Contrôleur de moteur

Un contrôleur de moteur est un dispositif ou un groupe de dispositifs qui peut coordonner de manière prédéterminée les performances d'un moteur électrique . Un contrôleur de moteur peut inclure un moyen manuel ou automatique pour démarrer et arrêter le moteur, sélectionner la rotation avant ou arrière, sélectionner et réguler la vitesse, réguler ou limiter le couple et protéger contre les surcharges et les défauts électriques. Les contrôleurs de moteur peuvent utiliser une commutation électromécanique ou des dispositifs électroniques de puissance pour réguler la vitesse et la direction d'un moteur.

Les contrôleurs de moteur sont utilisés avec les moteurs à courant continu et à courant alternatif. Un contrôleur comprend des moyens pour connecter le moteur à l'alimentation électrique et peut également inclure une protection contre les surcharges pour le moteur et une protection contre les surintensités pour le moteur et le câblage. Un contrôleur de moteur peut également superviser le circuit de champ du moteur ou détecter des conditions telles qu'une faible tension d'alimentation, une polarité ou une séquence de phases incorrecte, ou une température élevée du moteur. Certains contrôleurs de moteur limitent le courant de démarrage d'appel, permettant au moteur d'accélérer lui-même et à la charge mécanique connectée plus lentement qu'une connexion directe. Les contrôleurs de moteur peuvent être manuels, obligeant un opérateur à séquencer un interrupteur de démarrage par étapes pour accélérer la charge, ou peuvent être entièrement automatiques, utilisant des minuteries internes ou des capteurs de courant pour accélérer le moteur.

Certains types de contrôleurs de moteur permettent également de régler la vitesse du moteur électrique. Pour les moteurs à courant continu, le contrôleur peut régler la tension appliquée au moteur ou régler le courant circulant dans l'enroulement de champ du moteur. Les moteurs à courant alternatif peuvent avoir une réponse de vitesse faible ou nulle au réglage de la tension aux bornes, de sorte que les contrôleurs pour courant alternatif ajustent plutôt la résistance du circuit du rotor (pour les moteurs à rotor bobiné) ou modifient la fréquence du courant alternatif appliqué au moteur pour contrôler la vitesse à l'aide de dispositifs électroniques de puissance ou de changeurs de fréquence électromécaniques.

La conception physique et l'emballage des contrôleurs de moteur sont à peu près aussi variés que ceux des moteurs électriques eux-mêmes. Un interrupteur à bascule mural avec des valeurs nominales appropriées peut suffire pour un ventilateur domestique. Les outils électriques et les appareils électroménagers peuvent être dotés d'un interrupteur à gâchette qui permet uniquement d'allumer et d'éteindre le moteur. Les moteurs industriels peuvent être des contrôleurs plus complexes connectés à des systèmes d'automatisation ; une usine peut avoir un grand nombre de contrôleurs de moteur regroupés dans un centre de contrôle des moteurs . Les contrôleurs pour les ponts roulants électriques ou les véhicules électriques peuvent être montés sur l'équipement mobile. Les plus gros contrôleurs de moteur sont utilisés avec les moteurs de pompage des centrales hydroélectriques à accumulation par pompage et peuvent avoir des valeurs nominales de plusieurs dizaines de milliers de chevaux-vapeur (kilowatts).

Les contrôleurs de moteur peuvent être actionnés manuellement, à distance ou automatiquement. Ils peuvent comprendre uniquement les moyens de démarrage et d'arrêt du moteur ou bien d'autres fonctions.

Un contrôleur de moteur électrique peut être classé selon le type de moteur qu'il doit piloter, comme un moteur à aimant permanent , un servomoteur , une série, à excitation séparée et à courant alternatif .

Un contrôleur de moteur est connecté à une source d'alimentation, telle qu'une batterie ou une alimentation électrique, et à un circuit de commande sous la forme de signaux d'entrée analogiques ou numériques.

Un petit moteur peut être démarré simplement en le connectant à l'alimentation. Un moteur plus gros nécessite une unité de commutation spécialisée appelée démarreur de moteur ou contacteur de moteur. Lorsqu'il est sous tension, un démarreur direct (DOL) connecte immédiatement les bornes du moteur directement à l'alimentation électrique. Dans les tailles plus petites, un démarreur de moteur est un interrupteur à commande manuelle ; les moteurs plus gros, ou ceux nécessitant une commande à distance ou automatique, utilisent des contacteurs magnétiques. Les très gros moteurs fonctionnant sur des alimentations moyenne tension (des milliers de volts) peuvent utiliser des disjoncteurs de puissance comme éléments de commutation.

