchement intempestif des protections ; - les vibrations et bruits acoustiques ; 50 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 - les pertes de précision des appareils de mesure. Les principaux effets à long terme : - l'échauffement des sources ; - la fatigue mécanique des installations ; - l'échauffement des récepteurs ; - la destruction de matériel. 51 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Exemple des harmoniques générées par un variateur de vitesse : Caractéristiques du courant absorbé par le variateur. Le redresseur associé au circuit intermédiaire prélève au réseau un courant non sinusoïdal. • Pour une alimentation triphasée, l'allure de ce courant est représentée à la figure 1.19 et son spectre harmonique à la figure 1.20. La valeur typique du taux de distorsion harmonique THD est de 40 %. • Pour une alimentation monophasée, le courant absorbé est représenté par la figure 1.21 et son spectre par la figure 1.22. La valeur typique du taux de distorsion harmonique THD est de 80 %. À noter que ces taux de distorsion sont obtenus par adjonction d’inductances de ligne provoquant une chute de tension comprise entre 3 et 5 %. En l’absence de ces inductances de ligne, la distorsion de courant peut atteindre 80 % dans le cas de l'alimentation triphasée et dépasser 100 % pour l'alimentation monophasée. 52 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Chapitre 2 : Facteurs de décision et mise en œuvre Avantages généraux : • Une très bonne fiabilité. • Economie substantielle d'énergie pouvant aller au-delà de 90 %. Particulièrement vraie dans le cas des pompes et des ventilateurs où la consommation d'énergie est proportionnelle au cube de la vitesse. Par exemple, une réduction de 50 % de la vitesse de rotation entraîne une diminution de consommation énergétique de 87,5 % par rapport à la puissance nominale. • Amélioration du processus. Comme présenté dans les nombreux exemples exposés, le variateur permettra suivant les cas, soit une amélioration de la productivité,soit une amélioration du confort (nuisance sonore, courant d'air intempestif ), de la précision ou encore de la flexibilité de l'application. • Surveillance de processus. Le variateur de vitesse peut surveiller le processus qu'il pilote et intervenir en cas d'irrégularité. Cette surveillance porte sur trois domaines. Surveillance de l'installation via la fréquence de sortie, le courant de sortie et le couple moteur. S'il y a dépassement des limites fixées pour ces valeurs, on peut intervenir sur la commande, déclencher une alarme ou procéder à l'arrêt du moteur. Surveillance du moteur à partir des conditions thermiques. Le variateur de vitesse joue alors le rôle du déclencheur thermique. Finalement, surveillance du variateur luimême via le microprocesseur du variateur qui peut effectuer un calcul permettant d'éviter la surcharge. • Fonctionnement souple. Forte réduction des cycles marche / arrêt et des modifications brusques de vitesse. L'utilisation des rampes de démarrage et d'arrêt permet de fortement réduire les contraintes des composants mécaniques des installations. • Outre un accroissement des durées de vie, le fonctionnement souple entraîne également une réduction de la maintenance. Par ailleurs, le variateur lui même ne nécessite aucun entretien. • Incorporation d’autres fonctionnalités. Le variateur peut en effet jouer toute une série d'autres fonctions comme le déclenchement d'alarme, la détection d'encrassement de filtre, le respect des limites de fonctionnement prédéfinies, etc. • Dans certaines applications, il permet aussi la suppression de matériel périphérique (capteurs, câblage et leurs protections, etc.) ainsi que la suppression de leur coût d'installation et d'entretien. • Bon cos ∏ obtenu automatiquement. Contrairement aux moteurs asynchrones qui sont alimentés directement à partir du réseau et qui nécessitent une compensation de l'énergie réactive par adjonction de batteries de condensateurs, le moteur alimenté par un variateur présente un bon cos ∏ (généralement supérieur à 0,9). • Possibilité de réglage de la vitesse de plusieurs moteurs. Caractéristiques des moteurs asynchrones pilotés Outre les avantages généraux exprimés ci-dessus, les variateurs modifient un certain nombre de caractéristiques propres des moteurs asynchrones. Nous présentons un comparatif des caractéristiques techniques du moteur asynchrone selon qu'il est utilisé en connexion directe sur le réseau d'alimentation ou qu'il est connecté par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse. 53 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 • Courant de démarrage • en usage normal, le courant de démarrage est très élevé. Il peut monter jusqu'à 6 à 8 fois le courant nominal en valeur efficace, 15 à 20 fois en valeur crête. • avec variateur de vitesse, il est limité dans le moteur (environ 1,5 fois le courant nominal). • Couple de démarrage • en usage normal, le couple de démarrage est élevé et surtout non contrôlé, sa valeur peut typiquement monter jusque 2 à 3 fois le couple nominal. • avec variateur de vitesse, il est de l’ordre de 1,5 fois le couple nominal et est contrôlé pendant toute l’accélération. • Démarrage • en usage normal, il est brutal et sa durée n’est fonction que des caractéristiques du moteur et de la charge entraînée (couple résistant, inertie). • avec variateur de vitesse, il est progressif, sans à-coup et contrôlé (rampe linéaire de vitesse, par exemple). • Vitesse • en usage normal, elle varie légèrement selon la charge ; pratiquement, elle est proche de la vitesse de synchronisme. • avec variateur de vitesse, elle peut varier à partir de zéro jusqu’à une valeur supérieure à la vitesse de synchronisme. • Couple maximal Cm • en usage normal, il est élevé : il monte jusqu'à 2 à 3 fois le couple nominal. • avec variateur de vitesse, il est également élevé et disponible sur toute la plage de vitesse (de l’ordre de 1,5 fois le couple nominal). • Freinage électrique • en usage normal, il est relativement complexe,nécessitant des protections et un schéma particulier. • avec variateur de vitesse, il est facile à réaliser et peut être accompagné d'une récupération de l'énergie. • Inversion du sens de marche • en usage normal, il est facile seulement après l'arrêt du moteur. • avec variateur de vitesse, il est facile à réaliser, très rapide et contrôlé avec une bonne précision. • Fonctionnement du moteur dans le plan couple – vitesse (pour rappel, figures 1.13 et 1.14) • en usage normal, limité à une section de la courbe de fonctionnement. • avec variateur de vitesse, s'étend sur une plage très large permettant une grande flexibilité. Fonctionnalités intégrées : Les variateurs de vitesse, en plus de leur fonction première et grâce aux développements de l'électronique de leur circuit de commande, intègrent toute une série de fonctionnalités qui auront des conséquences importantes sur l'application. Ces fonctionnalités permettent d’améliorer la qualité de l'application, d’en diminuer ses nuisances sonores, de réduire davantage encore la consommation d’énergie ou encore d’améliorer la durée de vie ou le coût d’entretien de l'installation.Il faut évidemment garder à l’esprit que chacune de ces fonctionnalités ne sera pas utile dans toutes les applications. Nous présentons ici les fonctionnalités les plus courantes et les plus répandues. Elles permettent de se faire une bonne idée des possibilités supplémentaires offertes par les variateurs. La liste n'est pas exhaustive car les possibilités en la matière sont presque illimitées. 54 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 • Fréquence minimum de fonctionnement Elle permet de définir la fréquence minimale à laquelle le variateur aura le droit de faire descendre la vitesse de rotation du moteur. Cela est utile, par exemple, dans le cas où la mécanique mise en oeuvre dans l’application ou l'application elle-même nécessite une rotation minimale du moteur pour conserver un bon comportement (graissage d’une boîte de vitesse, dépôt de givre nuisible,niveau de ventilation minimum, etc.). • Démarrage progressif du moteur Au démarrage, le variateur n’applique pas instantanément la tension correspondant à la consigne de fonctionnement. Cela permet d’éviter les courants trop importants, les échauffements excessifs ainsi que les contraintes mécaniques indésirables. Ces fonctionnalités peuvent également exister pour une accélération ou une décélération importante quel que soit le niveau de vitesse. Dans tous les cas il en résultera une meilleure durée de vie pour le moteur ainsi qu’une exécution «en souplesse » de l’application. • Avertissement haute fréquence C'est la possibilité de fixer une valeur de fréquence de fonctionnement maximale au-delà de laquelle le variateur effectue une opération prédéfinie. Les possibilités peuvent varier entre l’affichage sur la console, l’envoi d’un signal vers l’extérieur, etc. • Saut de fréquence Il permet de programmer des bandes de fréquences indésirables pour l’application. Il s’agit de définir des plages de fréquences de fonctionnement que le variateur de vitesse devra sauter. Cela sera essentiellement utile pour éviter des zones de fonctionnement où le moteur commandé pourrait provoquer un phénomène de résonance avec d’autres équipements mécaniques de l’installation. La variation de vitesse • Mode veille Il permet de définir un niveau de fonctionnement en dessous duquel le variateur de vitesse éteint le moteur commandé. Cette fonction peut être accompagnée d’un paramètre permettant de déterminer un niveau de réveil. Dès qu’une variable du système repasse au dessus d’un certain niveau prédéterminé, le variateur redémarre le moteur. L’autre possibilité