Choix du moteur électrique pour les machines de déshydratation des boues en station d'épuration

En déshydratation des boues, le choix du moteur se divise en trois questions distinctes selon la machine : le moteur principal d'une décanteuse centrifuge doit amener un bol lourd à haute vitesse avec un démarrage long, c'est donc un moteur 4 pôles en fonte alimenté par variateur ; le moteur de vis (scroll) est plus petit que le moteur principal et règle la vitesse différentielle par variateur ; les filtres à bandes et les presses à vis fonctionnent avec de petits moteurs à basse vitesse et réducteur. Par exemple, le DRG-180M-4 de 18,5 kW à 4 pôles absorbe 33,5 A sous 400 V et fournit un couple nominal de 120,2 Nm à 1470 tr/min ; dans l'exemple de calcul ci-dessous, porter un bol de 10 kg·m² à 3200 tr/min avec ce moteur prend environ 61 secondes au niveau du couple nominal.

Ce temps de démarrage est au cœur du choix : démarré en direct, le même moteur absorberait 7,8 fois son courant nominal, soit environ 261 A, pendant tout le démarrage et le relais thermique déclencherait avant que le bol n'atteigne sa vitesse. L'humidité et l'hydrogène sulfuré (H₂S) du bâtiment de traitement influent aussi sur la boîte à bornes, les entrées de câble et la peinture. Les données techniques de 120 modèles en fonte et en aluminium sont disponibles sur la page Acheter un moteur électrique en ligne. Les plages de kW et les calculs de cet article reposent sur des hypothèses d'exemple ; la valeur qui fait foi est la plaque de la machine et les données de son constructeur. Les travaux d'armoire, de variateur et de raccordement doivent être réalisés par un électricien qualifié.

Décanteuse, filtre à bandes et presse à vis : pourquoi les moteurs diffèrent-ils ?

Les trois machines séparent l'eau de la boue, mais par des moyens physiques différents ; ce qu'elles demandent au moteur change en conséquence :

Leur point commun est un environnement humide, exposé aux projections et odorant, avec de longues heures de marche quotidiennes dans la plupart des stations. Pour les autres moteurs de la station (surpresseurs d'aération, pompes, agitateurs), voir Choix du moteur électrique dans les stations d'épuration des eaux usées ; cet article se limite à l'unité de déshydratation.

Moteur principal de décanteuse : inertie du bol et temps de démarrage

Ce qui sollicite le moteur d'une décanteuse, c'est davantage le démarrage que la puissance en marche. Un bol long et lourd doit stocker une grande énergie cinétique avant d'atteindre sa vitesse. Voici un exemple chiffré ; l'inertie et la vitesse du bol sont des hypothèses, les vraies valeurs viennent de l'étiquette de la machine ou de son constructeur.

• Inertie du bol J_b = 10 kg·m² (hypothèse)
• Vitesse du bol 3200 tr/min (hypothèse), entraînement par courroie
• Moteur : DRG-180M-4, 1470 tr/min, T_n = 120,2 Nm

Rapport de poulies i = 3200 ÷ 1470 ≈ 2,18. L'inertie du bol se ramène à l'arbre moteur par le carré du rapport : J_m = 10 × (3200 ÷ 1470)² ≈ 47,4 kg·m² (inertie du rotor et des poulies négligée). Vitesse angulaire du moteur ω = 2π × 1470 ÷ 60 ≈ 153,9 rad/s. Si le variateur maintient le couple d'accélération au niveau nominal, le temps de démarrage vaut t = J·ω ÷ T ≈ 47,4 × 153,9 ÷ 120,2 ≈ 61 s. Si le variateur autorise brièvement 1,5 fois le couple nominal, il descend à environ 40 s.

L'énergie stockée dans le bol vaut E = ½·J·ω² = ½ × 10 × (2π × 3200 ÷ 60)² ≈ 561 kJ, soit environ 0,16 kWh. À l'arrêt, cette énergie doit aller quelque part : en arrêt libre elle se dissipe lentement par frottement ; en arrêt sur rampe elle revient au bus continu du variateur et, sans résistance de freinage ni unité de récupération, provoque un défaut de surtension.

Pourquoi le démarrage direct ne convient-il pas ?

Le DRG-180M-4 a un rapport de courant de démarrage Is/In = 7,8 ; avec 33,5 A nominal, cela fait environ 261 A. En démarrage direct, ce courant dure des dizaines de secondes jusqu'à ce que le bol accélère : le thermique déclenche, le bobinage chauffe, la tension du réseau chute. En étoile-triangle, le couple de démarrage tombe au tiers et un démarrage déjà long s'allonge encore. Les décanteuses utilisent donc un variateur ou le démarreur progressif prévu par le constructeur. Vous pouvez comparer les méthodes sur la page méthodes de démarrage et étoile-triangle.

