[PDF] Module : Dimensionnement des systèmes industriels

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SemesterS3_ELECTROTECHNIQUEINDUSTRIELLE_Master2Module : Dimensionnement des systèmes industriels

Chapitre I : Eléments des équipements des mécanismes industrielsI.1-Principes généraux sur les systèmes

industrielsI.2- Critères de choix d'un moteurI.3- Principales grandeurs à prendre en compte pour le choix d'un

moteur de l'entraînement : Vitesses, couples, puissances, moment d'inertie, réducteur/multiplication.

Chapitre II: Types de service des moteurs électriquesII.1-Types de services principaux: S1...S9 ; II.2-Valeurs

moyennes de puissance, couple et intensité ; II.3-Puissance d'un moteur et types de service ; II.4-

Augmentation de puissance par rapport au S1 ; II.5-Capacité limite mécanique ; II.6-Réduction de puissance

par rapport au S1.

Chapitre III : Courbes de couples car

actéristiques III.1-Couples de charge en fonction de la vitesse ; III.2-

Couples de charge en fonction du parcours ; III.3-Couples de charge en fonction du temps ; III.4 -Couple

initial de décollement.

Chapitre IV : Choix et dimensionnement des moteurs électriques IV.1-Puissance du moteur ; IV.2-Données

catalogue et paramètres d'application ;IV.3-Détermination de la puissance homologuée ;IV.4-Données des

catalogues ;IV.5-Conditions de fonctionnement ;IV.6-Procédure de sélection des moteurs ;IV.7-

Dimensionnement à l'aide du couple de charge ;IV.8-Calcul à l'aide du couple ou du temps d'accélération

;IV.9- Temps et couple d'accélération ;IV.10- Le choix préliminaire du moteur ;IV.11- La vérification du

moteur ; IV.12- La vérification du moteur au démarrage ; IV.13- La vérification du moteur d'après

l'échauffement ; IV.14-Calcul à l'aide de la fréquence de commutation ;IV.15-Sélection en consultant le

catalogue. IV.16-Coût du cycle de vie.

Chapitre V : Applications diversesA-Choix et dimensionnement des moteurs électriques dans les cas:

1.Elévateurs, monte-charges, machines-outils.

2.Véhicules à faible et grande vitesses,

3.Compresseurs.

4.Ventilateurs et pompes centrifuges.

5. Broyeurs.

B- Applications industrielles

1.Fours électriques;

2.Equipements de soudure ;

3.Electrolyse et revêtement des métaux ;

4.Usines métallurgiques ;

5.Industrie agro-alimentaires;

6.Station de forage du pétrole ;

7.Industrie du papier ;

8.Industrie du ciment

9.Industrie du verre

10.Industrie métallique.

Travaux pratiquesTP01 : Etude d'un monte-charge TP02 : Etude d'un entrainement à tapis roulantTP03 : Etude

d'une pompe centrifuge

Remarque : Pour les Tp et la dernière partie du cours " applications industrielles », il serait plus utile de les

faire sous forme de mini-projets, et de visites pédagogiques Généralités sur les entraînements électriques à vitesse variable

0.1 Intérêt de la variation de vitesse

Dans les pays industrialisés, plus de la moitié de l'énergie électrique est utilisée pour la production

de la force contre électromotrice destinée aux entraînements électriques à vitesse variable. Dès lors,

la diversité de ces applications soutenues avec la recherche des solutions optimales entre

performances au sens automatique et au sens énergétique en font un axe de recherche tant convoité

aussi bien chez les scientifiques que les industriels. Ces dernières décennies, les progrès enregistrés

dans les technologies de l'électronique de puissance et de la microinformatique permettent

l'utilisation des machines à courant alternatif dans les applications à vitesse variables. Ainsi, il

devient possible de contrôler à haute dynamique des systèmes de plus en plus puissants, de

conception compacte et de rendement élevé. Désormais, les moteurs électriques sont excellents pour

une variété de raisons : Gamme de puissance étendue : du Watt au méga-Watt (pompes hydrauliques à couple élevé 10 6

Nm, les laminoirs, etc. )

Gamme de vitesse variant de zéro jusqu'à des vitesses 10 5 min -1 (centrifugeuses) Fonctionnement dans les quatre quadrants du plan couple-vitesse avec les possibilités de récupération d'énergie. Rendement élevé, spécialement en contrôle bouclé.

Disponibilité immédiate pour la mise en marche sans aucune étape préliminaire de marche en

ralenti ou de préchauffage. Puissance-massique élevée avec plus de fiabilité et de durée de vie. Possibilités de surcharges transitoires relativement élevées.

