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Sommaire :
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Remerciements |
N'ayant pas de connaissances en électrotechnique, ce projet n'aurait jamais pu être mené à bien sans l'aide des professionnels animant le forum électricité de cyberbricoleur.com.
La synthèse se trouve sur ce fil de discussion.
Il aura fallu cependant passer de longues nuits sur les sites didactiques pour y acquérir quelques bases, ainsi que pas mal de patience pour réunir le matériel nécessaire en fouinant sur eBay.
L'armoire terminée
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Cahier des charges |
Les moteurs asynchrones triphasés présentent pas mal d'avantages sur leurs homologues monophasés.
- meilleure "régularité cyclique"
- n'étant pas a priori destinés au marché grand public, on peut s'attendre à une meilleure qualité. Le fait est que le remplacement sur les machines s'est traduit par une considérable diminution des vibrations ! Et pourtant, ils n'ont pas été choisis parmi des marques reconnues.
- possibilité de les alimenter par l'intermédiaire de variateurs de fréquence afin d'en ajuster la vitesse de rotation.
Donc, tout doit être construit autour d'un ou plusieurs variateurs. Le plus simple serait d'utiliser un variateur par moteur... Ici, un seul variateur alimentera trois moteurs pour un combiné tour fraiseuse, une perceuse à colonne, et une scie à ruban horizontale.
Certains variateurs peuvent être commutés sur deux paramétrages. C'est le cas du Danfoss de la série VLT 2000 utilisé ici. Le combiné tour fraiseuse est un peu anémique avec son moteur de 0.55 kW. Ce dernier sera donc remplacé par un modèle triphasé de 0.75 kW, ce qui aura aussi pour conséquence de compenser la baisse de couple pour les faibles et hautes fréquences (en dessous de 30 Hz et au dessus de 75 Hz). La perceuse recevra elle aussi un moteur de 0.75 kW, de même puissance que l'origine, et partagera le paramétrage du combiné. Le deuxième setup sera utilisé pour le moteur de la scie, moins puissant (typiquement 0.55 kW).
Les variateurs de fréquence permettent de gérer plusieurs fonctions intéressantes :
- rampe d'accélération
- rampe de décélération
- freinage par injection de courant continu ou par résistance. Le VLT 2000 en ma possession ne comporte pas cette dernière option, ce sera donc par courant continu.
Le freinage est très utile dans plusieurs cas :
- sur un tour pour le filetage et le taraudage, ou pour l'équiper de "butées électriques"
- sur une perceuse ou une fraiseuse pour le taraudage
- pour arrêter au plus vite la machine lorsque le bouton d'arrêt d'urgence est actionné
Variateur de fréquence Danfoss VLT 2000
Le freinage "électrique" n'est pas aussi efficace qu'un moteur-frein ou un frein de broche, mais c'est tout de même bien mieux qu'un arrêt en roue libre.
Moteur-frein avec son disque et son solénoïde
Les machines seront équipés de la façon suivante :
Combiné tour fraiseuse :
- bouton poussoir de marche
- bouton poussoir d'arrêt
- bouton poussoir d'arrêt rapide (freinage par courant continu)
- commutateur d'inversion de sens de rotation
- voyant vert "sous tension"
- voyant rouge "inversion de sens"
- potentiomètre de variation de vitesse
- tachymètre de broche à affichage numérique
- bouton d'arrêt d'urgence activant le frein par injection de courant continu
- sécurités (ouverture des coffrets à poulies) agissant également sur le frein
Panneau de commande du combiné tour fraiseuse
Perceuse à colonne :
- bouton poussoir de marche
- bouton poussoir d'arrêt
- bouton poussoir d'arrêt rapide (freinage par courant continu)
- commutateur d'inversion de sens de rotation
- voyant vert "sous tension"
- voyant rouge "inversion de sens"
- potentiomètre de variation de vitesse
- tachymètre de broche à affichage numérique
- bouton d'arrêt d'urgence activant le frein par injection de courant continu
- sécurité (ouverture du coffret à poulies) agissant également sur le frein
Boîtier de commande de la perceuse à colonne
Scie à ruban horizontale :
- bouton poussoir de marche
- bouton poussoir d'arrêt
- voyant vert "sous tension"
- potentiomètre de variation de vitesse
- tachymètre indiquant la vitesse de la lame en mètres par minute
- bouton d'arrêt d'urgence activant le frein par injection de courant continu
- sécurité (ouverture du coffret à poulies) agissant également sur le frein
Boîtier de commande de la scie à ruban horizontale
L'arrêt d'urgence devra être géré de la façon suivante :
- freinage pendant "un certain temps"
- coupure de l'alimentation
C'est un module spécialisé qui se chargera de gérer cette fonction : Schneider-Télémécanique Preventa XPS-AT. C'est fait pour ça, et ça présente toutes les garanties de sécurité (redondance, etc.).
