Chrysalide Engineering

Lors de la prévision d'achat d'équipement industriels de puissance pompes, ventilateurs, compresseurs, extrudeuses, convoyeurs, … se pose souvent la question d'adapter le process au point de fonctionnement. Celui ci peut varier dans le temps, ou présenter des cycles aucours de la production.

Lorsque l'on étudie les options disponibles, généralement il existe des solutions à vitesse fixe ou le process est contrôlé mécaniquement, vanne, ventelles …, des solutions de de vitesse régulation hydraulique, et des solutions entièrement électriques.

Classées dans cet ordre, nous avons les technologies de la plus simple à mettre en oeuvre à la plus souple et performante. Nous nous intéressons ici à cette dernière plus en détail.

Le pilotage de moteurs électriques à vitesse variable existe depuis de nombreuses décénies, toutefois à l'origine, les moteurs pilotés en vitesse variable étaient souvent de type synchrone et courant continu. De nos jours, les machines synchrones occupent une part importante pour les puissances très importantes (souvent au delà de 6 à 8 MW) et les moteurs DC sont remplacés par des machines induction.

Le courant alternatif est le mieux adapté pour le transport de l'énergie de par la simplicité de la conversion de tension. C'est aussi une technologie simple et robuste. Travailler avec des technologies à courant continu requiert une maintenance accrue des moteurs.

De ce fait, les technologies ont convergé en plusieurs grandes familles

• DC courant continu généralement employé jusqu'à quelques centaines de kW
• AC Asynchrone généralement entre 1kW et 10 MW
• AC Synchrone au delà de 6 à 8MW

De nos jours, la plupart des sites industriels sont équipés de points de livraison dans la plage 6-20kV. Il est donc très fréquent de rechercher des solutions optimales pour les entraînements électriques à vitesse fixe et variable à l'échelle d'un site et de ses stations. Se posent notamment les question suivantes :

• Choix de la tension
• Choix de la technologie et du mode de refoidissement
• Respect des contraites de distorsion harmoniques

Travailler sur ces éléments demande à étudier la configuration électrique du site ainsi, les puissances mises en jeu et le type de process, puis proposer une solution optimale ou souvent plusieurs variantes. Les solutions apportées peuvent varier, transformateur intégré, externe, son type, topologie variateur, mode de refroidissement …

Dans le cas d'un moteur à courant continu, la vitesse est contrôlée par la tension appliquée. Un moteur à courant alternatif est contrôlé par la fréquence de sa tension d'alimentation. Dans ce contexte, les technologies de variateur ont en commun de fait de générer une sortie pilotée permettant communément un fonctionnement dans la plage de vitesse 30%-100% ou 70-100%

Un variateur à courant continu pilote la tension appliquée au moteur (vitesse) et le courant (couple). Un variateur à courant alternatif pilote la fréquence appliquée au moteur (vitesse) et la tension (généralement U/F = constant puis U = constant) ainsi que le courant (couple).

Le couple de démarrage d'un moteur AC est généralement faible (peut se situer autour de 30% sur des machines induction haute tension, bien meilleure sur les moteurs basse tension) et le courant d'appel au démarrage très important (généralement situé entre 5 et 7 x In).

Le couple et courant de démarrage n'est pas contrôlé, sauf utilisation d'un démarreur électrique ou variateur de fréquence.

Les échauffements moteurs peuvent limiter le nombre de démarrages autorisés sur une plage de temps donnée.

Le moteur AC ne va pa varier (synchrone) ou peu (asynchrone) sa vitesse en fonction de la charge, donc une surcharge est possible. En cas de surcharge, le couple moteur peut dépasser 150% sans câler le moteur.

Un variateur de vitesse permet de contrôler couple et vitesse, changement de vitesse sur rampe, protection surcharge … Les démarrages ne requièrent pas de courant important, les échauffements liés au démarrage sont en général néglieables, sauf applications spécifiques ou les couples et internies en jeu sont très importants.

Les valeurs usuelles de couple maximal avec l'utilisation d'un variateur sont situés entre 110% et 150% pour une prériode de 10s à 60s. Toutefois lorsque les puissances en jeu sont importantes (>1MW), on retrouve souvent une limite de couple située autour de 110%.

