Un bipoutre de 20 tonnes, c'est cinq variateurs et 24,1 kW sur un seul jeu de barres, et non la charge d'un seul pont roulant. Même avec une réactance de 5 pour cent sur chaque variateur, le jeu de barres arrive près de 18 pour cent de distorsion de demande totale face à une limite de 8 pour cent. Voici ce qui s'additionne réellement, et quel remède appartient à quel pont roulant.
Un bipoutre de 20 tonnes ne représente pas la charge électrique d'un seul pont roulant. Une fiche catalogue typique indique un palan principal de 16 kW, un palan auxiliaire de 2,6 kW, deux moteurs de chariot de 0,55 kW et quatre moteurs de direction de 1,1 kW. Cela fait 24,1 kW répartis sur cinq variateurs accrochés à un seul jeu de barres. Quand ils fonctionnent ensemble, les courants harmoniques s'additionnent avant même d'atteindre votre transformateur, et aucun calcul sur un variateur isolé ne prédit ce que lira votre compteur.
J'ai traité trois chantiers cette année où un bipoutre neuf a fait déclencher une usine qui exploite des ponts roulants monopoutres depuis dix ans. Les trois ont été discutés comme si le pont roulant était défectueux. Deux étaient des problèmes de jeu de barres, un était un problème de refroidissement d'armoire, et aucun n'était le pont roulant.
La raison pour laquelle les bipoutres se comportent différemment tient à deux choses que l'article sur le monopoutre de ce site n'avait pas à traiter. Il y a plus de variateurs, et au-delà de 16 tonnes il y a deux palans. Deux palans signifient deux redresseurs, deux jeux de commande de frein et deux occasions pour un contacteur de décrocher au mauvais moment. L'arithmétique qui suit porte sur ce que ces variateurs se font entre eux.
Tout ce qui suit est soit une valeur publiée avec sa source nommée, soit une clause de norme, soit un nombre que nous avons calculé. Les nombres calculés sont signalés comme valeurs de dimensionnement. Personne n'a publié d'étude sur la distorsion harmonique d'un bipoutre de 20 tonnes dans une aciérie vietnamienne, et je ne vais pas prétendre le contraire.
Plus que ce que les acheteurs comptent. Un monopoutre de 10 tonnes a un palan, un ensemble de chariot et deux moteurs de direction. Un bipoutre de même tonnage a quatre moteurs de direction parce que chaque sommier d'extrémité en porte deux, et à partir de 16 tonnes il a en plus un second palan pour les levages légers. La répartition des moteurs publiée ci-dessous provient d'un catalogue de bipoutres standard couvrant 5 à 40 tonnes, avec les totaux tels qu'imprimés.
| Capacité | Moteur de levage | Moteurs de chariot | Moteurs de direction | Puissance du pont | Variateurs sur le jeu de barres | Courant à 400 V |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 t | 6,1 / 1 kW | 2 x 0,31 kW | 2 x 0,55 kW | 8,82 kW | 3 | 16,6 A |
| 10 t | 9,5 / 1,5 kW | 2 x 0,44 kW | 2 x 1,1 kW | 14,08 kW | 4 | 26,6 A |
| 20 t | 16 / 2,6 kW | 2 x 0,55 kW | 4 x 1,1 kW | 24,1 kW | 5 à 7 | 45,5 A |
| 32 t | 20 / 5,0 kW | 2 x 1,1 kW | 4 x 1,5 kW | 33,2 kW | 5 à 7 | 62,6 A |
| 40 t | 38 kW | 2 x 1,5 kW | 4 x 2,2 kW | 47,0 kW | 5 à 7 | 88,7 A |
| 50 t (européen léger) | 4 / 0,67 m/min, 2 vitesses | 20 / 5 m/min | 40 / 10 m/min, changement de pôles | 44,4 kW | 4 | 83,8 A |
Les courants sont notre calcul à 400 V, facteur de puissance 0,85 et rendement moteur 0,90, à partir des kilowatts du catalogue. Le nombre de variateurs correspond au nombre de moteurs commutés séparément, ce qui est ce qui compte pour les harmoniques : chaque moteur doté de son propre onduleur injecte sa propre distorsion de courant à son propre point du jeu de barres. Nos propres fiches de pont roulant bipoutre publient la même répartition par capacité, et c'est la première chose à comparer entre deux offres.
La ligne des 50 tonnes mérite qu'on s'y arrête. C'est une machine réellement publiée : portée 13,5 m, levée 6 m, pont de 8 950 kg et masse totale de 12 810 kg, charge statique maximale sur roue de 134,5 kN, classification U4/Q2 selon EN 13001-1, et 44,4 kW d'équipement électrique. Elle n'a aucun onduleur. Le levage se fait à 4/0,67 m/min par un moteur à deux vitesses à changement de pôles, et la direction de la même façon à 40/10 m/min. Gardez cela en tête, car cela change ce dont vous devez vous inquiéter.
Deux palans sur un même pont ne sont pas une redondance. C'est une fonction de productivité : le crochet auxiliaire se déplace 2 à 5 fois plus vite que le crochet principal et traite tout ce qui est sous environ un quart de la capacité nominale. Sur une machine qui passe l'essentiel de sa journée à lever 2 tonnes, le palan principal est du poids mort.
