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Force motrice lectrique de puissance Guide de solutions
b solutions basse et moyenne tension b puissances suprieures 100 kW b moteurs asynchrones cage
Building a New Electric World *
Force motrice lectrique de puissance
Guide de solutions
Prsentation 2 - 3 Panorama des solutions Force motrice lectrique 4 - 5 6 - 7
Le moteur asynchrone Solutions basse et moyenne tension
Ingnierie de la force motrice lectriqueLes modes de dmarrage Les applications et charges mcaniques Exemples
8 - 19
Les process 20 - 25Les fonctions du process Process discontinus et continus Transitique Utilits
Communication et dialogue homme-machine 26 - 27 Dimensionnement et mise en uvre 28 - 31Exemples
Annexes techniques 33 - 35Caractristiques du moteur asynchrone Bibliographie
Ce guide a t prpar par Grard Genevive, expert en moteurs et en variation de vitesse lectronique. Il est actuellement Responsable du Centre de Comptences Transports de Schneider Electric.
Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
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Prsentation
La force motrice lectrique dans lindustrie et les infrastructuresDans lindustrie, le tertiaire et les infrastructures, la force motrice lectrique est largement utilise. Les types de moteurs et dentranement sont varis et les puissances des machines tournantes schelonnent de quelques kW plusieurs milliers de kW. Le but de ce Guide de solutions est de prsenter les solutions de basse et moyenne tension Schneider Electric destines aux entranements usuels, en se limitant aux puissances suprieures 100 kW et aux moteurs asynchrones cage.
Objectifs du documentCe guide a pour objectifs : b dapporter les connaissances minimales permettant dorienter le choix dune solution dentranement, b de positionner les diffrentes solutions, b dorienter vers la solution la plus approprie.
Puissance kW 100 000
Alimentation via convertisseur
Alimentation rseau rseau 50-60 Hz
Alimentation via convertisseur
Moyenne tension 2,2 13,8 kV
10 000
1000
Champ dapplication de ce guide
100 Basse tension 230 690 V 10
1
10
100
250 500
1500 3600
10 000
100 000
Tr/mn
Champ dapplicationLe diagramme ci-dessus montre, dans un repre puissance/vitesse/tension, le champ dapplication de ce guide. Il sera trait en particulier : b des applications et des charges mcaniques, b des diffrents modes de dmarrages : direct, sous tension rduite, par variateur de vitesse b des quipements mis en uvre dans chaque solution : v le moteur lectrique, v les quipements lectromcaniques et lectroniques de dmarrage ou de contrle.
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Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
Schneider Electric fournit des produits et quipements et est en mesure au cas par cas, de proposer aux concepteurs, bureaux dtudes, ingnieries une solution globale qui intgre lensemble des quipements, tudes et services. Cette solution va du point de raccordement au rseau jusqu laccouplement sur larbre machine.
Une expertise pour relier le monde lectrique au monde mcaniqueUne solution globale dentranement rsulte de la prise en compte : b des critres mcaniques en termes de couple, vitesse, rptitivit des cycles, temps de dmarrage, etc., b des caractristiques du rseau lectrique : tension, frquence, puissance de court-circuit, b des contraintes environnementales : encombrement, temprature, humidit, normes, La solution technique doit tre conforme au fonctionnement et aux performances requis par la machine entrane, avec un raccordement au rseau non perturbant, et doit satisfaire les objectifs conomiques en termes dinvestissement, de cots dexploitation et de maintenance.
Fonctions
Etudesb de rseau b de faisabilit b de sret b de ligne darbre
Servicesb diagnostics b mise en uvre b installation b mise en service b maintenance
Transformation
Motorpact Tableau MCC MT
Trihal Transformateur sec enrob
Protection
Filtrage et compensation
Systme de dmarrageOkken Tableau PCC/MCC BT Varplus Batterie de condensateurs
Moteur
Couplage mcanique
ChargeATV 68 Variateur de vitesse en armoire
Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
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Panorama des solutions
Dparts moteurs DirectsBasse tensionSectionnement et protection contre les courts-circuits
Moyenne tension
GS1
ou
Compact NS
Commande
LC1 F ou V
ou
CV1, CV3, LC1 B
Motorpact FVNR
SM6 ou MCset contacteur
Relais de protection
LR9 F
LT6
TesysU
Sepam
Ue max P max Mesure Communication Dialogue homme-machine b exploitation b diagnostic b historique b perturbographie
400 - 690 V 900 kW(1)
3,3 - 7,2 kV 4000 kW b Modbus b Modbus
3,3 - 12 kV 2350 kW b Modbus
b
b
b b b b
b b b b
(1) P limite 800 kW en cas dassociation disjoncteur-contacteur avec coordination. Lorsque la frquence de commande est faible, on peut utiliser un seul appareil pour le sectionnement, la protection et la commande : disjoncteur Compact NS250 NS800, quip d'un relais lectronique Micrologic.
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Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
Dparts moteurs ProgressifsEtoile - Triangle Soft starter BT Soft starter MT Autotransfo. MT
GS1
ou
Compact NS
Compact NS Motorpact RVAT
LC1 F
ou
LC1 B SM6 gamme MSA
LR9
LT6
TesysU controller
ATS 48
Motorpact RVSS (Softstart)
Sepam
400 - 690 V 900 kW (1)
400 - 690 V 1200 kW b Modbus b Modbus(2)
3,3 - 7,2 kV 4000 kW b Modbus
3,3 - 7,2 kV 4000 kW b Modbus
2,3 - 12 kV 2200 kW b Modbus
b
b
b b b
b b b
b b b b
b b b b
(2) P limite 950 kW en cas dassociation disjoncteur-contacteur avec coordination.
Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
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Dparts moteursavec variation de vitesseBasse tension
ATV 38/68/71/78
400 - 690 V 1500 kW b Modbus/Ethernet
b b b b
Force motrice lectrique
Le moteur asynchrone
Puissance absorbe
Stator
Puissance transmise au rotor
RotorPuissance mcanique totale
Puissance mcanique utile
Le moteur asynchrone est constitu dun stator (partie fixe) et dun rotor (partie tournante). Cest une machine induction, cest--dire que les courants du rotor sont induits par le flux tournant gnr au stator. Il se prsente sous deux technologies : b le moteur asynchrone dit cage dcureuil Dans ce type de moteur, les enroulements du rotor sont, par construction, en court-circuit. Les courants rotoriques ne sont que des courants induits. b le moteur asynchrone rotor bobin Dans ce type de moteur, les enroulements du rotor sont accessibles sur des bagues. Les courants induits dans le rotor peuvent tre ajusts laide de rsistances variables places lextrieur du moteur. Le moteur asynchrone cage dcureuil est le plus largement utilis et sera le seul pris en compte dans ce document.
Pertes Pertes mcaniques fer
Pertes Joules
Pertes mcaniques
Le moteur asynchrone cageDans ce type de moteur, la puissance absorbe au stator se transforme en : b une puissance transmise au rotor qui va servir fournir la puissance mcanique utile b une puissance dissipe sous forme de pertes lies la construction du moteur et son mode dutilisation : v pertes Joules, v pertes fer, v pertes mcaniques, v pertes dues la ventilation. Le rendement du moteur est le rapport entre la puissance mcanique utile et la puissance absorbe. De plus, lnergie absorbe au stator se dcompose en : b nergie active qui sert produire le couple (courant actif), b nergie ractive qui sert magntiser le rotor (courant ractif). Langle de dphasage entre le courant actif et le courant ractif dfinit le facteur de puissance du moteur (cos ).
Rendement moteur =
Puissance mcanique utile Puissance absorbe
CCmax
Courbes de fonctionnement du moteur asynchroneLa caractristique de couple dun moteur asynchrone repose sur 3 valeurs intrinsques : b le couple de dmarrage Cd, b le couple maximal Cmax, b le couple nominal Cn. Pendant la phase de dmarrage, le couple volue comme le montre la courbe ci-contre. La mcanique entrane prsente un couple rsistant et une des conditions de sa mise en mouvement est fixe par la condition : C moteur > C rsistant La diffrence entre le couple moteur et le couple rsistant est le couple dacclration.
Cn Cd Couple rsistant N1 Nn
Cr
N
Tempstd
Caractristiques du moteur asynchroneLe moteur asynchrone est caractris par : b des paramtres lectriques, b des paramtres mcaniques, b des paramtres thermiques. La connaissance de ces paramtres permet de dimensionner et de choisir le moteur dans chaque recherche de solution dentranement. Voir en annexe 1 la liste de ces paramtres. N
t3 t2 t1
1 N1 4
1 N1 2
3 N1 4
N1 Nn
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Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
Solutions basse et moyenne tension
Au-dessus de 100 kW, on trouve aussi bien des moteurs BT que des moteurs MT. La puissance des moteurs basse tension est limite par la valeur du courant qui devient importante lorsque la puissance augmente : dimensionnement du moteur, de lappareillage, des cbles, etc. Exemple : un moteur de 1500 kW sous 690 V appelle, en rgime tabli, environ 1500 A.
