Moteur d'essoreuse centrifuge industrielle : démarrage, freinage et contrôle de vitesse

Dans une essoreuse centrifuge industrielle, ce qui dimensionne le moteur est l'énergie cinétique stockée par le panier en rotation et le temps dans lequel vous voulez la fournir puis la reprendre : une fois la vitesse d'essorage atteinte, la puissance nécessaire pour maintenir le panier en rotation est faible. Par exemple, une machine avec 250 kg de charge humide et un panier de 0,4 m de rayon tournant à 900 tr/min emmagasine environ 177,7 kJ ; le DRG-160L-4 4 pôles de 15 kW (1465 tr/min, 97,8 Nm, 27,3 A sous 400 V), accéléré au couple nominal par un variateur, atteint cette vitesse en environ 23,7 secondes. La puissance par machine dépend du diamètre du panier, de la masse de charge et de la vitesse visée ; la valeur exacte est celle de la plaque de la machine ou des données du constructeur.

Une forte inertie entraîne trois problèmes : démarrage long, énergie de freinage libérée à l'arrêt et vibrations en cas de balourd. Nous les traitons ci-dessous par le calcul et expliquons le choix de la rampe du variateur, de la résistance de freinage et du moteur-frein. Le moteur, le variateur et le verrouillage du couvercle doivent être raccordés par un électricien qualifié. Vous trouverez le moteur adapté parmi les 120 modèles de notre page Acheter un moteur électrique en ligne grâce aux filtres de puissance et de vitesse.

Pourquoi c'est l'inertie qui sollicite le moteur d'une centrifugeuse

Une essoreuse centrifuge fait tourner un panier perforé à grande vitesse et expulse le liquide par la force centrifuge. Pour le moteur, le panier et sa charge forment un gros volant d'inertie. En rotation stable à la vitesse visée, le moteur ne compense que le frottement des paliers, la résistance de l'air et l'énergie emportée par le liquide ; c'est peu comparé à la puissance consommée pendant l'accélération. La vraie charge consiste à amener le panier de l'arrêt à la vitesse visée, puis à l'arrêter de nouveau.

On décrit l'effet d'essorage par la valeur G : G = ω² · r / g. Dans l'exemple, la vitesse angulaire ω = 94,2 rad/s et le rayon 0,4 m donnent environ 362 G à la paroi du panier. Augmenter même légèrement la vitesse accroît G avec le carré de la vitesse, et l'énergie stockée dans la même proportion ; la vitesse maximale indiquée par le constructeur ne doit donc jamais être dépassée.

Énergie cinétique et durée de démarrage : le calcul J·ω²/2

Hypothèses : masse effective de la charge humide et du panier 250 kg, supposée concentrée près de la paroi à 0,4 m de rayon, vitesse visée 900 tr/min, entraînement par courroie avec un rapport de réduction 1465 / 900 ≈ 1,63. Le frottement et la résistance de l'air sont négligés ; les durées réelles seront donc un peu plus longues.

• Inertie : J = m · r² = 250 × 0,4² = 40 kg·m²
• Énergie cinétique : E = J · ω² / 2 = 40 × 94,2² / 2 ≈ 177 653 J ≈ 177,7 kJ
• Inertie ramenée à l'arbre moteur : J / i² = 40 / 1,63² ≈ 15,1 kg·m²
• Durée de rampe (au couple nominal du moteur) : t = J_m · ω_m / T_n

Le tableau montre la logique du choix : plus le moteur est puissant, plus le démarrage est court, mais l'énergie stockée ne change pas. Un moteur de 11 kW peut convenir, le cycle est simplement plus long ; si la cadence de production limite la durée de démarrage, on choisit la puissance supérieure. Pour le rapport de courroie, avec une poulie moteur de 200 mm la poulie du panier fait environ 326 mm ; vous pouvez vérifier les dimensions avec le Calculateur poulie et courroie.

