Dans une certaine mesure, la plupart des commandes automatiques impliquent la commande de moteurs, en particulier dans l'automatisation industrielle. Les applications telles que les pompes, les ventilateurs, les robots et les bandes transporteuses utilisent toutes des moteurs. Qu'il s'agisse d'un moteur à courant alternatif triphasé général, idéal pour les systèmes de commutation simples, ou d'un moteur de charge à onduleur spécialement conçu pour fonctionner avec des variateurs de fréquence (vfd), on peut dire que les moteurs sont omniprésents dans presque toutes les industries manufacturières. Vérifiez les différents types de commandes de moteur AC disponibles.
Options de contrôle du moteur AC
Bien qu'il existe différents types de moteurs dans différentes situations, la taille du moteur est différente pour s'adapter à différentes charges. Différentes tailles de moteur entraînent différents schémas de démarrage du moteur. Les petits moteurs à usage général sont généralement connectés au circuit d'alimentation principal via un disjoncteur principal ou un fusible. Le contacteur active et désactive l'alimentation du moteur, tandis que la surcharge protège l'équipement entraîné par le moteur contre les surintensités/surchauffes accidentelles, qui peuvent être causées par un blocage ou un dysfonctionnement.
1. Démarrez le cavalier du moteur AC
Comme son nom l'indique, lorsque le circuit est sous tension, le démarreur de moteur transversal applique immédiatement la pleine tension, le courant et le couple au moteur. Dans l'industrie, les démarreurs de moteur constituent la méthode de démarrage la plus courante pour les moteurs à lignes croisées. Généralement, un démarreur de moteur comprend un contacteur pour ouvrir ou fermer le flux d'énergie vers le moteur et un relais de surcharge pour protéger le moteur des surcharges thermiques.
En cas de panne du contacteur, une tension est appliquée à la bobine qui ferme les contacts. Lorsque la bobine est alimentée, les contacts sont fermés et restent fermés jusqu'à ce que la bobine soit mise hors tension. Le moteur étant un dispositif à induction, il est plus difficile de couper le courant (magnétisation, ou génération de moteur et de couple, ou charge) que de l'appliquer. Par conséquent, le contacteur doit avoir une puissance nominale et un courant nominal.
Pour protéger le moteur des surintensités dans chaque phase, le relais de surcharge comporte trois éléments de détection de courant. Si le courant de surcharge dépasse suffisamment longtemps le temps réglé du relais, un ensemble de contacts s'ouvrira pour protéger le moteur contre les dommages.
Le démarreur à commutation inverse la rotation de l'arbre d'un moteur triphasé en échangeant les deux phases qui alimentent le moteur. Le démarreur magnéto inverseur est doté de contacteurs avant et arrière dans le cadre de l'assemblage. S'assurer que les contacteurs avant et arrière ne sont jamais contactés simultanément nécessite des verrouillages électriques et mécaniques.
Habituellement, le circuit de démarrage du moteur à courant alternatif peut être contrôlé par un simple bouton ou un signal à distance, tel qu'un automate programmable (PLC).
Lorsque le moteur à lignes transversales est démarré, l'application peut fonctionner à la vitesse maximale du moteur, lorsque la vitesse et la chute de tension/valeur de crête ne constituent pas un problème. Les démarreurs de moteur sont généralement utilisés pour les moteurs plus petits et les utilisateurs n'ont pas besoin des effets d'adoucissement électriques et mécaniques des démarreurs progressifs.
2. Le démarreur progressif minimise les chocs électriques et mécaniques
L’utilisation de démarreurs progressifs présente des avantages tant sur le plan électrique que mécanique. Lorsque le moteur démarre sur toute la ligne, un choc soudain de 0 tr/min à la pleine vitesse de 1 800 ou 3 600 tr/min sera ressenti à travers la charge mécanique connectée sur la ligne, produisant généralement 6 à 10 fois le courant d'ampère à pleine charge (FLA). Le démarreur progressif peut réduire la charge du moteur, le courant qu'il utilise et l'impact sur les machines en aval.
L'électricité ne fait aucune différence lorsque le service public démarre un moteur de 1 cheval-vapeur sur la ligne. Mais il subsiste un certain impact mécanique sur les équipements en aval. Cependant, le démarrage d'un moteur de 300 chevaux attirera l'attention de la compagnie d'électricité. Les pointes au mauvais moment de la journée peuvent entraîner des frais. Les moteurs plus gros exercent un impact mécanique plus important sur les équipements en aval. L’avantage de l’utilisation d’un démarreur progressif est qu’il n’endommagera pas les machines en aval et que la compagnie d’électricité ne facturera pas ces énormes courants d’appel de pointe.
Le démarreur progressif utilise la tension pour contrôler le courant et le couple. Le couple moteur est proportionnel au carré de la tension appliquée. Le courant au démarrage est directement lié à la tension appliquée au moteur. Dans la plupart des démarreurs progressifs, le démarrage et l'arrêt du moteur sont constitués de trois paires de redresseurs commandés au silicium (SCR) dos à dos, qui correspondent aux trois phases du moteur. La direction dos à dos du thyristor peut contrôler la tension alternative en modifiant l'angle d'allumage tous les demi-cycles. Généralement, une tension totale ou une tension de limitation de courant est utilisée comme tension de démarrage.
La vitesse du moteur attire le contacteur de dérivation lorsqu'il atteint une rotation normale. Qu'il s'agisse d'un bypass interne ou d'un bypass externe, le SCR arrête l'allumage, ce qui rend le démarreur progressif plus efficace. Une fois la commande d'arrêt du moteur fournie, le SCR commande à nouveau l'arrêt à partir du contacteur de dérivation. Le contacteur ne générera ni ne détruira la charge, ce qui permet l'utilisation de contacteurs et de thyristors plus petits.