En résumé, les machines DC sont généralement employées pour les applications spéciales ou le couple de surcharge peut être très important, ou des applications où elle est un standard adapté, notamment les moyens de transports.

Les machines AC occupent une place prépondérante dans les industries, en particulier le faible coût d'approvisionnement, la maintenance réduite, ce carractère robuste des machines synchrones et asynchrones en font un standard pour les industriels avec toutefois une complexité plus importante dès lors que l'on souhaite exploiter un entraînement hors de sa plage de synchronisme (eg. 500, 750, 1000, 1500, 3000 tr/min à 50 Hz ou 600, 900, 1200, 1800, 3600 tr/min à 60 Hz).

Nous nous intéressons aux variateurs industriels, ce qui représente en général une gamme de puissance de l'ordre du kW
à 100 MW.

Les variateurs HT sont fréquement employés en combinaison avec des moteurs induction et synchrones et transformateurs spéciaux, pour répondre aux besoins des entrâinements à vitesse variable dans la plage 1000 kW … 100 MW.

Leur bénéfice devient prépondérant à partir de 1 à 2 MW du fait de l'importance des courants en jeux, et de la difficulté à dimensionner l'installation électrique en terme de câblage et d'encombrement.

On retrouve généralement un transformateur d'adaptation spécifique adapté à la technologie du redresseur, un variateur de fréquence composé d'un redresseur AC/DC, bus continu, puis un pont onduleur alimentant les moteurs à courant alternatif.

Parmi les technologies de redresseur, on retrouve les familles “2 cadrants” (redresseurs à diodes) et “4 cadrants” (redresseur actifs), ce qui se résume simplement aux redresseurs permettant d'alimenter le moteur uniquement et les redresseurs actifs permettant de remonter l'énergie vers le réseau et le contrôle du cos phi.

Les technologies à diodes sont déclinées en redresseur 6, 12, 18, 24 … pulses, ce qui nécessite généralement un transformateur spécifique dédié. Elle est employée lorsque les contraintes de taux harmonique et de fonctionnement 2 cadrants le permettent.

La technologie à redresseur actif permet généralement de répondre à des besoins plus spécifiques en terme de distorsion harmonique de courant et lorsque la machine entraînée doit fonctionner en générateur pour remonter de l'énergie vers le réseau.

Technologiquement proche des variateurs HT, les gammes de variateurs BT répondent aux besoins < 1000V dans une gamme de l'ordre du kW à plusieurs MW. Leur technologies sont similaires avec redresseur 2 et 4 cadrants, à diodes ou actifs et une architecture interne redresseur - bus continu - onduleur.

Les variateurs BT requièrent parfois des transformateurs dédiés à leur alimentation, ou peuvent être couplés directement au réseau sous certaines conditions, notamment le respect des contraintes harmoniques.

On retrouve en général une grande flexibilité dans les gammes, mono-phasé, triphasé, 230V, 500V, 690V, montage en coffret et en armoire industrielle.

Une fois le système conçu, le pilotage est extrêmement simple via une référence vitesse ou une référence de couple assignée au variateur. Celui-ci peut contrôler la vitesse moteur sur rampe et protéger en limite de couple, ou contrôler en couple, par exemple dans le cas des entraînements à répartition de couple sur un arbre mécanique commun.

La protection et supervision moteur est en général assurée par le variateur en terme électrique et mécanique (surcharge, cour-circuit, supervision de limite de couple et de vitesse). La protection thermique des machines est généralement supervisée par le variateur ou l'automatisme selon les cas.

Les interfaces de pilotage des variateurs comprennent les composantes entrées sorties digitales (TOR), analogiques (0-10V et 4-20mA), et bus de terrain (communication série).

Le propre d'un variateur reste d'intégrer un ensemble de fonctionalités de contrôle et supervision moteur, et peut intégrere des fonctions de contrôle process. Le pilotage process est généralement délégué à un automate de contrôle-commande.

Les grandes familles de montage sont variateurs en coffret jusque quelques dizaines de kW puis montage en armoire avec une conception plus complexe qui peut devenir modulaire et permettre des configurations spécifiques au besoins (ponts en parallèle pour augmenter les capacités, extension du bus continu, voir intégration d'un transformateur sec de puissance par exemple).