Un démarreur direct en ligne (DOL) ou à travers la ligne applique la pleine tension de ligne aux bornes du moteur. Il s'agit du type de démarreur de moteur le plus simple. Un démarreur de moteur DOL contient souvent des dispositifs de protection (voir ci-dessous) et, dans certains cas, une surveillance de l'état. Les démarreurs directs en ligne de plus petite taille sont actionnés manuellement ; les plus grandes tailles utilisent un contacteur électromécanique pour commuter le circuit du moteur. Il existe également des démarreurs directs en ligne à semi-conducteurs.

Un démarreur direct peut être utilisé si le courant d'appel élevé du moteur ne provoque pas de chute de tension excessive dans le circuit d'alimentation. La taille maximale d'un moteur autorisée sur un démarreur direct peut être limitée par le fournisseur d'électricité pour cette raison. Par exemple, un fournisseur d'électricité peut exiger des clients ruraux qu'ils utilisent des démarreurs à tension réduite pour les moteurs de plus de 10 kW.

Le démarrage direct est parfois utilisé pour démarrer de petites pompes à eau , des compresseurs , des ventilateurs et des bandes transporteuses . Dans le cas d'un moteur asynchrone, tel que le moteur triphasé à cage d'écureuil , le moteur consommera un courant de démarrage élevé jusqu'à ce qu'il ait atteint sa pleine vitesse. Ce courant de démarrage est généralement 6 à 7 fois supérieur au courant de pleine charge. Pour réduire le courant d'appel, les moteurs plus gros seront équipés de démarreurs à tension réduite ou de variateurs de vitesse afin de minimiser les chutes de tension sur l'alimentation électrique.

Un démarreur inverseur peut connecter le moteur pour une rotation dans les deux sens. Un tel démarreur contient deux circuits DOL, l'un pour le fonctionnement dans le sens horaire et l'autre pour le fonctionnement dans le sens antihoraire, avec des verrouillages mécaniques et électriques pour empêcher la fermeture simultanée. Pour les moteurs triphasés, cela est réalisé en échangeant les fils reliant deux phases quelconques. Les moteurs à courant alternatif monophasés et les moteurs à courant continu peuvent souvent être inversés en échangeant deux fils, mais ce n'est pas toujours le cas.

Les démarreurs de moteur autres que « DOL » connectent le moteur via une résistance pour réduire la tension que les bobines du moteur reçoivent au démarrage. La résistance pour cela doit être dimensionnée en fonction du moteur - et une source rapide pour une bonne résistance à utiliser est une autre bobine du moteur - c'est-à-dire série/parallèle. En série, le démarrage est plus doux, puis le passage en parallèle permet un fonctionnement à pleine puissance. Lorsque cela est fait avec des moteurs triphasés, on parle couramment de démarreur étoile-triangle (États-Unis : Y-delta). Les anciens démarreurs étoile-triangle étaient actionnés manuellement et incorporaient souvent un ampèremètre afin que la personne qui utilisait le démarreur puisse voir quand le moteur était à pleine vitesse en raison du fait que le courant qu'il consommait avait cessé de diminuer. Les démarreurs plus modernes ont des minuteries intégrées pour passer de l'étoile au triangle et sont réglés par l'installateur électricien de la machine. L'opérateur de la machine appuie simplement une fois sur un bouton vert et le reste de la procédure de démarrage est automatisé.

Un démarreur typique comprend une protection contre les surcharges, à la fois électriques et mécaniques, et une protection contre les démarrages « aléatoires » - si, par exemple, l'alimentation a été coupée et vient de revenir. L'acronyme de ce type de protection est TONVR - Thermal Overload, No Volt Release. Il insiste sur le fait que le bouton vert est enfoncé pour démarrer le moteur. Le bouton vert active un solénoïde qui ferme un contacteur (c'est-à-dire un interrupteur) pour alimenter principalement le moteur. Il alimente également le solénoïde pour maintenir l'alimentation sous tension lorsque le bouton vert est relâché. En cas de panne de courant, le contacteur s'ouvre et s'éteint, ainsi que le moteur. La seule façon de démarrer le moteur est d'appuyer sur le bouton vert. Le contacteur peut être rapidement déclenché par le démarreur qui fait passer un courant très élevé en raison d'un défaut électrique en aval de celui-ci, soit dans le câblage du moteur, soit à l'intérieur du moteur. La protection contre les surcharges thermiques consiste en un élément chauffant sur chaque fil d'alimentation qui chauffe une bande bimétallique. Plus la bande est chaude, plus elle dévie au point de pousser une barre de déclenchement qui coupe l'alimentation du solénoïde du contacteur, ce qui coupe tout. Les surcharges thermiques sont disponibles dans différentes plages nominales et doivent être choisies en fonction du moteur. Dans la plage, elles sont réglables, ce qui permet à l'installateur de les régler correctement pour le moteur donné.

