Applications de contrôle de moteur
Où utilise-t-on les moteurs ?
Les moteurs sont utilisés dans une large gamme d’équipements industriels, notamment les pompes, les ventilateurs, les convoyeurs, les robots, les élévateurs, les mélangeurs, les broyeurs et les centrifugeuses. Cette utilisation généralisée signifie que les systèmes de moteurs industriels représentent souvent environ 70 % de l’électricité consommée par l’industrie de la fabrication dans différents pays.
Quelles sont les applications de contrôle de moteur ?
Le contrôle de moteur est utilisé pour modifier la vitesse ou le couple des moteurs afin de répondre aux besoins du processus ou de la machine entraîné(e) par le moteur. Les applications de contrôle de moteur peuvent inclure des cellules robotisées, des équipements de manutention, des systèmes CVC, des équipements de traitement dans l’industrie des produits alimentaires et des boissons, ainsi que des supports pour des produits unitaires tels que le métal et le papier. Le contrôle garantit que le moteur fonctionne à la bonne vitesse pour le processus, permettant d’économiser de l’énergie, de protéger les matériaux et les machines contre les dommages et de garantir une production de haute qualité.
Types de contrôle de moteur
Il existe plusieurs types de moteurs, chacun contrôlé de différentes manières.
Moteurs DC à balais
Les moteurs DC à balais sont l’un des types de moteurs les plus anciens et les plus simples. Un moteur DC simple se compose de deux parties principales : un ensemble fixe d’aimants dans le stator et un rotor constitué d’une armature. Les moteurs DC offrent généralement de meilleures performances à basse vitesse qu’un moteur AC similaire et peuvent être contrôlés avec précision à un niveau allant jusqu’à 5 à 7 % de la vitesse nominale. Les contrôleurs de ces moteurs se composent généralement d’un processeur, d’un pilote de moteur, d’un convertisseur analogique-numérique et d’un encodeur.
Moteur DC sans balais
Un moteur DC sans balais (BLDC - Brushless DC) est doté d’un rotor avec des aimants permanents et d’un stator qui contient les enroulements. Dans un moteur BLDC, le système électronique est utilisé pour activer et désactiver le courant vers chaque bobine. La vitesse de fonctionnement des moteurs DC peut être contrôlée en ajustant la tension appliquée à l’armature.
Moteur à induction AC
Les moteurs à induction AC représentent plus de 80 % de tous les moteurs. Dans un moteur à induction, l’enroulement du stator induit un courant dans le rotor de la même manière qu’un transformateur. Ce moteur est également appelé moteur asynchrone, car le rotor tourne aussi à une vitesse plus faible que le champ. Le rotor tournera à une vitesse constante à moins qu’un variateur de fréquence (VFD - Variable Frequency Drive) ne soit utilisé.
Moteur synchrone à aimants permanents (PMSM - Permanent magnet synchronous motor)
Un moteur synchrone à aimants permanents combine le rotor d’un moteur DC sans balais et le stator d’un moteur à induction AC. La vitesse de rotation d’un PMSM peut être modifiée en faisant varier la fréquence avec un VFD, également connu sous le nom de variateur de vitesse (VSD - Variable Speed Drive). Avec des aimants permanents, le PMSM peut générer un couple à vitesse nulle. Les PMSM sont généralement utilisés dans les variateurs de moteurs à haute performance et à haute efficacité. Ils peuvent obtenir une rotation en douceur sur toute leur plage de vitesse, un contrôle total du couple à vitesse nulle, ainsi qu’une accélération et une décélération rapides.
Moteur pas à pas
Les moteurs pas à pas possèdent peu de pièces mobiles, ce qui les rend peu coûteux et robustes. Comme leur nom l’indique, les moteurs pas à pas sont utilisés pour passer, pas à pas, à un certain nombre de positions discrètes, plutôt que de tourner en continu. Ils sont facilement contrôlés par ordinateur, les impulsions numériques étant converties en pas fixes.
Servomoteur
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 également un module de contrôle dédié conçu pour une utilisation avec des servomoteurs. Les servos sont contrôlés via la modulation de largeur d’impulsion, qui consiste à envoyer une impulsion électrique de largeur variable à travers le fil de commande.
