Commande de vitesse par affaiblissement du champ dans un système d'entraînement de grue : principes et mise en œuvre

La régulation de vitesse par affaiblissement du champ magnétique est fréquemment utilisée dans les mécanismes de levage des grues afin d'améliorer leur rendement. Le principe est simple : le moteur tourne à sa vitesse maximale à vide, à sa vitesse nominale en charge, et utilise une courbe d'affaiblissement du champ magnétique calculée pour déterminer la vitesse optimale entre charge maximale et charge nulle.

Pour les entraînements de palans de pont roulant et de portique, cela permet d'augmenter la vitesse de levage à vide ou à faible charge, de réduire le temps de levage, de raccourcir le cycle de travail et d'améliorer la productivité de l'équipement.

Certaines applications spécifiques doivent respecter leurs propres spécifications techniques. Par exemple, sur un portique de construction navale, si les vitesses à vide, à mi-charge et à pleine charge sont respectivement de 3, 6 et 9 m/min, et que le rapport d'affaiblissement du champ du moteur ne peut atteindre trois fois la vitesse nominale, la vitesse de fonctionnement à pleine charge peut être inférieure à la vitesse nominale.

L'analyse qui suit prend pour exemples les portiques de quai à conteneurs et les déchargeurs de navires, car ces deux équipements présentent des exigences élevées en matière d'efficacité. La charge d'un mécanisme de levage n'atteint pas sa charge nominale à chaque cycle. Pour un portique de quai à conteneurs, le poids du conteneur se situe généralement entre 3 et 40 tonnes, selon sa cargaison. Lorsque la charge est lourde, la vitesse de levage est réduite. À l'inverse, lorsque la charge est légère, la vitesse de levage peut être augmentée, ce qui diminue le temps de cycle de l'équipement.

Le fonctionnement d'un déchargeur de navire est relativement simple. Lors de l'ouverture complète des écoutilles, le déchargement par benne preneuse s'effectue généralement à pleine charge. À l'ouverture de la benne, le mécanisme est peu sollicité ; le système nécessite donc principalement des plages de vitesses haute et basse. Lors de la phase de nettoyage, le poids des matériaux saisis varie considérablement. Dans ce cas, un fonctionnement à faible charge et à haute vitesse permet de raccourcir significativement le cycle de travail.

Principe de la commande de vitesse par affaiblissement du champ

Comme le montre la figure 1-1, la ligne continue représente la relation entre la vitesse et la puissance, tandis que la ligne pointillée représente la relation entre la vitesse et le couple de sortie.

Lorsque le moteur accélère de l'arrêt à sa vitesse nominale n_N, sa puissance de sortie est proportionnelle à la vitesse, tandis que son couple de sortie reste constant. Cette plage de régime est appelée plage de couple constant.

Lorsque le moteur fonctionne de sa vitesse nominale n_N à sa vitesse maximale n_max, sa puissance de sortie reste constante à sa valeur nominale, tandis que son couple de sortie est inversement proportionnel à la vitesse. Cette plage est appelée plage de régime de puissance constante.

Les courbes S1, S3-60%, S3-40% et S3-25% de la figure 1-1 sont liées aux performances du moteur et ne sont montrées qu'à titre d'exemples.

Lorsque la charge atteint sa valeur nominale, le moteur tourne à une vitesse inférieure à sa vitesse nominale et se maintient dans sa plage de couple constant. Le couple de sortie reste constant, tandis que la puissance de sortie dépend de la vitesse du moteur.

Lorsque la charge est inférieure à la charge nominale, le moteur peut fonctionner en régime d'affaiblissement de champ et dépasser sa vitesse nominale. Dans ce régime de puissance constante, la puissance de sortie reste constante et le couple de sortie diminue à mesure que la vitesse du moteur augmente.

Lors de la conception, il convient d'examiner attentivement la courbe caractéristique de limite de tension et la limite de vitesse mécanique. En fonctionnement, il est recommandé de maintenir une marge raisonnable par rapport à ces limites.

Détection de la courbe d'affaiblissement du champ et du poids de la charge

La courbe d'affaiblissement du champ peut être calculée à partir des performances mécaniques et est généralement fournie par le constructeur. Une fois cette courbe disponible, elle peut être configurée dans le programme de contrôle avec une certaine marge, par exemple 5%.

Le principe de la régulation de vitesse en fonction de la charge repose sur une détection précise du poids de la charge. En pratique, la détection de la charge constitue souvent l'un des points les plus difficiles.

Méthode 1 : Détection de charge par capteur de pesage

Lors de l'accélération de levage, le programme de l'automate programmable calcule le poids de la charge à partir de la sortie analogique du capteur de pesage. Il calcule ensuite la consigne de vitesse du moteur à partir du poids de la charge et de la courbe d'affaiblissement du champ magnétique, puis transmet cette consigne à l'onduleur afin que le moteur fonctionne à la vitesse calculée.

