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SOLUTIONS
AUTOMATISMES
ENTRAÎNEMENTS À
MOTEURS ASYNCHRONES:
10 PIÈGES À ÉVITER
■ Nombreux
sont ceux qui croient pouvoir caractériser rapidement une application et choisir tout aussi
rapidement l’association moteur/variateur adéquate. Mais un choix trop hâtif conduit souvent à surdimensionner l’entraînement, ne serait-ce que pour se réserver une marge de sécurité. Dans d’autres cas,
on sous-dimensionnera l’entraînement, croyant faire ainsi des économies. En fait, il suffit de suivre
quelques règles relativement simples pour obtenir le bon compromis. Voici les recommandations
d’ABB sur la question.
L
e sur-dimensionnement d’un entraînement se traduit par des dépenses
injustifiées, avec un surcoût à la fois à
l’achat (équipement trop puissant) et
en exploitation.
A l’inverse, un sous-dimensionnement de
l’entraînement peut créer en exploitation des
problèmes d’un coût bien supérieur aux économies que l’on croyait faire à l’achat.
Pour éviter ces erreurs, il suffit de respecter
quelques principes simples.
en bobines dont le diamètre varie.
Charge à couple constant : caractérise la plupart des autres applications. D’autres types de
Pour bien choisir le
moteur et le variateur de vitesse adaptés à l’application, il
faut d’abord bien
connaître son procédé, le comportement
de la charge à entraîner, la durée des
périodes de surcharge, etc. Faute de
quoi, il en résultera
des surcoûts, tant au
moment de l’achat
que pendant
l’exploitation.
MESURES 718 - OCTOBRE 1999
Doc. ABB
1 - Ne vous trompez pas
de type de charge
Avant toute chose, il importe de connaître le
type de charge à entraîner. En vous trompant
de type de charge, vous pouvez surdimensionner votre moteur et votre variateur et,
donc dépenser beaucoup plus que nécessaire. On distingue essentiellement trois types
de charge :
Charge à couple quadratique : applications
de pompage et de ventilation
Charge à puissance constante : un exemple
typique est l’enroulage/déroulage de produits
charge existent, comme les charges à couple
linéaire, mais elles restent relativement rares.
Vous devez également connaître la vitesse à
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SOLUTIONS
TYPE DE CHARGE A ENTRAÎNER
1. Couple constant
- Convoyeurs
- Extrudeuses
- Compresseurs
P
C
n
P
2. Couple quadratique
- Pompes
centrifuges
- Ventilateurs
C
la vitesse de rotation du moteur.
Toutefois, si vous choisissez un petit moteur
et décidez de lui adjoindre une ventilation
séparée (par exemple, un motoventilateur),
il vous en coûtera plus que si vous choisissiez
un moteur autoventilé de plus grosse puissance.
4 - Définissez avec précision les temps
de cycle de fonctionnement
laquelle la puissance nominale est atteinte, de
même que les vitesses mini et maxi.
Lorsque vous déterminez les temps de cycle,
vous devez définir très précisément les
périodes de surcharge. Dans certains cas, vous
pourrez choisir un moteur plus petit, car le
temps de refroidissement est suffisant.
La constante de temps du variateur n’est que
de 4 à 6 minutes, ce qui signifie qu’il
s’échauffe et refroidit très vite. Ainsi, en définissant avec exactitude les périodes de surcharge, votre choix sera plus précis. Si la surcharge se prolonge au-delà de 10 minutes,
elle peut être considérée comme une charge
constante.
Dans les petits moteurs, la constante de temps
est de 15 minutes alors qu’elle peut atteindre
deux heures dans les gros moteurs. Pour ces
derniers, le temps de surcharge n’est pas un
critère de choix prioritaire.
2 - Evitez de définir une vitesse
minimale trop basse
5 - Bien choisir la classe
d’échauffement du moteur
Vous devez connaître la plage de vitesses en
régime établi de votre application. Très souvent, les utilisateurs définissent la vitesse nulle comme valeur de vitesse minimale, alors
même que la machine entraînée ne descend
jamais à ce niveau de vitesse. La vitesse nulle
est peut-être uniquement nécessaire au démarrage.
Prenons un exemple. Une extrudeuse fonctionne dans la plage de vitesses de 300 à
1 000 tr/min. Si vous dimensionnez un
moteur pour une plage de vitesses de 0 à
1 000 tr/min, le refroidissement à basse vitesse sera le facteur de limitation des performances du moteur autoventilé, vous obligeant
à acheter un moteur plus puissant et donc plus
onéreux. Vous avez ainsi payé plus cher simplement parce que vous avez négligé quelques
valeurs de base pour dimensionner votre
entraînement.