Pourquoi le rotor chauffe en démarrage direct

Lorsqu'un moteur asynchrone démarre directement sur un réseau à fréquence fixe et accélère une charge purement inertielle, l'énergie transformée en chaleur dans le rotor est à peu près égale à l'énergie cinétique stockée dans la charge. Dans l'exemple, chaque démarrage laisse donc aussi environ 177,7 kJ de chaleur dans le rotor, et pendant tout ce temps le courant moteur vaut plusieurs fois le courant nominal. Avec Is/In = 7,8 sur le moteur de 15 kW, le courant de démarrage atteint environ 213 A, et le couple de démarrage, avec Ts/Tn = 2,2, vaut environ 215 Nm.

Le démarrage direct pose donc deux problèmes sur une centrifugeuse à forte inertie : le relais thermique déclenche pendant le long démarrage, et le rotor et le bobinage s'échauffent avec des cycles fréquents. Le démarrage étoile-triangle réduit le courant, mais comme il réduit aussi le couple au tiers, le démarrage s'allonge et la chaleur rotorique ne diminue pas. Vous pouvez comparer ce que change chaque méthode sur la page Méthodes de démarrage moteur et étoile-triangle.

Rampe du variateur : maîtriser le démarrage et la vitesse

Un variateur de fréquence augmente lentement la fréquence depuis zéro, de sorte que le moteur fonctionne toujours avec un faible glissement. Le courant reste proche du nominal, l'échauffement rotorique du démarrage direct n'apparaît pas et le couple de démarrage est délivré de façon contrôlée tout au long de la rampe. La durée de démarrage se règle avec le couple nominal du moteur et la limite de courant du variateur ; le tableau ci-dessus représente ce mode de fonctionnement.

Le second avantage d'un variateur sur une centrifugeuse est un programme de vitesse à plusieurs paliers. Un cycle type se présente ainsi :

• Répartition de la charge à basse vitesse : brève rotation lente pour que la charge se répartisse sur la paroi
• Vitesse intermédiaire : expulsion de la majeure partie du liquide libre
• Vitesse d'essorage : rotation à la vitesse visée aussi longtemps que le produit le permet
• Décélération contrôlée et arrêt, puis déverrouillage du couvercle

Pendant les brefs paliers à basse vitesse, le ventilateur du moteur tourne lentement, mais comme le besoin en couple y est faible, un refroidissement supplémentaire n'est généralement pas nécessaire ; si un fonctionnement prolongé en charge à basse vitesse est prévu, la situation est évaluée à part.

Énergie de freinage : résistance de freinage ou moteur-frein ?

Arrêter le panier, c'est transférer quelque part les 177,7 kJ stockés. Lors d'une décélération par variateur, le moteur fonctionne en générateur et l'énergie revient sur le bus continu du variateur. Dans l'exemple, avec un arrêt en 30 secondes et un couple de décélération constant, la puissance de freinage est en moyenne de 5,9 kW et du double au début, soit environ 11,8 kW. La résistance et le hacheur de freinage doivent supporter cette pointe. À 6 cycles par heure, la charge moyenne de la résistance vaut 6 × 177,7 kJ / 3600 s ≈ 0,30 kW ; la puissance permanente de la résistance se choisit d'après cette moyenne, sa puissance de courte durée d'après la pointe. Pour le calcul détaillé, voir Freinage dynamique et résistance de freinage sur le variateur de fréquence.

Un moteur-frein (frein électromagnétique à disque à l'arrière du moteur) joue un autre rôle sur une centrifugeuse : il maintient et arrête le panier en cas de coupure ou d'urgence. Dissiper 177,7 kJ par frein mécanique à chaque cycle use et échauffe rapidement la garniture ; l'arrêt normal se fait donc par le variateur, et le frein mécanique sert au maintien et aux urgences. Les cas où un moteur-frein est nécessaire sont expliqués dans Quand un moteur électrique frein est-il nécessaire ?.

La règle de sécurité ne change pas : le couvercle ne doit pas s'ouvrir tant que le panier n'est pas complètement arrêté. Le verrouillage est relié au signal de vitesse nulle du variateur ou à un détecteur d'arrêt séparé, et il ne doit pas s'ouvrir non plus en cas de coupure de courant.