La liste de configurations publiée d'une gamme de bipoutres lourds rend le schéma évident. À partir de 16 tonnes, chaque capacité est écrite sous forme de couple.
| Capacité listée | Principal / auxiliaire | Part de l'auxiliaire |
|---|---|---|
| 5 t | crochet unique | aucune |
| 10 t | crochet unique | aucune |
| 16 t | 16 / 3,2 t | 20 pour cent |
| 20 t | 20 / 5 t | 25 pour cent |
| 32 t | 32 / 5 t | 16 pour cent |
| 50 t | 50 / 10 t | 20 pour cent |
| 75 t | 75 / 20 t | 27 pour cent |
| 100 t | 100 / 20 t | 20 pour cent |
| 125 t et plus | 125 / 32 t et plus | 25 à 30 pour cent |
C'est ici que l'histoire électrique s'écarte du monopoutre. Le palan auxiliaire, c'est un second redresseur, un second circuit de commande de frein et un second câble moteur, et il est délibérément dimensionné petit. Les petits variateurs sont ceux qui présentent la pire distorsion de courant par rapport à leur propre charge, parce que la capacité de bus continu et la réactance, s'il y en a une, sont choisies pour un petit format de châssis et non pour les harmoniques. La même logique s'applique au volet palans et accessoires de la commande : le petit ensemble n'est pas le plus simple.
Deux redresseurs à six impulsions sur un même jeu de barres ne se moyennent pas. Une démonstration de laboratoire publiée sur deux variateurs alimentés par un bus alternatif commun a mesuré 10,9 A de rang 5 sur le premier variateur et environ le double avec le second en marche. Un plus un égale deux, comme le formule la note d'application d'Eaton. Les formes d'onde sont semblables, les angles de phase sont semblables, et des angles semblables s'additionnent.
Entre les deux extrêmes, et l'écart entre les deux fait tout le débat. L'hypothèse commode est l'addition arithmétique : cinq variateurs, cinq fois le courant harmonique. L'hypothèse optimiste est la somme quadratique : cinq variateurs, 2,24 fois le courant harmonique. La réalité se situe entre les deux et dépend de la similitude des variateurs et du déphasage de leurs redresseurs.
L'industrie quantifie cela par un exposant de sommation, souvent noté alpha. Un exposant de 1 correspond à l'addition arithmétique sans annulation. Un exposant de 2 correspond à la somme quadratique, que l'on obtient quand les angles de phase sont répartis aléatoirement. Un article IEEE de 2013 de Cuk, Cobben, Ribeiro et Kling a mesuré des variateurs de moteurs asynchrones en parallèle sur deux sites pendant une semaine avec une résolution d'une seconde, couvrant des alimentations à 6 et à 12 impulsions, et en a déduit des coefficients de sommation simplifiée précisément parce qu'aucun des deux extrêmes n'est correct.
Ce qui compte en pratique, c'est la distorsion de demande totale au jeu de barres, et non la distorsion harmonique totale d'un variateur. Ce sont deux nombres différents et les acheteurs les confondent constamment. Voici ce que produisent les deux règles d'addition pour un groupe de variateurs identiques.
| Variateurs sur le jeu de barres | TDD si arithmétique, sans réactance (THDi 100 pour cent) | TDD si somme quadratique, sans réactance | TDD si arithmétique, réactance 5 pour cent (THDi 40 pour cent) | TDD si somme quadratique, réactance 5 pour cent |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 100 pour cent | 100 pour cent | 40 pour cent | 40 pour cent |
| 2 | 100 pour cent | 71 pour cent | 40 pour cent | 28 pour cent |
| 3 | 100 pour cent | 58 pour cent | 40 pour cent | 23 pour cent |
| 5 | 100 pour cent | 45 pour cent | 40 pour cent | 18 pour cent |
| 7 | 100 pour cent | 38 pour cent | 40 pour cent | 15 pour cent |
| Limite IEEE 519-2022, Isc/IL 20 à 50 | 8 pour cent | 8 pour cent | 8 pour cent | 8 pour cent |
Notre propre calcul, à partir des plages de THDi par variateur publiées par ABB pour les variateurs de CVC et des règles d'addition usuelles. Le tableau dit quelque chose d'inconfortable. Même si chaque variateur a une réactance de 5 pour cent et que les angles de phase se répartissent parfaitement, un bipoutre à cinq variateurs atteint 18 pour cent de TDD face à une limite de 8 pour cent. Ajouter des réactances aide énormément le variateur individuel et laisse malgré tout le jeu de barres hors conformité.
Ce n'est pas une raison de se passer de la réactance. C'est une raison de cesser de croire que la réactance est toute la réponse. Sur un variateur seul, le même tableau montre 40 pour cent tombant à 18 pour cent, ce qui justifie ses deux cents dollars. Sur une machine à cinq variateurs, la même réactance vous fait passer de 100 à 18, ce qui est un autre genre de nombre mais reste très loin de 8.
Le déphasage est le remède harmonique réel le moins cher pour un groupe de variateurs, et il n'est presque jamais prescrit sur un pont roulant. L'idée est simple : deux redresseurs à six impulsions alimentés par des enroulements décalés de 30 degrés électriques produisent des rangs 5 et 7 décalés de 180 degrés, qui s'annulent donc au jeu de barres commun au lieu de s'additionner. Un redresseur à 6 impulsions plus un redresseur à 6 impulsions déphasé se comportent comme un redresseur à 12 impulsions là où ils se rejoignent.
