00 GET J. 0626-E ETUDE DE L ENSEMBLE MODULATEUR MOTEUR ASYNCHRONE ASSURANT LA MOTORISATION DES POMPES HYDRAULIQUES DOSSIER C Ce dossier contient les documents suivants : Présentation :... page C2. Travail demandé :... pages C2 à C5. Documents annexes :... pages C6 à C9. Documents techniques :... pages C10 à C20. - C1 -
Présentation Ce dossier se décompose en 7 parties indépendantes. Elles peuvent donc être traitées séparément. L étude proposée dans ce dossier porte sur l association modulateur d énergie électrique machine asynchrone. Cet ensemble permet d entraîner en rotation deux pompes hydrauliques assurant la mise en pression du fluide hydraulique. Ce fluide hydraulique sous pression est l énergie principale qui permet l entraînement du ballon. But de l étude Identification du modulateur d énergie utilisé... partie C1. Justification du choix du modulateur d énergie intégré au système... partie C2. Proposition d un réglage des paramètres internes du modulateur d énergie... partie C3. Etude de la commande des thyristors du modulateur d énergie... partie C4. Justification du choix des composants d électronique de puissance du modulateur... partie C5. Détermination de la longueur minimale du dissipateur thermique associé aux thyristors.... partie C6. Vérification de la protection des thyristors contre les courts-circuits.... partie C7. Toutes les réponses sont à apporter dans le cahier réponses pages DR C1 à DR C6. Travail demandé C1. Identification du modulateur d énergie utilisé. Le schéma structurel interne simplifié du modulateur d énergie extrait de la documentation constructeur LEROY SOMER est donné dans le document technique page C10. C1.1 Préciser, parmi les quatre propositions suivantes, à quel type de convertisseur appartient ce modulateur d énergie. Convertisseur alternatif alternatif. Convertisseur alternatif continu. Convertisseur continu continu. Convertisseur continu alternatif. C1.2 Préciser, parmi les quatre propositions suivantes, le nom de la structure du circuit de puissance utilisée dans ce modulateur d énergie. Onduleur. Redresseur. Gradateur. Hacheur. C1.3 Sur quelle(s) grandeur(s) électrique(s) agit ce type de modulateur d énergie? C1.4 Le modulateur utilisé permet-il d inverser le sens de rotation du moteur? Justifier! - C2 -
C2. Justification du choix du modulateur d énergie intégré au système. Le moteur piloté par le modulateur d énergie est un moteur asynchrone 4 pôles à cage d écureuil de 45 kw. Un extrait des caractéristiques techniques des moteurs LEROY SOMER est donné dans le document technique page C17. Le réseau d alimentation est le réseau EDF 230V/400V 50Hz. Le modulateur d énergie associé au moteur est un modulateur LEROY SOMER STV 2313 14 86. C2.1 A partir du document technique page C11, justifier le choix de la référence du modulateur d énergie nécessaire au bon fonctionnement de l ensemble modulateur d énergie moteur asynchrone. C3. Proposition d un réglage des paramètres internes du modulateur d énergie. Un extrait du cahier des charges concernant les réglages du modulateur d énergie est donné dans le document annexe page C6. Un extrait du guide de programmation du modulateur LEROY SOMER est donné dans les documents techniques pages C11 à C15. C3.1 Proposer les codes des paramètres, dont l'adresse est donnée dans le document réponse page DR C2, devant être réglés sur le modulateur d énergie afin d assurer un fonctionnement conforme au cahier des charges et au relevé du document annexe page C7. Justifier chaque réglage! Nota : On précise qu un essai sur le site à permis de visualiser sur l afficheur du modulateur, pour un fonctionnement dans les conditions maximales de charge, le chiffre 8 pour la puissance absorbée. C4. Etude de la commande des thyristors du modulateur d énergie. Le schéma de puissance de l association modulateur d énergie moteur asynchrone peut être schématisé de la façon suivante : - C3 -
