Notions fondamentales sur le démarrage des moteurs

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1 Notions fondamentales sur le démarrage des moteurs Démarrage traditionnel Démarreur progressif, convertisseur de fréquence Motor Management TM

2 Préface Ce manuel technique sur le démarrage des moteurs fait partie d une série de publications ayant pour thème la gestion des moteurs soit le Motor Management. Grâce à la publication de ces notions fondamentales, l utilisateur peut bénéficier d un ouvrage de référence évolutif sur l utilisation de la puissance pour la conception et l application. Les thèmes suivants sont traités : Protection des moteurs et des entraînements Sélection et utilisation des contacteurs Communications Les manuels techniques suivants sont déjà parus : Notions fondamentales d utilisation des moteurs triphasés à courant alternatif, qui traite de la construction, des modes de fonctionnement, du choix et du dimensionnement des moteurs et Disjoncteurs : notions fondamentales, qui contient des données supplémentaires sur l utilisation pratique des disjoncteurs. De nos jours, les moteurs font partie de tous les processus de production. Pour cette raison, l utilisation optimale de votre application devient de plus en plus importante en vue de garantir une exploitation rentable. A ce titre, la série Motor Management de Rockwell Automation vous aidera à : optimiser l utilisation de vos systèmes minimiser les coûts d entretien accroître la sécurité d exploitation. Nous nous réjouissons de mettre à votre disposition ces publications qui fourniront sans doute une aide précieuse pour trouver des solutions économiques et efficaces adaptées à votre application. Copyright 1997 by Rockwell Automation AG Nous garantissons la précision des informations fournies dans ce manuel au mieux de notre connaissance et en déclinant toute responsabilité légale éventuelle. i

3 Sommaire 1 Démarrage traditionnel Démarrage étoile-triangle Démarrage étoile-triangle normal Démarrage étoile-triangle renforcé Démarrage étoile-triangle mixte Démarrage étoile-triangle sur fraction d enroulement Démarrage étoile-triangle à transition fermée Démarrage par autotransformateur Démarrage avec bobines de self ou résistances Démarrage avec bobines de self Démarrage avec résistances Moteurs multi-vitesses Démarreur progressif Généralités Réalisation du démarrage progressif Diminution du couple moteur Influence de la tension moteur Types de démarrage Démarrage sur rampe de tension Démarrage sur limite de courant Couples Types de démarreurs Progressif Démarreur progressif commandé par alternance 2.6 complète sur une phase Démarreur progressif commandé par demi-alternance 2.7 sur trois phases Démarreur progressif commandé par alternance 2.8 complète sur trois phases 2.5 Charge thermique au démarrage Avantages du démarreur progressif Avantages pour le client Avantages mécaniques Avantages électriques 2.10 ii

4 2.8 Possibilités de mises en œuvre Démarrage des pompes Comportement du courant et du couple avec 2.11 démarrage étoile-triangle Comportement de la vitesse avec démarreur 2.12 progressif pour pompe Comparaison des courbes de couple Comportement du flux lors du démarrage Comportement du flux lors de l arrêt Conditions pour un démarreur progressif pour pompe Domaines d application Options Convertisseur de fréquence Généralités Construction Redresseur de tension réseau Représentation de principe de la tension continue pulsée Circuit intermédiaire Onduleur Représentation de principe de la modulation d impulsions en durée Régimes de fonctionnement Relation fréquence-tension Accentuation de tension ou boost Compensation du glissement Valeur de consigne Compensation Protection moteur Changement du sens de rotation et freinage Avantages du convertisseur de fréquence Perturbations fréquence radio Généralités Normes Mesures correctives Comparaison des procédés de démarrage 4.1 iii

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6 Démarrage des moteurs électriques Grâce à leur simplicité, leur robustesse et leur coût attractif, les moteurs à cage sont les moteurs les plus souvent utilisés dans l industrie. En commutation directe, ils absorbent un courant de démarrage jusqu à 8 fois plus important que le courant nominal et ils développent donc un couple de démarrage élevé. Les courants de démarrage élevés ont souvent comme conséquence une chute de tension désagréable et les couples de démarrage élevés nécessitent des éléments mécaniques résistant aux surcharges. C est la raison pour laquelle les distributeurs d électricité fixent des valeurs limites pour les courants de démarrage des moteurs, par rapport aux courants de fonctionnement nominaux. Les valeurs permises varient d un réseau à l autre, en fonction de la charge. En ce qui concerne la mécanique, des procédés qui diminuent les couples de démarrage sont souhaitables. Pour diminuer les courants et les couples, il existe différentes commutations et méthodes de démarrage : Démarrage étoile-triangle Démarrage par autotransformateur Démarrage avec bobines de self ou résistances Démarrage multi-vitesses Démarrage avec démarreur progressif électronique Démarrage avec convertisseur de fréquence Les méthodes de démarrage les plus importantes utilisées dans la pratique sont présentées ci-dessous. 1 Démarrage traditionnel 1.1 Démarrage étoile-triangle On distingue les méthodes suivantes : Démarrage étoile-triangle normal Démarrage étoile-triangle renforcé Démarrage étoile-triangle à transition fermée (closed transition) Démarrage étoile-triangle normal Pour le démarrage, les enroulements du moteur sont couplés en étoile avec le réseau. La tension aux bornes de chaque enroulement est ainsi réduite par un facteur 1/ _ 3=0,58. Avec ce couplage, le couple de démarrage atteint environ 30% de la valeur obtenue avec un couplage en triangle. A l enclenchement, le courant est réduit à un tiers du courant avec enclenchement direct, c est-à-dire typiquement à 2 à 2,5 I e. A cause du couple de démarrage réduit, la commutation étoile-triangle convient bien aux entraînements avec une grande masse mobile, mais peu à ceux avec un couple résistant augmentant avec la vitesse. Elle est donc utilisée de préférence dans les applications où l entraînement est soumis à une charge seulement après l accélération. Parmi les applications possibles, citons les presses, les centrifugeuses, les pompes, les ventilateurs, etc. 1.1

