vignette|Servomoteur électrique monté sur une vanne dans une station d'épuration.
Un servomoteur (souvent abrégé en « servo », provenant du latin servus qui signifie « esclave ») est un moteur capable de maintenir une opposition à un effort statique et dont la position est vérifiée en continu et corrigée en fonction de la mesure. C'est donc un système asservi en position. Le servomoteur intègre dans un même boitier la mécanique (moteur et engrenage) et l’électronique pour la commande et l'asservissement du moteur. La position est définie avec une limite de débattement d’angle de , mais également disponible en rotation continue..
Les servomoteurs sont répandus pour les vannes industrielles et le modélisme..
Le terme servomoteur désigne également de manière abusive le préactionneur, la plupart du temps pneumatique (système membrane/ressort), plus rarement hydraulique ou électrique d'une vanne de régulation. Dans ce cas l'asservissement de position est toujours effectué par un organe distinct nommé positionneur.
Définition
Un servomoteur est un système motorisé capable d'atteindre des positions prédéterminées, puis de les maintenir. La position est, dans le cas d’un moteur rotatif, une valeur d'angle et, dans le cas d’un moteur linéaire, une distance. On utilise des moteurs électriques (continu, asynchrone, brushless) aussi bien que des moteurs hydrauliques. Le démarrage et la conservation de la position prédéterminée sont commandés par un système de réglage.
Pour un ajustement précis de la position, le moteur et son réglage sont équipés d'un système de mesure qui détermine la position courante (par exemple l'angle de rotation parcouru relatif à une position de départ) du moteur. Cette mesure est effectuée sur un réglage rotatif, par exemple une roue codeuse, un résolveur, un réglage incrémental ou un réglage absolu (réalisable par exemple par un potentiomètre).
Le système de réglage souvent électronique compare le signal à une valeur prescrite de la position de consigne. S’il y a une déviation, le moteur est commandé dans la direction qui garantit le plus petit chemin à effectuer pour arriver à la valeur de consigne. Cela a pour conséquence de faire diminuer l'écart. La procédure se répète aussi longtemps que nécessaire jusqu'à ce que la valeur courante se trouve incrémentiellement ou par l'intermédiaire d’une approximation dans les seuils de tolérance de la valeur consigne. Alternativement, la position du moteur peut être saisie numériquement et comparée via un ordinateur approprié à une valeur prescrite.
Dans une certaine mesure, ces moteurs peuvent être remplacés par des moteurs pas-à-pas qui occasionnent moins de dépenses. Mais les moteurs pas-à-pas peuvent toutefois, dans certaines conditions, commettre des erreurs de mise en position (sauter des pas). De plus, les servomoteurs – généralement avec boîte de vitesses – peuvent délivrer des couples plus élevés et être actionnés avec des vitesses de rotation plus importantes, ce qui est favorable lors des applications dynamiques qui exigent particulièrement une sécurité de travail élevée ou des temps d'ajustage rapides.
Un moteur électrique à courant alternatif ou continu est jumelé à un train d'engrenages démultipliant qui entraîne un axe avec une grande force de torsion. Généralement, la rotation de cet axe est restreinte à seulement par un mécanisme interne. Des composants électroniques détectent la position réelle de l'axe et contrôlent la rotation du moteur électrique tant que la position de l'axe ne se conforme pas à celle requise par la commande externe.
Il existe une vaste gamme de servomoteurs : des gros modèles industriels de plusieurs kilogrammes à courant alternatif, avec des boîtiers et carters d'engrenages en métal, jusqu'aux minuscules servomoteurs en plastique de quelques grammes à courant continu que l'on retrouve en modélisme dans les avions, les bateaux, les voitures et les hélicoptères modèles réduits.
Dans le cadre des vannes industrielles
Selon leur alimentation en énergie, les servomoteurs se divisent par groupes : pneumatiques, hydrauliques et électriques.
La description proposée ci-dessous détaille principalement les servomoteurs électriques utilisés pour la manœuvre des vannes industrielles. La gamme d'utilisation s'étend des applications dans des stations d'épuration jusqu'aux raffineries en passant par les centrales électriques et bien d'autres domaines. Ils sont utilisés essentiellement dans les processus automatisés. Ces vannes sont de construction et de dimensions diverses. Leurs diamètres vont de quelques centimètres à plusieurs mètres.
Division des servomoteurs selon leur mouvement
La course est la distance parcourue par l'obturateur pour effectuer une pleine ouverture ou fermeture de la vanne. Des robinets papillon, des robinets à soupape et des robinets-vannes sont des obturateurs typiques. Ils requièrent des mouvements différents, ce qui conditionne le type de servomoteur. Le papillon est manœuvré avec un mouvement fraction de tour de 90°. Le cylindre des robinets à soupapes effectue un mouvement de course relativement limité, tandis que la manœuvre des tabliers parcourt le diamètre complet de la vanne.
Servomoteurs multitours
Les servomoteurs multitours servent à l'automatisation de vannes multitours. Le représentant classique est le tablier. Les exigences de base aux servomoteurs multitours sont décrits dans la norme EN ISO 5210 comme suit :
Une tige filetée est montée au tablier. À l'aide d'un écrou de tige, le servomoteur visse le tablier dans sa rainure, de la position ouvert à la position fermé et vice versa. La course complète peut être atteinte pour un nombre de tours allant de un à plusieurs centaines. Par leur conception, les servomoteurs électriques ne sont pas soumis à des restrictions de course, contrairement aux servomoteurs pneumatiques. Pour cette raison, les tabliers sont presque exclusivement automatisés à l'aide de servomoteurs électriques. Le servomoteur multitours doit pouvoir supporter le poids du papillon-vanne (deuxième phrase de la norme).
