applications industrielles

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installations générales

détermination du cos Ø moyen d’une installation

Soit Qa la consommation d’énergie active relevée sur le compteur actif pour une période de temps donnée et Qr la consommation d’énergie réactive relevée sur le compteur réactif pour la même période, le cos Ø moyen de l’installation, pendant cette période, est donné par la formule :

formule : applications industrielles - Détermination du cos Ø moyen d’une installation

amélioration du cos Ø

Les pertes en ligne par effet joule étant proportionnelles à I2, alors que l’énergie active consommée n’est proportionnelle qu’à I cos Ø, les secteurs de distribution pénalisent les utilisateurs dont les installations pré­sentent un facteur de puissance inférieur à une certaine valeur (de l’ordre de cos Ø = 0,93 correspondant à tg Ø = 0,4 sur le réseau français).

Lorsque la diminution du cos Ø est due à une réaction selfique de l’installation, on l’améliore par une bat­terie de condensateurs. La puissance de la batterie de condensateurs, exprimée en kilovar, nécessaire pour amener le cos Ø à la valeur désirée, ne peut être calculée avec exactitude qu’après 4 à 6 mois d’exploitation de la station de traitement d’eau.

On peut toutefois, pour compenser en phase transitoire un mauvais facteur de puissance, mettre en place une batterie de condensateurs dont la valeur est estimée à 10 % environ de la puissance totale installée sur la station.

moteurs asynchrones

Les moteurs couramment utilisés sont des moteurs asynchrones ; les renseignements donnés ci-après ne concernent que ce type de moteur.

puissance nominale. puissance absorbée

La puissance nominale est celle indiquée au catalogue ou sur la plaque du moteur. Elle correspond à la puissance mécanique développée sur l’arbre moteur et s’exprime en kW.

La puissance électrique absorbée est donnée par la relation :

formule : Moteurs asynchrones - Puissance nominale. Puissance absorbée

Elle s’exprime également en kW et c’est elle qui est à retenir pour établir le bilan de puissance d’une ins­tallation.

Un moteur doit être utilisé pour la fréquence prévue par le constructeur. Un moteur calculé pour être ali­menté en 50 Hz aura un couple plus faible s’il est alimenté en 60 Hz.

rendement

Pour les moteurs de fabrication courante, le rendement r est d’autant plus élevé que la puissance du moteur est plus grande.

Exemple :

  • moteur de 50 kW ρ = 0,85 ;
  • moteur de 1 kW ρ = 0,70.

Pour un moteur déterminé, le rendement indiqué par le constructeur correspond à l’utilisation à pleine charge ; il diminue légèrement avec la charge.

Exemple moteur de 50 kW :

  • ρ = 0,85 à 4/4 charge,
  • ρ = 0,82 à 3/4 charge,
  • ρ = 0,80 à 1/2 charge.

détermination de la puissance d’un moteur

Pour déterminer la puissance nominale d’un moteur il est recommandé de prendre, par rapport à la puis­sance mécanique absorbée par l’appareil entraîné, les marges suivantes (sauf cas particuliers, tels que broyeurs, dilacérateurs) :

  • 10 à 15 % dans le cas d’accouplement direct ;
  • 20 % dans le cas de transmission par courroie.

tension d’alimentation

  • La puissance variant sensiblement comme le carré de la tension, il est indispensable de prévoir le moteur pour la tension exacte du réseau.

Par exemple, un moteur fournissant sur l’arbre 15 kW sous une tension de 380 V, ne fournira que 12,5 kW environ sous une tension de 350 V.

  • La plupart des constructeurs prévoient des boîtes à six bornes (figure 47) permettant le couplage étoile (figure 48) et le couplage triangle (figure 49), par déplacement de barrettes : le premier sera utilisé par exemple sous 380 V triphasé, le deuxième sous 220 V triphasé.
Boîte six bornesImage sécurisée
Figure 47. Boîte à six bornes
Couplage étoile - Cas moteur 220/380Image sécurisée
Figure 48. Couplage étoile. Cas d’un moteur 220/380 alimenté en 380 V
Couplage triangle. Cas d’un moteur 220/380Image sécurisée
Figure 49. Couplage triangle. Cas d’un moteur 220/380 alimenté en 220 V

Si le moteur doit être démarré en étoile triangle, il est nécessaire que les six bornes soient sorties et pré­vues pour les tensions suivantes (tableau 76) :

tension alimentationImage sécurisée
Tableau 76. Tension d’alimentation

Pour ce mode de démarrage, aucune barrette ne doit être placée dans la boîte à bornes.

vitesse des moteurs asynchrones à vide

Les moteurs asynchrones monophasés ou triphasés ont une vitesse à vide pratiquement égale au syn­chronisme donnée par la formule :

formule :  définitions et formules usuelles - Vitesse des moteurs asynchrones à vide

Exemple (tableau 77) :

Vitesse moteurs asynchrones videImage sécurisée
Tableau 77. Vitesse des moteurs asynchrones à vide

En charge : la vitesse est légèrement inférieure à la vitesse à vide. La différence correspond au glissement qui s’exprime par la relation :

formule :  Vitesse des moteurs asynchrones à vide - En charge

g est compris entre 2 et 8 % de la vitesse de synchronisme.

choix du moteur et du mode de démarrage

Ces deux questions dépendent de l’appareil entraîné et des impératifs imposés par le secteur.

