Entraînements électriques à vitesse variable
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ELEC 2753 Electrotechnique Entraînements électriques à vitesse variable H. BUYSE 2004 - Université catholique de Louvain LES ENTRAÎNEMENTS A VITESSE VARIABLE Augmentation du coût de l'énergie à recherche en vue d'améliorer les rendements énergétiques des différents procédés industriels. Les entraînements de puissance peuvent être améliorés par l'utilisation d'entraînements électriques à vitesse variable. 1. Activités où la vitesse variable est indispensable pour régler le système ou le processus (entraînements de laminoirs et leurs auxiliaires, d'extrudeuses, de mélangeurs, de centrifugeuses, de fours rotatifs, de machines-outils, traction et de propulsion électrique). la vitesse variable ne constitue pas une nouveauté et les solutions utilisées ont évolué avec le développement de la technologie. 2. Entraînements de turbomachines réceptrices (pompes, ventilateurs, soufflantes, compresseurs) qui requièrent un réglage du point de fonctionnement, afin d’adapter la machine aux paramètres d' exploitation du processus. - Réglage traditionnel : vannage, persiennes, aubes directrices ajustables, pales d’incidence variable à pertes de charge supplémentaires à augmentation de la puissance consommée. - Vitesse variable : déplacement de la caractéristique de la turbomachine à point de fonctionnement souhaité ( puissance consommée = puissance utile nécessaire). 2 2004 - Université catholique de Louvain 1 Quelques évolutions techniques Les progrès des semiconducteurs de puissance (diodes, thyristors, transistors) permettent aujourd' hui de réaliser des convertisseurs de courant, de tension, de fréquence, dans une gamme de puissance allant de quelques centaines de watts à plusieurs dizaines de mégawatts. Résultat de plusieurs développements techniques : - transistors de puissance (transistors à jonction et à effet de champ, Insulated Gate Bipolar Transistors: IGBT) pour les applications de faible et moyenne puissance; - convertisseurs de très grandes puissances (à thyristors ou thyristors blocables) alimentés directement par le réseau moyenne tension; - convertisseurs opérant à des fréquences très supérieures à 50 Hz permettant d' alimenter des moteurs à grande vitesse pour attaque directe de machines rapides (compresseurs, pompes, centrifugeuses, meules, etc...); - le développement de techniques numériques et des microprocesseurs permet des progrès dans la commande des convertisseurs et la régulation des systèmes d' entraînement. Ces dispositifs assurent en outre des fonctions des communication avec l' utilisateur. 3 2004 - Université catholique de Louvain Caractéristiques de l ’entraînement L’importance des économies réalisables par l' utilisation des entraînements à vitesse variable dépend de plusieurs facteurs - le temps de fonctionnement de l' installation - le temps d'utilisation à charge partielle - les caractéristiques de la charge entraînée - le rendement des divers appareils - le coût de l'énergie électrique. La caractéristique couple/vitesse de la charge entraînée joue un rôle essentiel. On distinguera les charges caractérisées par un couple : - proportionnel au carré de la vitesse ( G = kN2, P = kN3), comme les turbopompes et les ventilateurs. - proportionnel à la vitesse (G = k’N , P = k’N2), comme les presses, les calandres (frottement visqueux). - constant (G = k" , P = k"N ), comme les pompes volumétriques, les laminoirs, les engins de levage. - inversement proportionnel à la vitesse (donc un fonctionnement à puissance constante), comme les bobineuses. 4 2004 - Université catholique de Louvain 2 Choix d ’un système d ’entraînement Le choix d'un système d'entraînement À caractéristiques et conditions d' emploi. - Puissance maximale, vitesse maximale, plage de réglage de la vitesse, caractéristique du couple résistant /vitesse, performances dynamiques, synchronisation avec d ’autres machines. - Conditions d ’environnement, possibilités d' entretien. - Conditions provenant du réseau d' alimentation. - Masse, encombrement. - Coût d' investissement et d' exploitation. Le moteur à courant continu, adapté à la vitesse variable = solution traditionnelle. Collecteur inadapté en raison de l' environnement ou des conditions d' exploitation. Collecteur à limites de vitesse et de puissance. à développement d' entraînements à vitesse variable avec machines sans collecteur. 