Systèmes électriques et commandes des grues à tour

Introduction aux systèmes électriques

La grue à tour est une machine essentiellement électrique. Contrairement aux grues mobiles hydrauliques, la majorité des mouvements de la grue à tour (levage, orientation, distribution, translation) sont assurés par des moteurs électriques. La maîtrise des principes électriques de base, des composants et des dispositifs de sécurité est indispensable pour l'opérateur de grue à tour, tant pour l'exploitation sécuritaire que pour l'inspection préalable.

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (norme CSA C22.1-21) s'applique à l'installation électrique des grues. Cependant, l'opérateur n'est pas responsable de l'installation électrique elle-même, mais il doit comprendre les systèmes pour détecter les anomalies et réagir correctement.

Principes fondamentaux de l'électricité

Grandeurs électriques de base

Grandeur	Symbole	Unité	Symbole de l'unité
Tension	U (ou V)	Volt	V
Courant	I	Ampère	A
Résistance	R	Ohm	Ω
Puissance active	P	Watt	W
Puissance apparente	S	Voltampère	VA
Fréquence	f	Hertz	Hz

Loi d'Ohm : U = R × I

Puissance en courant alternatif triphasé : P = √3 × U × I × cos φ

Où :

U = tension entre phases (volt)

I = courant de ligne (ampère)

cos φ = facteur de puissance (généralement entre 0,7 et 0,9 pour les moteurs)

Courant alternatif triphasé

Les grues à tour utilisent presque exclusivement le courant alternatif triphasé (400 V ou 600 V au Canada). Le triphasé permet :

Un démarrage plus puissant des moteurs

Un rendement supérieur

Une distribution plus économique

La fréquence standard au Canada est de 60 Hz.

Transformateurs

Le transformateur abaisse la tension du réseau (souvent 600 V) à la tension d'utilisation des circuits de commande (24 V, 48 V ou 120 V). Le transformateur d'isolement sépare également le circuit de commande du circuit de puissance, ce qui améliore la sécurité.

Rapport de transformation : U₁ / U₂ = N₁ / N₂

Où N₁ et N₂ sont les nombres de spires des enroulements primaire et secondaire.

Composants électriques de la grue à tour

Moteurs électriques

Les moteurs utilisés sur les grues à tour sont principalement :

27.Moteurs asynchrones triphasés à cage d'écureuil : robustes, utilisés pour l'orientation et la distribution.

28.Moteurs asynchrones à rotor bobiné : permettent un démarrage progressif et un contrôle de vitesse par résistances rotoriques, utilisés pour le levage.

29.Moteurs à courant continu (plus rares) : offrent un excellent contrôle de vitesse, mais nécessitent un entretien plus important.

Caractéristiques importantes pour l'opérateur :

Le moteur de levage est le plus puissant de la grue

Le moteur d'orientation doit résister aux charges de vent

Les moteurs sont équipés de freins électromagnétiques qui se serrent automatiquement en cas de coupure de courant (freinage de sécurité)

Freins électromagnétiques

Le frein électromagnétique est un dispositif de sécurité critique. Son principe :

Au repos : le frein est serré par des ressorts (position de sécurité)

En fonctionnement : l'électroaimant comprime les ressorts et libère le frein

Ce principe garantit que toute perte de puissance entraîne l'arrêt immédiat de la charge.

Point d'examen : Le frein de levage doit être capable de supporter 125 % de la charge nominale (exigence de la norme CSA Z248).

Contacteurs et relais

Contacteur : interrupteur commandé électriquement, utilisé pour ouvrir ou fermer les circuits de puissance

Relais : similaire au contacteur mais pour les circuits de commande (faible puissance)

Les contacteurs sont équipés de :

Contacts principaux (puissance)

Contacts auxiliaires (commande et signalisation)

Bobine de commande (24 V, 48 V, 120 V)

Disjoncteurs et fusibles

Dispositif	Fonction	Réarmement
Fusible	Protection contre les surintensités	Remplacement
Disjoncteur magnétothermique	Protection contre surcharges et courts-circuits	Réarmement manuel
Disjoncteur différentiel	Protection contre les fuites de courant	Réarmement manuel
Relais thermique	Protection des moteurs contre les surcharges	Réarmement manuel ou automatique

Règle importante : Le relais thermique protège le moteur contre les surcharges prolongées, mais pas contre les courts-circuits. Les fusibles ou disjoncteurs assurent cette dernière protection.

