Répartition de charge et synchronisation dans les entraînements multimoteurs

Certaines charges sont trop importantes pour la puissance d'un seul moteur. Un convoyeur à bande de plusieurs centaines de mètres, le système de levage d'un lourd pont roulant ou l'entraînement d'un grand broyeur sont le plus souvent entraînés par plusieurs moteurs électriques à la fois. Mais raccorder deux moteurs ou plus à la même charge ne revient pas simplement à additionner les puissances. Les moteurs doivent se répartir la charge de façon équitable, tourner à la même vitesse et fonctionner sans se contrarier. Dans cet article, nous traitons des notions de répartition de charge et de synchronisation dans les entraînements multimoteurs, des risques créés par une répartition déséquilibrée, de la logique de commande maître-esclave et de la manière dont les moteurs asynchrones de classe IE3/IE4/IE5 de DRG sont utilisés dans les systèmes à entraînements multiples.

Pourquoi utilise-t-on plusieurs moteurs ?

Au-delà d'un certain point, la puissance d'un seul moteur devient inefficace tant sur le plan physique qu'économique. Produire, transporter et raccorder à l'armoire un moteur très grand devient difficile. Répartir la charge sur plusieurs moteurs de puissance moyenne est le plus souvent une solution plus souple et plus fiable. De plus, en cas de panne d'un moteur, la capacité des autres à faire fonctionner partiellement le système accroît la continuité.

Qu'est-ce exactement que la répartition de charge ?

La répartition de charge consiste, pour chacun des moteurs entraînant une charge commune, à prendre en charge une proportion donnée de la charge totale. Dans le cas idéal, deux moteurs identiques se partagent la charge par moitié et quatre moteurs par quart. En pratique, cet équilibre s'écarte de l'idéal selon les caractéristiques des moteurs, le mode de raccordement et la méthode de commande. L'objectif est de maintenir cet écart dans des limites acceptables.

Le risque d'une répartition déséquilibrée

Si les moteurs ne se partagent pas la charge de manière égale, un moteur est bien plus chargé que les autres. Le moteur surchargé s'échauffe davantage, son isolation vieillit plus vite et il déclenche fréquemment la protection contre les surcharges . Pendant ce temps, le moteur peu chargé fonctionne en dessous de sa capacité et perd en rendement. Au final, le système perd à la fois en fiabilité et en rendement.

Moteurs liés mécaniquement

Dans certains systèmes, les moteurs sont liés mécaniquement au même arbre ou au même réducteur. Dans ce cas, les moteurs sont physiquement obligés de tourner à la même vitesse. La liaison mécanique assure naturellement la synchronisation des vitesses, mais elle ne garantit pas la répartition de charge : même avec une liaison mécanique, un moteur peut produire plus de couple qu'un autre.

Moteurs liés électriquement

Sans liaison mécanique, les moteurs ne peuvent être liés entre eux que par la charge qu'ils entraînent. Par exemple, un long convoyeur peut avoir un moteur distinct à chacune de ses extrémités. Dans ce cas, l'équilibre de vitesse et de couple dépend entièrement du système de commande. C'est plus souple que les systèmes à liaison mécanique, mais plus exigeant du point de vue de la commande.

La répartition de charge naturelle du moteur asynchrone

Les moteurs asynchrones présentent un avantage qui leur est propre : la caractéristique de glissement. Lorsque la charge augmente, la vitesse du moteur baisse légèrement, ce qui lui permet de produire plus de couple. Si, parmi deux moteurs asynchrones entraînant le même arbre, l'un est trop chargé, il ralentit légèrement et l'autre moteur intervient pour équilibrer la charge. Cet équilibre naturel peut suffire dans les systèmes simples, sans commande supplémentaire.

Les limites de la caractéristique de glissement

Mais l'équilibre naturel n'est pas parfait. Si les courbes de glissement des moteurs ne sont pas exactement identiques, la répartition n'est pas égale. Raccorder à la même charge des moteurs de fabricants différents ou d'âges différents crée pour cette raison un déséquilibre. L'approche la plus sûre consiste à utiliser, dans un entraînement multimoteur, des moteurs aux caractéristiques identiques.

