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BENALLAL M.N. -UDBKM- 2020 M1 Electrotechnique Industrielle Cours Entraînements

BENALLAL M.N. -UDBKM- 2020 M1 Electrotechnique Industrielle Cours Entraînements Electriques 1. Généralités sur les entraînements électriques 1.1. Définition et structure des entraînements électriques Les entraînements électriques sont utilisés dans l'industrie des machines. Les principaux domaines d'application sont les machines outils, la robotique, les machines de conditionnement (impression, découpage, emballage, etc.), les machines de production de tout type (papier, aliments, chimie, etc.). L'entrainement est décomposé en ses principaux sous ensembles: actionneur (moteur), transmission, alimentation, contrôle et capteurs, charge, éléments de sécurité et de protection. 1.2. Méthodologie d'étude d'un entraînement électrique L'étude d'un entraînement électrique est principalement conditionnée par ses contraintes et ses avantages: • une grande souplesse d'exploitation, impliquant une dynamique plus élevée et un contrôle dans un large domaine de vitesse BENALLAL M.N. -UDBKM- 2020 • des exigences croissantes en matière de positionnement • une meilleure intégration de l'entraînement à l'organe entraîné • une plus grande fiabilité, impliquant un accroissement de la durée de vie des moteurs • un meilleur choix du dispositif d'alimentation permettant de réduire les pertes au démarrage et au freinage pour les entraînements à fonctionnement intermittent • des coûts réduits d'exploitation et d'investissement 1.3. Caractéristiques des charges Pour permettre un choix correct de l'entraînement électrique, il est très important de connaître les caractéristiques du coupe résistant ou entraînant des machines utilisées. 1- Couple résistant constant Cr=Cte comme les dispositifs de levage, les convoyeurs, les bandes transporteuses etc. 2- Couple résistant proportionnel à la vitesse Cr=Kω comme le principe de la vis d'Archimède 3- Couple résistant Cr=Kω2 comme les ventilateurs et les pompes centrifuges 4- Cr=K/ω comme les enrouleurs, les broches de machines outils Toutes ces machines, quelque soit leur couple résistant, peuvent opposer au démarrage un couple de décollage plus ou moins important. Mal qualifié lors de l'étude du mouvement, il peut , s'il est important, empêcher le démarrage ou rendre la mise en vitesse très longue. Le couple de démarrage peut atteindre plusieurs fois le couple à la vitesse nominale. Exemple: Machines avec roulements à billes ou à rouleaux Cd=110 à 125%Cn, machines à palier lisse 130 à 150%, convoyeurs (frottements importants) 160 à 250%, machines dont le cycle de fonctionnement présentent des à-coups (presse, machines comportant des cames ou systèmes bielle-manivelle) 250 à600%. 1.4. Caractéristiques des moteurs 1.4.1. Notion des quatre quadrants BENALLAL M.N. -UDBKM- 2020 Les quadrants I et III possèdent une puissance positive, ceci correspond à un fonctionnement moteur. L'énergie est fournie par le réseau. La mécanique est entraînée. Les quadrants II et IV possèdent une puissance négative, ceci correspond à un fonctionnement générateur. L'énergie est fournie par la mécanique, la mécanique entraîne. 1.4.2. Caractéristiques mécaniques de machines électriques 1- Caractéristique du moteur à courant continu à excitation indépendante 2- Caractéristique du moteur à courant continu à excitation série 3- Caractéristique de la machine asynchrone 4- Caractéristique de la machine synchrone 1.5. Couples fournis par le moteur et les différentes phase d'un mouvement Régime établi: le couple fourni par le moteur (Cm) est égal au couple résistant (Cr). Accélération: Cm=Cr+Ca Ca: Couple accélérateur Le couple accélérateur est lié à l'accélération désirée de la mécanique dω/dt et à l'inertie J de la mécanique Ca=J dω/dt. Décélération: Dans ce cas, le couple accélérateur est négatif, il est appelé couple de ralentissement (Cra). Si la machine est laissée à elle même lors de la coupure de la tension d'alimentation, le couple de ralentissement Cra=Cr= J dω/dt; l'arrêt se produira au bout d'un temps t BENALLAL M.N. -UDBKM- 2020 lié au moment d'inertie. Si ce temps est inacceptable, il faut ajouter au couple de ralentissement un couple de freinage (Cf) Cra=Cr+ Cf = J dω/dt. 1.6. Régimes de freinage des machines Toutes le machines électriques, convertisseurs d'énergie peuvent fonctionner en 2 régimes: moteur ou en régime frein (générateur). En régime moteur, la puissance électrique absorbée Pa du réseau; est convertie en puissance mécanique PM et en pertes Δp. PM est transmise à la charge mécanique (CM). SEM: Système électromécanique. 1.6.1. Freinage par récupération d'énergie Dans ce régime, l'énergie cinétique et potentiel de la charge mécanique est transmise à l'arbre de la machine qui la transforme en énergie électrique et en perte. l'énergie électrique est transmise au réseau électrique. Ce régime de freinage est le plus rentable vu que l'énergie de freinage est utilisée. 1.6.2. Freinage dynamique Dans ce régime, le moteur est coupé de l'alimentation et fonctionne comme un générateur autonome dont la charge est une résistance. Le couple de freinage est d'autant plus grand que le courant fourni à la résistance. 