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Auteur(s)
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Jean BONAL : Ancien directeur scientifique de Jeumont-Schneider Industries - Professeur associé au CNAM (Conservatoire national des arts et métiers)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Dans les installations industrielles, les fonctions de compression de pompage et de ventilation consomment une part importante de l’énergie électrique utilisée, sensiblement 45 % du bilan énergétique électrique global. Il est donc nécessaire de chercher à optimiser cette consommation dans ces types de domaine.
Les intérêts économiques et techniques de l’utilisation d’un entraînement électrique à vitesse variable des moteurs associés sont nombreux.
Dans un entraînement de ce type, on ne fait pas varier la vitesse du moteur et de la machine entraînée par action sur les pertes d’énergie dans le circuit électrique d’alimentation, dans le moteur ou dans la charge mais on convertit l’énergie électrique fournie au moteur pour que celui-ci fournisse avec le minimum de pertes les caractéristiques mécaniques demandées par le process. Outre les économies d’énergie, cette technique offre des avantages supplémentaires qui peuvent être déterminants dans le dimensionnement d’une installation.
Pour ce qui concerne le réseau d’alimentation, nous pouvons citer :
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la suppression des fortes surintensités du courant appelé par le moteur alternatif au démarrage ;
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la diminution de la puissance du système d’alimentation.
Pour ce qui concerne le moteur, la technique d’entraînement à vitesse variable permet d’allonger sa durée de vie grâce à la diminution des contraintes qui lui sont appliquées.
Pour ce qui concerne la charge entraînée, nous pouvons citer la possibilité de régler le couple et la vitesse en tout point du plan effort-vitesse. Cet avantage provient des qualités de souplesse, de flexibilité, de précision et de rapidité attachées aux régulations du système.
Equiper une pompe, un ventilateur, un compresseur d’un dispositif de variation continue de la vitesse d’entraînement est une méthode idéale pour modifier les caractéristiqes débit-pression en conservant un bon rendement dans la quasi-totalité de la plage de fonctionnement de la machine entraînée (pompe, ventilateur ou compresseur), les performances des régulateurs du système de conversion de l’énergie permettant en effet de s’adapter de manière optimale aux conditions d’exploitation imposées par le process.
Avant de montrer tous les avantages que l’on peut tirer de la production de la force motrice électrique à vitesse variable pour les entraînements des machines qui mettent en mouvement des fluides, il convient de classer les différentes solutions électriques envisageables pour ces types d’installation.
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6. Classification pour des moteurs à courant alternatif
La position dominante du moteur à induction à cage dans les entraînements électriques est notoire.
Cette place résulte du fait que c’est un moteur robuste, d’utilisation facile et de prix de revient compétitif. Ses seuls challengers sont d’une part le moteur à induction à rotor bobiné et muni de bague qui peut être relié à un circuit extérieur (résistance variable ou convertisseur) et d’autre part le moteur synchrone à rotor bobiné dans des applications de grandes puissances à vitesse constante.
Lorsque l’on considère le domaine des entraînements électriques à vitesse variable, les avantages du moteur asynchrone à cage ne sont pas aussi flagrants puisqu’il faut maintenant considérer l’ensemble variateur de fréquence-moteur et dans ce cas le moteur synchrone sous ses nombreuses variantes devient très compétitif. Toutefois, avec le poids des habitudes, la prédominance numérique des entraînements électriques à vitesse variable utilisant les moteurs asynchrones à cage est maintenue jusqu’à présent.
Pour ce qui concerne les convertisseurs électroniques de fréquence associés aux moteurs alternatifs, on distingue deux grandes familles :
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les convertisseurs directs de fréquence,
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les convertisseurs indirects de fréquence.
Dans le tableau 1 sont regroupés les différents types de convertisseurs avec leurs interrupteurs, le type de moteur et l’intérêt en fonction de la puissance.
6.1 Convertisseurs directs de fréquences
Les convertisseurs directs de fréquence encore appelés cycloconvertisseurs peuvent être à commutation naturelle. Dans ce cas, la fréquence de sortie
est inférieure à la fréquence de la source d’alimentation
:
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