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Moteur à courant continu

Généralité

On rencontre encore régulièrement des moteurs à courant continu à excitation indépendante dans les salles des machines des immeubles d’un certain âge. En général, ils font partie d’un groupe Ward-Leonard qui permet d’aisément faire varier la vitesse de rotation.

Actuellement, du groupe Ward-Leonard, on ne conserve que le moteur à courant continu qui, cette fois, est associé à un variateur de vitesse statique (variateur électronique) dont la technologie est plus simple et peu onéreuse tout en demandant peu d’entretien et en offrant des performances élevées dans une plage de vitesse très large (de 1 à 100 %).

Principe de fonctionnement

Le moteur à courant continu se compose :

de l’inducteur ou du stator,
de l’induit ou du rotor,
du collecteur et des balais.

Lorsque le bobinage d’un inducteur de moteur est alimenté par un courant continu, sur le même principe qu’un moteur à aimant permanent (comme la figure ci-dessous), il crée un champ magnétique (flux d’excitation) de direction Nord-Sud.

Une spire capable de tourner sur un axe de rotation est placée dans le champ magnétique. De plus, les deux conducteurs formant la spire sont chacun raccordés électriquement à un demi collecteur et alimentés en courant continu via deux balais frotteurs.

D’après la loi de Laplace (tout conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force), les conducteurs de l’induit placés de part et d’autre de l’axe des balais (ligne neutre) sont soumis à des forces F égales mais de sens opposé en créant un couple moteur : l’induit se met à tourner !

Si le système balais-collecteurs n’était pas présent (simple spire alimentée en courant continu), la spire s’arrêterait de tourner en position verticale sur un axe appelé communément « ligne neutre ». Le système balais-collecteurs a pour rôle de faire commuter le sens du courant dans les deux conducteurs au passage de la ligne neutre. Le courant étant inversé, les forces motrices sur les conducteurs le sont aussi permettant ainsi de poursuivre la rotation de la spire.

Dans la pratique, la spire est remplacée par un induit (rotor) de conception très complexe sur lequel sont montés des enroulements (composés d’un grand nombre de spires) raccordés à un collecteur « calé » en bout d’arbre. Dans cette configuration, l’induit peut être considéré comme un seul et même enroulement semblable à une spire unique.

Caractéristiques

Les avantages et inconvénients du moteur à courant continu sont repris ci-dessous :

(+)

accompagné d’un variateur de vitesse électronique, il possède une large plage de variation (1 à 100 % de la plage),
régulation précise du couple,
son indépendance par rapport à la fréquence du réseau fait de lui un moteur à large champ d’application,
…

(-)

peu robuste par rapport au machine asynchrone,
investissement important et maintenance coûteuse (entretien du collecteur et des balais,
…

Machine réversible

Dans le régime de fonctionnement des ascenseurs à traction, le treuil à courant continu peut :

Tantôt fonctionner en moteur lorsque le système cabine et contre-poids s’oppose au mouvement de rotation (charge dite « résistante »); le moteur prend de l’énergie au réseau.
Tantôt travailler en générateur lorsque le même système tend à favoriser la rotation (charge dite « entrainante »); le générateur renvoie de l’énergie au réseau.

Type de moteur à courant continu

Suivant l’application, les bobinages du l’inducteur et de l’induit peuvent être connectés de manière différente. On retrouve en général :
Des moteurs à excitation indépendante.

Des moteurs à excitation parallèle.

Des moteurs à excitation série.

Des moteurs à excitation composée.

La plupart des machines d’ascenseur sont configurées en excitation parallèle ou indépendante. L’inversion du sens de rotation du moteur s’obtient en inversant soit les connections de l’inducteur soit de l’induit.

L’inducteur

L’inducteur d’un moteur à courant continu est la partie statique du moteur. Il se compose principalement :

de la carcasse,
des paliers,
des flasques de palier,
des portes balais.

Inducteur.

Le cœur même du moteur comprend essentiellement :

Un ensemble de paires de pôles constitué d’un empilement de tôles ferro-magnétiques.
Les enroulements (ou bobinage en cuivre) destinés à créer le champ ou les champs magnétiques suivant le nombre de paires de pôles.

Pour des moteurs d’une certaine puissance, le nombre de paires de pôles est multiplié afin de mieux utiliser la matière, de diminuer les dimensions d’encombrement et d’optimaliser la pénétration du flux magnétique dans l’induit.

L’induit

L’induit du moteur à courant continu est composé d’un arbre sur lequel est empilé un ensemble de disques ferro-magnétiques. Des encoches sont axialement pratiquées à la périphérie du cylindre formé par les disques empilés. Dans ces encoches les enroulements (bobines de l’induit) sont « bobinés » selon un schéma très précis et complexe qui nécessite une main d’œuvre particulière (coûts importants). Pour cette raison, on préfère, en général, s’orienter vers des moteurs à courant alternatif plus robuste et simple dans leur conception.

Induit.

Chaque enroulement est composé d’une série de sections, elles même composées de spires; une spire étant une boucle ouverte dont l’aller est placé dans une encoche de l’induit et le retour dans l’encoche diamétralement opposée. Pour que l’enroulement soit parcouru par un courant, ses conducteurs de départ et de retour sont connectés aux lames du collecteur (cylindre calé sur l’arbre et composé en périphérie d’une succession de lames de cuivre espacée par un isolant).

Composition de l’induit.

L’interface entre l’alimentation à courant continu et le collecteur de l’induit est assuré par les balais et les porte-balais.

Les balais

Les balais assurent le passage du courant électrique entre l’alimentation et les bobinages de l’induit sous forme d’un contact par frottement. les balais sont en graphite et constituent, en quelques sortes, la pièce d’usure. Le graphite en s’usant libère une poussière qui rend le moteur à courant continu sensible à un entretien correct et donc coûteux.

L’ensemble balais, porte-balais et collecteur.

Le point de contact entre les balais et le collecteur constitue le point faible du moteur à courant continu. En effet, c’est à cet endroit, qu’outre le problème d’usure du graphite, la commutation (inversion du sens du courant dans l’enroulement) s’opère en créant des micros-arcs (étincelles) entre les lamelles du collecteur; un des grands risques de dégradation des collecteurs étant leur mise en court-circuit par usure.

Pilotage de la vitesse de rotation

Relation Vitesse et force contre-électromotrice à flux constant

Lorsque l’induit est alimenté sous une tension continue ou redressée U, il se produit une force contre-électromotrice E.
On a :

E = U – R x I [volts]

Où,

R = la résistance de l’induit [ohm].
I = le courant dans l’induit [ampère].

La force contre-électromotrice est liée à la vitesse et à l’excitation du moteur.
On a :

E = k x ω x Φ[volt]

Où,

k = constante propre au moteur (dépendant du nombre de conducteurs de l’induit).
ω = la vitesse angulaire de l’induit [rad/s].
Φ= le flux de l’inducteur [weber].

En analysant la relation ci-dessus, on voit, qu’à excitation constante Φ, la force contre-électromotrice E est proportionnelle à la vitesse de rotation.

Relation Couple et flux

Quant au couple moteur, il est lié au flux inducteur et au courant de l’induit par la relation suivante.

On a :

C = k x Φ x I [N.m]

Où,

k = constante propre au moteur (dépendant du nombre de conducteurs de l’induit).
Φ= le flux de l’inducteur [weber].
I = le courant dans l’induit [ampère].

En analysant la relation ci-dessus, on voit qu’en réduisant le flux, le couple diminue.

Variation de la vitesse

Au vu des relations existant entre la vitesse, le flux et la force contre-électromotrice, il est possible de faire varier la vitesse du moteur de deux manières différentes. On peut :

Augmenter la force contre-électromotrice E en augmentant la tension au borne de l’induit tout en maintenant le flux de l’inducteur constant. On a un fonctionnement dit à « couple constant ». Ce type de fonctionnement est intéressant au niveau de la conduite d’ascenseur.
Diminuer le flux de l’inducteur (flux d’excitation) par une réduction du courant d’excitation en maintenant la tension d’alimentation de l’induit constante. Ce type de fonctionnement impose une réduction du couple lorsque la vitesse augmente.