est de disposer d’un paramètre permettant de définir un temps de veille au-delà duquel le variateur redémarre le moteur. • Inversion du sens de rotation Le variateur de vitesse est capable, via un système de commutation interne, de réaliser l’inversion du sens de rotation du moteur. • Préchauffage du moteur Le variateur de vitesse injecte de petites quantités croissantes de courant dans le moteur de façon à éviter le démarrage à froid ainsi que les effets néfastes attenants. C'est essentiellement utile dans des environnements froids et / ou humides. • Autorisation de démarrage Le variateur de vitesse prend en considération un signal externe avant d’effectuer son démarrage. Ce signal «système prêt» est utile dans de nombreuses applications. Avant d’effectuer le démarrage du variateur, on peut s’assurer que l’ensemble des autres appareillages sont prêts à fonctionner. • Facilité de programmation Il existe toute une série de fonctionnalités facilitant la programmation d’un variateur de vitesse et plus particulièrement la multiprogrammation : possibilité de charger ou de copier des programmations entre variateurs, d’installer le clavier de programmation dans une cabine de contrôle, d’interchanger les claviers de programmation, etc. • Exportation de données Elle permet d’exporter, vers une centrale de contrôle ou un poste d’automation, des données en provenance de capteurs arrivant au variateur. Le tout sans équipement supplémentaire. • Contrôleur PID Un contrôleur PID (Proportional, Integral and Differential) est utilisé pour contrôler un système variable. La plupart du temps ce contrôle est obtenu en analysant un signal en provenance de capteurs disposés dans le système. Ce signal est alors comparé à la valeur de la commande, et sur 55 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 base de cette comparaison, le contrôleur effectue un calcul. Les contrôleurs de ce type peuvent consister en un P, PI ou PID contrôleur. La différence entre ceux-ci est la façon dont ils sont capables d'extraire l'information du signal. Habituellement ce genre de contrôleurs est constitué d'éléments séparés faisant partie d'un appareillage extérieur comme un système de traitement de l'air, un contrôleur de pompe ou encore un morceau de software intégré dans le système de gestion centralisée du bâtiment. Aujourd'hui les PID sont de plus en plus intégrés dans le variateur de vitesse. Inconvénients des variateurs de vitesse par variation de fréquence • Génération d'harmoniques. Elles sont toujours nuisibles pour les installations électriques. Elles ont nécessairement une conséquence économique liée à : • une diminution du rendement énergétique des installations (perte d'énergie) • plus particulièrement dans le moteur commandé où l'injection de courant non sinusoïdal provoque un excédent de chaleur dissipée qui va nécessiter l'adjonction d'un système de ventilation extérieur au moteur ; • la nécessité de sur-dimensionner les équipements ; • une perte au niveau de l'opérationnalité ou de la productivité des équipements du fait de leur vieillissement accéléré et des éventuels déclenchements intempestifs des protections ; • la nécessité de recourir à des investissements permettant de lutter contre celles-ci. • Rendement du convertisseur. Le convertisseur de fréquence n'a jamais un rendement de 100 %. Cette perte devra donc être comptabilisée dans le calcul global. De plus, le convertisseur perd en rendement à moindre charge (il peut par exemple passer d'une valeur supérieur à 0,95 en vitesse nominale à 0,75 à très faible vitesse). • Sollicitation plus importante des isolants du moteur, du fait des ondes de tension à flanc raide et à fréquence élevée servant à générer la tension d'entrée du moteur. Sollicitation d'autant plus marquée que la fréquence de commande du convertisseur servant à générer la tension d'entrée sinusoïdale du moteur sera plus élevée. • Coût relativement élevé nécessitant un calcul de temps de retour pour l'application considérée. Précautions et protections L'installation d'un variateur de vitesse est une opération délicate qui requiert de l'expérience. D'une part pour le choix de la position du capteur. D'autre part pour la mise en place des diverses protections de lutte contre les effets néfastes des hautes fréquences générées par le variateur. Position des capteurs : Un élément important pour assurer un gain énergétique optimal est la position des capteurs. Comme nous l'avons vu dans l'exemple des pompes de pressurisation, ce positionnement entraîne une différence non négligeable sur la consommation d'énergie de l'installation. En plus de l'économie d'énergie, le bon positionnement assure également une meilleure qualité de régulation et donc une meilleure satisfaction au niveau de l'application. Le positionnement optimal est à étudier pour chaque cas particulier d'application. Par exemple, la solution couramment suggérée pour une application de pompage ou de ventilation est de placer les capteurs de pression aux 3/4 de la longueur totale de la conduite, et ce afin de tenir compte de la perte de pression différente suivant le débit. Pour la même raison, dans le cas d'une application nécessitant un capteur différentiel de pression, on optera pour une position du capteur mesurant directement la perte de pression au travers de la charge. L'attention portée à la position du capteur peut faire varier l'économie d'énergie d'un facteur 2 à 5 ! La solution optimale pour le positionnement n'est pas fondamentalement complexe, elle est simplement trop souvent négligée. 