Couple continu à faibles vibrations.

Adaptation environnementale (conditions ambiantes, submergées dans les liquides dangereux ou radioactifs, etc.) Maniabilité des commandes électriques avec réalisation de meilleures performances possibles (énergétiques et automatiques).

0.2 Entraînements électriques à vitesse variable

Actuellement l'industrie utilise la motorisation électrique à vitesse variable pour optimiser des

processus fabrication, améliorer l'efficacité énergétique, augmentation la cadence de production,

diminuer le temps de transport des voyageurs et des marchandises, et ...etc. On peut citer le

contrôle du débit d'une pompe, la vitesse de coupe ou d'avance des machines-outils, la vitesse des

systèmes de transport (train, tramway, TGV, ...). Les entraînements électriques sont composés des éléments suivants, Fig. (0-1) :

Source d'énergie

Convertisseur de puissance, qui permet d'adapter la source électrique primaire au moteur. La commande et le réglage qui assurent le contrôle du comportement dynamique du système (positionnement, vitesse, courant, couple, etc.). Le moteur, défini par ses caractéristiques externes et de réglage. Le ou les capteurs qui fournissent les informations nécessaires au contrôle. La transmission, qui permet d'adapter le mouvement (conversion tournante-linéaire, par exemple) la vitesse, la résolution ou la dynamique du système.

Pour bien choisir un système d'entraînement à vitesse variable, il est nécessaire de connaître les

contraintes imposées par la charge à l'ensemble source d'énergie-convertisseur-machine électrique.

Fig. (0-1) : Entraînement électrique à vitesse variable

Selon la nature de la source d'énergie, on peut classer deux types d'entraînement électrique :

À courant continu : leur vitesse est proportionnelle à la tension d'alimentation. À courant alternatif : leur vitesse est proportionnelle à la fréquence d'alimentation.

0.2.1 Commandes DC à vitesse variable

Les commandes DC d'une machine électrique exigent un convertisseur de puissance capable de

réaliser le passage de la tension du réseau alternative ou d'une tension continue constante (batterie

d'accumulateurs) à une tension de commande réglable en amplitude et variable, comme le montre sur la figure (0-2). Fig. (0-2) Commande réglable de la vitesse en mode DC

0.2.2 Commandes AC à vitesse variable

Les commandes AC d'une machine électrique exigent un convertisseur de puissance capable de

réaliser le passage de la tension du réseau à amplitude et fréquence constantes à une tension de

commande réglable en amplitude et en fréquence est souvent exécuté en deux étages (AC-DC et DC-

AC), comme le montre la figure (0-3).

Fig. (0-3) : Commande réglable de la vitesse en mode AC

Réseau:f

s ,V s DC AC f 2 V s AC f s V s DC

MachineAC

Convertisseur

stati que1

Convertisseur

stati que2 AC f 2 V s AC f s V s

Convertisseur

stati que3

MachineAC

Réseau:f

s ,V s AC f s V s DC

MachineDC

Redresseur

DC DC

Hacheur

MachineDC

Sourcecontinue

Le convertisseur du côté réseau (AC-DC) est un redresseur contrôlé (à thyristors) ou non (à

diodes). Celui du côté machine (DC-AC) est un onduleur pouvant produire des tensions alternatives

d'amplitude et de fréquence variables. Ce convertisseur à deux étages peut être réversible, dans le

cas de la génération d'énergie. Il est assez développé dans l'industrie pour les différents types de

machines d'autant plus que les cyclo-convertisseurs (à un seul étage de conversion) sont maintenant disponibles. Le tableau (1.1) récapitule l'ensemble des machines et des convertisseurs les plus employés dans les commandes AC à vitesse variable.

Convertisseurs

de puissance Conversion avec un étage à courant continu Conversion

Directe

Machines AC Onduleurs de

tension à transistor

Onduleurs de

tension à thyristor GTO

Onduleurs de

courant à thyristor GTO (Commutation forcée)

Onduleurs de

courant à thyristor (Commutation naturelle)

Cycloconvertisseur

A B C D E

machine synchrone à aimant permanent 1

Petites

puissances, hautes performances dynamique s(servomoteur ) 10kW Puissances moyennes et grandes 1MW

Machine à

Reluctance 2

Petites et

moyennes puissances 100kW

Machine à

Induction à

cage 3

Petites

puissances, performances dynamiques

élevées de

vitesse (servomoteur)

