Si l'alimentation électrique est sous-dimensionnée, le servomoteur déclenche une alarme de sous-tension dès qu'un axe accélère. Si l'énergie de récupération ne peut être évacuée, il déclenche une alarme de surtension dès que l'axe décélère.

Entre ces deux modes de défaillance se situe une procédure de dimensionnement reposant sur quatre valeurs : le courant continu effectivement consommé par l'application, le courant de crête qu'elle consomme lors de brèves pointes, la tension de sortie dont le moteur a besoin à vitesse maximale, et l'énergie qui retourne vers le variateur lorsque la charge ralentit.

Ce guide passe en revue ces quatre points, avec un exemple complet illustré à l'aide de matériel réel.

Objectif

Déterminez l'intensité nominale continue, la capacité de gestion des pics de courant, la tension de sortie et la capacité de régénération dont une alimentation en courant continu a besoin pour faire fonctionner de manière fiable un servo-axe donné — sans payer pour une marge que l'application n'utilisera jamais.

De quelles informations avez-vous besoin avant de choisir le bloc d'alimentation adapté ?

Avant de déterminer les dimensions de quoi que ce soit, rassemblez les éléments suivants :

• Le courant nominal en continu, le courant de crête et la plage de tension d'alimentation en courant continu du servomoteur, tels qu'indiqués dans sa fiche technique.
• La constante de couple (Kt) et la constante de force contre-électromotrice (Ke) du moteur.
• Profil de mouvement de l'application : le couple et la durée de chaque phase — accélération, déplacement à vitesse constante, décélération et arrêt.
• L'inertie totale transmise à l'arbre du moteur, charge comprise, corrigée en fonction du rapport de transmission par engrenage ou par courroie.
• Que l'axe doive freiner une inertie importante ou une charge de révision. Les axes verticaux, l'indexation rapide et les masses rotatives importantes font de la régénération un facteur de conception primordial, et non plus un simple détail.

Comment le « Drive » et le « Supply » se répartissent le travail

Les servomoteurs fonctionnant avec une tension d'alimentation en courant continu — notamment les gammes AxCent™, DigiFlex® Performance™ et FlexPro® d'AMC — ne redressent pas le courant triphasé du réseau à bord. L'alimentation électrique est un composant distinct, dont les caractéristiques sont définies séparément.

La fiche technique du variateur indique une plage de tension d'alimentation en courant continu (par exemple, 10 à 80 VCC pour de nombreux servovariateurs compacts d'AMC) ainsi que les intensités nominales en courant continu et de crête ; le rôle de l'alimentation électrique est de maintenir la tension dans cette plage tout en fournissant le courant requis par l'application, y compris le courant de retour généré lors de la décélération.

Deux architectures d'approvisionnement couvrent l'essentiel de ce domaine, et le choix entre les deux constitue un véritable compromis.

Les étapes ci-dessous permettent de déterminer laquelle convient.

Étape 1 — Déterminer la demande de courant continu

Le courant nominal continu de l'alimentation électrique doit couvrir le courant efficace absorbé par l'application sur un cycle de fonctionnement complet — et non le courant nominal continu du variateur, qui ne correspond à cette valeur que si l'application fait fonctionner le variateur à sa pleine puissance nominale. 

Les recommandations d'AMC pour le dimensionnement des servomoteurs utilisent une méthode RMS pour déterminer le couple du moteur ; cette même méthode s'applique directement au courant.

IRMS = √[ (I12t1 + I22t2 + … + In2tn) / (t1 + t2 + … + tn) ]

In = intensité du courant pendant le segment de mouvement n (A) ; tn = durée du segment n (s)

Considérons un joint rotatif à un axe entraîné par un servomoteur sans balais avec Kt = Ke = 0,09 N·m/A (environ 9,4 V par kRPM), une inertie réfléchie totale de 2,0 × 10⁻⁴ kg·m² et une vitesse maximale de 5 000 tr/min (523,6 rad/s). Profil de mouvement : accélération à 1,4 N·m, fonctionnement à 0,35 N·m, décélération à 1,4 N·m, puis pause.