Le groupe Ward-Leonard

Le groupe Ward-Léonard représente l’ancienne génération des treuils d’ascenseur à traction à câbles. Ce système permettait de faire varier la vitesse d’un moteur à courant continu à excitation indépendante en réglant la tension de l’induit par l’intermédiaire d’une génératrice à courant continu dont on faisait varier l’excitation; la génératrice étant entraînée mécaniquement par un moteur à courant alternatif classique.

Pour une faible variation du courant d’excitation de la génératrice, il était possible de maîtriser des puissances énormes de moteurs à courant continu dans une plage de variation de vitesse très étendue.

L’électronique de régulation de vitesse est venue supplanter le système du groupe Ward-Léonard où le variateur de vitesse électronique vient contrôler :

soit directement un moteur à courant alternatif,
soit le moteur à courant continu seul rescapé du groupe Ward-Léonard.

Posted By : 25 Sep, 2007

Moteur synchrone

Généralité

Le moteur synchrone est aussi un moteur utilisé pour la motorisation des ascenseurs. Ces dernières années ont vu ce type de moteur revenir en force parallèlement au développement des variateurs de vitesse.

Principe de fonctionnement

Le moteur synchrone se compose, comme le moteur asynchrone, d’un stator et d’un rotor séparés par un entrefer. La seule différence se situe au niveau de la conception du rotor. La figure ci-dessous montre un rotor à pôles saillants constitués d’aimants permanents ou d’électro-aimants alimentés en courant continu.

Après le démarrage, le moteur tourne en synchronisme avec le champ tournant. A vide les axes des pôles du champ tournant et du rotor sont confondus. En charge, les axes sont légèrement décalés. La vitesse du moteur synchrone est constante quelle que soit la charge. On notera aussi que :

La charge (le système d’ascenseur) ne doit pas dépasser l’effort de démarrage entre le rotor et le champ tournant.
Le couple moteur est proportionnel à la tension à ses bornes.

Caractéristiques

Les avantages et inconvénients du moteur synchrone sont repris ci-dessous :

(+)

il peut travailler avec un facteur de puissance proche de 1 (cos φ~ 1). Il contribue donc à redresser le cos φglobal de l’installation électrique.
la vitesse du moteur est constante quelle que soit la charge (intéressant dans le cas des ascenseurs).
Il peut supporter des chutes de tension important sans décrocher.
…

(-)

S’il n’est pas associé à un variateur de vitesse, il a des difficultés à démarrer.
il peut décrocher en cas de forte charge (pas intéressant au niveau des ascenseurs nécessitant un couple important).
…

Le stator

Le stator d’un moteur triphasé (le plus courant en moyenne et grosse puissance), comme son nom l’indique, est la partie statique du moteur synchrone. Il s’apparente fort au stator des moteurs asynchrone. Il se compose principalement :

de la carcasse,
des palier,
des flasques de palier,
du ventilateur refroidissant le moteur,
le capot protégeant le ventilateur.

Stator.

L’intérieur du stator comprend essentiellement :

un noyau en fer feuilleté de manière à canaliser le flux magnétique,
les enroulements (ou bobinage en cuivre) des trois phases logés dans les encoches du noyau.

Dans un moteur triphasé les enroulements sont au nombre minimum de trois décalés l’un de l’autre de 120° comme le montre le schéma ci-dessous.

Variation de la vitesse en fonction du nombre de paires de pôles.

Lorsque les enroulements du stator sont parcourus par un courant triphasé, ceux-ci produisent un champs magnétique tournant à la vitesse de synchronisme. La vitesse de synchronisme est fonction de la fréquence du réseau d’alimentation (50 Hz en Europe) et du nombre de paire de pôles. Vu que la fréquence est fixe, la vitesse du moteur peut varier en fonction du nombre de paires de pôles.

Paires de pôles	1	2	3	4	6
Nombre de pôles	2	4	6	8	12
n0 [tr/min]	3 000	1 500	1 000	750	500

Le rotor

Le rotor est la partie mobile du moteur synchrone. Couplé mécaniquement à un treuil d’ascenseur par exemple, il va créer un couple moteur capable de fournir un travail de montée et de descente de la cabine d’ascenseur. Il se compose essentiellement d’une succession de pôles Nord et Sud intercalés sous forme d’aimants permanents ou de bobines d’exitation parcourues par un courant continu. On distingue donc deux types de moteurs :

à aimants permanents,
à rotor bobinés.

Rotor à aimant permanent

Ce sont des moteurs qui peuvent accepter des courants de surcharge importants pour démarrer rapidement. Associés à des variateurs de vitesse électronique, ils trouvent leur place dans certaines applications de motorisation d’ascenseurs lorsque l’on cherche une certaine compacité et une accélération rapide (immeuble de grande hauteur par exemple).

Rotor bobiné

Ce type de machines est réversible car elles peuvent fonctionner en régime moteur comme en régime alternateur. Pour les moyennes et grosses puissances, les moteurs synchrones à rotor bobiné, associé avec un variateur de vitesse, sont des machines performantes.

Comme le montre la figure ci-dessous, le rotor est composé d’un empilement de disques ferro-magnétiques. Comme dans le stator du moteur, des enroulements sont logés dans des encoches pratiquées sur le rotor et reliés électriquement aux bagues de bout d’arbre. L’alimentation en courant continu s’effectue via l’ensemble bagues-balais.

Pilotage de la vitesse de rotation

Le pilotage de la vitesse de rotation du moteur synchrone est essentiel pour beaucoup d’applications.

La relation suivante permet de cerner quels sont les paramètres qui peuvent influencer la vitesse de rotation.
On a :

n₀ = n

Avec,

n₀ = vitesse du champ tournant [tr/min].
n = la vitesse de rotation de l’arbre du moteur [tr/min].

Ou :

n = f / p

Avec,

f = fréquence du réseau [Hz].
p = le nombre de paires de pôles du stator.

On peut donc piloter la vitesse de rotation en intervenant sur :

le nombre de paires de pôles (moteur à nombre de pôles variable),
la fréquence du réseau.

Régulation de fréquence

À l’heure actuelle, le pilotage de la vitesse des moteurs synchrones se fait électroniquement grâce à des variateurs de vitesse. Pour cette raison, on ne parlera ici que du contrôle de la fréquence qui de loin la plus courante. Vu la nécessite pour un moteur synchrone d’être démarré avec un système auxiliaire (le rotor ne peut pas « accrocher » un champ tournant statorique trop rapide de 3 000 [tr/min]), le variateur de fréquence associé au moteur synchrone permet de le démarrer avec une fréquence statorique faible voire nulle.

Sans perte de puissance, on peut piloter la vitesse de rotation du moteur en faisant varier la fréquence et la tension car la vitesse de rotation du champ tournant au niveau du stator change.

A remarquer que le couple d’un moteur synchrone ne change pas en fonction de la vitesse puisqu’il n’y a pas de glissement.

Variation de la vitesse à couple constant (moteur synchrone).

Le pilotage du moteur synchrone par un variateur de fréquence montre des intérêts certains; à savoir principalement :

La limitation du courant de démarrage (de l’ordre de 1,5 fois le courant nominal),
Un couple constant quelle que soit la vitesse du moteur.

Posted By : 25 Sep, 2007

Moteur asynchrone

Généralité

Le moteur asynchrone couplé à un variateur de fréquence est de loin le type de moteur le plus utilisé pour les applications où il est nécessaire de contrôler la vitesse et le déplacement d’une charge.

Le système moteur-variateur convient bien pour des applications tels que les ascenseurs car on recherche une excellente précision à fois au niveau de la vitesse (confort des utilisateurs) et de la précision de la position de la cabine par rapport aux paliers.

Quant au moteur asynchrone seul, sa popularité résulte du peu d’entretien nécessaire, de sa simplicité de construction, de sa standardisation et de sa robuste.