Preventa XPS-AT
Les contacteurs de puissance interposés entre variateur et moteurs assureront trois fonctions :
- coupure d'alimentation (sécurité)
- sélection du moteur
- redondance (sécurité)
Pour trois moteurs, ceci implique la présence de quatre contacteurs.
Contacteurs + auxiliaires
Chaque machine aura sa propre boîte à boutons (panneau ou boîtier de commande). Il faudra donc commuter le bon boîtier en même temps que le moteur sera activé.
Relais commutant le boîtier de commande de la machine sélectionnée
Se pose alors la question de savoir quelle tension de commande utiliser. 24 V continu ou alternatif, 48V continu ou alternatif, 110 V alternatif, ou 230V alternatif. Les accessoires commandés en 110 ou 230 alternatif sont faciles à trouver en occasion. Les 110, personne n'en veut ! Moi non plus : pas de tension élevée en alternatif pour des raisons de sécurité. 24 V et 48 V alternatif sont faciles à trouver, et à alimenter : un simple transformateur sans filtrage ni régulation. Mais il faudra alimenter les tachymètres. Du courant continu est donc la solution la plus simple. Les afficheurs s'alimentant en 9 V, et les régulateurs-abaisseurs de la série 7800 ne pouvant pas accepter de très fortes tensions en entrée, le 24V continu s'impose naturellement. Une alimentation à découpage par sa compacité et son rendement élevé est la meilleure solution. Elle devra être capable de débiter au moins deux ampères afin de commander relais et contacteurs, de fournir du courant aux tachymètres et aux voyants, et éventuellement de disposer d'un peu plus d'un ampère pour d'autres accessoires comme des éclairages électroluminescents.
Alimentation à découpage 24V 2.3 A
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Schémas |
Les schémas ont été dessinés en fonction des conseils qui m'ont été donnés sur Cyberbricoleur.com.
Pour les ouvrir, cliquer sur l'image ci-dessous.
schémas - format pdf
Page 1 - commutation des boîtiers de commande
Ce schéma est évident : une paire de relais à quatre contacts (K1 à K6) est associée à chaque moteur, et commute :
- le 0 V de l'alimentation TBT continue
- la commande d'inversion de sens de rotation
- l'arrêt normal (rampe)
- la mise en marche (rampe)
- le freinage
- le + 10 V du potentiomètre de réglage de fréquence
- le curseur du potentiomètre
- le 0 V du potentiomètre
Le + 24 V est quant à lui directement connecté, et sert à commander les bobines de la paire de relais : il ne sera de toutes façons présent sur la ligne concernée que si le moteur est sélectionné. On a donc déjà 9 conducteurs.
Le schéma est dessiné de telle sorte que les liaisons électriques des machines non sélectionnées soient libres de potentiel, aussi bien en BT (230 V) qu'en TBT (24 V).
L'arrêt d'urgence, pour des raisons évidentes, n'est pas commuté. Les boutons d'arrêt d'urgence de chaque machine sont placés en série les uns avec les autres. Ceci n'est pas gênant, bien au contraire : on dispose alors de trois possibilité d'arrêter la machine. Le module Preventa offre la possibilité d'une détection de court circuit sur la ligne d'arrêt d'urgence. Mais il faut alors deux contacts NF par bouton, mais surtout 4 fils au lieu de 2. Or, il est difficile de trouver du câble multiconducteurs comportant plus de 12 fils (11 + terre).
De plus, il faudrait en principe du câble blindé. Ça existe, c'est très cher, et difficile à trouver. Le revendeur local en matériel électrotechnique distribuait du 12 conducteurs industriel 1 mm² non blindé, mais ne pouvait fournir de blindé que sur commande, et à condition d'en prendre un touret entier.
Commutation des boîtiers de commande
Page 2 - boîtiers de commande
Les schémas sont conçus pour deux cas :
- toutes options (freinage et inversion de sens)
- minimum (marche arrêt simple)
Les schémas ont été dessinés avec en tête cette limitation à 11 conducteurs.
