Prendre un bon départ

De nouveaux démarreurs
électroniques progressifs pour
les moteurs électriques
Depuis l’apparition des premiers moteurs électriques, les ingénieurs tentent
d’éviter leurs démarrages brusques et violents. Plusieurs solutions
ont été élaborées au cours des années, mais toutes avaient leurs
inconvénients. C’est seulement avec l’avènement du
démarreur progressif que des démarrages en
douceur et sans à-coups devinrent possibles
sans aucun des inconvénients des solutions
précédentes. Aujourd’hui, ABB propose une
nouvelle génération de démarreurs progressifs
associant électronique de puissance et circuits
intelligents pour la commande haute précision du
courant et de la tension pendant la phase de démarrage
du moteur avec quelques fonctions supplémentaires.
Prendre un bon départ
Sören Kling
S
i vous êtes skieur, vous connaissez
le désagrément du départ brutal du
remonte-pente. Le même problème, mais
à une autre échelle, coûte des millions de
dollars aux industriels chaque année: de
très nombreux moteurs à courant alternatif (c.a.) – utilisés pour entraîner des ventilateurs, broyeurs, agitateurs, pompes,
convoyeurs, etc. – sont jour et nuit soumis à des pointes de charge dans les usines du monde entier.
56
Ces démarrages brusques et par àcoups des moteurs c.a. sont source de
nombreux problèmes, notamment:
n Problèmes électriques liés aux surintensités transitoires du fait des modes de
démarrage direct ou étoile-triangle. Ces
transitoires peuvent perturber le réseau
électrique du site et provoquer des variations de tension dommageables pour les
autres équipements électriques raccordés
au réseau,
Problèmes mécaniques qui imposent
de fortes contraintes à l’ensemble des
éléments constitutifs de la chaîne cinématique, du moteur à la machine entraînée,
n Problèmes d’exploitation comme les
coups de bélier dans la tuyauterie,
la détérioration des produits sur les bandes transporteuses, ou encore des ascenseurs aux démarrages et aux arrêts
brusques.
n
Revue ABB 1/2002
Les conséquences financières sont
considérables: chaque problème technique, chaque panne coûte cher – il faut
réparer et arrêter la production. Pour un
industriel, ces arrêts sont les plus coûteux.
Un éternel problème
Le problème du démarrage des moteurs
électriques existe depuis toujours; plusieurs solutions ont été élaborées et mises
en œuvre.
Démarreur étoile-triangle
Une première solution fut le démarreur
étoile-triangle. Pendant le démarrage, les
enroulements statoriques du moteur sont
couplés en étoile entre les conducteurs de
phase et le neutre du réseau, réduisant
ainsi la tension moteur – et donc le cou3.
rant moteur 1 – par un facteur de 1/√¯¯¯
Dès que le moment d’inertie principal est
vaincu, les enroulements du moteur sont
couplés en triangle entre les conducteurs
de phase du réseau pour atteindre la tension et la puissance assignées du moteur.
1
Cependant, ce type de démarreur ne supprime pas les transitoires mécaniques et
électriques préjudiciables; il ne fait que
les atténuer légèrement en les décalant
dans le temps, d’une part, lors de la mise
sous tension initiale et, d’autre part, lors
du passage d’étoile en triangle.
Cela est vrai pour des conditions normales d’exploitation; malheureusement,
dans d’autres cas, le passage d’étoile en
triangle peut avoir des effets plus néfastes
que le démarrage direct.
Pour toutes ces raisons, le démarreur
étoile-triangle constitue une solution simple mais limitée au problème d’appel de
courant et d’à-coups au démarrage.
Moteur à bagues
Autre solution: le moteur à bagues qui est
démarré avec une résistance raccordée au
rotor via un dispositif à bagues. Ainsi, le
courant de démarrage peut être réduit
tout en maintenant le couple moteur au
niveau requis pour démarrer la charge.
Pendant le démarrage et la montée en
vitesse du moteur, la résistance rotorique
est progressivement réduite. Dès que la
résistance de démarrage est complètement hors circuit, le moteur peut accélérer jusqu’à sa pleine vitesse. A ce stade,
les enroulements rotoriques sont courtcircuités, le moteur fonctionnant alors
comme un moteur à cage d’écureuil classique.
L’avantage du moteur à bagues est le
couple élevé obtenu avec un courant de
démarrage limité. Cette solution convient
plus particulièrement aux applications
avec charge à fort couple résistant (ex.,
broyeurs et laminoirs). Son inconvénient:
sa structure électromécanique complexe
comprenant balais, bagues, résistances et
contacteurs qui augmentent les coûts
(notamment maintenance) et réduisent la
fiabilité.
