L’ALIMENTATION ELECTRIQUE POUR LES MOTEURS …

1 L ALIMENTATION ELECTRIQUE pour LES MOTEURS ASYNCHRONES White Paper07 2010 Author: Franck Weinbissinger Socomec - Static Transfer Systems : IEC 62310, new standards to guarantee performances and safety 2 GENERALITES Les MOTEURS asynchrones triphas s sont des machines lectriques extr mement robustes, qui ne demandent que tr s peu d entretien et sont fr quemment utilis es dans le secteur industriel. On les retrouve dans des applications tr s diverses telles que des ventilateurs, des pompes, des machines complexes modulaires, des machines exigeant du couple et de la pr cision tr s basse vitesse ainsi qu'une dynamique lev e et galement pour des machines de forte puissance. Gr ce l volution de l lectronique de puissance et en raison du plus faible co t des MOTEURS asynchrones, nombre d applications, qui utilisaient hier des MOTEURS courant continu ou encore des MOTEURS synchrones, emploient aujourd hui un moteur asynchrone associ un variateur de vitesse.

2 Selon les process entra n s, les MOTEURS asynchrones ont besoin d une alimentation stable fournie par une ASI : une interruption brusque de l alimentation lectrique risquerait en effet d entra ner des dommages mat riels et d affecter la qualit du produit. Les MOTEURS asynchrones sont habituellement aliment s au niveau du stator, et le courant est induit dans le rotor. C est pour cette raison que l on parle galement de MOTEURS ou de machines induction . La machine asynchrone est principalement utilis e en moteur, mais elle est parfois utilis e en g n ratrice. Les probl mes de couplage, de r gulation de vitesse et de tension des machines synchrones n existent pas dans le cas des machines asynchrones. Les g n ratrices asynchrones permettent donc de produire de l lectricit dans des petites infrastructures, sans n cessiter de personnel de surveillance.

3 Autre utilisation, le freinage, par absorption d nergie lorsque la machine est raccord e un r seau de fr quence constante (ex. : absorption de l nergie d une charge descendante). Le freinage par r cup ration avec variation de la vitesse suppose l alimentation de la machine fr quence variable ; en d autres termes, l emploi de variateurs. De la m me fa on, gr ce l lectronique de puissance, les MOTEURS induction sont de plus en plus utilis s comme g n ratrices. C est par exemple le cas des oliennes. Le but de ce document est de donner un aper u non-exhaustif des probl mes susceptibles de se produire lors du dimensionnement de l ASI pour l alimentation des MOTEURS induction, avec ou sans variateurs de vitesse. Ce document ne permet ni de concevoir l installation ni de s lectionner une ASI.

4 Socomec - Static Transfer Systems : IEC 62310, new standards to guarantee performances and safety 3 MOTEURS non associ s un variateur Les machines asynchrones sont aujourd hui tr s couramment utilis es comme MOTEURS , dans une gamme de puissance allant de quelques Watts plusieurs centaines de kW. pour les applications de puissance au-del de quelques kW, les MOTEURS asynchrones sont uniquement aliment s par des r seaux de courant alternatif triphas s. En raison de la sensibilit du processus ou de la criticit de certaines applications, le r seau peut tre secouru par une ASI. Lors du d marrage, les courants d appel peuvent atteindre des valeurs de courant efficace comprises entre 4 et 7 fois la valeur nominale, alors que le couple est en moyenne de 1,5 2,4 fois la valeur du couple nominal.

5 Le temps de d marrage d pend de l inertie de la masse en mouvement, de la vitesse de rotation finale et du couple d acc l ration du moteur. Les valeurs du courant cr te sont encore plus lev es, et peuvent atteindre 10 fois la valeur du courant efficace nominal. Les courants d appel lev s, combin s l imp dance de ligne, entra nent une chute de la tension au niveau de la ligne de distribution, en particulier pour les charges situ es proximit du moteur. Il existe plusieurs mani res de limiter les courants de d marrage, les plus courantes tant : Le d marrage Y/ ; Un autotransformateur ; Un d marreur progressif : Le rh ostat de rotor est galement une solution envisageable pour certaines applications tr s sp cifiques. Le choix doit s effectuer selon un compromis entre le type d application et les co ts entra n s.

6 Tableau 1 Courants et couples de d marrage en fonction des m thodes de d marrage utilis es Courant de d marrage Couple de d marrage D marrage direct 4-7 In 1,5-2,4 Tn Y/ 1,6-2,8 In 0,5-0,8 Tn Autotransformateur 4-7 (Vs/Vn) In 1,5-2,4 (Vs/Vn)2 Tn D marreur progressif 4-7 (Vs/Vn) In 1,5-2,4 (Vs/Vn)2 Tn Variateur de vitesse 1-1,5 In 1-1,5 Tn Lorsque Vs correspond la tension appliqu e aux bornes du moteur lors du d marrage, Vn, In et Tn correspondent respectivement la tension, au courant et au couple nominaux. Le processus de d marrage provoque une contrainte thermique au niveau du moteur lectrique. Par Socomec - Static Transfer Systems : IEC 62310, new standards to guarantee performances and safety 4cons quent, les d marrages prolong s ou fr quents risquent d endommager ce dernier. Une r duction excessive du courant de d marrage, risque de trop r duire le couple et donc augmenter le temps de d marrage.