Les valeurs de distorsion de courant publiées pour les alimentations disponibles, issues d'ABB et des données harmoniques de Siemens pour des variateurs à pleine charge, expliquent pourquoi cela compte.
| Alimentation | THDi typique à pleine charge | Effet sur un jeu de barres à cinq variateurs | Usage réel sur pont roulant |
|---|---|---|---|
| 6 impulsions, sans réactance | 90 à 120 pour cent | le pire cas domine | très courant dans les armoires de commande bas de gamme |
| 6 impulsions, réactance 2 à 3 pour cent | 43 à 44 pour cent | aide, mais reste au-dessus de 8 | adaptation courante |
| 6 impulsions, réactance 5 pour cent | 34 à 45 pour cent | 15 à 18 pour cent si les angles sont répartis | standard en CVC, rare sur ponts roulants |
| 12 impulsions | 8,8 pour cent | proche de la limite, exige un transformateur à double enroulement | rare sur ponts roulants, courant en aciérie |
| 18 impulsions | 3,9 pour cent | sous la limite | occasionnellement, pour de gros palans |
| Alimentation active, deux quadrants | 1,3 à 5 pour cent | sous la limite, facteur de puissance unitaire | de plus en plus prescrite pour les palans à forte utilisation |
| Alimentation active, quatre quadrants | 1,2 pour cent, plus récupération | sous la limite et récupère l'énergie de freinage | haut de gamme, justifié au-delà d'environ 50 tonnes |
Une démonstration publiée vaut plus que le tableau. Deux variateurs identiques à 6 impulsions sur un bus partagé, un transformateur déphaseur : le rang 5 passe de 10,9 A par variateur à environ 21,8 A combinés sans déphasage, et à presque zéro avec. Le transformateur n'a rien filtré. Il a transformé deux formes d'onde en phase en deux formes d'onde en opposition de phase.
Sur un bipoutre, c'est réellement praticable, parce que les deux palans sont des variateurs distincts qui n'ont pas besoin d'être identiques. Une machine de 20 tonnes avec un palan principal de 16 kW et un auxiliaire de 2,6 kW peut placer l'auxiliaire sur une alimentation déphasée, ou simplement sur un petit transformateur séparé avec un autre groupe de couplage. Cela annule les rangs 5 et 7 entre les deux plus grosses sources pour le prix d'un enroulement plutôt que d'une alimentation active.
Ce que cela ne fait pas, c'est annuler les quatre moteurs de direction, qui sont identiques, alimentés par une paire d'onduleurs en maître/esclave, et donc parfaitement en phase les uns avec les autres. Des variateurs identiques alimentés par un seul onduleur ne sont pas quatre sources harmoniques. Ce sont une source avec quatre charges, ce qui explique pourquoi la direction est généralement le moindre des problèmes et les deux palans généralement le plus gros.
Non, et c'est ici que la plupart des acheteurs inversent le diagnostic. La machine de 50 tonnes décrite plus haut a 44,4 kW d'équipement électrique et aucun onduleur. Le levage se fait à deux vitesses par changement de pôles à 4 et 0,67 m/min. La direction à deux vitesses par changement de pôles à 40 et 10 m/min. Le chariot à 20 et 5 m/min. Chaque mouvement est commuté par contacteur.
Cette machine ne produit pas de courant harmonique significatif, parce qu'un moteur asynchrone à changement de pôles est une charge linéaire. Elle produit autre chose : un courant de démarrage de six à huit fois le courant nominal maintenu jusqu'à ce que le moteur atteigne sa vitesse de décollage, avec une pointe au premier cycle pouvant atteindre dix à douze fois selon la documentation d'ABB sur les variateurs. Sur une machine de 44 kW, c'est un événement de 500 à 800 A à chaque démarrage, et cela se produit quelques centaines de fois par heure en service M6.
Les deux conceptions exigent donc des mitigations opposées.
| Symptôme | Pont à changement de pôles | Pont à variateurs | La mauvaise réponse |
|---|---|---|---|
| Les éclairages scintillent à chaque levage | oui, courant de démarrage | moins, sauf si le bus continu est à la limite | acheter un transformateur plus gros |
| Le groupe électrogène déclenche au démarrage | très probable | possible s'il est sous-dimensionné | ajouter un filtre d'harmoniques |
| Courant de neutre ou de terre chaud | non | oui, harmoniques de rang multiple de 3 | remplacer le câble |
| La batterie de condensateurs fait sauter les fusibles | peu probable | résonance harmonique classique | installer un condensateur plus gros |
| Piqûres sur les contacts de contacteur | élevées, dues au courant de démarrage | plus faibles | changer de marque de contacteur |
| Mitigation correcte | démarreur progressif ou adaptation en variateur | réactance, puis AFE ou 12 impulsions | les deux existent, ils ne sont pas interchangeables |
Nos valeurs de dimensionnement, fondées sur les rapports de courant de démarrage publiés par ABB et les vitesses de mouvement de la fiche technique publiée de la machine de 50 tonnes. À retenir : la première question sur tout problème d'alimentation d'un bipoutre n'est pas de savoir quelle est la distorsion. C'est de savoir s'il y a un onduleur du tout. J'ai vu un filtre d'harmoniques chiffré pour un pont roulant à contacteurs, ce qui est une façon polie de vendre à quelqu'un un transformateur dont il n'a pas besoin.
Parce que le jeu de barres est une résistance avec une inductance, et que le pont roulant capte le courant au point où le pont se trouve. Un pont roulant stationné côté alimentation ne voit presque aucune chute. Le même pont à l'extrémité éloignée voit toute la longueur du conducteur, et sur une longue travée les chiffres cessent d'être théoriques.
