Un guide pour le contrôle de moteur industriel

Les moteurs électriques sont largement utilisés dans de nombreuses applications industrielles, des rouleaux d’entraînement de produits unitaires tels que le papier et les tôles d’acier, au broyage et au mélange d’ingrédients dans l’industrie des produits alimentaires et des boissons. Ils sont également largement utilisés pour entraîner des ventilateurs et des compresseurs dans les applications CVC et de refroidissement, ainsi que pour faire fonctionner des machines de production et de manutention telles que des centres d’usinage CNC et des convoyeurs.

En raison de cette utilisation omniprésente, les moteurs industriels consomment actuellement près de 50 % de l’électricité mondiale. Dans la mesure où l’approvisionnement en énergie est soumis à des pressions croissantes sur les prix combinées à la nécessité de réduire la consommation pour limiter les émissions de carbone, les moteurs sont un candidat de choix pour appliquer des mesures d’amélioration de l’efficacité énergétique.

Les moteurs doivent également être contrôlés pour améliorer la précision de leur mouvement et les protéger des courants d’appel potentiellement dommageables au démarrage. Les moteurs connectés avec un démarrage direct (Direct On Line - DOL) sont câblés directement à leur alimentation. Lors du démarrage, le moteur consomme une grande quantité de courant, généralement six à huit fois le courant à pleine charge du moteur. Cela produit un couple de pointe important qui peut provoquer des dommages tels que des courroies transporteuses cassées, ainsi que des dommages moins évidents aux boîtes de vitesses et autres composants du groupe motopropulseur. Ce type de démarrage produit également des contraintes thermiques sur le moteur, réduisant potentiellement sa durée de vie. L’augmentation progressive du courant via un contrôleur de moteur évite ces chocs.

Les contrôleurs de moteur industriel surmontent les défis liés au démarrage en limitant le courant et réduisent la consommation d’énergie d’un moteur pendant le fonctionnement en le faisant tourner à la vitesse appropriée pour les conditions de l’application.

Par exemple, une application de refroidissement utilisant un ventilateur peut être gérée à l’aide d’un contrôle en boucle fermée. La température de l’air peut être mesurée et les données renvoyées au contrôleur, qui sélectionne la vitesse de rotation correcte du ventilateur. Cela garantit que le point de consigne de la température est maintenu tout en faisant tourner le ventilateur à une vitesse permettant d’économiser de l’énergie. Cela contraste avec un fonctionnement à vitesse constante où le ventilateur tournera à vitesse maximale, quelle que soit la demande de refroidissement.

Les contrôleurs de moteur jouent donc un rôle important dans tout système industriel, en contrôlant les moteurs et en permettant une plus grande précision au niveau de la production.

Qu’est-ce qu’un contrôle de moteur industriel ?

Le contrôle de moteur industriel consiste à utiliser un dispositif pour contrôler la vitesse et le fonctionnement d’un moteur industriel. Le contrôle de la vitesse d’un moteur lui permet de répondre aux exigences du processus tout en utilisant un minimum d’énergie. Un contrôleur de moteur peut également protéger le moteur et fournir un contrôle plus précis de l’application.

Types de moteurs industriels

Fondamentalement, un moteur électrique est une machine qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique. Cette transformation est obtenue grâce à l’interaction entre un champ magnétique dans la partie mobile du moteur (le rotor) et un courant électrique dans l’enroulement de la bobine au niveau de la partie fixe du moteur (le stator).

Il existe trois types principaux de moteurs industriels :

  • DC
  • À induction AC
  • Synchrone AC

Moteurs DC

Les moteurs DC sont le plus souvent utilisés dans les jouets, les véhicules électriques, les monte-charges et les ascenseurs. Pour les processus industriels, ils ont été largement supplantés par les moteurs AC.

Un moteur AC simple se compose de deux parties principales : un ensemble fixe d’aimants dans le stator et un rotor constitué d’une armature dotée d’un ou de plusieurs enroulements de fil isolé enroulés autour d’un noyau en fer doux. Cette disposition est conçue pour concentrer le champ magnétique.