100kW) Puissances

moyennes et grandes performances dynamique

élevée 2MW Moyennes et

grandes puissances, à grande vitesse

4MW Grandes

puissances, faibles vitesses, hautes performances dynamiques 7.5Mw

Machine à

rotor bobiné double alimenté DFIM 4

Grandes

puissances mode hypo-synchrone

Scherbius 20MW Grandes

puissances, vitesse variable 3MW

Machine

synchrone avec amortisseurs 5

Grandes

puissances à grande vitesse,

20MW Grandes

puissances, faibles vitesse, hautes performances dynamiques 10MW Tableau (0-1) : Synthèse des commandes AC à vitesses variables. L'examen du tableau (0-1) fait ressortir les constations suivantes :

(i) Les trois des cinq machines (1, 2 et 5) sont du type synchrone à stator bobiné (naturellement) :

(1) est à aimant permanent, (2) à reluctance variable sans enroulement au rotor alors que (5) est à

rotor bobiné.

(ii) Les machines (3) et (4) sont du type asynchrone ou à induction dont (3) est à rotor à cage et (4)

à rotor bobiné en mode double alimenté. Les applications de la commande AC exigeant une plage

de variation de vitesse limitée de 20% autour de la vitesse de synchronisme peuvent être réalisées

par les machines à induction double alimentées.

0.2.3 Caractéristique mécanique des moteurs

l'évolution du couple moteur en fonction de sa vitesse de rotation. Elle permet en outre d'estimer si

une machine est adaptée ou non à la charge mécanique à entraîner.

Fig. (0-4) : Point de fonctionnement.

Au régime permanent le couple développé par le moteur est égal au couple imposé par la charge

(point de fonctionnement), Fig. (0-4). Les moteurs électriques les plus répondus ont les caractéristiques mécaniques suivantes, Fig. (0-5), : Fig. (0-5) : Caractéristiques mécaniques des moteurs électriques

0.2.4 Caractéristique mécanique des charges

Toute charge mécanique est caractérisée aussi par sa caractéristique mécanique en fonction de

Les charges à couple constant Cr = C

te représentées par une droite horizontale (machines-outils, perceuse, etc) l'origine, pompes hydrauliques. 2 ce qui donne une parabole, ventilateurs. te et donc une courbe hyperbolique, l'essorage. Fig. (0-6) : Caractéristiques mécaniques des charges C

Moteur Asynchrone

C

Moteur Synchrone

C

Moteur à courant continu

Cr CrCr Cr (1) (2) (3)(4) C C C r Q

0.3 Fonctionnement à quatre quadrants

Les deux paramètres définissent le fonctionnement des moteurs sont le couple et la vitesse. Le

couple dépend de la charge qui peut être entraînée ou entraînante. Le signe de la vitesse dépend du

sens de rotation du moteur.

Lorsque le moteur entraîne une charge mécanique, il reçoit de l'énergie et la transforme en travail

mécanique. Lorsque l'application le permet, la charge peut restituer de l'énergie mécanique. Souvent

l'énergie récupérée correspond à l'inertie des masses en mouvement. Lors de cette phase l'énergie

est renvoyée au réseau électrique ou dissipée en chaleur dans un système de freinage rhéostatique

par exemple, Fig. (0-7).

Fig. (0-7) : Fonctionnement à quatre quadrants

Les variateurs de vitesses ont plusieurs fonctions parmi lesquelles Fig. (0-8):

Le démarrage : le moteur passe de l'arrêt à la vitesse de consigne en un temps qui dépond de la

constante du temps du système, en évitant les pics d'intensité excessifs.

La variation de vitesse : la variation de la vitesse de rotation par accélération ou décélération en

un temps donné. La régulation : la vitesse de rotation du moteur est maintenue fixe indépendamment des variations de la charge.

Le freinage : le moteur passe d'une vitesse donnée à une vitesse inférieure ou à l'arrêt.

L'inversion du sens de rotation : Le moteur peut tourner dans les deux sens de rotation.

La récupération d'énergie : Lors du ralentissement ou du freinage le moteur peut transformer

l'énergie mécanique en énergie électrique (mode générateur). Fig. (0-8) : Régimes de fonctionnement des moteurs électriques P

électrique

P mécanique M P

électrique

P mécanique M C

Vitesseё(rd/s)

Moteur

M P

électrique

P mécanique CQ

Générateur(Frein)

Générateur(Frein)

Moteur

M P

électrique

P mécanique CQ QC

Couple(Nm)

Couple

Vitesse

Cmax rCmax rCn Cn C max

Couple

C n rC n

Vitesse

rC max Choix et dimensionnement des moteurs électriques

Critères de choix d'un moteur

a.Aspectsdel'alimentationélectrique

Le réseau de distribution électrique alimentant le moteur doit fournir la tension appropriée et avoir une puissance

suffisante pour démarrer et faire fonctionner la charge du moteur. Le Tableau 7-1 présente une comparaison des

tensions nominales de réseau que l'on pourra retrouver sur une plaque signalétique classique de moteur.