Quel type pour des applications spécifiques ? Le DOL permet un démarrage rapide et est donc plus couramment utilisé avec des moteurs généralement plus petits. Il est également utilisé sur des machines à charge inégale telles que les compresseurs à piston où la pleine puissance du moteur est nécessaire pour faire passer le piston au-delà de la phase de compression - la phase de travail réelle. Le type étoile-triangle est généralement utilisé avec des moteurs plus gros ou lorsque le moteur est à vide au démarrage, à très faible charge ou à charge constante. Il est particulièrement adapté aux moteurs entraînant des machines avec des volants d'inertie lourds - pour faire monter les volants d'inertie à la vitesse avant que la machine ne soit engagée et entraînée par le volant d'inertie.

Les démarreurs à tension réduite ou progressifs connectent le moteur à l'alimentation électrique via un dispositif de réduction de tension et augmentent la tension appliquée progressivement ou par paliers. Deux ou plusieurs contacteurs peuvent être utilisés pour assurer le démarrage à tension réduite d'un moteur. En utilisant un autotransformateur ou une inductance série , une tension plus faible est présente aux bornes du moteur, réduisant le couple de démarrage et le courant d'appel. Une fois que le moteur a atteint une fraction de sa vitesse à pleine charge, le démarreur passe à la pleine tension aux bornes du moteur. Étant donné que l'autotransformateur ou le réacteur série ne transporte le courant de démarrage du moteur que pendant quelques secondes, les dispositifs peuvent être beaucoup plus petits par rapport aux équipements à tension nominale continue. La transition entre la tension réduite et la pleine tension peut être basée sur le temps écoulé ou déclenchée lorsqu'un capteur de courant indique que le courant du moteur a commencé à diminuer. Un démarreur à autotransformateur a été breveté en 1908.

Les moteurs à induction triphasés plus puissants peuvent avoir leur puissance réduite à l'intérieur du moteur ! Le moteur est démarré « DOL » avec la pleine tension fournie aux bobines de champ de la partie extérieure du moteur (« stator »). La partie intérieure (« rotor ») est induite par un courant qui réagit à nouveau avec le champ magnétique généré par le stator. En décomposant le rotor en plusieurs parties et en connectant électriquement ces parties à des résistances externes via des bagues collectrices et des balais ainsi que des contacteurs de commande, la puissance magnétique du rotor peut être modifiée - c'est-à-dire réduite, pour le démarrage ou le fonctionnement à faible puissance. Bien qu'il s'agisse d'un processus beaucoup plus complexe, cela signifie que les courants (charges électriques) commutés sont nettement inférieurs à ceux d'une réduction de la puissance de l'alimentation principale du moteur.

Une troisième méthode pour obtenir un démarrage progressif en douceur consiste à plonger les tiges de résistance dans un liquide conducteur (par exemple du mercure) recouvert d'une couche d'huile isolante. Au fur et à mesure que les tiges sont abaissées, la résistance diminue progressivement.

Un démarreur étoile-triangle est un autre type de démarreur à tension réduite dans un moteur à induction. Un démarreur étoile-triangle démarre un moteur avec un enroulement de stator connecté en étoile. Lorsque le moteur atteint environ 80 % de sa vitesse à pleine charge, il commence à fonctionner dans un enroulement de stator connecté en triangle. Il existe deux types de démarreurs étoile-triangle. (1) Démarreur étoile-triangle manuel, (2) Démarreur étoile-triangle automatique.

Le démarreur étoile-triangle à commande manuelle se compose principalement d'un commutateur TPDP qui signifie Triple Pole Double Throw switch. Ce commutateur fait passer l'enroulement du stator de l'étoile au triangle. Pendant le démarrage, l'enroulement du stator est connecté en forme d'étoile. Nous allons maintenant voir comment un démarreur étoile-triangle réduit le courant de démarrage d'un moteur à induction triphasé.

