MISE EN SITUATION
Comment entraîner à vitesse variable le moteur de la pompe d'une station de pompage pour permettre d'avoir une pression constante quel que soit le débit ?
INTRODUCTION
FREQUENCE DE ROTATION DU CHAMP TOURNANT
Les bobinages du stator présentent plus ou moins de pôles, ce nombre est fixé à la fabrication du moteur.
En fonction du NOMBRE DE PAIRE DE POLES la fréquence de rotation du champ tournant sera plus ou moins élevée.
Cette fréquence de rotation peut être calculée grâce à la relation suivante : ns=f
p
ns = fréquence de rotation du champ tournant en tr / s f = fréquence du réseau d’alimentation en Hz
p = nombre de paires de pôles
COMMENT AGIR SUR LA VITESSE DE ROTATION DU CHAMP TOURNANT
Pour agir sur la fréquence de rotation du champ tournant (donc celle du rotor) d'un moteur asynchrone triphasé, on peut agir sur les deux paramètres f et p de la formule précédente.
Action sur le nombre de paire de pôles : P
La fréquence de rotation d'un moteur asynchrone triphasé est directement lié au nombre de paire de pôles p du bobinage :
Si le nombre de paire de pôles AUGMENTE, la fréquence de rotation d'un moteur DIMINUE.
Si le nombre de paire de pôles DIMINUE, la fréquence de rotation d'un moteur AUGMENTE.
Principales fréquences de rotation du champ tournant d'un moteur asynchrone triphasé pour un réseau de 50 Hz :
Nombre de paire de pôles 1 2 3 4
Vitesse de rotation du champ tournant pour un réseau 50 Hz en tr/mn
CONCLUSION : Une action sur le nombre de paire de pôles d'un moteur asynchrone triphasé permet d'obtenir des fréquences de rotation différentes mais fixes. (DAHLANDER)
Action sur la fréquence d'alimentation du moteur : f
La fréquence de rotation d'un moteur asynchrone triphasé est directement liée à la fréquence f du réseau l'alimentant.
Si la fréquence AUGMENTE, la fréquence de rotation d'un moteur AUGMENTE.
Si la fréquence DIMINUE, la fréquence de rotation d'un moteur DIMINUE.
CONCLUSION : Une variation progressive et régulière de la fréquence de l'alimentation d'un moteur asynchrone triphasé permet une variation de sa fréquence de rotation en toute souplesse et sans à-coups (variateur de fréquence).
PROBLEME : La fréquence du réseau EDF est fixe et égale à 50 Hz.
LA VARIATION DE LA FREQUENCE
COMMENT FAIRE VARIER LA FREQUENCE DE L'ALIMENTATION D'UN MOTEUR
La solution passe par l'utilisation de variateur de fréquence, plus communément appelé variateur de vitesse.
L'utilisation d'un tel convertisseur permet d'obtenir une plage de variation de vitesse allant de 0 (f = 0 Hz) à la vitesse nominale du moteur (f = 50 Hz). On peut même faire fonctionner le moteur en survitesse si la fréquence dépasse les 50 Hz.
Schéma de principe d'un variateur
Un REDRESSEUR (monophasé ou triphasé) permettant d'élaborer UNE SOURCE DE TENSION CONTINUE.
Un circuit de FILTRAGE permet l'obtention d'un signal pratiquement continu.
Un ONDULEUR TRIPHASE autonome qui recrée à partir de la tension continue fixe un réseau de tension alternative triphasé de FREQUENCE ET DE TENSION VARIABLE.
Le variateur de vitesse gère nativement :
- la gestion thermique du moteur asynchrone entrainé. Il n’est pas nécessaire d’insérer dans le schéma de puissance un relais thermique, sauf cas particulier.
- le sens de rotation du MAS. En cas d’application nécessitant 2 sens de rotation, il n’y aura pas besoin d’utiliser 2 contacteurs pour inverser le sens de rotation.
