Comment choisir un moteur d'automatisation industrielle ?

Il existe quatre types de charges de moteurs d'automatisation industrielle :

1. Puissance variable et couple constant : Les applications à puissance variable et couple constant comprennent les convoyeurs, les grues et les pompes à engrenages. Dans ces applications, le couple est constant car la charge l'est également. La puissance requise pouvant varier selon l'application, les moteurs à courant alternatif et continu à vitesse constante constituent un choix judicieux.

2. Couple variable et puissance constante : Un exemple d’application de couple variable et de puissance constante est le rebobinage du papier. La vitesse du matériau restant constante, la puissance ne varie pas. Cependant, la charge varie en fonction du diamètre de la bobine. Dans les petits systèmes, les moteurs à courant continu ou les servomoteurs sont parfaitement adaptés. La récupération d’énergie est également un facteur important à prendre en compte lors du dimensionnement d’un moteur industriel ou du choix d’une méthode de gestion de l’énergie. Les moteurs à courant alternatif avec codeurs, régulation en boucle fermée et variateurs à quadrant complet peuvent s’avérer avantageux pour les systèmes de plus grande envergure.

3. Puissance et couple réglables : les ventilateurs, les pompes centrifuges et les agitateurs nécessitent une puissance et un couple variables. À mesure que la vitesse d’un moteur industriel augmente, la charge fournie augmente également, de même que la puissance et le couple requis. C’est pour ce type de charges que commence la discussion sur le rendement des moteurs, avec des variateurs de fréquence (VSD) permettant de piloter des moteurs à courant alternatif.

4. Contrôle de position ou de couple : Les applications telles que les entraînements linéaires, qui nécessitent un déplacement précis vers de multiples positions, requièrent un contrôle strict de la position ou du couple et souvent un retour d’information pour vérifier la position correcte du moteur. Les servomoteurs ou les moteurs pas à pas sont les plus adaptés à ces applications, mais les moteurs à courant continu avec retour d’information ou les moteurs à courant alternatif à variateur de fréquence avec codeurs sont couramment utilisés dans les lignes de production d’acier ou de papier et dans des applications similaires.

Différents types de moteurs industriels

Bien qu'il existe plus de 36 types de moteurs AC/DC utilisés dans les applications industrielles, leur utilisation se chevauche considérablement. Le marché a donc cherché à simplifier le choix des moteurs, ce qui restreint les possibilités pratiques dans la plupart des applications. Les six types de moteurs les plus courants, adaptés à la grande majorité des applications, sont les moteurs DC sans balais et à balais, les moteurs AC à cage d'écureuil et à rotor bobiné, ainsi que les servomoteurs et les moteurs pas à pas. Ces types de moteurs conviennent à la grande majorité des applications, tandis que les autres types sont réservés à des applications spécifiques.

Trois principaux types d'applications de moteurs industriels

Les trois principales applications des moteurs industriels sont la commande à vitesse constante, à vitesse variable et la commande de position (ou de couple). Chaque situation d'automatisation industrielle présente des applications et des problématiques spécifiques. Par exemple, si la vitesse maximale est inférieure à la vitesse de référence du moteur, un réducteur est nécessaire. Cela permet également à un moteur plus petit de fonctionner à une vitesse plus efficace. Bien qu'il existe de nombreuses informations en ligne sur le dimensionnement des moteurs, de nombreux facteurs doivent être pris en compte. Le calcul de l'inertie de la charge, du couple et de la vitesse exige la connaissance de paramètres tels que la masse totale et le rayon de la charge, ainsi que les frottements, les pertes du réducteur et le cycle de la machine. Les variations de charge, de vitesse d'accélération ou de décélération et de rapport cyclique doivent également être prises en compte, sous peine de surchauffe des moteurs industriels. Les moteurs à induction AC sont couramment utilisés pour les applications de mouvement rotatif industriel. Après le choix du type et de la taille du moteur, il est également important de considérer les facteurs environnementaux et les types de carter, tels que les carters à cadre ouvert et ceux en acier inoxydable pour les applications de lavage.