La fonction ci-dessus est obtenue en utilisant un contacteur de puissance et une minuterie dans un démarreur étoile-triangle automatique. Le démarreur étoile-triangle automatique est fabriqué à partir de trois contacteurs, d'une minuterie et d'une protection thermique. Les contacteurs sont plus petits que le contacteur unique utilisé dans un démarreur direct en ligne car ils contrôlent uniquement les courants d'enroulement. Les courants traversant l'enroulement sont 1/racine 3 (58 %) du courant dans la ligne. Il y a deux contacteurs qui sont fermés pendant le fonctionnement, souvent appelés le contacteur principal et le contacteur triangle. Ceux-ci sont classés AC3 à 58 % du courant nominal du moteur. Le troisième contacteur est le contacteur étoile et ne transporte que le courant étoile lorsque le moteur est connecté en étoile. Le courant en étoile est un tiers du courant en triangle, donc ce contacteur peut être classé AC3 à un tiers (33 %) de la valeur nominale du moteur.

La transition de l'étoile au triangle peut être une transition ouverte ou une transition fermée. Pendant la transition ouverte, le démarreur du moteur se déconnecte momentanément du moteur et se reconnecte dans une configuration triangle. Dans une transition fermée, la transition de la configuration étoile à la configuration triangle est réalisée sans déconnecter le moteur. Pour y parvenir, un contacteur tripolaire supplémentaire et trois résistances sont nécessaires.

Un variateur de vitesse (VFD) ou un variateur de vitesse est une combinaison interconnectée d'équipements qui permet d'entraîner et de régler la vitesse de fonctionnement d'une charge mécanique. Un variateur de vitesse électrique se compose d'un moteur électrique et d'un contrôleur de vitesse ou d'un convertisseur de puissance, ainsi que de dispositifs et d'équipements auxiliaires. Dans l'usage courant, le terme « variateur » est souvent appliqué uniquement au contrôleur. La plupart des variateurs de vitesse et des variateurs de vitesse modernes peuvent également mettre en œuvre un démarrage progressif du moteur.

Un contrôleur de moteur intelligent (IMC) utilise un microprocesseur pour contrôler les dispositifs électroniques de puissance utilisés pour le contrôle du moteur. Les IMC surveillent la charge d'un moteur et adaptent en conséquence le couple moteur à la charge du moteur. Cela est accompli en réduisant la tension aux bornes CA et en même temps en diminuant le courant et le kvar . Cela peut fournir une mesure d'amélioration de l'efficacité énergétique pour les moteurs qui fonctionnent sous une charge légère pendant une grande partie du temps, ce qui entraîne moins de chaleur, de bruit et de vibrations générés par le moteur.

Un démarreur doit contenir des dispositifs de protection pour le moteur. Au minimum, cela comprend un relais de surcharge thermique. Le relais de surcharge thermique est conçu pour ouvrir le circuit de démarrage et ainsi couper l'alimentation du moteur dans le cas où le moteur consomme trop de courant de l'alimentation pendant une période prolongée. Le relais de surcharge a un contact normalement fermé qui s'ouvre en raison de la chaleur générée par un courant excessif circulant dans le circuit. Les relais de surcharge thermique ont un petit dispositif de chauffage dont la température augmente à mesure que le courant de fonctionnement du moteur augmente.

Il existe deux types de relais de surcharge thermique. Dans le premier type, une bande bimétallique située à proximité d'un élément chauffant se déforme lorsque la température de l'élément chauffant augmente jusqu'à provoquer mécaniquement le déclenchement du dispositif et l'ouverture du circuit, coupant ainsi l'alimentation du moteur en cas de surcharge. Un relais de surcharge thermique s'adaptera au courant de démarrage élevé et bref d'un moteur tout en le protégeant avec précision d'une surcharge de courant de fonctionnement. La bobine de chauffage et l'action de la bande bimétallique introduisent un délai qui donne au moteur le temps de démarrer et de se stabiliser sur un courant de fonctionnement normal sans que la surcharge thermique ne se déclenche. Les relais de surcharge thermique peuvent être réarmables manuellement ou automatiquement en fonction de leur application et disposent d'un dispositif de réglage qui permet de les régler avec précision sur le courant de fonctionnement du moteur.