7 I I e 7 6 M M N 3 I M I A 2 I Y 1 1 M Y M L n 0,25 0,5 0,75 1 n s Caractéristiques types de courant et de couple lors du démarrage étoile-triangle I I e Courant moteur Courant de service nominal du moteur M D Couple avec couplage triangle M E Couple avec couplage étoile n Vitesse de rotation n s Vitesse synchrone M L Couple résistant I Y Courant avec couplage étoile I D Courant avec couplage triangle I A Caractéristique de courant avec commutation étoile-triangle L1 L2 L3 L1 L2 L3 I LY = 1 3 I LD U e V 1 I LD U e U e 3 V 1 W 2 V 2 U 2 W 2 V 2 W1 U 1 Z W W 1 I WV I WU U 1 I WU U 2 Couplage étoile Couplage triangle Rapport entre les courants avec couplage étoile et couplage triangle I LY Courant d alimentation avec couplage étoile I LD Courant d alimentation avec couplage triangle I W Courant d enroulement U e Tension réseau entre phases Z W Impédance enroulement I LY = I WU = U e _ 3 Z W I L1D = I WU + I WV I LD = I W _ 3 = I LY = 1 I LD 3 Ue _ 3 = 3 I LY Z W 1.2

8 Après accélération du moteur, un relais de temporisation commute automatiquement le couplage étoile en couplage triangle. La phase de démarrage en couplage étoile doit durer jusqu à ce que le moteur ait atteint une vitesse voisine de la vitesse de service, de manière à supporter un minimum de post-accélérations après la commutation en triangle. Les post-accélérations en couplage triangle entraînent des courants élevés comme avec le démarrage direct. La durée de la phase de démarrage en couplage étoile dépend de la charge du moteur. En couplage triangle, les enroulements du moteurs sont soumis à la tension entière du réseau. Pour effectuer la commutation étoile-triangle les 6 extrémités des enroulements du moteur sont couplées à des bornes de connexion. Les contacteurs d un démarreur étoiletriangle commutent les enroulements en conséquence. Commutation étoile-triangle avec contacteurs Pour le démarrage en étoile, le contacteur principal ferme le réseau aux extrémités des enroulements U1, V1, W1. Le contacteur étoile relie les extrémités des enroulements U2, V2, W2. Après la phase d accélération, le contacteur étoile coupe et le contacteur triangle relie les bornes U1/V2, V1/W2, W1/U2. Lors de la commutation étoile-triangle, il faut respecter la séquence correcte des phases, c est-à-dire la connexion correcte du conducteur au moteur et au démarreur. En cas de mauvaise séquence, à cause de la faible chute de vitesse pendant la pause de commutation sans courant lors de la recommutation, il peut se produire des pointes de courant très élevées, qui peuvent endommager les enroulements et qui chargent inutilement les contacteurs. Le sens de rotation du moteur est également à contrôler. 1.3

9 Connexion correcte du moteur Entre la coupure du contacteur étoile et la commutation du contacteur triangle, un temps de pause suffisant doit s écouler pour que l arc de mise hors circuit dans le contacteur étoile s éteigne. Si la commutation est trop rapide, un court-circuit dû à l arc de mise hors circuit peut se produire. La durée de la pause de commutation doit suffire à éteindre l arc de mise hors-circuit tout en minimisant la chute de vitesse pendant la pause de commutation. Des relais de temporisation spéciaux pour la commutation étoile-triangle remplissent ces exigences. Protection moteur et dimensionnement des contacteurs Le relais de protection du moteur est couplé aux phases des enroulements, c est-à-dire au contacteur principal. Le courant à appliquer est ainsi plus petit d un facteur 1/ _ 3=0.58 que le courant nominal moteur. A cause des courants de la troisième oscillation harmonique circulant dans les enroulements, un réglage plus élevé du relais de protection du moteur peut être nécessaire. Ceci ne peut être fait que sur la base d une mesure effectuée avec un instrument capable de mesurer la valeur effective correcte. La section des conducteurs vers le moteur et pour le retour doit être dimensionnée thermiquement en fonction du courant de réglage du relais de protection du moteur. En cas de protection par des disjoncteurs ayant une caractéristique de protection de moteur, le disjoncteur est connecté dans les conducteurs réseau car il prend en charge la protection contre les courts-circuits de la ligne et du démarreur. Dans ce cas, le réglage de courant se fait sur le courant nominal du moteur. Une correction du réglage à cause de la troisième oscillation harmonique n est dans ce cas pas nécessaire. Les conducteurs doivent être thermiquement dimensionnés selon le réglage du disjoncteur. Avec démarrage étoile-triangle, les contacteurs doivent être dimensionnés selon les courants suivants : Contacteur principal K1M 0,58 I e Contacteur triangle K2M 0,58 I e Contacteur étoile K3M 0,34 I e Pour des phases de démarrage supérieures à 15 secondes environ, un contacteur étoile plus fort doit être choisi. Si le contacteur étoile est de la même dimension que le contacteur principal, des phases de démarrage allant jusqu à 1 minute sont permises. 1.4

10 1.1.2 Démarrage étoile-triangle renforcé Si, avec le démarrage normal étoile-triangle, le couple est insuffisant pour accélérer l entraînement en couplage étoile au voisinage de la vitesse de service, le démarrage étoile-triangle renforcé peut être utilisé. Bien entendu, la consommation de courant augmente en même temps que le couple d entraînement. On distingue les démarrages suivants : Démarrage étoile-triangle mixte Démarrage étoile-triangle sur fraction d enroulement Pour ces deux types de démarrage, des moteurs avec prises correspondantes sur les enroulements sont nécessaires. Les mêmes règles que pour le démarrage étoile-triangle normal s appliquent pour la connexion du moteur, la commande des contacteurs, la protection du moteur et le dimensionnement thermique des conducteurs Démarrage étoile-triangle mixte Dans ce cas, les enroulements du moteur sont la plupart du temps divisés en deux moitiés égales. Lors du démarrage, chaque demi-enroulement est commuté en triangle alors que l autre demi-enroulement est commuté en étoile. D où la désignation de démarrage mixte. Le courant de commutation étoile est environ de 2 à 4 I e. Il en résulte un couple de démarrage plus important. L1 L2 L3 H D V 1 V 3 D H V 2 V 3 Y U 3 U U3 2 U 1 Y Y W 2 W 3 W 3 W 1 D H Démarrage étoile-triangle mixte Dimensionnement des contacteurs : Contacteur principal K1M 0,58 I e Contacteur triangle K2M 0,58 I e Contacteur étoile K3M 0,34 I e 1.5