Convertisseur de fréquence
Le convertisseur de fréquence offre des
performances techniques supérieures aux
deux solutions précédentes car il permet
Courbes comparatives des différents modes de démarrage (direct, étoile-triangle et progressif) en termes de tension
moteur (V), courant moteur (I) et couple moteur (T).
n
Vitesse moteur
t
Temps
V
100%
Tension moteur
Couple moteur
Courant moteur
I
Direct
Etoile/triangle
Progressif
T
Direct
Etoile/
triangle
70%
30%
Etoile/
triangle
Progressif
Progressif
58%
Pente de
rampe réglable
t
Revue ABB 1/2002
Direct
n
n
57
une commande et une régulation précises
de toutes les variables concernées (vitesse, couple et puissance) sur l’ensemble du
cycle de fonctionnement du moteur,
depuis son démarrage jusqu’à son arrêt.
Autre avantage important: il ne comporte
aucune pièce mobile. Sa fiabilité est donc
élevée et sa maintenance minimale.
Mais cette solution a l’inconvénient
d’exiger un investissement de départ relativement élevé, ce qui l’exclut de nombreuses applications, plus particulièrement celles où aucune action de com-
mande ou de régulation n’est requise en
cours de fonctionnement normal.
Cependant, les convertisseurs de fréquence gagnent du terrain au fur et à
mesure que les performances de cette
technologie s’améliorent et que les prix
chutent. Aujourd’hui, ils ont pratiquement
supplanté le moteur à bagues.
Démarreur progressif
Le démarreur progressif, arrivé sur le marché il y a une vingtaine d’années, s’apparente au convertisseur de fréquence dans
ce sens qu’il s’agit également d’un dispositif électronique à thyristors. Il vient combler le vide en termes de fonctionnalité et
de prix entre les démarreurs étoile-triangle et les convertisseurs de fréquence.
Avec les démarreurs progressifs, la tension moteur peut être commandée pour
augmenter graduellement en phase de
démarrage, limitant ainsi naturellement le
courant de démarrage 1 . Cela signifie
que le moteur démarre en douceur et que
les contraintes mécaniques et électriques
sont minimisées. Cerise sur le gâteau, ce
« Moins de perturbations de fonctionnement »
« Notre expérience des démarreurs progressifs est très
concluante. Ils remplissent parfaitement leur rôle et ne nous
posent aucun problème d’ordre technique. Les perturbations
de fonctionnement ont été réduites, avec un impact positif
sur nos coûts. Dans chaque démarreur, nous utilisons la
fonction de bypass pour délester les thyristors et réduire la
dissipation thermique. Si nous identifions de nouvelles applications pour les démarreurs progressifs, nous en installerons
d’autres. »
Andreas Allerbo, ingénieur électricien et instrumentiste
chez Kemira Kemi AB, Helsingborg, en Suède.
Les démarreurs progressifs ABB sont utilisés depuis
plusieurs années sur les moteurs des pompes, mélangeurs
et ventilateurs 160 kW de la société Kemira Kemi AB qui
fabrique des produits chimiques pour l’industrie et l’agriculture à Helsingborg, en Suède. Ils ont été installés pour réduire
les contraintes imposées aux accouplements entre les
moteurs et les machines entraînées, pour supprimer les
coups de bélier dans les réseaux de tuyauterie, etc. Andreas
Allerbo, ingénieur électricien et instrumentiste de l’entreprise,
qui appartient au groupe finlandais Kemira Oy, explique :
58
Une des deux pompes nouvellement installées chez
Kemira Kemi AB et dotées de démarreurs progressifs
PS S d’ABB, essentiellement pour supprimer les coups de
bélier dans la tuyauterie de la station de pompage.
Revue ABB 1/2002
2
Les convoyeurs et les ascenseurs sont deux exemples types d’application pour lesquels les nouveaux démarreurs
progressifs ABB offrent de nombreux avantages.
dispositif peut également être utilisé pour
l’arrêt progressif.
Le démarreur progressif étant à base
d’électronique, il est relativement aisé de
lui ajouter des fonctions de sécurité et de
signalisation d’état pour améliorer la protection du moteur et simplifier la localisation des défauts (ex., protection contre la
perte de phase, les surintensités et
l’échauffement anormal, de même que la
signalisation de fonctionnement normal,
de tension moteur assignée et de certains
défauts.)