Applications des variateurs de moteur
La grande majorité des modèles utilisés dans l’industrie étant des moteurs AC, la plupart des applications de contrôle de moteur seront exécutées par des VFD.
Les VFD se situent entre l’alimentation électrique et le moteur. La puissance de l’alimentation électrique entre dans le variateur, qui régule ensuite la puissance fournie au moteur.
Dans le variateur, il y a un redresseur qui convertit le courant AC entrant en courant DC. Il est ensuite lissé par un réseau de condensateurs, puis passe à un onduleur, qui transforme le courant DC en courant AC pour alimenter le moteur.
Cela permet au variateur d’ajuster la fréquence et la tension envoyées au moteur pour correspondre à la demande du procédé. Les moteurs AC peuvent donc fonctionner à la vitesse ou au couple corrects en fonction de la demande, ce qui permet d’économiser potentiellement de grandes quantités d’énergie.
Un VFD contrôle soit le couple soit la vitesse en mode « contrôle de couple » ou « contrôle de vitesse ». Lorsque le VFD fonctionne en mode de contrôle de couple, la vitesse est déterminée par la charge. Lorsqu’il fonctionne en contrôle de vitesse, le couple est déterminé par la charge.
Les charges à couple variable offrent le plus grand potentiel d’économie d’énergie et d’amélioration de l’efficacité. Ces charges comprennent les pompes, les ventilateurs et les centrales de traitement d’air.
La contrôlabilité des VFD et leur capacité à recevoir de l’alimentation des capteurs dans l’environnement ou dans le processus font qu’ils sont largement utilisés dans de nombreux types d’applications de contrôle industriel. Celles-ci peuvent aller de la manipulation de produits alimentaires délicats tels que les tomates, au refroidissement et à la régulation de l’oxygène dans les processus industriels lourds tels que la fabrication de l’acier. En raison de cette capacité à contrôler les processus en faisant varier la vitesse des moteurs qui les alimentent, ils sont souvent appelés également variateurs d’automatisation industrielle.
Contrôle de moteur DC PLC
Les moteurs DC sont plus facilement actionnés via des relais. Un relais électromécanique (EMR - electromechanical relay) est fondamentalement un interrupteur actionné par un électroaimant. Le relais active ou désactive un circuit de charge en fournissant de l’énergie à l’électroaimant, qui à son tour ouvre ou ferme des contacts connectés en série avec une charge. Les relais sont généralement utilisés pour contrôler de petites charges de 15 A ou moins.
Un relais possède deux circuits, l’entrée de bobine (également appelée circuit de commande) et la sortie de contact (le circuit de charge). Dans les circuits de moteur, les EMR sont souvent utilisés pour contrôler les bobines des contacteurs et des démarreurs du moteur.
Un relais ne possède généralement qu’une seule bobine, mais il peut avoir de nombreux contacts différents. Les EMR ont à la fois des contacts fixes et mobiles, les contacts mobiles étant fixés à l’armature. Les contacts sont désignés comme normalement ouverts (NO - Normally Open) et normalement fermés (NC - Normally Closed). Lorsque la bobine est alimentée, un champ électromagnétique se forme, provoquant le déplacement de l’armature, fermant les contacts NO et ouvrant les contacts NF.
Les bobines sont généralement désignées par une lettre : M est utilisé pour un démarreur de moteur (Motor starter) et CR est utilisé pour les relais de commande (Control Relays). Les contacts de relais de contrôle sont petits, car ils n’ont besoin que de gérer les petits courants utilisés dans les circuits de contrôle, ce qui leur permet de contenir de nombreux contacts isolés.
Un appareil similaire à un EMR est un contacteur, la principale différence étant la taille et le nombre de contacts. Les contacteurs sont destinés à un raccordement direct aux dispositifs de charge à courant élevé. Les appareils commutant plus de 15 A ou dans des circuits évalués à plus de quelques kilowatts sont généralement décrits comme des contacteurs.
