Contrôleurs maxon : Limitation I2t et protection du bobinage moteur

Sujet :

• Comment la protection contre la surcharge d'un bobinage de moteur est-elle assurée par l'utilisation de contrôleurs maxon ?
• Existe-t-il une période de temps réglable pour une "surintensité" comme le permettent certains variateurs de fréquence pour les moteurs à courant alternatif ?

Solution :

1.) Les convertisseurs de fréquence et les moteurs AC

La plupart des convertisseurs de fréquence offrent un taux de surcharge de 110% ou 160%. La durée de la surcharge peut également être configurée. Cependant, un modèle de protection aussi simple ne convient pas tout à fait aux servomoteurs compacts (sans fer) et aux applications dynamiques :

• D'une part, les moteurs C.C./C.E. maxon sont souvent exploités plusieurs fois au-dessus des données nominales spécifiées, pendant une courte période de temps, comme base de toute demande de mouvement hautement dynamique, par exemple en cas d'accélération ou de décélération rapide. 
• D'autre part, les moteurs DC/EC compacts ont une capacité thermique et une dissipation de chaleur interne plus faibles que les énormes moteurs AC avec beaucoup de fer à l'intérieur.

Une méthode simple dans laquelle la surcharge est couplée à une période de temps fixe ne peut pas répondre de manière optimale à ces exigences.

2.) Modèle thermique et protection contre les surcharges des moteurs DC/EC

Les contrôleurs maxon ESCON et EPOS utilisent une limitation automatique dite I2t pour protéger le bobinage du moteur contre les surcharges et pour estimer la charge thermique du bobinage (même sans capteur de température).

• L'algorithme I2t mesure le courant du moteur pendant chaque cycle de contrôle du courant (EPOS4 : 40us) et estime dynamiquement l'état de charge thermique de l'enroulement sur cette base.
  
  
  • La détection automatique de la surcharge critique du bobinage est traitée par l'algorithme I2t. La limite de charge thermique du bobinage est basée sur la spécificité et la configuration du "courant nominal" de la bobine du moteur (à une température ambiante définie) et sur la "constante de temps thermique du bobinage" spécifiée et également à configurer du moteur. Ces deux valeurs doivent être configurées correctement pour assurer la protection de la bobine !
    Cette configuration relative au moteur est généralement effectuée lors de la mise en service initiale à l'aide de l'assistant "Startup wizard" (-> "Drive System / Motor") de "EPOS Studio" et n'a normalement jamais besoin d'être ajustée pendant le fonctionnement. Il est également possible de configurer les objets "Motor data / Nominal current" (0x3001/01) et "Motor data / Thermal time constant winding" (0x3001/04) par un programme d'application du contrôleur de niveau supérieur.
    
    
• Lorsque la limite thermique estimée de la bobine du moteur est atteinte, le courant du moteur est automatiquement limité au "courant nominal" configuré afin d'éviter toute augmentation supplémentaire de la température et tout dommage à la bobine du moteur. Il n'y a donc pas d'arrêt brutal du moteur mais un fonctionnement limité possible avec un couple réduit en raison de la limitation du courant du moteur.

L'avantage de l'algorithme I2t est une évaluation thermique correcte, même en fonctionnement cyclique, et que la durée d'un courant moteur "trop élevé" est automatiquement adaptée en fonction du niveau de courant réel. Cela signifie que si le courant du moteur est juste au-dessus du "courant nominal" configuré, il sera disponible pendant une période plus longue que dans le cas d'un courant de moteur qui est égal à 2 ou 3 fois le "courant nominal" du moteur. Les aspects cycliques avec des phases répétitives de "surintensité" et de "refroidissement" sont correctement pris en compte par l'algorithme I2t.

La théorie de l'algorithme I2t est expliquée plus en détail au chapitre "3.11.2 Output Current Limitation according to I2t Method" du document "EPOS4 Firmware Specification.pdf". Il existe également un exemple graphique et de calcul de la durée de la "surintensité" disponible en fonction du courant nominal configuré :

Exemple :

• Un courant moteur qui est deux fois plus élevé que le "courant nominal" configuré est limité au niveau du "courant nominal" après 0,3 fois la "constante de temps thermique de l'enroulement".
• Un courant de moteur qui est quatre fois plus élevé que le "courant nominal" configuré est limité au niveau du "courant nominal" après 0,1 fois la "constante de temps thermique de l'enroulement".

Conseil :
La proximité du moteur avec sa limite thermique (en tant que valeur par mil) peut être lue par un contrôleur de niveau supérieur via l'objet EPOS4 "Power limitation / I2t level motor" (0x3200/01) ou également enregistrée avec l'EPOS Studio "Data Recorder" pendant le fonctionnement tout comme la "Current actual value averaged" (0x30D1/01) et/ou la "Velocity actual value averaged" (0x30D3/01).

3.) Courant de sortie maximal

Un avantage important des moteurs maxon DC/EC est que, contrairement aux moteurs AC ou DC à noyau de fer, ils peuvent être surchargés pendant un certain temps même par un multiple sur les données nominales spécifiées.

• En règle générale, on configure un "courant de sortie maximal" qui est égal à 2 ou 3 fois le "courant nominal" du moteur, ou même le courant de sortie maximal de l'étage de sortie. Tout est possible et sans risque d'endommager un moteur DC/EC tant que les données de base (-> "Nominal current" et "Thermal time constant winding") de la limitation I2t sont configurées correctement.
• Lors de la configuration du "Max output current", il faut s'assurer que le couple moteur résultant ne dépasse pas les données spécifiées d'autres composants mécaniques (p. ex. réducteurs, broches, ...) et ne risque pas de les endommager. 
• Le "Max output current" est également configuré soit par le "Startup Wizard" de l'EPOS Studio (-> "Controller / Limits"), ou par un programme externe écrivant l'objet à l'EPOS4 "Output current limit" (0x3001/02).

4.) Notes supplémentaires

• Vous trouverez des informations détaillées et les spécifications de tous les objets EPOS4 mentionnés dans le document "EPOS4 Firmware Specification.pdf".
• Tous les objets EPOS sont également accessibles par les appels de fonction généraux "EPOS Command Library" (ou VI LabView) "SetObject" et "GetObject".
  
  

5.) Référence croisée

• EPOS4 / IDX : Quelle est la signification et l'action de la protection I2t ?