Montée des eaux. Les moteurs synchrones ABB au service de l agriculture irriguée indienne

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1 Montée des eaux Les moteurs synchrones ABB au service de l agriculture irriguée indienne JARI LINDSTRÖM, TAPIO RAUHALA, MAGNUS REJSTRÖM L Inde, économie agricole, manque cruellement d eau. Pour exploiter les terres hautes et les régions arides, le pays pratique l irrigation par pompage vertical en prélevant de grandes quantités d eau des lacs ou rivières. Acheminée ensuite par canaux, l eau transforme la vie des populations rurales. Les moteurs synchrones sont particulièrement bien adaptés à ce type d application. En effet, ces machines puissantes, capables de tourner à faible vitesse, affichent un rendement élevé à vitesse constante et peuvent vaincre le couple résistant d une pompe au démarrage. Pour différents projets d irrigation en Inde, ABB a fourni plus de 20 moteurs synchrones de construction spéciale pour des puissances de 4 à 30 MW et des débits de pompage de 10 à 25 m 3 /s. 34 revue ABB 2 12

2 ABB a conçu et fourni plus de 20 moteurs synchrones de 4 à 30 MW pour des projets indiens d irrigation par pompage vertical. L agriculture absorbe plus de 70 % de l eau douce consommée dans le monde [1]. La diversité géographique de l Inde oblige le pays à recourir à l irrigation par pompage vertical pour maintenir sa production agricole. Ce mode d irrigation met en œuvre des groupes de pompage (3 à 10 pompes et leur moteur), un éventuel bassin-réservoir et des pompes de surpression si l écoulement gravitaire est insuffisant. Ces installations permettent d irriguer de grandes surfaces agricoles, avec des débits proches de 700 m 3 /s sur des distances de 300 km et des dénivelés de 60 m. ABB a conçu et fourni plus de 20 moteurs synchrones de 4 à 30 MW pour des projets indiens d irrigation par pompage Photo Les moteurs synchrones à haut rendement d ABB contribuent à l accroissement des rendements agricoles et des revenus des populations du 4 e plus grand État indien, l Andhar Pradesh. vertical 1. Ces machines furent développées en collaboration avec un important constructeur de pompes, également chargé de la fourniture, de l installation et de la mise en service des groupes de pompage. Augmenter le volume Dans ce type d application, la pompe tourne généralement à vitesse constante ; apte à fonctionner à puissance élevée et faible vitesse, le moteur synchrone constitue la solution la plus économique 2. Superposés, le moteur et la roue sont accouplés par une bride boulonnée 3. Pour les calculs, l ensemble moteur-pompe forme donc un seul système, ce qui a une incidence sur la conception mécanique, notamment les dimensions de la ligne d arbre et le positionnement des paliers. Fabriqués sur cahier des charges, les moteurs conçus spécialement pour les projets indiens sont alimentés en 11 kv à 50 Hz. Les caractéristiques électriques de chaque moteur dépendent du projet final, notamment la hauteur de charge (distance verticale d aspiration de la colonne d eau) et le volume à pomper (m 3 /s). Phase de démarrage Selon les caractéristiques du réseau électrique, les moteurs sont démarrés soit directement, soit par un convertisseur de fréquence. Pour entraîner des pompes, les moteurs doivent être capables de vaincre leur couple résistant sur toute la courbe d accélération. À vitesse nulle, la charge peut atteindre 20 % de sa valeur maximale, selon le type de pompe. Au démarrage, le couple de charge augmente de manière exponentielle jusqu à 100 % de sa valeur, véritable tour de force pour un moteur démarré directement sur le réseau et qui atteint sa vitesse maximale en 3 à 6 s. Le réseau électrique doit impérativement offrir une tenue aux courts-circuits suffisante et le moteur être conçu pour résister à l échauffement et aux forts courants qui parcourent son rotor. Dans les applications de pompage de grands volumes d eau, ce démarrage direct est souvent Montée des eaux 35