Circuits de commande et de puissance

Distinction entre circuit de puissance et circuit de commande

Circuit de puissance : transporte le courant qui alimente les moteurs (400 V, 600 V)

Circuit de commande : transporte les signaux de commande (24 V, 48 V, 120 V) qui pilotent les contacteurs

Cette séparation est essentielle pour la sécurité : l'opérateur manipule des circuits à basse tension, tandis que la puissance est isolée dans les armoires électriques.

Schéma de principe d'un circuit de levage

Le circuit de levage comprend typiquement :

57.Disjoncteur principal

58.Contacteur de ligne

59.Contacteurs de sens de rotation (montée/descente)

60.Contacteurs de vitesse (2 ou 3 vitesses)

61.Résistances rotoriques (pour moteurs à rotor bobiné)

62.Moteur de levage

63.Frein électromagnétique

64.Limiteur de fin de course (montée et descente)

65.Limiteur de charge

Séquence de fonctionnement du levage

67.L'opérateur actionne la manette de levage

68.Le circuit de commande (24 V) s'active

69.Le contacteur de ligne se ferme

70.Le contacteur de sens (montée) se ferme

71.Le frein se desserre (avec un léger délai)

72.Le moteur démarre à la première vitesse

73.L'opérateur passe à la vitesse supérieure si nécessaire

Trap à éviter : Le frein ne doit jamais se desserrer avant que le moteur ne soit alimenté. Un délai de 0,5 à 1 seconde est normal.

Limiteurs et dispositifs de sécurité électriques

Fin de course (limiteurs de mouvement)

Les fins de course sont des interrupteurs mécaniques ou électroniques qui coupent le circuit de commande lorsque le mouvement atteint une limite prédéterminée.

Type de fin de course	Fonction	Emplacement typique
Fin de course de levage (montée)	Arrête la montée du crochet	Treuil ou flèche
Fin de course de descente	Limite la descente du crochet	Treuil
Fin de course d'orientation	Limite la rotation (si câble d'alimentation)	Couronne d'orientation
Fin de course de distribution	Limite le chariot	Flèche
Fin de course de translation	Limite le déplacement sur rails	Chariots de translation

Exigence réglementaire : Le fin de course de levage en montée doit être vérifié quotidiennement par l'opérateur avant le début du quart de travail (norme CSA Z248-17, article 8.2).

Limiteur de charge (LDC)

Le limiteur de charge est un dispositif électronique qui mesure le moment de charge (charge × portée) et coupe les mouvements dangereux lorsque la limite est atteinte.

Fonctionnement :

Des capteurs (jauges de contrainte) mesurent la déformation de la structure

Le calculateur compare la charge réelle à la charge nominale pour la portée donnée

Si la limite est dépassée, le système coupe les mouvements de levage (montée) et de distribution (vers l'extérieur)

Les mouvements de sécurité (descente, distribution vers l'intérieur) restent disponibles

Seuils d'alarme :

90 % de la charge nominale : alarme sonore et visuelle

100 % de la charge nominale : coupure des mouvements dangereux

110 % de la charge nominale : coupure totale (selon les modèles)

Limiteur de moment (LM)

Le limiteur de moment est une fonction avancée du limiteur de charge qui tient compte du moment de renversement. Il utilise la formule :

Moment de renversement = Charge × Portée

Ce dispositif est particulièrement important pour les grues à flèche relevable où la portée varie avec l'angle de la flèche.

Anémomètre

L'anémomètre mesure la vitesse du vent. Il est relié à un système d'alarme :

Alarme préventive (généralement 30 km/h) : avertit l'opérateur

Alarme d'arrêt (généralement 45 à 50 km/h selon le fabricant) : coupe certains mouvements et impose l'arrêt du travail

Exigence : L'anémomètre doit être installé au sommet de la grue, à l'abri des turbulences créées par la structure elle-même.

Boutons d'arrêt d'urgence

Bouton d'arrêt d'urgence : situé dans la cabine, coupe immédiatement tous les mouvements

Interrupteur d'isolement : coupe toute l'alimentation électrique de la grue

Bouton d'arrêt d'urgence au pied : sur certains modèles, pour les situations où l'opérateur ne peut pas atteindre le bouton principal

Procédure : Après un arrêt d'urgence, l'opérateur doit identifier la cause, la corriger, puis réarmer le système avant de reprendre le travail.