De par sa structure, un variateur de fréquence ne peut renvoyer de l’énergie au réseau. L’onduleur et le filtre sont réversibles, le redresseur ne l’est pas.
Une résistance en option permet alors de dissiper l’énergie renvoyée par le moteur fonctionnant en génératrice.
Le redresseur avec condensateur est une charge fortement non linéaire, c’est-à-dire que le courant absorbé n’est pas sinusoïdal, et comporte donc beaucoup de courants harmoniques.
Courant absorbé par le variateur sans inductances de ligne.
Courant absorbé par le variateur avec inductances de ligne.
REDRESSEUR FILTRAGE ONDULEUR
L1 L2 L3 50 Hz
L1 L2 L3
f variable : 0=>100Hz
ETUDE DU FONCTIONNEMENT D'UN ONDULEUR : la MLI Le terme M.L.I. signifie :
M
odulation deL
argeur d'I
mpulsion.Son principe est le suivant : La tension continue d’entrée de l'onduleur est hachée de façon à créer une succession de créneaux d’amplitude égale à celle-ci, mais de largeur variable.
Il en résulte un courant qui a une forme très proche d'une sinusoïde. La rotation du moteur est donc régulière et sans à coup, y compris à très basse vitesse.
MISE EN ŒUVRE D’UN VARIATEUR
Comment entraîner à vitesse variable le moteur de la pompe d'une station de pompage pour permettre d'avoir une pression constante quel que soit le débit ?
MOTEUR TRIPHASE à CAGE Ci-contre les caractéristiques du moteur d’entrainement.
V A cos ϕ Hz min-1
λ 400 1 0.6 50 1391
∆ 230 1.75 0.6 50 1381
Les caractéristiques du réseau électriques sont : 230 V – 50 Hz.
Choisir dans le document constructeur la référence du variateur de vitesse adapté au moteur ci-dessus.
Justifier et dessiner le couplage moteur que vous allez utiliser.
A quelle valeur allez-vous régler la protection thermique du moteur :
Partie puissance :
Q1 : Disjoncteur. Fonction : protéger l’alimentation du variateur.
KM1 : Contacteur. Fonction : établir et interrompre l’alimentation du variateur.
Moteur asynchrone triphasé.
Protection thermique assurée par le variateur.
PE : Assurer la protection des personnes.
Partie commande : mise sous tension du variateur
Q2 : Disjoncteur. Fonction : protéger l’alimentation du transformateur.
T1 : Alimenter la commande. Attention à la terre (OBLIGATOIRE).
Q3 : Protéger la partie commande.
S1 et S2 : Mise sous et hors tension de la partie commande.
KM1 : Bobine du contacteur, auto-maintien de la commande S1, anti parasite.
FLA FLC : information provenant du variateur : VARIATEUR OK.
Partie commande : commande du sens de rotation du moteur.
F : Forward, R : Reverse.
P24 : plus 24 V, CC : 0 V courant continu.
Partie commande : consigne vitesse de rotation du moteur.
Entrées analogique CC-VIA ou CC-VIB : commande en tension 0-10 V ou 4-20 mA.
Cahier des charges : Proposer un schéma de raccordement du variateur au réseau conforme à la catégorie 1 de la norme EN954-1 avec contacteur de ligne piloté par :
o un bouton poussoir marche S1 o un bouton poussoir arrêt S2 o un bouton d’arrêt d’urgence ATU o la sortie Q1 de l’automate.
o Un pilotage en consigne 0-10V par un potentiomètre agissant sur l’entrée analogique AI1.
o Un pilotage sens avant/sens arrière par un commutateur rotatif à 3 positions S4.
Schéma avec contacteur de ligne
Schémas de raccordement conformes à la catégorie 1 de la norme EN 954-1, au niveau d’intégrité SIL1 de la norme IEC/EN 61508 et à la catégorie d’arrêt 0 de la norme IEC/EN 60204-1.
Avec inductance de ligne optionnelle(1).
Schéma de raccordement des contrôles en mode source.