Un deuxième type de relais de surcharge thermique utilise un alliage eutectique , comme une soudure , pour maintenir un contact à ressort. Lorsqu'un courant trop important traverse l'élément chauffant pendant trop longtemps, l'alliage fond et le ressort libère le contact, ouvrant le circuit de commande et arrêtant le moteur. Étant donné que les éléments en alliage eutectique ne sont pas réglables, ils résistent aux manipulations occasionnelles, mais nécessitent de changer l'élément de la bobine chauffante pour qu'il corresponde au courant nominal du moteur.

Des relais de surcharge électroniques numériques contenant un microprocesseur peuvent également être utilisés, notamment pour les moteurs de grande puissance. Ces dispositifs modélisent l'échauffement des enroulements du moteur en surveillant le courant du moteur. Ils peuvent également inclure des fonctions de mesure et de communication.

Les démarreurs utilisant des contacteurs magnétiques tirent généralement l'alimentation de la bobine du contacteur de la même source que l'alimentation du moteur. Un contact auxiliaire du contacteur est utilisé pour maintenir la bobine du contacteur sous tension après que la commande de démarrage du moteur a été relâchée. En cas de perte momentanée de la tension d'alimentation, le contacteur s'ouvre et ne se referme pas jusqu'à ce qu'une nouvelle commande de démarrage soit donnée. Cela empêche le redémarrage du moteur après une panne de courant. Cette connexion offre également un faible degré de protection contre la faible tension d'alimentation et la perte d'une phase. Cependant, comme les bobines de contacteur maintiennent le circuit fermé avec seulement 80 % de la tension normale appliquée à la bobine, ce n'est pas le moyen principal de protéger les moteurs contre le fonctionnement à basse tension.

Certains dispositifs peuvent être ajoutés de manière à ce que, lors d'une chute de tension, le dispositif maintienne le flux de courant suffisant pour que la bobine de maintien maintienne les contacts fermés. Le circuit est conçu pour permettre le courant pour la bobine de maintien pour des chutes de tension jusqu'à 15-25 % de la tension.

Une fois l'alimentation électrique rétablie (généralement après un délai de 30 à 60 secondes), les séquences temporelles des redémarrages automatiques de plusieurs moteurs sont alors définies pour commencer automatiquement.

Sans un calendrier séquencé, toute tentative de redémarrage simultané de plusieurs moteurs pourrait entraîner une panne de courant partielle ou totale sur l'ensemble du site.

Les servo-contrôleurs constituent une large catégorie de contrôleurs de moteurs. Les caractéristiques communes sont les suivantes :

• contrôle de position précis en boucle fermée
• taux d'accélération rapides
• Contrôle précis de la vitesse Les servomoteurs peuvent être fabriqués à partir de plusieurs types de moteurs, les plus courants étant :
  • moteur à courant continu à balais
  • moteurs à courant continu sans balais
  • Servomoteurs à courant alternatif

Les servo-contrôleurs utilisent la rétroaction de position pour fermer la boucle de contrôle. Cette fonction est généralement mise en œuvre avec des codeurs de position , des résolveurs et des capteurs à effet Hall pour mesurer directement la position du rotor .

D'autres méthodes de rétroaction de position mesurent la force contre-électromotrice dans les bobines non entraînées pour déduire la position du rotor ou détectent la tension transitoire de retour (pic) générée chaque fois que l'alimentation d'une bobine est coupée instantanément. Ces méthodes sont donc souvent appelées méthodes de contrôle « sans capteur ».

Un servomoteur peut être contrôlé à l'aide d' une modulation de largeur d'impulsion (PWM). La durée pendant laquelle l'impulsion reste élevée (généralement entre 1 et 2 millisecondes) détermine la position du moteur. Une autre méthode de contrôle est l'impulsion et la direction.

Un moteur pas à pas est un moteur polyphasé synchrone, sans balais, à nombre élevé de pôles. Le contrôle est généralement, mais pas exclusivement, effectué en boucle ouverte, c'est-à-dire que la position du rotor est supposée suivre un champ rotatif contrôlé. De ce fait, le positionnement précis avec des moteurs pas à pas est plus simple et moins cher que les contrôles en boucle fermée.

Les contrôleurs de moteur pas à pas modernes pilotent le moteur avec des tensions bien supérieures à la tension nominale indiquée sur la plaque signalétique du moteur et limitent le courant par hachage. La configuration habituelle consiste à disposer d'un contrôleur de positionnement, appelé indexeur , qui envoie des impulsions de pas et de direction à un circuit de commande à tension plus élevée distinct, responsable de la commutation et de la limitation du courant.