La logique de commande maître-esclave

Lorsqu'un variateur de fréquence est utilisé, la répartition de charge peut être gérée de façon beaucoup plus précise. Dans la méthode maître-esclave, un variateur détermine la vitesse en tant que « maître » ; les autres variateurs, en tant qu'« esclaves », suivent le couple ou la vitesse du maître. Tous les moteurs fonctionnent ainsi selon la même référence et la charge est répartie équitablement.

Suivi de vitesse ou suivi de couple ?

La structure maître-esclave comporte deux stratégies fondamentales. Dans le suivi de vitesse, tous les moteurs suivent la même référence de vitesse ; c'est ce que l'on préfère dans les systèmes sans liaison mécanique. Dans le suivi de couple, les moteurs esclaves reproduisent le couple produit par le maître ; cela assure une répartition égale de la charge dans les systèmes à liaison mécanique rigide. Le choix de la bonne stratégie dépend de la structure mécanique du système.

Tableau de répartition du couple

Le tableau ci-dessous résume l'effet des différentes méthodes de commande sur la répartition de charge.

Qu'est-ce que la commande par statisme (droop) ?

La commande par statisme reproduit avec le variateur le comportement de glissement naturel du moteur asynchrone. Lorsqu'un moteur est trop chargé, le variateur abaisse légèrement sa référence de vitesse et transfère la charge vers les autres moteurs. Cette méthode assure un équilibre automatique entre les moteurs et elle est particulièrement répandue sur les grandes charges à entraînement parallèle.

L'entraînement multimoteur dans les convoyeurs

Sur un long convoyeur à bande, un seul moteur crée une forte tension à une extrémité de la bande. À la place, plusieurs moteurs placés en différents points de la bande répartissent la tension et protègent la bande. Dans le choix du moteur de convoyeur à bande , cette structure à entraînements multiples prolonge la durée de vie de la bande et allège la charge au démarrage.

La synchronisation dans les ponts roulants et les systèmes de levage

Dans les ponts roulants et les systèmes de levage lourds, un fonctionnement parfaitement synchrone des deux moteurs est essentiel. Si les deux côtés du système de levage se déplacent à des vitesses différentes, la charge s'incline et une situation dangereuse se crée. Sur les moteurs de pont roulant et de levage , la synchronisation est indispensable tant pour la sécurité que pour l'équilibre de la charge.

La répartition de la charge au démarrage

Dans les systèmes multimoteurs, le moment le plus difficile est le démarrage. Si tous les moteurs entrent en service en même temps, le courant de démarrage peut solliciter fortement le réseau. Les moteurs sont donc généralement démarrés de façon échelonnée ou en douceur avec un variateur. Le démarrage échelonné réduit à la fois l'appel de courant et protège le système mécanique.

L'importance de l'alignement de l'arbre et de l'accouplement

Dans les systèmes multimoteurs liés mécaniquement, l'arbre et l'accouplement de chaque moteur sont alignés avec précision. Un défaut d'alignement fait qu'un moteur contrarie l'autre et entraîne des vibrations et une usure des roulements. L'alignement de l'arbre et de l'accouplementest, dans les entraînements multimoteurs, une exigence mécanique aussi importante que la répartition de charge.

Retour d'information et utilisation d'un codeur

Dans les systèmes exigeant une synchronisation précise, un codeur est monté sur chaque moteur afin de renvoyer la vitesse et la position réelles. Grâce à cette information, le système de commande corrige en permanence la position des moteurs les uns par rapport aux autres. La commande en boucle fermée assure une synchronisation bien plus précise que la commande en boucle ouverte.

L'effet d'une perte de phase sur un système multimoteur

Si, dans un système multimoteur, une perte de phase se produit sur un moteur, ce moteur s'affaiblit et reporte sa charge sur les autres moteurs. Ce déséquilibre soudain entraîne une surcharge des moteurs sains. C'est pourquoi une protection de phase indépendante est prévue sur chaque moteur.