7 Le facteur de puissance est gal 0,1 vide et se situe entre 0,5 plus de 0,9 en fonctionnement nominal (habituellement il est compris entre 0,75 et 0,85). La valeur varie consid rablement en fonction des caract ristiques du moteur (nombre de p les et puissance). Les performances de l ASI en r gime permanent sont proches des standards car lorsqu elle alimente un moteur induction, les courants sont sinuso daux et quilibr s. Avant de dimensionner l ASI, il faut tenir compte des valeurs de courants d appel et du facteur de puissance . DIMENSIONNEMENT DE L ASI pour L ALIMENTATION DES MOTEURS INDUCTION Il est utile de disposer d un certain nombre de donn es techniques relatives au moteur afin de dimensionner correctement l ASI. a) Cas : 10 MOTEURS induction D marrage simultan de deux d entre eux maximum (m me sans alimentation r seau) Valeurs nominales des MOTEURS : Ln 45 kW Vn / fn 400V / 50 Hz 0,87 Rendement ( ) 93,4% Is 6,5 In Ts 2,8 Tn D marrage direct Les ASI destin es alimenter les MOTEURS uniquement en r gime permanent doivent tre dimensionn es pour = = =kVAWFPPSnn554934,087, Socomec - Static Transfer Systems : IEC 62310, new standards to guarantee performances and safety 5A pr sent, en consid rant la phase de d marrage AWFPVPInnn80934,087,0400732, = = AIIns5205,6= = ()()()()AIIInst1680880252082= + = + = kVAIVS tntot11643= = En prenant en compte la transition de d marrage, il est possible d valuer la capacit de surcharge de l ASI (habituellement 1,5 Sn pendant 1 minute Vn).

8 La puissance de l ASI sera la suivante : kVAkVASStotASI8007765,1/11645,1/ === Le facteur de puissance. r duit lors du d marrage, en raison de sa courte dur e, peut tre n glig ,. Proc der une v rification suppl mentaire de la valeur de courant cr te pour confirmer la compatibilit avec celle que l ASI est en mesure de fournir. En raison du ph nom ne transitoire, la valeur de courant d appel cr te est d environ 1,7 In au lieu de l habituel 1,41 In typique des formes d ondes sinuso dales. ()()AIIInst267041,187,12 = + = kVAkVAIVStnASI800528763400732,15,3 3 = = = La valeur 3 divisant t, dans la formule ci-dessus correspond au courant de court-circuit phase-phase, par unit , que l ASI est en mesure de fournir. Elle diff re du courant de court-circuit phase-neutre (3,5), car les MOTEURS sont aliment s sans neutre.

9 S il n est pas n cessaire de proc der au d marrage en cas de coupure de r seau, il est galement possible de n gliger les courants de d marrage lors du choix de l ASI et de ne prendre en compte que les valeurs nominales n cessaires. Cependant, ils doivent tre pris en consid ration pour le dimensionnement du by-pass. b) MOTEURS identiques au cas a) avec d marrage Y/ . ()()()()AIIInst10568804,0252084,02= + = + =kVAIVS tntot7323= =1 ()()AIIInst232541,184,0*7,12 = + = 1 0,4Is=0,4*6,5In=2,6 comme indiqu dans le Tableau 1. Socomec - Static Transfer Systems : IEC 62310, new standards to guarantee performances and safety 6kVAkVAIVStnASI500460664400732,15,3 3 = = = ()()AIIInst232541,184,0*7,12 = + = kVAkVAIVStnASI600563775400732,13 3 = = = Dans ce cas, la taille minimale de l ASI semble tre de 600 kVA.

10 Cette valeur est compatible avec le cas a) quand la puissance apparente absorb e en r gime permanent tait de 600 kVA . Il revient au client ou son r f rent technique de s assurer que le couple de d marrage Y/ de 0,95 Tn est suffisant pour d marrer la charge dans un d lai compatible avec le moteur induction. Services La norme CEI 60034 d finit 10 mani res diff rentes d utiliser les MOTEURS induction, en termes de puissance et de d lai. Ces mani res r pondent galement au terme de services. Vous trouverez ci-dessous les 3 services les plus couramment utilis s dans le secteur industriel. Leur impact sur l ASI varie en fonction du courant devant tre fourni. S1 correspond au fonctionnement puissance nominale pour une dur e infinie. Les autres valeurs correspondent habituellement une puissance sup rieure pour une dur e limit e.