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone repose :

D’une part sur la création d’un courant électrique induit dans un conducteur placé dans un champ magnétique tournant. Le conducteur en question est un des barreaux de la cage d’écureuil ci-dessous constituant le rotor du moteur. L’induction du courant ne peut se faire que si le conducteur est en court-circuit (c’est le cas puisque les deux bagues latérales relient tous les barreaux).
D’autre part, sur la création d’une force motrice sur le conducteur considéré (parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique tournant ou variable) dont le sens est donné par la règle des trois doigts de la main droite.

Comme montré sur le schéma ci-dessus, le champ tournant , à un instant donné, est orienté vers le haut. En considérant deux conducteurs diamétralement opposés, on constate que les courants induits dans ces deux conducteurs sont en sens inverse et, associés au champ magnétique, créent des forces motrices en sens inverse. Le rotor étant libre de tourner sur l’axe X-Y, les deux forces s’associent pour imprimer aux deux conducteurs un couple permettant la rotation de la cage d’écureuil : le moteur électrique est inventé.

Pour entretenir la rotation du moteur, il est nécessaire de faire varier soit le courant dans les conducteurs de la cage, soit le champ magnétique. Dans un moteur asynchrone, c’est le champ magnétique qui varie sous forme de champ tournant créé dans le stator.

Au démarrage le champ tournant balaye les conducteurs de son flux à la vitesse angulaire de synchronisme. Le rotor mis en rotation tend à rattraper le champ tournant. Pour qu’il y ait un couple entretenu au niveau des conducteurs, la variation de flux doit être présente en permanence; ce qui signifie que si les conducteurs tournent à la vitesse de synchronisme comme le champ tournant, la variation de flux sur les conducteurs devient nulle et le couple moteur disparaît.

Un rotor de moteur asynchrone ne tourne donc jamais à la vitesse de synchronisme (50 Hz). Pour un moteur à une paire de pôles (à 50 Hz, la vitesse de rotation du champ tournant est de 3 000 [tr/min]) la vitesse de rotation du rotor peut être de 2 950 [tr/min] par exemple; intervient ici la notion de glissement.

Le stator

Le stator d’un moteur triphasé (le plus courant en moyenne et grosse puissance), comme son nom l’indique, est la partie statique du moteur asynchrone. Il se compose principalement :

de la carcasse,
des paliers,
des flasques de palier,
du ventilateur refroidissant le moteur,
le capot protégeant le ventilateur.

Stators.

L’intérieur du stator comprend essentiellement :

un noyau en fer feuilleté de manière à canaliser le flux magnétique,
les enroulements (ou bobinage en cuivre) des trois phases logés dans les encoches du noyau.

Dans un moteur triphasé les enroulements sont au nombre minimum de trois décalés l’un de l’autre de 120° comme le montre le schéma ci-dessous.

Influence du nombre de paires de pôles sur la vitesse de rotation et de la forme du champ statorique résultant.

Lorsque les enroulements du stator sont parcourus par un courant triphasé, ceux-ci produisent un champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme. La vitesse de synchronisme est fonction de la fréquence du réseau d’alimentation (50 Hz en Europe) et du nombre de paires de pôles. Vu que la fréquence est fixe, la vitesse de rotation du champ tournant du moteur ne peut varier qu’en fonction du nombre de paires de pôles.

Paires de pôles	1	2	3	4	6
Nombre de pôles	2	4	6	8	12
n0 [tr/min]	3 000	1 500	1 000	750	500

Le rotor

Le rotor est la partie mobile du moteur asynchrone. Couplé mécaniquement à un treuil d’ascenseur par exemple, il va créer un couple moteur capable de fournir un travail de montée et de descente de la cabine d’ascenseur. Il se compose essentiellement :

D’un empilage de disques minces isolés entre eux et clavetés sur l’arbre du rotor afin de canaliser et de faciliter le passage du flux magnétique.
D’une cage d’écureuil en aluminium coulé dont les barreaux sont de forme trapézoîdale pour les moteurs asynchrones standards et fermés latéralement par deux « flasques » conductrices.

Glissement

Comme on l’a vu au niveau du principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone, la vitesse de rotation de l’arbre du moteur est différente de la vitesse de synchronisme (vitesse du champ tournant).

Le glissement représente la différence de vitesse de rotation entre l’arbre du moteur et le champ tournant du stator; il s’exprime par la relation suivante :

s = n₀ – n_n

Avec,

n₀ = vitesse du champ tournant.
n_n = vitesse de rotation de l’arbre.

Le glissement est généralement exprimé en pourcentage de la vitesse de synchronisme n₀.

s = (n₀ – n_n) / n₀ [%]

La vitesse de synchronisme, quant à elle, est fonction de la fréquence du réseau et du nombre de paires de pôles. Elle s’exprime par la relation suivante :

n₀ = (f x 60) /p

Avec,

n₀ = vitesse du champ tournant.
f = la fréquence du réseau (en général 50 Hz).
p = le nombre de paires de pôles.

Couple

Le couple C d’un moteur asynchrone est fonction de la puissance P et de la vitesse de rotation n du moteur. Il s’exprime par la relation suivante :

C = (P x 9 550) / n

Avec,

P = Puissance du moteur [W].
n = la vitesse de rotation du moteur [tr/min].

Une des courbes la plus caractéristique des moteurs asynchrones est celle du couple en fonction du glissement :

Couple en fonction du rapport :
vitesse de rotation/vitesse de synchronisme.

Sur le graphe ci-dessus on voit tout de suite qu’il faut choisir le type de moteur en fonction de l’application : pour les motorisations des ascenseurs, on préférera les moteurs à double cage présentant un profil de courbe plus plat en fonction du glissement afin de bénéficier d’un couple relativement constant quelle que soit la charge.

Une des caractéristiques importante du moteur asynchrone, est qu’il peut, dans certaines conditions, se transformer en générateur asynchrone. Lorsqu’une cabine d’ascenseur redescend en charge maximum, le moteur renvoie de l’énergie au réseau.

Les courbes suivantes montrent ce phénomène :

Fonction en moteur ou en générateur suivant le couple résistant .

Pour être complet, on peut noter qu’un moteur asynchrone classique a les caractéristiques suivantes :

Le courant de démarrage est de l’ordre de 6 à 7 fois le courant nominal. Il est impératif de prévoir des systèmes de limitation de courant au démarrage (étoile/triangle, variateur de fréquence, …).
Le couple de démarrage est important (de l’ordre de 2,5 fois le couple nominal).
Le couple est maximum pour un glissement de l’ordre de 30 %.

Caractéristiques d’un moteur asynchrone classique.

Pilotage de la vitesse de rotation

Le pilotage de la vitesse de rotation du moteur asynchrone est essentielle pour beaucoup d’applications.

La relation suivante permet de cerner quels sont les paramètres qui peuvent influencer la vitesse de rotation.

On a :

s = (n₀ – n) / n₀

Avec,

s = glissement [%].
n₀ = vitesse du champ tournant [tr/min].
n = la vitesse de rotation de l’arbre du moteur [tr/min].

Ou :

n = ( (1 – s) x (f x 60)) / p

Avec,

f x 60 = fréquence du réseau [Hz] multipliée par le nombre de secondes par minute.
p = le nombre de paire de pôle.

On peut donc piloter la vitesse de rotation en intervenant sur :

le nombre de paire de pôle (moteur à deux vitesses par exemple),
le glissement du moteur (moteur à bague),
la fréquence du réseau.

Pilotage en modifiant le nombre de pôles

Des anciennes installations d’ascenseur fonctionnent encore avec des moteurs à deux vitesses. La plupart du temps se sont des moteurs dont le rotor est composé de deux nombres différents de paires de pôles. Les enroulements sont disposés dans les encoches du stator d’une manière particulière qui en fait tout sa complexité. Les différents couplages par paire de pôles permet d’obtenir différentes vitesses.

Un moteur bipolaire a une vitesse de rotation de 3 000 [tr/min], tandis qu’un quadripolaire tourne à 1 500 [tr/min] ou à 3 000 [tr/min].