Afin de simplifier l étude, on se ramène au schéma équivalent monophasé ci-dessous. Toute l étude de cette partie se fait à partir de ce schéma monophasé. Rs : résistance statorique. Xs : réactance statorique. X r : réactance rotorique ramenée au stator. R r : résistance rotorique ramenée au stator. X 10 : réactance magnétisante. g : glissement. I S : courant statorique. i r : courant rotorique ramené au stator. I 10 : courant magnétisant. C4.1 Rappeler les conditions générales d amorçage et de blocage d un thyristor. C4.2 Compléter le document réponse page DR C3 en indiquant les intervalles de conduction des thyristors Th11 et Th12. C4.3 Compléter le document réponse page DR C3 en traçant l évolution de la tension aux bornes du moteur v s (t) et l évolution de la tension aux bornes du thyristor Th11 v Th11 (t). C4.4 Le moteur asynchrone est un récepteur à caractère inductif. a) Quelle est l incidence sur le décalage courant-tension de ce type de récepteur? b) Par rapport à un récepteur résistif, quelle est l incidence sur l allure du courant au moment de la commutation? C4.5 L expression du courant statorique absorbé par le moteur asynchrone, lorsqu il est associé avec le modulateur étudié, est donnée ci-dessous. En raisonnant sur les deux termes de cette expression, déduire la valeur de l angle de retard à l amorçage ψ des thyristors permettant d obtenir un courant purement sinusoïdal. Justifier! Avec : V max : tension simple maximale. Z tot : impédance totale équivalente (stator + rotor ramené au stator). R tot : résistance totale équivalente (stator + rotor ramené au stator). L tot : inductance totale équivalente (stator + rotor ramené au stator). ϕ : déphasage. ψ : angle de retard à l amorçage des thyristors. ω : pulsation. C4.6 Quelle est la plage maximale de variation de l angle de retard à l amorçage? - C4 -
C5. Justification du choix des composants d électronique de puissance du modulateur. Le modulateur d énergie utilisé est le modulateur LEROY SOMER STV 2313 14 86. Le constructeur utilise, dans ce modulateur d énergie, trois modules à deux thyristors TT 142 N de EUPEC. Voir document technique page C18. Le document annexe page C8 donne les allures des courants mis en jeux lorsque les thyristors sont utilisés avec les sollicitations maximales. C5.1 A partir du document technique page C11, déterminer la tension composée efficace d alimentation que peut supporter le modulateur. C5.2 A partir des documents techniques pages C11 à C15, déterminer l intensité du "courant nominal moteur" admissible par le modulateur (adresse A1). C5.3 Calculer le courant moyen I TAV par thyristor. C5-4 Calculer le courant efficace I TRMS par thyristor. C5.5 Calculer la valeur maximale de la tension crête aux bornes de chaque thyristor (thyristors bloqués) sachant qu au plus, cette tension est égale à 3/2 de la tension simple crête d alimentation du modulateur. C5.6 Les thyristors supportent-ils les contraintes précédemment calculées? Justifier! C6. Détermination de la longueur minimale du dissipateur thermique associé aux thyristors. Le constructeur utilise, dans le modulateur d énergie, trois modules à deux thyristors TT 142 N de EUPEC installés sur un même dissipateur. Voir document technique page C18. Le document annexe page C8 donne les allures des courants mis en jeux lorsque les thyristors sont utilisés avec les sollicitations maximales. C6.1 A partir des caractéristiques des modules thyristors, déterminer la puissance dissipée par chaque thyristor. C6.2 A partir du document technique page C20 et du document annexe page C9, déterminer la longueur minimale du dissipateur thermique. C7. Vérification de la protection des thyristors contre les courtscircuits. Le constructeur utilise, dans le modulateur d énergie, trois modules à deux thyristors TT 142 N de EUPEC. Voir document technique page C18. Les fusibles (F1, F2 et F3) installés sur le site du ballon captif sont ceux préconisés par le constructeur du modulateur (voir document technique page C16). Ces fusibles sont placés comme indiqué dans la partie C4. Un extrait des caractéristiques des fusibles BUSSMANN est donné dans le document technique page C19. C7.1 A quelle condition les fusibles F1, F2 et F3 assurent-ils la protection des thyristors? C7.2 Vérifier que cette condition est bien remplie. - C5 -