Valeurs catalogue du moteur de l'exemple :

• Puissance: 18,5 kW
• Vitesse nominale: 1470 tr/min
• Courant (400 V): 33,5 A
• cos φ: 0,86
• Couple nominal: 120,2 Nm
• Ts/Tn: 2
• Tmax/Tn: 2,3
• Is/In: 7,8
• Arbre (D×E): 48×110 mm
• Carcasse CEI: 180M (fonte)

Moteur de vis et vitesse différentielle

Dans une décanteuse, la vis tourne dans le même sens que le bol mais à une vitesse légèrement différente ; cette petite vitesse différentielle convoie les matières solides vers l'extrémité conique du bol. Sur la plupart des machines, elle est réglée par un moteur et un variateur séparés, et l'opérateur ou l'automatisme la modifie selon la consistance de la boue. Côté moteur, trois points ressortent :

• Le couple varie : le couple de vis augmente avec la charge en solides ; le moteur ne doit pas rester longtemps au-dessus de son couple nominal, et la limite de courant du variateur se règle en conséquence.
• Refroidissement à basse vitesse : si le moteur tourne longtemps à basse fréquence, son propre ventilateur brasse moins d'air ; vérifiez sur le schéma du constructeur si une ventilation forcée est nécessaire.
• Sens de l'énergie : dans certaines conceptions, l'entraînement de vis est entraîné par le bol et le moteur fonctionne en génératrice. Le variateur a alors besoin d'une résistance de freinage ou d'un bus continu commun ; le moteur lui-même ne change pas.

Le moteur de vis est plus petit que le moteur principal et sa valeur exacte figure sur la plaque de la machine. Au remplacement, conservez les mêmes kW, nombre de pôles, carcasse et forme de montage (à pattes ou à bride). Vous pouvez vérifier l'évolution du couple et de la puissance selon la fréquence avec le calculateur VFD fréquence–couple–puissance.

Filtre à bandes et presse à vis : basse vitesse, couple élevé

Dans un filtre à bandes, la boue est pressée entre deux bandes passant sur des rouleaux ; le moteur d'entraînement fait avancer lentement les bandes via un réducteur et la vitesse se règle par variateur. La charge est régulière et le démarrage facile ; sur la plupart des filtres à bandes, le moteur d'entraînement est un petit moteur de quelques kilowatts, la valeur exacte étant sur la plaque de la machine. Le vrai risque est ici environnemental plutôt que mécanique : l'eau et la boue des rampes de lavage des bandes éclaboussent le moteur.

Dans une presse à vis, la vis tourne à quelques tours par minute ou moins ; le couple est élevé, la puissance moteur faible. Exemple de calcul (hypothèses : couple de vis 6000 Nm, vitesse de vis 2 tr/min, coefficient de transmission du réducteur 0,85) :

Puissance à l'arbre de vis P = T × n ÷ 9550 = 6000 × 2 ÷ 9550 ≈ 1,26 kW. Avec les pertes du réducteur, la puissance demandée au moteur est ≈ 1,26 ÷ 0,85 ≈ 1,48 kW, soit un moteur de 1,5 kW. Le DRG-90L-4 à 4 pôles tourne à 1445 tr/min, le rapport de réduction nécessaire est donc 1445 ÷ 2 = 722,5. Son couple nominal de 9,91 Nm, avec ce rapport et le coefficient 0,85, donne 9,91 × 722,5 × 0,85 ≈ 6086 Nm à l'arbre de vis, ce qui couvre les 6000 Nm. Des rapports aussi élevés s'obtiennent en général avec des réducteurs multi-étagés ou planétaires ; vous pouvez tester le rapport et le couple de sortie dans le calculateur de vitesse et couple de sortie du réducteur.

Humidité, H₂S et eau de lavage : liste de contrôle de montage

Dans le bâtiment de déshydratation, l'air est humide et le sol mouillé ; l'hydrogène sulfuré dégagé par la boue en décomposition attaque peu à peu les connexions en cuivre et les surfaces métalliques dont la peinture est partie. Les modèles DRG de la boutique sont IP55 : protégés contre la poussière et les jets d'eau de toutes directions, mais pas conçus pour un lavage direct au jet haute pression. Avant la mise en service :

• Le joint de la boîte à bornes est-il en place et les vis du couvercle serrées uniformément ?
• Les entrées de câble sont-elles fermées par des presse-étoupes de bonne taille (2 × M40×1,5 sur le DRG-180M-4) et l'entrée inutilisée est-elle bouchée ?
• Le moteur est-il hors de la zone de projection des rampes de lavage et de la sortie des solides de la décanteuse ; sinon, y a-t-il un écran anti-projections ?
• Les rayures de peinture dues au transport et au montage de la poulie ont-elles été retouchées ?
• Les écrous de bornes et la borne de terre sont-ils propres, sans oxyde et serrés ?
• L'alignement des poulies et la tension des courroies ont-ils été contrôlés ? Sur une décanteuse, une courroie qui patine allonge le démarrage et s'échauffe.
• Existe-t-il un plan de marche périodique ou de maintien au sec pendant les longs arrêts de maintenance pour éviter la condensation interne ?

