Mesure de vitesse et tachymètre sur un moteur électrique

Savoir à quelle vitesse tourne un moteur électrique est, dans la plupart des applications, le fondement de la qualité de production et de la sécurité du système. Le nombre de tours par minute du moteur (tr/min) est l'une des grandeurs les plus fondamentales, indiquant à la fois s'il fonctionne correctement et comment il se comporte face à la charge. Le tachymètre est précisément l'appareil qui mesure cette vitesse et il joue un rôle clé dans de nombreuses tâches, du maintien à vitesse constante d'une bande jusqu'au contrôle précis de la vitesse dans un système à variateur. Bien mettre en place la mesure de vitesse sur les moteurs asynchrones AC DRG influe directement sur les performances comme sur la répétabilité du procédé. Dans cet article, nous traitons des raisons pour lesquelles la mesure de vitesse est nécessaire, des types de tachymètres et de l'importance du retour de vitesse dans les systèmes à variateur.

Qu'est-ce que la vitesse de rotation (tr/min) ?

La vitesse de rotation exprime le nombre de tours complets effectués par l'arbre du moteur en une minute et se note avec l'unité tr/min, qui signifie « tours par minute ». La vitesse d'un moteur détermine la vitesse à laquelle il entraîne la charge ; le débit d'une pompe, le flux d'air d'un ventilateur ou la vitesse de défilement d'une bande dépendent directement de la vitesse du moteur. C'est pourquoi connaître la vitesse est la première condition pour maîtriser le procédé.

Pourquoi la mesure de vitesse est-elle nécessaire ?

La mesure de vitesse sert plusieurs objectifs différents : maintenir le procédé à la vitesse voulue, surveiller la santé du moteur et fournir un retour au système de contrôle. Si la vitesse est inférieure à celle attendue, il peut s'agir d'un problème de surcharge ou de glissement ; si elle est supérieure, d'une perte de charge ou d'une erreur de contrôle. La vitesse est donc à la fois une variable de contrôle et un outil de diagnostic.

Vitesse de synchronisme et vitesse réelle

Le champ magnétique d'un moteur asynchrone AC tourne à la vitesse de synchronisme, en fonction de la fréquence du réseau et du nombre de pôles. Cependant, en charge, le rotor tourne un peu moins vite que cette vitesse de synchronisme ; cet écart s'appelle le glissement. C'est pourquoi la vitesse inscrite sur la plaque du moteur, bien que proche de la vitesse réelle de fonctionnement, n'est pas exactement identique à celle-ci. Pour voir comment se calcule la vitesse de synchronisme, vous pouvez consulter notre article nombre de pôles et vitesse d'un moteur électrique.

Le glissement et la vitesse qui varie avec la charge

Le glissement n'est pas constant ; il augmente à mesure que le moteur est chargé. Alors qu'à vide le moteur tourne presque à la vitesse de synchronisme, à pleine charge la vitesse baisse quelque peu. Il n'est donc pas possible de connaître la vitesse réelle en se contentant de regarder la plaque ; une mesure est nécessaire. En particulier dans les applications à charge variable, la vitesse fluctue en permanence et le seul moyen de la saisir est le tachymètre.

Qu'est-ce qu'un tachymètre ?

Le tachymètre est un appareil qui mesure la vitesse d'un arbre en rotation. Il peut effectuer sa mesure selon différents principes physiques : certains types entrent directement en contact avec l'arbre, d'autres fonctionnent de façon optique, d'autres encore comptent le signal électrique produit par l'arbre. Le type approprié dépend de la fréquence de mesure, de la précision souhaitée et des conditions ambiantes.

Tachymètre à contact (mécanique)

Le tachymètre à contact mesure la vitesse en appuyant une petite roue ou une pointe sur l'extrémité de l'arbre en rotation. Il est simple, portable et pratique pour un contrôle rapide ; on y a souvent recours pour vérifier rapidement la vitesse d'un moteur lors d'une opération de maintenance. Cependant, comme il nécessite un contact, il ne convient pas à une mesure continue ni à une précision élevée ; il entraîne frottement et usure sur l'arbre.