La règle d'identité dans le choix des moteurs

Dans un entraînement multimoteur, l'idéal est que les moteurs soient de même puissance, de même vitesse et, si possible, du même lot de production. Des moteurs identiques présentent une caractéristique de glissement semblable et se partagent naturellement la charge de manière plus égale. Associer des moteurs aux caractéristiques différentes sollicite inutilement le système de commande.

Les entraînements multiples dans la conception de l'armoire

Dans une armoire qui alimente plusieurs moteurs, des organes de protection et de commande distincts sont nécessaires pour chaque moteur. Dans le choix de l'armoire et des contacteurs , le nombre de moteurs, l'ordre de démarrage et le besoin de synchronisation sont planifiés ensemble. Une armoire bien conçue facilite le fonctionnement harmonieux de tous les moteurs.

Attention à la tension d'arbre et aux courants de roulement

Dans les systèmes multimoteurs alimentés par variateur, chaque moteur est exposé au risque de tension d'arbre et de courants de roulement . Cet effet apparaît séparément sur chaque moteur ; les mesures de protection s'appliquent donc à tous les moteurs. Sinon, le roulement d'un moteur peut s'user bien plus vite que celui des autres.

Rendement et répartition de charge

Un moteur asynchrone présente son meilleur rendement à son point le plus efficace, c'est-à-dire lorsqu'il fonctionne près de la charge nominale. Une répartition de charge équilibrée permet à tous les moteurs de travailler dans cette zone efficace. En cas de répartition déséquilibrée, certains moteurs fonctionnent à faible charge sans rendement et d'autres peinent en surcharge, ce qui augmente la consommation d'énergie totale.

Redondance et continuité

Un avantage important des systèmes multimoteurs est la redondance. Lorsqu'un moteur tombe en panne, les moteurs restants peuvent faire fonctionner le système, même à capacité réduite. Cela évite l'arrêt total de la production dans les procédés critiques. Un entraînement multimoteur bien conçu est plus robuste qu'un système à moteur unique.

Mise en service et essais

Lors de la mise en service d'un système multimoteur, la répartition de charge des moteurs est impérativement mesurée. Le déséquilibre est détecté en comparant le courant absorbé par chaque moteur. Si nécessaire, les paramètres de commande sont ajustés pour égaliser la répartition. Ce premier réglage est la base d'un fonctionnement équilibré pendant toute la durée de vie du système.

Une large diffusion dans les applications industrielles

Les entraînements multimoteurs se rencontrent dans de nombreux domaines de l'industrie lourde. Dans les applications de moteurs électriques industriels , les longs convoyeurs, les grands broyeurs, les ponts roulants lourds et les systèmes de production à lignes multiples utilisent cette structure. Chaque application a son propre besoin de synchronisation.

Une approche équilibrée de l'entretien

Dans un système multimoteur, une charge égale des moteurs est également avantageuse pour l'entretien. Des moteurs chargés de façon égale vieillissent à une vitesse comparable ; la planification de l'entretien et du renouvellement devient ainsi prévisible. Dans un système déséquilibré, en revanche, un moteur est une source permanente de pannes tandis que les autres restent inutilisés.

Le rôle du logiciel de commande

Dans les systèmes multimoteurs modernes, la répartition de charge est en grande partie gérée par le logiciel de commande. Le logiciel compare en permanence le courant et la vitesse des moteurs, détecte le déséquilibre et corrige automatiquement les références. Le système continue ainsi de fonctionner de manière équilibrée même lorsque les conditions extérieures changent.

La logique fondamentale d'un système multimoteur

Au final, un entraînement multimoteur est le fonctionnement harmonieux de plusieurs moteurs électriques en vue d'un objectif unique. La clé de cette harmonie réside dans le bon choix des moteurs, une répartition de charge équilibrée et une synchronisation précise. Lorsque ces trois conditions sont réunies, le système se comporte comme un seul grand moteur, mais il est bien plus souple et plus fiable.

Taille du système et évolutivité

Une autre valeur de la structure multimoteur est l'évolutivité. Lorsque le besoin augmente, ajouter un nouveau moteur au système est bien plus facile que de remplacer un moteur géant unique. Cette souplesse facilite l'adaptation de l'installation aux futures augmentations de capacité et protège l'investissement sur le long terme.

