Sélection adaptée de groupes électrogènes et de moteurs électriques

Récemment, un client est venu nous voir. Il réalise un projet d’usine de transformation à l’étranger. La capacité du réseau électrique local est insuffisante et l’alimentation électrique est instable. Ils doivent donc apporter leur propre groupe électrogène comme source principale d’alimentation. Le principal souci du client est qu’il y a plusieurs moteurs électriques dans l’usine, notamment des broyeurs, des ventilateurs et des convoyeurs. Ils craignent que, si le groupe électrogène est trop petit, il ne parvienne pas à assurer l’alimentation, et que, s’il est trop grand, cela représente un gaspillage financier. Ils m’ont demandé comment dimensionner correctement le groupe électrogène en fonction des moteurs électriques.

Ce problème est très courant dans les projets industriels, notamment lors de l’adaptation des générateurs aux moteurs électriques. Si le générateur est dimensionné uniquement en fonction de la puissance nominale du moteur électrique, cela entraîne des difficultés. La raison fondamentale réside dans le fait que le courant de pointe au démarrage du moteur est nettement supérieur au courant circulant en régime normal.

Au démarrage du moteur, il est nécessaire de vaincre l’inertie rotative du rotor ainsi que la résistance de la charge afin d’accélérer depuis l’arrêt jusqu’à la vitesse nominale. Durant ce processus, le courant statorique du moteur augmente fortement. Lorsqu’un moteur asynchrone triphasé démarre directement, le courant de démarrage atteint généralement 5 à 7 fois le courant nominal. Autrement dit, la demande en courant de l’alimentation pour un moteur de 30 kW peut atteindre 150 à 210 ampères au moment du démarrage direct, et la puissance requise correspondante est alors nettement supérieure à la puissance nominale du moteur.

Lorsque le générateur lorsque cet ensemble est soumis à cet impact, les indicateurs clés sont la vitesse de réglage transitoire de la tension et le temps de récupération. Sous l'effet d'un courant élevé, la tension à l'extrémité du générateur chute instantanément. Si cette chute est trop importante ou si la récupération est trop lente, cela provoque une instabilité du contacteur, un déclenchement intempestif du dispositif de protection et l’arrêt immédiat du générateur. Par conséquent, l’adéquation entre générateurs et moteurs électriques repose essentiellement sur un équilibre entre la capacité de puissance transitoire fournie par le générateur et la demande en puissance de choc du moteur.

La méthode de démarrage du moteur électrique a l’impact le plus important sur le choix du générateur.

Le choc lié au démarrage direct est le plus important et le multiple de courant de démarrage est élevé ; il convient donc aux moteurs de faible puissance ou aux équipements exigeant un couple de démarrage élevé. Avec un démarrage direct, générateur la puissance est généralement de 2,5 à 3,5 fois la puissance du moteur. Le multiple précis dépend des performances du système d’excitation de l’alternateur. La réponse transitoire de l’unité équipée d’une excitation par aimants permanents ou d’un réglage numérique de l’excitation est meilleure, ce qui permet de réduire légèrement ce multiple.

Le démarrage à tension réduite est une méthode couramment utilisée pour limiter les chocs, notamment le démarrage étoile-triangle et le démarrage à tension réduite par transformateur auto-coupleur. Le démarrage étoile-triangle permet de réduire le courant de démarrage à environ un tiers de celui du démarrage direct, mais le couple de démarrage est également réduit dans les mêmes proportions, ce qui convient aux dispositifs dont le démarrage s’effectue à vide ou en charge légère. Dans ce cas, la puissance de l’alternateur est généralement dimensionnée à 1,5 à 2 fois la puissance du moteur.

Actuellement, les démarreurs progressifs sont largement utilisés. Grâce à la régulation de tension par thyristors, la tension peut augmenter progressivement. Le courant de démarrage peut être limité à 2 à 3 fois le courant nominal. Le processus de démarrage est stable et l’impact sur l’alternateur est faible. Lorsqu’il est équipé d’un démarreur progressif, la puissance de l’alternateur doit être de 1,2 à 1,5 fois celle du moteur.

L’entraînement par variateur de fréquence est la méthode de démarrage ayant le moins d’impact. Le courant de démarrage ne dépasse pratiquement jamais le courant nominal du moteur, et l’impact sur l’alternateur est quasiment nul. Toutefois, en tant que charge non linéaire, le variateur de fréquence génère des harmoniques. Lors de la sélection, il convient de prêter une attention particulière aux performances de la régulation automatique de tension (AVR) de l’alternateur et d’installer, si nécessaire, un filtre anti-harmoniques.

En plus de la méthode de démarrage, la nature de la charge est également cruciale. Les équipements à démarrage en charge lourde, tels que les compresseurs d'air, les broyeurs et les pompes à eau, supportent une charge pendant le processus de démarrage, ce qui a un impact plus important que le démarrage à vide. Dans le cas de plusieurs moteurs fonctionnant simultanément, la puissance de chaque moteur ne peut pas être simplement additionnée. Il est nécessaire de tenir compte du coefficient de fonctionnement simultané et de vérifier les conditions de fonctionnement les plus défavorables — par exemple la situation où plusieurs moteurs démarrent simultanément.

Les facteurs environnementaux doivent également être pris en compte. Pour chaque 1 000 mètres d'altitude, la puissance de sortie du groupe électrogène diminue d'environ 10 %, car la raréfaction de l'air affecte la dissipation thermique et la combustion. Lorsque la température ambiante dépasse 40 ℃, la puissance doit également être réduite. Dans des environnements particuliers tels que les zones côtières ou désertiques, le niveau de protection et le niveau de résistance à la corrosion doivent également être améliorés en conséquence.

De retour dans l'usine de transformation du client, nous l'avons aidé à identifier les équipements suivants : un broyeur de 45 kW, démarrage en charge élevée, équipé d'un variateur de fréquence ; un ventilateur de 22 kW, démarrage à vide, utilisant une démarreur progressif ; et plusieurs moteurs de convoyeurs de faible puissance, démarrant directement. Par ailleurs, le coefficient de fonctionnement étant de 0,8, et compte tenu de l'ordre de démarrage dans les conditions de fonctionnement les plus défavorables, on a finalement équipé l’installation d’un groupe électrogène de 120 kW à excitation par aimants permanents et à régulation numérique de la tension. Le retour du client, après mise au point, indique que les équipements démarrent sans à-coup, que les fluctuations de tension restent dans la fourchette acceptable et que le fonctionnement est stable.

En général, la clé de l’adéquation du générateur et le moteur est l’évaluation précise de l’impact au démarrage du moteur et l’adéquation raisonnable de la capacité de réponse transitoire de l’alternateur. Le mode de démarrage, la nature de la charge, les conditions environnementales et la coordination entre plusieurs machines sont indispensables. Si la sélection est bien fondée, il y aura moins de problèmes sur site.