Commande des machines électriques PDF 2023-2024

Département Génie Electrique Filière EESA 2 Pr: M. Oubella Année Universitaire 2023-2024 1 Les différentes installations ou procédés industriels se répartissent en deux grandes catégories : les procédés qui visent:...

Département Génie Electrique Filière EESA 2 Pr: M. Oubella Année Universitaire 2023-2024 1 Les différentes installations ou procédés industriels se répartissent en deux grandes catégories : les procédés qui visent: la transformation de matières le déplacement de matières Ces deux catégories principales nécessitent l’intervention sur le procédé pour mieux le maîtriser. Malgré des contraintes très différentes, tous ces secteurs ont un impératif commun : maîtriser leurs procédés, notamment au moyen des entraînements électriques à vitesse variable. Toutes les machines intervenant dans ces procédés sont, en règle générale, entraînées par des moteurs électriques. On peut ainsi affirmer que le moteur électrique est l'actionneur indispensable des procédés industriels 4  1. Entraînements Electriques à Vitesse Variable 1. Définition d’un entrainement électrique; 2. Domaines d’application; 3. Intérêt des Entraînements Electriques à Vitesse Variable; 4. Schéma fonctionnel de l'entraînement électrique; 5. Composants de la chaîne d’entraînement électrique; 6. Dynamique du groupe moteur-charge; 7. Point de fonctionnement; 8. Stabilité du point de fonctionnement; 9. Quadrants de Fonctionnement; 10. Charges mécaniques; 5  1. Entraînements Electriques à Vitesse Variable 1- Définition d’un entraînement électrique Pris dans son sens large, on appelle système d'entraînement électromécanique ou Entraînement Électrique à Vitesse Variable (EÉVV) un système qui convertit de l'énergie électrique en énergie mécanique utilisable par un organe de travail. Un EEVV est défini comme un dispositif électronique conçu pour contrôler certains paramètres du moteur (vitesse, couple ou position) afin de convertir avec précision l'énergie électrique en puissance mécanique.  1. Entraînements Electriques à Vitesse Variable 2- Domaines d’application  Les systèmes d‘EEVV sont indissociables de la production industrielle. Ils jouent un rôle fondamental dans les machines et les installations lors des processus de fabrication et des processus logistiques.  Les procédés industriels sont nombreux et les exemples qu’on va citer ne sont que quelques-uns parmi les nombreux secteurs qui font appel à la variation de vitesse. Il convient de partir du principe que les systèmes d’EEVV absorbent aujourd'hui la plus grande partie de l'énergie électrique totale.  On les retrouve tant dans les applications à grande puissance (mégawatts, p. ex. dans les locomotives) que dans les applications à faible puissance (microwatts, p. ex. dans les montres). Plastique Textile Usinage Métallurgie Agroalimentaire Secteur industriels Industrie chimique Entrainement électrique Secteur non industriels Génie climatique Traitement des eaux Entrainement électrique Transport Entrainement électrique Manutention  3- Intérêt des Entraînements Electriques Le démarrage en direct sur le réseau de distribution des moteurs électriques est la solution la plus répandue et est souvent convenable pour une grande variété de machines. Cependant, elle s’accompagne parfois de contraintes qui peuvent s’avérer gênantes pour certaines applications, voire même incompatible avec le fonctionnement souhaité au niveau de la machine :  appel de courant au démarrage pouvant perturber la marche d’autres appareils connectés sur le même réseau,  à-coups mécaniques lors des démarrages, inacceptables pour la machine ou pour le confort et la sécurité des usagers,  impossibilité de contrôler l’accélération et la décélération,  impossibilité de faire varier la vitesse. Les entrainements EVV suppriment ces inconvénients 11  3- Intérêt des Entraînements Electriques Les entraînements électriques à vitesse variable sont intégrés dans des systèmes plus ou moins complexes. Selon le type des besoins et des machines, l’EEVV permet:  de contrôler l’un ou plusieurs des paramètres suivants : une vitesse (linéaire ou angulaire), un couple ou un effort de traction, une position, une accélération ou un ralentissement,  d’optimiser une consommation d’énergie ou de matière,  d’associer plusieurs machines et d’asservir leur vitesse ;  de dialoguer via un superviseur avec des systèmes différents ou des niveaux différents d’un même système.  