CH I (cours 1): Introduction à la commande des machines électriques

Cette publication contient la leçon N°=1 de la commande des machines électriques. Proposé et rédigé par Dr Khader Saad

La commande des machines électriques est l’une des applications des convertisseurs statiques. Cette commande nécessite l’association d’une machine (courant continu, synchrone, asynchrone ou autres) dont le fonctionnement est à une vitesse variable en lui conservant un couple optimum, à un convertisseur statique (redresseur, hacheur, gradateur, onduleur). En fait, le choix du moteur d’entraînement dépend du travail demandé, du lieu de travail et de la puissance à fournir. De même, la source d’énergie dont on dispose, les contraintes sur les paramètres que l’on doit fournir et le prix de revient de l’ensemble déterminent le type du convertisseur à associer au moteur.

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. 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.

Alors, on étudie la commande des machines électriques entrainant différentes machines de productions et d’analyser les possibilités d’association de convertisseur en vue de la commande. L’apport des convertisseurs statiques tel que la possibilité de fonctionner dans les quatre quadrants des axes couple vitesse, la solution des problèmes de démarrage et la possibilité de régulation et de contrôle à distance.

Fig. 1. Synoptique de la commande d’une machine électrique

I.1 Système d’entrainements électriques

Les entraînements électriques modernes sont utilisés dans la plus grande partie du processus de l’industrie. Ces systèmes sont réalisés de divers composants de différentes natures : alimentation statique ; moteur électrique ; systèmes de transmissions mécaniques ; la charge, plus ou moins un circuit de contrôle sophistiqué.

Fig. 2. Constitution d’un système électromécanique

Par ailleurs, un système d’entraînement électrique ou système électromécanique convertit l’énergie électrique en puissance mécanique. Cette transformation d’énergie est contrôlée généralement par un convertisseur électronique.

I.1.1 Constitution d’un système d’entrainement électrique 

Le principe d’un entraînement est représenté sur le schéma de la figure 3. Il comporte les éléments suivants :

• a- Charge mécanique : appelée aussi les machines de productions (machines entraînées), 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 de la vitesse. Cette dernière fonction appelée caractéristique mécanique des machines de productions (C=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 tourné, 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 du couple développé par le moteur jusqu’à où le couple devient égal 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 son commandés par l’ensemble convertisseur et commande.
• 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……
• 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.
• e- Sources d’énergie électrique : ce sont des générateurs conçus pour la transformation d’une grandeur physique en une grandeur électrique AC ou DC.

Exemple

I.1.2 Dimensionnement d’un entrainement électrique

• Vérification des caractéristiques du réseau : Pour sélectionner votre convertisseur de fréquence et votre moteur, vous devez connaître le niveau de la tension réseau (380 V à 690 V) et sa fréquence (50 Hz ou 60 Hz). La fréquence du réseau n’est pas un facteur de limitation de la plage de vitesse de l’application.
• Détermination des caractéristiques de l’application : Couple de démarrage ? Plage de vitesse utilisée ? Type de la charge entraînée ? Nous décrivons par la suite les types de charge les plus courants.
• Sélection du moteur : Un moteur électrique doit être considéré comme une source de couple. Il doit offrir une bonne tenue aux surcharges et être capable de fournir un certain niveau de couple. Par exemple, le couple maximum du moteur doit être environ 30% supérieur au couple demandé par la charge. Par contre, la capacité thermique du moteur ne doit pas être dépassée.
• Sélection du convertisseur de fréquence : Le convertisseur de fréquence est sélectionné en fonction des caractéristiques du réseau et du moteur sélectionné. Il doit pouvoir fournir le courant et la puissance requis. Il faut tirer profit de sa capacité de surcharge pour les cycles transitoires.

I.1.3 Objectifs de l’entrainement électrique à vitesse variable

Parmi les objectifs d’un variateur de vitesse, on peut citer les points suivants :

1. Contrôle de la charge entrainée en réglant le couple, la vitesse la position, l’accélération ou le ralentissement, … ;
2. Démarrage progressif des machines ce qui permet de limiter le courant de démarrage et réduire ainsi les creux de tension dans le réseau électrique ;
3. Amélioration du rendement du processus, dont le système d’entrainement fait partie, via l’optimisation dans la consommation d’énergie ;
4. Allongement de la durée de vie de la machine par la diminution des contraintes qui lui sont imposées ;
5. Facilité de l’automatisation du processus dont le système d’entrainement fait partie ; 6. Possibilité d’association de plusieurs machines.

I.2 Caractéristiques des charges mécaniques :

La figure suivante présente ces mêmes diagrammes de caractéristiques mécaniques des machines de production. Elle répertorie les applications classiques suivant quatre catégories :

Caractéristiques hyperboliques : Enrouleuses, Broyeurs, Moulins, Concasseurs…(Machines de traction).

Caractéristiques constantes : Grues, Tapis roulants, Transporteurs, Ponts gradins, Elévateurs, Treuils… (Appareils de manutention).

Caractéristiques linéaires : Mixeurs, Génératrices, Malaxeurs, Essoreuses, … (Machines de type rouleau ou laminoir).