Donc pour autant que l’on puisse réaliser des couplages différents sur des moteurs à deux nombres différents de paires de pôles, on obtient des vitesses différentes.

Régulation de fréquence

À l’heure actuelle, le pilotage de la vitesse des moteurs asynchrones se fait électroniquement grâce à des variateurs de vitesse. Pour cette raison, on ne parlera ici que du contrôle de la fréquence qui de loin la plus courante.

Sans perte de puissance, on peut piloter la vitesse de rotation du moteur en faisant varier la fréquence car la vitesse de rotation du champ tournant au niveau du stator change. Pour conserver le couple moteur (intéressant pour les ascenseurs), il faut que la tension du moteur se modifie avec la fréquence dans un rapport constant. En effet, le couple est lié à la fréquence, la tension et le courant par la formule suivante.

On a :

C ~ (U/f) x I

Avec,

C = couple moteur [Nm].
U = tension du réseau[V].
I = courant absorbé par le moteur.

Si le rapport entre la tension et la fréquence reste constant, le couple le reste aussi.

Pilotage en fréquence et en tension.

Le pilotage du moteur par un variateur de fréquence et de tension montre des intérêts certains; à savoir principalement :

la limitation du courant de démarrage (de l’ordre de 1,5 fois le courant nominal);
un coupe relativement constant quelle que soit la vitesse du moteur.

Posted By : 25 Sep, 2007

Variateurs de vitesse

(Source : « L’essentiel sur les variateurs de vitesse »; Danfoss drive a/s).

Principe de base des variateurs de vitesse

Depuis la venue de la technologie des semi-conducteurs, la variation de vitesse électronique des moteurs électriques a pris le dessus sur les anciens systèmes tels que les groupes Ward-Léonard.

Cette technologie, devenue fiable, part toujours du même principe : à partir d’une source, la plupart du temps triphasée alternative pour les ascenseurs, le variateur de vitesse va recréer en sortie :

Une tension triphasée variable en fréquence et en amplitude pour les moteurs à courant alternatif.
Une tension continue variable en amplitude pour les moteurs à courant continu.

Le variateur de vitesse est composé essentiellement :

d’un redresseur qui, connecté à une alimentation triphasée (le réseau), génère une tension continue à ondulation résiduelle (le signal n’est pas parfaitement continu). Le redresseur peut être de type commandé ou pas,
d’un circuit intermédiaire agissant principalement sur le « lissage » de la tension de sortie du redresseur (améliore la composante continue). Le circuit intermédiaire peut aussi servir de dissipateur d’énergie lorsque le moteur devient générateur,
d’un onduleur qui engendre le signal de puissance à tension et/ou fréquence variables,
d’une électronique de commande pilotant (transmission et réception des signaux) le redresseur, le circuit intermédiaire et l’onduleur.

Le variateur de vitesse est principalement caractérisé selon la séquence de commutation qui commande la tension d’alimentation du moteur. On a :

les variateurs à source de courant (CSI),
les variateurs à modulation d’impulsions en amplitude (PAM),
les variateurs à modulation de largeur d’impulsion (PWM/VVC).

Fonction des variateurs de vitesse

Au niveau des ascenseurs, parmi la multitude de possibilités de fonctions qu’offrent les variateurs de vitesse actuels, on épinglera :

l’accélération contrôlée,
la décélération contrôlée,
la variation et la régulation de vitesse,
l’inversion du sens de marche,
le freinage d’arrêt.

L’accélération contrôlée

Le profil de la courbe de démarrage d’un moteur d’ascenseur est avant tout lié au confort des utilisateurs dans la cabine. Il peut être soit linéaire ou en forme de « s ». Ce profil ou « rampe » est la plupart du temps ajustable en permettant de choisir le temps de mise en vitesse de l’ascenseur.

La décélération contrôlée

Les variateurs de vitesse permettent une décélération contrôlée sur le même principe que l’accélération. Dans le cas des ascenseurs, cette fonction est capitale dans sens où l’on ne peut pas se permettre de simplement mettre le moteur hors tension et d’attendre son arrêt complet suivant l’importance du couple résistant (le poids du système cabine/contre-poids varie en permanence); Il faut impérativement contrôler le confort et la sécurité des utilisateurs par le respect d’une décélération supportable, d’une mise à niveau correcte, …
On distingue, au niveau du variateur de vitesse deux types de freinage :

En cas de décélération désirée plus importante que la décélération naturelle, le freinage peut être électrique soit par renvoi d’énergie au réseau d’alimentation, soit par dissipation de l’énergie dans un système de freinage statique.
En cas de décélération désirée moins importante que la décélération naturelle, le moteur peut développer un couple moteur supérieur au couple résistant de l’ascenseur et continuer à entraîner la cabine jusqu’à l’arrêt.

La variation et la régulation de vitesse

Parmi les fonctionnements classiques des variateurs de vitesse, on distingue :

La variation de vitesse proprement dite où la vitesse du moteur est définie par une consigne d’entrée (tension ou courant) sans tenir compte de la valeur réelle de la vitesse du moteur qui peut varier en fonction de la charge, de la tension d’alimentation, … On est en boucle « ouverte » (pas de feedback).

Boucle ouverte.

La régulation de vitesse où la consigne de la vitesse du moteur est corrigée en fonction d’une mesure réelle de la vitesse à l’arbre du moteur introduite dans un comparateur. La consigne et la valeur réelle de la vitesse sont comparées, la différence éventuelle étant corrigée. On est en boucle « fermée ».

Boucle fermée.

L’inversion du sens de marche

Sur la plupart des variateurs de vitesse, il est possible d’inverser automatiquement le sens de marche. L’inversion de l’ordre des phases d’alimentation du moteur de l’ascenseur s’effectue :

soit par inversion de la consigne d’entrée,
soit par un ordre logique sur une borne,
soit par une information transmise par une connexion à un réseau de gestion.

Le freinage d’arrêt

C’est un freinage de sécurité pour les ascenseurs :

Avec des moteurs asynchrones, le variateur de vitesse est capable d’injecter du courant continu au niveau des enroulements statoriques et par conséquent stopper net le champ tournant; la dissipation de l’énergie mécanique s’effectuant au niveau du rotor du moteur (danger d’échauffement important).
Avec des moteurs à courant continu, le freinage s’effectue au moyen d’une résistance connectée sur l’induit de la machine.

Le redresseur

Redresseur triphasé.

Les ascenseurs sont généralement alimentés par un réseau triphasé alternatif à fréquence fixe (50 Hz). La fonction du redresseur au sein du variateur de vitesse est de transformer la tension triphasée alternative en tension continue monophasée. Cette opération se réalise par l’utilisation :

soit d’un pont de diodes, le redresseur est « non-commandé »,
soit d’un pont de thyristors, alors le redresseur est commandés.

Le redresseur non commandé

Comme le montre la figure ci-dessous, des deux alternances d’une tension monophasée alternative (positive et négative), seule l’alternance positive passe à travers la diode entre les électrodes couramment appelées « anode » et « cathode »; on dit que la diode est « passante ».

Fonctionnement de la diode .

Pour obtenir une tension continue à la sortie du redresseur, il est nécessaire de trouver un système qui permette d’exploiter les deux alternances; c’est le pont de diodes.

Dans un redresseur triphasé non-commandé, le pont de diodes permet, comme le montre la figure ci-dessus, de générer une tension continue en redressant l’alternance négative de chaqu’une des trois tensions composées. On voit que la tension de sortie n’est pas tout à fait continue et comporte une ondulation résiduelle.

Redresseurs non-commandés.

La tension à ondulation résiduelle sortant du redresseur a une valeur moyenne de l’ordre de 1,35 fois la tension du réseau.

Tension à ondulation résiduelle.