Valeurs d'impédance publiées pour les systèmes de conducteurs sous gaine utilisés sur les chemins de roulement de ponts roulants, à 35 °C, par mètre.
| Conducteur | Calibre | Impédance, ohm par mètre | Résistance continue, ohm par mètre |
|---|---|---|---|
| Aluminium, face de contact inox | 500 A | 0,000158 | 0,000098 |
| Aluminium | 800 A | 0,000145 | 0,000075 |
| Aluminium | 1000 A | 0,000138 | 0,000052 |
| Cuivre | 500 A | 0,000162 | 0,000105 |
| Cuivre | 800 A | 0,000138 | 0,000058 |
| Cuivre | 1000 A | 0,000128 | 0,000035 |
Ce sont les exemples de calcul du fabricant sur la même fiche qui sont utiles, parce qu'ils montrent ce qui se passe quand une travée est partagée. Deux ponts roulants tirant 900 A au total sur un jeu de barres aluminium de 1000 A, travée de 245 m, alimentée à une extrémité : 52,6 V de chute. La même travée en cuivre : 48,8 V. Un pont roulant tirant 1000 A sur une barre aluminium de 1000 A et 250 m : 59,7 V. Sur un réseau à 400 V, cela fait 13,2 pour cent et 14,9 pour cent.
C'est très au-delà de toute limite raisonnable, et ce n'est pas causé par le pont roulant. C'est causé par l'alimentation d'une longue travée depuis une seule extrémité, à un courant proche du calibre de la barre. Ce que l'exemple démontre vraiment, c'est qu'un chemin de roulement partagé est un problème de conception électrique avant d'être un problème de pont roulant, et que la position de l'alimentation compte plus que le matériau du conducteur.
L'annexe G de l'IEC 60364-5-52 est informative et non obligatoire, mais c'est le chiffre contre lequel tout le monde dimensionne : jusqu'à 3 pour cent pour les circuits d'éclairage et jusqu'à 5 pour cent pour les autres circuits terminaux, mesurés depuis le point de livraison. La même annexe précise explicitement que la chute au démarrage des moteurs doit être vérifiée séparément, parce que respecter la limite en régime permanent ne garantit pas une chute tolérable pendant un démarrage.
La question, pour un bipoutre, est donc de savoir quelle part de ces 5 pour cent le jeu de barres consomme. Notre calcul ci-dessous utilise les impédances publiées plus haut, une alimentation en extrémité, 400 V, et les courants du premier tableau.
| Pont roulant | Courant | Longueur du chemin de roulement | Jeu de barres | Chute de tension | Part de 400 V |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 t | 45,5 A | 150 m | 1000 A Al | 1,63 V | 0,41 pour cent |
| 20 t | 45,5 A | 300 m | 1000 A Al | 3,26 V | 0,82 pour cent |
| 50 t | 83,8 A | 200 m | 1000 A Al | 4,01 V | 1,00 pour cent |
| 50 t | 83,8 A | 400 m | 1000 A Al | 8,01 V | 2,00 pour cent |
| 100 t | 170 A | 300 m | 1000 A Al | 12,2 V | 3,05 pour cent |
| 100 t | 170 A | 400 m | 500 A Al | 18,6 V | 4,65 pour cent |
| 2 x 50 t ensemble | 167,6 A | 400 m | 1000 A Al | 16,0 V | 4,01 pour cent |
| Exemple publié, 2 ponts roulants | 900 A | 245 m | 1000 A Al | 52,6 V | 13,2 pour cent |
Notre calcul à partir de l'impédance publiée par mètre, en utilisant la relation triphasée classique avec une longueur de conducteur égale à la demi-travée pour une alimentation centrale et à la travée entière pour une alimentation en extrémité. Toutes les lignes sont alimentées en extrémité pour que la comparaison soit à équivalence.
Les résultats sont rassurants pour le pont roulant et inconfortables pour le chemin de roulement. Un seul bipoutre à 45–84 A consomme 0,4 à 2 pour cent du budget, ce qui va bien. Deux d'entre eux partageant une barre de 400 m consomment 4 pour cent, ce qui ne laisse presque rien pour les départs propres à l'usine. Trois ponts roulants à 900 A consomment 13,2 pour cent, ce qui est l'exemple publié et ce qui explique pourquoi une travée partagée échoue alors que chaque pont roulant pris isolément paraît correct sur le papier.
Une chose de plus que la chute fait et qu'un multimètre ne montrera pas. Elle se produit dans la connexion mobile, au niveau des frotteurs, pas dans une boîte de raccordement. Un contact de frotteur intermittent sur une longue barre est une source classique de ce que l'industrie appelle un mouvement faible à l'extrémité éloignée : le contacteur tient, le moteur tourne, et la charge ne se lève toujours pas. Si votre symptôme n'apparaît que lorsque le pont est à une extrémité de la travée, mesurez la tension au pont roulant, pas à l'armoire.
Ils la font cuire. Les pertes des variateurs sont publiées à 40 à 50 W par kVA de calibre, soit 3 à 5 pour cent de la puissance nominale. Un variateur de palan de 45 kW à facteur de puissance 0,85 correspond à environ 53 kVA, donc ses pertes à pleine charge se situent entre 2,1 et 2,7 kW de chaleur à l'intérieur d'un coffret en acier.