Document annexe DA C3.1 (Extrait du cahier des charges) 224 Armoires électriques - Démarreur électronique : Il est protégé contre les courts-circuits par des fusibles rapides. La protection "surpuissance" permet de protéger l installation contre les défauts mécaniques (frein bloqué, défaut d'enroulement du câble, poulie coincée ). Les protections "souspuissance" et "rotor bloqué" ne sont pas utilisées. Afin de permettre l'exploitation du ballon captif sur des réseaux de puissance réduite, le courant appelé par le moteur ne doit pas dépasser 140A. Un relais de sortie programmable indique si le démarreur est en défaut "surpuissance". Le démarrage du moteur à lieu une fois par jour (démarrage en début et arrêt en fin de journée) avec uniquement 10% de charge (moteur hydraulique non entraîné). Le courant appliqué au moteur dès l'ordre de marche est réglé à 107,5 A. Extrait du schéma électrique mettant en œuvre le démarreur progressif : - C6 -
Document annexe DA C3.1 Relevé du courant instantané absorbé par le moteur asynchrone pour le démarrage et le régime établi. IMPORTANT : Raisonner sur la partie positive des alternances de ce relevé. - C7 -
Document annexe DA C5 & C6 Formulaire : cos² a = (1 + cos 2a)/2 sin² a = (1 cos 2a)/2 - C8 -
Document annexe DA C6.2 Détermination d un dissipateur thermique pour composant d électronique de puissance. (D après AUSTERLITZ et THOMSON CSF) Chaîne thermique Jonction Air ambiant : Ecoulement de la chaleur de la jonction vers l air ambiant P d R thjc R thcd R thda P e t VJ t C t d t amb P d : puissance à dissiper par la ou les jonctions en W. P e : puissance évacuée. t vj : température maximale de jonction en C. t c : température maximale du boîtier en C. t d : température du dissipateur en C. t amb : température ambiante en C (se placer dans le cas le plus défavorable, c est à dire pour une température ambiante maximale). R thjc : résistance thermique jonction boîtier en C.W -1. R thcd : résistance thermique boîtier dissipateur en C.W -1. R thda : résistance thermique dissipateur air en C.W -1. Calcul de R thda Choisir le radiateur se rapprochant le plus de R thda par valeur inférieur. Remarque Lorsque plusieurs composants sont montés sur le même radiateur, il est conseillé de calculer les radiateurs pour un seul composant et de diviser la résistance thermique R thda trouvée par le nombre de composants montés sur ce même radiateur (cas de composants identiques). Si les composants sont différents, la résistance thermique R thda totale suit la loi des résistances électriques branchées en parallèle. (1/R thda équivalent = 1/R thda1 + 1/R thda2 + + 1/R thdan ) - C9 -
Document technique DT C1, C2 & C5 - C10 -
Document technique DT C1, C2 & C5 - C11 -
Document technique DT C3.1 & C5.2 - C12 -
Document technique DT C3.1 & C5.2 - C13 -
Document technique DT C3.1 & C5.2 - C14 -
Document technique DT C3.1 & C5.2 - C15 -
Document technique DT C7 - C16 -
Document technique DT C2.1 (Extrait document LEROY SOMER) Moteurs triphasés 50 Hz LEROY SOMER - C17 -
Document technique DT C5, C6 & C7 (Extrait document EUPEC) TT 142 N Abréviation AV M R (1 ère position) R (2 ème position) T RMS Signification Moyen Maximal Inverse Répétitif Thyristor Efficace Caractéristiques Conditions V RRM 1400 V I TAVM 142 A I TRMS 230 A I²t t vj = 25 C 115000 A²s t vj = t vj max 84000 A²s R thjc θ = 180 el, sinus : par module 0,110 C/W θ = 180 el, sinus : par thyristor 0,220 C/W DC : par module 0,106 C/W DC : par thyristor 0,212 C/W R thcd Par module 0,03 C/W Par thyristor 0,06 C/W t vj max 125 C Puissance totale moyenne par thyristor P TAV = f(i TAV ) Puissance totale moyenne par thyristor P TAV = f(i TAV ) - C18 -
Document technique DT C7 (Extrait document BUSSMANN) n : représente le nombre de modules placés sur le dissipateur La contrainte thermique i²t sous 660v est donnée dans les caractéristiques ci-dessus. Pour les autres tensions d utilisation, la contrainte thermique du tableau doit être corrigée en la multipliant par le coefficient K (fonction de la tension d utilisation E g ). - C19 -
Document technique DT C6 n représente le nombre de modules placés sur le dissipateur. R thda : Résistance thermique dissipateur air. - C20 -