Cependant, les données des capteurs de pesage peuvent dériver et la précision des mesures est difficile à garantir. Cela engendre un risque élevé. Si la vitesse d'affaiblissement du champ calculée est inexacte, la vitesse peut être excessive, tandis que le couple de sortie du moteur de levage peut s'avérer insuffisant. Ceci peut entraîner une perte de contrôle, telle qu'une survitesse.

Méthode 2 : Estimation de la charge par le courant moteur

Pour pallier le problème de précision des capteurs de pesage, une méthode courante d'estimation de charge peut être implémentée dans le programme de l'automate programmable. Le courant du moteur de levage permet de calculer le poids de la charge. En régime permanent, le couple de sortie du moteur est proportionnel au poids de la charge, et le courant moteur est approximativement proportionnel à ce couple. Par conséquent, le courant moteur peut être utilisé pour estimer le poids de la charge.

Comme le montre la Fig. 1-2, lors de l'accélération, le couple de sortie du moteur comprend quatre parties, et M_LOAD est proportionnel à la charge.

Le coefficient de proportionnalité K entre le courant moteur A et la charge T doit être déterminé par une mesure réelle lors de la mise en service :

T = K x A

La méthode de mesure est la suivante :

• Soulever une charge connue T_LOAD jusqu'à ce qu'elle soit suspendue au-dessus du sol, puis l'accélérer de l'arrêt complet à la vitesse de base, ou à la vitesse nominale.
• Mesurez le courant moteur A. L'échantillonnage du courant doit être effectué pendant la phase d'accélération, car la vitesse d'affaiblissement du champ magnétique doit être calculée à partir du poids de la charge. Pour une meilleure précision des données, il est recommandé d'effectuer l'échantillonnage en milieu d'accélération. Par exemple, si le temps d'accélération de zéro à la vitesse de base est de 3 secondes, l'échantillonnage peut commencer après 1,5 seconde de fonctionnement. Effectuez un échantillonnage toutes les 100 ms, collectez 5 échantillons au total et utilisez la moyenne de ces 5 échantillons comme valeur du courant moteur A_M.
• Calcul de K : K = T_LOAD / A_M
• En fonctionnement, mesurer la valeur du courant A selon la même méthode. Calculer ensuite le poids de la charge par la formule T = K x A et combiner ce résultat avec la courbe d'affaiblissement du champ pour calculer la vitesse d'affaiblissement du champ du moteur.

Points importants :

• Par mesure de sécurité, en cas de défaillance du prélèvement d'échantillons de courant ou si le résultat de ce prélèvement est incertain, le moteur ne doit fonctionner qu'à sa vitesse nominale.
• La vitesse d'affaiblissement du champ calculée lors du levage peut également servir de référence pour la descente.
• À la fin de chaque cycle de fonctionnement, la vitesse d'affaiblissement du champ doit être réinitialisée à sa valeur nominale. La vitesse de référence ne doit être mise à jour qu'après le recalcul d'une vitesse d'affaiblissement du champ valide.

Notes de mise en œuvre et de modernisation Siemens

Les premiers systèmes Siemens utilisaient des cartes technologiques telles que la T300, qui intégrait la fonction de régulation de vitesse par affaiblissement de champ. Avant utilisation, les utilisateurs n'avaient besoin que d'un développement applicatif simple et d'une mise en service sur site rigoureuse. La carte T300 était installée à côté de la carte CUVC dans le boîtier électronique Masterdrive 6SE70, et une mémoire EPROM était insérée dans la T300 pour y stocker le programme.

Avec le nouveau système d'entraînement SINAMICS, Siemens a développé le logiciel de commande de grue SIMOCRANE sur la plateforme SIMOTION. Ce logiciel intégrait des fonctions spécifiques aux grues, comme la régulation de vitesse par affaiblissement de champ. Suite à l'abandon de SIMOTION, SIMOCRANE a été transféré sur la plateforme matérielle CU320 et prend toujours en charge la régulation de vitesse par affaiblissement de champ.

Les projets de modernisation requièrent une attention particulière. Le T300 étant incompatible avec un système SINAMICS, ses fonctions doivent être transférées vers un automate programmable (PLC), un CU320 ou une autre plateforme. À défaut, une grue équipée d'une fonction d'affaiblissement de champ électrique risque d'être transformée en une grue à deux vitesses seulement : vitesse élevée et vitesse basse.

Une fois le principe de fonctionnement et la méthode d'implémentation compris, l'équipe projet peut décider de développer la fonction en interne ou d'acquérir un progiciel existant. Pour les applications d'ingénierie, il est important non seulement de savoir ce que fait la fonction, mais aussi de comprendre son fonctionnement.

Cindy

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