Les moteurs basse tensionLes moteurs BT sont monophass (pour les petites puissances) ou triphass et sont aliments sous des tensions qui schelonnent de 220 690 V. Jusqu 355 mm de hauteur daxe, ce qui reprsente environ 200 kW pour un moteur 2 ples et 300 kW pour un moteur 4 ples, ces moteurs sont classs par gammes standard dun point de vue lectrique et mcanique.
Les moteurs moyenne tensionLes moteurs MT sont gnralement triphass. Ils sont aliments sous des tensions qui schelonnent de 2,2 kV 13,8 kV. Il ny a pas vritablement de standard, chaque constructeur proposant ses gammes de moteurs.
10
50
100 315 355
300 500
1000 1500 630
3000
P (kW)
Hauteur daxe (mm)
P < 100 kW Pour des puissances infrieures 100 kW, seuls les moteurs BT existent : b 95 % du parc mondial des moteurs, b gammes de moteurs standard. Ces puissances ne rentrent pas dans le champ dapplication de ce guide.
100 kW < P < 1500 kW Cest la zone de recouvrement des solutions BT et MT. Dune manire gnrale, plus la puissance mise en jeu est importante, plus la solution MT prsente des avantages.
P > 1500 kW Pour des puissances suprieures 1500 kW, seuls les moteurs MT existent : b tensions : de 2,2 kV 13,8 kV, b gammes de moteurs non standard.
Critres de choix entre solution BT et solution MTLe choix entre solution BT et solution MT dpend : b des zones gographiques (habitudes, normes) ; dans les zones dinfluence IEC, la tendance est daller le plus haut possible en BT, alors que dans les zones dinfluence NEMA, la tendance est daller le plus bas possible en MT, b des habitudes propres un secteur (ptrole, chimie, etc.), b de la prsence de personnel qualifi ou habilit, b de la mise en uvre d'quipements de contrle : v disponibilit de la solution en BT et/ou MT, v cot de la solution. Le choix entre solution BT et solution MT rsulte de la prise en compte de nombreux autres critres explicits dans la suite de ce guide.
Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
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Ingnierie de la force motrice lectrique
Le choix dun moteur lectrique et de son systme de dmarrage doit intgrer les contraintes imposes par les diffrents phnomnes et conduit une solution technique conforme aux rgimes de fonctionnement et aux performances requises par la mcanique entrane. Ce choix satisfait les objectifs conomiques en termes dinvestissement, de cots dexploitation et de maintenance.
Pour construire et dimensionner une solution globale dentranement, il faut prendre en compte les aspects ayant un impact sur le choix.
Le rseau lectriqueLe choix des composants utiliss doit prendre en compte les caractristiques du rseau lectrique : b tension, frquence, b puissance de court-circuit, b taux dharmoniques prexistant, b niveau de perturbation (creux de tension, microcoupures, foudre, ).
Le mode de dmarrageLe mode de dmarrage du moteur a un impact sur : b le courant de dmarrage, b le couple disponible durant la phase de dmarrage, b la rptitivit des dmarrages dans le temps, b le temps de dmarrage. Le mode de dmarrage doit prendre en compte : b le niveau de sollicitation thermique acceptable par le moteur, b le niveau de sollicitation mcanique acceptable par le moteur, le systme daccouplement et la charge entrane.
Energie lectrique
Energie mcanique
Action sur le produitProduit brut
Lapplication et la charge mcaniqueLapplication : broyage, laminage, ventilation, est laction sur le produit traiter (voir schma ci-contre). Les contraintes mcaniques de la charge se traduisent par des ractions sur le moteur et donc sur le rseau dalimentation, par exemple : b la variation de couple de la charge entrane une variation du courant moteur, b linertie du moteur et linertie de la charge influent sur le temps de dmarrage, b la vitesse de rotation de la charge peut ncessiter une adaptation de la vitesse du moteur, b
Broyage Laminage Extrusion Perage
Produit trait
Les contraintes lies au procdLapplication concerne est souvent incluse dans un procd global. Les procds sont caractriss par des critres de performance : b rapidit dexcution, b rptitivit des cycles, b prcision. Satisfaire ces critres est dimensionnant pour le moteur et son systme dentranement.
Les contraintes lies lenvironnementEnfin, il est ncessaire de connatre les contraintes denvironnement : b temprature ambiante, b poussires, b nature de latmosphre (gaz explosifs), b altitude, b hygromtrie, b vibrations et chocs,
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Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
Les modes de dmarrage Dmarrage direct
Le mode de dmarrage le plus simple et le plus conomique si : b la charge admet un couple de dmarrage important, b le rseau permet un courant de dmarrage pouvant aller jusqu 10 fois le courant nominal. Il est plus adapt pour le dmarrage : b de moteurs de faible puissance, b de machines de faible inertie.
ou
BT
MT
M
M
SpcificitsCCmax
Rseau lectriqueCourant de dmarrage Creux de tension Perturbation harmonique 5 10 x In Important (fonction de la Pcc rseau) Importante pendant le dmarrage, nulle en rgime tabli Faible pendant le dmarrage Non
Cn Cd Couple rsistant N1 Nn
Cr
Facteur de puissance Matrise de la consommation lectriqueN
MoteurNombre de dmarrages successifs Couple disponible Sollicitation thermique Calibrage des protections Autres Limit Maximum (dmarrage brutal) Trs importante (rotor) Suivant donnes constructeur
IId/In
In
If (Cr)
Charge mcaniqueNN1 Nn
Sollicitation des accouplements Types de charges adaptes Vitesses critiques Couples pulsatoires Dmarrages de fortes inerties
Trs importante Charge faible inertie Pas dincidence Pas dincidence Dimensionnement spcial du moteur
ProcdContrle de la vitesse Performances Fiabilit/Disponibilit Maintenabilit Dialogue homme-machine Non Fonctionnement en tout ou rien Eleve Bonne Exploitation simple. Possibilit dIHM numrique et rseau de communication
Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
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Ingnierie de la force motrice lectrique
Les modes de dmarrage Dmarrage toile-triangle
Un mode de dmarrage simple et conomique si : b la charge admet un couple au dmarrage = 1/3 du couple nominal, b le rseau supporte la surintensit au changement de couplage. Il est particulirement adapt : b au dmarrage de moteurs de faible puissance en BT < 150 kW, b aux charges prsentant de faibles inerties et dont la caractristique de couple est de type quadratique (exemple : pompes centrifuges).
ou
BT
M
SpcificitsC/CnCmax
Rseau lectriqueC en
2
Courant de dmarrage Creux de tension Perturbation harmoniqueCr NN1 Nn
1
C en Y
Facteur de puissance Matrise de la consommation lectrique
2 3 x In Important au changement de couplage Importante pendant le dmarrage, nulle en rgime tabli Dgrad pendant le dmarrage Non
Couple rsistant
MoteurNombre de dmarrages successifs Couple disponible Sollicitation thermique Calibrage des protections Autres 2 3 fois plus important quen direct Divis par 3 pendant le dmarrage Moins importante quen direct Suivant donnes constructeur
IId/In 4I en Y
I en
2 In
If (Cr)
Charge mcaniqueN
N1 Nn
Sollicitation des accouplements Types de charges adaptes Vitesses critiques Couples pulsatoires Dmarrages de fortes inerties
Moins importante quen direct Pompes, ventilateurs, compresseurs Sans incidence Sans incidence Non
ProcdContrle de la vitesse Performances Fiabilit/Disponibilit Maintenabilit Dialogue homme-machine Non Fonctionnement tout ou rien Bonne Bonne Exploitation simple. Possibilit dIHM numrique et rseau de communication
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Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
Ingnierie de la force motrice lectrique
Les modes de dmarrage Dmarrage par autotransformateur
Un mode de dmarrage utilis plus particulirement : b en BT pour des puissances > 150 kW, b en MT. Il est plus adapt : b pour le dmarrage de moteurs de forte puissance, b pour les mcaniques prsentant de faibles inerties et dont la caractristique de couple supporte la dgradation du couple moteur dans un rapport allant de 0,4 0,85 du Cd moteur.
M
SpcificitsC/CnCmax
Rseau lectriqueCourant de dmarrage Creux de tension Perturbation harmonique Facteur de puissance Matrise de la consommation lectrique = k x Id (k = rapport de transformation) Faible Faible Dgrad pendant le transitoire Non
2
Ct
3
Ct1 t2 et C Ct1
Cr
1
Couple rsistant N1 Nn
MoteurN
IId/In 4Ct3Ct1
Nombre de dmarrages successifs Couple disponible Sollicitation thermique Calibrage des protections Autres
2 3 fois plus important quen direct k2 x Cd ( 0,4 0,85 x Cd) Plus faible quen direct Suivant donnes constructeur
C t1 et
C t2
Charge mcaniqueIf (Cr)
2
In
NN1 Nn
Sollicitation des accouplements Types de charges adaptes Vitesses critiques Couples pulsatoires Dmarrages de fortes inerties
Moins importante quen direct Suivant inertie et courbe de couple Pas dincidence Pas dincidence Non
ProcdContrle de la vitesse Performances Fiabilit/Disponibilit Maintenabilit Dialogue homme-machine Non Fonctionnement tout ou rien Bonne Bonne Relais protection et contrle numrique, avec IHM et rseau de communication
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Ingnierie de la force motrice lectrique
Les modes de dmarrage Dmarrage par soft starter
Un mode de dmarrage performant qui permet un dmarrage et un arrt en douceur. Il peut tre utilis : b en limitation de courant : le courant est fix une valeur de 3 4 x In pendant la phase de dmarrage, le couple de dmarrage tant rduit. Ce mode est particulirement adapt aux turbomachines (pompes centrifuges, ventilateurs,) b en rgulation de couple : les performances en couple sont optimises. Ce mode est plus particulirement adapt aux pompes centrifuges et aux machines couple constant, ou ayant un fort couple rsistant au dmarrage.