Les tabliers peuvent avoir un diamètre d'environ à plusieurs mètres. Le couple requis pour les applications en servomoteurs multitours varie entre et environ.
Servomoteurs fraction de tour
Ces servomoteurs servent à automatiser des vannes fraction de tour. Des représentants classiques de ce type de vanne sont des robinets papillon et des robinets à tournant sphérique. Les exigences de base aux servomoteurs fraction de tour sont décrits dans la norme EN ISO 5211 comme suit :
Moins d'une manœuvre complète signifie en règle générale un mouvement rotatif de 90°. Toutefois, il y a des types de vannes nécessitant des angles de rotation différents, par exemple des robinets à deux passages. Les obturateurs des vannes fraction de tour sont toujours à l'intérieur du logement de la vanne. Le poids de l'obturateur est supporté par le corps de la vanne.
Les vannes fraction de tour peuvent avoir un diamètre de quelques centimètres à plusieurs mètres. La plage du couple pour manœuvrer l'obturateur s'élève de à plusieurs . Les servomoteurs électriques sont sans concurrence pour les vannes à grands diamètres et à une demande élevée de couple.
Servomoteurs à déplacement linéaire
Actuellement, il n'y a pas de normes internationales décrivant les servomoteurs à déplacement linéaire. Typiquement, ce type de servomoteur équipe des vannes de réglage. Tout comme le bouchon d'une baignoire, un cône est pressé dans son siège par un déplacement perpendiculairement au sens de l'écoulement. Le milieu exerçant une pression contre le cône, le servomoteur à déplacement linéaire doit générer la poussée suffisante pour vaincre cette pression et le maintenir en position.
Les servomoteurs à déplacement linéaire utilisés pour cette application sont généralement des servomoteurs à membrane, utilisant de l'air comprimé. Ils sont caractérisés par leur principe de construction relativement simplifié et par conséquent peu coûteux.
Conception
Moteur (1)
Quasiment tous les types de moteurs électriques sont utilisés. Moteur à courant continu ou alternatifs, monophasés ou triphasés. La préférence va toutefois aux moteurs asynchrones à courant alternatif triphasés mais également au moteur à courant alternatif monophasé. Leur robustesse et leur fort couple au démarrage sont deux qualités appréciées dans ce domaine, notamment quand il faut sortir une vanne bloquée dans son siège.
Les servomoteurs électriques sont employés dans des conditions ambiantes extrêmes. Les moteurs à ventilateurs ne remplissent pas les exigences en type de protection et ne sont que peu utilisés. De fait, les moteurs requièrent une phase de refroidissement après service. Les servomoteurs ne sont pas conçus pour un fonctionnement en continu. Ceci correspond parfaitement à l'application car les vannes ne sont pas non plus manœuvrées en permanence.
Technologie sensorielle de course et de couple (2)
Les contacts de fin de course servent à mesurer la distance parcourue et à signaler lorsque la position finale est atteinte. Un limiteur de couple enregistre l'effort sur la vanne. Un dépassement d'une valeur de limite est également signalée. Les servomoteurs disposent fréquemment d'un codeur de position absolu (numérique ou analogique).
Réducteur (3)
Les réducteurs employés sont régulièrement des réducteurs à roue et vis sans fin. La réduction est souvent importante. Les vitesses de manœuvre des vannes sont relativement faibles. Malgré le rendement médiocre de ce type de transmission, la caractéristique d'irréversibilité la rend particulièrement bien adaptée aux servomoteurs. Ce type de réducteur permet de maintenir le couple sans alimentation du moteur, et, sur les servomoteurs multitours, à soutenir la charge due au poids du tablier.
Fixation de la vanne (4)
Le raccordement à la vanne est réalisé par deux éléments. Le premier élément appelé l'embase du servomoteur est solidement vissé à la bride de montage de la vanne. La taille de cette bride varie selon la valeur du couple à transmettre.
Le deuxième élément est l'accouplement, utilisé pour transmettre le couple ou la poussée du servomoteur à l'arbre de la vanne. Vu le grand nombre de types de construction des vannes, il y a également une multitude de types d'accouplements.
Pour les servomoteurs multitours et fraction de tour, les dimensions et la forme de la bride de fixation ainsi que les formes d'accouplements sont définies par les normes ou . En règle générale, la norme s'applique pour les servomoteurs à déplacement linéaire.
Commande manuelle (5)
La plupart des servomoteurs électriques sont équipés d'un volant permettant de le manœuvrer manuellement (lors de la mise en service ou lors d'une panne de courant par exemple). Le volant ne tourne pas pendant le fonctionnement du moteur.
Commande de servomoteur (6)
La commande de servomoteur assure d'une part le traitement des signaux du servomoteur et d'autre part le traitement des commandes de manœuvre du système de contrôle. Cette tâche peut être effectuée par une commande externe, par exemple, un API (Automate Programmable Industriel). Les servomoteurs modernes sont équipés d'une commande intégrée assurant le traitement des signaux sur place et sans délais. La commande électrique des moteurs peut être réalisée par des contacteurs ou par des composants électroniques statiques (transistor IGBT, thyristor, GTO, etc.)
Raccordement électrique (7)
Les câbles d'alimentation du moteur et les câbles de signal sont connectés au bornier électrique du servomoteur pour transmettre les ordres de commandes à celui-ci, et pour retransmettre la position du servomoteur au système de contrôle commande. Idéalement le raccordement électrique doit être réalisé par un monoconnecteur afin d'éviter tout décâblage lors de la maintenance.
Connexion bus de terrain (8)