La variation de fréquence offre un certain nombre d’avantages :
- Meilleure efficacité opérationnelle
Avec les variateurs, le contrôle des systèmes de production peut être automatisé, car le variateur peut faire partie d’un système de contrôle en boucle fermée. Cela réduit le besoin de travail manuel, ce qui permet d’économiser des heures de travail et des coûts de main-d’œuvre - Économies au niveau des coûts énergétiques
En faisant fonctionner les moteurs à charge partielle pour répondre à la demande, les VFD n’utilisent que la quantité d’énergie nécessaire, ce qui permet de réduire jusqu’à 50 % la consommation d’énergie - Économies au niveau des dépenses en capital
Avec une réduction immédiate de la consommation électrique, des délais de récupération rapides peuvent être atteints, seulement quelques mois après l’installation dans certains cas - Économies au niveau des coûts de maintenance et des pièces de rechange
L’utilisation de VFD entraîne moins de contraintes sur l’équipement mécanique lors du démarrage et du fonctionnement, ce qui prolonge la durée de vie de l’équipement
Applications de contrôle de ventilateurs
L’une des principales utilisations des VFD est dans le contrôle de la vitesse des ventilateurs industriels. Les ventilateurs sont largement utilisés dans des applications allant du CVC (chauffage, ventilation et climatisation) dans les propriétés commerciales, industrielles et résidentielles, au contrôle de la vitesse du ventilateur pour refroidir le clinker dans la production de ciment et à la régulation de la température des fours pour la production de produits de boulangerie.
L’utilisation des VFD dans le contrôle de la vitesse des ventilateurs industriels offre un certain nombre d’avantages. En plus d’un contrôle précis du débit d’air, les VFD contribuent également à réduire le bruit des ventilateurs et à prolonger la durée de vie de ces derniers. En plus de réduire la consommation d’énergie, les VFD permettent également de démarrer les ventilateurs alors qu’ils tournent, évitant ainsi d’avoir à arrêter complètement le ventilateur avant de le redémarrer. Ils offrent également une protection contre les pertes de puissance. Lors d’une baisse de la tension d’alimentation, le variateur ordonne au ventilateur de ralentir et utilise l’énergie régénérative pour rester en mouvement et maintenir le contrôle du ventilateur.
Un VFD peut être utilisé pour faire varier la vitesse d’un compresseur afin de répondre à la demande, et également réagir rapidement à la demande pour éviter de maintenir une pression de refoulement élevée en réserve.
Contrôle des moteurs pour les pompes
Les pompes sont utilisées dans toute l’industrie, des processus tels que la production pétrochimique, au pétrole et au gaz, aux produits alimentaires et boissons et au traitement de l’eau et des eaux usées. La nature de ces fluides pompés varie considérablement en termes de composition, de densité, de débits volumiques et de niveaux de pression. Ils nécessitent donc des performances et des paramètres de contrôle différents des pompes utilisées pour les déplacer.
Les applications nécessitant des débits variables, par exemple pour satisfaire les demandes en eau des consommateurs à différents moments de la journée ou adapter des conditions de traitement et de contrôle de la qualité de l’eau dans une usine de traitement de l’eau, nécessiteront un VFD. Cependant, certaines applications de moteur de pompe peuvent ne pas nécessiter de vitesse variable et, à la place, combiner un moteur IE3 à rendement plus élevé avec un démarreur en ligne direct, un démarreur étoile-triangle qui peut limiter le courant d’appel ou un démarreur progressif.
Les démarreurs progressifs peuvent également réduire le risque de coup de bélier, une condition dans laquelle des surpressions se produisent dans le fluide lorsque la pompe est activée ou désactivée. Ces coups de bélier peuvent endommager les joints et finalement conduire à des fuites des tuyaux ou des cuves. Les VFD, avec leur capacité à augmenter la vitesse des moteurs des pompes, sont également un très bon moyen d’éviter les coups de bélier.
Contrôle de moteur pour l’automatisation industrielle
Les systèmes d’automatisation industrielle sont utilisés dans plusieurs applications : produits alimentaires et boissons, emballage, systèmes logistiques, production de papier, machines-outils et robots. Étant donné que les VFD peuvent faire partie d’un système en boucle fermée, utilisant les données des capteurs sur la machine, les traitant et transmettant une commande au moteur, ils peuvent constituer le cœur d’un système d’automatisation. Ils peuvent soit effectuer une fonction de contrôle autonome particulière sur une machine ou une cellule, soit faire partie d’un système de contrôle plus large, recevant des données d’autres sections de la ligne ou d’opérateurs humains dans la salle de contrôle.