Les commandes d'arrêt et de freinage sont à "manque de tension".
Boîtiers de commande
Page 3 - module de sécurité, commandes sur armoire, et sélection de machine
Le module Preventa est branché selon le schéma le plus simple :
- pas de surveillance de court-circuit sur les fils des boutons d'arrêt d'urgence (BAU)
- réarmement automatique, c'est à dire dès que le BAU est réarmé
Ce module dispose de :
- 3 contacts NO immédiats. Si le BAU est armé, ces contacts collent immédiatement. Si le BAU est actionné, ils décollent immédiatement.
- 1 contact NC immédiat. Si le BAU est armé, ce contact décolle immédiatement. Si le BAU est actionné, il recolle immédiatement. Ce contact ne peut pas être utilisé dans la gestion de sécurité, mais uniquement à des fins de signalisation (voyant, sirène, etc.). En effet, contrairement aux autres, il n'est pas redondant (tous les autres sont composés en réalité de deux contacts placés en série).
- 2 contacts NO temporisés. Si le BAU est armé, ces contacts collent immédiatement. Si le BAU est actionné, ils décollent après un certain délai.
Les contacts NO immédiats sont donc utilisés pour actionner le freinage par injection de courant continu.
Les contacts NO temporisés sont utilisés pour couper l'alimentation des contacteurs de puissance après un certain délai.
Le contact NC est utilisé pour allumer un voyant rouge situé en façade sur l'armoire, afin de signaler "l'état d'urgence".
Le câblage est redondant : le circuit frein est coupé (le freinage est à "manque de tension"), mais aussi la commande stop (elle aussi à "manque de tension"). Ainsi, on bénéficie au moins d'un ralentissement par la rampe normale en cas de défaillance de l'injection de courant continu, ou si le contact correspondant restait collé.
Les contacts temporisés sont utilisés de la façon suivante :
- un contact est placé entre le +24 V et le commutateur qui alimente l'une des bobines des 3 contacteurs de puissance KM2 KM3, et KM4 (qui sélectionnent le moteur à alimenter). Donc, en cas d'arrêt d'urgence, il y a déconnexion du moteur après le délai de freinage
- le deuxième contact est placé entre le +24 V un autre contacteur (KM1) qui s'intercale entre la sortie du variateur et le commun des 3 autres (KM2 à KM4) : redondance
Chaque contacteur est muni de deux contacts auxiliaires : un NO et un NC ; les contacts NO sont câblés pour commander les relais de commutation de commande (K1 à K6). De cette façon, KM2 à KM4 sélectionnent à la fois le moteur et son boîtier de commande.
En façade se trouvent :
- un voyant blanc indiquant que l'armoire est sous tension
- un voyant rouge indiquant l'état "arrêt d'urgence"
- un voyant jaune "alarme variateur"
- un commutateur à trois position pour sélectionner la machine à alimenter
Module de sécurité, commandes sur armoire, et sélection de machine
Page 4 - variateur de fréquence, relais d'interface, alimentation 24 V et contacteurs
L'alimentation 24 V est un modèle à découpage, fournissant 2.3 A. Les avantages sont le faible encombrement et le bon rendement.
Les boutons des boîtiers de commande ne sont pas directement exploités par le variateur, mais agissent sur des relais intermédiaires. Ceci a été fait pour plusieurs raisons :
- en premier lieu, le variateur utilisé, un Danfoss de la série VLT 2000, n'a que deux lignes de commande marche / arrêt / freinage. La configuration standard prévoit un bouton marche NO sur une entrée, un bouton arrêt NC sur l'autre. Mais alors, il faut faire un choix entre arrêt en roue libre, arrêt avec rampe, ou freinage. Il y a une deuxième possibilité de paramétrage : la première entrée (marche / arrêt) non plus commandée par un bouton mais par un interrupteur : fermé, c'est marche ; ouvert, c'est arrêt (roue libre ou rampe). La deuxième entrée peut alors être paramétrée pour commander le freinage. Comme il est hors de question (et interdit) de commander la mise en route et l'arrêt d'une machine par un interrupteur à encliquetage, il faut le remplacer par deux poussoirs et un relais d'automaintient.