Équilibrage et vibrations : effet d'une charge déséquilibrée sur le moteur

Une charge humide n'est jamais répartie parfaitement dans le panier. La force tournante due au balourd vaut F = m_d · r · ω² : dans l'exemple, seulement 1 kg de surcharge à la paroi produit une force tournante d'environ 3 553 N à 900 tr/min. Cette force se transmet aux paliers du panier, au châssis et, par la courroie, aux roulements du moteur.

C'est pourquoi les centrifugeuses comportent une étape de répartition de la charge, un capteur de vibrations et une commande qui réduit la vitesse ou arrête la machine au-delà d'un seuil. Côté moteur : maintenir la tension de courroie à la valeur du constructeur (une tension excessive charge le roulement), contrôler périodiquement les boulons des pattes et le serrage de la poulie, choisir des poulies équilibrées et écouter le bruit des roulements. Si le moteur repose sur des plots antivibratoires, prévoir un cheminement de câble souple pour que le câble et la boîte à bornes ne souffrent pas du mouvement.

Tableau de choix du moteur d'essoreuse centrifuge et liste de contrôle

Le tableau ci-dessous présente les modèles DRG 4 pôles en fonte dans la plage de puissance courante sur les centrifugeuses industrielles à courroie. Les courants sont donnés pour 400 V ; le relais thermique est réglé sur cette valeur.

Caractéristiques du modèle retenu dans l'exemple de calcul :

• Puissance: 15 kW
• Vitesse nominale: 1465 tr/min
• Couple nominal: 97,8 Nm
• Courant 400 V: 27,3 A
• cos φ: 0,86
• Ts/Tn: 2,2
• Tmax/Tn: 2,3
• Is/In: 7,8
• Arbre D×E: 42 × 110 mm
• Carcasse CEI: 160L · fonte

Avant de commander moteur et variateur, précisez les points suivants :

• Diamètre du panier, masse maximale de charge humide et vitesse maximale du constructeur
• Rapport de courroie : vitesse moteur / vitesse panier, diamètres de poulies
• Durées de démarrage et d'arrêt souhaitées, nombre de cycles par heure
• Variateur : limite de courant, programme de vitesse à paliers, hacheur de freinage
• Résistance de freinage : puissances de pointe et permanente
• Frein mécanique : maintien et urgence uniquement ; couvercle déverrouillé à vitesse nulle
• Capteur de vibrations et étape de répartition de la charge
• Protection thermique (Sélection relais thermique, fusible et contacteur), arbre D × E et moyeu de poulie

Moteurs de cette puissance

• DRG-160M-4 – 11 kW – 1465 tr/min – 160M 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

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Questions fréquentes

Quelle puissance de moteur pour une essoreuse centrifuge ?

Elle dépend de l'inertie du panier et de la durée de démarrage souhaitée. Pour le panier de l'exemple (40 kg·m² à 900 tr/min), un moteur de 11 kW atteint la vitesse visée en environ 32,3 secondes et un moteur de 15 kW en environ 23,7 secondes ; la valeur exacte est celle de la plaque de la machine.

Pourquoi le moteur d'une centrifugeuse fait-il déclencher le thermique au démarrage ?

Une charge à forte inertie accélère longtemps en démarrage direct ; pendant ce temps, le courant vaut plusieurs fois le nominal et le rotor s'échauffe d'autant que l'énergie stockée. Une rampe de variateur ou une protection correctement réglée règle le problème.

Une centrifugeuse a-t-elle besoin d'une résistance de freinage ?

Oui, si vous voulez arrêter rapidement avec un variateur. Dans l'exemple, la puissance de freinage de pointe pour un arrêt en 30 secondes est d'environ 11,8 kW ; la résistance se choisit d'après cette valeur et le nombre de cycles par heure.

Combien d'ampères consomme un moteur 15 kW 4 pôles ?

À pleine charge, le DRG-160L-4 consomme 27,3 A sous 400 V et 28,8 A sous 380 V ; son cos φ est de 0,86. En démarrage direct, le courant de démarrage atteint 7,8 fois le courant nominal.

Envoyez-nous le diamètre du panier, la masse de charge et la vitesse de votre machine et nous choisirons ensemble le modèle DRG adapté ; pour les prix actuels, consultez Acheter un moteur électrique en ligne. Téléphone : +90 (542) 666 11 11 · E-mail : [email protected] · Contact