4- Schéma fonctionnel de l'entraînement électrique à vitesse variable La mise en œuvre de certains procédés industriels et domestiques nécessite de faire varier la vitesse de rotation d’un moteur électrique. Deux technologies permettent d'obtenir cette variation de vitesse : 1- la technologie mécanique: Moto-variateur mécanique Système poulies-courroie Système pignon-chaine Boîte à vitesse  Poulies et courroies,  Pignon –Chaine, Système de transmission:  Engrenage,  Friction. 13  4- Schéma fonctionnel de l'entraînement électrique à vitesse variable 1- la technologie mécanique: Moto-variateur mécanique Charge mécanique Source de Moteur Système de Charge tension électrique transmission entrainée Exemple des Moto-variateurs mécaniques  4- Schéma fonctionnel de l'entraînement électrique à vitesse variable 2- la technologie électronique: Moto-variateur électronique Par entraînement électrique, il faut entendre le moteur et l’ensemble de ses composants périphériques, tels que décrits dans le schéma fonctionnel ci-dessous.  Source de Tension  la charge  le convertisseur Les capteurs d’asservissement  le moteur électrique  le système de contrôle et de réglage.  la transmission Structure d’un entrainement électrique à vitesse variable Source de Convertisseur Moteur Système de Charge tension de puissance électrique transmission entrainée Contrôleur Capteurs Consigne  5- Composants d’un entraînement électrique à vitesse variable Convertisseur de puissance La commande des machines électriques est l’une des applications des convertisseurs statiques (redresseur, gradateur, hacheur, onduleur).  5- Composants d’un entraînement électrique à vitesse variable Variateur de vitesse Les Variateurs de vitesses sont des dispositifs permettant de Contrôler l’alimentation et la commande d’un moteur électrique. Différents constructeur présentent aux marché Une large gammes de variateur de vitesse. Allen SEW Bradley Micromaster  5- Composants d’un entraînement électrique à vitesse variable Moteurs électriques Moteur asynchrone Moteur pas à pas Moteur à courant continu Moteur synchrone Servomoteur  5- Composants d’un entraînement électrique à vitesse variable Les capteurs Les capteurs font partie intégrante de la chaîne d’entraînement car sans eux, le contrôle serait impossible. Depuis les capteurs de courant jusqu’aux capteurs de vitesse ou de flux, ils permettent de mesurer les variables physiques que nécessite la commande. Capteur de tension Capteur de courant Capteur de position Capteur de couple Capteur de vitesse 19  5- Composants d’un entraînement électrique à vitesse variable Unité de contrôle L’unité de contrôle est constituée d'une unité à microprocesseur et remplit diverses fonctions comme:  Réglage de la fréquence,  Réglage de la tension,  Contrôle de la rampe d'accélération/décélération,  Protection du moteur,  Communication et contrôle à distance. Il reçoit un signal de retour du moteur comme référence de vitesse actuelle et régule en conséquence le rapport de la tension à la fréquence pour contrôler la vitesse du moteur.  