- l'idée d'avoir des mètres de câble reliés directement à l'entrée du variateur ne me plaisait pas ; c'est une source possible d'ennuis (par d'éventuelles perturbations électromagnétiques). En réalité, après consultation de la documentation, il est apparu que la très faible impédance des entrées éliminait tout risque important. Mais ce fabricant, comme les autres, prescrit du câble blindé que je ne pouvais pas me procurer... Ces relais d'interface sont un moyen de contourner le problème
- les relais 1 RT dont je disposais comportent une voyant d'état, très pratique pour faire les mises au point et contrôler l'état du système.
K7 est le relais d'automaintient. K8 à K11 font l'interface avec le variateur de fréquence.
La commande de vitesse par potentiomètre n'est pas blindée, contrairement aux instructions. Cependant, aucun problème n'a été constaté : l'impédance d'entrée du circuit est elle aussi très basse, ce qui limite fortement les risques de perturbation. Au pire, il reste la possibilité de remplacer la commande en tension par une commande en courant (plus difficile à implanter).
Les contacteurs KM1 à KM4 assurent la sélection du moteur et la redondance. Des blocs de contacts auxiliaires supplémentaires ont été montés, et amènent du 230 V monophasé sur la machine sélectionnée (éclairage, pompe d'arrosage, etc.).
Variateur de fréquence, relais d'interface, alimentation 24 V et contacteurs
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Refroidissement |
C'est un facteur qu'il n'est pas possible de négliger ! Tous les composants sont enfermés dans un boîtier métallique, et dissipent de la chaleur. Il faut donc faire un bilan, et calculer la dissipation thermique.
- variateur : 75 W en tablant sur 90% de rendement (large)
- relais RHN412B : 1.6 W
- contacteur LC1D18BL : 2.4 W
- contacteur LC1D09BD : 5.4 W
- contacteur LC1D12BL : 2.4 W
- Preventa : 8 W
- alimentation à découpage : 5 W en tablant sur 2 A (possible si alimentation d'accessoires extérieurs) et 90% de rendement
- petits relais d'interface : négligés
- voyants en façade : négligés
Tous les relais ne fonctionnent pas en même temps, il faut en tenir compte. Pour cette réalisation, les contacteurs, s'ils ont le même aspect, sont différents et ne consomment pas de la même façon. Le calcul est fait en se basant sur la plus grosse consommation possible :
- variateur : 75 W
- RHN412B : 2 x 1.6 W = 3.2 W
- toujours LC1D18BL (KM1 voir schéma) : 2.4 W
- maxi LC1D09BD (KM4, voir schéma): 5.4 W
- Preventa : 8 W
- alim. : 5 W
PUISSANCE MAXIMUM DISSIPEE : 100 W
Cette chaleur passe des différents organes vers l'air contenu dans l'armoire, puis de cet air vers le milieu extérieur à travers les parois. Le calcul ci-dessous se base sur les informations disponibles sur le site de Schneider-Télémécanique.
calcul de la surface d'échange :
dimensions de l'armoire : 0.4 m x 0.5 m x 0.18 m
faces AV et AR (décollée du mur) = 0.4 m x 0.5 m x 2 = 0.4 m²
côtés = 0.5 m x 0.18 m x 2 = 0.18 m²
dessus et dessous = 0.4 m x 0.18 x 2 abaissé à 0.1 m² à cause des presse étoupes
TOTAL = 0.68 m²
échanges thermique intérieur / extérieur :
résistance thermique pour 1 m² d'enveloppe (selon Télémécanique) : 0.15
-> Rth = 0.15 / 0.64 = arrondi à 0.24 °C/W
delta T = Rth x P = 0.24 x 100 = 24°
Donc, armoire fermée, sans ventilation, dans le pire des cas il y aura 24 °C d'écart
Déclassement du variateur : 100% jusqu'à 40°C, 50% à 55°C, ensuite 0% (informations présentes dans la notice du fabricant, Danfoss)
Donc, sans ventilation, le variateur pourra travailler à plein régime à condition que la température ne dépasse pas 40° - 24° soit 16°C dans la pièce.
Télémécanique donne aussi 0.12°C/W pour 1 m² d'enveloppe s'il y a un simple brassage intérieur, sans arrivée d'air frais.
-> Rth = 0.12 / 0.64 = arrondi à 0.19 °C/W
Dans ce cas on a un delta T de 19°
Donc, avec brassage intérieur, le variateur pourra travailler à plein régime à condition que la température ne dépasse pas 40° - 19° = 21°C dans la pièce.