Tous les réglages, comme celui de la
pente de la rampe de démarrage et de la
tension initiale, peuvent aisément être
réalisés en face avant de l’appareil.
Par conséquent, le démarreur progressif satisfait pleinement les besoins de base
de démarrage en douceur des moteurs
électriques, tout en offrant des atouts en
termes de fiabilité, de maintenance, de
protection du moteur et de simplicité de
configuration.
Les démarreurs progressifs ne conviennent pas toujours à des applications de
commande de moteur exigeant un fort
couple de démarrage. Cette limitation est
Revue ABB 1/2002
liée au fait que pour démarrer le moteur,
l’appareil augmente la tension moteur jusqu’à sa valeur assignée (et à l’inverse,
pour l’arrêter, il la réduit jusqu’à la valeur
de coupure réglée). Le couple étant proportionnel au carré de la tension, le
moteur raccordé est incapable d’atteindre
le couple maximum dès le départ. C’est
pour cette raison que le démarreur progressif est plus adapté à la commande de
moteurs de faible puissance et plus faciles
à démarrer, comme les moteurs de pompes, ventilateurs, convoyeurs et ascenseurs 2 .
3
Nouvelle gamme ABB de
démarreurs progressifs
ABB fabrique des démarreurs progressifs
depuis le début des années 80 et la
conception de la nouvelle gamme de produits reflète plus de vingt ans d’expérience. Les performances de celle-ci, appelée
PS S, ont été nettement améliorées sur
plusieurs points 3 . Elle couvre une
plage de courants moteur de 3 à 515 A
et de tensions d’alimentation de 208 à
690 V.
La nouvelle gamme de produits offre
plusieurs atouts importants:
La nouvelle gamme ABB de démarreurs électroniques progressifs PS S couvre
des courants moteur de 3 à 515 A et des tensions d’alimentation de 208 à 690 V.
59
Compacité: son faible encombrement
permet d’installer plus de démarreurs progressifs sur une surface de montage donnée.
n Simplicité d’installation: l’appareil peut
être vissé sur une platine de montage
(quatre perçages sont suffisants) ou être
encliqueté sur un rail de fixation; le raccordement des câbles est très simple dans
les deux cas. Des instructions claires sont
fournies en face avant.
n Simplicité de configuration: avec seulement trois réglages – pente de la rampe
de démarrage, pente de la rampe d’arrêt
et tension initiale – l’utilisateur configure
le démarreur progressif pour une large
n
gamme d’applications. Ces réglages se
font très aisément avec des commutateurs
rotatifs clairement repérés en face avant
de l’appareil.
n Circuit électrique à semi-conducteurs:
garantie de la fiabilité élevée et de la
maintenance minimale, même dans les
applications aux démarrages et arrêts fréquents.
Couplage « interne-triangle »
Les plus gros appareils de la gamme peuvent être connectés dans le couplage triangle du moteur, tout comme un démarrage étoile-triangle 4 . Cela permet de
réduire le courant du démarreur progres-
3, étendant la
sif par un facteur de 1/√¯¯¯
plage disponible en courant à 515 A. Le
couplage interne-triangle permet de
répondre aux exigences de n’importe
quelle application avec un démarreur plus
petit, donc moins encombrant et moins
cher.
Sécurité et robustesse
Les appareils sont logés dans des enveloppes à protection renforcée et tous les
organes sous tension sont bien isolés. Ils
résistent donc à des conditions de manipulation sévères sans danger pour le personnel. Le circuit électrique est à sécurité
intégrée; en cas de défaut interne, peu
Les démarreurs progressifs et IndustrialIT
I
ntégrer des informations provenant d’un large éventail
d’applications a toujours été un problème pour les
informaticiens. Depuis longtemps, la nécessité d’une
architecture unique et intégrée est reconnue – une architecture qui masque à l’utilisateur les différences entre
plusieurs applications.
ABB s’est penché sur ce problème depuis plusieurs
années. Premier fournisseur mondial de technologies
d’automatisation, nous aidons les principaux acteurs
industriels à mettre en place des solutions intégrées et
temps réel couvrant l’ensemble des systèmes d’automatisation et d’information de leur entreprise par le biais
de l’architecture IndustrialIT. En résumé, IndustrialIT est
une plate-forme reliant, en temps réel et de façon transparente, une multitude d’applications et de systèmes.