Section de câble et protection : exemple 18,5 kW

Le câble du moteur principal de décanteuse se choisit en tenant compte du démarrage long. Courant nominal 33,5 A × coefficient de dimensionnement 1,25 = 41,9 A ; en câble cuivre PVC, 6 mm² admet 43 A, donc 6 mm² couvre ce courant (le mode de pose, le groupement et la température ambiante modifient le résultat). Sur 50 m de ligne, la chute de tension vaut ΔU = √3 × 33,5 × 0,05 × 3,08 × 0,86 ≈ 7,7 V, soit environ 1,9 % sous 400 V, en dessous de la limite de 3 % admise pour l'alimentation. En sortie de variateur s'appliquent en plus un câble moteur blindé et la longueur maximale indiquée par le fabricant du variateur. Vous pouvez utiliser le calculateur de section de câble moteur avec vos propres valeurs.

Quel moteur DRG choisir ?

Le tableau ci-dessous présente des modèles 4 pôles en fonte correspondant aux plages de puissance rencontrées sur les équipements de déshydratation. Le moteur principal des décanteuses de taille moyenne se situe le plus souvent entre 15 et 30 kW ; les presses à vis et filtres à bandes utilisent des entraînements de quelques kilowatts. Au remplacement, conservez exactement les kW, pôles, carcasse et forme de montage du moteur existant.

Le 4 pôles est préféré pour l'entraînement principal de la décanteuse, car la vitesse du bol s'obtient par les poulies et, à puissance égale, un moteur 4 pôles donne deux fois plus de couple : à 18,5 kW, le DRG-180M-4 fournit 120,2 Nm, le DRG-160L-2 à 2 pôles 60,1 Nm. Le rapport de courant de démarrage est aussi plus faible sur le 4 pôles (7,8 contre 8,2).

Moteurs de cette puissance pour l'unité de déshydratation

• DRG-90L-4 – 1,5 kW – 1445 tr/min – 90L fonte
• DRG-132M-4 – 7,5 kW – 1460 tr/min – 132M fonte
• DRG-160L-4 – 15 kW – 1465 tr/min – 160L fonte
• DRG-180M-4 – 18,5 kW – 1470 tr/min – 180M fonte
• DRG-180L-4 – 22 kW – 1470 tr/min – 180L fonte
• DRG-200L-4 – 30 kW – 1475 tr/min – 200L fonte

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Questions fréquentes

Quelle puissance pour un moteur de décanteuse ?

Elle dépend du diamètre, de la longueur et de la vitesse du bol ; sur les décanteuses de taille moyenne, le moteur principal se situe le plus souvent entre 15 et 30 kW. La valeur qui fait foi est la plaque de la machine et la documentation du constructeur ; au remplacement, conservez les mêmes kW et nombre de pôles.

Pourquoi une décanteuse met-elle si longtemps à démarrer ?

L'inertie du bol se ramène à l'arbre moteur par le carré du rapport de poulies. Dans notre exemple, un bol de 10 kg·m² agissait comme environ 47,4 kg·m² sur l'arbre moteur et, avec un moteur de 18,5 kW au niveau du couple nominal, le démarrage durait environ 61 s. C'est normal pour la machine ; la rampe du variateur se règle en conséquence.

Combien d'ampères consomme un moteur de 18,5 kW ?

Le DRG-180M-4 à 4 pôles absorbe à pleine charge 33,5 A sous 400 V et 35,3 A sous 380 V. Avec un rapport Is/In = 7,8, le courant de démarrage direct monte à environ 261 A.

Peut-on démarrer un moteur de déshydratation des boues en étoile-triangle ?

Sur les filtres à bandes et presses à vis, c'est possible car le démarrage est léger, mais ces machines demandent un réglage de vitesse, donc un variateur est généralement déjà présent. Sur le moteur principal de décanteuse, l'étoile-triangle réduit le couple de démarrage au tiers et allonge un démarrage déjà long ; sauf indication contraire du constructeur, on utilise un variateur ou un démarreur progressif.

Envoyez-nous la plaque signalétique ou les données hydrauliques/mécaniques de la machine et nous déterminerons ensemble le bon modèle DRG : téléphone +90 (542) 666 11 11, e-mail [email protected], ou notre page contact. Pour parcourir directement les modèles, rendez-vous sur Acheter un moteur électrique en ligne.