Le redresseur commandé

Dans le redressement commandé d’une tension alternative, la diode est remplacée par le thyristor qui possède la particularité de pouvoir contrôler le moment ou il deviendra « passant » dans l’alternance positive. C’est la troisième électrode, appelée « gâchette », qui, lorsqu’elle est alimenté sur commande par la régulation du redresseur, devient conductrice. Tout comme la diode, le thyristor est « bloquant » durant l’alternance « négative ».

Fonctionnement du thyristor.

On voit tout de suite l’intérêt du thyristor par rapport à la diode : on peut faire varier la valeur de la tension moyenne de sortie en contrôlant le moment où l’impulsion sera donnée sur la gâchette pour rendre le thyristor « passant ».
Dans un redresseur triphasé commandé, le pont de thyristors permet, comme le montre la figure ci-dessus :

De générer une tension continue en redressant l’alternance négative de chaqu’une des trois tensions composées. On voit que la tension de sortie n’est pas tout à fait continue et comporte une ondulation résiduelle.
De faire varier le niveau de tension moyenne à la sortie du redresseur.

Redresseurs commandés.

Tension de sortie du redresseur.

Le circuit intermédiaire

Circuit auxiliaire.

Ce circuit joue plusieurs rôles suivant les options prises sur le type de variateur dont principalement le lissage en courant ou en tension du signal de sortie du redresseur et le contrôle du niveau de tension ou de courant d’attaque de l’onduleur. Il peut aussi servir à :

découpler le redresseur de l’onduleur,
réduire les harmoniques,
stocker l’énergie due aux pointes intermittentes de charge.

On différentie le circuit intermédiaire à :

À courant continu variable lorsque le redresseur est commandé (variation de la tension de sortie du redresseur).
À tension continue variable ou constante lorsque le redresseur est respectivement commandé ou pas.
À tension variable lorsque le redresseur est non-commandé.

Le circuit intermédiaire à courant continu variable

Ce type de circuit intermédiaire caractérise les variateurs à source de courant. Il est composé d’une bobine (ou self) de lissage « passe bas » (filtration des basses fréquences) permettant de réduire l’ondulation résiduelle. En d’autres termes la bobine transforme la tension de sortie du redresseur à ondulation résiduelle en un courant continu.

Circuit intermédiaire à courant continu variable.

Le circuit intermédiaire à tension continue constante ou variable

Ce type de circuit intermédiaire caractérise les variateurs à source de tension. Il est composé d’une bobine (ou self) de lissage « passe bas » (filtration des basses fréquences) et d’un condensateur « passe haut » (filtration des hautes fréquences) permettant de réduire l’ondulation résiduelle.

Pour un redresseur commandé, le circuit intermédiaire transforme la tension de sortie à ondulation résiduelle du redresseur en tension continue d’amplitude variable.

Pour un redresseur non-commandé, la tension à l’entrée de l’onduleur est une tension continue dont l’amplitude est constante.

Circuit intermédiaire à tension continue constante ou variable.

Le circuit intermédiaire à tension variable

À l’entrée du filtre est ajouté un hacheur composé d’un transistor et d’une diode « roue libre ». Dans ce cas, le circuit intermédiaire transforme la tension continue de sortie du redresseur à ondulation résiduelle en une tension carrée lissée par le filtre. Il en résulte la création d’une tension variable suivant que le pilote du hacheur rende le transistor « passant » ou pas.

Circuit intermédiaire à tension variable.

L’onduleur

Onduleur triphasé.

L’onduleur constitue la dernière partie du variateur de vitesse dans le circuit puissance.

Alimenté à partir du circuit intermédiaire par :

une tension continue variable ou constante,

Onduleur pour tension intermédiaire variable ou continue.

un courant continu variable,

Onduleur pour courant intermédiaire continu variable.

L’onduleur fournit au moteur une grandeur variable en tension ou en fréquence ou les deux en même temps suivant le cas. En effet, une alimentation de l’onduleur :

En tension ou en courant continue variable, lui permet de réguler la vitesse du moteur en fréquence.
En tension continue constante, lui impose de réguler la vitesse du moteur en tension et en fréquence.

Bien que les fonctionnements des onduleurs soient différents, la technologie reste plus ou moins identique. Pour une raison de souplesse de commande en fréquence, les onduleurs sont maintenant équipés de transistors haute fréquence plutôt que de thyristors. Ce type de transistor de puissance peut être allumé et éteint très rapidement et, par conséquent, couvrir une large plage de fréquence (entre 300 Hz et 20 kHz).

Modes de fonctionnement de l’onduleur

On distingue plusieurs modes de fonctionnement des onduleurs en fonction principalement du signal de sortie du circuit intermédiaire :

le fonctionnement en modulation d’impulsion en amplitude (PAM : Pulse Amplitude Modulation),
le fonctionnement en modulation de largeur d’impulsion (PWM : Pulse Width Modulation).

Mode de modulation en amplitude ou en largeur d’impulsion.

Modulation d’impulsion en amplitude

Ce type de modulation est utilisé lorsque le variateur de vitesse est à tension intermédiaire variable.
Comme on l’a vu dans le circuit intermédiaire :

Pour les variateurs avec redresseurs non-commandés, un hacheur est nécessaire pour générer une tension variable au niveau de l’onduleur.
Pour les variateurs avec redresseurs commandés, la variation de l’amplitude de la tension est générée par le redresseur lui-même.

Circuit intermédiaire à tension variable par le hacheur.

Quel que soit le système, l’onduleur reçoit à son entrée une tension continue variable en amplitude. Dans ce cas, l’onduleur, lui, ne fait varier que la fréquence d’allumage et d’extinction des thyristor ou des transistors en fonction du niveau de la tension d’entrée pour recréer une tension sinuzoidale (dans le cas d’un moteur à courant alternatif).

Modulation de largeur d’impulsion (PWM)

Ce type de modulation est souvent utilisé pour générer une tension triphasée à fréquence et tension variables.

Il existe 3 manières de gérer la commutation des thyristors ou des transistors de puissance :

PWM à commande par sinusoïde,
PWM synchrone pour limiter les harmoniques,
PWM asynchrone pour améliorer la réaction du moteur à toute modification rapide de la commande du variateur de fréquence.

Dans un souci de clarté, seule la PWM à commande par sinusoïde est expliquée ci-dessous :

Le principe de commande de l’onduleur réside dans l’utilisation d’un comparateur de tensions. Ce comparateur superpose à trois tensions sinusoïdales de référence une tension de forme triangulaire. La fréquence des trois sinusoïdes de référence correspondent à celle des tensions souhaitées à la sortie de l’onduleur. Les intersections entre les sinusoïdes et l’onde triangulaire détermine l’allumage ou l’extinction des thyristors (ou des transistors de puissance) selon le cas. Il en résulte un temps d’impulsion « passante » ou « non-passante » variable reconstituant un courant sinusoïdal en sortie du variateur de vitesse.

Principe PWM à commande par sinusoïde.

Attention, dans ce type de commande, il faudra être attentif à la génération d’harmoniques responsables de perturbation du réseau amont. Dans ce cas, une commande PWM synchrone limite la création d’harmoniques.

Le circuit de commande

Le circuit de commande ne fait pas partie du circuit puissance du variateur de vitesse. Ce circuit doit garantir quatre fonctions essentielles :

La commande des semi-conducteurs du variateur de vitesse.
L’échange d’informations de commande, de régulation et d’analyse avec les périphériques.
Le contrôle des défauts (interprétation et affichage).
La protection du variateur de vitesse et du moteur.

La venue des microprocesseurs a permis d’accroître la vitesse d’exécution des informations de commande et de régulation du circuit de commande vis à vis des autres circuits (circuit intermédiaire, onduleur, …).

Le circuit de commande est donc en mesure de déterminer le schéma optimum d’impulsions des semi-conducteurs pour chaque état de fonctionnement du moteur par rapport à la charge, au réseau, aux consignes de commande, …

La régulation de vitesse de moteurs triphasés à courant alternatif évolue selon deux principes de commandes différents :

la commande U/f (Scalaire),
la commande vectorielle de flux (VVC : Voltage Vector Control).