3 1 Moteur synchrone à arbre vertical AMZ d ABB 2 Caractéristiques techniques des moteurs Type : Moteurs synchrones pour applications de pompage vertical Années de construction : Projets : Référence : Tension : Fréquence : Puissance : Vitesse : Irrigation en Inde AMZ 11 kv 50 Hz 4 à 30 kw 300 à 600 tr/min Nombre de pôles : 10 à 20 Hauteurs d axe : Protection : Refroidissement : à mm IP54 et IP55 Air-eau Le moteur démarre et accélère progressivement jusqu à sa vitesse maximale à l aide d un convertisseur de fréquence, et n est couplé au réseau qu une fois la vitesse de synchronisme atteinte. remplacé par un démarrage à fréquence variable 4. Le moteur démarre et accélère progressivement jusqu à sa vitesse maximale à l aide d un convertisseur de fréquence ; il n est couplé au réseau qu une fois la vitesse de synchronisme atteinte. Ce convertisseur se compose d un appareillage de coupure et de commutation, de transformateurs et d un onduleur commuté par la charge. Dès que le moteur est en synchronisme avec le réseau, le convertisseur de fréquence est shunté et le groupe de pompage tourne à vitesse constante. Le temps de démarrage d une minute environ, beaucoup plus long qu en démarrage direct, ne pose pas de problème aux applications de pompage. Par contre, la forte réduction des contraintes électromécaniques au démarrage est une très bonne nouvelle! En effet, en limitant l appel de courant à % du courant nominal, le démarrage à fréquence variable évite les creux de tension dommageables pour le moteur et susceptibles de perturber le réseau. De surcroît, il procure des avantages à la fois techniques et économiques car il permet de sélectionner un moteur de taille inférieure, donc moins cher à l achat. Ce dernier consomme moins d énergie et ne doit pas être surdimensionné par rapport à un moteur fonctionnant à vitesse constante. Excitation Pour autant, le système d excitation d un moteur démarré par un convertisseur de fréquence est un peu plus compliqué. Pour fournir le courant d excitation au rotor, des bagues collectrices sont montées sur l arbre moteur et accessibles par des capots amovibles. Ces bagues, ainsi que le moyeu ou la bride de fixation, sont généralement en acier et forment un jeu complet. Des jeux de bagues en laiton de même que des jeux à bride fendue sont disponibles sur demande. Le jeu de bagues est doté de broches de raccordement en laiton pour le montage. Outre le réglage de tension et l alimentation, le système d excitation assure également la protection du moteur. Lorsque ce dernier tourne à vitesse constante, 36 revue ABB 2 12

4 3 Le moteur du groupe de pompage vertical se trouve au-dessus de la roue. Bagues collectrices Palier radial Échangeur air-eau Moteur synchrone Roulement axial Système de lubrification des paliers Palier radial Apte à fonctionner à puissance élevée et faible vitesse, le moteur synchrone constitue la solution la plus économique pour les projets d irrigation par pompage vertical où la pompe tourne généralement à vitesse constante. Roue l excitation réagit aux variations des conditions d exploitation (ouverture d une vanne, par exemple) et ramène le facteur de puissance à la valeur désirée, rétablissant ainsi la stabilité fonctionnelle. Arbres et paliers L exécution mécanique des moteurs synchrones pour le pompage vertical varie selon le cahier des charges du projet. Les principales variables sont la vitesse et la puissance requises par la pompe, ainsi que le type de pompe. On en déduit les dimensions de l arbre et la position des paliers. Rappelons que l ensemble moteurpompe forme un seul et même système. Les arbres étant à accouplements rigides, les contraintes sont calculées comme s il s agissait d une ligne d arbre unique Les moteurs synchrones pour applications de pompage vertical sont économiques et fiables. de grande longueur. Celle-ci pouvant atteindre 10 m, il y a un risque accru de résonance entre la vitesse de fonctionnement et les fréquences latérales. De fortes vibrations peuvent apparaître dans le système, entraînant une détérioration par fatigue et raccourcissant la durée de vie de l arbre et des paliers. Ce problème est résolu en adaptant le diamètre et la longueur de l arbre, ou en positionnant les paliers pour séparer en toute sécurité les fréquences d exploitation des fréquences latérales 5. Montée des eaux 37