11 Démarrage étoile-triangle sur fraction d enroulement Dans ce cas, les enroulements du moteur sont également divisés. En couplage étoile, seul l enroulement principal, c est-à-dire une partie de l enroulement complet, est utilisé. D où la désignation de démarrage sur fraction d enroulement. Le courant de commutation étoile se situe entre 2 et 4 I e, ce qui produit également un couple de démarrage plus important. L1 L2 L3 H D V 1 W 2 V 2 D H V 3 V 3 Y Y Y U 3 U 1 U 3 W 3 W 3 W 1 U 2 D H Démarrage étoile-triangle sur fraction d enroulement Dimensionnement des contacteurs : Contacteur principal K1M 0,58 I e Contacteur triangle K2M 0,58 I e Contacteur étoile K3M 0,5-0,58 I e (selon courant de démarrage) Démarrage étoile-triangle à transition fermée Avec ce type de commutation, la chute de vitesse pendant la commutation étoiletriangle est évitée et les pointes de courant conséquentes sont maintenues à un faible niveau. Avant l ouverture du contacteur étoile, un quatrième contacteur K4M (contacteur de transition) du circuit moteur se ferme et met en circuit les résistances en triangle. Le courant moteur n est alors pas interrompu pendant la commutation et la vitesse du moteur reste pratiquement constante. Le contacteur triangle K2M établit ensuite l état de commutation définitif et déclenche le contacteur de transition K4M. 1.6

12 H+Y A H+Y+T B H+T C H+D D Démarrage étoile-triangle à transition fermée Dimensionnement des contacteurs et résistances: Contacteur principal K1M 0,58 I e Contacteur triangle K2M 0,58 I e Contacteur étoile K3M 0,58 I e Contacteur de transition K4M typ. 0,27 I e (selon courant de transition) Résistances de transition typ. 0,35 à 0,4 U e /I e Contrairement à la commutation étoile-triangle normale, le contacteur étoile doit être dimensionné comme le contacteur principal et le contacteur triangle car il doit mettre hors circuit le courant étoile du moteur et les résistances de transition. Dans les résistances, circule un courant d environ 1,5 I e. Une puissance de commutation correspondante plus élevée est donc nécessaire. Les mêmes règles que pour le démarrage étoile-triangle normal s appliquent pour la connexion du moteur, la commande des contacteurs (commutation différente à cause de la commande du contacteur de transition), la protection du moteur et le dimensionnement thermique des conducteurs. 1.7

13 1.2 Démarrage par autotransformateur Le démarrage par autotransformateur permet le démarrage des moteurs à cage avec un courant réduit dû à une réduction de tension pendant la durée d accélération. Contrairement à la commutation étoile-triangle, seuls trois conducteurs vers le moteur et 3 connexions moteur sont nécessaires. Ce type de commutation est particulièrement répandu dans les pays anglophones. Lors du démarrage, le moteur reste sur les prises de l autotransformateur. Le moteur démarre également avec une tension réduite et un courant correspondant plus petit. L autotransformateur diminue le courant dans le conducteur réseau selon son rapport de transformation. Comme pour la commutation étoile-triangle, le démarreur par autotransformateur présente un rapport couple-consommation de courant avantageux. Pour pouvoir adapter la caractéristique de démarrage du moteur au besoin en couple, les autotransformateurs comportent la plupart du temps trois prises sélectionnables (par exemple 80%, 65% et 50%). Lorsque le moteur a atteint une vitesse voisine de sa vitesse nominale, la liaison étoile de l autotransformateur s ouvre. Les fractions d enroulement du transformateur se comportent alors comme des bobines de self en série avec les enroulements du moteur et par conséquent, comme pour le démarrage étoile-triangle à transition fermée, la vitesse du moteur ne chute pas pendant la commutation. Après mise en circuit du contacteur principal, la tension entière du réseau est appliquée aux enroulements du moteur. Enfin, le transformateur est déconnecté du réseau. En fonction de chaque prise et rapport de courant de démarrage, le courant de commutation est de 1 à 5 x I e. Le couple à disposition diminue quelque peu en fonction du courant de démarrage. Démarreur par autotransformateur avec commutation à transition fermée (Commutation Korndörfer ) 1.8

14 1.3 Démarrage avec bobines de self ou résistances Grâce à des bobines de self ou des résistances couplées en série, la tension moteur et donc le courant de démarrage sont réduits. Le couple de démarrage diminue en fonction du carré de la diminution du courant Démarrage avec bobines de self A l arrêt, la résistance du moteur est faible. Une grande partie de la tension est réduite par les bobines de self couplées en série. Le couple de démarrage du moteur est alors fortement diminué. Lorsque la vitesse augmente, la tension aux bornes du moteur augmente à cause du retour du courant d utilisation et de la répartition vectorielle de tension entre le moteur et la réactance couplée en série. Le couple moteur augmente alors également. Après la phase d accélération les bobines de self sont court-circuitées. Le courant de commutation diminue en fonction du couple de démarrage nécessaire. Démarrage avec bobines de self 1.9

15 Démarrage avec résistances Des résistances de faible coût sont montées à la place des bobines de self décrites cidessus. Avec cette méthode, la réduction possible du courant de démarrage est peu prononcée car le couple moteur diminue de manière quadratique par rapport à la tension. L augmentation de la tension aux bornes du moteur est un effet de la baisse de consommation de courant lorsque la vitesse augmente. Il est préférable de diminuer les résistances par étages lors du démarrage. Le coût des contacteurs est cependant plus important. Une autre possibilité réside dans l utilisation de résistances humides (électrolyte) étanches. Avec ces éléments, la résistance ohmique diminue avec la montée en température due à l effet du courant de démarrage. Démarrage avec résistances 1.10