Systèmes de commande modernes

Variateurs de fréquence

Les variateurs de fréquence (VFD) remplacent progressivement les systèmes à résistances. Ils permettent :

Un démarrage et un arrêt progressifs (réduction des chocs)

Un contrôle précis de la vitesse

Une économie d'énergie

Une réduction de l'usure mécanique

Principe : Le variateur convertit le courant alternatif en courant continu, puis le reconvertit en courant alternatif à fréquence variable. La vitesse du moteur est proportionnelle à la fréquence :

Vitesse de synchronisme : N = (120 × f) / p

Où :

N = vitesse de rotation (tr/min)

f = fréquence (Hz)

p = nombre de pôles du moteur

Automates programmables (PLC)

L'automate programmable (PLC) est le cerveau électronique des grues modernes. Il :

Reçoit les signaux des capteurs et des manettes

Exécute les séquences logiques

Commande les contacteurs et les variateurs

Affiche les informations sur l'écran de la cabine

Enregistre les données de fonctionnement (journal de bord électronique)

Avantages pour la sécurité :

Détection automatique des défauts

Diagnostics précis

Verrouillages de sécurité programmés

Systèmes de télémétrie et d'affichage

Les grues modernes sont équipées d'écrans qui affichent en temps réel :

La charge suspendue

La portée actuelle

Le moment de charge

La vitesse du vent

L'angle de la flèche (pour les grues à flèche relevable)

Les codes d'erreur et les alarmes

Exigence : L'opérateur doit comprendre toutes les informations affichées et savoir interpréter les alarmes.

Câbles et connexions électriques

Types de câbles utilisés

Type de câble	Utilisation	Caractéristiques
Câble d'alimentation principal	Alimentation de la grue	Multi-conducteurs, gaine renforcée
Câble de puissance	Circuits moteurs	Section adaptée au courant
Câble de commande	Circuits de signalisation	Petite section, multiconducteurs
Câble coaxial ou fibre optique	Transmission de données	Pour les systèmes de télémétrie

Câble d'alimentation de la grue

Le câble d'alimentation est un élément critique. Il doit :

Être protégé mécaniquement (gaine renforcée)

Être suspendu ou guidé de manière à éviter tout frottement

Avoir une longueur suffisante pour permettre tous les mouvements

Être vérifié visuellement chaque jour par l'opérateur

Points de contrôle quotidiens :

Coupures, abrasions, déformations de la gaine

Connecteurs et prises en bon état

Absence de points de pincement ou de frottement

Fixations et supports en bon état

Mise à la terre

La mise à la terre est essentielle pour la sécurité des personnes et des équipements. Elle permet :

D'évacuer les courants de défaut

De protéger contre la foudre

De stabiliser les tensions

Exigences :

La grue doit être reliée à la terre par un conducteur de mise à la terre

La résistance de la prise de terre doit être inférieure à 25 Ω (selon le Code canadien de l'électricité)

Les masses métalliques de la grue doivent être interconnectées

Règle du Code canadien de l'électricité, Chapitre V : Règle 8-200 — Les grues doivent être mises à la terre conformément aux exigences de la Section 10 du Code.

Procédures d'inspection et de vérification

Inspection préalable au quart de travail

L'opérateur doit effectuer les vérifications électriques suivantes avant chaque quart de travail :

165.Vérification visuelle du câble d'alimentation : gaine intacte, pas de coupure

166.Test des fins de course : activer chaque fin de course et vérifier l'arrêt du mouvement

167.Test du limiteur de charge : effectuer un levage d'essai avec une charge connue

168.Test du bouton d'arrêt d'urgence : vérifier la coupure immédiate

169.Vérification de l'anémomètre : comparer la lecture avec les conditions réelles

170.Vérification des voyants et alarmes : s'assurer que tous les indicateurs fonctionnent

171.Test des freins : effectuer un levage et une descente d'essai

Inspection périodique

Les inspections périodiques sont effectuées par du personnel qualifié (électricien, technicien) selon une fréquence définie par le fabricant et la réglementation :

Fréquence	Éléments à vérifier
Mensuelle	Contacteurs, relais, connexions, serrages
Trimestrielle	Résistances, moteurs, freins, capteurs
Annuelle	Isolation des câbles, mise à la terre, armoires électriques

Vérification des fins de course

Procédure de test du fin de course de levage (montée) :

177.S'assurer que la zone est dégagée

178.Lever le crochet à vitesse lente

179.Vérifier que le mouvement s'arrête automatiquement avant le contact avec la poulie

180.Vérifier que la descente reste possible

181.Si le fin de course ne fonctionne pas, arrêter immédiatement la grue et signaler le défaut

Trap à éviter : Ne jamais utiliser le fin de course comme moyen normal d'arrêt. Il s'agit d'un dispositif de sécurité, pas d'une commande de fonctionnement.