BT
MT
M
M
SpcificitsC/CnCmax
Limitation de courantC varie enUn0,8 n 5 U
U 2 Un
Rseau lectriqueCourant de dmarrage Creux de tension Perturbation harmonique Facteur de puissance Matrise de la consommation lectrique Dpend du mode de contrle Rduit Importante pendant le dmarrage Dgrad pendant le dmarrage Non
2
0,6
Un
Cr
1
Couple rsistant N1 Nn
N
MoteurId 2 IdL
I et CId/In
CdL = Cdn4 Limite de I dmarreur m
Nombre de dmarrages successifs Couple disponible Sollicitation thermique Calibrage des protections Autres
IdL 2 Cdn In CdL
Considrablement augment Dpend du mode de contrle et du niveau de limitation de courant Rduite Suivant donnes constructeur
If (Cr)
Charge mcaniqueNN1 Nn
I et Cx In I dmarreur I1
Rgulation de coupleU dmarreur () Un
Sollicitation des accouplements Types de charges adaptes Vitesses critiques Couples pulsatoires Dmarrages de fortes inerties
Rduite Dpend du mode de contrle Sans incidence Sans incidence Oui en rgulation de couple
In Cn U1 C1 Couple rsistant
ProcdContrle de la vitesse Performances Fiabilit/Disponibilit Maintenabilit Dialogue homme-machine Non Trs bonnes Bonne Trs bonne - outils de diagnostic et de mesure intgrs IHM numrique et rseau de communication
tt1
C1 = k I1 1 N et CNn
Cn
Couple rsistant t1
t
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Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
Les modes de dmarrage Variation de vitesse par convertisseur de frquenceUn mode de dmarrage performant utilis ds quil est ncessaire de contrler la vitesse. Il permet entre autres : b de dmarrer des charges de forte inertie, b de dmarrer des charges importantes sur un rseau de faible pouvoir de court-circuit, b doptimiser la consommation dnergie lectrique en fonction de la vitesse sur les turbomachines. Utilisable sur tous types de machines.
BT
TT
M
SpcificitsCCmax
Rseau lectriqueCourant de dmarrage Creux de tension Perturbation harmonique Facteur de puissance Matrise de la consommation lectrique Limit suivant la charge (1,5 In) Fortement limit Ncessite un dispositif de filtrage > 0,95 sur toute la plage de vitesses Oui
Limite C var. Cn Cd Couple rsistant Nn
Cr
N
MoteurNombre de dmarrages successifs Couple disponible Sollicitation thermique Calibrage des protections Autres Non limit Ajustable jusqu 1,5 2 Cn Fortement limite Suivant donnes constructeur Distance moteur-convertisseur < 50 m
I1,5 In
Charge mcaniqueIn
If (Cr)
NNn
Sollicitation des accouplements Types de charges adaptes Vitesses critiques Couples pulsatoires Dmarrages de fortes inerties
Fortement limite Toutes Peuvent tre occultes Ncessite une tude de ligne darbre pour les trs fortes puissances Oui
ProcdContrle de la vitesse Performances Fiabilit/Disponibilit Maintenabilit Dialogue homme-machine Oui Eleves dpendent du mode de rgulation Bonne (peuvent tre amliores par des systmes redondants) Trs bonne outils de diagnostic et de mesure intgrs IHM numrique et rseau de communication
Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
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Ingnierie de la force motrice lectrique
Les applications et charges mcaniques
Pour dterminer la solution dentranement, il faut : b identifier les paramtres mcaniques, b identifier les performances attendues, b caractriser la chane de transfert mcanique.
Les paramtres mcaniquesCharge PerformancesRgulation Inertie Couple Prcision statique Vitesse Prcision dynamique Temps de rponse
LinertieElle est dautant plus importante que la masse de la charge est grande et soppose la mise en mouvement. Elle est caractrise par le moment dinertie J, qui sexprime en kg/m2.
Le coupleIl dfinit leffort que la charge mcanique oppose au maintien de sa mise en mouvement. Il sexprime en Newton mtre (Nm). Chaque type de mcanique peut tre class suivant sa caractristique couple/vitesse (voir courbes page suivante) : b couple constant, b couple linaire, b couple quadratique Le couple de dcollage et les couples transitoires sont des paramtres identifier pour le dimensionnement correct de lentranement.
La vitesseCest la qualification du mouvement dune charge prsentant une certaine inertie et soumis un couple. Pour les moteurs lectriques, elle sexprime en tours par minute (Tr/mn).
Les performances attenduesCe sont gnralement les contraintes de lapplication et du procd qui fixent les performances de lentranement. Elles concernent les deux paramtres couple et vitesse de la charge et se caractrisent par les notions de : b prcision statique : cart entre la valeur attendue par le procd et la valeur relle de ces paramtres en rgime tabli. b prcision dynamique : cart entre la valeur attendue par le procd et la valeur relle de ces paramtres en rgime transitoire. b temps de rponse : temps mis par lentranement pour stabiliser ces paramtres en rgime tabli suite un rgime transitoire.
Rducteur
Mcanique
La chane de transfert mcaniqueLe couplage de larbre moteur la mcanique entrane peut tre : b direct, b via un rducteur ou un multiplicateur de vitesse : v poulie - courroie, v engrenage - chane, v coupleur Cette chane de transfert a une incidence sur le transfert dinertie et de couple entre la charge et le moteur. Dautre part, elle pnalise le rendement global de lentranement.
Q4Mode g nrateur g rateurCN < 0 Energie nerg
Couple
Q1Mode moteur
CN > 0 Energie nerg
Cm
C
Charge
Cm
C Charge
CN > 0 Energie nerg
CN < 0 Energie nerg
Vitesse
La notion de quadrantsCette notion permet didentifier le mode de fonctionnement de la charge. Elle est reprsente dans le repre couple-vitesse du schma ci-contre. Elle permet, entre autres, de diffrencier les charges rsistantes (qui sopposent au mouvement) et les charges entranantes (qui favorisent le mouvement). Le fonctionnement dans les 4 quadrants est requis pour les applications avec rcupration dnergie.
Cm
C
Charge
Cm
C Charge
Mode moteur
Mode g nrateur g rateur
Q3
Q2
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Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
Les applications et charges mcaniques
Couple (C)
C = kN
Transitoire
C = kN2 C = cte
Le tableau ci-dessous donne un aperu des diffrentes machines concernes par ce document. Il ny apparat que les machines quipes de moteurs susceptibles davoir une puissance de plus de 100 kW. Les pompes centrifuges, ventilateur et compresseurs centrifuges (turbomachines) reprsentent plus de 70 % des applications. Lgende : b loi du couple : voir courbes ci-contre. b plage de vitesse indique : rapport moyen entre la vitesse minimum et la vitesse maximum (cas dutilisation de variation de vitesse). b colonnes Q1 Q4 : fonctionnement dans le repre des quadrants. b colonnes BT et MT : indication de la faisabilit dans lune ou lautre des gammes de tension : basse tension ou moyenne tension.
Dcollage
Vitesse (N)
Types de machines Convoyeurs Rotatives Pompes volumtriques et doseuses Pompes centrifuges Pompes diphasiques Ventilateurs Soufflantes Compresseurs Fours Extrudeuses Presses mcaniques Enrouleuses - Drouleuses Pulpeurs Machines sectionnelles Bancs dessais Broyeurs Mlangeurs Malaxeurs - Calandreuses Centrifugeuses Machines de levage
Secteurs dactivit Ciment - Carrires Agroalimentaire Imprimerie Chimie - Pharmacie Agroalimentaire Eau - Chimie Agroalimentaire Ptrole - Gaz HVAC - Fours Infrastructures Bancs dessais Gaz - Ptrochimie Ciment Ptrochimie - Plastique Agroalimentaire Mcanique - Automobile Mtallurgie - Papier Papier Mtallurgie - Papier Automobile - Aronautique Ciment - Carrires Agroalimentaire Chimie - Pharmacie Agroalimentaire Chimie - Caoutchouc Chimie - Pharmacie Btiments - Infrastructures
Loi C/N C C C kN2 kN2 kN2 kN2 kN2 C C-P C C-P C C C-P C kN C-P kN2 C
Plages de vitesses 1 10 1 10 1 10 15 15 15 1 10 1 10 1 10 1 10 1 10 1 20 1 10 1 10 1 100 1 10 15 1 10 1 10 1 100
Puissances en kW 0,37 500 10 > 200 0,37 200 0,37 5000 200 2000 0,1 1500 2,2 50 000 2,2 50 000 100 1500 10 2500 50 700 3 300 500 2000 10 700 10 500 10 1000 30 300 < 1000 10 200 10 500
Q1 b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b
Q2
Q3
Q4 b
BT b b b b b
MT
b
b b b b b b b
b b b b
b b b b b
b b b b
b b b b
b b
b b
b b
b b b b b b
b b b b
b b
C = Couple constant kN 2 = Couple quadratique C-P = Couple constant et puissance constante kN = Couple linaire
Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
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Ingnierie de la force motrice lectrique
Les applications et charges mcaniques Exemple : pompe centrifugeGamme de puissance Gamme de tension Gamme de vitesse Type de dmarrage Direct A tension rduite Soft starter Variateur de vitesse De 0,37 5000 kW BT ou MT suivant la puissance De 1 10 Acceptable (coup de blier possible) Possible Bonne solution Bonne solution
Spcificits de la pompe centrifugeDans une pompe centrifuge : b le dbit est proportionnel la vitesse, b la pression est proportionnelle au carr de la vitesse, b la puissance est proportionnelle au cube de la vitesse.