16 1.4 Moteurs multi-vitesses Pour les moteurs asynchrones, le nombre de pôles définit la vitesse de rotation. 2 pôles = 3000 min 1 (vitesse synchrone) 4 pôles = 1500 min 1 6 pôles = 1000 min 1 8 pôles = 750 min 1 etc. Avec une commutation appropriée des enroulements à encoches ou avec des enroulements divisés par vitesse dans les mêmes moteurs, ceux-ci peuvent être conçus avec deux ou plusieurs vitesses. La commutation Dahlander, est particulièrement économique puisqu elle permet deux vitesses dans le rapport 1:2 avec un seul enroulement. Les moteurs multi-vitesses trouvent leur application par exemple dans les ventilateurs, pour changer de puissance de ventilation. Il s agit du domaine d application le plus important. Selon chaque dimensionnement et commutation des enroulements, il existe des moteurs avec pratiquement la même puissance ou le même couple pour différentes vitesses. A couple égal, le courant est plus petit pour une vitesse plus petite, et les démarrages avec des besoins en couple importants peuvent donc être réalisés avec des consommations de courant plus faibles. Moteur multi-vitesses 1.11

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18 2 Démarreur progressif 2.1 Généralités Selon la qualité du réseau, des variations rapides du courant consommé, comme c est le cas lors du démarrage d un moteur, peuvent provoquer des chutes de tension qui perturbent les autres appareils alimentés par le même réseau : Fluctuations de luminosité des éclairages Influence sur les installations informatiques Défaillances des contacteurs et des relais Lors des démarrages, les éléments mécaniques d une machine ou installation sont fortement sollicités par l impact du couple dû au démarrage. Avec les solutions traditionnelles telles que : commutation étoile-triangle autotransformateur bobines de self ou résistances, la tension aux bornes du moteur ainsi que le courant ne peuvent être influencés que par étapes. Le démarreur progressif gère en continu la tension depuis une valeur de départ sélectionnable jusqu à cent pour-cent. Le couple et le courant augmentent ainsi de manière continuelle. Le démarreur progressif permet également un cycle d arrêt continuel du moteur sous charge. 2.1

19 2.2 Réalisation du démarrage progressif Caractéristiques moteur La caractéristique de couple du moteur permet d expliquer comment obtenir un démarrage de moteur lent. En comparant la caractéristique de charge avec la caractéristique du moteur, il apparaît que la caractéristique de couple du moteur se situe toujours au-dessus de la caractéristique du couple résistant, jusqu à ce qu elle coupe cette dernière. A ce moment du cycle, la charge nominale atteint la vitesse nominale. La différence entre la caractéristique du couple résistant et la caractéristique du couple moteur représente ce qu on appelle le couple d accélération (M B ). Ce couple fournit l énergie servant à commencer à faire tourner et à accélérer l entraînement. Le rapport entre les deux caractéristiques représente la mesure du temps de démarrage ou d accélération d un entraînement. Si le couple moteur est beaucoup plus grand que le couple résistant, l énergie d accélération est grande et donc le temps d accélération est court. Si par contre le couple moteur est seulement un peu plus grand que le couple résistant, il fournit une faible énergie et le temps d accélération est d autant plus grand. Le démarrage progressif est ainsi réalisé en diminuant le couple d accélération. 2.2

20 2.2.1 Diminution du couple moteur Caractéristiques de couple Les caractéristiques représentées ne sont valables que lorsque toute la tension U N est à disposition. Aussitôt qu une tension plus petite est appliquée, le couple est réduit de manière quadratique. Si la tension effective du moteur est réduite de 50%, le couple est alors réduit au quart de sa valeur. En comparant les caractéristiques du couple moteur et du couple résistant, on voit que l écart est plus important en présence de la tension du réseau U Netz que pour la tension réduite U red. Le couple moteur et donc la force d accélération sont influencés par l adaptation de la tension aux bornes du moteur Influence de la tension moteur Découpage de phase La tension moteur est facilement modifiée avec une commande à découpage de phase. Au moyen d un semi-conducteur, le thyristor, il est possible de n appliquer au moteur qu une partie de la tension, en coupant la demi-alternance sinusoïdale. A l instant où le thyristor coupe la demi-alternance sinusoïdale, on définit l angle d amorçage Alpha. Si l angle Alpha est grand, la tension eff. moteur est petite. En déplaçant petit à petit l angle d amorçage Alpha vers la gauche, la tension eff. moteur augmente. Avec la commande correspondante, le découpage de phase est une méthode simple et efficace pour modifier la tension moteur. 2.3

21 2.3 Types de démarrage Il y a deux possibilités principales pour faire démarrer un moteur progressivement. Il s agit du démarrage sur rampe de tension et du démarrage sur limite de courant Démarrage sur rampe de tension Rampe de tension Lors du démarrage sur rampe de tension, le temps de démarrage ou temps d accélération et le couple initial de décollement sont fixés. Le démarreur progressif augmente la tension aux bornes du moteur linéairement depuis une valeur prédéfinie (tension de départ) jusqu à la tension entière du réseau. La faible tension moteur au départ du processus a pour conséquence un couple moteur plus faible et entraîne ainsi un cycle d accélération progressif. La valeur de départ de la tension à appliquer est définie par le couple initial de décollement = couple de départ du moteur. Avec la commande Dialog Plus SMC, il est possible de choisir entre deux profils de démarrage progressif avec des temps de rampe et des valeurs de couple de décollement applicables séparément. Le temps d accélération du moteur résulte du réglage du temps d accélération et du couple de décollement. Si le couple de décollement est choisi très grand ou le temps d accélération très petit, on se rapproche alors du démarrage direct. Dans la pratique, on définit d abord le temps d accélération (10 sec. environ pour les pompes) et ensuite le couple de décollement de manière à ce que le démarrage progressif soit réalisé. Le temps de réglage déterminé n est pas le temps d accélération effectif de l entraînement; il est dépendant de la charge et du réglage du couple de décollement. Lors d un démarrage progressif sur rampe de tension, le courant augmente jusqu à une valeur maximale et il redescend à la valeur I N en atteignant la vitesse nominale du moteur. Le courant maximal ne peut pas être déterminé à l avance; il dépend de chaque moteur. Cependant, si une certaine valeur de courant ne doit pas être dépassée, il est alors possible de choisir le démarrage sur limite de courant. 2.4