Dorénavant, tous les nouveaux produits ABB,
logiciels et matériels, seront estampillés IndustrialIT
enabled. Les clients sauront que leur produit est apte
à se combiner à d’autres produits IndustrialIT, dans la
perspective du « prêt à produire ».
Pour prétendre à ce label, tous les nouveaux produits
60
doivent être certifiés (et les produits existants être examinés). Il existe quatre niveaux de certification :
Niveau 0 – Information
Niveau 1 – Connectivité
Niveau 2 – Intégration
Niveau 3 – Optimisation
IndustrialIT
enabled
TM
Niveau 0: Information
Les produits faiblement intégrés (qui n’échangent pas
d’information avec d’autres produits) – comme les
démarreurs progressifs décrits dans cet article – se
situent au niveau 0 de la hiérarchie.
Pour être certifié « IndustrialIT de niveau 0 » (Information), un produit doit présenter les caractéristiques suivantes :
Identification produit : pour référencer le produit, son
identification doit comporter :
1. Un numéro d’identité ABB
2. Un code de référence EAN
3. Un nom de produit
4. Un code de désignation produit
Revue ABB 1/2002
4
Les plus gros appareils de la gamme
PS S peuvent également être connectés
dans le couplage triangle du moteur, tout
comme un démarreur étoile-triangle. Ils sont
un facteur de réduction des coûts, autorisant l’utilisation d’un démarreur de calibre
inférieur, donc moins cher.
probable, l’appareil s’arrête pour protéger
l’équipement raccordé.
PS S 03...25
Appareils compacts pour 3 à 25 A
Les démarreurs progressifs de cette série
sont destinés aux petits moteurs de courant assigné entre 3 et 25 A, et alimentés
sous 230, 400, 500 et 600 V. Ils sont
conçus pour être juxtaposés sur rails DIN.
Leur circuit principal est doté de contacts
de bypass qui délestent les thyristors en
régime normal et réduisent l’échauffement. Cette conception, associée à la fixation sur rail, permet de concevoir des
solutions de départ-moteur très compactes.
Chaque appareil peut être câblé pour
des tensions de commande dans les gammes 24 – 110 V c.a./c.c. ou 110 – 480 V
c.a., simplifiant leur intégration dans des
systèmes de contrôle-commande existants et réduisant le nombre de versions
différentes requises.
58 A
M
M
100 A
Direct
100 A
Interne-triangle
PS S 18/30...300/515
Des appareils souples d’emploi
pour 18 à 515 A
Les appareils de cette série sont destinés
aux plus gros moteurs et offrent davantage de souplesse en termes d’installation
et d’utilisation. Elle couvre des courants
moteur assignés de 18 à 300 A mais,
Documentation produit : Ia documentation produit doit
être dans un format non éditable, ce qui signifie que
l’information peut être visualisée avec Adobe Acrobat
Reader (*.pdf). Les documents suivants doivent être
fournis :
1. Fiche technique ou manuel de référence
2. Manuel d’installation et de mise en service
3. Manuel de l’application
4. Manuel d’exploitation
5. Manuel de maintenance
6. Déclaration CE de conformité
7. Déclaration environnementale
8. Données environnementales
Données CAO : pour l’intégration aisée des produits
dans les systèmes de CAO électrique et/ou mécanique,
les schémas électriques et mécaniques doivent être
fournis, notamment :
1. Caractéristiques électriques
2. Données CAO mécaniques
Revue ABB 1/2002
100 A
sachant que les appareils peuvent être
connectés dans le couplage triangle du
moteur comme un démarreur étoile-triangle 4 , 5 , ils sont capables de gérer
des courants pouvant atteindre 515 A.
Caractéristiques techniques et classification du produit : une « classe de produits » désigne un groupe de
produits ayant la même série d’attributs. Cet aspect
contient les attributs qui distinguent une classe de produits d’une autre.
Autres points à prendre en compte pour la certification
« Niveau 0 » d’un produit :
1. Le produit s’intègre naturellement dans l’architecture
ABB IndustrialIT.
2. Le produit doit être développé et fabriqué sous
contrôle qualité.
3. Un « support produit » est disponible.
Selon le niveau de certification requis, les produits visant
une intégration plus poussée et l’interopérabilité avec
d’autres produits seront certifiés niveau 1, 2 ou 3 par le
centre de certification IndustrialIT d’ABB de Västerås
(Suède), Minden (Allemagne) ou Wickliffe (USA).