Tachymètre optique (sans contact)

Le tachymètre optique envoie de la lumière sur une bande réfléchissante collée sur l'arbre ou la poulie en rotation et compte la lumière renvoyée à chaque tour. Comme il n'entre pas en contact avec l'arbre, il ne provoque pas d'usure et peut mesurer en toute sécurité la vitesse de pièces mobiles ou difficiles d'accès. C'est un outil pratique pour un contrôle rapide sur le terrain, mais pour une mesure continue et permanente, la tenue dans le temps de la bande réfléchissante peut être un facteur limitant.

Mesure de vitesse avec un codeur

La méthode la plus répandue de mesure de vitesse permanente et précise est le codeur. Le codeur est un appareil relié à l'arbre du moteur qui produit un grand nombre d'impulsions électriques à chaque tour. En comptant ces impulsions, on détermine la vitesse et le sens de rotation avec une grande précision. Le codeur est le composant fondamental des systèmes de contrôle qui exigent un retour permanent et il est au cœur des applications de précision à variateur.

Codeur incrémental et codeur absolu

Les codeurs se divisent essentiellement en deux groupes. Le codeur incrémental produit des impulsions à mesure qu'il se déplace ; il détermine la position en comptant depuis le début du mouvement. Le codeur absolu, lui, donne directement à chaque instant la position angulaire réelle de l'arbre ; l'information de position n'est pas perdue même en cas de coupure de courant. Alors que le codeur incrémental suffit le plus souvent pour la mesure de vitesse, le codeur absolu est privilégié dans les applications qui exigent un positionnement précis.

Nombre d'impulsions et résolution

Le nombre d'impulsions produites par un codeur à chaque tour détermine la résolution de la mesure. Un nombre élevé d'impulsions permet de saisir même de très petites variations de vitesse ; c'est essentiel pour un contrôle précis. Cependant, une résolution plus élevée que nécessaire augmente la charge de traitement du signal. La bonne résolution se choisit selon la précision exigée par l'application.

Retour de vitesse dans un système à variateur

Lorsqu'un variateur de fréquence entraîne un moteur, connaître la vitesse réelle détermine la qualité du contrôle. Sans retour, le variateur ne fait qu'estimer la vitesse à laquelle le moteur tourne ; lorsque la charge change, la vitesse peut s'écarter de la consigne. L'information de vitesse réelle issue du codeur donne en revanche au variateur la possibilité d'un contrôle en boucle fermée et la vitesse est maintenue à la consigne quelle que soit la charge. Pour voir la différence entre les modes de contrôle du variateur, notre article différence entre contrôle V/f et vectoriel sur variateur est utile.

Contrôle en boucle ouverte et en boucle fermée

En contrôle en boucle ouverte, le variateur estime la vitesse uniquement d'après la fréquence qu'il applique, sans la mesurer ; c'est simple et peu coûteux, mais la précision diminue à basse vitesse et en charge variable. En contrôle en boucle fermée, la vitesse réelle issue du codeur est en revanche comparée et corrigée en permanence. On obtient ainsi un couple élevé et une vitesse stable même à basse vitesse. Les applications de précision exigent généralement une boucle fermée.

Relation entre l'information de vitesse et le couple

La vitesse à elle seule n'a pas de signification ; il faut évaluer ensemble la puissance et le couple. Un moteur de même puissance produit un couple élevé à basse vitesse et un couple faible à haute vitesse. La mesure de vitesse est l'outil qui permet de maîtriser cet équilibre. Pour comprendre la relation entre puissance, couple et vitesse, nous vous recommandons notre article relation entre puissance, couple et vitesse d'un moteur.

Mesure de vitesse et qualité du procédé

Dans de nombreux procédés, la qualité du produit dépend directement de la vitesse. Sur une ligne d'extrusion, sur une machine de bobinage ou dans un système de remplissage, le maintien de la vitesse à une valeur constante rend les produits identiques les uns aux autres. Si la vitesse fluctue un peu, la qualité du produit se dégrade. C'est pourquoi, dans les procédés de précision, la mesure de vitesse et le retour sont l'élément fondamental qui garantit la qualité.

Rampes de vitesse et transition douce

Le fait qu'un moteur monte brusquement à pleine vitesse ou s'arrête d'un coup met à l'épreuve les pièces mécaniques et provoque des à-coups sur le produit. La mesure de vitesse, en communiquant au système de contrôle l'évolution réelle de la vitesse, permet un suivi correct des rampes d'accélération et de décélération douces. Grâce au retour, le système voit s'il respecte réellement la rampe visée et corrige si nécessaire. Cela allonge la durée de vie mécanique et rend les transitions de procédé stables.