5- Composants d’un entraînement électrique à vitesse variable La charge mécanique La charge mécanique appelée aussi la machine de production (machine entraînée). Les machines de productions sont entrainées par des moteurs électriques et qui exercent sur ces moteurs un couple résistant qui peut être constant ou variable en fonction de la variation de la vitesse. machines de déplacement de matière machines de production 21  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Le moteur électrique est considéré comme un générateur de couple. Cr Moteur Charge électrique mécanique entrainée Cu Ω La vitesse de l’ensemble {Moteur + charge} n’est pas imposée par le moteur, mais par la caractéristique (couple/vitesse) du groupe {Moteur + charge} qui sont liés par le principe fondamental de la dynamique des systèmes tournants : d Cm  Cr  J eq dt Cm : Couple total moteur (Nm); Cr : Couple résistant opposé par la charge ramené au moteur (Nm); Avec: Jq = Jm + Jc : Moment d’inertie équivalent ramené sur l’arbre moteur kg m2; Ω : Vitesse de rotation de l’arbre moteur en rad/s 22  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Réduction des moments d’inertie sur l’arbre du moteur Exemple du Treuil Réducteur de vitesse Moto-variateur mécanique Treuil Engrenage L'engrenage est un des procédés utilisés pour réaliser une transmission mécanique. Il est constitué de 2 roues roue menante possédant une "denture", chacune étant positionnée sur un arbre : roue "menante" sur l'arbre moteur, et roue "menée" sur l'arbre récepteur. La plus petite des deux roues est roue menée appelée un "pignon". 23  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Réduction des moments d’inertie sur l’arbre du moteur Ωe Entrée (moteur) Pignon menant Pignon menant Ωe Ze :nombre de dents du pignon, (Re, Ze) Re : son rayon, Ω e : Vitesse angulaire d’entrée Ωs Roue menée Zs : nombre de dents du roue, Sortie (récepteur) Roue menée (Rs, Zs) Rs : son rayon, Ω s : Vitesse angulaire de sortie Ωs L'engrenage va entraîner une modification de la vitesse de rotation de l'arbre récepteur par rapport à la vitesse de l'arbre moteur. On définit le rapport de réduction rT (ou rapport de transmission) par le rapport de ces deux vitesses : vitessede sortie  s rT   vitessed' entrée e Roue menante Re Z e Re Rs rT    Si  Roue menée Rs Z s Ze Z s 24  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Réduction des moments d’inertie sur l’arbre du moteur 1 Schéma Vue de profil cinématique Axe du moteur 2 3 Axe intermédiaire Axe du treuil 4 Réducteur de vitesse 25  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Modèle associé au treuil Modèle équivalent Moteur Jm Ωm électrique Moteur électrique Jeq Z1  R rT   JR Z 2 m Treuil L’équation du mouvement de JT l’entrainement électrique est régie de la loi fondamentale de la dynamique : Z1 Z 3 T rR   d Z 2 Z 4 m Cm  Cr  J eq dt M 1 1 1 1 EC  J m  m  J R  R  J T T  Mv 2 2 2 2 2 2 2 2 Fp Avec : v  R  T  R  rR  m  J eq  J m  rT2 J R  rR2 J T  MR 2  Jq : Moment d’inertie total (équivalent) ramené sur l’arbre moteur (kg m2) 26  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Etude du couple à fournir par le moteur Ω temps Régime Transitoire Régime établi Régime Transitoire Accélération Décélération  Si 𝐶𝑚 > 𝐶𝑟 ⇒ 𝐶𝑚 − 𝐶𝑟 > 0 ⇒ 𝐽 (𝑑Ω/𝑑t)>0 : Couple dynamique du dispositif d’entrainement est en accélération  Si 𝐶𝑚 < 𝐶𝑟 ⇒ 𝐶𝑚 − 𝐶𝑟 < 0 ⇒ 𝐽 (𝑑Ω/𝑑t) < 0 : Couple dynamique du dispositif d’entrainement est en décélération  Si 𝐶𝑚 = 𝐶𝑟 ⇒ 𝐶𝑚 − 𝐶𝑟 = 0 ⇒ 𝐽 (𝑑Ω/𝑑t) = 0 : Ω est constante, le dispositif d’entrainement fonctionne en régime permanent  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Exemple Un entraînement direct doit fournir une courbe de vitesse angulaire Ω(t) montrée ci-dessous contre un couple de charge constant de Cr = 10Nm, pour une inertie de charge du moteur J = 0.02 kg m2. En négligeant les pertes mécaniques, calculer le couple moteur Cm (t) temps requis. Ω (rad/s) 376.8 0 0.2 0.8 1 t(s)  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Solution: Ω (rad/s) 376.8 0 0.2 0.8 1 t(s) t0 t1 t2 t3 L'équation de mouvement pour un entraînement direct est: Cm  Cr  J eq d dt d  max  0 376,8  0 Pour la zones d’accélération :    1884rad.s 2 dt t1  t0 0 ,2  0 d 0  max 0  376,8 Pour la zones de décélération :    1884rad.s 2 dt t3  t 2 1  0 ,8 d Pour la zone de vitesse constante (croisière) : 0 dt 29  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Solution: Par conséquent, les exigences de couple du moteur pour les trois zones sont:  10  0 ,02.1884  47,68 pour 0  t  0 ,2  Cm  10  0 ,02  0  10 pour 0 ,2  t  0 ,8 Cm (N.m)  10  0 ,02.1884  27,68 pour 0 ,8  t  1  47,68 10 t (s) 0 0.2 0.8 1 -27,68 30  6- Dynamique du groupe moteur électrique et charge mécanique Exercice Un moteur à CC de puissance nominale Pn =10 kW, tourne à la vitesse nominale de 1500 tr/min entraîne une charge qui développe un couple constant Cr = 30 N.m. L'inertie du système d'entraînement est de J = 0,10 kg.m2. En supposant que le moteur développe un couple nominal pendant la phase d'accélération. Calculez le temps nécessaire pour accélérer la charge de zéro à 800 tr/min.  7- Point de fonctionnement Le point de fonctionnement d'un groupe {Moteur + charge} correspond au régime permanent, c'est à dire le fonctionnement stabilisé lorsque le couple fourni Cm par le moteur est équilibré par le couple résistant Cr de la charge entraînée. On caractérise ce fonctionnement par un graphe de la vitesse en fonction du couple. Le point de fonctionnement se trouve au point d'intersection du couple moteur et du couple résistant. En régime établi la vitesse est constante. Donc le couple d’accélération n’existe plus. d Cd   Cte  0 dt Cm = Cr Cm  Cr Le moteur est généralement choisi pour un point du fonctionnement, le plus proche possible du régime nominal (courant et tension que la machine peut supporter en régime permanent sans échauffement anormal). 32  8- Point de fonctionnement Stabilité d’un entraînement Un entraînement est en état d'équilibre stable si toute variation de la vitesse , autour du point d'équilibre, fait apparaître un couple permettant de ramener l'entraînement au point d'équilibre initial. (a) : Équilibre stable. (b) : Équilibre instable. Cm Cm Cr Cm A' B' A B A" B" Cm Cr   éq éq+ éq éq+ Coefficient de stabilité Le coefficient de stabilité du point d’équilibre d'un entraînement est défini par la relation suivante : Si ks > 0 : le point d'équilibre est instable.  d Cr  Cm  ks     Si ks < 0 : le point d'équilibre est stable.  d   Si ks = 0 : le point d'équilibre est astable. 33  9- Quadrants de Fonctionnement Les quatre quadrants de fonctionnement d’une machine tournante. 34  10- Charge mécanique Caractéristiques mécaniques des machines entraînées La caractéristique mécanique est la relation entre le couple résistant de la machine et la vitesse de rotation 𝐶𝑟= 𝑓(Ω). Les caractéristiques mécaniques de différentes machines ne sont pas les mêmes et elles sont est souvent compliquées, cependant on peut obtenir quelques résultats plus généraux Couple de levage : constant Cr = k Cr Ω P = Cr × Ω= k × Ω Ici le couple est constant comme dans tout procédé de levage, ,ascenseur , convoyage, broyage, concassage...  10- Charge mécanique Couple résistif proportionnel Le couple Cr évolue proportionnellement à la vitesse Cr = k × Ω La puissance P évolue au carré de la vitesse P = Cr × Ω = k × Ω2 Cr Ω Roue à aubes ou vis sans fin (doseur ou compresseur), avance d'une machine outil... Les mélangeurs, les pompes volumétriques... 36  10- Charge mécanique Couple centrifuge : ventilation... Cr est le couple résistant proportionnel au carré de la vitesse. Cr = k × Ω² La puissance P évolue quant à elle au cube de la vitesse ! P = Cr × Ω = k × Ω3 Les ventilateurs, pompes centrifuges, turbines, centrifugeuses... Ne requièrent quasiment aucun couple au démarrage, par contre celui-ci évoluera au carré de la vitesse. Cr Ω 37  10- Charge mécanique Couple dérouleur : le plus exigeant ! Le couple Cr évolue en décroissance exponentielle avec la vitesse Cr = k / Ω La puissance P est constante. P = Cr × Ω = k Cr Ω Dans cette application, le couple est élevé et maximal au démarrage puis diminue car la bobine, en se déroulant, réduit son diamètre. Un autre exemple de ce type de couple est le mandrin d'un tour qui tronçonne un rondin de matière. 38 Merci pour votre attention 39 Procédé industriel de recyclage du papier