Comment choisir un moteur industriel

Trois principaux problèmes liés à la sélection des moteurs industriels

1. Applications à vitesse constante ?

Dans les applications à vitesse constante, le moteur fonctionne généralement à une vitesse similaire, sans tenir compte des phases d'accélération et de décélération. Ce type d'application utilise généralement des commandes marche/arrêt classiques. Le circuit de commande comprend habituellement un fusible de dérivation avec contacteur, un démarreur industriel de surcharge et un variateur de vitesse manuel ou un démarreur progressif. Les moteurs à courant alternatif et à courant continu conviennent aux applications à vitesse constante. Les moteurs à courant continu offrent un couple maximal à l'arrêt et disposent d'une large base de montage. Les moteurs à courant alternatif constituent également un bon choix grâce à leur facteur de puissance élevé et leur faible besoin d'entretien. En revanche, les performances élevées d'un servomoteur ou d'un moteur pas à pas seraient excessives pour une application simple.

2. Application à vitesse variable ?

Les applications à vitesse variable nécessitent généralement une vitesse compacte et des variations de vitesse précises, ainsi que des rampes d'accélération et de décélération définies. En pratique, la réduction de la vitesse des moteurs industriels, tels que les ventilateurs et les pompes centrifuges, vise généralement à améliorer le rendement en adaptant la consommation d'énergie à la charge, plutôt que de fonctionner à pleine vitesse et de réduire la puissance. Ces aspects sont essentiels pour les applications de convoyage, comme les lignes d'embouteillage. L'association de moteurs à courant alternatif et de variateurs de fréquence est largement utilisée pour accroître le rendement et s'avère performante dans diverses applications à vitesse variable. Les moteurs à courant alternatif et à courant continu, avec des variateurs appropriés, conviennent parfaitement à ces applications. Les moteurs à courant continu et leurs variateurs ont longtemps été la seule option pour les moteurs à vitesse variable, et leurs composants ont été développés et éprouvés. Aujourd'hui encore, les moteurs à courant continu sont populaires pour les applications à vitesse variable et à faible puissance, et utiles pour les applications à basse vitesse car ils peuvent fournir un couple maximal à basse vitesse et un couple constant à différentes vitesses industrielles. Cependant, la maintenance des moteurs à courant continu est un point important à prendre en compte, car nombre d'entre eux nécessitent une commutation par balais et s'usent au contact des pièces mobiles. Les moteurs CC sans balais éliminent ce problème, mais leur coût initial est plus élevé et la gamme de moteurs industriels disponibles est plus restreinte. L'usure des balais ne pose pas de problème avec les moteurs à induction CA, tandis que les variateurs de fréquence (VFDS) constituent une option intéressante pour les applications de plus de 1 CV, telles que les ventilateurs et les pompes, permettant d'améliorer le rendement. Le choix d'un variateur pour un moteur industriel peut apporter une certaine précision de position. Un codeur peut être ajouté au moteur si l'application l'exige, et un variateur peut être configuré pour utiliser le retour d'information du codeur. Cette configuration permet ainsi d'atteindre des vitesses comparables à celles d'un servomoteur.

3. Avez-vous besoin d'un contrôle de position ?

Un contrôle précis de la position est obtenu en vérifiant constamment la position du moteur pendant son déplacement. Les applications telles que les entraînements linéaires de positionnement peuvent utiliser des moteurs pas à pas avec ou sans retour d'information, ou des servomoteurs avec retour d'information intégré. Le moteur pas à pas se déplace avec précision vers une position à une vitesse modérée, puis maintient cette position. Un système pas à pas en boucle ouverte offre un contrôle de position performant s'il est correctement dimensionné. En l'absence de retour d'information, le moteur pas à pas effectuera le nombre exact de pas, sauf en cas d'interruption de charge dépassant sa capacité. À mesure que la vitesse et la dynamique de l'application augmentent, le contrôle en boucle ouverte du moteur pas à pas peut ne plus répondre aux exigences du système, ce qui nécessite le passage à un système de moteur pas à pas ou de servomoteur avec retour d'information. Un système en boucle fermée assure des profils de mouvement précis à haute vitesse et un contrôle de position précis. Les servomoteurs offrent des couples plus élevés que les moteurs pas à pas à haute vitesse et sont également plus performants sous des charges dynamiques importantes ou pour des applications de mouvement complexes. Pour des mouvements hautes performances avec un faible dépassement de position, l'inertie de la charge réfléchie doit correspondre autant que possible à l'inertie du servomoteur. Dans certaines applications, un écart allant jusqu'à 10:1 est acceptable, mais un rapport de 1:1 est optimal. La réduction de vitesse est un bon moyen de résoudre le problème du déséquilibre d'inertie, car l'inertie de la charge réfléchie est réduite au carré du rapport de transmission, mais l'inertie de la boîte de vitesses doit être prise en compte dans le calcul.