CONCLUSION : UN APPORT D'AIR FRAIS DE L'EXTERIEUR VERS L'INTERIEUR DE L'ARMOIRE EST INDISPENSABLE.
Il faudrait en principe calculer le débit à assurer. En pratique, il suffira de placer un bon ventilateur de 12 cm. Les puissances en jeu ne sont pas énormes, et ce ne sont que quelques degrés qui sont à gagner. Naturellement, si de l'air entre, il faut prévoir une sortie afin de permettre une circulation.
Ventilateur
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Réalisation |
Un tel tableau électrique coûterait une fortune s'il était réalisé à partir de composants neufs. Heureusement, on trouve beaucoup de composants d'occasion, des variateurs aux contacteurs en passant par les relais de commande. Les plus faciles à trouver sont les boutons poussoirs, voyants et interrupteurs, tout particulièrement des anciennes séries de la marque Schneider-Télémécanique. Ebay fourmille de ce genre de chose. Il est par contre assez difficile de trouver des modules de sécurité Preventa ou Pilz, et ceux prévus pour un arrêt d'urgence avec temporisation (freinage) sont rarissimes ; il faut s'armer de patience... Et également se renseigner avant sur les prix des matériels neufs : on voit régulièrement des enchérisseurs monter sur des occasions plus haut que les prix pratiqués par les revendeurs pour du neuf.
Pour le câblage, si on veut s'y retrouver, il y a deux solutions :
- les bagues d'identification numérotées que l'on place sur les câbles
- utiliser du câble récupéré sur des faisceaux électriques automobiles : ils sont généralement bicolores, et les combinaisons que l'on y trouve sont très nombreuses
Le câblage basse tension est réalisé en rigide 2.5 et 1.5 mm² selon les circuits.
Pour les boîtes à boutons, on trouve ce qu'il faut chez Télémécanique. Le tout est d'en trouver en occasion (hors de prix en neuf). Il y en a souvent sur eBay, mais les boîtes nues sont bien plus rares. Leur intérêt est d'être très robustes et étanches. Elles sont conçues en fonction de la gamme de boutons, voyants et interrupteurs. Ici ce sont des boîtes en polyester / fibre de verre, faciles à travailler.
On trouvera tout ce qui manque, ainsi que câbles multiconducteurs, presse-étoupes, rails oméga, etc. dans les magasins "Société Toutélectric" (STE).
Si on ne veut pas être ennuyé plus tard, il est préférable de se procurer des potentiomètres de qualité industrielle. Il en existe d'étanches (IP65), piste Cermet, tout petits, et très robuste chez Conrad. Attention, leur axe est en diamètre 4 mm au lieu des 6 mm habituels. Ne pas se tromper lors de la commande !
Une partie difficile de la réalisation est le dessin de perçage des faces avant : les boutons et voyants industriels sont encombrants, et il peut être délicat de tout loger dans un minimum de place. Donc, tout a été modélisé et testé sur ordinateur avant de faire le premier trou. De l'armoire, jusqu'aux boîtes à boutons.
Armoire
On a intérêt à bien calculer son coup avant même le premier perçage...
Commande de la perceuse
Commandes de la perceuse :
la place est comptée !
La façade venant remplacer celle du combiné tour fraiseuse TDM 400 n'a pas été facile à réaliser. Si on peut choisir sa boîte à boutons dans le catalogue Télémécanique, là il faut faire avec la place disponible.
Commande du tour
L'interrupteur général a été récupéré sur la perceuse. Il a l'avantage de comporter un capot servant de bouton d'arrêt urgence Il a été placé sur le côté et non sur la porte : il est ainsi possible de l'actionner sans difficulté porte ouverte.
Interrupteur général
Et pour sur perceuse, c'est un bouton d'arrêt d'urgence qui prend la place de l'interrupteur marche / arrêt.
Arrêt d'urgence sur perceuse
On peut aussi réaliser soi-même les grilles d'aération...
Aluminium et trépan
Plaques terminées
Il suffit d'insérer deux couches de grille d'inox entre armoire (préalablement découpée) et plaque, en les croisant à 45°, pour se constituer des grilles d'aération filtrant efficacement les copeaux et autres limailles. Quelques dizaines d'euros économisés...
Grille filtrante terminée
Il n'y a plus qu'à faire la face avant.
Ici :
- un voyant rouge : état "arrêt d'urgence"
- un voyant jaune : mise en sécurité du variateur
- un voyant blanc : armoire sous tension
- un commutateur à trois positions
terminé !
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