Les extrémités des enroulements sont connectées à un commutateur rotatif qui inverse périodiquement le sens du courant entre le rotor et le circuit externe. Cela permet à chaque bobine dans l’armature d’être alimentée à son tour. Cela relie également les bobines rotatives à l’alimentation externe via des contacts appelés balais.

Les bobines sont allumées et éteintes en séquence pour produire un champ magnétique rotatif. Ces champs magnétiques interagissent avec les champs magnétiques des aimants du stator, qui peuvent être des aimants permanents ou des électroaimants. Cela crée à son tour un couple sur l’armature, la faisant tourner.

Une alternative aux balais consiste à utiliser des moteurs DC sans balais qui activent et désactivent le courant de chaque bobine à l’aide du système électronique.

La vitesse de fonctionnement des moteurs DC peut être contrôlée en ajustant la tension appliquée à l’armature.

Le flux d’énergie stable des moteurs DC les rend parfaitement adaptés aux applications nécessitant une vitesse et un couple constants, comme les équipements pivotants des aciéries et les machines à papier.

Moteurs à induction AC

Un moteur à induction AC, également connu sous le nom de moteur asynchrone, utilise les champs magnétiques dans l’enroulement du stator pour induire un courant électrique dans l’enroulement du rotor. Ces courants induits dans le rotor créent à leur tour des champs magnétiques dans le rotor.

Le rotor d’un moteur à induction tourne plus lentement que le champ du stator, d’où le terme asynchrone. Le champ magnétique du stator varie donc en fonction du rotor, induisant un courant opposé dans le rotor.

Pour s’opposer à la variation des courants d’enroulement du rotor, le rotor commencera à tourner dans le sens du champ magnétique du stator rotatif. Cet effet d’induction signifie qu’un moteur à induction ne nécessite aucun raccordement électrique au rotor.

Le rotor d’un moteur à induction peut être de deux types : bobiné ou à cage d’écureuil. Les moteurs triphasés à cage d’écureuil sont largement utilisés dans l’industrie pour leur fiabilité et leur efficacité. Ils offrent également l’avantage d’être autonomes.

Moteurs synchrones AC

Un moteur synchrone est un moteur électrique AC dont l’arbre tourne à la fréquence du courant d’alimentation. Cela signifie que la période de rotation correspond à un nombre entier de cycles AC.

Le stator est doté d’un certain nombre d’électroaimants AC multiphases. Ceux-ci sont constitués d’un enroulement triphasé alimenté en 3 phases créant un champ magnétique dont la rotation est synchronisée avec les oscillations du courant de ligne. Le rotor est soit doté d’aimants permanents soit d’électroaimants et est alimenté en courant continu.

Un moteur synchrone fonctionne grâce aux interactions des champs magnétiques du stator et du rotor. L’enroulement triphasé du stator transportant des courants triphasés produit un flux magnétique rotatif triphasé. Le rotor se verrouille sur ce champ magnétique rotatif et tourne avec lui. Dans cet état, le moteur est dit en synchronisation.

Une fois le moteur démarré, sa vitesse ne dépend que de la fréquence d’alimentation. Par exemple, à 120 Vac et avec une fréquence de 60 Hz, un moteur synchrone AC tournera à 72 tr/min. Cette vitesse de rotation peut être modifiée en changeant la fréquence avec un variateur de fréquence (VFD - Variable Frequency Drive), également connu sous le nom de variateur de vitesse (VSD - Variable Speed Drive).

Comme ils subissent des changements d’énergie continus, les moteurs AC sont le choix préféré pour des applications telles que les compresseurs, les circuits hydrauliques et les pompes d’irrigation.

Autres moteurs

Deux autres types de moteurs sont couramment utilisés dans les applications industrielles, notamment le servomoteur et le moteur pas à pas.

Un servomoteur prend la forme d’un actionneur rotatif ou linéaire. Il peut être commandé pour adopter une position, une vitesse ou une accélération précise, angulaire ou linéaire. Un servomoteur se compose d’un moteur couplé à un capteur permettant d’obtenir un retour sur sa position et nécessite un module de contrôle dédié conçu pour une utilisation avec des servomoteurs.

Les servomoteurs sont souvent utilisés dans des applications telles que la robotique, les machines CNC et la fabrication automatisée. Les servomoteurs peuvent être alimentés en tension DC ou AC.