56 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Lutte contre les harmoniques : Nous avons vu que les variateurs de vitesse, de par leurs comportements électriques, étaient des générateurs d'harmoniques. Les harmoniques et les techniques de lutte contre celles-ci constituent un domaine très vaste qui sort des objectifs de cette publication. Dans le cas des variateurs de vitesse, deux orientations retiennent notre attention pour limiter la pollution électrique. Il s'agit d'ajouter une inductance de ligne, qui sera, soit placée en série avec l'alimentation, soit placée directement dans le circuit intermédiaire du variateur de vitesse. Dans les deux cas, elle réduit les harmoniques de courant de ligne, notamment ceux de rang élevé. Dans l'option d'une inductance de ligne en amont du variateur, il est possible de la partager entre plusieurs variateurs. L'intégration de l'inductance de ligne dans le variateur constitue la solution optimale pour conserver le bon cos ∏ caractéristique des variateurs de vitesse (de l'ordre de 0,9). Notons qu'en terme d'harmoniques, les alimentations triphasées sont nettement plus performantes que les alimentations monophasées. Installation et câblage : L'installation et le câblage d'un variateur de vitesse ainsi que de ses éventuels accessoires devront faire l'objet d'une attention toute particulière. En effet, il faut toujours avoir à l'esprit que le variateur de vitesse est un générateur de hautes fréquences. Chaque élément conducteur de l'installation devient donc potentiellement une antenne ou une capacité, imposant l'usage de câblages faradisés, de mise à la terre spéciale, etc. Il est donc généralement conseillé de faire appel à un installateur spécialisé. Protection des installations : Les caractéristiques technologiques des circuits électroniques de puissance ainsi que les caractéristiques de fonctionnement du variateur de vitesse et du moteur font qu'il est nécessaire de prévoir des protections particulières. Ces protections se distinguent des protections propres à chaque circuit électrique (protection classique située au niveau des départs). Un certain nombre de fonctionnalités de protection se retrouvent généralement intégrées dans les variateurs de vitesse modernes. Il est intéressant de vérifier leur disponibilité ainsi que l'adéquation de leurs caractéristiques à l'application : • Protection de surcharge moteur Les variateurs de vitesse peuvent assurer la protection en surcharge du moteur. Ils sont en effet capables de limiter le courant délivré au moteur à un courant plafond de 1,5 fois le courant nominal de fonctionnement. Ils prennent également en charge le calcul de l'énergie dissipée par le moteur et effectuent la corrélation de cette valeur avec la vitesse du moteur de façon à éviter les problèmes de refroidissement à basses vitesses. • Protection contre les court-circuits en aval Il s'agit ici d'assurer la protection de court-circuits aussi bien au niveau du moteur que de la ligne entre le variateur et le moteur. Toute surintensité est détectée au niveau du variateur et donne lieu à l'émission d'un signal de blocage des composants électroniques de puissance de l'onduleur, assurant ainsi la protection du variateur. Le courant de court-circuit sera suffisamment court pour que le condensateur de filtrage du circuit intermédiaire puisse le prendre en charge et ainsi éviter toute perturbation de la ligne en amont. • Autres types de protections • Protection des composants du variateur contre les surchauffes. Un capteur thermique permet de provoquer l'arrêt du variateur, évitant ainsi la destruction des composants. • Protection contre les creux de tension du réseau. Elles permettent d'éviter les dysfonctionnements des circuits de contrôle ainsi que les surintensités au moment du retour à la valeur normale. 