Le rendement du démarreur progressif est compris entre 99,5% et 99,9%. Généralement, la tension tombée sur la paire de thyristors est inférieure à 1 V. L'efficacité dépend de la taille du démarreur progressif et de la tension triphasée appliquée. Dans certains cas, une fois le processus de démarrage terminé, un démarrage progressif avec bypass intégré active le contacteur de bypass interne.
Le thyristor ne s'allume plus et tout le courant de fonctionnement passe par les contacts. Lorsqu'il fonctionne à pleine vitesse et correctement chargé, le démarreur progressif est plus efficace que le VFD, mais contrairement au VFD, le démarreur progressif ne peut pas contrôler la vitesse du moteur.
Le démarreur progressif est utilisé lorsque les chocs électriques et mécaniques liés au démarrage du moteur doivent être minimisés. Les moteurs plus petits servent davantage à protéger les machines en aval des chocs mécaniques. Pour les moteurs plus gros, en plus de l’équipement de protection, cela peut également minimiser le coût de la demande.
Les démarreurs progressifs sont généralement utilisés avec des convoyeurs, des pompes, des ventilateurs et des soufflantes. Contrairement à vfd, les utilisateurs n'ont pas à se soucier de la génération d'harmoniques. Cependant, le démarreur progressif n'a pas de contrôle de vitesse.
3. Régulation de la vitesse de conversion de fréquence, économie d'énergie
Lorsque le contrôle de la vitesse est un facteur et que l’efficacité énergétique est importante, le vfd est le meilleur choix. Le VFD contrôle la vitesse et le couple des moteurs à courant alternatif en ajustant la fréquence et la tension d'entrée aux moteurs à induction CA triphasés, aux aimants permanents (internes ou de surface) ou aux moteurs synchrones. Outre la protection contre les surcharges, un VFD permet le contrôle du démarrage et de l'arrêt, ainsi que les réglages d'accélération et de décélération. L'accélération programmable et la limitation de courant contrôlée par le processeur peuvent réduire le courant d'appel lorsque le moteur démarre.
La sélection d'un VFD doit être basée sur l'application. Tout d’abord, il faut considérer la courbe de fonctionnement de la charge. Pour les applications à couple constant, telles que les convoyeurs, les agitateurs et les compresseurs, et les applications à couple variable, telles que les pompes, les ventilateurs et les soufflantes, une attention particulière doit être portée aux valeurs nominales de surcharge.
Par exemple, essayer de faire fonctionner un moteur de ventilateur à une vitesse supérieure à la vitesse de base peut affecter considérablement la puissance requise, car la puissance du ventilateur varie en fonction du cube de la vitesse. Selon la loi d'affinité applicable aux pompes et aux ventilateurs, faire fonctionner un ventilateur trop vite consommera trop d'énergie et risque de surcharger l'onduleur, tandis qu'un fonctionnement à mi-vitesse peut réduire les besoins en puissance de 75% ou plus.
Les VFD convertissent le courant alternatif en courant continu, le filtrent, puis l'inversent pour produire une tension utilisable. La valeur efficace du signal inverse simule la tension alternative. La fréquence de sortie du VFD est généralement comprise entre 0 Hz et la fréquence de ligne d'entrée CA. Cependant, lorsque certaines applications l'exigent, des fréquences plus élevées sont également possibles. De nombreux variateurs CA ont historiquement utilisé des ponts de diodes pleine onde ou des ponts redresseurs contrôlés au silicium pour convertir le courant alternatif en tension continue dans la section de conversion. Cependant, le Vfd avec transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) est désormais utilisé. La partie filtrante, principalement une batterie de condensateurs, lisse la tension continue à commutation rapide générée par le convertisseur.
Une self ou une inductance peut être ajoutée pour améliorer le facteur de puissance et réduire les harmoniques. La tension continue lissée est utilisée dans l'onduleur IGBT. La commutation rapide de la section onduleur produit un niveau de tension alternative analogique RMS approprié, également connu sous le nom de forme d'onde à modulation de largeur d'impulsion (PWM). L'ancien pilote IGBT est à 6 impulsions. Cependant, il existe désormais 12 impulsions et 18 impulsions VFD.
Les VFD modernes, tels que la série de variateurs CA DURApulse GS4 d'AutomationDirect, sont riches en fonctionnalités. Par exemple, l’une des fonctionnalités les plus importantes du GS4 est l’API complet intégré. Les utilisateurs peuvent programmer les exigences logiques liées au variateur, telles que le contrôle de plusieurs pompes. Les autres fonctionnalités incluent plusieurs interfaces de communication à grande vitesse et un courant nominal de court-circuit (SCCR) de 100 ka.
Le Vfd offre les mêmes avantages que les démarreurs progressifs, et ajoute ceux du contrôle de vitesse. Lorsque la charge est comprise entre 80% et 100%, le rendement du moteur est le plus élevé. Les moteurs surdimensionnés sont moins efficaces que les moteurs de taille appropriée, mais le VFD permet de minimiser cette inefficacité et de réduire le coût du surdimensionnement à un niveau légèrement supérieur au coût initial du variateur et du moteur. L'efficacité du variateur se situe généralement entre 95% et 98%. Plus le nombre d'impulsions dans le pilote est élevé, plus l'efficacité est élevée. Par exemple, l'efficacité d'un variateur à 6 impulsions est de 96,5% à 97,5%. L'efficacité du variateur à 18 impulsions est de 97,5% à 98%.