Caractristiques mcaniquesCouple (C)
C = kN2
Couple/Vitesse Les pompes centrifuges prsentent une caractristique spcifique : le couple rsistant varie comme le carr de la vitesse de rotation (couple quadratique). Ce qui veut dire qu la vitesse nominale Nn, le couple rsistant est gal au couple nominal Cn, et Nn/2, Cr = Cn/4. Le couple rsistant de la pompe soppose en permanence au couple moteur. De plus, le sens de rotation dune pompe centrifuge ne peut tre invers. Ainsi, le fonctionnement dune telle machine seffectue dans le quadrant Q1. Inertie Linertie dune pompe centrifuge peut tre considre comme faible et na que peu dincidence sur le temps de dmarrage.
Vitesse (N)
Mode de fonctionnementCouple
Q1Mode moteur
Tout ou rien La plupart des pompes centrifuges fonctionnent en permanence vitesse constante et sont dmarres et arrtes intervalles rguliers. Rgulation de flux La rgulation de pression ou de dbit dune pompe peut seffectuer de deux manires : b traditionnellement par des systmes mcaniques comme les vannes motorises ou les dispositifs de by-pass. Ces systmes sont dits perte de charge. La vanne motorise permet de rduire la section de la conduite de la pleine ouverture un niveau de fermeture acceptable par la pompe. b une des caractristiques intrinsques des pompes tant que le dbit est proportionnel la vitesse de rotation, le contrle du dbit ou de la pression peut aussi tre effectu en faisant varier la vitesse de la pompe.
CN > 0 Energie nerg
Cm
C Charge
Vitesse
Incidence sur la solution dentranementLe choix du moteur est directement li la puissance consomme par la pompe son point nominal de fonctionnement (dbit pression) pour une courbe de charge rseau donne. Gnralement, cette puissance est fixe par le constructeur de la pompe. Le mode de dmarrage et son dimensionnement sont fixs par le type de rseau o la pompe fonctionne (adduction, surpression, distribution) et en particulier par les performances requises sur la rgulation de pression ou de dbit.
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Les applications et charges mcaniques Exemple : ventilateurGamme de puissance Gamme de tension Gamme de vitesse Type de dmarrage Direct A tension rduite Soft starter Variateur de vitesse De 0,1 50 000 kW BT ou MT suivant la puissance De 1 10 Acceptable (stress mcanique possible) Difficile si inertie importante Bonne solution Bonne solution
Spcificits du ventilateur centrifuge ou hlicodalDans un ventilateur centrifuge ou hlicodal : b le dbit est proportionnel la vitesse, b la pression est proportionnelle au carr de la vitesse, b la puissance est proportionnelle au cube de la vitesse.
Caractristiques mcaniquesCouple (C)
C = kN2
Couple/Vitesse Ces ventilateurs prsentent une caractristique spcifique : le couple rsistant varie comme le carr de la vitesse de rotation. Ce qui veut dire que, la vitesse nominale Nn, le couple rsistant est gal au couple nominal Cn et Nn/2, Cr = Cn/4. Le couple rsistant du ventilateur soppose au couple moteur pendant les phases dacclration. De par son inertie, le ventilateur entrane le moteur pendant les phases de ralentissement. Le sens de rotation dun ventilateur ne sinverse que rarement. Ainsi, le fonctionnement dune telle machine seffectue gnralement dans les quadrants Q1 et Q2. Inertie En fonction du dbit pour lesquels ils sont conus, certains ventilateurs et en particulier les hlicodaux prsentent de trs importants moments dinertie. Ce paramtre une incidence sur le temps dacclration de la machine en fonction de la puissance mise en jeu.
Vitesse (N)
Couple
Q1Mode moteur
Mode de fonctionnementTout ou rien La plupart des ventilateurs fonctionnent en permanence vitesse constante et sont dmarres et arrtes intervalles rguliers. Rgulation de flux La rgulation de dbit dun ventilateur peut seffectuer de deux manires : b traditionnellement par des systmes mcaniques comme les ventelles ou les inclineurs. Ces systmes sont dits perte de charge. Les ventelles permettent de rduire la section de la gaine dair de la pleine ouverture un niveau de fermeture acceptable par le ventilateur. b une des caractristiques intrinsques des ventilateurs tant que le dbit est proportionnel la vitesse de rotation, le contrle du dbit peut tre effectu en faisant varier la vitesse du ventilateur.
CN > 0 Energie nerg
Cm
C Charge
CN < 0 Energie nerg
Vitesse
Cm
C Charge
Mode g nrateur g rateur
Q2
Incidence sur la solution dentranementLe choix du moteur est directement li la puissance consomme par le ventilateur son point nominal de fonctionnement (dbit pression) pour une courbe de charge donne. Gnralement, cette puissance est fixe par le constructeur du ventilateur. Le dimensionnement du moteur devra tenir compte de linertie du rotor et de celle du ventilateur : le rapport Jr/Jv doit tre suprieur 1. Le mode de dmarrage et son dimensionnement sont fixs par le type de rseau o le ventilateur fonctionne (extraction, injection, circulation) et en particulier par les performances requises sur la rgulation de pression ou de dbit. Certaines applications doivent supporter de fortes variations de temprature du fluide, ce qui entrane des variations de charge non ngligeables.
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Ingnierie de la force motrice lectrique
Les applications et charges mcaniques Exemple : broyeurGamme de puissance Gamme de tension Gamme de vitesse Type de dmarrage Direct A tension rduite Soft starter Variateur de vitesse De 50 10 000 kW BT ou MT suivant la puissance De 1 10 Acceptable (stress mcanique important) Non Possible Bonne solution
Spcificits du broyeurIl existe diffrents types de broyeurs : b broyeur lames, couteaux, b broyeur rouleaux, marteaux, Ils sont gnralement intgrs dans une ligne de fabrication, que ce soit en cimenterie ou en agroalimentaire. Ils ont pour fonction de produire un matriau dfini gnralement par des critres de granulomtrie partir dun matriau brut.Couple (C)
Caractristiques mcaniquesCouple/Vitesse Tous les broyeurs prsentent une caractristique spcifique : le couple rsistant est constant quelle que soit la vitesse de rotation. Le couple rsistant du broyeur soppose au couple moteur pendant les phases dacclration et de ralentissement. Le sens de rotation ne sinverse quasiment jamais. Ainsi, le fonctionnement dune telle machine seffectue dans le quadrant Q1. Une particularit du couple rside dans la phase de dmarrage, notamment lorsque le broyeur dmarre en charge (aprs une coupure de rseau par exemple). Ce couple de dcollage peut atteindre 1,5 2 fois le couple nominal. Dautre part, des couples transitoires importants peuvent apparatre en cours de fonctionnement. Inertie En fonction du type de broyeur, linertie sera considrer, en particulier avec les broyeurs marteaux.Couple
Transitoire
C = cteDcollage
Vitesse (N)
Q1Mode moteur
Mode de fonctionnementTout ou rien Dans les carrires, les mines, lagroalimentaire, les broyeurs fonctionnent gnralement vitesse constante. Vu les couples importants mis en jeu, la mcanique doit tre robuste et dote de systmes lectriques et mcaniques de protection. Rgulation de flux La rgulation en vitesse du broyeur permet de sadapter au dbit du systme de chargement et de dchargement. De plus, en jouant sur la vitesse, lutilisateur agit directement sur le taux de granulomtrie du produit fabriqu.
CN > 0 Energie nerg
Cm
C Charge
Vitesse
Incidence sur la solution dentranementLe moteur et son systme de dmarrage doivent particulirement tenir compte des couples de dcollage et transitoire qui peuvent tre trs importants. Ceci conduit gnralement un surdimensionnement en puissance de lentranement. La variation de vitesse, grce un couple disponible au dmarrage plus important, permet un bon compromis entre dmarrage en charge et surdimensionnement.