Un exemple de calcul publié par un concepteur d'armoires de ponts roulants rend cela concret. Une armoire de palan principal métallurgique de type QDY accumule environ 1,68 kW de pertes : 1,5 kW dans le variateur, 0,07 kW dans le jeu de barres, 0,04 kW dans les contacteurs, 0,02 kW dans l'alimentation et 0,05 kW de petits postes. L'enveloppe mesure 2 000 x 800 x 600 mm, installée en pose libre, ce qui donne une surface d'échange thermique effective de 5,712 mètres carrés selon la relation de l'IEC TR 60890. L'acier peint transfère environ 5,5 W par mètre carré et par kelvin. À 15 K d'élévation, le coffret dissipe 471 W.
Ainsi, 1,68 kW de pertes dans un coffret qui dissipe naturellement 471 W s'équilibre à une élévation de 1 680 divisé par le produit de 5,5 et 5,712, soit 53,5 K. Dans un atelier à 42 °C, l'intérieur de cette armoire tourne autour de 95 °C.
Ajoutez maintenant le second palan. Un bipoutre au-delà de 16 tonnes place deux groupes de variateurs dans la même enveloppe, et l'auxiliaire n'est pas négligeable parce que l'armoire est partagée.
| Pont roulant | Puissance de variateurs installée | Chaleur à 3,5 pour cent | Dissipation naturelle à 15 K | Élévation stabilisée, sans ventilateur | Intérieur à 40 °C ambiants |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 t monopoutre | 14,1 kW | 0,49 kW | 471 W | 16 K | 56 °C |
| 20 t bipoutre | 24,1 kW | 0,84 kW | 471 W | 27 K | 67 °C |
| 32 t bipoutre | 33,2 kW | 1,16 kW | 471 W | 37 K | 77 °C |
| 50 t bipoutre | 44,4 kW | 1,55 kW | 471 W | 49 K | 89 °C |
| 50 t avec un kit de ventilation | 44,4 kW | 1,55 kW | 1 200 W avec 250 m3/h d'air filtré | environ 15 K | environ 55 °C |
Notre calcul, à partir du taux de pertes publié, de la relation d'enveloppe publiée et de la courbe de déclassement publiée. La dernière ligne utilise un ensemble de ventilation filtrée typique de 250 mètres cubes par heure et n'est qu'indicative ; la courbe du fournisseur de ventilateur fait foi.
Pourquoi cela compte spécifiquement pour la distorsion. Le déclassement publié des variateurs est de 1,5 pour cent du courant de sortie nominal par degré au-dessus de 40 °C ambiants. À 55 °C à l'intérieur de l'enveloppe, le variateur conserve 77,5 pour cent de son calibre, donc un onduleur de 45 kW se comporte comme un onduleur de 35 kW. Un variateur fonctionnant à 78 pour cent de sa plaque signalétique sur un moteur choisi pour la pleine charge déclenche soit en surintensité, soit, pire, tourne à un point de fonctionnement distordu où la forme d'onde du courant contient plus d'harmoniques que la valeur de fiche technique contre laquelle il a été prescrit. Le refroidissement d'armoire n'est pas un poste de confort sur un bipoutre. Il fait partie de l'argument de conformité harmonique.
Deux habitudes connexes issues de la même source méritent d'être copiées. Placez la résistance de freinage à l'extérieur de l'enveloppe, parce que sa surface dépasse 300 °C pendant un cycle de récupération. Et ne montez jamais une armoire contre un mur sans refaire le calcul thermique, parce qu'une enveloppe unique montée au mur perd environ 11 pour cent de sa surface effective par rapport à une pose libre.
Parfois, et la marge est plus étroite que ne le supposent la plupart des acheteurs. La bobine d'un contacteur a une plage de collage et une plage de relâchement, et la plage de relâchement est large. Une fiche technique publiée de contacteur miniature donne le collage à 85 à 110 pour cent de la tension nominale de bobine et le relâchement entre 20 et 75 pour cent. Si votre modèle précis relâche en haut de cette plage, une chute de 25 pour cent le fait décrocher.
Sur un bipoutre, cela compte plus que sur un monopoutre parce qu'il y a plus de contacteurs et plus de mouvements à perdre. Perdre un des quatre contacteurs de direction laisse trois moteurs entraîner une extrémité et un moteur en roue libre, ce que la commande maître/esclave cherche ensuite à corriger en poussant davantage les trois autres. C'est ainsi qu'un rail grimpe.
| Source | Valeur | Ce que cela signifie sur site |
|---|---|---|
| Fiche technique de contacteur publiée | collage 85 à 110 pour cent, relâchement 20 à 75 pour cent du calibre de bobine | une chute de 25 pour cent peut relâcher une bobine en pire cas |
| IEC 60034-1, zone A | plus ou moins 5 pour cent de tension, plus ou moins 2 pour cent de fréquence | le moteur est sûr, le contacteur peut ne pas l'être |
| IEC 60034-1, zone B | plus ou moins 10 pour cent de tension, plus 3 à moins 5 pour cent de fréquence | couple nominal disponible mais plus chaud, courte durée seulement |
| NEMA MG 1 | plus ou moins 10 pour cent de tension, plus ou moins 5 pour cent de fréquence, cumul non supérieur à 10 | l'équivalent nord-américain, un peu plus permissif |
| Étude EPRI de tenue aux creux | les creux les plus courants durent 5 à 15 cycles, 83 à 250 ms | assez long pour qu'une bobine décroche et referme |
| Pratique de dimensionnement des groupes | les moteurs tolèrent 30 à 35 pour cent, les prescripteurs limitent à 20 pour cent | les 20 pour cent concernent les contacteurs, pas les moteurs |
Le remède pratique ne coûte presque rien et presque personne ne l'applique : alimenter le circuit de commande depuis un petit transformateur à tension constante ou depuis une alimentation continue avec condensateur, pour que la tension de bobine ne suive pas le jeu de barres de puissance. L'autre remède est de commander les mouvements séquentiellement plutôt que simultanément, ce que l'automate peut faire gratuitement.
