méthodologie de conception des entraînements
3.4 Logiciels pour l’aide à la définition et à la simulation
des entraînements
3.4.1 Définition des buts et des tâches Les logiciels d’aide au choix, à la définition et à la simulation sont utilisés pour :
• pouvoir choisir les composants d’un entraîne-ment en fonction de ses conditions réelles de charge ;
• pouvoir comparer les résultats d’un projet selon différents points de vue ;
• apporter un support extérieur au dialogue entre le spécialiste de l’entraînement et celui du pro-cédé afin d’établir le « profil » le plus précis des exigences et contraintes de l’entraînement ;
• améliorer la qualité de la conception du projet ;
• prendre en compte au mieux les surcharges ther-miques temporaires d’un entraînement ;
• permettre de prendre en compte de nouvelles conditions de conception, comme par exemple la
« durée de vie ».
L’utilisation de ces logiciels d’aide est un outil essentiel à la définition optimale des composants, à la réalisation d’entraînements avec des consom-mations d’énergie plus faibles et chargés correcte-ment en fonction de toutes les exigences.
Des entraînements mal utilisés conduisent à :
• de mauvaises conditions énergétiques pendant l’exploitation, de faibles rendements, mauvais facteurs de puissance et des pertes inutilement grandes ;
• une consommation de matériel plus grande et par là même une consommation supérieure
« d’énergie grise ».
Les tâches de ces logiciels d’aide peuvent être décrites de la manière suivante :
• choix des composants de l’entraînement (moteur, réducteur, convertisseur) sur la base de gran-deurs caractéristiques, comme valeurs nomina-les, rendement, facteur de puissance, etc., depuis une banque de données;
• définition des composants sur la base du profil des exigences et de l’indication des paramètres P
PN
PV
ϑN
ϑ
∆ϑ1 ∆ϑ2 ∆ϑ4
∆t1 ∆t2 ∆t3 ∆t4TP t t t
P1 P2 P3 P4
Figure 16 : Définitions des surcharges thermiques selon S10.
P = charge
PN = charge nominale Tp = temps du cycle
∆ϑ = élévation de température
∆t = temps d’intervalle de charge PV = pertes
ϑ = température
décisifs de choix : contraintes, utilisation, pertes, ainsi que rendement, température d’enroule-ment et durée de vie ;
• la simulation de l’entraînement pour indiquer : 1. le comportement mécanique: déroulement
des déplacements, forces, couples, puissances, contraintes, oscillations, fréquences propres;
2. le comportement électrique en exploitation et lors de perturbations : courants, tensions, per-tes, couples, vitesse ;
3. le comportement thermique des composants : température, flux de chaleur, flux des agents de refroidissement, contraintes d’isolation, espérance de vie ;
• exécution et valorisation des mesures électri-ques, thermiques et du comportement méca-nique des composants de l’entraînement et détermination d’un modèle paramétré.
Les logiciels d’aide actuellement à disposition per-mettent de travailler avec des structures de bases de données et peuvent être installés sur l’ordinateur à la place de travail. Une vue générale des logiciels disponibles est donnée en fin de chapitre. Ces logi-ciels sont en majorité disponibles pour la définition du moteur, de l’alimentation et du convertisseur jusqu’à des puissances de 200 kW. Pour l’analyse de processus ou de procédés et pour la simulation, il n’existe que des applications spécifiques.
3.4.2 Logiciels d’aide au choix de moteurs asynchrones correctement chargés Le dialogue interactif de l’utilisateur à sa place de travail commence par des questions se rapportant à la puissance désirée, à la vitesse désirée, aux caractéristiques d’exploitation (classe d’échauffe-ment, température de l’agent de refroidissed’échauffe-ment, plage de la tension) et au moment d’inertie de la machine ou de l’organe entraîné (figure 19).
L’ordinateur calcule immédiatement un ordre de grandeur de la valeur du couple. Sur cette base, l’exploitant peut définir un déroulement dans le temps, par intervalles, du couple ainsi que des infor-mations sur l’état de fonctionnement (à vide ou déclenché) de l’entraînement (figure 17). Du fait que le moment d’inertie de la machine ou de l’organe entraîné n’intervient qu’en combinaison avec le moment d’inertie du moteur, il sera utile de préci-ser cette valeur lors du choix du moteur.