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Les applications et charges mcaniques Exemple : machine de levageGamme de puissance Gamme de tension Gamme de vitesse De 50 1000 kW BT De 1 100
Type de dmarrage (conditionn par les performance requises) Direct Possible A tension rduite Possible Soft starter Bonne solution Variateur de vitesse Bonne solution
Spcificits des machines de levageCes machines se prsentent sous de nombreux types : b treuils, grues, ponts roulants, portiques... b ascenseurs, monte-charges... Elles ont la fonction de dplacer des charges dun niveau 1 un niveau 2. Elles sont assujetties des normes de scurit strictes, de plus en plus contraignantes quand lon passe du dplacement de matriaux au dplacement de personnes.Couple (C)
Caractristiques mcaniquesCouple/Vitesse Les machines de levage prsentent une caractristique spcifique : le couple rsistant est constant quelle que soit la vitesse de rotation. A la monte, le couple rsistant soppose au couple moteur. A la descente, le sens de rotation sinverse et la charge tend entraner le moteur qui, pour maintenir une vitesse de descente constant, doit retenir la charge. Le moteur devient gnrateur. Les machines de levage travaillent dans les 4 quadrants Q1, Q2, Q3 et Q4 suivant les phases de travail. Inertie En fonction du type de levage traiter, linertie sera considrer (diamtre du tambour denroulement). Cependant, il est frquent quun rducteur mcanique de vitesse soit mont entre le moteur et ce tambour, ce qui a pour effet de rduire linertie (elle est alors divise par le carr du rapport de rduction).
C = cteDcollage
Vitesse (N)
Q4Mode g nrateur g rateurCN < 0 Energie nerg
Couple
Q1Mode moteur
Mode de fonctionnementLa grande diversit de ces machines fait que lon retrouve tous les modes de fonctionnement : b pour un simple treuil, le fonctionnement se fera en tout ou rien, b pour un monte-charge utilis dans un magasin automatique, on fera appel une fonction de positionnement, b pour la commande dun pont de chargement de containers on fera appel des fonctions sophistiques de rgulation : positionnement, indexage, antiballant
CN > 0 Energie nerg
Cm
C
Charge
Cm
C Charge
CN > 0 Energie nerg
CN < 0 Energie nerg
Vitesse
Cm
C
Charge
Cm
C Charge
Incidence sur la solution dentranementLe dimensionnement en puissance de lentranement est troitement li aux caractristiques mcaniques dcrites ci-dessus. Le surdimensionnement est la consquence des marges de scurit imposes par les normes. Le choix du mode de dmarrage est conditionn par les performances imposes par lapplication.
Mode moteur
Mode g nrateur g rateur
Q3
Q2
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Les process
Les fonctions du process
Les procds
Rseau lectrique
Machine
Broyage Laminage Extrusion Perage Malaxage
Enroulage Droulage Trfilage Tissage Pressage
Qualit de lnergieMachine
La transitiqueLevage Manutention Conditionnement Stockage
AutomatismesLes utilitsPompage Ventilation Compression
Supervision
Machine
Les processQuils soient lis la transitique, aux utilits, ou aux procds, les process mettent en uvre une ou plusieurs machines standard ou spcifiques effectuant des oprations identifies et enchanes suivant un scnario prdfini. Le procd est constitu par la fonction de base, par exemple : le broyage, le mlange, le levage, le pompage ; dune manire gnrale, cest la mise en mouvement dune pice mcanique qui transforme lnergie quelle reoit en une action bien prcise sur le produit trait. Cette action est matrise en intensit et dans le temps par la conduite de process. Pour assurer des oprations plus complexes, des fonctions auxiliaires sont mises en uvre. Ces fonctions ont gnralement un rle doptimisation de la fonction de base et sont actives suivant les diffrents cycles dexploitation. Elles rendent ainsi le procd plus flexible et plus performant. Exemple : dans la production de granuls de polythylne, la fonction principale est constitue par le procd dextrusion. Les fonctions auxiliaires ncessaires sont le gavage (chargement du matriau) et la granulation (dcoupe du produit fini en sortie de filire). Lenchanement chargement extrusion granulation, reprsente le process de fabrication. La conduite du process est gre par un systme dautomatisme et de supervision. La disponibilit et la productivit du process, en particulier dans les process continus, sont indissociables de la qualit du rseau lectrique dalimentation : microcoupures, coupures brves, variation de tension, dsquilibre de phase Les entranements intgrs dans ces process devront supporter, dans des limites fixes, ces vnements transitoires. Dans certains cas de non-qualit du rseau, la conduite du process pourra opter pour des marches dgrades ou des arrts scuriss.
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Caractrisation du process
Caractriser le processSuivant leur complexit, les diffrents process font appel des modes de fonctionnement prcis. Quil sagisse de contrler des oprations en tout ou rien, en flux, en cadencement, en cycle, en positionnement, en indexage ou en synchronisation, il correspond chaque fois une solution dautomatisme de commande. Lentranement mis en uvre pour chaque opration doit rpondre aux critres de performance de cette opration.
Process
Tout ou rien Flux Cadencement Cycle Position Indexage Synchronisation
La variation lectronique de vitesse dans les processA lexception du contrle en tout ou rien, ds que lon aborde les process plus sophistiqus, la variation lectronique de vitesse devient incontournable. Elle apporte, par ses performances, la souplesse, la prcision, la flexibilit et la rptitivit ncessaire au process dans lequel elle est mise en uvre. Lutilisation de la variation de vitesse est dite structurelle lorsquelle est lie aux performances de la machine. Cest le cas dans les process de fabrication comme les chanes dembouteillage, dusinage, dassemblage et des lignes sectionnelles (ex. papier, carton, industrie mtallurgique). Dans les applications de transitique, outre pour ses performances, la variation de vitesse est utilise pour des fonctions de scurit. Lorsque les applications de pompage ou de ventilation deviennent des process part entire, la variation de vitesse se justifie pleinement.
Les avantages de la variation lectronique de vitesseCest la solution la plus sophistique et la plus performante pour les systmes de dmarrage et de contrle du moteur lectrique. Pour les moteurs asynchrones cage, le convertisseur de frquence sest impos comme la meilleure solution. Aujourdhui, grce aux technologies de llectronique de puissance et lvolution des techniques numriques, ces quipements rpondent aux contraintes des applications les plus pointues. La variation lectronique de vitesse est une solution technique mature, avec un retour dexprience sur un trs large domaine dapplications (rfrences), et qui permet : b une fiabilit et une disponibilit leves, b une souplesse dexploitation et une grande adaptabilit, b lintgration naturelle aux automatismes existants (interface numrique), b un dialogue homme-machine trs dvelopp : v outil de paramtrage et autorglages intgrs, v outil de diagnostic intgr, b une maintenance aise cot rduit.