Caractéristiques paraboliques : Ventilateurs, Soufflantes, Pompes, Ventilateurs de tirage, Centrifugeuses (Machines de type ventilateur).

I.3 Généralités sur les machines électriques

Les machines électriques sont de nos jours, les récepteurs les plus nombreux dans les industries, on ne peut concevoir une économie développée sans impliquer des industries mettant en œuvres des machines robustes et fiables. Les machines électriques, tel que les machines à courant continu et celles à courant alternatif ont toujours fait leurs preuves. Cela est dû en partie, à leur adaptabilité à différents domaines ainsi qu’à leurs performances en puissances et en vitesses. Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :

I.3.1 Types des machines électriques

Du courant continu : machine à courant continu

• Moteur à courant continu
• Dynamo (génératrice à courant continu)

Du courant alternatif, monophasé ou triphasé

Une machine électrique est un dispositif électromécanique fondé sur l’électromagnétisme permettant la conversion d’énergie électrique par exemple en travail ou énergie mécanique. Ce processus est réversible et peut servir à produire de l’électricité :

• Les machines électriques produisant de l’énergie électrique à partir d’une énergie mécanique sont communément appelées des génératrices, dynamos ou alternateurs suivant la technologie utilisée.
• Les machines électriques produisant une énergie mécanique à partir d’une énergie électrique sont communément appelées des moteurs.

I.3.2 Caractéristiques des moteurs électriques :

La deuxième loi de Newton 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.5).

Fig. 5. Lien mécanique entre la machine d’entrainement et la machine entrainée.

Selon l’équation de mouvement, la machine peut fonctionner en trois régimes de fonctionnement (voir figure I.6).

I.4 Mode de fonctionnement :

Le diagramme du couple électromagnétique de la machine en fonction de la vitesse de rotation, montre l’existence de quatre quadrants. Alors, ce sont les convertisseurs d’alimentation qui limitent le nombre de quadrants utilisables par la machine selon la nature de l’entraînement. Soient les fonctionnements 1,2 ou 4 quadrants.

a- Modes de fonctionnement 1 quadrant moteur

Dans ce mode de fonctionnement, on peut contrôler l’accélération mais non le ralentissement, qui ne peut être lieu que par dissipation de l’énergie cinétique de rotation dans la charge. Ce type de variateur utilise un convertisseur non réversible.

Application : perceuse électrique à variateur, aspirateur, pompage….

b- Modes de fonctionnement 1 quadrant générateur

Seul le fonctionnement en génératrice est possible. La machine ne peut démarrer de manière électrique, elle doit être entraînée par le côté mécanique depuis la vitesse nulle.

Application : Eolienne (si génératrice utilisée en vitesse variable : machine asynchrone à double alimentation ou alternateur) ….

c- Mode de fonctionnement 2 quadrants I+III (non réversible)

Ce type de variateur utilise un convertisseur non réversible, sachant qu’il garantit une inversion du couple et de la vitesse tout en passant par l’état d’arrêt.

Application : visseuse-dévisseuse, lève-vitre électrique et réglage de rétroviseur d’automobile…

d- Mode de fonctionnement 2 quadrants I+II (réversible)

Ce type de variateur utilise un convertisseur réversible 2 quadrants. A l’arrêt, le couple résistant peut ne pas être nul (exp : machine à courant continu alimentée à flux et courant unidirectionnel mais avec inversion de tension d’induit).

Application : treuil, levage…

e- Mode de fonctionnement 2 quadrants I+IV (réversible)

Ce type de fonctionnement correspond par exemple à l’entraînement d’un véhicule. Il faut pouvoir accélérer le véhicule puis le freiner électriquement. (ex : machine à courant continu alimentée à flux à tension unidirectionnel, le courant d’induit s’inversant comme le couple)

Applications : scooter électrique laminoir…

f- Modes de fonctionnement 4 quadrants (réversible)

Le variateur sait gérer des accélérations et décélérations, ainsi que des freinages dans toutes les situations disponibles.

I.5 Stabilité du point de fonctionnement d’un groupe moteur-charge entrainée

L’étape le plus essentiel c’est de déterminer est-ce que le point de fonctionnement trouvé est stable ou instable. On parle alors d’équilibres stable et instable. A cet effet, considérons la caractéristique d’un groupe moteur-charge entrainée et supposons que pour une cause quelconque, la vitesse du groupe décélère, ce qui fera que le couple moteur devient supérieur au couple résistant (C_r). Ainsi, à cet effet s’oppose une action interne qui tend à ramener le groupe à sa vitesse initiale. Inversement, si on la vitesse du groupe accélère, le couple moteur deviendrait inférieur au couple résistant et l’action interne tendrait bien à s’opposer à cet effet. Alors, la pente du couple résistant par apport à la vitesse soit plus grande que la pente du Cm par apport à la Ω. A une augmentation de la vitesse correspondra alors J(dΩ/dt) ≤ 0, donc une diminution de la vitesse de rotation et un retour à l’équilibre. On peut traduire mathématiquement la condition de stabilité en écrivant que la pente de la caractéristique (C_m-C_r) doit être négative ; soit :

FIN