Synchronisation de plusieurs moteurs

Dans les applications où plusieurs moteurs d'une même ligne doivent tourner à la même vitesse, mesurer la vitesse de chaque moteur est la condition préalable à la synchronisation. Si un moteur tourne plus vite ou plus lentement qu'un autre, le produit se tend ou s'accumule. Le retour par codeur résout ce problème en permettant aux moteurs de fonctionner de façon asservie les uns aux autres.

Protection contre la survitesse

Dans certaines applications, il est dangereux que le moteur dépasse une certaine vitesse. Sur les charges à forte inertie ou lorsque la charge s'allège brusquement, la vitesse peut monter plus haut que prévu. La mesure de vitesse fait alors aussi office de protection contre la survitesse ; lorsque la vitesse mesurée dépasse la limite de sécurité, le système peut arrêter le moteur. Cette protection préserve aussi bien l'équipement que l'opérateur d'un risque d'accident éventuel et elle est particulièrement précieuse dans les applications de levage et d'équipements rotatifs.

La difficulté de la mesure à basse vitesse

À très basse vitesse, la mesure devient plus difficile ; car le temps entre deux impulsions successives s'allonge et la mesure peut devenir tardive ou instable. Dans ce cas, un codeur à haute résolution et une méthode de mesure appropriée sont nécessaires. Dans les applications qui exigent un contrôle précis à basse vitesse, le matériel de mesure comme l'algorithme de contrôle sont choisis de manière à répondre à cette difficulté ; sinon le système se comporte de façon saccadée et instable à faible vitesse.

Diagnostic de panne par la surveillance de la vitesse

Les variations brusques ou progressives de la vitesse peuvent annoncer un problème mécanique. Une baisse de vitesse inattendue peut signaler une surcharge, une vitesse fluctuante un problème de contrôle ou d'accouplement. Surveiller les données de vitesse en même temps que celles de vibration et de température permet de détecter les pannes tôt. Pour compléter le sujet, vous pouvez consulter notre article analyse vibratoire des moteurs (spectre FFT).

Estimation de la vitesse à partir de la fréquence

Dans les systèmes à variateur, il est possible de se faire une idée de la vitesse même sans appareil de mesure séparé. Le variateur connaît la fréquence qu'il applique au moteur et calcule à partir de cette fréquence la vitesse de synchronisme théorique. Mais ce n'est qu'une estimation ; la vitesse réelle diffère de cette valeur en raison du glissement. Plus la charge augmente, plus l'écart se creuse. C'est pourquoi l'estimation faite à partir de la fréquence sert d'indication approximative, mais ne remplace pas la mesure réelle là où un contrôle précis est nécessaire.

Estimation sans glissement (vectorielle sans capteur)

Les variateurs modernes peuvent estimer la vitesse même sans codeur, en observant le comportement électrique du moteur à l'aide d'un modèle mathématique. Cette méthode, appelée contrôle vectoriel sans capteur, produit à partir des mesures de courant et de tension une valeur proche de la vitesse réelle. Pour de nombreuses applications exigeant une précision moyenne, cela suffit et supprime le coût d'un codeur. Cependant, à très basse vitesse et là où la plus haute précision est requise, elle n'atteint pas l'exactitude qu'offre un véritable codeur.

Unités de mesure et conversion

Même si la vitesse s'exprime généralement en tr/min, dans certains systèmes elle s'utilise aussi comme vitesse angulaire (radian/seconde) ou vitesse périphérique (mètre/seconde). Sur un moteur qui entraîne une bande par l'intermédiaire d'une poulie ou d'un tambour, ce qui compte vraiment le plus souvent est la vitesse linéaire de la bande ; celle-ci s'obtient en calculant la vitesse du moteur conjointement au diamètre de la poulie. Une conversion d'unité correcte est indispensable pour transposer fidèlement les objectifs du procédé en vitesse moteur.

Points à surveiller dans le choix d'un tachymètre

Le bon choix d'un tachymètre dépend de l'objectif de la mesure. Alors qu'un tachymètre portatif à contact ou optique suffit pour un contrôle sur le terrain, un codeur est nécessaire pour un contrôle continu et précis. La poussière, les vibrations et la température de l'environnement influent également sur le choix ; dans les environnements difficiles, on privilégie un codeur robuste et protégé. Un mauvais choix entraîne soit un coût inutile, soit une précision insuffisante.