Avec une valeur de 1,4 N·m pour une résistance de 2,0×10⁻⁴ kg·m², l'accélération angulaire est de 7 000 rad/s² ; il faut donc 75 ms pour atteindre 523,6 rad/s à partir du repos — et le même temps pour la décélération. En ajoutant un segment de fonctionnement de 150 ms et un temps d'arrêt de 400 ms, le cycle s'élève à 700 ms, soit environ 1,4 Hz.

Conversion du couple en courant à l'aide de la formule I = T/Kt : 15,6 A pendant l'accélération et la décélération, 3,9 A pendant la phase de marche, 0 A à l'arrêt.

IRMS = √[(15,6² × 0,075 + 3,9² × 0,15 + 15,6² × 0,075) / 0,7] ≈ 7,4 A

Ce sont ces 7,4 A — et non les 10 A en fonctionnement continu du disque dur — que la puissance nominale en fonctionnement continu du bloc d'alimentation doit pouvoir couvrir.

Étape 2 — Déterminer la demande de courant de pointe

Le courant de crête correspond au courant instantané le plus élevé du profil — ici, les 15,6 A enregistrés lors de l’accélération et de la décélération. Contrairement au courant continu, l’alimentation n’a pas à fournir ce courant de crête indéfiniment : les variateurs DigiFlex® Performance™ d’AMC limitent le courant de crête en fonction de la charge, en l’autorisant pendant un intervalle délimité avant de revenir à la valeur nominale continue (voir la note d’application AMC 003, « Récupération du courant de crête »). Ce dont l’alimentation a besoin, c’est d’une marge suffisante pour que la tension du bus ne s’effondre pas pendant cet intervalle : une impédance d’alimentation ou des longueurs de câbles sous-dimensionnées provoquent une chute de tension sur le bus en charge de crête, même lorsque le courant nominal est techniquement disponible, et le variateur interprète cette chute de tension comme une sous-tension.

Les recommandations d’AMC en matière de sélection des variateurs préconisent une capacité de courant supérieure d’au moins 25% à celle que l’application est censée consommer, tant pour le variateur que pour l’alimentation. Face à un courant continu de 7,4 A et un courant de crête de 15,6 A, un variateur de 10 A / 20 A — le DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 d’AMC — dépasse largement ces exigences avec des marges respectives de 351 TP10T et 281 TP10T.

Étape 3 — Sélectionnez la tension de sortie

La tension de sortie est déterminée par la force contre-électromotrice du moteur à vitesse maximale, et non par la tension nominale maximale du variateur. À mesure que le moteur tourne plus vite, la tension qu’il génère augmente linéairement avec la vitesse ; la tension d’alimentation doit rester suffisamment au-dessus de cette valeur pour que la boucle de courant du variateur puisse continuer à réguler le courant, sans quoi l’axe perd son couple et sa capacité de contrôle de la vitesse précisément là où l’application en a généralement le plus besoin.

Vbemf,max = Ke × ωmax

Ke = constante de force contre-électromotrice, V/(rad/s) ; ωmax = vitesse maximale du moteur, rad/s

Pour le moteur de l'exemple : Vbemf,max = 0,09 × 523,6 = 47,1 V.

Les recommandations d’AMC concernant le choix des variateurs prévoient également une marge de 25% entre la tension de fonctionnement prévue et les limites de sous-tension et de surtension. Appliqué au seuil minimal de la force contre-électromotrice : Vbus,min = 1,25 × 47,1 V ≈ 58,9 V. Une alimentation de 72 VCC — le modèle PS16H72 d’AMC, un modèle non régulé, isolé par transformateur, d'une intensité nominale de 11 A en continu — dépasse largement ce seuil avec une marge de 53% au-dessus de la force contre-électromotrice brute, et s'inscrit confortablement dans la plage nominale de 20 à 80 VCC du DPRALTE-020B080.

