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Université Mohamed Boudiaf – M’Sila Faculté de Technologie Département Génie él

Université Mohamed Boudiaf – M’Sila Faculté de Technologie Département Génie électrique Commande électrique des mécanismes industriels Année académique 2019-2020 Par : KHODJA Djalal Eddine 1 Systèmes d’entraînements électriques 2 Introduction Générale Au total, 80% de la consommation d’électricité industrielle revient aux moteurs électriques. Les pompes et les installations à air comprimé y contribuent pour une part importante. Dans le secteur tertiaire également, les moteurs représentent une consommation considérable, avec comme principales applications la ventilation, les systèmes de réfrigération et la climatisation. Beaucoup de systèmes utilisant des pompes, des ventilateurs, des compresseurs, ... et devant travailler dans des conditions de charge variable, sont régulés par étranglement ou par by-pass. Ce mode de régulation est énergivore : on accélère et on freine en même temps. 3 Il est nettement plus efficace de réduire la vitesse des moteurs pour l'adapter aux besoins. Par exemple, réduire de moitié la vitesse d'un ventilateur pour adapter le débit d'air frais à l'occupation d'un local permet de diviser par huit la consommation électrique du moteur. Ceci est possible grâce aux variateurs de vitesse et aux énormes progrès réalisés dans le domaine de l'électronique de puissance. Introduction Générale Ainsi, dans toute application utilisant des moteurs (distribution de chauffage, ventilation, pompage, traction, ...), l'intérêt de la régulation de vitesse mérite d'être étudié: des dizaines de pourcents d'économie peuvent être faits sur la consommation électrique des moteurs. La régulation de vitesse offre en outre des possibilités de régulation très attrayantes qui peuvent contribuer à l'amélioration du procédé principal. 4 Introduction Générale A l’origine, seuls les moteurs à courant continu étaient utilisés pour les entraînements à vitesse variable car ils permettaient d’obtenir la vitesse et le couple requis sans recourir à des dispositifs électroniques complexes. Cependant, le développement des variateurs de vitesse à courant alternatif résulte en partie de la volonté d’obtenir les niveaux de performances très élevés des moteurs à courant continu (en termes de temps de réponse en régulation de couple et de précision en régulation de vitesse) avec des moteurs à courant alternatif, réputés pour leur robustesse, leur coût plus abordable et leur simplicité de maintenance. Enfin, dans cette partie, on étudie la commande des machines électriques entrainant différentes machines de productions à savoir : les ventilateurs, les pompes, les tapis roulants, les transporteurs, broyeurs, les enrouleuses…, etc. 5 Système d’entrainements électriques Un des composants essentiels des processus industriels actuels s’avère être le système électromécanique, qui est constitué d’un ensemble moteur, convertisseur-commande, et de la charge mécanique (voir figure1.1). Sa gamme de puissance étendue et sa souplesse d’utilisation liées aux progrès de l’électronique de puissance ont contribué à son application réussie dans différents domaines [1]. Par ailleurs, Un système d’entraînement électrique ou système électromécanique convertit l’énergie électrique en énergie mécanique (un moteur électrique entrainant une charge Pe=UI / Pm =Tω) et vice-versa (une turbine entraînant un alternateur Pm=Tω / Pe=UI). Cette transformation d’énergie est contrôlée généralement par un convertisseur électronique (redresseur, gradateur, onduleur ou hacheur selon l’entrainement ou l’application). Un système d’entraînement c.a. comporte, en général, un transformateur d’entrée ou une alimentation électrique, un convertisseur de fréquence, un moteur c.a. et la charge entraînée. Le convertisseur de fréquence comprend lui-même un redresseur, un circuit c.c. et un onduleur. 6 Constitution d’un système d’entrainement électrique : A- Charge mécanique : appelée aussi les machine de production (machine entraînée), on peut citer les pompes, ventilateurs, monte-charges, grues, scies, les pompes centrifuges, mélangeurs, Broyeurs, Séparateurs, concasseurs…etc., Ces 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 des la vitesse. Cette dernière fonction appelée caractéristique mécanique des machines de productions (Tr=f(ω)). B- Moteur électrique : C’est la partie essentielle pour la conversion de l’énergie (machine entraînante). Cette partie qui peut être un moteur à courant continu ou un moteur asynchrone, développe un couple qui doit être supérieur au couple résistant au démarrage afin de pouvoir vaincre la charge. Une fois le moteur tourne, la vitesse prend de la valeur (Accélération), ainsi que la force électromotrice ou la tension induite, ce qui provoque la diminution du courant absorbé et le couple développé par le moteur jusqu’à où le couple devient égale au couple résistant ; par conséquent, la vitesse se stabilise et elle devient constante. Enfin, l’accélération, la décélération et le réglage de la vitesse du sont commandés par l’ensemble convertisseur et commande. 