L'effet des conditions ambiantes

Le tachymètre ou le codeur est influencé par les conditions de l'environnement dans lequel il fonctionne. Une poussière excessive, l'humidité, les vapeurs d'huile ou une température élevée peuvent salir la bande réfléchissante d'un tachymètre optique ou mettre à l'épreuve l'électronique d'un codeur. Dans ce type d'environnement, on privilégie un codeur à carter fermé doté d'un indice de protection approprié. Si les conditions ambiantes ne sont pas prises en compte dès le départ, l'appareil de mesure produit rapidement des données peu fiables ou tombe en panne. Le bon choix de protection permet à la mesure de vitesse de rester stable longtemps.

Maintenance et étalonnage

Le système de mesure de vitesse demande lui aussi une maintenance régulière. Sur les tachymètres optiques, la propreté et l'intégrité de la bande réfléchissante et, sur les codeurs, le serrage et l'alignement de l'accouplement sont vérifiés périodiquement. Une liaison qui se desserre avec le temps ou un capteur encrassé peut se mettre à produire une information de vitesse erronée sans qu'on s'en aperçoive. Quant aux tachymètres portatifs, leur exactitude est confirmée en les comparant de temps à autre à une source de référence. Ces simples contrôles préservent la confiance accordée à la mesure.

Montage et alignement

Le bon fonctionnement du codeur dépend de sa fixation correcte et alignée sur l'arbre. Un mauvais alignement provoque une erreur de mesure et une usure prématurée du codeur. L'utilisation d'un accouplement flexible compense les petits désalignements entre l'arbre et le codeur et améliore à la fois l'exactitude de la mesure et la durée de vie de l'appareil. Lors du montage, l'isolation vis-à-vis des vibrations est également prise en considération.

Câblage du signal et perturbations

Les signaux d'impulsion issus du codeur étant faibles, ils sont protégés contre les perturbations électromagnétiques. Poser le câblage à l'écart des câbles du variateur, avec un câble blindé, évite les pertes de signal et les comptages erronés. Un câblage incorrect achemine une information de vitesse altérée vers le système de contrôle et nuit à l'ensemble du contrôle. C'est pourquoi le câblage du signal est un détail critique pour la fiabilité du système.

Retard du retour

Si la chaîne de mesure et de traitement est lente, le contrôle réagit tardivement à la variation réelle de la vitesse ; cela peut provoquer une oscillation de la vitesse. Dans les applications exigeant une réaction rapide, le codeur comme la boucle de contrôle doivent être suffisamment rapides. Si le retard du retour est négligé, le système se comporte de façon instable en pratique même s'il paraît correctement conçu sur le papier. C'est pourquoi la rapidité de mesure est prise en compte autant que la précision.

Erreurs fréquentes

Les erreurs les plus fréquentes dans la mesure de vitesse sont : prendre la vitesse de synchronisme pour la vitesse réelle, négliger le glissement, mal aligner le codeur et poser le câble de signal avec les câbles du variateur. Par ailleurs, renoncer au retour dans une application de précision où le contrôle en boucle ouverte ne suffit pas est une erreur répandue qui dégrade la qualité et la stabilité.

La mesure de vitesse dans les applications industrielles

Des convoyeurs aux ponts roulants, des pompes aux machines de bobinage, la mesure de vitesse est dans de très nombreuses applications industrielles le fondement du contrôle et de la sécurité. Un système de mesure de vitesse correctement installé améliore aussi bien la qualité de production que la durée de vie du moteur. Pour découvrir notre large gamme de moteurs, vous pouvez consulter notre article moteurs électriques industriels.

Contrôle de vitesse précis avec DRG Motor

La mesure de vitesse et un tachymètre ou un codeur adapté sont le fondement du fonctionnement d'un moteur à la vitesse et à la stabilité voulues. Qu'il s'agisse d'un simple contrôle sur le terrain ou d'un système de contrôle en boucle fermée à variateur, la bonne méthode de mesure détermine les performances. Les moteurs asynchrones AC DRG sont fabriqués de manière compatible avec les applications à retour par codeur et à contrôle de précision par variateur. Pour mettre en place la solution de contrôle de vitesse adaptée à votre application, découvrez nos produits moteur électrique DRG ; déterminons ensemble le moteur et la structure de retour les plus adaptés à votre besoin.