5 Les moteurs synchrones ABB à carcasse autoporteuse sont adaptés à leur environnement d exploitation. 4 Le démarrage par convertisseur de fréquence est le plus courant Réseau électrique Convertisseur de fréquence statique LCI d ABB Commande en fréquence variable du moteur Moteur ABB MS 3 Les deux arbres (moteur et pompe) sont en acier massif forgé et supportés par deux paliers-guide et un palier de butée pour les efforts axiaux. Tous les paliers sont lisses. Conçus spécialement pour un arbre vertical, ils comportent un système de circulation d huile et de refroidissement. Les efforts axiaux vont de 300 à 1100 kn et les efforts radiaux sont relativement faibles. Les paliers à coussinets ont été préférés aux paliers à roulements pour leur tenue aux efforts axiaux élevés. Structure du moteur Les moteurs synchrones ABB à carcasse autoporteuse sont adaptés à leur environnement d exploitation. La carcasse du stator en acier rigide résiste aux vibrations induites par la machine entraînée. Le circuit magnétique est un empilage de tôles d acier spécial à faibles pertes, laminées et isolées sur les deux faces au moyen d un revêtement inorganique thermostable. Des canaux radiaux garantissent un refroidissement homogène et efficace du stator. Le bobinage stator en barres cuivre de section rectangulaire est isolé par plusieurs couches de ruban micacé avec support en verre. La classe thermique de tous les matériaux, y compris celle de la résine d imprégnation sous vide et pression, est supérieure à la classe F (155 C). Après insertion dans les encoches correspondantes et avant imprégnation, les bobines sont immobilisées par calage et ficelage au niveau des têtes. Depuis 30 ans, ABB utilise le système d isolation MCI (Micadur Compact Industry) avec le procédé d imprégnation sous vide et pression. Les enroulements MCI exigent très peu d entretien ; il suffit en général d éviter que la présence d humidité ou d impuretés ne pénalise le refroidissement du bobinage lorsque le moteur ne tourne pas. La partie centrale du rotor, de même classe d isolation que le stator, est normalement serrée sur l arbre. Les pôles rotoriques bobinés sont généralement fabriqués à partir de tôles d acier laminées de 2 mm, le pressage étant réalisé par des barres d acier soudées sur les plaques d extrémité. La structure polaire est intégrée ou les pôles sont fixés, par le haut ou par le bas, sur l arbre ou sur la partie centrale du rotor au moyen de boulons ou de queues d aronde. Les pôles sont souvent dotés d un enroulement amortisseur adapté à l application. En pompage vertical, le mode de refroidissement des moteurs doit être adapté à leur installation fréquente en local fermé. L évacuation de la chaleur se fait par circulation d air de refroidissement dans les parties actives des moteurs et par échangeurs air-eau. Ainsi, la température au voisinage du moteur reste admissible, contribuant à créer des 38 revue ABB 2 12

6 5 Étude de déformation de l arbre Max e-7 Min e-5 Max 5.151e e e e e e e e e-7 Min (m) (m) a Les fréquences latérales non amorties les plus faibles sont 8,6 Hz et 10 Hz, et les réponses amorties maximales 9,6 Hz et 11,4 Hz. Les fréquences latérales de l arbre étant proches de la vitesse de fonctionnement, cette conception n est pas satisfaisante. L arbre du rotor doit être plus rigide et l arbre du groupe de pompage plus court. 5b Les fréquences latérales non amorties les plus faibles sont 13,3 Hz et 13,4 Hz, et les réponses amorties maximales 14,8 Hz et 15,3 Hz. La différence de près de 20 % avec la vitesse d emballement de 12,5 Hz (750 tr/min) constitue une marge satisfaisante. conditions d exploitation satisfaisantes dans le local. Les moteurs eux-mêmes sont en protection IP54 ou IP55, selon ces conditions. Une solution efficace En termes de consommation énergétique, de maintenance et de dépenses Ces projets permettent d irriguer de grandes surfaces agricoles, avec des débits proches de 700 m 3 /s sur des distances de 300 km et des dénivelés de 60 m. d investissement, les moteurs synchrones pour applications de pompage vertical sont économiques et fiables. Leurs faibles pertes se traduisent par un haut rendement et le facteur de puissance du réseau peut être corrigé en ajustant le facteur de puissance du moteur en exploitation. ABB est un fournisseur important du marché des moteurs synchrones de fortes puissances. Bénéficiant des ressources mondiales du Groupe, nous proposons une palette de services efficaces et fiables à nos clients de tous les secteurs d activité industrie, marine, offshore et énergie et pour un certain nombre d applications spéciales. Au vu du nombre croissant de projets d irrigation par pompage vertical dans des régions souffrant d un déficit hydrique, ABB promet ces moteurs à un bel avenir. Jari Lindström Tapio Rauhala Magnus Rejström ABB Oy, Motors and Generators Helsinki (Finlande) jari.lindstrom@fi.abb.com tapio.rauhala@fi.abb.com magnus.rejstrom@fi.abb.com Bibliographie [1] The United Nations World Water Development Report 3 (WWDR 3), Water in a Changing World, Montée des eaux 39