Cela dépend entièrement de savoir si le pont roulant fixe votre pointe mensuelle. Là où c'est le cas, un tarif industriel publié montre les dégâts. Une feuille tarifaire de coopérative électrique rurale facture USD 11,56 par kW de puissance appelée achetée plus USD 11,81 par kW de puissance de distribution, soit environ USD 23,37 par kW et par mois. La même feuille ajuste à la hausse la puissance facturée lorsque le facteur de puissance à la puissance maximale appelée est inférieur à 97 pour cent, en multipliant la puissance enregistrée par 97 divisé par le facteur de puissance réel. Elle facture aussi USD 0,01009 par kVARh excédentaire lorsque la moyenne mensuelle descend sous 95 pour cent.
Un variateur à 6 impulsions sans réactance a un facteur de puissance réel proche de 0,69 même si son facteur de déplacement est de 0,98, parce que le terme de distorsion tire le total vers le bas. Voici ce que cela fait à un pont roulant de 24,1 kW.
| Facteur de puissance | Puissance apparente appelée | Puissance facturée | Pénalité par mois | Pénalité par an | Cause probable |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,98 | 24,6 kVA | 24,1 kW | aucune | aucune | alimentation active |
| 0,93 | 25,9 kVA | 25,1 kW | USD 23 | USD 281 | réactance 5 pour cent |
| 0,85 | 28,4 kVA | 27,5 kW | USD 79 | USD 953 | réactance 2 à 3 pour cent |
| 0,69 | 34,9 kVA | 33,9 kW | USD 229 | USD 2 748 | 6 impulsions, sans réactance |
| 0,69, deux ponts en pointe ensemble | 69,8 kVA | 67,8 kW | USD 458 | USD 5 496 | idem, doublé |
Notre calcul appliqué au tarif publié et aux 24,1 kW du pont roulant, à USD 23,37 par kW et par mois. Deux réserves honnêtes. Cela ne mord que là où le pont roulant coïncide avec la pointe facturée, ce qui est typique dans une fonderie ou un parc de préfabriqué et atypique dans un entrepôt où le pont roulant tourne occasionnellement. Et cela suppose que le distributeur applique à la lettre ce tarif particulier, ce qui varie selon les régions.
Là où cela mord, une réactance coûtant quelques centaines de dollars rapporte quatre chiffres par an. C'est tout l'argument commercial en faveur de la prescription de réactances sur un bipoutre, et cela n'a rien à voir avec le fait d'être un bon citoyen.
Les ponts roulants lourds entraînent jusqu'à quatre moteurs de direction en synchronisme, la synchronisation étant assurée par un variateur de pont en mode maître/esclave. Les données publiées de variateurs pour service de levage placent les moteurs de direction à 1,8 fois le couple nominal au démarrage, en service S4 avec un facteur de durée de cycle de 40 pour cent, jusqu'à 360 démarrages par heure, et une isolation conforme NEMA MG 1 partie 31 pour la compatibilité avec les onduleurs.
Deux modes de défaillance électrique appartiennent à cette architecture et à rien d'autre sur le pont roulant. Le premier est le déséquilibre de couple : si un esclave prend du retard, le maître augmente le couple sur les quatre, le sommier avant patine ou grimpe sur le rail, et le pont se met en biais dans le chemin de roulement. Le second est le courant de circulation entre moteurs raccordés au même bus continu lorsque leurs longueurs de câble diffèrent sensiblement, ce qui se manifeste par un échauffement inégal des moteurs qu'une caméra thermique trouve bien avant qu'un code de défaut ne le fasse.
Ni l'un ni l'autre n'est un problème harmonique, et les deux sont fréquemment imputés aux harmoniques parce que le symptôme est un déclenchement. Si vos déclenchements surviennent pendant la direction et jamais pendant le levage, vous avez affaire à un problème de coordination des variateurs, pas à un problème de qualité de l'énergie.
Presque entièrement. Les limites de conception publiées pour les palans, recoupées entre les classifications ISO, FEM, CMAA et AS, fixent un plafond strict d'heures de fonctionnement et de démarrages par heure pour chaque classe.
| Classe | ISO / AS | FEM | CMAA | Heures de fonctionnement par jour | Démarrages par heure |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 | M4 | 1Am | B | 2 | 180 |
| 5 | M5 | 2m | C | 4 | 240 |
| 6 | M6 | 3m | D | 8 | 300 |
| 7 | M7 | 4m | E | 16 | 360 |
| 8 | M8 | 5m | F | 16 et plus | 360 |
Une machine en M5 accumule environ 8 millions de démarrages sur sa vie à quatre heures par jour. Une machine en M7 en accumule environ quatre fois plus, parce que le plafond de classe est quatre fois plus élevé. Les harmoniques par démarrage ne changent pas. Le nombre de démarrages pendant lesquels harmoniques et courant de démarrage coïncident avec tout le reste de l'usine change.