61
« Les démarreurs progressifs ont permis
de résoudre certains problèmes d’exploitation. »
Sven-Åke Mårtensson de la sucrerie Köpingebro au sud de la Suède devant un démarreur progressif d’une des
centrifugeuses
Au sein de la sucrerie Köpingebro1) au sud de la Suède,
le responsable électrique Sven-Åke Mårtensson cite
quelques problèmes que les démarreurs progressifs ont
permis de résoudre :
« Nous avons installé des démarreurs progressifs
pour les moteurs de nos centrifugeuses, élévateurs à
sucre et convoyeurs à bande dès le début des années
90. Auparavant, nous utilisions le démarrage direct ou le
démarrage étoile-triangle.
Le problème des centrifugeuses, que les démarreurs
progressifs ont permis de résoudre, était lié à leur fort
moment d’inertie. Les démarreurs étoile-triangle avaient
tendance à déclencher lors du passage d’étoile en triangle, entraînant l’arrêt de toute la chaîne de transport en
amont du fait des verrouillages. Le redémarrage ne se
faisant pas immédiatement, la solution de mélasse devenait trop froide pour être centrifugée. Il était indispensable de remédier au problème !
Sachant que les centrifugeuses jouent un rôle clé
dans la fabrication du sucre, nous avons décidé d’équiper les plus grosses machines de convertisseurs de fré-
62
quence. Ces derniers nous permettent de mieux maîtriser les variables en question. Toutefois, pour nos petites
machines, les démarreurs progressifs sont tout à fait à la
hauteur. Nos problèmes de démarrage avec les centrifugeuses ont aujourd’hui disparu, cela pour une large part
grâce aux démarreurs progressifs.
Autre pierre d’achoppement, les élévateurs : du fait
d’un problème dans la chaîne de transport du sucre
entre les centrifugeuses et les silos – lié aux verrouillages
des déclenchements de cette chaîne – il arrivait que certains de ces élévateurs s’arrêtent à pleine charge. Nous
n’avions d’autre solution que de vider l’élévateur à la
main pour le redémarrer à vide, avec des arrêts de production très coûteux.
Ce problème a également été résolu avec les démarreurs progressifs. Aujourd’hui, nos élévateurs fonctionnent sans à-coups et sans patiner. »
1)
La sucrerie Köpingebro appartient à l’entreprise Danisco Sugar,
membre du Groupe Danisco.
Revue ABB 1/2002
5
Configuration interne-triangle type remplaçant un démarreur étoile-triangle
signalisation de défaut. Ces fonctions de
diagnostic simplifient la supervision et la
localisation des défauts.
Cette série est conçue pour des facteurs d’utilisation de 110 à 115%; les
appareils sont donc capables de gérer le
niveau de surintensité correspondant des
moteurs raccordés.
Le relais de bypass intégré peut être
utilisé pour enclencher un contacteur
externe qui bypasse les thyristors pendant le fonctionnement en régime continu ou lors du démarrage séquentiel de
plusieurs moteurs avec un seul démarreur
progressif.
Le problème enfin résolu
Le démarrage progressif offre des avantages pour toutes les applications. Il n’est
pas un site industriel dont le fonctionnement ne dépende de moteurs électriques
et qui ne pourrait tirer profit des démarreurs progressifs ABB. Les commentaires
de nombreux exploitants attestent de ces
avantages (cf. pages 58 et 62). Leurs
fonctionnalités et leurs atouts en font un
maillon essentiel d’un large éventail
d’applications industrielles modernes.
Cette aptitude simplifie plus que jamais le
remplacement des démarreurs étoile-triangle existants pour des démarrages (et des
arrêts) encore plus en douceur.
Le circuit à semi-conducteurs (le circuit
principal ne comporte aucun contact
électromécanique) en fait la solution idéale pour les moteurs aux démarrages et
arrêts fréquents.
Tous les appareils de cette série peuvent être équipés d’un circuit de limitation
Revue ABB 1/2002
de courant séparé, pour régler un courant
de démarrage maximum qui sera respecté
quel que soit le temps de rampe réglé.
Cette fonction simplifie la configuration,
plus particulièrement pour les entraînements à forts moments d’inertie avec des
temps de démarrage souvent longs.
Les démarreurs progressifs intègrent
quatre DEL d’état («appareil sous tension»,
«tension assignée atteinte», «défaut externe» et «défaut général»), et un relais de
Auteur
Sören Kling
ABB Automation Technology
Products AB
Saltängsvägen 26
SE-721 61 Västerås
Suède
Fax : +46 21 320 545
[email protected]
63