Ces principes déterminent la manière de programmation des algorithmes de commande et de régulation des variateurs de vitesses. Les deux méthodes présentent des avantages en fonction des exigences spécifiques des performances (couple, vitesse, …) et de la précision de l’entraînement.

La commande U/f (scalaire)

La commande U/f se base sur la mesure de grandeurs scalaires (valeurs d’amplitude en tension et en fréquence). C’est le système de commande de base des variateurs de fréquence standards.

Afin de garder un flux constant dans le moteur et donc aussi une variation de vitesse à couple constant la tension et la fréquence varient proportionnellement jusqu’à la fréquence nominale du moteur (50 Hz). Lorsque la tension nominale est atteinte, la tension ne sachant plus augmenter, il est toujours possible d’augmenter la fréquence; dans ce cas la variation se fait à puissance constante , le couple diminue avec la vitesse. Ce mode de fonctionnement est intéressant pour des charges à couple constant tels que les ascenseurs. En effet, le couple moteur « colle » mieux au profil du couple résistant; ce qui signifie que les consommations qui en découlent sont moindres.

Fonctionnement U/f constant.

Fonctionnement à couple constant sous une fréquence de 50 Hz.

La figure ci-dessous montre les profils des courbes du couple en fonction de la vitesse pour différents rapports U/f :

Fonctionnement à couple constant.

La commande U/f a les avantages et les inconvénients suivants :

(+)

facilité d’adaptation du variateur de vitesse au moteur.
supporte aisément les variations de charge dans toute la plage de vitesses.
le couple moteur reste plus ou moins constant en fonction de la vitesse.
…

(-)

plage de régulation de la vitesse limitée à 1/20.
à faible vitesse, pas de compensation par rapport au glissement et à la gestion de la charge.

La commande vectorielle de tension (ou de flux)

Pour ce type de commande, il est nécessaire de fournir des indications précises sur les paramètres du moteur (encodage de la plaque signalétique).

La commande vectorielle en tension (VVC : Voltage Vector Control) agit selon le principe de calcul de la magnétisation optimale du moteur à différentes charges à l’aide de paramètres de compensation permettant de contrôler le glissement et la charge du moteur.

Comme son nom l’indique, la commande vectorielle en tension travaille avec les vecteurs de tension à vide et de compensation par rapport à la variation de la charge.

La commande vectorielle à champ orienté travaille avec les valeurs des courants actifs, de magnétisation (flux) et du couple. Par un modèle mathématique approprié, il est possible de déterminer le couple nécessaire au moteur en fonction des vecteurs du flux statorique et du courant rotorique et ce afin d’optimiser et réguler le champ magnétique et la vitesse du moteur en fonction de la charge.

La commande vectorielle de flux a les avantages et inconvénients suivants :

(+)

bonne réaction aux variations de charge.
régulation précise de la vitesse.
couple intégral à vitesse nulle.
performance semblable aux entraînements à courant continu.
réaction rapide aux variations de vitesse et large plage de vitesses (1/100).
meilleure réaction dynamique aux variations de sens de rotation.
une seule stratégie de commande pour toute la plage de vitesse est nécessaire.

(-)

nécessite de connaître les caractéristiques précises du moteur.
…

L’optimisation automatique de l’énergie

Dans des applications telles que celles des ascenseurs (faible charge des ascenseurs à traction), des économies d’énergie peuvent être réalisées en réduisant la force du champ magnétique et par conséquent les pertes dans le moteur. En effet, en général, pour des installations classiques, les moteurs sont surmagnétisés par rapport au couple à fournir.

Dans beaucoup d’applications, on pourra fixer le rapport U/f afin d’optimiser les consommations énergétiques. Un compromis sera trouvé entre l’économie d’énergie et les besoins réels du moteur en couple minimal pour un rotor bloqué (ou couple de décrochage).

L’économie d’énergie pour des systèmes moyens d’entraînement est de l’ordre de 3 à 5 % pour des faibles charges.

Posted By : 25 Sep, 2007

Types de gestion du trafic [ascenseurs]

Généralités

Dans les bâtiments tertiaires, il est nécessaire de doter les ascenseurs d’une « certaine intelligence » qui gère le trafic. Sans elle, le trafic serait complètement anarchique.

Une gestion de trafic a pour but premier :

D’analyser les évolutions du trafic.
D’anticiper le besoin en proposant des solutions rationnelles qui minimisent le nombre et la longueur des déplacements et optimisent le remplissage des cabines.

En seconde approche, il va de soi qu’une gestion de trafic efficace réduit les consommations énergétiques; c’est une bonne nouvelle pour tout le monde.

Parmi les systèmes qui existent sur le marché pour les ascenseurs uniques, on retrouve, par ordre croissant de performance, les gestions de trafic suivantes :

les manœuvres à blocage (très peu performantes),
les manœuvres collectives de descente,
les manœuvres collectives complètes,
…

Au niveau des batteries d’ascenseur (duplex, triplette, …), des manœuvres précédentes, ne sont intégrées dans la gestion de trafic, que les manœuvres collectives complètes. En plus, certains systèmes intègrent une supervision à manœuvres de destination.

Type de gestion pour un seul ascenseur

Manœuvre à blocage

La manœuvre à blocage ne permet pas de gérer le trafic de manière efficace. En effet, dans ce cas de figure, chaque appel de la cabine est pris en compte à la suite l’un de l’autre sans mémorisation. L’appel suivant n’est pris en compte que lorsque le trajet précédent est arrivé à destination. Ce système est primaire et heureusement n’est pratiquement plus utilisé.

Exemple.

Le scénario est le suivant :

3 personnes se situant au 6^ème, 5^ème et 3^ème désirent descendre au rez-de-chaussée.

Pour simplifier, on considère que :

Le temps du trajet de la cabine est proportionnel à la hauteur et vaut 5 secondes par étage.
Le temps de chaque arrêt est de 5 secondes.
La puissance moyen en montée est de 1 500 W et en descente 750 W.

On voit tout de suite que l’efficacité tant au niveau trafic qu’énergétique n’est pas probante.

Manœuvre collective de descente

Ce type de gestion permet de réduire le temps de fonctionnement de l’ordre de 50 %. Étant plus évolué, il est à mémoire et permet de rationaliser le trafic à la descente.

Exemple.

Le scénario est le suivant :

Les 3 mêmes personnes se situant au 6^ème, 5^ème et 3^ème désirent toujours descendre au rez-de-chaussée.

On considère toujours que :

Le temps du trajet de la cabine est proportionnel à la hauteur et vaut 5 secondes par étage.
Le temps de chaque arrêt est de 5 secondes.
la puissance moyen en montée est de 1 500 W et en descente 750 W.

L’efficacité du trafic est nettement améliorée tant au niveau de l’efficacité qu’au point de vue énergétique.

Manœuvre collective complète

Dans ce type de gestion de trafic, tant les appels pour la descente que pour la montée sont pris en considération, mémorisés et traités en temps réelle en fonction de la situation.

Exemple.

On compare une manœuvre collective complète avec une manœuvre collective de descente.

Le scénario est le suivant :

Deux groupes de personnes situées au 4ème et au rez-de-chaussée désirent monter au 6ème.
Deux autres groupes situés au au 6ème et 2ème désirent descendre au rez-de-chaussée.

On considère toujours que :

Le temps du trajet de la cabine est proportionnel à la hauteur et vaut 5 secondes par étage.
Le temps de chaque arrêt est de 5 secondes.
La puissance moyen en montée est de 1 500 W et en descente 750 W.

Manœuvre collective de descente :

Manœuvre collective complète :

De nouveau, l’efficacité du trafic est nettement améliorée.

Type de gestion pour une batterie d’ascenseurs

Lorsque plusieurs ascenseurs sont nécessaires pour assurer un trafic moyen plus élevé, il faut se tourner vers des systèmes de supervision collective sélective qui assurent les fonctions suivantes :

envoi immédiat des cabines atteignant la pleine charge,
non réponse aux appels locaux des cabines déjà remplies,
distribution dynamique de zones,
programmation distincte pour différentes séquences de trafic comme les pointes montées/descentes entre étages),
limitation du nombre de cabines en service en période creuse,
…

Ces superviseurs sont de véritables analyseur de trafic en temps réel doté d’une intelligence qui peut être basée sur différents types d’algorithmes informatiques.