7 Constitution d’un système d’entrainement électrique : C- Convertisseur électronique : c’est un dispositif qui convertit l’énergie électrique en énergie électrique sous plusieurs formes pour l’alimentation du moteur électrique. Ce convertisseur peut être un redresseur, un gradateur, un onduleur ou un hacheur. D- Unité de calcul et de commande : C’est une partie informatique qui est à la base de l’électronique numérique. Elle sert à comparer les signaux de sorties qui proviennent de la partie mécanique et électrique avec les signaux d’entrées (signaux de références) afin de commander le convertisseur électronique pour l’alimentation du moteur électrique. En outre, cette partie s’occupe de la surveillance, de la régulation de la protection et de la mesure…, etc. 8 Equation de mouvement (la loi de commande) : La deuxième loi de Newton (Eq I.1) caractérise la loi de commande de l’entrainement électrique appelé aussi équation de mouvement. A partir de cette équation, on peut suivre le comportement de la machine électrique entrainant une charge mécanique (voir figure .I.2). Moteur Electrique Charge Mécanique T N Tr 9 Evolution de l’équation de mouvement : Selon l’équation de mouvement, la machine peut fonctionner en trois régimes de fonctionnement (voir figure I.3). Vitesse / couple Temps Temps de démarrage (Accélération) Régime permanent Temps de freinage (Décélération) Couple résistant Couple moteur Couple dynamiquer Couple moteur Couple résistant Couple moteur= couple résistant 10 Caractéristiques mécaniques des machines de production (machines entrainées) Les caractéristiques mécaniques des machines de production sont généralement représentées par les diagrammes vitesse - couple ou vitesse - puissance. Nous avons présenté ces caractéristiques pour les applications classiques suivant quatre catégories. La première (1) regroupe les transporteurs, grues, pompes volumétriques et machines-outils. La seconde (2) correspond aux machines de type rouleaux, laminoirs, malaxeurs. La troisième (3) regroupe les machines utilisant la force centrifuge, comme les ventilateurs et pompes centrifuges, centrifugeuses. Enfin la quatrième (4) correspond aux machines utilisant une force de traction pour enrouler des matières. 11 Mécanismes industriels Constitutions et caractéristiques techniques 12 LES POMPES : Par définition, une pompe est un dispositif permettant d’augmenter la pression et/ou le débit d’un liquide. Lorsque le fluide transporté est un gaz, il est plus correct de parler de ventilateur, de compresseur ou de soufflante. LIQUIDE Ventilateur GAZ 13 Il existe deux grandes familles de pompes : • les pompes volumétriques • les pompes rotodynamiques Dans les premières, l’accroissement de l’énergie du fluide est obtenu en faisant varier le volume d’une « capacité ». Dans les secondes, l’accroissement de l’énergie du fluide est réalisé grâce à une pièce en rotation appelée la roue, le rotor ou l’hélice. Pompes volumétriques Compte-tenu de leur fonctionnement, les pompes volumétriques ne refoulent du liquide que pendant une partie de cycle et, en conséquence, le débit du fluide n'est pas constant dans le temps mais pulsé. La régularité du débit peut être obtenue par une pompe double effet (les deux faces du piston travaillent) ou à deux têtes ou par une pompe multi-têtes. Pour éviter les pulsations, la conduite de refoulement peut être équipée d'une capacité anti-pulsatoire encore appelée anti-bélier. 14 Pompes volumétriques rotatives Pompes volumétriques alternatives 15 Pompes volumétriques - avantages et inconvénients 16 Pompes rotodynamiques Parmi les pompes rotodynamiques, on distingue 3 familles selon la direction moyenne de l’écoulement. Si la direction générale de l’écoulement est parallèle à l’axe de rotation de la machine, on dit que la turbomachine est axiale. Si la direction générale de l’écoulement est perpendiculaire à l’axe de rotation de la machine, on dit que la turbomachine est radiale. Il existe des turbomachines dans lesquelles la direction générale de l’écoulement a une composante axiale et une composante radiale. On parle alors de turbomachine mixte. 17 Pompes centrifuges – description générale Pompes centrifuges – transfert de l’énergie Etape 1 : le rotor donne un travail au fluide par l’intermédiaire des aube Augmentation de l’énergie cinétique du fluide Etape 2 : le fluide est ralenti dans le diffuseur (stator) Transformation de l’énergie cinétique du fluide en énergie de pression Etape 3 : le fluide est encore ralenti puis évacué dans la volute Transformation de l’énergie cinétique résiduelle du fluide en énergie de pression 18 Pompes centrifuges – types de rotor Pompes centrifuges multi-étages • même débit que dans une pompe mono étage • chaque étage apporte une élévation de pression supplémentaire 19 Notion de rendement • La pompe fonctionne grâce à un moteur qui l’actionne et qui apporte une puissance Pa qu’on appelle la puissance à l’arbre. • Sans perte, dans l’idéal, cette puissance serait entièrement cédée au fluide. On pourrait théoriquement élever le fluide de la hauteur Hth telle que : • En réalité, à cause des pertes, le uploads/Industriel/ commande-electrique-des-mecanismes-industriels.pdf