Avec les indications disponibles, le logiciel déter-mine un couple effectif pour le choix du moteur par la relation :
pour un régime en charge constante. Pour autant que pendant les intervalles t1à tn l’équilibre ther-mique soit atteint, le couple effectif permet le choix du moteur juste. Pour les autres régimes, ce choix est une première approximation qui sera affinée par des calculs complémentaires dans les intervalles en fonction de l’échauffement et du refroidissement, (figure 18). Le choix définitif du moteur est alors affi-ché à l’écran.
Meff= M12t1+ M22t2+…+ Mn2tn t1+ t2+…tn
Figure 17 : Profil du couple en fonction du temps.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Figure 18 : Evolution couple-température.
✝ i = 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
zi = 1 zi = 2 zi = 3 M(✝)
ϑ(✝)
Figure 19 : Exemple de présentation sur l’écran d’un dialogue de dimensionnement.
Figure 20 : Résultat d’une feuille de calcul : détermination du type de moteur et calcul pour le moteur de grandeur inférieure.
Les résultats sont imprimés sur le protocole de cal-cul, figure 20.
On peut aussi prendre un moteur de grandeur juste inférieure et le soumettre aux conditions de charge.
Cela permet d’estimer l’importance du risque pris en rapport avec les contraintes thermiques et d’éva-luer la nouvelle durée de vie.
Pour l’estimation de la qualité du logiciel à définir le choix d’un entraînement, nous disposons de son algorithme qui permet à chaque spécialiste de véri-fier ses performances (figure 21). Il est à relever ici que dans ce schéma une seule itération est faite pour l’échauffement et que seuls les choix impor-tants sont pris en compte sous une forme simple.
Un modèle plus évolué est présenté dans un cha-pitre suivant. Il prévoit un modèle à deux compo-sants et doit être vérifié par le constructeur qui prend la garantie d’une exécution compatible au point de vue qualité. C’est la raison de la restriction à quatre paramètres qui conduit à une augmenta-tion de la qualité du moteur.
3.4.3 Logiciels d’aide au choix des moteurs asynchrones alimentés par onduleur et choix de l’onduleur
Lorsque des moteurs asynchrones à vitesse variable sont alimentés par onduleur, deux effets sont à considérer :
• la dépendance dans le moteur des pertes, de la fréquence, de la vitesse et de l’évacuation de la chaleur ;
• des harmoniques du courant et de la tension.
Les tendances de développement des convertis-seurs montrent que les effets des harmoniques seront mieux pris en compte. La méthode actuelle-ment utilisée pour les entraîneactuelle-ment à variation de vitesse est basée sur la caractéristique limite d’échauffement. Elle tient compte de la baisse du couple du moteur pour une vitesse très basse (mau-vais refroidissement) et pour de hautes fréquences (grandes pertes). Cette méthode sous-entend que dans ces régimes extrêmes la charge constante est toujours prise en compte. Elle conduit donc à un sur-dimensionnement du moteur et du convertisseur.
Les résultats du logiciel donnent une vision du déroulement du choix d’un moteur asynchrone et de son convertisseur pour des variations de vitesse
et de charge, figure 23. Comme c’est le cas à la figure 17 pour le choix d’un moteur sous régime de charge variables, il y a lieu là aussi de faire un test avec la grandeur inférieure aussi bien pour le moteur que pour le convertisseur. Il y a lieu aussi de savoir s’il est vraiment nécessaire, en rapport avec la durée de vie, d’imposer une température ambiante de 40 degrés. Le convertisseur, lui, reste le même puisqu’il est défini par la tension de ser-vice et par les courants durant l’exploitation.
Jusqu’à présent, les considérations sur les harmo-niques ont plus retenu l’attention que les considé-rations relatives à la dépendance de la variation de vitesse. Il est évident, et cela surtout en fonction de l’état de développement des convertisseurs, qu’il faut prendre en considération les effets des harmo-niques. En effet, des essais sur banc de tests sont convaincants. Il pourrait être tenu compte de l’effet des harmoniques sur la réduction du couple à cer-taines fréquences. Heureusement, les développe-ments actuels vont permettre de plus en plus de négliger ces effets.