1.6.3. Freinage par inversion BENALLAL M.N. -UDBKM- 2020 Dans ce régime, le sens de rotation du moteur est inversé. Le moteur consomme donc l'énergie électrique du réseau ainsi que l'énergie mécanique de la charge. La somme des 2 énergies est consommée par la suite en pertes du moteur et par la résistance supplémentaire. 1.7. Principales fonctions d'une commande de puissance électronique 1.7.1. Démarrage C'est la mise en vitesse d'une machine depuis l'arrêt jusqu'à la vitesse établie. La mise sous tension directe d'un moteur peut engendrer des problèmes électriques et mécaniques (pointes de courant; chute de tension; à-coups mécaniques; patinage; usure; etc.) L'utilisation d'un démarreur peut résoudre ces types de problème. 1.7.2. Variation de vitesse La variation de vitesse est la possibilité d'acquisition de plusieurs niveaux de vitesse d'un système mécanique selon la volonté de l'opérateur. La plage de variation de vitesse autorisée par un moteur est appelée gamme de vitesse G=Vmax/Vmin. La variation de vitesse avec régulation est un système de variation de vitesse complété d'une fonction asservissement qui se caractérise par la notion de précision du système qui peut être garantie dans la gamme de vitesse. 1.7.3. Freinage C'est la décélération de la vitesse établie jusqu'à une vitesse intermédiaire par application d'un couple de freinage contrôlé. 1.7.4. Inversion du sens du mouvement C'est la possibilité d'ordonner l'autre sens de marche du mouvement. L'inversion se fait à vitesse nulle, après décélération avec ou sans freinage électrique. La décélération puis l'accélération peuvent être contrôlées. 2. Entraînements électriques des moteurs asynchrones 2.1. Démarrage des moteurs asynchrones Au démarrage, le moment du couple moteur est dans les conditions habituelles d'utilisation, trés supérieur au moment du couple résistants. L'accélération est donc brutale et le courant appelé est susceptible d'être très important. Ce phénomène, sans inconvénient pour les petits moteurs, est BENALLAL M.N. -UDBKM- 2020 inacceptable dès que la puissance atteint quelques dizaines de kilowatts. Il est alors nécessaire de mettre en œuvre des procédés particuliers de démarrage. 2.1.1. Démarrages conventionnels 2.1.1.1. Démarrage direct Le démarrage direct est le plus simple des démarrages à mettre en œuvre des moteurs asynchrones. Il se réalise en charge, à tension nominale mais à condition que Td<Tr (Td - couple de démarrage, Tr - couple résistant). La différence entre les deux couples donne l'accélération et le rotor se met à tourner. La vitesse du rotor devient constante une fois que le couple moteur TM=Tr. Ce type de démarrage est utilisé pour des moteurs petite et moyenne puissance. Ses inconvénients sont les appels de courant de démarrage très importants (Id=4 à 8 fois In) engendrant d'importantes chutes de tension. 2.1.1.2. Démarrage étoile triangle On couple en étoile lors du démarrage un moteur destiné à travailler en triangle (tension composée du réseau). Un moteur destiné à un tel démarrage doit avoir les 6 bornes statoriques sorties. Généralement ce démarrage est opéré par des contacteurs et se fait à vide ou avec un faible couple résistant. L'avantage de ce démarrage est de diminuer de trois fois l'appel du courant par rapport au démarrage direct. Les inconvénients sont: • pointes de courant et de couple élevées au passage étoile triangle • appareillage avec maintenance • pas de réglage des paramètres de démarrage 2.1.1.3. Démarrage statorique à résistances Pour des moteurs de quelques kW, la tension est diminuée par l'insertion d'un rhéostat triphasé en série avec les enroulements du stator. Pour une diminution de la tension de 50%, l'appel du courant lors du démarrage est de moitié de celui d'un démarrage direct et le couple de démarrage est de 4 fois moins. Ce type de démarrage est utilisé pour des charges à couple résistant croissant. 2.1.1.4. Démarrage par autotransformateur La tension d'alimentation est diminuée par un autotransformateur (2 ou 3 rapports de transformations sont ordinairement utilisés) avant d'être couplée directement au réseau. Il a pour avantages la possibilité de choisir le couple de démarrage et le passage des divers temps de BENALLAL M.N. -UDBKM- 2020 démarrage qui se fait sans coupure de courant (absence de surtensions). Ce mode de démarrage est surtout utilisé pour les fortes puissances (>100kW) et conduit à un coût de l'installation relativement élevé. Id=1,7 à 4In; Cd=0,5 à 0,85Cn. 2.1.1.5. Démarrage à résistances rotoriques Pour ce type de démarrage, nous avons besoin d'avoir accès aux conducteurs rotoriques . Le fait de rajouter des résistances au rotor (Machines Asynchrones à rotor bobiné) provoque une limitation des pointes de courant au démarrage. En plus, il a l'avantage, si les résistances sont bien choisies, de démarrer avec le couple maximal du moteur. En général, ce type de uploads/Industriel/ support-de-cours-chapitre-ii-modele-mathematique-schema-bloc-dun-systeme.pdf