57 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 • Dans le cas des variateurs triphasés : protection contre les coupures de phase. Ces coupures sont en effet à l'origine d'une augmentation du courant absorbé. Echauffement du variateur Les variateurs de vitesse n'ont pas un rendement de 100 % (typiquement 95 %). Suivant la puissance du variateur, les 5 % de pertes thermiques peuvent représenter des échauffements non négligeables. Afin d'assurer une bonne durée de vie au variateur, il sera important de veiller à maintenir sa température dans les limites spécifiées par le constructeur. Dans le cas d'un variateur situé dans un coffret, il sera parfois nécessaire de recourir à un système de refroidissement. 58 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 59 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 60 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 61 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Pour Obtenir des résultat crédible , je me suis basé dans mes calculs sur les données techniques et économiques fournis par le service mécaniques et financier à IMACID . Et pour ce qui concerne les courbes présentées ci-dessous , elles sont déterminées par l’application FANSAVE version 5.0 fournit par ABB pour calculer l’énergie consommée on utilisant un variateur de vitesse, Ainsi cette application offre la possibilité de calculer le retour d’investissement . Capture d’écran de FANSAVE CALCULATOR 62 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Les résultats obtenus pour le cas du ventilateur 103AC56 : 63 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Résultat économique : Puisque le tarif de kwh varie selon la tranche d’heure (pleines, creuses,pointes ) , on doit effectuer les calculs de ces trois types séparément pendant toute l’année. • Pleines : Economie annuelle : • Creuses : Economie annuelle : • 64,262.79 MAD 30,971.82 MAD pointes: Economie annuelle : 1562 MAD Total annuel : 96,796.61 MAD 64 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Ce stage a été pour moi, une occasion d’élargir mes champs de connaissance, un échange culturel fructueux avec le monde technique, un canal de se familiariser avec le monde de travail auquel j’appartiendrai à l’avenir L’étude réalisée dans le cadre de ce projet, m’a permis d’acquérir un bagage technique, d’améliorer mes acquis et d’approfondir mes connaissances dans le domaine des systèmes de ventilation et du variateur de vitesse . Ce stage a été une opportunité qui m’a permis de confronter la théorie à la pratique, de s’adapter à la vie professionnelle et de me préparer afin d’être à la hauteur des responsabilités qui je serai confiées dans le future. 65 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 ANNEXE : Tr.horaire N.Tarif Pleines 335,48 Pleines : de 07h à 17h Creuses : de 22h à 07h Pointes : de 17h à 22h Prix de vente à l’ONE en DH/Mwh Creuses Pointes 180,18 456,49 Moyen 305,688 10h 09h 05h Caractéristique ventilateur : Ventilateur centrifuge simple type M18S-3N-1600 : Débit aspiration Pression aspiration totale Masse volumique de référence Masse volumique aspiration Température aspiration Humidité relative Pression Barométrique Température de construction Démarrage circuit fermé Fluide : Pression statique Pression dynamique de refoulement Pression de calcul Vitesse de rotation Rendement Puissance absorbée Puissance motrice conseillée Tension électrique 33,44 m3/s 10mbar 1,28 kg/Nm3 1,017 kg/m3 47 deg.C 100% 1013mbar 54 deg.C A 20°C -corrosif –non colmatant –non abrasif 4900Pa 215 Pa 5297 Pa 1268 tr/min (1343tr/min max) 74,9% 232,63 Kw 300Kw D400/Y690 V Caractéristique moteur : Puissance Tension Courant Cos phi Type Marque 300Kw 690V 305 A 0,9 FISC 355 LB4 L.S 66 Rapport de stage Moto-ventilateur 103AC56 Bibliographie : -Notions fondamentales sur le démarrage des moteurs-ROCKWELL Automation -«Les techniques de commande du moteur asynchrone», Intersections, Groupe Schneider, juin 1998. - «Saving Energy with Electrical Drives», Fachverband Elektrische Antriebe (Division Electric Drive Systems) in the ZVEI, août 1999. - «Ventilateurs centrifuges intelligents à haut rendement», P. Lemmens Air Movement Company. - «VLT 6000 HVAC Application Booklet», Danfoss. - «L’essentiel sur les variateurs de vitesse», Danfoss Drives A/S, 1999, 1ére édition. -«Régulation de vitesse et moteurs à haut rendement», Electrabel, août 1999. -J. Schonek, Y. Nebon, «Protections BT et variateurs de vitesse (convertisseurs de Cahier technique n° 204, Collection Technique, Schneider Electric, mai 2002. fréquence)», -Ph. Ferraci, «La qualité de l'énergie électrique», Cahier technique n°199, Collection Technique, Scneider Electric, février 2001. -Philippe Marique, «L’adaptation des pompes et des ventilateurs aux besoins – Variation de vitesse», Fascicule Technique, Ministère de la Région Wallonne, DGTRE - Service de l'Energie, 1997. -Magnus Kjellberg, Magnus Kjellberg , « SoftStarter Handbook » ABB Automation Technology Products AB, Control February 2003 -Lawrence Berkeley National Laboratory Washington, DC -Resource Dynamics Corporation Vienna, VA, « Improving Fan System Performance a sourcebook for industry » 67