Manœuvre collective complète

La manœuvre collective complète fonctionne aussi pour les batteries d’ascenseurs, si ce n’est qu’elle est plus sophistiquée et qu’elle répartit le trafic sur plusieurs ascenseurs avec la possibilité :

de sélectionner un des ascenseurs par rapport à l’appel le plus proche,
de programmer en fonction du trafic des destinations privilégiées,
…

Ce type de gestion fait appel à un algorithme basé sur une vieille « philosophie » de commande d’ascenseur à l’extérieur de la cabine :

L’appel de l’ascenseur pour la montée ou la descente s’effectue sur le palier.
Suite à cet appel, la supervision sélectionne un ascenseur et l’envoi à destination. L’utilisateur entre dans la cabine et sélectionne l’étage au niveau de la boîte à bouton.

Manœuvre à destination

Ce type de manœuvre est assez récente et se base sur une autre « philosophie ». L’algorithme fonctionne à partir d’un concept inverse à celui de la commande collective complète, c.à.d. :

La commande de l’étage se compose à l’extérieur de l’ascenseur (souvent même avant le palier d’ascenseur dans le but de gagner du temps sur la période d’attente).
Le superviseur sélectionne la cabine se trouvant dans les meilleures conditions pour optimiser le débit de personne.

En rassemblant un maximum d’utilisateurs se rendant à la même destination dans le même ascenseur (ascenseur A,B ou C par exemple) et en limitant le nombre d’arrêt une fois la cabine remplie, le système tente de réduire les temps d’attente et de trajet.

Gestion classique.

Gestion à destination.

Posted By : 25 Sep, 2007

Systèmes de motorisation

Généralités

On peut ranger les types d’ascenseurs électriques dans deux catégories principales :

les ascenseurs à traction à câbles;
les ascenseurs hydrauliques.

Les ascenseurs à tractions à câbles sont de loin ceux le plus répandu au niveau du parc machine. C’est une des raisons pour laquelle on détaillera plus la motorisation des ascenseurs à traction à câbles. De plus, énergétiquement parlant, la motorisation des ascenseurs hydrauliques a des rendements assez faibles (de l’ordre de 20 %) et, de par l’absence entre autres de contre-poids, les moteurs hydrauliques consomment plus et ont des appels de puissance au démarrage beaucoup plus importants.

Le tableau ci-dessous montre un comparatif des performances énergétiques de différents types de motorisation :

Type de motorisation		Rendement	Courant nominal	Courant de démarrage
Moteur hydraulique		de l’ordre de 20 %	3 In	12 à 18 In
Moteur-treuil à vis sans fin	ancienne génération	de l’ordre de 45 %	In	2 à 3,5 In
	nouvelle génération	60 à 65 %
Moteur sans treuil (« gearless »)		de l’ordre de 78 %	**	**
Moteur-treuil planétaire		de l’ordre de 97 %	**	**

Comme nous le verrons ci-dessous, l’efficacité énergétique des systèmes de motorisation des ascenseurs dépend surtout du type de moteur d’entraînement accouplé :

au treuil pour les ascenseurs à traction,
à la pompe pour les ascenseurs hydrauliques.

Un réducteur planétaire, par exemple, peut être accouplé à :

un moteur à courant continu à excitation indépendante ou shunt,
un groupe Ward Léonard,
un moteur à courant alternatif asynchrone à démarrage :
- étoile-triangle,
- à deux vitesses,
- commandé par un variateur de fréquence,
- …
un moteur à courant alternatif synchrone à démarrage par variateur de fréquence;
…

Suivant la combinaison du moteur et du réducteur planétaire, les consommations peuvent être sensiblement différentes. Dans un souci de trouver la meilleure adéquation, il sera nécessaire de prendre en compte :

le rendement mécanique de l’ensemble,
le rendement électrique du circuit puissance (alimentation et moteur).

Les moteurs-treuils ou moteur à traction

Les moteurs-treuils à vis sans fin à une ou deux vitesses

Moteur-treuil à vis sans fin.

À l’heure actuelle, les moteurs-treuils avec vis sans fin sont abandonnés au profit des moteurs à attaque directe (sans réducteur ou « gearless).

Dans ce type de motorisation, la vis sans fin entraîne beaucoup de pertes mécaniques et, par conséquent, des consommations électriques plus importantes.

Au début de l’utilisation des vis sans fin, les rendements énergétiques de l’ensemble moteur-treuil étaient de l’ordre de 20 %. Avec le perfectionnement des outils, des lubrifiants, …, les rendements se sont nettement améliorés pour atteindre les 45 % et, même plus récemment, 60 à 65 %.

Les moteurs électriques couplés au treuil à vis sans fin étaient généralement des moteurs à courant continu à excitation indépendante ou shunt avec la faculté bien connue de pouvoir faire varier très facilement la vitesse de rotation.

Les moteurs électriques à courant alternatif utilisés avec ce type de réducteur sont en principe des moteurs à deux vitesses. A l’heure actuelle, on peut encore remarquer ce type de moteur-treuil lorsqu’on se trouve dans la cabine :

au démarrage, la vitesse est plus lente (petite vitesse),
pour atteindre la vitesse de déplacement optimale, le moteur passe en seconde vitesse en provoquant un léger choc d’accélération (passage de petite en grande vitesse).

Les moteurs-treuils à vis sans fin ont les principaux avantages et inconvénients suivants :

(+)

couple élevé.
grande plage de variation de vitesse.
précision dans les déplacements et sur la régulation de vitesse.
…

(-)

entretien important.
efficacité énergétique faible.
consommation électrique non négligeable.
…

Les moteurs-treuils planétaires

Moteur-treuil planétaire.

Les appareils à treuil planétaire utilisent le système de réduction de vitesse par engrenages planétaires. Accouplés à un moteur électrique, ils permettent d’avoir un rapport de réduction appréciable pour obtenir une plage de vitesse compatible avec le confort et l’efficacité de déplacement souhaitée.

Sans rentrer dans les détails, le treuil planétaire est composé d’un assemblage mécanique complexe d’engrenages. Il est basé sur le principe de gravitation des planètes autour du soleil où :

Le soleil est l’engrenage calé sur l’arbre de sortie du réducteur et couplé avec la roue à câble de l’ascenseur.
Les trois engrenages planétaires tourne sur eux-même et autour de l’engrenage soleil à la manière de notre système solaire.
L’engrenage couronne est celui qui, relié au moteur d’entraînement, fournit le couple moteur.

Réducteur planétaire.

Ce système a un rendement mécanique de l’ordre de 97 à 98 % permettant, pour autant que les moteurs d’entraînement soient performants, d’obtenir des rendements énergétiques globaux intéressants au niveau du moteur-treuil (de l’ordre de 80 %).

Les réducteurs planétaires peuvent être accouplés à des moteurs électriques :

à courant continu (grande plage de variation de vitesse),
à courant alternatif asynchrone à deux vitesses,
à courant alternatif asynchrone commandé par un variateur de fréquence.

Les moteurs-treuils planétaires ont les principaux avantages et inconvénients suivants :

(+)

Couple important.
en fonction du type de moteur accouplé :
- grande plage de variation de vitesse (courant continu ou alternatif à variation de fréquence).
- rendement énergétique important entraînant une diminution des coûts à la conception (puissance installée plus faible) et des consommations moindres à l’exploitation.
précision dans les déplacements et sur la régulation de vitesse.
…

(-)

Entretien nécessitant une main d’œuvre qualifiée.
…

Les moteurs à attaque directe (« Gearless » ou sans treuil)

Moteur gearless classique.

Les moteurs à attaque directe sans réducteur ont fait leur apparition avec la venue des variateurs de fréquence. Les installations deviennent tellement compactes qu’ils est possible à l’heure actuelle de se passer de local des machines sur le toit des immeubles.

