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RÉSUMÉ
Cet article définit sommairement les convertisseurs et les moteurs possibles, et leurs associations dans le cas des laminoirs. L’accent est mis sur les fonctionnements à puissance constante. La régulation de vitesse fait l’objet de quelques considérations en prenant en compte l’élasticité des arbres de transmission, les produits laminés et les particularités des réducteurs. Quelques fonctions de base sont exposées, les bobineuses, le serrage hydraulique et la régulation d’épaisseur.
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Jacques COURAULT : Ancien directeur des développements en Électronique de Puissance, Alstom Power Conversion
INTRODUCTION
A l’origine, la force motrice avait essentiellement pour origine la vapeur. La première solution « moderne » date de 1891, on la doit à un ingénieur américain, Harry Ward Leonard (1861-1915), connue sous le nom de Groupe Ward Leonard (WL).
Dès les années 1930, il y a eu non seulement pour le laminage mais pour bien d’autres applications (comme la traction ferroviaire) de nombreux brevets de conversion statique à base de redresseurs à vapeur de mercure, elles ont été maintenues en service jusqu’à la fin des années 1950. L’apparition du -thyristor a définitivement condamné ces solutions délicates à utiliser et à maintenir.
C’est vers 1965 que l’ère du thyristor, pour des puissances réduites (~ 100 kW) commence. L’idée du thyristor fut proposée par William Schockley en 1950 et industrialisée par General Electric en 1956. Avec le thyristor la topologie dite du pont de Graetz, d’après Léo Graetz universitaire allemand (1856-1941), se généralise… L’ensemble des motorisations à vitesse variable des aciéries associe alors ponts de Graetz à thyristors et machines à courant continu. D’un point de vue laminage, ces solutions ont donné entière satisfaction en -augmentant les volumes de production dans le respect de la qualité croissante des produits.
Dès la fin des années 1970 sont apparus les premiers composants de puissance blocables par la commande, transistors bipolaires, GTO et même IGBT, ce qui permettait d’envisager l’alimentation de charges à cosinus phi arrière comme les machines asynchrones. Parallèlement, des recherches tant industrielles qu’universitaires ont permis de déboucher sur de très bonnes performances dynamiques des machines à courant alternatif. Ces machines, dès lors que les performances ont été compatibles avec les procédés, ont remplacé les machines à courant continu, difficiles et coûteuses à maintenir du fait de l’usure des collecteurs et des balais. Les années 1980 ont vu l’ensemble des motorisations basculer des machines à courant continu aux machines à courant alternatifs à fréquence variable.
Cet article est destiné aux électriciens qui ont pour mission de choisir et de spécifier les machines. Il évoque également les principaux algorithmes rencontrés en laminage, en particulier les différentes régulations de vitesse qui prennent en compte l’élasticité des produits laminés et la torsion des arbres de transmission. Les simulations décrites sont des exemples numériques en relation avec des réalisations industrielles. Pour être accessible au plus grand nombre, nous avons retenu dans cet article des méthodes d’analyse simples et classiques.
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Notions de régulation des laminoirs
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2. Alimentation des moteurs de laminoirs
Les convertisseurs de fréquence utilisés sont les mêmes qu’il s’agisse de machines asynchrones ou de machines synchrones. Du moins au niveau de la topologie, les différences sont dans les contrôles. Les convertisseurs doivent être réversibles, soit du fait de la réversibilité du processus, soit pour des raisons de freinage. Les moteurs doivent être alimentés sans contraintes additionnelles susceptibles de réduire leur durée de vie, le réseau d’alimentation ne doit pas être perturbé, ou le moins possible par des harmoniques. Les convertisseurs doivent être capables d’absorber ou de fournir de la puissance réactive (alimenter une machine asynchrone, c’est lui fournir de la puissance active et de la puissance réactive).
2.1 Montages utilisés
On utilise des convertisseurs qui mettent en œuvre des composants blocables par la commande. Pour les puissances supérieures à 100 kW les composants utilisés sont les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ) et les IEGT (Injection Enhancement Gate Transistor ), dans les années 1980 le GTO (Gate Turn-off thyristor ) a été largement utilisé.
La figure 6 représente la structure de base de ces convertisseurs. Elle comprend six interrupteurs, en fait, il s’agit de trois hacheurs réversibles en courant : un par phase. Lesdits interrupteurs sont commandés en modulation de largeur d’impulsion (MLI), la durée de conduction est proportionnelle à une grandeur de commande : chaque hacheur reçoit une grandeur de commande décalée de 2π/3 par rapport aux autres. La fréquence de découpage est notée f d , elle est bien entendu supérieure à la fréquence machine la plus élevée (minimum 10 fois plus grande que la fréquence machine maximale). En fait, c’est le fondamental de l’onde découpée, en partie inférieure de la figure 6, qui produit le flux machine et ensuite en présence d’un courant, le couple moteur. L’amplitude maximale de la tension fondamentale de sortie obtenue pour la modulation maximale est égale à E d , tension continue d’alimentation du convertisseur : pour arriver à ce résultat, voir l’importance de l’harmonique 3 dans la modulation ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KOSTENKO (M.), PIOTROVSKI (L.) - Machines électriques. - Tome 2, Éditions de Moscou (1979).
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(2) - BORNE (P.), DAUPHIN TANGUY (G.), RICHARD (J.P.), ROTELLA (E.), ZAMBÉTTAKIS (L.) - Modélisation et identification des processus. - Tome 1, éditions technip (1992).
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(3) - CARON (J.P.), HAUTIER (J.P.) - Modélisation et commande de la machine asynchrone. - Éditions Technip (1995).
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(4) - CANUDAS DE VIT (C.) - Modélisation, contrôle vectoriel et DTC. - Hermes Science (2000).
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(5) - VAS (P.) - Sensorless vector and direct torque control. - Oxford science publications (1998).
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(6) - BOSE (B.K.) - Power electronics and frequency drives. - IEEE Press (1996).
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