Il ne reste donc qu'une marge d'environ 10% en dessous du plafond de 80 V du variateur ; or, la force contre-électromotrice n'est pas le seul facteur qui fait augmenter la tension du bus. La décélération y contribue également — ce qui constitue le prochain problème à prendre en compte lors du dimensionnement.

Étape 4 — Dimensionnement pour l'énergie renouvelable

Chaque événement de décélération renvoie l'énergie cinétique de la charge vers le variateur, puis vers le bus CC. Une alimentation non régulée ne dispose d’aucun circuit permettant de l’absorber — elle n’est pas conçue pour dissiper le courant inverse — ; ainsi, comme cette énergie n’a nulle part où aller, la tension du bus augmente jusqu’à ce que le variateur se mette en défaut pour surtension ou, dans le pire des cas, que les condensateurs du bus soient soumis à une contrainte excessive.

Eregen = 0,5 × Jtotal × (ωi2 − ωf2)

Jtotal = moment d'inertie reporté sur l'arbre du moteur, kg·m² ; ωi, ωf = vitesses angulaires avant et après la décélération, rad/s

Pour l'axe de l'exemple, lors d'une décélération de 523,6 rad/s jusqu'au repos : Eregen = 0,5 × 2,0 × 10⁻⁴ × 523,6² ≈ 27,4 J par événement.

Avec une fréquence de cycle de 1,4 Hz pour ce profil, cela correspond à une puissance de récupération moyenne d’environ 39 W (27,4 J × 1,4 événements/s). Un régulateur shunt dimensionné pour cette valeur moyenne — et non pas uniquement pour le pic instantané — est ce dont une solution à base de résistances a réellement besoin pour fonctionner en continu.

Le régulateur shunt SRST80 d'AMC se verrouille à 80 VCC — valeur correspondant à la tension nominale maximale du DPRALTE-020B080 — et est conçu pour une dissipation continue de 95 W. La charge moyenne de 39 W de l'exemple utilise bien moins de la moitié de cette capacité, ce qui laisse une marge pour des cycles plus rapides ou une inertie plus élevée que dans le cas de conception nominal.

C'est également la véritable solution pour pallier le manque de marge de tension de l'étape 3 : le régulateur shunt maintient le bus à une tension connue avant qu'il n'atteigne la limite de surtension du variateur, au lieu de se fier uniquement à la marge de tension.

Étape 5 — Adapter la régulation de l'alimentation à l'application

Une alimentation non régulée associée à un régulateur de dérivation externe — comme la combinaison PS16H72/SRST80 ci-dessus — constitue une solution courante et économique pour les machines à un ou plusieurs axes présentant un profil de régénération limité et prévisible. Sa tension de sortie varie toutefois en fonction de la charge et de la tension d'alimentation : une tension d'alimentation élevée (10%) fait grimper la tension du bus 10% avant même qu'une régénération ne soit envisagée, et cela doit être pris en compte dans la vérification de la marge de tension à l'étape 3, et non traité comme une marge distincte.

Une alimentation régulée, telle que le modèle PFC2400W375 d’AMC, maintient la tension de sortie pratiquement constante malgré les variations de charge et de ligne. De plus, son régulateur shunt intégré et son système de correction du facteur de puissance absorbent l’énergie de régénération et réduisent les harmoniques du courant d’entrée sans nécessiter de composant supplémentaire. Cette fonctionnalité a un coût supplémentaire et ajoute une complexité dont la plupart des applications à un seul axe n’ont pas besoin. Elle prend tout son sens lorsque les variations de tension du réseau sont importantes, lorsque plusieurs axes partagent un même bus et que leurs événements de régénération peuvent se chevaucher, ou lorsque la teneur en harmoniques a une incidence sur la qualité de l’alimentation électrique de l’installation.