22 2.3.2 Démarrage sur limite de courant Courbes de courant lors de l accélération Le courant augmente selon une certaine rampe jusqu à la valeur maximale définie et il redescend à la valeur I N en atteignant la vitesse nominale du moteur. Le moteur ne peut ainsi tirer qu un certain courant de démarrage. Cette méthode de démarrage est souvent demandée par les distributeurs d électricité dans les cas où un gros moteur (aération du foin, pompe) doit être connecté au réseau Couples Courbes de couple Ce graphique montre les différents couples du moteur pour démarrage direct, démarrage progressif sur rampe de tension et sur limite de courant. 2.4 Types de démarreurs progressifs La différence entre les différents types de démarreurs progressifs réside dans la construction de la partie puissance et la caractéristique de commande. Comme déjà expliqué, le démarreur progressif est basé sur le principe du découpage de phase. Au moyen d un thyristor, il est possible de n appliquer qu une partie de la tension au moteur, en coupant la demi-alternance sinusoïdale. Le thyristor ne laisse passer le courant que dans une direction. Un second semiconducteur polarisé en sens contraire conduisant le courant négatif (semi-conducteur monté tête-bêche) est donc nécessaire. 2.5

23 On différencie les démarreurs progressifs selon les deux critères suivants : 1. Nombre de phases commandées. Une phase (démarreur progressif commandé sur une phase), deux phases (démarreur progressif commandé sur deux phases) ou trois phases (démarreur progressif commandé sur trois phases). 2. Types du second semi-conducteur polarisé inversement. Si on choisit une diode, on parle alors d un démarreur progressif commandé par demialternance. Si on choisit un thyristor, on parle alors d un démarreur progressif commandé par alternance complète. Comme les différents types influencent différemment la tension et le courant, on peut expliquer au moyen des trois schémas de principe qui suivent : Démarreur progressif commandé par alternance complète sur une phase L1 L2 L3 F1 Démarreur progressif Commande sur une phase Dans le démarreur commandé sur une phase, le découpage de phase est réalisé sur une phase au moyen de deux thyristors placés tête-bêche (phase L2). Les phases L1 et L3 sont directement connectées au moteur. Dans les phases L1 et L3, lors du démarrage, circule toujours un courant de 6 fois le courant nominal du moteur. Il est possible de diminuer le courant à 3 fois le courant nominal, seulement dans la phase commandée. 2.6

24 En comparant cette méthode avec le démarrage direct, on constate que le temps d accélération est plus long mais que le courant moteur eff. n est pas considérablement réduit. La conséquence est que le même courant environ que pour le démarrage direct circule à travers le moteur. Ce qui fait que le moteur s échauffe. Comme une seule phase est découpée, le réseau est chargé asymétriquement pendant la phase de démarrage. Cette méthode correspond à la commutation KUSA classique. Les démarreurs commandés sur une et deux phases sont principalement utilisés dans les domaines de puissances allant jusqu à 5,5 kw maximum. Ils sont seulement appropriés pour éviter les chocs mécaniques dans le système. Le courant de démarrage du moteur à courant alternatif n est pas diminué avec cette méthode Démarreur progressif commandé par demi-alternance sur trois phases L1 L2 L3 F1 Démarreur progressif Commande par demi-alternance Beim Dans le démarreur progressif commandé par demi-alternance sur trois phases, le découpage de phase est appliqué sur les trois phases. Comme semi-conducteur de puissance, un thyristor est monté tête-bêche avec une diode. Le découpage de phase se fait donc uniquement en demi-alternance (commande par demi-alternance). Ainsi, la tension n est diminuée que lors de la demi-alternance, lorsque le thyristor est conducteur. Lors de la deuxième demi-alternance, lorsque la diode est conductrice, la tension réseau entière est appliquée au moteur. Dans la demi-alternance non-commandée (diode) les pointes de courant sont plus grandes que dans la demi-alternance commandée. Les oscillations harmoniques ainsi générées entraînent un échauffement supplémentaire du moteur. Comme les pointes de courant dans la demi-alternance non-commandée (diode) et les oscillations harmoniques conséquentes sont critiques pour des grandes puissances, les démarreurs progressifs commandés par demi-alternance ne sont utilisables efficacement que jusqu à environ 45 kw. 2.7

25 2.4.3 Démarreur progressif commandé par alternance complète sur trois phases L1 L2 L3 F1 Démarreur progressif Commande par alternance complète Dans ce type de démarreur, le découpage de phase se fait sur les trois phases. Comme semi-conducteur de puissance on utilise deux thyristors montés tête-bêche. La tension de phase est ainsi découpée dans les deux demi-alternances (commande alternance complète). A cause des oscillations harmoniques créées lors du découpage de phases, le moteur, par contre, est thermiquement plus sollicité avec le démarrage progressif qu avec le démarrage direct. Les démarreurs progressifs commandés par alternance complète sur trois phases sont utilisés pour des puissances allant jusqu à environ 630 kw. 2.5 Charge thermique lors du démarrage 4 1 pôle Echauffement du moteur Temps de démarrage moteur Echauffement moteur 2 pôle Demi-alternance Alternance complète Ce graphique montre l influence des différents types de démarreurs progressifs sur l échauffement supplémentaire du moteur par rapport au démarrage direct. 2.8