Si rien ne justifie le choix de la classe d’échauffement B, préférez la classe F. La classe
d’échauffement B ne doit être utilisée qu’avec
des intervalles de lubrification plus longs des
roulements ou si les contraintes d’environnement imposent un moteur de température
plus faible pour des raisons de sécurité,
notamment dans les milieux exposés aux
risques d’explosion (industrie du pétrole et
du gaz, chimie et pétrochimie).
n
C
3. Puissance constante
- Rouleaux
P
n
4. Puissance/couple
constants
- Bobineuses de
machine à papier
C
C
n
Avant de choisir un moteur ou un variateur, il
faut d’abord connaître le comportement de la
charge à entraîner.
6 - Définissez correctement la plage
de vitesse en surcharge
Prenons l’exemple d’un four à ciment (appli-
DIMENSIONNEMENT DU MOTEUR
C
Capacité de charge
en régime établi
Démarrage
a Moteur b plus
b petit que moteur a
Charge en
régime établi
Critères de dimensionnement
Le moteur doit être précisément dimensionné
en fonction de la vitesse requise par le procédé. Si vous spécifiez une plage de vitesses
partant de la vitesse nulle alors que votre procédé fonctionne entre 300 et 1 000 tr/min,
vous surdimensionnez votre moteur.
cation à couple constant) : la surcharge est
uniquement appliquée au démarrage, le procédé lui-même ne connaît aucune surcharge.
Si vous ne connaissez pas bien votre procédé,
vous allez prévoir la même plage de vitesse
en régime établi qu’en surcharge, et vous risquez de surdimensionner à la fois votre
moteur et votre variateur de vitesse.
En effet, si vous définissez des surcharges sur
toute la plage de vitesse, le critère de dimensionnement de votre moteur sera la surcharge requise à vitesse maxi. Il en résultera une
augmentation du courant dans la zone de
défluxage, du fait de la charge à couple
constant. Pour répondre à cette demande en
courant, vous allez choisir un variateur de
vitesse de calibre peut-être deux fois supérieur à celui que vous auriez choisi si vous
aviez bien connu le niveau de surcharge.
Ce qu’il importe de retenir ici, c’est qu’il faut
bien connaître son application et son procédé
pour savoir exactement à quel moment les
surcharges sont appliquées et leur incidence
sur le dimensionnement de l’entraînement.
Il est alors possible de définir la fréquence des
surcharges.
TYPE DE VENTILATION
C
Capacité de charge
en régime établi d'un
moteur autoventilé
3 - Dans certains cas, une ventilation
forcée plutôt qu’une autoventilation
Choisir une ventilation forcée avec un petit
moteur peut donner la même capacité de
refroidissement qu’un moteur de plus grosse
puissance. Avec une ventilation forcée, vous
obtenez la même capacité de charge qu’au
point de fonctionnement nominal, car le
refroidissement est identique quelle que soit
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n (tr/min)
1000
300
Capacité de
charge en régime
établi d'un moteur
à ventilation forcée
Charge
Le moteur autoventilé est plus
puissant que le moteur à
ventilation forcée. Ce dernier
n’en est pas moins capable
d’entraîner la charge.
Critère de dimensionnement
n (tr/min)
MESURES 718 - OCTOBRE 1999
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CHOIX DE LA CLASSE DE TEMPÉRATURE
C/Cn
120 %
Refroidissement
séparé
Classe d’échauffement F
utilisée pour les moteurs
en classe B
110 %
100 %
90 %
80 %
Classe
d'échauffement B
70 %
Si rien ne justifie le choix de la
classe d’échauffement B, préférez la classe F. La classe
d’échauffement B ne doit être
utilisée qu’avec des intervalles
de lubrification plus longs des
roulements ou si les
contraintes d’environnement
imposent un moteur de température plus faible pour des
raisons de sécurité.
60 %
50 %
40 %
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1
1,2 1,4 1,6 1,8 2
Vitesse relative
7 - Bien dimensionner
le variateur en fonction du moteur
Le courant nominal du moteur est différent
de son courant de charge, même si les deux
valeurs sont parfois égales.
Lorsque vous dimensionnez votre moteur,
vous appliquez normalement un facteur de
déclassement du fait, par exemple, du mode
de ventilation du moteur, de conditions
MESURES 718 - OCTOBRE 1999
ambiantes (température et altitude), et parce
que la puissance des moteurs disponibles est
généralement supérieure à celle de vos besoins
réels. De même, la plage de vitesse peut être
différente des valeurs du catalogue pour un
démarrage direct.
Cela signifie que le courant moteur nominal,
mesuré à vitesse nominale et puissance nominale, n’est pas valable pour la plupart des cas.