Les avantages d’inclure les VFD dans la boucle d’automatisation sont d’abord les économies d’énergie qu’ils peuvent apporter. Grâce au contrôle précis de la vitesse qu’ils peuvent apporter aux moteurs, les VFD peuvent également améliorer la qualité en s’assurant que les équipements, tels que les lignes d’embouteillage, fonctionnent à la bonne vitesse pour éviter tout dommage. Ils peuvent également alimenter le matériel au bon rythme pour éviter les arriérés ou une pénurie d’éléments sur un travail en cours, aidant ainsi à atteindre les objectifs de productivité.
Un exemple d’amélioration de la productivité est une solution pour un producteur de tomates qui a utilisé des VFD d’ABB. L’entreprise devait emballer les tomates plus rapidement et avec plus de précision tout en effectuant une inspection de la qualité des tomates.
Un système de convoyage a été conçu à l’aide de servomoteurs et d’entraînements de machines aux performances élevées. Ce système contrôlait la vitesse des convoyeurs de manutention des tomates, en la faisant correspondre à la vitesse de la machine d’emballage. Cela garantissait que les tomates étaient emballées rapidement et avec précision. Un simple entraînement fait tourner les rouleaux sur les convoyeurs, ce qui permet de retourner automatiquement les tomates et d’en contrôler la qualité.
Les convoyeurs d’alimentation sont chacun entraînés par un variateur sur la machine aux performances élevées. Disposé en configuration maître-esclave, le maître reçoit un signal de l’encodeur de la station d’emballage. Le variateur sait à quelle étape se trouve l’emballeuse dans son cycle et contrôle les moteurs du convoyeur pour s’assurer que les tomates arrivent à l’emballeuse au bon moment.
La solution permet une cadence moyenne d’emballage de 70 à 80 paquets par minute, soit le double du nombre atteint par le système purement mécanique.
Dans les faits, les convoyeurs sont une application de contrôle très courante à l’aide de moteurs contrôlés par VFD. Les convoyeurs peuvent devoir se déplacer dans une ou deux directions, démarrer ou s’arrêter fréquemment, ou s’arrêter à des positions exactes pour permettre des tâches de précision telles que le transvasement de médicaments dans des flacons. Les VFD peuvent répondre à toutes ces exigences de mouvement.
Les pompes et les ventilateurs font également souvent partie du contrôle des moteurs d’automatisation industrielle. Par exemple, lorsqu’un capteur envoie des informations sur la température, un VFD peut allumer ou éteindre un ventilateur pour atteindre la température de cuisson correcte dans un four. De même, les capteurs de niveau peuvent alimenter le VFD avec des données sur le niveau de fluide dans un réservoir, permettant au VFD d’allumer ou d’éteindre une pompe pour maintenir le niveau dans les limites spécifiées et maintenir la quantité correcte d’eau ou d’autres fluides pour alimenter un processus .
Contrôle de moteur robotique
Les robots sont évidemment de grands utilisateurs de moteurs pour obtenir un mouvement précis dans une gamme d’applications qui incluent le « pick and place » (prélèvement et placement), la manutention, l’inspection des composants, la peinture et le soudage de précision.
Les mouvements requis peuvent être rotatifs ou linéaires et les pilotes de moteur de robot s’appuient sur quatre types de moteurs pour réaliser ces différents mouvements.
Servomoteur robotique
Les servomoteurs sont fondamentalement des actionneurs rotatifs ou linéaires utilisés par les applications robotiques pour faire tourner ou pousser des sections de la structure du robot avec une exactitude et une précision élevées. Les servos utilisent des moteurs réguliers, mais avec l’ajout d’un capteur pour fournir un retour sur sa position. Un servomoteur robotique fera partie d’un système en boucle fermée avec des composants tels qu’un arbre, des engrenages et un circuit de contrôle.
Moteurs linéaires
Les moteurs linéaires sont fondamentalement des moteurs à induction qui produisent un mouvement linéaire plutôt qu’un mouvement de rotation. Ils utilisent une alimentation AC et un servocontrôleur, souvent les mêmes que ceux utilisés dans les servomoteurs rotatifs.
