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Comment choisir la bonne association moteur/variateur pour les applications haute vitesse

Association_moteur_variateur_Machine_Tool_Parker_Hannifin_France Comment sélectionner l’association optimale moteur/variateur pour votre application d’électro-broche ? Cet article vous permettra de mieux comprendre pourquoi ce processus est beaucoup plus simple que vous ne pouvez le penser.

Aujourd’hui, de plus en plus d’électro-broches sont réalisées avec des moteurs synchrones à aimants permanents pour diminuer les encombrements et améliorer la précision d’usinage. Le choix de ces moteurs et variateurs se fait avec les mêmes précautions que celui de moteurs asynchrones, auxquelles il faut ajouter quelques recommandations supplémentaires.

Avant de commencer le choix du moteur et du variateur, il nous faut définir les données en régime continu de l’application qui serviront à notre sélection :

- Tout d’abord, la vitesse maximum que l’on souhaite atteindre.

- Puis, le couple continu maximum qui sera utilisé dans les premières plages de vitesses pour des usinages d’ébauche ou de grands diamètres.

- Si l’on détermine la puissance à ce stade avec le produit du couple par la vitesse maximum, le résultat obtenu dépassera largement la puissance maximum nécessaire pour l’application. De plus, il engendrera un surdimensionnement du variateur ainsi qu’un surcoût important et inutile. C’est pour la raison pour laquelle il faut déterminer la puissance continue maximum nécessaire à la broche et travailler en mode défluxé pour limiter le calibre du variateur.Blog_Association_Moteur_Variateur_Diagramme_Vectoriel_Parker_Hannifin_France

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Une fois ces données clairement déterminées, le choix du moteur est facile à réaliser et il doit être capable:

- d’atteindre la vitesse maximum, en effet la force centrifuge qui s’exerce sur les aimants et le rotor engendre une limite mécanique en rotation. Les rotors des moteurs HKW et MGV ont l’avantage d’avoir des aimants enterrés dans le rotor garantissant une meilleure tenue.

- de fournir le couple maximum à basse vitesse,

- d’avoir une configuration de bobinage capable de fournir la puissance,

- d’être défluxé, ce qui n’est pas une aptitude courante des moteurs synchrones à aimants permanents, mais qui l’est pour la gamme HKW et MGV de Parker.Blog_association_moteur_variateur_Diagramme_Vectoriel_2_Parker_Hannifin_France

Concernant le variateur, nous devons dans un premier temps vérifier qu’il ait un mode de pilotage défluxé, c’est-à-dire qu’il soit capable de gérer l’avance de phase entre le courant I et la force électromotrice FEM du moteur en fonction du besoin de puissance:

 

 

 

 

Ensuite, nous devons définir le calibre du variateur, c’est-à-dire son courant nominal permettant au moteur de délivrer le couple maximum nécessaire. Pour cela, nous utiliserons, la constante de couple (Kt) du moteur exprimé en N.m / Arms. En effet, en divisant le couple souhaité par cette constante, nous obtenons le courant minimum requis que le variateur doit fournir.

Bllog_association_moteur_variateur_Couple_KT_Parker_Hannifin_France

 

 

Nous devons être vigilants quant au choix du calibre du variateur car lorsque les calibres augmentent, les fréquences électriques du courant de sortie ont tendance à diminuer. C’est pour cette raison que l’étape suivante consiste à vérifier la capacité du variateur à fournir une fréquence suffisante. Pour cela, nous allons calculer la fréquence minimale nécessaire au moteur pour atteindre la vitesse maximum suivant la formule ci-dessous :

Blog_association_moteur_variateur_fréquence_Parker_Hannifin_France

 

 

La fréquence obtenue doit être inférieure ou égale à la fréquence maximale du courant de sortie du variateur. Attention, il ne faut pas confondre cette fréquence avec le PWM du variateur qui correspond à la fréquence de découpage.

L’étape suivante est propre au moteur synchrone à aimants, en effet, celui-ci est aussi bien un moteur qu’un générateur très puissant pouvant atteindre des tensions importantes. Par conséquent, lors du fonctionnement à hautes vitesses, il ne faut pas que la force électromotrice du moteur dépasse la tension continue maximum du bus d’alimentation du variateur de fréquences. Les valeurs typiques de bus sont de 540VDC pour un réseau d’alimentation à 400VAC (400 x Ö2 - pertes) et ne dépassent pas 850VDC en général. Il faut ensuite vérifier que la valeur de la tension de la force électromotrice du moteur à la vitesse maximum ne dépasse pas cette limite grâce à une autre constante du moteur : le Ke exprimé en Vrms / 1000tr/min :

Blog_association_moteur_variateur_FEM_Parker_Hannifin_France

 

 

Les diagrammes vectoriels ci-dessous présentent  les résultats  :

Blog_association_moteur_variateur_diagramme_vectoriel_3_Parker_Hannifin_France

Comme le montre le dernier diagramme, la tension de la force électromotrice dépasse la limite du variateur à cause d’une vitesse maximum excessive. Dans ce cas et uniquement dans ce cas, il faut ajouter un module de protection. En effet, lors d’un incident et d’une perte de contrôle du moteur, celui-ci se transforme en générateur puisqu’il est entraîné par l’inertie de sa charge et sa force électromotrice est appliquée aux bornes du variateur. A cette vitesse extrême, le moteur et le variateur seront endommagés par cette tension trop importante. En général, les modules de protection mettent en court-circuit le moteur ou écrêtent la tension du moteur. Alors, le moteur, le variateur et le module de protection ont une tension maxi à ne pas dépasser (environ 2000Vmax ou 1400Vrms entre phase).

Enfin, le module de protection ainsi que le variateur doivent supporter le courant de court-circuit du moteur (Icc) afin de garantir l’intégrité de ceux-ci lors de perte du réseau.

La gamme HKW de Parker est l'exemple typique de servomoteur en kit destinée aux constructeurs de machines-outils voulant améliorer les performances de leurs machines. Il en est de même pour la gamme MGV avec les applications de bancs d'essai nécessitant des tests dynamiques élevés.

Blog_association_moteur_variateur_HKW_Parker_Hannifin_France

Blog_association_moiteur_variateur_MGV_Parker_Hannifin_France

 

 

 

 

 

En résumé, voici un schéma vous permettant de choisir la meilleure association d'un point de vue technique et économique :

Blog_Association_Moteur_Variateur_Graphique_summary_Parker_Hannifin_France

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Blog_Association_Moteur_Variateur_O_Delor_Parker_Hannifin_France

 

Olivier Delor, Product Manager Motors, Electromechanical Division, 
Parker Hannifin Corporation France

 

 

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