5 2004 - Université catholique de Louvain Classification des entraînements électrique 1. Tout système d' entraînement à vitesse variable comprend un convertisseur électromécanique qui est le moteur électrique , il peut être une machine à collecteur (1), une machine à bagues (2) ou une machine sans collecteur ni bagues (3). 2. L'énergie primaire peut provenir d’une source de tension continue (1), être directement prélevée au réseau industriel (2) ou à des sources possédant des caractéristiques particulières (par exemple : alternateur moyenne fréquence). 3. Le moteur est alimenté sous une forme appropriée par un convertisseur électrique fournissant des tensions, des courants ou des fréquences variables; ce convertisseur peut comporter plusieurs éléments en cascade. Seuls les convertisseurs électroniques de puissance ont été pris en considération. Une filière peut être caractérisée par la nature du moteur électrique (indice 1) , par la nature ou l’origine du courant primaire d’alimentation (indice 2) et par le principe de fonctionnement du convertisseur statique (indice 3) 6 2004 - Université catholique de Louvain 3 1.1.1. Moteur à courant continu, source à courant continu, hacheur unidirectionnel Moteur à excitation indépendante 7 Moteur série 2004 - Université catholique de Louvain 1.1.1. Performances des entraînements à moteur à courant continu alimenté par hacheur 1 Courant Applications en traction électrique Tension 8 2004 - Université catholique de Louvain 4 1.1.2. Moteur à courant continu, source à courant continu, hacheur bidirectionnel Hacheur bidirectionnel en courant 9 Hacheur bidirectionnel en courant et en tension 2004 - Université catholique de Louvain 1.2.1. Moteur à courant continu, source à courant alternatif, redresseur semi-commandé Pont semi-commandé triphasé 10 Pont semi-commandé monophasé 2004 - Université catholique de Louvain 5 1.2.1. Moteur à courant continu, source à courant alternatif, redresseur commandé Redresseur en pont commandé Réversibilité en tension 11 Montage tête-bêche de deux redresseurs en pont commandés Réversibilité en tension et en courant 2004 - Université catholique de Louvain Limites de performances des moteurs à courant continu Puissance Vitesse 12 2004 - Université catholique de Louvain 6 Performances des moteurs à courant continu alimentés par redresseur Courant Tension 13 2004 - Université catholique de Louvain 2.1.1. Machine synchrone auto-pilotée Performances Schéma 14 2004 - Université catholique de Louvain 7 2.2.1. Machine synchrone alimentée par cycloconvertisseur 1 15 2004 - Université catholique de Louvain 2.2.2. Cascade hyposynchrone Performances Schéma 16 2004 - Université catholique de Louvain 8 2.2.3. Machine asynchrone doublement alimentée 17 2004 - Université catholique de Louvain 3.1.1. Moteur asynchrone à cage alimenté par onduleur de tension Onduleur pleine onde - source continue variable Onduleur à Modulation de Largeur d ’Impulsions - source continue fixe 18 2004 - Université catholique de Louvain 9 3.1.2. Moteur asynchrone à cage alimenté par onduleur de courant 19 2004 - Université catholique de Louvain Performances des moteurs asynchrones à cage Puissance Courant Vitesse 20 Tension 2004 - Université catholique de Louvain 10 3.1.3. Moteur synchrone auto-piloté sans balais Schéma 21 Performances 2004 - Université catholique de Louvain 3.2.1. Moteur asynchrone alimenté par gradateur Schéma 22 Caractéristiques couple:vitesse 2004 - Université catholique de Louvain 11 3.2.2. Moteur cascade doublement alimenté 23 2004 - Université catholique de Louvain 3.2.3. Moteur asynchrone alimenté par cycloconvertisseur 24 2004 - Université catholique de Louvain 12 3.2.4. Moteur synchrone sans balais alimenté par cyclocovertisseur 1 25 2004 - Université catholique de Louvain Variantes d ’entraînement d ’une pompe Pompe entraînée à vitesse constante + vanne de réglage 26 Pompe entraînée à vitesse variable 2004 - Université catholique de Louvain 13