Le courant de charge réel doit être calculé avec
la formule figurant en général dans la documentation technique des constructeurs de
variateurs de vitesse.
8 - Bien dimensionner le convertisseur
réseau (partie redresseur)
Lorsqu’une surcharge est appliquée au
moteur, elle est également appliquée à l’onduleur car le courant correspondant doit être
fourni au moteur. Cela signifie que l’onduleur doit être dimensionné en fonction des
surcharges, quelle que soit la vitesse.
Lors du dimensionnement du convertisseur
réseau, la puissance de sortie utile du moteur
doit donc être prise en compte car elle affecte directement la taille de ce convertisseur.
Cependant, sachant que la puissance est le produit
de la vitesse par le couple, une surcharge à basse
vitesse (démarrage) n’a aucune incidence sur le
convertisseur réseau.
Prenons un exemple. Si la plage de vitesse en régime établi va de 200 à 1000 tr/min et qu’au démarrage il vous faut 250% de surcouple dans une plage de vitesses de 0 à 200 tr/min, quelle est la
capacité de surcharge requise?
Psurcharge = 250%.Pbase.(200/1000) = 0,5.Pbase.
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SOLUTIONS
CHOIX DE LA PLAGE DE VITESSE EN SURCHARGE
C
L'intensité augmente
au-delà du point
de défluxage
I
Capacité
de charge
maximale
La plage de vitesse en pointillé
n’étant pas requise, elle entraînerait
le surdimensionnement du moteur
et du variateur de vitesse.
10 - Les creux de tension jouent sur le
couple de décrochage du moteur
Intensité
de surcharge
Surcharge
Inutile
Capacité de charge permanente
Charge en
régime établi
n (tr/min)
Vous n’avez besoin, par conséquent,
d’aucune capacité de surcharge.
9 - La puissance du convertisseur
réseau varie avec la tension réseau
La puissance fournie par un convertisseur
réseau à diodes en montage hexaphasé est
donnée par la formule :
Pcc = Ucc.Icc = 1,35.Un.Icc.
convertisseur réseau de calibre supérieur.
En cas de creux de tension réseau, la puissance de sortie utile du convertisseur réseau sera
également affectée.
Vous risquez alors de sous-dimensionner le
convertisseur réseau.
Cela signifie qu’avec un convertisseur réseau
calibré 690 V fournissant 1 000 kW, vous
n’obtiendrez pas la même puissance que si le
même convertisseur est alimenté par un réseau
660 V ou 575 V.
Pour disposer de plus de puissance avec un
niveau de tension inférieure, vous devez augmenter Icc (intensité du bus courant continu)
ce qui vous oblige parfois à opter pour un
Le couple maximum du moteur est donné par :
2
0,5.3.p.U S
Cb =
w.(Xqs+Xqr)
où p est le nombre de paires de pôles, Us la
tension statorique, w la vitesse de rotation, et
Xqs l’inductance de fuite du stator et Xqr
l’inductance de fuite du rotor.
De l’équation, on déduit que le couple maximum est proportionnel au carré de Us, ce qui
implique que les creux de tension ont une
incidence importante sur le couple maximum
du moteur.
Le niveau de charge en régime établi dans la
zone de glissement constant (zone de défluxage, où la courbe de couple maximum rejoint
la courbe de capacité de charge en régime établi) et la capacité de surcharge doivent pouvoir
être maintenus, quelle que soit la nature des
perturbations réseau. Une chute de tension
réseau de 10 % donne un creux de 19 % à
couple maxi (0,92 = 0,81).
Ceci s’applique si l’alimentation en courant
continu est fournie par un redresseur à diodes
en montage hexaphasé ou par un redresseur à
thyristors. Si ce dernier abaisse la tension, par
exemple de 830 V à 690 V, vous devez alors
calculer la valeur du creux de tension et définir s’il affecte la tension moteur. Si on reprend
notre exemple, 830 V - 10% = 747 V, ce qui
est supérieur à 690 V et ne présente, donc,
aucun problème.
En utilisant un redresseur contrôlé à IGBT, vous
pouvez augmenter la tension en fonction du
courant, de façon à masquer les petits creux de
tension aux bornes du moteur. Dans ce cas,
vous optimisez le dimensionnement de votre
moteur car son couple de décrochage n’est pas
atteint.
Si vous respectez tous ces principes de base,
votre système d’entraînement sera dimensionné en adéquation totale avec les besoins de votre
application, c’est-à-dire que les coûts d’investissement et d’exploitation seront parfaitement
justifiés, sans aucune dépense inutile.
Philippe Brem
Responsable produits vitesse variable
ABB Industrie
ABB Industrie Drives
15, rue Sully
69150 Décines
Tél. 04 72 05 40 37 - Fax. 04 72 05 40 30
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