Figure 21 : Proposition d’un algorithme de logiciel de définition / choix d’un entraînement.
Figure 22 : Présentation d’un dialogue sur l’écran pour le choix d’un convertisseur.
Figure 23 : Résultat sur l’écran d’une série de déterminations : moteur et convertisseur.
3.4.4 Logiciels d’application pour la détermination et le choix des entraînements Ces logiciels existent en allemand et en anglais.
1. Auswahl von Asynchonmaschinen F.W. Berg, ABB Normelec AG CDDCH 90 : Feste Drehzal Riedstrasse 6, 8953 Dietikon CDCCH 90 : Variable Drehzahl (Umrichter) Tel. : 01-743 42 80
2. Auswahl von Antriebsmotoren für F.W. Berg, ABB Normelec AG Netz- und Umrichterbetrieb Riedstrasse 6
ORPRO CH VN63 Universalprogramm 8953 Dietikon (Ersatzschaltbild, Streuinduktivität) Tel. : 01-743 42 80
3. Projektierung von Antrieben Dr. H. Reiche, VEM Antriebstechnik AG PRODRIVE A : Drehstrom-Standardmotoren Försterlingstr. 20, D-01259 Dresden PRODRIVE U : Umrichterantriebe Tel. : 0049-351-229 5430
4. Anlaufverhalten und Erwärmung Dr. R.E. Neubauer, ETH Zürich, IEM der Asynchronmaschine Physikstrasse 3
ASMANL : Anlauf 8092 Zürich
ASMTMP : Erwärmung Tel. : 01-632 6554
5. Alternating Current Adjustable Allen-Bradley
Frequency Drives Lohwisstrasse 50
(Simulation umrichtergespeister 8123 Ebmatingen
Drehstromantriebe) Tel. : 01-980 3303
6. Analyse von Arbeitsprozessen Rene Holzer, Alfred Imhof AG SEW Berechnungsprogramm Antriebstechnik, 4142 Münchenstein (Sammlung von Fallbeispielen) Tel. : 061-411 9296
7. Motor Selection Program CEGELEC Industrial Controls MOTORSEL DC : Gleichstrommotoren West Avenue, Stoke-on-Trent MOTORSEL AC : Wechselstrommotoren Staffordshire ST7 1TW 8. Drives Diagnostic Quiz CEGELEC Industrial Controls
(Fallbeispiele zur Fehleranalyse West Avenue, Stoke-on-Trent für elektrische Antriebssysteme) Staffordshire ST7 1TW
9. Electric Machinery Stephen D. Umans
Fallbeispiele zur Berechnung von Mc Graw Hill Book Company
elektrischen Maschinen College Division
10. Wirtschaftlichkeit elektr. Antriebe Washington State Energy Office Motor Master Version 2.0 Motor Master Registration (Energie- und Kostenanalyse für P.O. Box 43 165
Motoren verschiedener Hersteller) Olympia, WA 98504-3165
Important !
● Pour réaliser une conception optimale de l’en-traînement, il est nécessaire d’avoir fait une iden-tification aussi précise que possible du proces-sus ou procédé.
● Le processus mécanique est décrit par la dépen-dance du couple résistant (charge, frottement et accélération) en fonction de la vitesse et du temps, ainsi que des plages / domaines de fonc-tionnement (profil de charge).
● Les paramètres du processus peuvent être défi-nis analytiquement ou par des essais et / ou mesures.
● L’élément de base pour la conception et le choix du moteur est une connaissance aussi précise que possible de sa courbe d’échauffement, puis-que celle-ci définit la durée de vie des enroule-ments (bobinage) du moteur.
4.1 Introduction
Le but d’une analyse optimale de l’entraînement est de permettre de pouvoir satisfaire les exigences imposées par la consommation d’énergie et le coût minima. Pour cela, il est nécessaire de passer par une identification précise du procédé et du système d’entraînement.
Dans la suite des chapitres, des moyens pour l’iden-tification du système de transmission mécanique de la machine seront définis, leurs relations avec le choix du moteur seront soulignées.