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RÉSUMÉ
Cet article définit sommairement les convertisseurs et les moteurs possibles, et leurs associations dans le cas des laminoirs. L’accent est mis sur les fonctionnements à puissance constante. La régulation de vitesse fait l’objet de quelques considérations en prenant en compte l’élasticité des arbres de transmission, les produits laminés et les particularités des réducteurs. Quelques fonctions de base sont exposées, les bobineuses, le serrage hydraulique et la régulation d’épaisseur.
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Jacques COURAULT : Ancien directeur des développements en Électronique de Puissance, Alstom Power Conversion
INTRODUCTION
A l’origine, la force motrice avait essentiellement pour origine la vapeur. La première solution « moderne » date de 1891, on la doit à un ingénieur américain, Harry Ward Leonard (1861-1915), connue sous le nom de Groupe Ward Leonard (WL).
Dès les années 1930, il y a eu non seulement pour le laminage mais pour bien d’autres applications (comme la traction ferroviaire) de nombreux brevets de conversion statique à base de redresseurs à vapeur de mercure, elles ont été maintenues en service jusqu’à la fin des années 1950. L’apparition du -thyristor a définitivement condamné ces solutions délicates à utiliser et à maintenir.
C’est vers 1965 que l’ère du thyristor, pour des puissances réduites (~ 100 kW) commence. L’idée du thyristor fut proposée par William Schockley en 1950 et industrialisée par General Electric en 1956. Avec le thyristor la topologie dite du pont de Graetz, d’après Léo Graetz universitaire allemand (1856-1941), se généralise… L’ensemble des motorisations à vitesse variable des aciéries associe alors ponts de Graetz à thyristors et machines à courant continu. D’un point de vue laminage, ces solutions ont donné entière satisfaction en -augmentant les volumes de production dans le respect de la qualité croissante des produits.
Dès la fin des années 1970 sont apparus les premiers composants de puissance blocables par la commande, transistors bipolaires, GTO et même IGBT, ce qui permettait d’envisager l’alimentation de charges à cosinus phi arrière comme les machines asynchrones. Parallèlement, des recherches tant industrielles qu’universitaires ont permis de déboucher sur de très bonnes performances dynamiques des machines à courant alternatif. Ces machines, dès lors que les performances ont été compatibles avec les procédés, ont remplacé les machines à courant continu, difficiles et coûteuses à maintenir du fait de l’usure des collecteurs et des balais. Les années 1980 ont vu l’ensemble des motorisations basculer des machines à courant continu aux machines à courant alternatifs à fréquence variable.
Cet article est destiné aux électriciens qui ont pour mission de choisir et de spécifier les machines. Il évoque également les principaux algorithmes rencontrés en laminage, en particulier les différentes régulations de vitesse qui prennent en compte l’élasticité des produits laminés et la torsion des arbres de transmission. Les simulations décrites sont des exemples numériques en relation avec des réalisations industrielles. Pour être accessible au plus grand nombre, nous avons retenu dans cet article des méthodes d’analyse simples et classiques.
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3. Notions de régulation des laminoirs
Les moteurs à courant alternatif, synchrone et asynchrone, alimentés en fréquence variable sont parfaitement contrôlables en vitesse comme l’étaient les moteurs à courant continu alimentés par des ponts à thyristors. La précision de la régulation de vitesse dépend, de la structure de contrôle et bien entendu de la finesse avec laquelle est mesurée la vitesse (nombre de points du générateur d’impulsions).
Remarques sur la captation de la vitesse
1 – Dans le passé nous utilisions des dynamos tachy-métriques, le problème de la précision était surtout lié à des dérives en température. Avec les contrôleurs modernes, on mesure la vitesse en faisant du comptage avec un GI (géné-rateur d’impulsions), c’est dire que la dynamique et la précision sont liées. Si un GI a un nombre de tops par tour limité, le fonctionnement en basse vitesse est délicat, le temps de rafraîchissement du comptage est trop long : on peut donc avoir une bonne précision, mais avec une dynamique très faible… Pratiquement les GI ont un nombre de points de l’ordre de 4 000 par tour et ont deux voies décalées de 90° de manière à connaître le sens de rotation. On rencontre aussi des capteurs digitaux en général 8 bits + 1 (pour le sens).
2 – Avec les machines à courant alternatif, le GI n’est pas uniquement utilisé pour la régulation de vitesse. Il intervient également dans le calcul ou l’estimation du couple.
Mais avant d’envisager la régulation de vitesse, qui est souvent la finalité des entraînements, il importe d’évoquer la régulation de couple. À l’époque des moteurs à courant continu, on assimilait souvent, et cela de manière abusive (réaction d’induit), contrôle du courant et contrôle du couple. Avec les machines à courant alternatif, cette assimilation simple n’est plus possible. Les grandeurs qui fixent le couple sont toujours le flux et le courant, mais en plus, il y a l’angle entre ces deux grandeurs de base.
Entre 1980 et 1995, il y a eu un nombre important de thèses et de publications sur les contrôles du couple et du flux des machines asynchrones en prenant en compte la topologie des actionneurs, figures 6,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KOSTENKO (M.), PIOTROVSKI (L.) - Machines électriques. - Tome 2, Éditions de Moscou (1979).
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(2) - BORNE (P.), DAUPHIN TANGUY (G.), RICHARD (J.P.), ROTELLA (E.), ZAMBÉTTAKIS (L.) - Modélisation et identification des processus. - Tome 1, éditions technip (1992).
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(3) - CARON (J.P.), HAUTIER (J.P.) - Modélisation et commande de la machine asynchrone. - Éditions Technip (1995).
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(4) - CANUDAS DE VIT (C.) - Modélisation, contrôle vectoriel et DTC. - Hermes Science (2000).
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(5) - VAS (P.) - Sensorless vector and direct torque control. - Oxford science publications (1998).
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