Les câbles reliant la source d'alimentation au variateur entraînent une chute de tension supplémentaire en cas de courant de crête ; des câbles trop longs ou de section insuffisante réduisent les marges calculées ci-dessus tout aussi directement qu'une source d'alimentation de section insuffisante.

Étape 6 — Vérification du courant d'appel et de la charge sur le bus partagé

La capacité du bus CC présente une charge à faible impédance lors de la mise sous tension ; vérifiez la capacité de l'alimentation à supporter le courant d'appel — ou ajoutez un circuit de précharge — avant le premier démarrage, et non après le déclenchement d'un disjoncteur dans l'atelier.

Lorsque plusieurs variateurs partagent une même alimentation, le courant continu doit être dimensionné en fonction de la somme des demandes efficaces (RMS) de chaque axe — il n’y a pas de raccourci possible à ce niveau. Le courant de crête dépend davantage de l’application : il convient de le dimensionner en fonction de la somme des crêtes, sauf si la séquence de mouvement vérifiée exclut toute accélération simultanée, auquel cas certaines conceptions appliquent un facteur de diversité — il s’agit là d’une décision discrétionnaire, et non d’une hypothèse par défaut.

Vérification

Sécurité : Les précautions standard relatives à la décharge des barres omnibus et au verrouillage/étiquetage s'appliquent lors de la prise de mesure sur une barre omnibus sous tension continue. Vérifiez que la tension de la barre omnibus se situe dans les limites de sécurité avant tout contact, conformément au manuel du matériel du variateur.

Vérifiez le dimensionnement sur banc d’essai avant le passage en production. Mesurez la tension du bus CC au niveau des bornes du variateur lors d’un pic de courant dans les pires conditions possibles — elle doit rester au-dessus de la tension nominale minimale du variateur avec une marge suffisante. Mesurez-la à nouveau à la vitesse maximale commandée en charge, afin de vérifier que la marge de la force contre-électromotrice est bien réelle, et pas seulement théorique. Si la conception prévoit un régulateur shunt, surveillez son rapport cyclique ou la température de son boîtier lors d’un fonctionnement continu représentatif ; un régulateur qui chauffe ou fonctionne de manière quasi-continue indique que le calcul de la régénération doit être revu.

Dépannage en cas de consommables sous-dimensionnés ou incompatibles

Les signatures des défauts renvoient à une étape spécifique du dimensionnement :

Adapter le matériel AMC aux chiffres

L'exemple ci-dessus utilise trois composants AMC réels et compatibles : un servomoteur DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 (10 A en continu / 20 A en crête, 20–80 VCC), une alimentation non régulée PS16H72 (72 VCC, 11 A en continu, isolation par transformateur) et un régulateur shunt SRST80 (limite de 80 VCC, dissipation continue de 95 W). Chaque valeur du calcul correspond à une spécification figurant sur une fiche technique réelle — la fiabilité de la procédure de dimensionnement dépend entièrement de cette vérification.

Pour les systèmes à forte puissance ou multi-axes où les variations de tension secteur ou les événements de régénération qui se chevauchent constituent un réel problème, le PFC2400W375 d’AMC — une alimentation régulée à correction du facteur de puissance dotée d'un régulateur shunt intégré, d'une tension nominale de 375 VCC pour une puissance continue de 2,4 kW — répond aux cas où les compromis liés à une alimentation non régulée ne sont plus acceptables. Le choix entre les deux se résume à déterminer quelle série de compromis de l'étape 5 correspond le mieux à l'application que vous avez sous les yeux.

Conclusion

Le dimensionnement de l'alimentation électrique d'un servomoteur repose sur quatre vérifications : le courant continu, le courant de crête, la marge de tension par rapport à la force contre-électromotrice et la destination de l'énergie régénérative. Ces vérifications doivent être effectuées en se basant sur les valeurs réelles indiquées dans la fiche technique plutôt que sur les valeurs nominales maximales du servomoteur. Si l'une de ces quatre vérifications est négligée, l'alimentation sera le premier élément à tomber en panne.