Capteurs

1. VARIATEURS DE VITESSE DES
MACHINES ÉLECTRIQUES
CHAPITRE 1 : GÉNÉRALITÉS
GROUPE OACA
ELECTRICITÉ INDUSTRIELLE
ISET de Radès
Département de Génie électrique
Formation continue

2. OBJECTIFS DU COURS
• Acquérir les notions de base sur la variation de vitesse.
• Analyser les principaux convertisseurs statiques :
Redresseurs, Hacheurs, Onduleurs, Gradateurs.
• Étudier les procédés de variation de vitesse des moteurs
électriques.
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3. RAPPEL
LES MOTEURS ÉLECTRIQUES
• Les moteurs électriques doivent être alimentés en énergie
électrique qu’ils consomment
• Cette énergie est fournie par le réseau électrique ou
localement par un groupe électrogène
• On distingue trois formes d’énergie consommée
(alternative, continue, impulsionnelle) qui déterminent
trois technologies de moteurs électriques:
• Moteur à courant continu
• Moteurs alternatifs (synchrone et asynchrone)
• Moteur pas à pas 3

4. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
• Augmentation du coût de l'énergie  recherche en vue d'améliorer les
rendements énergétiques des différents procédés industriels. Les
entraînements de puissance peuvent être améliorés par l'utilisation
d'entraînements électriques à vitesse variable.
• De nombreux systèmes industriels entraînés par des moteurs électriques
utilisent la variation de vitesse pour optimiser leur fonctionnement.
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5. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
• Augmentation du coût de l'énergie  recherche en vue d'améliorer les
rendements énergétiques des différents procédés industriels. Les
entraînements de puissance peuvent être améliorés par l'utilisation
d'entraînements électriques à vitesse variable.
• De nombreux systèmes industriels entraînés par des moteurs électriques
utilisent la variation de vitesse pour optimiser leur fonctionnement.
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6. 6
INTÉRÊT ÉCONOMIQUE DES ENTRAÎNEMENTS À VITESSE
VARIABLE
• Gain en énergie (on agit sur l’alimentation et non sur les
pertes)
• Dans les installations de pompage et ventilation délivrant
des débits variables, le couplage du moteur à un variateur
électronique de vitesse permet de dégager en moyenne
25% d'économie de consommation électrique.
• La rentabilité peut être excellente, avec des temps de
retour sur investissement inférieurs à deux ans.

7. 7
INTÉRÊT ÉCONOMIQUE DES ENTRAÎNEMENTS À
VITESSE VARIABLE
• 63% de la consommation électrique(soit 60 TWh) des motorisations sont
imputables aux pompes, ventilateurs et compresseurs.
• Cette part se répartit elle-même de la façon suivante :
• 15 TWh pour la ventilation, dont 62% à débit variable et seulement 4% avec
Variation Electronique de Vitesse;
• 20 TWh pour le pompage, dont 57% à débit variable et seulement 4% avec
Variation Electronique de Vitesse ;
• 25 TWh pour la compression, dont 75% à débit variable et seulement 0,02%
avec Variation Electronique de Vitesse.
• 40 TWh consommés par des installations fonctionnant à débit variable mais non
équipées de Variation Electronique de Vitesse. Avec un gain moyen de 25%
évoqué plus haut, le gisement d'économie d'électricité s'élèverait à 10 TWh/an.
Ce sont donc environ 10% de la consommation industrielle d'électricité qui sont
en jeu.

8. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
On distingue :
• Activités où la vitesse variable est indispensable pour régler le système ou le
processus (entraînements de laminoirs et leurs auxiliaires, d'extrudeuses, de
mélangeurs, de centrifugeuses, de fours rotatifs, de machines-outils, traction
et de propulsion électrique). la vitesse variable ne constitue pas une
nouveauté et les solutions utilisées ont évolué avec le développement de la
technologie.
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9. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
On distingue ( suite) :
• Entraînements de turbomachines réceptrices (pompes, ventilateurs,
soufflantes, compresseurs) qui requièrent un réglage du point de
fonctionnement, afin d’adapter la machine aux paramètres d'exploitation du
processus.
• Réglage traditionnel : vannage, persiennes, aubes directrices ajustables, pales
d’incidence variable à pertes de charge supplémentaires à augmentation de la puissance
consommée.
• Vitesse variable : déplacement de la caractéristique de la turbomachine à point de
fonctionnement souhaité ( puissance consommée = puissance utile nécessaire).
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10. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
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Optimisation de l’énergie

11. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
11
Optimisation de l’énergie

12. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
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Optimisation des protocoles

13. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
Exemples d'utilisation :
• Réglage du débit d'une pompe ou d'un ventilateur,
• Réglage de la vitesse de défilement d'une chaîne de fabrication,
• Réglage de la vitesse de défilement d'un train de papeterie ou
d'aciérie,
• Réglage de la vitesse de coupe ou d'avance des machines outils,
• Réglage de la vitesse des systèmes de transport des personnes
(train, téléphérique, ...). 13

14. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
Deux technologies permettent d'obtenir cette
variation de vitesse :
• la technologie mécanique (boîte de vitesse, système
poulies-courroie, système pignon-chaine, ...)
• la technologie électronique (convertisseur
d'énergie).
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15. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
Deux technologies permettent d'obtenir cette variation de vitesse
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16. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
16
Pompe entraînée à vitesse constante
+ vanne de réglage
Pompe entraînée à vitesse variable

17. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
• Techniques de variation de vitesse
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18. INTÉRÊT DE LA VARIATION DE VITESSE
Avantages des convertisseurs électroniques :
• diminution des pertes mécaniques présentes dans les variateurs mécaniques
(poulies et courroies, engrenages),
• limitation voire suppression des surintensités lors du démarrage, adaptation
précise de la vitesse et modification facile,
• allongement de la durée de vie des constituants mécaniques des systèmes
(moins d'à-coups),
• limitation du bruit,
• économies d'énergie.
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19. ELÉMENTS D’UN ENTRAINEMENT
Schéma synoptique d’un système d’entraînement électromécanique
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20. RAPPEL MÉCANIQUE
CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DES CHARGES ENTRAÎNÉES

21. COUPLES RÉSISTANTS
• Le couple résistant, noté Cr, est le couple s’opposant au
mouvement d’entraînement de la machine.
• La caractéristique mécanique Cr = f(Ω), où Ω est la vitesse
angulaire du moteur en rad/s, définit les besoins de la charge
entraînée.
• On distingue 4 famille de caractéristiques
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22. COUPLES RÉSISTANTS
1- Couple constant : Ex application de levage
Ici le couple est constant comme dans tout procédé de levage, convoyage,
broyage... Avec une légère pointe au démarrage pour 'arracher' la charge.
C = couple résistant. La puissance P est donc ici proportionnelle à la vitesse :
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C = k
P = C × Ω = k × Ω

23. COUPLES RÉSISTANTS
2- Couple résistif proportionnel à la vitesse
Roue à aubes ou vis sans fin (doseur ou compresseur), avance d'une machine
outil... Les mélangeurs, les pompes volumétriques... Offrent un couple C qui
évolue proportionnellement à la vitesse Ω (avec un léger surcoupe de
'décollage' là aussi pour 'arracher'...).
C = couple résistant. La puissance P évolue, quant à elle, au carré de la vitesse.
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C = k × Ω
P = k x Ω x Ω= k × Ω²

24. COUPLES RÉSISTANTS
3- Couple résistif centrifuge proportionnel au carré de la vitesse
Les ventilateurs, pompes centrifuges, turbines, centrifugeuses...
Ne requièrent quasiment aucun couple au démarrage, par contre celui-ci
évoluera au carré de la vitesse.
C est le couple résistant proportionnel au carré de la vitesse.
La puissance P évolue quant à elle au cube de la vitesse !
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C = k × Ω2
P = k x Ω2 x Ω= k × Ω3

25. COUPLES RÉSISTANTS
4- Couple résistif Couple dérouleur inversement proportionnelle de
la vitesse
Dans cette application, le couple est élevé et maximal au démarrage puis
diminue car la bobine, en se déroulant, réduit son diamètre.
Le couple appelé diminue donc à son tour car il est proportionnel au diamètre
entraîné par le moteur...
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C = k / Ω
P = k / Ω x Ω = k
La puissance P est constante
C est le couple résistant en
décroissance exponentielle avec la
vitesse.

26. COUPLES RÉSISTANTS ENTRAINANT
Arrêt d'un process
Pourquoi ralentir ?
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Certains process, comme la ventilation, de
par leur inertie peuvent requérir plusieurs
minutes avant l’arrêt complet.
Dans certains cas ; ce délai peut s'avérer
gênant voire dangereux.
le ralentissement
forcé, Fr en bleu,
limite le temps
d'arrêt.

27. COUPLE À FOURNIR PAR LE MOTEUR
• Ce qui conditionne le bon fonctionnement d’une chaîne d'énergie,
c’est la capacité du moteur à fournir à tout instant l’effort
nécessaire, pour permettre le mouvement désiré.
• Cet effort, imposé au niveau de l’arbre d’entraînement, est le
couple moteur, noté Cm.
Equation générale de la dynamique (PFD)
• L’équation générale de la dynamique s’écrit : Cm−Cr = J . dΩ / dt
Rq importante : Cr intègre le couple résistant opposé par la charge entraînée ainsi que les couples de
frottement divers.
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28. COUPLE À FOURNIR PAR LE MOTEUR
L’équation fondamentale de la dynamique (du mouvement) s’écrit :
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Cm Cc
𝐶𝑚 − 𝐶𝑟 = 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
Rq importante : Cr intègre le couple résistant opposé par la
charge entraînée ainsi que les couples de frottement divers.
Moteur
d’entrainement Charge mécanique