En ce qui concerne l’appareil entraîné, quel que soit le mode de démarrage, il est nécessaire que le couple accélérateur (différence entre le couple moteur et le couple résistant) soit suffisant pour permettre la mise en vitesse du groupe. Deux facteurs principaux interviennent :

  • le moment de giration appelé Gd', exprimé en newtons par mètre carré ;
  • le couple nécessaire au démarrage de la machine.

Certaines machines démarrent pratiquement à vide, les ventilateurs par exemple, mais la masse et le diamè­tre des parties en rotation (éléments caractérisant le Gd') sont tels que leur mise en vitesse demande une énergie relativement importante, transformée presque uniquement en énergie cinétique.

Pour d’autres machines (pompes dilacératrices, compresseurs), dès sa mise sous tension, le moteur doit permettre à celles-ci d’effectuer un travail mécanique, tout en accélérant leur vitesse ; c’est donc le couple nécessaire au démarrage qui est à prendre en considération.

Le démarrage « en direct » est normalement recommandé :

  • mise en vitesse plus rapide ;
  • échauffement global réduit.

Il est possible, si :

  • la capacité du réseau est suffisante ;
  • le couple de démarrage est supporté mécaniquement par la machine entraînée.

Dans le cas d’un circuit de secours, la puissance disponible est limitée et dans la plupart des cas on est conduit à utiliser des modes de démarrage progressifs.

Le tableau 78 donne les caractéristiques des différents procédés de démarrage.

Courant continu :

différents procédés démarrageImage sécurisée
Tableau 78. Caractéristiques des différents procédés de démarrage

k est le coefficient choisi du couple de démarrage.

Les rapports des appels de courant et des couples au démarrage, aux valeurs nominales, sont donnés dans le tableau 79 (valeurs approchées).

rapports appels courant - couples démarrage - valeurs nominalesImage sécurisée
Tableau 79. Les rapports des appels de courant et des couples au démarrage, aux valeurs nominales

Id = intensité au démarrage,

In = intensité nominale à pleine charge,

Cd = couple au démarrage,

Cn = couple nominal,

Cn s’exprime en newton-mètres. Si N est la vitesse en tours/minute, P la puissance nominale en kilowatts :

formule : Cn newton-mètres - N vitesse tours/minute - P puissance nominale kilowatts

intensité absorbée

formule : Intensité absorbée - Courant continu
formule : Intensité absorbée - Courant monophasé
formule : Intensité absorbée - Courant triphasé

Pn est la puissance nominale du moteur exprimée en kilowatt.

valeurs approximatives de l’intensité absorbée (cas de moteur de puissance de 1 à 10 kW)

intensité absorbéeImage sécurisée
Tableau 80. Valeurs approximatives de l’intensité absorbée

Pour une puissance donnée, le cos Ø et le rendement diminuant lorsque le nombre de pôles augmente, l’intensité absorbée sera d’autant plus élevée, pour une puissance donnée, que la vitesse nominale est plus faible.

Ainsi, un moteur de 750 tr · min–1 absorbera environ 20 % de plus qu’un moteur de même puissance à 3 000 tr · min–1 et 10 % de plus qu’un moteur de même puissance à 1 500 tr · min–1.

câbles d’alimentation

La chute de tension admissible aux bornes d’un moteur à pleine charge étant de 5 %, la section des câbles d’alimentation doit être calculée en conséquence, en tenant compte notamment de l’intensité absorbée à pleine charge et de la longueur du câble.

Le tableau 81 donne, à titre indicatif, les caractéristiques du câble d’alimentation pour une tension tripha­sée de 380 V, une longueur maximale de 25 m ainsi que le diamètre du presse-étoupe devant équiper la boite à bornes.

Câbles alimentationImage sécurisée
Tableau 81. Câbles d’alimentation

On admet que le quatrième conducteur sert à la mise à la terre du moteur, qui se fait généralement à l’inté­rieur de la boite à bornes. L’utilisation d’un boulon de scellement pour mettre le moteur à la terre est à pros­crire.

Ne pas oublier que dans le cas d’un démarrage étoile-triangle deux câbles sont à prévoir, la section des conducteurs pouvant être la même. Un des deux câbles comportera le quatrième conducteur pour mise à la terre du moteur.

chute de tension admissible dans les canalisations

La norme NF C 15.100 fixe la valeur de la chute de tension égale à un pourcentage de la tension du réseau :

  • 3 % pour les canalisations d’éclairage ;
  • 5 % pour les canalisations de force motrice.

Au démarrage des moteurs, on admet généralement, pour les canalisations de force motrice, une chute de tension de 10 %.

abonnement – contrat fourniture d’énergie électrique

L’établissement d’un contrat de fourniture d’énergie doit être négocié en fonction des puissances absor­bées simultanément sur le réseau de distribution, au besoin après optimisation de celles-ci, suivant les dif­férentes tranches horaires proposées par le fournisseur d’énergie.

En effet, ces fournisseurs définissent en fonction de la saison différents tarifs suivant les tranches horaires pendant lesquelles l’énergie est consommée, avec des écarts de coûts pouvant aller de un à trois, voir quatre !

Il est donc fondamental de bien connaître la tarification locale avant tout, et de disposer d’un bilan d’exploitation.