C'est ici qu'une gamme de 5 à 100 tonnes se divise, et elle se divise à un endroit délicat. Les limites d'émission harmonique pour les équipements raccordés aux réseaux publics basse tension à 16–75 A par phase sont fixées par l'IEC 61000-3-12. Un bipoutre de 20 tonnes à 45,5 A se situe dans cette fenêtre. Un 50 tonnes à 83,8 A se situe en dehors, et la même famille de produits est alors jugée contre la limite de distorsion propre au distributeur plutôt que contre la norme produit.
| Document | Domaine d'application | Où se situe un bipoutre |
|---|---|---|
| IEC 61000-3-2 | courant d'entrée jusqu'à 16 A par phase | seulement les plus petites machines ; 5 t à 16,6 A est déjà dehors |
| IEC 61000-3-12 | 16 à 75 A par phase, jusqu'à 690 V, 50 ou 60 Hz, basse tension publique | 5 à 32 t sont dedans ; 40 t et 50 t sont dehors |
| IEEE 519-2022 | distorsion de courant et de tension au point de raccordement commun, limites modulées par le rapport de court-circuit | la limite applicable dans la plupart des contrats export, TDD de 5 à 20 pour cent selon le rapport |
| IEC 60204-32:2023 | équipement électrique des appareils de levage depuis l'interrupteur d'alimentation du pont, y compris les lignes de conducteurs et le feston hors machine, jusqu'à 1000 V CA | couvre l'alimentation du chemin de roulement, qui est la partie la plus souvent omise du contrat de pont roulant |
| IEC 60364-5-52 annexe G | chute de tension recommandée, 3 pour cent éclairage, 5 pour cent autres circuits terminaux, chute au démarrage vérifiée séparément | le budget dans lequel le chemin de roulement puise |
| IEC 61800-5-1 | sécurité électrique des entraînements de puissance, y compris la protection contre les courants de fuite à la terre | les variateurs peuvent produire un courant résiduel continu lissé, donc un dispositif de type B ou B+ est requis |
Le tableau des tensions de l'IEEE 519-2022 vaut la peine d'être gardé sous la main, parce que c'est celui que les acheteurs citent sans le qualificatif. Au point de raccordement commun en dessous de 1 kV, la limite est de 5,0 pour cent pour tout harmonique individuel et 8,0 pour cent au total. De 1 à 69 kV, elle se resserre à 3,0 et 5,0. Le tableau des courants que tout le monde oublie varie avec le rapport de court-circuit : 4,0 pour cent pour le rang 5 et 5,0 pour cent de TDD quand le rapport est inférieur à 20, jusqu'à 15,0 et 20,0 quand il dépasse 1 000. Un pont roulant dans une usine à réseau raide dispose de plus de marge que le même pont roulant au bout d'un long départ rural, et l'équipement est identique.
Sur les fuites à la terre, le point propre aux ponts roulants est qu'un dispositif de type AC ou de type A peut être aveuglé par la composante continue lissée qu'un variateur produit en défaut. La littérature publiée sur les dispositifs pour installations de ponts roulants recommande le type B ou B+ avec immunisation contre les déclenchements intempestifs sur longs câbles, et note qu'un filtre CEM intégré n'est déclaré efficace que sur environ 5 à 10 m de câble moteur blindé. Sur un bipoutre avec une armoire à une extrémité et un palan à l'autre, cette distance est couramment dépassée, ce qui est exactement la situation pour laquelle les dispositifs immunisés existent.
Dix lignes, toutes documentables sur une seule page par tout fournisseur compétent. Je préfère cela à un certificat de conformité sans aucun chiffre derrière.
1. Le nombre de moteurs commutés séparément et, pour chacun, si l'alimentation est à 6 impulsions, à 12 impulsions ou active. 2. La réactance ou le filtre installé, son impédance en pourcentage, côté alternatif ou bus continu. 3. Le matériau du jeu de barres, son calibre, le nombre et la position des points d'alimentation, et la chute calculée au courant du pont sur la longueur réelle de la travée. 4. Combien de ponts roulants partagent la barre et quelle simultanéité la conception suppose. 5. La charge thermique de l'armoire en kW, le mode de refroidissement, et la température ambiante à l'emplacement de l'armoire en été. 6. La tension de bobine et la tolérance de maintien, et si le circuit de commande dispose de son propre transformateur. 7. L'isolation moteur selon NEMA MG 1 partie 31 si des onduleurs sont installés. 8. Le type et le réglage du dispositif de fuite à la terre, et s'il est immunisé contre les courants résiduels multifréquences. 9. La classe de service selon ISO 4301, FEM ou CMAA, avec les démarrages par heure. 10. À quelle limite harmonique le fournisseur dimensionne, et en quel point de mesure.
Si vous recevez une offre qui dit seulement que le pont roulant est marqué CE, aucune de ces dix lignes n'a été traitée. Ce n'est pas une critique du marquage CE. C'est une observation que le marquage CE ne dit rien du dixième pont roulant de votre travée.