Moteurs d’axe
Les moteurs d’axe sont de petits moteurs électriques de haute précision utilisés pour faire tourner un arbre ou un axe. Ils prennent généralement la forme d’un moteur pas à pas à arbre creux et, dans les applications robotiques, sont utilisés pour des tâches telles que le perçage, le fraisage, la gravure et l’ébavurage.
Moteurs pas à pas
Les moteurs pas à pas apportent un haut degré de précision aux mouvements robotiques grâce à leur capacité à produire des pas à angle précis qui est une sous-division d’une rotation complète de l’arbre du moteur. Un positionnement très précis peut être obtenu avec des moteurs pas à pas utilisant des pas contrôlés numériquement par ordinateur, ce qui les rend idéaux pour contrôler les plateformes de caméra, les traceurs X-Y et d’autres sous-systèmes qui trouvent une utilisation dans les applications robotiques.
Contrôle de moteur d’ascenseur
Les ascenseurs sont de grands consommateurs d’énergie, mais, en utilisant le bon type de contrôle de moteur, une grande partie de cette énergie peut être réutilisée pour d’autres escaliers mécaniques ou d’autres charges électriques sur le réseau.
Lorsqu’un ascenseur monte avec une charge légère et descend avec une charge lourde, le système génère plus d’énergie qu’il n’en utilise. Dans un entraînement d’ascenseur traditionnel, cet excès d’énergie est perdu sous forme de chaleur. En revanche, utiliser un variateur régénératif capture cette énergie pour la réutiliser : lorsque la cabine d’ascenseur descend, le moteur qui l’a soulevée agit comme un générateur, transformant la puissance mécanique en puissance électrique pour d’autres charges. Les variateurs régénératifs peuvent réduire l’énergie utilisée par les systèmes d’ascenseurs d’un bâtiment jusqu’à 70 %.
Véhicules électriques et VEH
Les véhicules électriques (VE) et les véhicules électriques hybrides (VEH) sont un marché en pleine croissance pour le contrôle de moteur. Bien que les batteries soient constamment améliorées, l’anxiété d’autonomie reste une préoccupation pour les conducteurs et donc tout système qui peut économiser la durée de vie de la batterie est utile. Comme pour les ascenseurs, les VE peuvent utiliser le freinage régénératif, convertissant le mouvement mécanique des roues qui tournent en énergie électrique en utilisant le moteur comme générateur. Cela ralentit également la voiture, car l’énergie est consommée par les roues qui font tourner l’arbre du moteur.
Les véhicules modernes utilisent également les moteurs dans de nombreuses autres applications, notamment la direction assistée, les portes automatiques, les fenêtres et les rétroviseurs.
Autres applications de contrôle de moteur industriel
En plus des exemples ci-dessus, le contrôle de moteur industriel est utilisé dans un large éventail d’autres applications, notamment les grues, où les VFD peuvent désormais être utilisés pour contrôler toutes les sections motorisées de la grue, y compris la rotation du monte-charge, du pont, du chariot et du crochet. L’utilisation des VFD évite les arrêts et démarrages brusques sur le pont et le chariot, évitant ainsi une usure excessive des composants tels que les raccords, les boîtes de vitesses, les roues et les supports structurels. Une technologie de VFD particulière qui est très bénéfique pour le contrôle des grues est le contrôle direct du couple (DTC - Direct Torque Control). Il permet de maintenir complètement le couple à vitesse nulle pour maintenir une charge suspendue à une hauteur définie. Il réagit également plus rapidement que les autres technologies pour garder sous contrôle les charges oscillantes.
Les machines CNC sont également de grandes utilisatrices de moteurs. De nombreuses machines CNC à usage général utilisées pour un large éventail de tâches telles que le perçage, l’alésage et le fraisage sont dotées de moteurs comportant jusqu’à six axes. Cela permet à un outil de coupe d’effectuer une grande variété d’opérations le long de trois axes linéaires et de trois axes de rotation.