Le degré de protection est généralement IP 2X/4X pour les variateurs refoidissement air forcé et IP 4X/5X dans le cas d'un refroisidement à eau.

Lorsque l'encombrement l'exige, les variateurs sont compartimentés pour être réassemblé sur site lors de la mise en exploitation.

On retrouve deux méthodes principalement utilisées, refroidissement à air forcé et refroidissement à eau, avec une limite de puissance plus importante pour le refroidissement liquide où la zone de transition se situe généralement entre 2MW et 3MW. Le refoidissement liquide peut permettre d'évacuer les déperditions vers un système centralisé et limiter les rejets en salle électrique à une valeur très faible.

Les composants actifs de l'électronique de puissance (pont onduleur en sortie moteur), lorsqu'ils sont refroidis à eau, sont en contact direct avec un fluide caloriporteur, généralement une eau neutre et non conductive traitée par une résine, en circulation interne. Les échanges étant alors fait par un échangeur à plaque vers les éléments externes de refroidissement.

Etages d'un variateur à source de tension :

• Pont redresseur
• Bus continu
• Onduleur

Le pont redresseur est consituté par des diodes, transistors ou thyristors de puissance. Son rôle est de constituer un bus redréssé dont la tension est typiquement autour de 1.35 à 1.40 x Uac réseau.

Lorsque le redresseur est de type actif, le contrôle actif de l'électronique de puissance permet de remonter l'énergie vers le réseau ou moduler le cos phi.

Lorsqu'un redresseur à diodes est employé, on retrouve une configuration 6 pulses pour les faibles puissances, puis 12 pulses, 24 pulses et plus, alimentés par un transformateur spécial afin de réduire les courants harmoniques. Dans ce cas, le cos phi sera situé entre 0,95 et 0,98 la plupart du temps.

Le bus continu permet de supporter les pulsations de courant générées par l'onduleur, représentant une sinusoïde. La capacité du bus DC suffit pour cette seule fonction, cependant elle n'excède en général pas un cycle complet (20ms à 50Hz), et ne joue pas un rôle de stockage d'énergie en cas de coupure d'alimentation.

Le pont onduleur peut généralement alimenter les phases sur 3, 5, 7 niveaux de tension voir plus, et créer un courant alternatif d'amplitude et de fréquence souhaitée. Le variateur contrôle essentiellement l'ensemble des paramètres moteur dont il détermine par mesure et calcul les valeurs actuelles :

• Tension
• Fréquence
• Courant
• Flux magnétique
• Vitesse actuelle (fréquence - glissement pour une machine asynchrone)
• Couple mécanique

Le process externe ne pilote généralement qu'une “consigne de vitesse” voir une “consigne de couple”. Les autres éléments seront gérés par le variateur selon les circonstances, et la supervision de l'enveloppe de fonctionnement (limites de couple, courant, vitesse, …) vérifiée à chaque instant.

Un variateur protège la machine qu'il alimente, il doit toutefois être lui même protégé par les organes en amont contre les court-circuits, déséquilibre et perte de phase, défaut de terre …

Au niveau du moteur, le variateur permet en général de fonctionner à l'intérieur d'une enveloppe de vitesse/couple/courant/tension donnée, et fonctionnera soit de façon nominale, soit “en limite de” si par exemple le couple moteur venait à dépasser la valeur autorisée par le variateur, ou le courant, ou la vitesse maximale autorisée.

Par exemple lors d'un fonctionnement en limite de couple, la vitesse sera réduite jusqu'à ce que l'équilibre charge/couple disponible soit retrouvé.

En ce sens, un variateur présente un fonctionnement beaucoup plus souple qu'un moteur couplé direment au réseau. Pour un moteur couplé au réseau sa vitesse restera sensiblement proche de la fréquence réseau jusqu'au couple de décrochage (ce qui correspond à une surcharge importante). Au delà, le moteur câle rapidement. Il ne fonctionne pas à vitesse réduite hormis la transition à l'accélération.

Article complémentaire traitant des transformateurs de puissance :

Index - Transformateurs