La limite de la tension d'alimentation du réseau électrique est fonction du courant exigé par le moteur pour

fonctionner. Par exemple, un moteur de 50 HP va absorber 150 ampères pour tourner sous 208/120 volts, mais

seulement 50 ampères sous 600/347 volts. Par conséquent, il ne serait ni économique ni pratique d'utiliser, pour

une tension donnée, des moteurs dépassant une certaine puissance nominale si le diamètre des conducteurs

devient trop gros, tant pour l'alimentation qu'à l'intérieur du moteur.

Monophasé

Les moteurs monophasés sont spécifiés pour une tension de 120/240 volts à 60 Hz.

Triphasé

Les moteurs triphasés de puissance inférieure à 100 HP sont disponibles pour des tensions de 200, 240/460,

460 ou 600 volts à 60 Hz. Les moteurs de 125 HP et plus acceptent des tensions de 460, 600, 2400 ou 4160

volts à 60 Hz.

Tensionetfréquence

Les moteurs peuvent être spécifiés pour fonctionner sous des tensions et des fréquences différentes des valeurs

classiques. Par exemple, on utilise des moteurs basse tension 400 Hz dans l'industrie aéronautique et dans

certaines applications d'outils d'exploitation minière.

La tension nominale d'alimentation du réseau électrique et la tension d'utilisation ou celle figurant sur la

plaque signalétique du moteur diffèrent souvent. Le tableau (Tableau 7-1) ci-après illustre la relation entre la

tension inscrite sur la plaque signalétique d'un moteur et la tension d'alimentation appropriée pour ce moteur.

120-1phase115

208/120-3phases200

240-1phaseor3phases230

480/277-3phases460

600/347-3phases575

2400-3phases2300

4160/2400-3phases4000

Dans le choix d'un moteur pour une application particulière, on devra tenir compte des facteurs suivants :

1. Exigencesmécaniquesdelachargeàentraîner.

2. Choixdelaclassedemoteur.

3. Réseaudedistributionélectrique.

4. Aspectsphysiquesetenvironnementaux.

Le choix final se portera sur un moteur qui est disponible chez un fabricant et qui répond aux spécifications

prescrites ou les dépasse.

Les moteurs à induction triphasés sont prévus pour fonctionner de façon satisfaisante sous des variations de

tension de ± 10 %. Le Tableau 7-2 montre les effets d'une variation de tension de 10 % sur un moteur à

induction type de classe B à pleine charge. tension

CaractéristiqueTension

110%90%

GlissementͲ17%+23%

Rendement+1%Ͳ2%

FacteurdepuissanceͲ3%+1%

IntensitéducourantͲ7%+11%

Température°CͲ4%+7%

Couplededémarrage+21%Ͳ19%

Courantdedémarrage+10%Ͳ10%

On doit éviter d'utiliser un moteur dont la tension d'alimentation n'est pas normalisée ou n'est pas

appropriée à celle du réseau. Par exemple, un moteur indiquant une tension de 440 V sur sa plaque

signalétique est parfois raccordé à un réseau 480 V. Même si la tension maximale permise pour ce moteur

est de 484 V (110 % x 440), il n'existe aucune marge pour une hausse éventuelle de la tension

d'alimentation (par exemple, l'entreprise de distribution d'électricité peut très bien fournir une tension

de 500 volts et rester dans les tolérances acceptables) étant donné que le moteur fonctionne déjà à sa

limite de tension maximale admissible. On devra utiliser un moteur de tension appropriée ou bien installer un transformateur délivrant la tension voulue.

Pour qu'un moteur fonctionne adéquatement, le déséquilibre des tensions de phase doit être inférieur à 1 %.

Un déséquilibre de tension de 3,5 % occasionne une augmentation de température de 25 % et un

accroissement de courant de l'ordre de 6 à 10 fois la valeur du déséquilibre de tension. Ces effets sont

attribuables à la circulation des courants inverses dans le moteur. Le déséquilibre de tension se calcule comme

suit :

À titre d'exemple, si des tensions de ligne ont été mesurées à 600, 585, et 609 volts, la moyenne est de

598 volts. L'écart maximal par rapport à la moyenne est de 13 volts (598-585) et le déséquilibre de

tension est donc de (13/598) x 100 =2,2 %.