Les moteurs pas à pas sont un type de moteur électrique DC sans balais. Comme leur nom l’indique, ils divisent une rotation complète en plusieurs pas égaux et le moteur peut être commandé pour se déplacer vers l’un de ces pas et s’y maintenir.

Les moteurs pas à pas contrôlés par ordinateur sont généralement contrôlés numériquement dans le cadre d’un système en boucle ouverte pour une utilisation dans des applications nécessitant un maintien ou un positionnement.

Les moteurs pas à pas sont aujourd’hui les plus couramment utilisés dans des applications telles que les lecteurs de disquettes, les scanners à plat, les imprimantes informatiques, les traceurs, les machines CNC et les imprimantes 3D. Dans la plupart des applications industrielles, leur rôle a été supplanté par les servomoteurs.


Contrôleurs de moteur industriel

Contrôle de moteur AC industriel

Il existe plusieurs options pour contrôler les moteurs, la plus simple étant un démarreur progressif. Il s’agit d’un appareil utilisé avec les moteurs AC pour réduire temporairement la charge et le couple subis par le groupe motopropulseur ainsi que le pic de courant électrique produit par le moteur lors du démarrage. Le démarrage progressif réduit les contraintes mécaniques sur le moteur et l’arbre ainsi que les contraintes électriques sur les câbles et les raccordements, contribuant ainsi à prolonger sa durée de vie.

Un démarrage progressif peut être constitué de dispositifs mécaniques ou électriques. Les dispositifs mécaniques peuvent inclure des embrayages ou des raccords pour limiter le couple, tandis que les démarreurs progressifs électriques peuvent être utilisés dans n’importe quel système de contrôle pour réduire temporairement la tension ou le courant d’alimentation et ainsi couper le couple.

Une solution plus moderne et performante, qui offre également une grande flexibilité de contrôle, est le variateur de vitesse (VSD - Variable Speed Drive) ou le variateur de fréquence (VFD - Variable Frequency Drive). Le contrôle de moteur avec VFD fait varier la fréquence de l’alimentation CA du moteur. Comme la vitesse d’un moteur à induction dépend de la fréquence d’alimentation, les VFD peuvent être utilisés pour faire varier sa vitesse. Ils peuvent également être utilisés avec des moteurs synchrones.

Un VFD est un convertisseur de puissance qui utilise le système électronique pour convertir une fréquence fixe et une tension fixe en une fréquence variable et une tension variable. Il dispose généralement d’une interface utilisateur programmable qui permet de surveiller en toute facilité la vitesse du moteur électrique.

Dans la mesure où les variateurs réduisent la sortie d’une application, telle qu’une pompe ou un ventilateur, en contrôlant la vitesse du moteur, ils peuvent souvent réduire la consommation d’énergie de 50 % et jusqu’à 90 % dans les cas extrêmes.

Outre les économies d’énergie, le contrôle fourni par les VFD peut également apporter d’autres avantages. Par exemple, sur une extrudeuse, un VFD peut ne pas économiser beaucoup d’énergie, mais le contrôle et la régulation de la vitesse qu’il offre se traduiraient par une sortie de meilleure qualité.

Les VFD sont utilisés depuis de nombreuses années pour contrôler les vitesses et les couples des moteurs, en gérant les vitesses de ligne pour modifier les paramètres de production, notamment l’épaisseur, la formation de grains et l’étanchéité des enroulements. Ils trouvent également une utilisation dans les pompes, où ils résolvent des problèmes tels que les coups de bélier, la cavitation et le cisaillement des arbres au démarrage. Tous ces problèmes peuvent être atténués en faisant fonctionner le moteur avec un VFD.

Le nombre de moteurs conçus pour être utilisés avec des VFD a considérablement augmenté au cours des dernières années. Les variateurs ont également proliféré, avec de nombreuses versions spéciales conçues pour fonctionner spécifiquement avec des pompes ou des ventilateurs. Il est donc difficile d’obtenir la bonne combinaison d’entraînement et de moteur. Adapter le variateur proposé au moteur permettra d’obtenir la solution de la bonne taille, en évitant le surdimensionnement qui peut entraîner une augmentation des coûts, un plus grand encombrement et une plus grande empreinte environnementale.

