Entraînements électriques à vitesse variable

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2004 - Université catholique de Louvain
Entraînements électriques à vitesse variable
Entraînements électriques à vitesse variable
H. BUYSE
H. BUYSE
ELEC 2753 Electrotechnique
22004 - Université catholique de Louvain
LES ENTRAÎNEMENTS A VITESSE VARIABLE 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).

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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.
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Caractéristiques de l’entraînement
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.

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Choix d’un système d’entraînement
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.
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Classification des entraînements électrique
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)

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1.1.1. Moteur à courant continu, source à
1.1.1. Moteur à courant continu, source à
courant continu, hacheur unidirectionnel
courant continu, hacheur unidirectionnel
Moteur à excitation indépendante Moteur série
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1.1.1. Performances des entraînements à
1.1.1. Performances des entraînements à
moteur à courant continu alimenté
moteur à courant continu alimenté p par hacheur ar hacheur
Applications
en traction
électrique
Courant
Tension

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1.1.2. Moteur à courant continu, source à
1.1.2. Moteur à courant continu, source à
courant continu, hacheur bidirectionnel
courant continu, hacheur bidirectionnel
Hacheur bidirectionnel
en courant
Hacheur bidirectionnel
en courant et en tension
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1.2.1. Moteur à courant continu, source à
1.2.1. Moteur à courant continu, source à
courant alternatif, redresseur semi-commandé
courant alternatif, redresseur semi-commandé
Pont semi-commandé triphasé Pont semi-commandé monophasé