Pour les machines déjà en service, l'ordre de travail ci-dessous est ce que je ferais réellement, classé par rendement plutôt que par élégance.
| Action | Coût | Ce que cela corrige | Retour sur investissement |
|---|---|---|---|
| Sortir l'armoire de la zone chaude et ajouter un kit de ventilation | USD 400 à 1 500 | 20 à 25 K d'élévation interne, restaure le calibre complet du variateur | moins de 1 an là où les déclenchements sont fréquents |
| Alimenter le circuit de commande depuis une source à tension constante | USD 200 à 600 | décrochage des contacteurs sur creux de tension | immédiat |
| Réactance de 5 pour cent sur chaque variateur qui n'en a pas | USD 200 à 600 par variateur | THDi d'environ 100 à environ 40 pour cent, facteur de puissance de 0,69 à 0,93 | 6 à 18 mois sur les primes de puissance |
| Second point d'alimentation à mi-portée du chemin de roulement | USD 1 500 à 5 000 | divise par deux la chute sur une longue travée | le seul vrai remède au mouvement faible à l'extrémité éloignée |
| Alimentation déphasée pour le palan auxiliaire | USD 2 000 à 6 000 | annule les rangs 5 et 7 entre les deux plus gros variateurs | 2 à 6 ans selon la limite |
| Alimentation active sur le palan principal | supplément de USD 3 000 à 9 000 | THDi sous 5 pour cent, facteur de puissance unitaire, récupération | 3 à 8 ans, plus rapide en forte utilisation |
| Filtre d'harmoniques sur le jeu de barres de l'usine plutôt que sur le pont | USD 4 000 à 12 000 | le problème partagé, si plusieurs ponts roulants y contribuent | dépend entièrement de ce qui d'autre est sur le jeu de barres |
| Installer un filtre d'harmoniques sur un pont roulant à contacteurs | USD 3 000 à 8 000 | rien, puisqu'il n'y a aucun redresseur | jamais. Installez plutôt un démarreur progressif |
Les coûts sont nos valeurs de dimensionnement pour 2026, fourniture Europe et Moyen-Orient. La dernière ligne est dans le tableau à dessein. C'est l'erreur que je vois le plus souvent, et c'est celle qui est validée parce que le mot filtre sonne comme de l'ingénierie.
Oui, mais pas pour la raison que l'on suppose. Les deux variateurs de palan additionnent leurs courants harmoniques au jeu de barres avant que le courant n'atteigne votre transformateur, et des variateurs semblables avec des angles de phase semblables s'additionnent presque arithmétiquement. Une démonstration de laboratoire publiée a mesuré le rang 5 d'un seul variateur à 10,9 A et environ le double avec un second variateur en marche. L'auxiliaire est le plus délicat des deux parce qu'il est petit et fonctionne à un point de fonctionnement médiocre. Notre gamme de ponts roulants bipoutres liste les deux palans séparément précisément pour cette raison.
Non, et c'est la partie qui surprend les acheteurs. Une réactance fait passer un variateur seul d'environ 100 pour cent de THDi à environ 40 pour cent, ce qui est une amélioration importante et vaut l'investissement. Sur un jeu de barres à cinq variateurs, la distorsion de demande totale résultante se situe encore autour de 15 à 18 pour cent même si les angles de phase se répartissent parfaitement, face à une limite IEEE 519 de 8 pour cent. La réactance est nécessaire et non suffisante. Le déphasage ou une alimentation active comble le reste de l'écart.
Parce que le jeu de barres est le circuit, et que le pont roulant capte le courant au point où il se trouve. Une fiche technique de conducteur publiée donne 0,000138 ohm par mètre pour une barre aluminium de 1000 A, ce qui place une travée de 245 m partagée par des ponts roulants tirant 900 A à 52,6 V de chute, soit 13,2 pour cent de 400 V. Un seul bipoutre à 45 à 84 A ne consomme que 0,4 à 2 pour cent, donc le symptôme que vous constatez est presque toujours une travée partagée. Ajoutez un point d'alimentation à mi-portée avant de remplacer quoi que ce soit.
Oui, et beaucoup n'en ont pas. Un bipoutre publié de 50 tonnes et 13,5 m liste 44,4 kW d'équipement électrique avec des moteurs à deux vitesses à changement de pôles sur le palan, le chariot et la direction, et aucun variateur nulle part. Cette machine ne produit presque pas de courant harmonique, parce qu'un moteur asynchrone à changement de pôles est une charge linéaire. Elle produit en revanche un courant de démarrage de six à huit fois le courant nominal, et la mitigation correcte est un démarreur progressif, pas un filtre. Demandez quelle conception vous achetez avant d'accepter une solution harmonique.
Parce que deux groupes de variateurs partagent une seule enveloppe et que les pertes des variateurs représentent 3 à 5 pour cent de la puissance nominale. Un exemple de calcul publié place une armoire de palan de 45 kW à 1,68 kW de pertes internes dans un coffret qui dissipe 471 W naturellement à 15 K d'élévation, ce qui s'équilibre à 53,5 K d'élévation et environ 95 °C à l'intérieur pour un atelier à 42 °C. Les variateurs se déclassent de 1,5 pour cent du courant de sortie par degré au-dessus de 40 °C, donc un variateur de 45 kW se comporte comme un variateur de 35 kW. Installez le kit de ventilation et placez la résistance de freinage à l'extérieur de l'armoire.
Le refroidissement de l'armoire, puis la tension du circuit de commande, puis les réactances, dans cet ordre. Le quatrième poste rentable est un second point d'alimentation sur le chemin de roulement, mais seulement si le symptôme est un mouvement faible à l'extrémité éloignée plutôt qu'une distorsion. Si votre usine applique un ajustement du facteur de puissance, quelques centaines de dollars de réactance sur un pont roulant de 24,1 kW économisent environ USD 2 700 par an à un facteur de puissance réel de 0,69, sur la base d'un tarif publié facturant environ USD 23,37 par kW de puissance appelée.
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