Réponse dynamique aux variations de charge

Dans les installations réelles, la charge n'est pas constante : la quantité de matière sur le convoyeur, le poids soulevé par le pont roulant ou le remplissage du broyeur changent en permanence. Le succès d'un entraînement multimoteur se mesure à la rapidité et à l'équilibre de sa réaction à cette charge variable. Un système de commande bien réglé augmente simultanément le couple de tous les moteurs lorsque la charge monte brusquement ; lorsque la charge baisse, il redistribue les références pour qu'aucun moteur ne reste inutilisé. Cette réponse dynamique protège aussi bien les composants mécaniques que les moteurs du système.

Isolation et équilibre thermique

Une conséquence directe d'une répartition de charge équilibrée est que les moteurs fonctionnent à des températures comparables. La tenue de la classe d'isolation des moteurs fonctionnant à la même température s'épuise à une vitesse comparable et les bobinages vieillissent ensemble. Dans un système déséquilibré où un moteur travaille en permanence à chaud et un autre en permanence à froid, les durées de vie des isolations diffèrent en revanche fortement.

Vibrations et compatibilité mécanique

Dans les systèmes où plusieurs moteurs sont liés à la même structure, les vibrations produites par les moteurs peuvent s'influencer mutuellement. Des moteurs qui ne fonctionnent pas de façon synchrone peuvent créer dans la structure mécanique des modes de vibration provoquant résonance et fatigue. Une bonne synchronisation rend aussi les vibrations des moteurs compatibles entre elles et prolonge la durée de vie de la structure mécanique. La synchronisation est donc une exigence non seulement électrique mais aussi mécanique.

Réseau de communication et latence

Dans une structure maître-esclave, les moteurs dialoguent entre eux via un réseau de communication. La vitesse et la latence de ce réseau influent directement sur la qualité de la synchronisation. Une communication à latence élevée fait que les moteurs esclaves suivent le maître avec retard et provoque des déséquilibres passagers. Dans les systèmes exigeant une réaction rapide, il faut donc mettre en place une infrastructure de communication fiable et à faible latence. Le passage du système à un arrêt sûr en cas de coupure du réseau est également planifié à l'avance.

Mise à la terre et masse commune

Dans un système comportant plusieurs moteurs, la carcasse de chaque moteur est correctement mise à la terre. Sur des moteurs liés à une structure mécanique commune, l'absence de différence de potentiel entre les liaisons de mise à la terre évite à la fois le risque d'électrocution et le bruit sur les signaux de commande.

Planification de capacité et marge de réserve

Lors de la conception d'un système multimoteur, il est de bonne pratique que la puissance totale des moteurs dépasse quelque peu la charge. Cette marge de réserve permet aux moteurs restants de porter la charge lorsqu'un moteur tombe en panne. Elle évite en outre que tous les moteurs travaillent en permanence à la limite, ce qui réduit la charge thermique et prolonge la durée de vie du système. Une planification de capacité correcte est la base de la fiabilité comme du rendement.

Surveillance et détection précoce des pannes

Dans les systèmes multimoteurs, surveiller séparément le courant, la température et les vibrations de chaque moteur est le moyen le plus efficace de détecter tôt un déséquilibre. Lorsque le courant d'un moteur commence à s'écarter de celui des autres, c'est le plus souvent le premier signe d'un problème mécanique ou d'un déséquilibre de charge. Une surveillance continue permet de corriger un petit écart avant qu'il ne se transforme en panne importante.

L'approche DRG pour les solutions multimoteurs

Les moteurs asynchrones de classe IE3, IE4 et IE5 que nous fournissons conviennent à une répartition de charge équilibrée dans les entraînements multimoteurs, grâce à une qualité de production identique et à des caractéristiques de glissement cohérentes. Pour les longs convoyeurs, les ponts roulants lourds et les systèmes à entraînements multiples, nos moteurs fonctionnent aussi bien avec les approches d'équilibre naturel qu'avec la synchronisation par variateur. Pour planifier ensemble le bon choix de moteurs et la stratégie de synchronisation de votre système multimoteur, vous pouvez contacter l'équipe d'experts de DRG Motor.