Le contrôle de moteur est également largement utilisé dans les domaines militaire et avionique. Par exemple, le « Fly-by-Wire » implique l’activation des gouvernes de vol via des moteurs qui sont commandés pour fonctionner via des signaux électriques provenant des contrôles du pilote plutôt que par la méthode traditionnelle de fils et de poulies physiquement connectés. Cela permet une réponse beaucoup plus rapide, avec moins d’effort du pilote. Il permet également l’introduction de techniques telles que la stabilité artificielle où la cellule est conçue pour être délibérément instable. L’ordinateur embarqué commande aux gouvernes de s’ajuster pour maintenir la stabilité, améliorant considérablement les temps de réponse et l’agilité de l’avion.
Une autre utilisation majeure des moteurs et de leurs contrôleurs se situe dans le domaine médical. Les pompes à perfusion utilisées pour administrer des fluides tels que des nutriments et des médicaments dans le corps d’un patient sont courantes. Parmi les utilisations importantes, on trouve également le déplacement d’équipements de scans médicaux tels que les scanners IRM et CAT.
L’importance du contrôle de moteur industriel
Avec autant de moteurs utilisés dans l’industrie, exécutant autant de tâches, les contrôler correctement est d’une importance vitale.
Un contrôle de moteur correct peut apporter un large éventail d’avantages pour le processus et la machine contrôlée. L’un des principaux avantages est l’efficacité énergétique. En contrôlant la vitesse du moteur pour répondre aux exigences du processus, la consommation d’énergie peut être considérablement réduite. On pourrait effectuer une comparaison avec l’absence de contrôle de la vitesse, où les moteurs doivent tourner à la vitesse maximale, en utilisant la pleine puissance, quelles que soient les exigences réelles du processus. Les technologies régénératives sont également utiles dans certaines applications, permettant au freinage mécanique de faire fonctionner le moteur en tant que générateur et ainsi de fournir une puissance supplémentaire qui serait autrement gaspillée sous forme de chaleur.
Certains moteurs tels que les moteurs pas à pas offrent également un haut degré de précision, offrant la possibilité d’avancer par petits incréments précis pour obtenir un positionnement précis. Ceci est particulièrement utile dans les applications robotiques où les pinces doivent être placées avec précision au-dessus des composants et la pince elle-même doit être déplacée pour saisir les composants, dont certains peuvent être délicats. Les servomoteurs peuvent également être utilisés pour déplacer les mécanismes de mise au point de la caméra afin d’assurer une capture précise des informations visuelles pour le robot.
Les applications motorisées comportent certains risques de blessure pour les opérateurs ou de dommages à l’équipement ou au matériel, la sécurité est donc une préoccupation primordiale dans le contrôle de moteur. Par exemple, un moteur peut subir une coupure de courant, l’amenant à s’arrêter. Si l’alimentation est ensuite rétablie de manière inattendue, le moteur peut démarrer dans une position dangereuse ou blesser les personnes qui travaillent dessus. Pour éviter ces résultats, les VFD peuvent utiliser des fonctions de sécurité telles que le Safe Torque Off (STO) qui amènent un variateur en toute sécurité à un état sans couple et empêchent un démarrage inattendu de la machine entraînée.
De la même manière, les PLC contribuent à la sécurité des moteurs grâce à leur programmation en schéma à contacts. Cela permet au PLC d’être programmé pour répondre à l’alimentation entrante des commutateurs et des capteurs. De cette façon, le programmeur peut s’assurer que le PLC ne fournira le signal de mise en marche du moteur que si certaines conditions de sécurité sont remplies.
Le contrôle du moteur joue également un rôle très important dans la protection du moteur et de l’équipement entraîné contre les dommages, contribuant à une fiabilité et une sécurité accrues, tout en maximisant le temps de production et en minimisant les efforts et les coûts de maintenance. Par exemple, l’utilisation de VFD entraîne moins de contraintes sur l’équipement mécanique lors du démarrage et du fonctionnement, ce qui prolonge la durée de vie de l’équipement. Les VFD peuvent également être programmés pour éviter d’entraîner des équipements tels que des broyeurs et des mélangeurs au-delà des limites de couple définies, protégeant ainsi les moteurs et la machine elle-même contre les dommages.
Choisir la bonne méthode de contrôle pour le moteur et le processus joue donc un rôle crucial dans le bon fonctionnement des processus industriels, garantissant une longue durée de vie, un fonctionnement sûr et des coûts optimisés.