Ce système est énergétiquement performant principalement de part la présence d’un variateur de fréquence qui optimise la consommation énergétique; la réduction des pertes mécaniques vu l’absence de réducteur contribuant aussi à l’optimisation de l’efficacité énergétique.

Certains constructeurs annoncent des rendements énergétiques de l’ordre de 80 %.

Les moteurs à attaque directe ont les principaux avantages et inconvénients suivants :

(+)

vitesse optimisée par le variateur de fréquence.
compacité du système.
pas de cabanon technique nécessaire pour les ascenseurs.
précision dans les déplacement et sur la régulation de vitesse.
pertes mécaniques réduites.
efficacité énergétique intéressante.
pas de lubricant.
faible niveau de bruit.
poids réduit.
…

(-)

la compacité peut entraîner des difficultés de maintenance.
difficulté d’intervention dans la cage d’ascenseur.
…

Les motopompes hydrauliques

Les groupes motopompes utilisés dans les ascenseurs hydrauliques sont composés essentiellement :

d’une pompe hydraulique de mise en pression de l’huile dans le cylindre,
d’un moteur électrique d’entraînement de la pompe,
d’une vanne de réglage de débit pour la descente de l’ascenseur,
d’un réservoir à huile,
d’une régulation,
…

La consommation électrique du moteur d’entraînement est due en grande partie au fait que, dans le principe même d’un ascenseur hydraulique, il n’y a pas de contre-poids. De plus, dans une moindre mesure et pour une même charge, les consommations :

des motopompes centrifuges, par exemple, varient avec le cube de la vitesse,
des moteurs-treuils, par exemple, varient proportionnellement à la vitesse.

Posted By : 25 Sep, 2007

Types d’ascenseurs

Familles d’ascenseurs

On distingue essentiellement deux types de familles d’ascenseur :

les ascenseurs à traction à câble,
les ascenseurs hydrauliques.

En règle générale, ces deux types utilisent l’énergie électrique pour déplacer les cabines verticalement (moteur électrique continu ou alternatif).

Ascenseur à câbles.

Ascenseur hydraulique.

Les ascenseurs hydrauliques

Principe

Comme toute machine hydraulique la pompe met sous pression l’huile qui pousse le piston hors du cylindre vers le haut. Lorsque la commande de descente est programmée, le bypass (vanne) de la pompe permet de laisser sortie l’huile du cylindre vers le réservoir.

Description

Les ascenseurs hydrauliques sont utilisés en général pour satisfaire des déplacements relativement courts de l’ordre de 15 à 18 m maximum.

Plusieurs modèles existent sur le marché. On citera les ascenseurs hydrauliques :

à cylindre de surface,
à cylindre enterré,
télescopiques à cylindre de surface.

Ce type d’ascenseur n’est pas très présent sur le marché belge.

À cylindre enterré.

À cylindre de surface.

À cylindre de surface télescopique.

Les ascenseurs hydrauliques se composent principalement de :

d’une cabine,
de guides,
d’un ensemble pistons-cylindres hydrauliques placé sous la cabine de l’ascenseur,
d’un réservoir d’huile,
d’un moteur électrique accouplé à une pompe hydraulique,
d’un contrôleur,
…

Les différents modèles permettent de tenir compte de critères :

de place,
de hauteur d’immeuble à desservir,
de stabilité de sol et de sous-sol,
de risque de pollution par rapport au sol et plus spécifiquement aux nappes phréatiques,
d’esthétique,
…

Énergie

Énergétiquement parlant les ascenseurs hydrauliques posent un problème dans le sens où il n’y a pas de contre-poids qui équilibre la cabine comme dans les systèmes à traction à câble par exemple.

Avantages et inconvénients

Ci-dessous, on trouvera les principaux avantages et inconvénients des ascenseurs hydrauliques :

(+)

Précision au niveau du déplacement (mise à niveau) ;
réglage facile de la vitesse de déplacement ;
ne nécessite pas de cabanon de machinerie ;
implantation facile dans un immeuble existant ;
…

(-)

Course verticale limitée à une hauteur entre 15 et 18 m ;
risque de pollution des sous-sol ;
consommation énergétique importante ;
nécessiter de renforcer la dalle de sol ;
…

Les ascenseurs à traction à câbles

Description

Les ascenseurs à traction à câbles sont les types d’ascenseurs que l’on rencontre le plus, notamment dans les bâtiments tertiaires.

Ils se différencient entre eux selon le type de motorisation :

à moteur-treuil à vis sans fin,
à moteur-treuil planétaire,
à moteur à attaque directe (couramment appelé « Gearless » ou sans treuil),
…

Ascenseur à moteur-treuil.

Ascenseur à moteur à attaque directe.

Quel que soit le type, les ascenseurs à traction à câbles comprennent généralement :

une cabine,
un contre-poids,
des câbles reliant la cabine au contre-poids,
des guides,
un système de traction au-dessus de la cage de l’ascenseur,
…

Énergie

Énergétiquement parlant les ascenseurs à traction à câbles sont plus intéressants que les ascenseurs hydrauliques dans le sens où le contre-poids réduit fortement la charge quelle que soit le type de motorisation.

Avantages et inconvénients

Ci-dessous, on trouvera les principaux avantages et inconvénients des ascenseurs hydrauliques :

(+)

Course verticale pas vraiment limitée ;
suivant le type de motorisation précision au niveau de la vitesse et du déplacement ;
rapidité de déplacement ;
efficacité énergétique importante ;
pas de souci de pollution ;
…

(-)

En version standard, nécessite un cabanon technique en toiture ;
exigence très importante sur l’entretien ;
…

Category Archives: Ascenseurs

Moteur à courant continu

Généralité

Principe de fonctionnement

Caractéristiques

Machine réversible

Type de moteur à courant continu

L’inducteur

L’induit

Les balais

Pilotage de la vitesse de rotation

Relation Vitesse et force contre-électromotrice à flux constant

Relation Couple et flux

Variation de la vitesse

Le groupe Ward-Leonard

Moteur synchrone

Généralité

Principe de fonctionnement

Caractéristiques

Le stator

Le rotor

Rotor à aimant permanent

Rotor bobiné

Pilotage de la vitesse de rotation

Régulation de fréquence

Moteur asynchrone

Généralité

Principe de fonctionnement

Le stator

Le rotor

Glissement

Couple

Pilotage de la vitesse de rotation

Pilotage en modifiant le nombre de pôles

Régulation de fréquence

Variateurs de vitesse

Principe de base des variateurs de vitesse

Fonction des variateurs de vitesse

L’accélération contrôlée

La décélération contrôlée

La variation et la régulation de vitesse

L’inversion du sens de marche

Le freinage d’arrêt

Le redresseur

Le redresseur non commandé

Le redresseur commandé

Le circuit intermédiaire

Le circuit intermédiaire à courant continu variable

Le circuit intermédiaire à tension continue constante ou variable

Le circuit intermédiaire à tension variable

L’onduleur

Modes de fonctionnement de l’onduleur

Modulation d’impulsion en amplitude

Modulation de largeur d’impulsion (PWM)

Le circuit de commande

La commande U/f (scalaire)

La commande vectorielle de tension (ou de flux)

L’optimisation automatique de l’énergie

Types de gestion du trafic [ascenseurs]

Généralités

Type de gestion pour un seul ascenseur

Manœuvre à blocage

Manœuvre collective de descente

Manœuvre collective complète

Type de gestion pour une batterie d’ascenseurs

Manœuvre collective complète

Manœuvre à destination

Systèmes de motorisation

Généralités

Les moteurs-treuils ou moteur à traction

Les moteurs-treuils à vis sans fin à une ou deux vitesses

Les moteurs-treuils planétaires

Les moteurs à attaque directe (« Gearless » ou sans treuil)

Les motopompes hydrauliques

Types d’ascenseurs

Familles d’ascenseurs

Les ascenseurs hydrauliques

Principe

Description

Énergie