Transparents du cours 10 - Université catholique de Louvain
publicité
ELEC 2753 Electrotechnique Entraînements électriques à vitesse variable Essentiellement repris de H. BUYSE 2012 - Université catholique de Louvain LES ENTRAÎNEMENTS A 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 pertes de charge supplémentaires augmentation de la puissance consommée. - Vitesse variable : déplacement de la caractéristique de la turbomachine point de fonctionnement souhaité ( puissance consommée = puissance utile nécessaire). Augmentation du coût de l'énergie 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. 2 2012 - Université catholique de Louvain Exemple : variantes d ’entraînement d ’une pompe Pompe entraînée à vitesse constante + vanne de réglage 3 Pompe entraînée à vitesse variable 1 2012 - Université catholique de Louvain 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. 4 2012 - 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 ( = kN2, P = kN3), comme les turbopompes et les ventilateurs. - proportionnel à la vitesse ( = k'N , P = k'N2), comme les presses, les calandres (frottement visqueux). - constant ( = 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). 5 2012 - Université catholique de Louvain Choix d ’un système d ’entraînement Le choix d'un système d'entraînement 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 limites de vitesse et de puissance. développement d'entraînements à vitesse variable avec machines sans collecteur. 6 2012 - 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) 7 2012 - Université catholique de Louvain 1.1.1. Moteur à courant continu, source à courant continu, hacheur unidirectionnel Moteur à excitation indépendante 8 Moteur série 2012 - Université catholique de Louvain Deux transparents qui ont été vus en semaine 7 Dans beaucoup de cas, l’inducteur est prévu pour pouvoir être connecté en série avec l’induit. On parle alors de moteur DC série (le fonctionnement en dynamo est impossible si la charge se comporte comme une source de tension car il est alors électriquement instable). On obtient les équations de cette machine en ajoutant à Ra la résistance de l’inducteur série, et en identifiant ia et if . 9 2012 - Université catholique de Louvain L’avantage de ce moteur est que, quand le couple demandé est élevé, le courant d’excitation croît automatiquement. La caractéristique couple-vitesse est la représentée ci-contre. L’inconvénient est un risque d’emballement en cas de disparition de la charge mécanique. Il est utilisé en traction sur des véhicules sans embrayage ! Le risque d’emballement est réduit quand le moteur est utilisé avec une régulation de vitesse. 10 2012 - Université catholique de Louvain 1.1.1. Gamme d’application des entraînements à moteur à courant continu alimenté par hacheur 1 Courant Applications en traction électrique Tension 11 2012 - Université catholique de Louvain 1.1.2. Moteur à courant continu, source à courant continu, hacheur bidirectionnel Hacheur bidirectionnel en courant 12 Hacheur bidirectionnel en courant et en tension 2012 - Université catholique de Louvain 1.2.1. Moteur à courant continu, source à courant alternatif, redresseur semi-commandé Pont semi-commandé triphasé 13 Pont semi-commandé monophasé 2012 - Université catholique de Louvain 1.2.1. Moteur à courant continu, source à courant alternatif, redresseur commandé Redresseur en pont commandé Réversibilité en tension 14 Montage tête-bêche de deux redresseurs en pont commandés Réversibilité en tension et en courant 2012 - Université catholique de Louvain Gamme d’application des moteurs à courant continu Puissance Vitesse 15 2012 - Université catholique de Louvain Gamme d’application des moteurs à courant continu alimentés par redresseur Courant Tension 16 2012 - Université catholique de Louvain 2.1.1. Machine synchrone auto-pilotée Gamme d’application Schéma 17 2012 - Université catholique de Louvain 3.1.1. Moteur synchrone auto-piloté sans balais Gamme d’application Schéma 18 2012 - Université catholique de Louvain 2.2.1. Machine synchrone alimentée par cycloconvertisseur 1 19 2012 - Université catholique de Louvain 3.2.1. Moteur synchrone sans balais alimenté par cycloconvertisseur 1 20 2012 - 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 21 2012 - Université catholique de Louvain 3.1.2. Moteur asynchrone à cage alimenté par onduleur de courant 22 2012 - Université catholique de Louvain Application aux chemins de fer 23 2012 - Université catholique de Louvain Gamme d’application des moteurs asynchrones à cage Puissance Courant Vitesse 24 Tension 2012 - Université catholique de Louvain 3.2.1. Moteur asynchrone alimenté par gradateur Schéma Caractéristiques couple:vitesse 1 25 2012 - Université catholique de Louvain 2.2.2. Cascade hyposynchrone Performances Schéma 26 2012 - Université catholique de Louvain 2.2.3. Machine asynchrone doublement alimentée 27 2012 - Université catholique de Louvain 3.2.3. Moteur cascade doublement alimenté 28 2012 - Université catholique de Louvain 3.2.4. Moteur asynchrone alimenté par cycloconvertisseur 29 2012 - Université catholique de Louvain