26 Le point 1/1 représente l échauffement du moteur après le démarrage direct. Sur l axe X se trouve le coefficient de multiplication du temps de démarrage et sur l axe Y le coefficient de multiplication de l échauffement du moteur. Si par exemple on double le temps de démarrage par rapport au démarrage direct, l échauffement du moteur est multiplié par 1,75 pour le démarreur progressif commandé sur une phase l échauffement du moteur est multiplié par 1,3 pour le démarreur progressif commandé sur deux phases l échauffement du moteur est multiplié par 1,1 pour le démarreur progressif commandé par demi-alternance on ne constate pratiquement aucun échauffement supplémentaire pour le démarreur progressif commandé par alternance complète Pour des temps de démarrage plus longs et pour des grandes puissances, seul le démarreur progressif commandé par alternance complète est applicable. 2.6 Avantages du démarreur progressif Grâce au démarrage lent, le démarreur progressif ménage le moteur et la machine. Le courant de démarrage est réduit ou peut être limité. Le couple est adapté à la charge correspondante. Pour les pompes, les ondes de pression au démarrage et à l arrêt sont évitées. Les mouvements de retour et les chocs pouvant perturber un processus sont évités. L usure des courroies, chaînes, entraînements et paliers est diminuée. Grâce aux différentes possibilités de commande, l automatisation est facilitée. 2.7 Avantages pour le client Avantages mécaniques Avec un démarrage direct, le moteur développe un couple de démarrage très important. Normalement les valeurs des couples de démarrage sont de 150 à 300% celles du couple nominal. Selon le type de démarrage et à cause du fort couple de démarrage, la mécanique de l entraînement peut être sollicitée exagérément ( contrainte mécanique ), ou bien le processus de fabrication est perturbé par des chocs et des à-coups inutiles. Grâce à la mise en œuvre d un démarreur progressif, on évite les chocs subis par les parties mécaniques de la machine. La caractéristique de démarrage peut être adaptée à l utilisation (par exemple commande de pompe). Câblage moteur facilité (seulement 3 conducteurs). 2.9

27 2.7.2 Avantages électriques Le démarrage d un moteur à courant alternatif entraîne dans le réseau des appels de courant importants (6 à 7 fois le courant nominal). Il peut en résulter d importantes chutes de tension qui perturbent les autres utilisateurs connectés sur ce réseau. Les distributeurs d électricité imposent donc des limites pour les courants de démarrage des moteurs. Avec un démarreur progressif, il est possible de limiter le courant de démarrage du moteur, pour autant qu un couple de démarrage élevé ne soit pas nécessaire. Les charges sur le réseau sont alors diminuées. Diminution éventuelle des frais de connexion au réseau. Dans de nombreux cas, une limitation du courant de démarrage est imposée par le distributeur d électricité; les prescriptions correspondantes sont ainsi respectées. 2.8 Possibilités de mise en œuvre Les applications types sont : Ponts roulants, convoyeurs, mécanismes de roulement Mélangeurs, moulins, broyeurs Pompes, compresseurs, ventilateurs Entraînements avec réducteurs, chaînes, courroies, accouplements Pompes : Grâce à une commande spéciale de pompe, il est possible d éliminer les chocs de pressions qui se produisent au démarrage et à l arrêt. Compresseurs : Pour les compresseurs, lors d un démarrage étoile-triangle, la vitesse peut chuter à la commutation. Avec un démarreur progressif, on obtient un démarrage continu sans chute de vitesse. Moteurs monophasés : Si on veut exploiter un moteur monophasé avec un démarreur progressif, on peut utiliser un démarreur progressif commandé par alternance complète sur une phase. En général : Pour des raisons économiques, le démarreur progressif remplace avantageusement la commutation étoile-triangle pour les entraînements de grande puissance. Avant tout, pour les applications avec des démarrages en charge (lorsque la charge ne peut pas être raccordée après l accélération), il est préférable d utiliser le démarrage progressif à la place de la commutation étoile-triangle. 2.10

28 2.9 Démarrage des pompes Comportement du courant et du couple avec démarrage étoile-triangle Courbes de courant étoile-triangle Le graphique montre les caractéristiques de couple et de courant avec démarrage étoiletriangle en fonction de la vitesse. Dans cette application, un démarrage étoile-triangle n est pas approprié car on est en présence d un démarrage en charge. Pendant la commutation étoile-triangle, le courant chute à zéro et la vitesse est réduite selon chaque application. La commutation en triangle entraîne ensuite un fort accroissement du courant. Dans les réseaux faibles, des chutes de tension peuvent alors se produire. Lors de la commutation en triangle, le couple moteur augmente également à une valeur élevée qui sollicite toute la mécanique de l entraînement. Lorsque les pompes travaillent avec commutation étoile-triangle, un accouplement élastique mécanique est utilisé la plupart du temps. 2.11

29 2.9.2 Comportement de la vitesse avec démarreur progressif pour pompe Comportement vitesse avec démarreur progressif pour pompe Avec le démarreur progressif, le moteur n est pas accéléré de manière linaire; la courbe de vitesse varie en forme de S. Grâce au démarrage lent, à l accélération rapide et à l obtention retardée de la vitesse nominale, un démarrage optimal de la pompe est assuré. L arrêt d une pompe impose des contraintes élevées au démarreur progressif. La pompe doit être ralentie de manière à ne pas provoquer d ondes de pression. Le démarreur progressif doit connaître la charge et la vitesse du moteur et adapter en conséquence ses paramètres pour que le but recherché soit atteint Comparaison des courbes de couple Courbes de couple Ce graphique montre les caractéristiques de couple des différents processus de démarrage. La courbe pour le démarrage progressif avec le module de pompe est parallèle à la caractéristique de la pompe; un couple d accélération constant est alors obtenu. 2.12

30 2.9.4 Comportement du flux lors du démarrage Comportement du flux lors du démarrage Ce graphique montre le comportement du flux lors du démarrage avec les différents procédés de démarrage. Avec le démarrage direct, la circulation du flux est très rapidement accélérée. Lorsque le flux atteint 100%, l accélération varie fortement. Des ondes de pression pouvant provoquer d importants dommages aux installations sont générées. Avec le démarreur progressif conventionnel, la variation de l accélération est beaucoup plus faible et donc les effets sont également atténués. C est uniquement avec le démarreur progressif avec un module de pompe spécial, que la variation de l accélération est si petite qu aucune onde de pression n est générée Comportement du flux lors de l arrêt Comportement du flux lors de l arrêt Ce graphique montre le comportement du flux lors de l arrêt avec les différentes méthodes d arrêt. 2.13