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Les process
Process discontinus, continus
Solutions gnralement mises en uvreDmarrage moteur Direct (D.O.L) Etoile-triangle Autotransformateur Soft starter Variateur de vitesse Basse tension Moyenne tension
Solutions
Process discontinusComme leur nom lindique, ce sont des process constitus de plusieurs machines effectuant chacune une opration spcifique. Le passage dune tape lautre du produit en cours de fabrication se fait au travers dun tat de stockage ou daccumulation. La conduite de process peut tre simple puisque chaque tape est autonome par rapport celle qui la prcde et celle qui la suit. Etape 1Matriaux de base
Etape 2
Etape 3Matriaux finis
Stockage Accumulation
Stockage Accumulation
Process continusCe qui diffrencie un process continu dun process discontinu rside dans le fait que la phase entre les tapes est assure par un outil de transfert qui tient compte des conditions de ltape amont et des conditions de ltape aval. Alors que dans le cas du process discontinu on peut assimiler le fonctionnement une marche tout ou rien, du moins en ce qui concerne chaque tape, dans le cas du continu conduite de process doit grer la rgulation et la synchronisation entre les oprations ralises chaque tape et les phases de transfert. Une modulation des cadences de production est possible en agissant sur la vitesse dexcution de chaque opration. Etape 1Matriaux de baseOutil de transfert
Etape 2Outil de transfert
Etape 3Matriaux finis
Contrle du procd
Process continus Lignes sectionnellesCest le cas le plus complexe. On le trouve dans les applications de la fabrication du papier et du carton. Cest aussi la reprsentation des laminoirs en mtallurgie, des machines trfiler et de certaines machines textiles. Le produit trait dans une ligne sectionnelle, papier ou barre dacier, reprsente un lien mcanique entre les diffrentes tapes (sections). Pour simplifier lexplication dun tel systme, on peut dire que la section amont pousse le produit vers la section aval qui elle-mme le tire pour le traiter et le pousser nouveau vers la section suivante. Section 1Matriaux de base
Section 2
Section 3Matriaux finis
Contrle du procd
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Transitique
Solutions gnralement mises en uvreDmarrage moteur Direct (D.O.L) Etoile-triangle Autotransformateur Soft starter Variateur de vitesse Basse tension Moyenne tension
TransitiqueLa Transitique englobe tous les systmes permettant de dplacer des matriaux ou des personnes. On trouve entre autres : b les machines de manutention (bande transporteuse, convoyeur), b les quipements de dplacement de personnes (ascenseur, escalator, tapis roulant, tlphrique),
Solutions
Solutions
b les systmes de levage que lon peut classer en 4 catgories : v les machines simples comme les treuils ou les palans, v les grues utilises dans la construction des btiments, v les ponts roulants spcifiques exploits dans les domaines : manutention de charges dangereuses (nuclaire), manutention de mtaux en fusion (sidrurgie, aluminium), v les engins de manutention dans les infrastructures portuaires : portiques de parc, portiques de quai. La plupart de ces systmes font appel des performances qui ncessitent la mise en uvre de la variation lectronique de vitesse. Pour les entranements attachs au mouvement de levage, la fonction de rcupration dnergie sur le rseau est requise (4 quadrants) . Les fonctions dautomatisme et de rgulation sont indissociables de ces entranements. b synchronisation pour les mouvements de translation, b positionnement pour les mouvements de levage. Des fonctions de contrle, encore plus sophistiques, peuvent tre utilises : b antiballant par exemple. Dans les applications de levage, le variateur de vitesse assure des fonctions de scurit (freinage, maintien des charges, etc.). Afin dtre complet dans cette prsentation de la force motrice de puissance, on ne peut omettre les applications lies aux transports. Ainsi, on retrouve des entranements lectriques dans : La propulsion de navires b propulsion principale plusieurs milliers de kW et propulsion dtrave plusieurs centaines de kW : v en marine militaire, v de sous-marins, v en marine marchande, v paquebots de croisire, car-ferries. La traction ferroviaire b traction lourde : v motrice lectrique, v TGV (plus de 8 x 1100 kW par rame), v mtro/RER (1500 kW par rame), b traction lgre : v tramway, v trolleybus
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Les process
Utilits
Solutions gnralement mises en uvreDmarrage moteur Direct (D.O.L) Etoile-triangle Autotransformateur Soft starter Variateur de vitesse Basse tension Moyenne tension
Solutions
La force motrice lectrique dans les Utilits reprsente prs de 70 % du parc moteur install. On entend par utilits toutes les fonctions utilises dans la priphrie des procds industriels et dinfrastructures. Dans certains cas, la fonction pompage, ventilation, ou compression peut tre considre comme un procd part entire. Les puissances mises en jeu peuvent tre trs leves. Les Utilits reprsentent le plus gros poste de consommation dlectricit dans lindustrie.
La ventilationLa ventilation trouve ses applications dans de nombreuses fonctions sous la forme dinjection, dextraction et de circulation (dair ou de gaz) : b ventilation despaces clos : gares souterraines, parkings, mtros, tunnels routiers et ferroviaires b changeur et climatisation : salles blanches b combustion : fours, incinrateurs b bancs dessais : soufflerie, wind tunnel
Le pompageLe pompage trouve ses applications pour assurer les rgulations de dbit et de pression du liquide trait dans les fonctions telles que : b ladduction, b la distribution, b laspersion, b lirrigation, b la surpression, b la circulation : piscine, changeur b le pompage immerg : eau, ptrole
La compressionIl existe de nombreux types de compresseurs : b les compresseurs centrifuges : ils prsentent des caractristiques de couple en kN2, b les compresseurs volumtriques : ils prsentent des caractristiques de couple constant : v compresseur vis ou pistons, v compresseur lobes, v compresseur dit queue de cochon. Les compresseurs servent compresser de lair ou dautres gaz. On les trouve : b en production de froid, b en chimie, ptrochimie b pour certaines applications manufacturires et mtallurgiques.
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Solutions gnralement mises en uvreDmarrage moteur Direct (D.O.L) Etoile-triangle Autotransformateur Soft starter Variateur de vitesse Basse tension Moyenne tension
Solutions
Lutilisation de la variation de vitesse est conjoncturelle lorsquelle concerne les machines qui ne ncessitent pas, a priori, la mise en uvre dune telle solution. Cest le cas dans les Utilits. Elle se justifie sur des points tels que : b le dmarrage dune machine sur un rseau faible puissance de court-circuit, b le dmarrage dune machine prsentant une forte inertie. Dans ces deux cas, la variation de vitesse vite les pointes de courant dues aux dmarrages en direct sur le rseau des moteurs asynchrones. Par ailleurs, lutilisation de la variation de vitesse se justifie par la substitution des systmes pertes de charge dans les applications utilisant des pompes, des ventilateurs centrifuges et des compresseurs. Elle contribue matriser la consommation dlectricit en fonction des rgimes de fonctionnement.
VentilateursPuissance 100 %
La variation lectronique de vitesse applique la ventilationDans les systmes de ventilation classique et fonctionnant avec des moteurs lectriques vitesse fixe, le contrle du dbit dair seffectue avec des moyens mcaniques dits pertes de charge tels que les registres ou les inclineurs. La figure ci-contre montre quavec des ventelles places laspiration du ventilateur et lorsque langle douverture correspond un dbit de 50 %, la consommation en nergie lectrique reste 60 % (courbe bleue). Pour obtenir ce mme dbit en faisant varier la vitesse de rotation du ventilateur, on constate une consommation dlectricit rduite 30 % (courbe orange). Avec la deuxime courbe ci-contre, on constate un cart encore plus significatif entre une rgulation faite avec des registres au refoulement et lutilisation de la variation de vitesse. Il est noter que pour des raisons de cot, les registres au refoulement sont le plus souvent utiliss. En dehors des aspects nergtiques, la variation de vitesse permet de rguler parfaitement le dbit de lair en fonction de paramtres extrieurs, par exemple : b en salle blanche, pour : v maintenir une qualit dair parfaite en fonction du taux dutilisation, b en espace clos, tels que parking ou tunnel pour : v maintenir une qualit dair en fonction dun niveau de pollution, v assurer un balayage hyginique en priode de faible exploitation, v assurer les fonctions de dsenfumage.
Ventelles laspiration
Variateur lectronique de vitesse0 50 % Puissance 100 %
Dbit
100 %
Registre au refoulement
Variateur lectronique de vitesse0 50 %
Dbit
100 %
PompesPuissance 100 %
La variation lectronique de vitesse applique au pompageTout comme avec les ventilateurs, la rgulation de dbit ou de pression seffectue classiquement avec des dispositifs pertes de charge comme le by-pass ou la vanne au refoulement. La figure ci-contre montre un cart important, pour un point de fonctionnement 50 % du dbit nominal, de plus de 40 % en consommation dnergie lectrique.
Vanne au refoulement
Variateur lectronique de vitesse0 50 %
Mise en uvre de la vitesse lectronique variable dans les UtilitsDbit
100 %
Il est vident que ltendue du parc des moteurs installs dans les Utilits prsente un champ dapplication important pour la variation de vitesse. Cependant, il ne faut jamais oublier que chaque application doit faire lobjet dune tude particulire en prenant en compte tous les paramtres mcaniques de la pompe ou du ventilateur, mais aussi les caractristiques des rseaux dair ou deau, ainsi que les contraintes dexploitation. Cest dans ce contexte que lentranement sera correctement dimensionn.
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Communication et dialogue homme-machine
Ethernet TCP/IP et le Web
Lutilisation des architectures et des produits communicants Schneider Electric permet : b une mise en service plus rapide du process, b une plus grande facilit dexploitation, b la rduction des arrts intempestifs, b la rduction des cots et temps de maintenance.
Afin damliorer les performances de loutil de production, Schneider Electric propose de nombreux produits ouverts aux NTIC. Intgrant les technologies dEthernet TCP/IP et du Web, ils permettent de raliser des architectures performantes : b solutions dautomatismes homognes, intgrables directement la gestion de production, b fonctions daide la mise en route et de diagnostic avec visualisation sur afficheurs, crans, terminaux graphiques (intgrs dans les produits ou dports), b accs aux informations en temps rel sur les moteurs, les fonctions dautomatismes et lalimentation en nergie lectrique, de nimporte quel point de linstallation. Les solutions Transparent Ready utilisent des standards : Ethernet TCP/IP, PC, navigateur Web. Transparent Ready permet ainsi de raliser dimportantes conomies de cblage, maintenance et formation.
Supervision PC avec navigateur Web
Automate Premium
Ethernet TCP/IP
Serveur Web EGX Passerelle
Contrleur Tesys U Terminal graphique Magelis Variateur de vitesse ATV 68 Variateur de vitesse ATV 38 Relais numrique Sepam Disjoncteur Compact
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Les solutions Schneider Electric pour le Power & ControlLes solutions Transparent Ready de Schneider Electric consistent intgrer les technologies Ethernet et Web aux produits afin de les rendre transparents. Transparent Ready permet aux utilisateurs habilits un accs simple, rapide et scuris linformation, et ce, en tout lieu et tout moment. Un rseau universel Le rseau Ethernet TCP/IP dispose de services de messagerie adapts aux automatismes industriels. Ethernet TCP/IP peut tre utilis en tout point de linstallation. Un accs aux informations localement ou distance Les technologies de lInternet rduisent les difficults et les surcots daccs aux informations distance. Les personnes autorises, en ligne avec linstallation, peuvent ragir en toutes circonstances. Un simple navigateur Web Laccs aux informations se fait depuis un simple navigateur Internet sur PC, au travers des serveurs Web intgrs dans les produits. Plus besoin de licences logiciels pour les utilisateurs et les quipes de maintenance.