Contrôleurs de moteur DC

Les contrôleurs de moteur DC diffèrent selon les caractéristiques du moteur et le type de contrôle qu’ils fournissent, comme le type de moteur et la tension de fonctionnement, le type de régulation de puissance, le type de signal de contrôle, la puissance du moteur et le type de commande.

Par exemple, un moteur DC sans balais (BLDC - brushless DC) possède un commutateur électronique sans balais. Un contrôleur de moteur BLDC pour ce moteur utilise des capteurs pour détecter la position du moteur et commute le courant dans l’enroulement à l’aide de transistors.

Un contrôleur de moteur DC à balais (BDC - brushed DC) régule la vitesse et le couple en modifiant la puissance du moteur, à l’aide d’un régulateur de tension linéaire ou à découpage. Un régulateur linéaire fournit une tension de sortie stable, indépendante de la tension d’alimentation qui lui est fournie par une source d’alimentation. Un régulateur à découpage utilise la modulation de largeur d’impulsion (PWM - Pulse-Width Modulation), fournissant une tension par impulsions. Cela signifie que nous pouvons réguler la vitesse du moteur en ajustant les rapports cycliques des impulsions. Offrant une meilleure efficacité et une faible perte de puissance, la PWM est largement utilisée dans le contrôle de la vitesse des moteurs DC.

Contrôle de servomoteur industriel

Dans un servomoteur, le contrôle est appliqué via une boucle de retour entre le moteur et le contrôleur. La position et la vitesse du moteur sont détectées par des encodeurs intégrés au moteur.

Les servomoteurs sont entraînés par un signal de modulation de largeur d’impulsion (PWM - Pulse-Width Modulation) envoyé via le fil de commande pendant que le moteur est alimenté. Le rotor du servomoteur tournera à un angle particulier en fonction de la largeur d’impulsion. Cela signifie que le rapport cyclique déterminera la position finale de l’arbre.

L’un des grands avantages d’un servomoteur est sa capacité à maintenir sa position entre les pas d’actionnement. Si une force externe éloigne le rotor de sa position stationnaire commandée, l’encodeur détectera cette déviation et forcera le contrôleur à fonctionner en s’opposant à la force externe, maintenant la position du rotor stable.

Contrôle de moteur pas à pas industriel

Un pilote de moteur pas à pas contrôle un moteur pas à pas en contrôlant sa position exacte sans utiliser de système de retour. Ces types de pilotes emploient généralement un contrôle de courant variable ainsi que plusieurs résolutions de pas.

Ils comprennent des transformateurs fixes pour permettre au moteur d’être contrôlé avec des alimentations dans les deux sens et à pas. Ce sont les signaux principaux. Ils peuvent être facilement fournis par un microcontrôleur peu coûteux tel qu’un Arduino ou un Raspberry Pi.

Le signal de direction, lorsqu’il est réglé sur un niveau logique élevé (+5 V), indique au moteur dans quelle direction se déplacer. En fonction de la phase de chargement, le moteur tournera dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Lorsque le signal est réglé sur bas (GND), le moteur se déplacera dans la direction opposée.

Le signal de pas détermine la résolution de pas. S’il est réglé en mode de pas complet, le moteur passera d’une position de pas à la suivante. Cependant, s’il est réglé en mode demi-pas, le moteur fera un demi-pas.

Récapitulatif

En tant qu’élément indispensable de l’industrie, les moteurs électriques jouent un rôle vital dans la fabrication, la transformation et le transport de biens et de matériaux. Du broyage et du mélange aux convoyeurs, refroidisseurs, compresseurs et bien d’autres applications, les moteurs sont le pilier de la production moderne.

En plus de fournir la « force brute » pour des mouvements simples, les moteurs doivent également être contrôlés pour apporter la contribution la plus efficace à un processus de fabrication. Le contrôle d’un moteur avec le bon entraînement lui permet d’atteindre une efficacité énergétique maximale, assure une durée de vie prolongée et contribue au contrôle précis des processus, permettant une production de haute qualité.

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