31 Lors de la décélération, la pompe s arrête immédiatement. C est-à-dire que toute la colonne d eau tombe sur le clapet de non-retour. La mécanique est alors fortement sollicitée, comme lors du démarrage direct. L arrêt progressif conventionnel n est pas approprié pour l application avec une pompe car la vitesse du flux n est diminuée que jusqu à un certain degré et le même effet qu avec l accélération se produit. Un freinage optimal du flux ne peut être obtenu qu avec un arrêt de pompe régulé. comme pour le démarrage, il est presque plus important qu il n y ait aucune onde de pression lors de l arrêt. Le démarreur progressif doit freiner lentement le flux, freiner ensuite plus fortement puis freiner de nouveau lentement, avant la fermeture, de manière à ce que le flux atteigne lentement la vitesse zéro Conditions pour un démarreur progressif pour pompe En considérant que la hauteur de la colonne d eau et la longueur de la conduite sont différentes pour toutes les installations, il est nécessaire de programmer le démarreur progressif en fonction de chaque cas. Le démarrage progressif doit s adapter à chaque application de façon à gérer le démarrage et l arrêt de manière optimale Domaines d application Les démarreurs progressifs avec le module de pompe sont cependant utilisés dans de si nombreux domaines que nous ne pouvons en citer ici que quelques uns : Alimentations en eau Industries minières Installations de décantation Installations de soutirage de raffinerie Brasseries / laiteries Fabrication de papier Chauffages à distance Usinage du bois Piscines Technologie HLK Production de boissons et d aliments Installations de chimie et de pétrochimie 2.10 Options Différentes options sont offertes pour les démarreurs progressifs : Arrêt progressif Commande de pompe Cycle préalable de démarrage Freinage intelligent Arrêt en 2 phases Cycle préalable de positionnement avec freinage Ces options sont décrites plus en détail dans les catalogues des produits Allen-Bradley. 2.14

32 3 Convertisseur de fréquence 3.1 Généralités L industrie exige des vitesses de production toujours plus élevées et des procédés plus efficaces sont couramment développés pour des installations de production toujours plus performantes. Les moteurs électriques sont des éléments importants de ces installations. Pour cette raison, différentes méthodes pour faire varier la vitesse des moteurs asynchrones à courant alternatif ont été développées. La plupart de ces méthodes impliquent de grandes pertes de puissance ou des investissements importants. Avec le développement des convertisseurs de fréquence les moteurs à courant alternatif conventionnels peuvent être utilisés avantageusement pour des vitesses variables. Un convertisseur de fréquence est un appareil électrique qui, en transformant la fréquence et la tension en grandeurs variables, commande la vitesse des moteurs à courant alternatif. Le moteur peut fournir alors un couple élevé à toutes les vitesses. 3.2 Construction Principe de construction Le convertisseur de fréquence peut être subdivisé en trois parties principales. Le redresseur : Le redresseur est raccordé au réseau de courant alternatif et il fournit une tension continue pulsée. Circuit intermédiaire : Le circuit intermédiaire stocke et lisse la tension continue pulsée. Onduleur : A partir de la tension continue, l onduleur génère de nouveau un courant alternatif, avec la fréquence et la tension voulues. Le moteur est connecté à la sortie de l onduleur. Circuit de commande : L électronique du circuit de commande peut recevoir et envoyer des signaux de, et en direction du redresseur, du circuit intermédiaire et de l onduleur. Les signaux sont générés et exploités par un microprocesseur intégré dans l appareil. 3.1

33 3.2.1 Redresseur de tension réseau Redresseurs de tension réseau Le redresseur se compose d un circuit en pont qui redresse la tension du réseau. La tension continue ainsi produite correspond toujours à la valeur de pointe de la tension de réseau connectée (U e x v _ 2). La grande différence entre un circuit en pont monophasé et un circuit en pont triphasé est la tension continue pulsée engendrée. Dans la pratique, pour des raisons de coût, on préfère la version monophasée pour des entraînements de petite puissance (jusqu à environ 2,2 kw). Pour des puissances plus importantes, cette version n est pas appropriée pour les raisons suivantes : Le pont monophasé représente une charge pour le réseau. L ondulation de la tension continue est beaucoup plus importante que pour l exécution triphasée. Pour cette raison, le condensateur du circuit intermédiaire doit être plus fortement dimensionné. Le redresseur du convertisseur de fréquence comprend soit des diodes, soit des thyristors. Le redresseur avec diodes est appelé un redresseur à commutation naturelle et celui avec des thyristors, un redresseur à commutation forcée. Les ponts avec diodes sont utilisés pour des puissances de moteur allant jusqu à environ 22 kw Représentation de principe de la tension continue pulsée Redresseurs de tension réseau 3.2

34 3.2.2 Circuit intermédiaire Circuit intermédiaire courant continu Le circuit intermédiaire peut être considéré comme un accumulateur dans lequel le moteur puise son énergie, en passant par l onduleur. Le condensateur C du circuit intermédiaire stocke l énergie côté réseau, ce qui nécessite une capacité importante. Le moteur connecté au convertisseur de fréquence soutire l énergie du circuit intermédiaire, ce qui décharge partiellement le condensateur. La décharge du condensateur ne peut se produire que si la tension du réseau est plus élevée que la tension du circuit intermédiaire. L énergie est ainsi tirée du réseau lorsque la tension du réseau est au voisinage de son maximum. Des pointes de courant sont générées et elles s additionnent avec plusieurs convertisseurs de fréquence connectés en parallèle. Pour cette raison, pour des puissances plus grandes (à partir d environ 5,5 kw), une self est montée dans le circuit intermédiaire. Cette self sert à réduire la durée de flux du courant du côté réseau et elle diminue ainsi les pointes de courant Onduleur Onduleur IGBT L onduleur est le dernier élément du convertisseur de fréquence avant le moteur. (Pour des entraînements avec plusieurs moteurs, une protection supplémentaire avant le moteur est nécessaire). Il change le courant continu en courant alternatif avec une fréquence et une tension variables. Différents semi-conducteurs de puissance sont utilisés : GTO (Gate Turn Off Thyristor thyristor blocable), FET (Field Effect 3.3