Si un moteur doit fonctionner avec un déséquilibre de phases supérieur à 1 %, il devra être déclassé

conformément au graphique suivant (Figure 7-1).

Figure 7-1: 3 phases à cage d'écureuil moteurs à induction facteur de déclassement dû à la tension

asymétrique

Figure 7-1 : Facteur de déclassement des moteurs à induction triphasés à cage d'écureuil en fonction du

déséquilibre de tension

On ne devrait pas faire fonctionner un moteur si le déséquilibre de phases est supérieur à 5 %.

En fonctionnement normal, l'écart de fréquence admissible d'un moteur peut atteindre 5 %. En principe, la

fréquence ne devrait pas poser de problème lorsque le réseau d'alimentation est celui d'une entreprise

d'électricité. La vitesse des moteurs varie directement avec la fréquence de l'alimentation.

Facteurdepuissance

Pour créer leurs champs électromagnétiques, la plupart des moteurs c.a. doivent absorber une puissance réactive

du réseau électrique. La puissance réactive, qui se mesure en kVAr, ne produit aucun travail mécanique.

La puissance mécanique utile est produite par la puissance active fournie par le réseau d'alimentation et se

mesure en kilowatts (kW).

Le réseau de distribution fournit à la fois la puissance réelle (ou puissance active) et la puissance réactive pour

faire tourner le moteur. La somme vectorielle de la puissance active et de la puissance réactive se nomme

puissance apparente et s'exprime en kVA.

La composante réactive demeure sensiblement constante, quelle que soit la charge du moteur (faible ou

forte). De ce fait, les moteurs à faible charge ont un facteur de puissance plus faible qu'un moteur à pleine

charge. Une installation qui présente un facteur de puissance très faible et non corrigé est révélatrice d'un

nombre sensiblement élevé de moteurs ayant une charge insuffisante.

Si vous êtes facturés en kVA, vous payez pour la composante réactive de la puissance dont vous ne tirez aucun

travail utile. La mesure de la puissance réelle (kW) divisée par la puissance apparente (kVA) se définit comme

le "facteur de puissance". Le facteur de puissance ne peut dépasser une valeur de 1 appelée facteur de puissance

"unité" et s'exprime souvent par un pourcentage, la valeur 1 correspondant à 100 %.

Afin d'améliorer leur facteur de puissance, les clients industriels installent des condensateurs destinés à

annuler la composante inductive des charges de moteurs. Dans la Figure 7-2, le vecteur vertical situé au-

dessus de la ligne correspondant à la puissance réelle représente la composante inductive et le vecteur

horizontal la puissance réelle. Le vecteur de l'hypoténuse est égal à la racine carrée de la somme des

carrés des vecteurs puissance active et puissance réactive (voir l'équation sous la Figure 7-2). Le vecteur

vertical dirigé vers le bas sous la ligne horizontale représente la réactance capacitive. Lorsque la

réactance capacitive et la réactance inductive sont égales, les deux vecteurs verticaux s'annulent l'un

l'autre, ne laissant subsister que la composante de la puissance réelle (correspondant à un facteur de

puissance unité). Par contre, une capacitance supérieure à l'inductance va se traduire par un facteur de

puissance en avance (capacitif) qui risque d'entraîner des problèmes de surtension et d'harmoniques.

Pour éviter cette situation, les condensateurs installés à l'entrée du branchement doivent être commutés

en fonction des besoins, ou mieux encore, les installer aux charges de moteurs.

Figure 7-2 : Triangle du facteur de puissance

Versiontextefigure7Ͳ2

Papillotementdelatension

Le démarrage de moteurs ou d'autres fortes charges entraînent une chute de tension sur le réseau d'alimentation

résultant de l'effet entraîné sur l'impédance du circuit par leurs courants d'appel élevés ; cette chute de tension

se manifeste sous la forme d'un papillotement dans les circuits d'éclairage. À mesure que le moteur prend de la

vitesse, le courant retombe à des valeurs de fonctionnement normales et la tension du réseau se rétablit. Ce

papillotement devient inacceptable lorsque l'amplitude de la chute de tension et la fréquence d'apparition

dépassent certains seuils. Ce seuil d'inconfort est représenté sur la courbe de papillotement de la tension (Figure

7-3).quotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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