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Dimensionnement et mise en uvre
La mise en uvre dune solution dentranement est laboutissement des diffrentes tapes prsentes dans les chapitres prcdents. Les pages suivantes fournissent des prconisations sur le dimensionnement dans 3 exemples : dmarrage direct, par soft starter, utilisation dun variateur de vitesse lectronique.
Exploitation/ maintenance
Mise en uvre
De la qualit de la mise en uvre, dpendront, en partie : b les performances et la prennit des matriels, b latteinte des objectifs fixs par lexploitant. Les conditions de maintenance y sont intimement lies. Elles concernent : b limplantation des quipements, b linstallation sur le site, b les raccordements de puissance et de commande, b la mise en service, b les essais.
Implantation des quipementsde l nementLimplantation des quipements doit prendre en compte : b les distances entre les appareils (calibrage des cbles), b l installation indoor ou outdoor (choix du degr de protection IP), b la nature des locaux (air ambiant qualifi en temprature, poussire, salin, prsence de gaz corrosifs ou dflagrants), b les normes applicables sur le site.
Choix du type dentranement
Installation sur le siteIdentification des contraintes denvironnementLinstallation des quipements doit prendre en compte : b lencombrement et le poids des matriels : v accessibilit des locaux, v moyens de manutention et de levage, b les contraintes denvironnement : v niveau de bruit mis (moteur, ventilation variateur), v transmission des vibrations (nature du socle moteur), v vacuation de pertes calorifiques, v scurit du personnel exploitant, b laccs aux quipements pour lexploitation, la scurit et la maintenance.
Identification et des performances attendues du procd
Raccordements de puissance et de commandeIdentification de la charge mcaniqueb Position de la bote bornes moteur, b Accessibilit des borniers de raccordement, b Cheminement des cbles : la cohabitation des cbles de puissance et de commande dans le mme chemin de cble est proscrire pour des problmes de rayonnement lectromagntique (CEM), b Ncessit dutiliser ou non du cble blind pour la puissance et/ou pour la commande, b Mise la terre des masses.
Mise en serviceLa mise en service est une tape importante de la mise en uvre : elle conduit personnaliser les rglages des diffrents matriels entrant dans la composition de lentranement : b rglages des paramtres pour sadapter la charge mcanique entraner (couple, vitesse, inertie), b rglages des paramtres lis aux performances du procd, b rglages de paramtres lis aux protections et la scurit de lentranement, (limite de surcharge, surintensit, surtension), b configuration des informations de commandes et de dialogue.
EssaisLa mise en service se termine par une srie dessais qui permet de qualifier linstallation par rapport au Cahier des Charges fix lorigine. Les essais fonctionnels, les essais vide et en charge conduisent lessai de rception en production. Le succs de cette srie dessais dpend de la qualit et du travail mthodique effectu en amont. Loptimisation de leur dure est un gage de confiance entre le fournisseur de lentranement et lexploitant. 28 Schneider Electric - Guide de solutions Force Motrice lectrique
Exemple : dmarrage direct
Impact sur le rseau lectriqueLimpact le plus important se place dans la phase de dmarrage. Il dpend du paramtre Id/In du moteur. Le courant de dmarrage peut atteindre jusqu 10 fois le courant nominal. En fonction de la puissance de court-circuit du rseau dalimentation, le dmarrage provoque des chutes de tension plus ou moins importantes. Le rseau lectrique doit pouvoir supporter cette contrainte, avec une chute de tension acceptable. La consommation dnergie ractive est directement lie au facteur de puissance du moteur et la charge. Exemple pour un moteur de 300 kW : b 100 % de la charge, le facteur de puissance est gal 0,95, b 50 % de la charge, le facteur de puissance est gal 0,93.
Impact sur le fonctionnement du moteur M MDiffrents paramtres rseau sont considrer : b le niveau de perturbation harmonique prexistant Toute perturbation harmonique de rang impair (5, 7, 11, 13) se traduit par un surchauffement du moteur qui doit tre dclass pour fournir son couple nominal. b le niveau de dsquilibre des tensions dalimentation Les caractristiques du moteur sont donnes par le constructeur pour une tension dalimentation quilibre. Tout dsquilibre entrane une augmentation des courants de phase et par consquent un surchauffement du moteur, une diminution du couple utile et gnre lapparition de couple pulsatoire.
Dimensionnement du transformateurDans ce type de dmarrage, le transformateur nest pas un composant critique de la chane. Il peut tre standard mais doit supporter les contraintes numres ci-dessus. De plus, son dimensionnement thermique doit tre adapt au nombre de dmarrages par heure, au temps de dmarrage du ou des moteurs quil alimente.
ProtectionsLes protections mises en uvre sont lies aux contraintes subies par le moteur : contraintes thermiques, lectriques et mcaniques. Contraintes thermiques Elles peuvent tre dues des variations de tension dalimentation, des dsquilibres de tension, la rptitivit des dmarrages, la dfaillance du systme de ventilation, une temprature ambiante trop leve, une surcharge Pour mesurer limpact de ces contraintes, le moteur peut tre quip de sondes de temprature places au stator. Dfauts lectriques Ce sont principalement des dfauts disolation dus aux contraintes dilectriques trop importantes. Ils se traduisent par des amorages entre spires des bobinages, des courts-circuits entre phases, des mises la terre dun bobinage Les protections qui agissent sur le disjoncteur ou le contacteur placs en amont du moteur devront dtecter ces diffrents dfauts. Contraintes mcaniques Elles sexercent plus particulirement au niveau des paliers du moteur. Ce sont les charges radiales et axiales supportes et causes par les organes daccouplement mcaniques et la charge. Elles sont directement lies la mcanique entrane qui peut gnrer des surcouples transitoires de forte amplitude et/ou des couples pulsatoires (vitesses critiques). Ces contraintes se traduisent par des vibrations que lon peut mesurer par des sondes.
Dimensionnement du moteurLe moteur est dimensionn thermiquement et lectriquement en fonction : b du rseau lectrique dalimentation : tension, frquence, b de la charge mcanique entraner ; couple, vitesse, inertie, b du cycle dutilisation (service) : continu, discontinu, rptitivit des dmarrages. Le choix de sa technologie est dfini par les contraintes environnementales : temprature ambiante, altitude, degr dhygromtrie et nature de latmosphre (poussire, acide, explosive, marine).
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Dimensionnement et mise en uvre
Exemple : dmarrage par soft starter
Impacts sur le rseau lectriqueLe fonctionnement du soft starter, bas sur le rglage de langle de retard lamorage des thyristors qui composent le pont de puissance, est intrinsquement un systme perturbateur. Limpact sur le rseau se traduit par : b un fort taux de rjection harmonique* pendant la phase de dmarrage, b une dgradation du facteur de puissance pendant cette mme phase.
Contraintes lies au soft starterEn fin de dmarrage, le soft starter fournit la pleine tension au moteur. Cependant, les thyristors qui constituent le pont de puissance, prsentent une chute de tension relativement faible mais suffisante pour gnrer des chauffements qui peuvent prsenter un inconvnient dans certaines applications, notamment lors de lintgration dans des coffrets ou des armoires. La solution consiste utiliser un contacteur de by-pass en fin de dmarrage, ce qui permet de concilier les avantages du dmarreur lectronique durant les phases de dmarrage et labsence dchauffement en rgime tabli. Dans ce cas, le by-pass est un simple passeur de courant et la protection thermique du moteur est assure par le soft starter.
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Soft starter Nous considrerons le soft starter dans sa configuration classique, compos de trois interrupteurs thyristors bidirectionnels ouverture et fermeture commande.
Dimensionnement du transformateurDans ce type de dmarrage, le transformateur nest pas un composant critique de la chane. Il peut tre standard mais doit supporter les contraintes numres ci-dessus. De plus, son dimensionnement thermique doit tre adapt au nombre de dmarrages par heure et au temps de dmarrage du moteur quil alimente. Gnrateur de secours : Dans le cas o le rseau peut tre secouru par un groupe lectrogne, il convient de vrifier que ce groupe est capable de supporter le taux dharmonique gnr durant la phase de dmarrage.
ProtectionsDes protections moteur compltes sont intgres dans le module de protection et contrle du soft starter : b surcharge thermique, b dsquilibre de phases, b sous-charge, b dmarrage trop long, b rotor bloqu, b By-pass utilis en secours La mise en uvre dun by-pass de secours doit prendre en compte : b Lautomatisation de la commande par le soft starter lui-mme, b Le calibrage des protections lies la branche by-pass. Ce calibrage se fera sur les mme bases que celles appliques au dmarrage direct du moteur aliment. Utilisation particulires du soft starter Il est possible de connecter le dmarreur dans le triangle du moteur. Ce type de raccordement permet de gagner un facteur racine de 3 sur le dimensionnement en courant du dmarreur.