35 Transistor - transistor à effet de champ), IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor transistor bipolaire à grille isolée). Les convertisseurs de fréquence modernes sont équipés la plupart du temps avec des transistors IGBT. La nouvelle génération de ces semi-conducteurs permet de gérer des puissances allant jusqu à environ 350 kw. Comment peut-on maintenant passer d un réseau de tension continue à un réseau de tension alternative avec tension et fréquence variables? Les éléments de construction de l onduleur travaillent comme des commutateurs (commandés par microprocesseur) et selon la fréquence, ils commutent la tension négative et la tension positive sur les enroulements du moteurs. La variation de fréquence et de tension se fait dans la plupart des convertisseurs de fréquence avec la modulation d impulsions en durée MID (MLI) Représentation de principe de la modulation d impulsions en durée Modulation d impulsions en durée 3.3 Régimes de fonctionnement Relation fréquence - tension Caractéristique U/f En raccordant directement le moteur au réseau d alimentation, on obtient les relations de fonctionnement idéales pour le moteur. En faisant varier la tension, le convertisseur de fréquence garantit une bonne approche de ces relations. 3.4

36 En standard, il y a une caractéristique U/f de 0 à 50 Hz, resp. 400 V. Lorsque la fréquence augmente à plus de 50 Hz la tension n augmente plus (tension du réseau). Le moteur ne peut pas développer la puissance nominale et il ne peut donc plus être sollicité à pleine charge. Caractéristique U/f Pour que la fréquence limite (normalement 50 Hz) soit plus élevée, le moteur doit être dimensionné autrement. 230V - 50 Hz et 380 V - 87 Hz sont des rapports tension fréquence normalisés. Le moteur peut ainsi travailler avec la puissance nominale jusqu à 87 Hz Accentuation de tension ou boost Accentuation de tension La relation linéaire U/f est très mauvaise pour une petite fréquence (< 5 Hz). Le moteur ne développe presque plus de couple, de sorte qu il s arrête. Pour éviter cela, il faut appliquer une accentuation de tension ou boost pour des petites vitesses. Pour ce faire, plusieurs possibilités sont à disposition de l utilisateur selon chaque convertisseur de fréquence: Auto-boost : L accentuation de tension est déterminée par le logiciel du convertisseur de fréquence. Ce type de boost recouvre la plus grande partie des applications. 3.5

37 Boost DC : Une tension fixe est superposée à la caractéristique U/f. Avec ce réglage, le couple moteur maximal peut être développé. Il faut cependant observer que dans ce cas, le courant moteur est relativement élevé Compensation du glissement Compensation du glissement Lorsqu un moteur asynchrone est chargé, sa vitesse diminue et le glissement augmente. Si cette diminution de vitesse est indésirable, le convertisseur de fréquence permet une compensation de glissement. C est-à-dire que le convertisseur de fréquence augmente automatiquement la fréquence de sortie de manière à ce que la vitesse ne diminue pas. Normalement, cette compensation permet d obtenir une précision de vitesse de l ordre de 0,5% Valeur de consigne La valeur de consigne définit la fréquence de sortie et donc la vitesse du moteur. La valeur de consigne peut être prise en compte par le convertisseur de fréquence de différentes manières : au moyen d un potentiomètre (normalement 10 kohm) au moyen d un signal analogique (0 à 10V ou 4 à 20 ma) au moyen d une interface sérielle au moyen d un réseau de communication Il est également possible de programmer différentes valeurs de fréquence données dans le convertisseur de fréquence et de les activer selon besoin au moyen d entrées digitales Compensation Dans le circuit du moteur circulent des courants réactif et actif. Le courant réactif oscille entre la capacité du circuit intermédiaire et l inductance du moteur et il ne charge donc pas le réseau. Du côté réseau, seules la puissance réelle, les pertes de l entraînement et les pertes du convertisseur de fréquence sont tirées. Le cos phi du courant de réseau est donc proche de 1. Dans la plupart des cas, une compensation de l entraînement peut être évitée. 3.6

38 3.3.6 Protection moteur Les convertisseurs de fréquence comportent d habitude une protection électronique de moteur intégrée. Une protection supplémentaire n est en principe pas nécessaire. Elle est prévue pour des applications spéciales, comme par exemple pour un convertisseur de fréquence alimentant plusieurs moteurs. Sur une installation appelée à travailler régulièrement à basse vitesse, le ventilateur d un moteur standard (monté sur l axe du moteur) ne garantit pas un refroidissement optimal des enroulements. Dans ce cas, un ventilateur extérieur doit être installé. Pour une protection maximale, des sondes de température comme par exemple des thermistors (PTC) doivent être incorporés dans les enroulements du moteur Changement du sens de rotation et freinage Comme dans un convertisseur de fréquence le champ tournant est généré électroniquement, il suffit d une instruction de commande pour changer le sens de rotation. Lorsque le moteur tourne, si la fréquence est réduite, le rotor tourne alors plus vite que le champ tournant. Le moteur tourne en régime sur-synchrone et fonctionne comme un générateur. De l énergie provenant du moteur est stockée dans le circuit intermédiaire du convertisseur de fréquence. Seule une énergie limitée peut être dissipée de sorte que l énergie en excès entraîne une augmentation de tension. Si la tension dépasse une certaine valeur, le convertisseur de fréquence se met hors circuit. Pour éviter cela, l énergie doit être dissipée, ce qui peut être réalisé de différentes manières. Modulateur de freinage Modulateur de freinage : L énergie est éliminée par une résistance, au moyen de l électronique. Retour : L énergie est de nouveau stockée dans le réseau au moyen d un onduleur séparé. 3.7

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