29. COUPLE À FOURNIR PAR LE MOTEUR
Cycle de vitesse : profil
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Évolution de la vitesse en fonction du temps
Régime établi
Régime
transitoire :
Décélération
Régime
transitoire :
Accélération

30. COUPLE À FOURNIR PAR LE MOTEUR
• Phase : Accélération
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Le couple accélérateur Ca et le couple résistant Cr déterminent
le couple moteur nécessaire au démarrage
Régime
transitoire :
Accélération
𝐶𝑚 − 𝐶𝑟 = 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
Au démarrage : Cm = Cd ; couple de démarrage
𝐶𝑑 − 𝐶𝑟 = 𝐶𝑎 = 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
𝐶𝑑 = 𝐶𝑟 + 𝐶𝑎 ; 𝐶𝑎 = 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡

31. COUPLE À FOURNIR PAR LE MOTEUR
• Phase : Accélération
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Le couple moteur Cm est égale au couple résistant Cr
Régime établi
𝐶𝑚 − 𝐶𝑟 = 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
Vitesse constante
𝐶𝑚 = 𝐶𝑟 ;
𝑑Ω
𝑑𝑡
= 0

32. COUPLE À FOURNIR PAR LE MOTEUR
• Phase : Décélération
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Régime
transitoire :
Décélération
Lors de la phase de ralentissement trois cas
peuvent se présenter:
1. la décélération est naturelle,
2. la décélération est très lente.
ralentissement,
3. la décélération est très rapide. freinage

33. COUPLE À FOURNIR PAR LE MOTEUR
• Phase : Décélération
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Seul intervient le couple résistant Cr pour la décélération.
Régime
transitoire :
Décélération
𝐶𝑚 − 𝐶𝑟 = 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
𝐶𝑚 = 0 et
𝑑Ω
𝑑𝑡
< 0
𝐶𝑟 = − 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
= 𝐶𝑑é𝑐
1 - la décélération est naturelle, arrêt en roue libre

34. COUPLE À FOURNIR PAR LE MOTEUR
• Phase : Décélération
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Le couple de décélération Cdécé est plus faible que celui du
premier cas, l’arrêt en roue libre.
Régime
transitoire :
Décélération
𝐶𝑚 − 𝐶𝑟 = 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
𝐶𝑚 > 0 et Cm < Cr ;
𝑑Ω
𝑑𝑡
< 0
𝐶𝑑é𝑐é = − 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
= 𝐶𝑟 − 𝐶𝑚
2 - la décélération est très lente. ralentissement,

35. COUPLE À FOURNIR PAR LE MOTEUR
• Phase : Décélération
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Le couple de décélération Cdécé est plus fort que celui du
premier cas, l’arrêt en roue libre.
Régime
transitoire :
Décélération
𝐶𝑚 − 𝐶𝑟 = 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
𝐶𝑚 < 0 ; Cf = - Cm ;
𝑑Ω
𝑑𝑡
< 0
𝐶𝑑é𝑐é = − 𝐽
𝑑Ω
𝑑𝑡
= 𝐶𝑟 − 𝐶𝑚 = 𝐶𝑟 + 𝐶𝑓
3 - la décélération est très rapide. freinage

36. PREMIER EXEMPLE : AXE HORIZONTAL
ON SE PROPOSE ICI D’ÉTUDIER LE COMPORTEMENT
D’UN SYSTÈME DE DÉPLACEMENT DROITE GAUCHE,
SUIVANT UN AXE HORIZONTAL.

37. PREMIER EXEMPLE : PRÉSENTATION DU SYSTÈME
Un moteur à courant
continu à flux constant
Réducteur à
renvoi d’angle
Charge
Mobile
Il permet le déplacement d’une charge de manière horizontale.
Industriellement les convoyeurs, les tapis roulants ou les transgerbeurs
utilisent ce principe.
Dans ce premier exemple, on se propose d’étudier un système,
constitué de :
Un système
d’entraînement
V
Ffs

P = M . g
Le couple résistant Cr résulte principalement d’un effort
de frottement sec, signé par la vitesse. Dans le cas d’un
déplacement vers la droite, il faudra exercer une force F
fs pour déplacer la charge.
f coef de frottement
f = tg 
Ffs = M.g.tg 

38. DÉPLACEMENT VERS LA DROITE : ETUDE CINÉMATIQUE
Vitesse
angulaire Ω
temps
temps
Cm = Cr
Cm = Cr
J d Ω
d t
+
Couple moteur
Cm
Cr
Accélération
d Ω/dt
Accélération x J
Cm = Cr
J d Ω
d t
+
J d Ω
d t
< 0
J d Ω
d t
> 0
Accélération Vitesse
Constante
Accélération nulle
Décélération
Le couple résistant Cr est
constitué principalement par les
frottements secs
J Inertie des masses
en mouvement
ramenées à l’axe
moteur
Encore appelé couple dynamique Cd. Ce
terme caractérise l’énergie cinétique
résultat de la mise en mouvement d’une
masse