Dimensionnement du moteurA dimensionnement gal, le moteur est capable de supporter 2 3 fois plus de dmarrages par heure par rapport au dmarrage direct.
(*) En fonction de la puissance de court-circuit du rseau (impdance du rseau), les courants harmoniques se transforment en tensions harmoniques. Ce sont ces tensions harmoniques qui peuvent avoir un impact sur le rseau et sur les autres appareils lectriques raccords sur le mme rseau (pertes supplmentaires, surchauffement).
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Exemple : dmarrage par variateur de vitesse
Variateur de vitesse Nous considrerons ici le convertisseur de frquence de type source de tension compos dun pont rseau de type redresseur diode (6 pulses hexaphas ou 12 pulses dodcaphas ) et dun pont moteur type onduleur de tension IGBT command en Modulation de Largeur dImpulsion (MLI). Ces caractristiques reprsentent la grande majorit des matriels utiliss actuellement. Pour les autres types de variateurs, les prconisations ci-dessous ne sont pas applicables en ltat.
Impacts sur le rseaub Faible consommation dnergie ractive quelles que soient la vitesse de fonctionnement et la charge du moteur (facteur de puissance > 0,95). b Rjection de courants harmoniques plus ou moins forte en fonction de la configuration du redresseur (6 pulses ou 12 pulses).
Dimensionnement du transformateurLe convertisseur de frquence est une charge non linaire cest--dire, qu la diffrence dune charge rsistive dite linaire, il consomme un courant qui nest pas sinusodal. Le redresseur ct rseau est gnralement de type hexaphas (6 pulses), le courant absorb est entach dharmoniques, en particulier celles de rang 5 et de rang 7. Ces harmoniques provoquent des pertes supplmentaires au niveau du transformateur et donc un surchauffement. Le calcul du transformateur doit en tenir compte.
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Filtrage des harmoniquesLe filtrage des harmoniques peut tre trait par : b la configuration du redresseur, 6 pulses ou 12 pulses, associ un transformateur adapt. (secondaire simple enroulement ou double enroulement toile-triangle). La solution 12 pulses supprime les harmoniques 5 et 7. b la mise en place de ractances correctement dimensionnes en amont du convertisseur. b lutilisation de filtres actifs mais le cot en reste lev. b la mise en uvre dun redresseur pilot prlvement sinusodal. Solution idale qui prsente galement lavantage de rendre lquipement rversible (4 quadrants) cest--dire capable de grer un freinage dynamique par rejet de lnergie de freinage sur le rseau dalimentation.
Redresseur hexaphas galement appel 6 pulses. Il est aliment par un transformateur triphas. Il gnre des harmoniques de rang 5 et rang 7.
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Compatibilit lectromagntique (CEM)La mise en uvre doit tre faite dans les rgles de lart et suivant les normes lies la CEM (phnomnes perturbants conduits ou rayonns). b qualit du cblage et des raccordements, blindage, filtres radiofrquence, stratgie de mise la terre des masses (rgime neutre isol)
Redresseur dodcaphas galement appel 12 pulses. Il est aliment par un transformateur avec deux enroulements secondaires toile-triangle. Ce montage limine les harmoniques de rangs 5 et 7.
Liaison variateur-moteurLe convertisseur de frquence gnre un courant moteur presque sinusodal. En revanche, la tension produite prsente de trs forts dV/dt (fronts de tension damplitude importante et de trs faible dure). Le cble utilis entre le variateur et le moteur se caractrise par sa nature et sa longueur : b plus le cble est long, plus les pertes lies sa rsistance sont importantes et plus sa capacit parasite est importante, b en rgle gnrale, au-del de 50 100 m on doit faire lanalyse de limpact du cble sur le bon fonctionnement de lentranement. La mise en place de ractances en sortie du variateur limite les effets de la capacit parasite. Un mode de rgulation adapt permet de compenser les pertes en ligne. Pour certaines applications, la mise en place dun filtre sinus peut savrer ncessaire : b limitation des couples pulsatoires, b suppression des effets des fronts de tension (dV/dt).
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Redresseur pilot type hexaphas appel aussi redresseur prlvement sinusodal. Il est aliment par un transformateur triphas. Il se comporte comme un filtre actif et ne gnre pas dharmoniques sur le rseau. De plus, il est capable de grer un freinage dynamique par rejet de lnergie sur le rseau.
Dimensionnement du moteurLe moteur est dimensionn en fonction de la charge mcanique entrane. Le fait dtre aliment par un convertisseur de frquence doit tre prcis au constructeur (impact de la forme de tension et des dV/dt sur le bobinage statorique du moteur). Dans certains cas, un dclassement en puissance peut tre ncessaire (5 10 %). Dans les applications imposant des temps longs de fonctionnement basse vitesse (< 50 % de la vitesse nominale), une motoventilation du moteur doit tre envisage. Lutilisation de la variation de vitesse sur des moteurs qualifis (en temprature, antidflagrant) conduit la dqualification de ces moteurs. Une qualification globale peut tre entreprise.
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Annexes
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Caractristiques du moteur asynchrone
Caractristiques mcaniquesb Type de carcasse (fonte, alu, mcanosoude), b Hauteur daxe, b Nombre de paires de ples, b Vitesse de rotation, b Forme de montage IM.. b Degr de protection IP.. b Antidflagrant (ADF) EExd, EExde b Types de paliers, b Types de roulements, b Equilibrage - Classe N, R, S, b Mode de refroidissement : v motoventil, v sur changeur b Type daccouplement : v charges radiales admissibles, v charges axiales admissibles, b Classe disolation, b Classe dchauffement, b Couple disponible larbre, b Moment dinertie du rotor, b Niveau de bruit, b Poids.
Caractristiques lectriquesb Tension, b Frquence, b Courant nominal, b Puissance disponible, b Facteur de puissance, b Rendement, b Courant de dmarrage (Id/In), b Couple de dmarrage (Cd/Cn), b Couple max (Cm).
Accessoires monts sur le moteurb Sondes de temprature bobinage, b Sondes de temprature paliers, b Sondes de vibrations paliers, b Capteur de rotation, b Capteur de vitesse, b Type de peinture, b Nature de la plaque bornes, b Rsistance de rchauffage.
Limites dutilisation - Dclassement suivant :b Conditions de service (S..), b Temprature ambiante, b Altitude.
Chaque constructeur de moteurs propose des gammes de machines rpondant chaque type dexploitation. Les catalogues constituent des guides de choix permettant lutilisateur de slectionner le moteur le plus appropri son application. La finesse du renseignement de chaque paramtre conduira la meilleure solution.
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Bibliographie
Avertissement Ltendue du sujet trait fait appel des connaissances sur : b la technologie des machines courant alternatif, b la modlisation de ces machines en vue de leur commande, b la technologie des appareils lectromcaniques de coupure, b les semi-conducteurs de puissance, b la technologie des convertisseurs statiques et leur commande, b les variateurs lectroniques de vitesse. La bibliographie sur ces sujets est vaste et souvent cantonne au domaine universitaire. Cependant certains ouvrages sont disponibles, vous en trouverez une liste trs limite ci-dessous
Ouvrages Schneider ElectricCahiers techniques : b CT 152 - 183 - 202 sur les harmoniques b CT 204 - Protection BT et variateurs de vitesse (convertisseurs de frquence) b CT 206 - Les conomies dnergie dans le btiment b CT 207 - Les moteurs lectriques pour mieux les piloter et les protger b CT 208 - Dmarreurs et variateurs de vitesse lectroniques Nous renvoyons galement aux nombreux catalogues Telemecanique ou Merlin Gerin de produits de commande, contrle et protection moteur, et aux catalogues des variateurs de vitesse Telemecanique.
Autres ouvragesb EDF et GIMEC - La Vitesse Variable : Llectronique matrise le mouvement TECHNO-NATHAN Paris 1992 b Jean BONAL et Guy SEGUIER - Entranements lectriques vitesse variable Volume 1 b Jean BONAL et Guy SEGUIER - Entranements lectriques vitesse variable Volume 2 b Jean BONAL et Guy SEGUIER - Entranements lectriques vitesse variable Volume 3 b Jean BONAL - Lutilisation industrielle des moteurs courant alternatif Technique et Documentation Lavoisier Paris 2001 b R. CHAUPRADE - F. MILSANT - Commande lectronique des moteurs courant alternatif b Dossier thmatique du CFE La variation lectronique de vitesse Guide dutilisation
PhotographiesNos remerciements la Socit Weg, constructeur de moteurs, pour les photographies dapplications.
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Notes
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Schneider Electric Industries SASAdresse postale Centre PLM F-38050 Grenoble Cedex 9 France Tl. : 33 (0)4 76 57 60 60 http://www.schneider-electric.com En raison de lvolution des normes et du matriel, les caractristiques indiques par les textes et les images de ce document ne nous engagent quaprs confirmation par nos services. .Ce document a t imprim sur du papier cologique
Conception : Schneider Electric Ralisation : Graphme Impression : Imprimerie du Pont de Claix /JPF
ART.806102
* Construire le nouveau monde de llectricit
01/2005
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