Dépannage électrique de base

Symptômes courants et causes possibles

Symptôme	Cause possible	Action de l'opérateur
Aucun mouvement	Coupure d'alimentation, disjoncteur déclenché	Vérifier l'alimentation, signaler
Un seul mouvement ne fonctionne pas	Fin de course activé, contacteur défectueux	Vérifier le fin de course, signaler
Levage lent	Surcharge, tension basse, problème moteur	Vérifier la charge, signaler
Frein ne se desserre pas	Tension de commande absente, bobine défectueuse	Signaler immédiatement
Alarmes intermittentes	Connexions desserrées, capteur défectueux	Signaler, ne pas contourner
Écran d'affichage éteint	Alimentation de l'écran coupée	Vérifier le disjoncteur, signaler

Règles d'or du dépannage

187.Ne jamais contourner un dispositif de sécurité

188.Ne jamais ouvrir une armoire électrique sans autorisation et sans formation

189.Signaler tout défaut immédiatement

190.Ne jamais réarmer un disjoncteur sans avoir identifié la cause

191.Utiliser les procédures de cadenassage (lockout/tagout) avant toute intervention

Procédure de cadenassage (LOTO)

La procédure de cadenassage est obligatoire avant toute intervention sur les circuits électriques :

194.Informer toutes les personnes concernées

195.Arrêter la grue (position arrêt)

196.Isoler l'alimentation (disjoncteur principal)

197.Cadenasser le dispositif d'isolement

198.Étiqueter avec le nom de la personne et la date

199.Vérifier l'absence de tension (par du personnel qualifié)

200.Effectuer l'intervention

201.Retirer les cadenas et étiquettes après l'intervention

202.Remettre en service et vérifier le fonctionnement

Normes et réglementations applicables

Normes principales

Norme	Titre	Application
CSA Z248-17	Code for Tower Cranes	Conception, construction, installation, inspection et utilisation des grues à tour
CSA C22.1-21	Code canadien de l'électricité, Chapitre V	Installation électrique des grues
CSA B149.1	Code canadien du gaz naturel et du propane	Non applicable directement, mais cité pour les systèmes auxiliaires
CSA S16	Règles de calcul des charpentes en acier	Structure de la grue

Exigences électriques de la norme CSA Z248-17

La norme CSA Z248-17 contient plusieurs exigences électriques importantes :

Article 6.1 : Les grues doivent être conformes au Code canadien de l'électricité

Article 6.2 : Les circuits de commande doivent être protégés par des fusibles ou disjoncteurs

Article 6.3 : Les moteurs doivent être protégés contre les surcharges

Article 6.4 : Les dispositifs de sécurité électriques doivent être testés régulièrement

Article 8.2 : L'inspection quotidienne doit inclure les dispositifs de sécurité électriques

Responsabilités de l'opérateur

L'opérateur est responsable de :

Effectuer les vérifications quotidiennes des systèmes électriques

Signaler tout défaut ou anomalie

Ne jamais contourner ou neutraliser un dispositif de sécurité

Utiliser la grue conformément aux instructions du fabricant

Comprendre les informations affichées par les systèmes électroniques

Pièges à éviter

221.Confondre le circuit de puissance et le circuit de commande : Le circuit de commande fonctionne à basse tension (24 V, 48 V, 120 V), le circuit de puissance à haute tension (400 V, 600 V). Ne jamais toucher aux composants du circuit de puissance.

222.Contourner un fin de course défectueux : C'est une infraction grave et une cause fréquente d'accidents. Un fin de course défectueux doit être signalé et réparé, jamais neutralisé.

223.Utiliser le fin de course comme commande normale : Le fin de course est un dispositif de sécurité, pas une commande de fonctionnement. Son utilisation répétée peut l'endommager.

224.Oublier de tester les dispositifs de sécurité avant le quart de travail : La vérification quotidienne est obligatoire. Un dispositif défectueux non détecté peut entraîner un accident grave.

225.Réarmer un disjoncteur sans identifier la cause : Si un disjoncteur déclenche, il y a une raison. Réarmer sans corriger la cause peut provoquer un incendie ou une panne majeure.

226.Confondre le limiteur de charge et le fin de course : Le limiteur de charge protège contre la surcharge, le fin de course protège contre les déplacements excessifs. Ce sont deux dispositifs distincts.

227.Ignorer les alarmes intermittentes : Une alarme qui se déclenche par intermittence est souvent le signe d'un problème croissant. Ne pas l'ignorer.

228.Ne pas connaître la signification des codes d'erreur : L'opérateur doit connaître les codes d'erreur courants de sa grue et savoir quoi faire en cas d'affichage.

229.Oublier le cadenassage avant une intervention : Même pour une intervention mineure, le cadenassage est obligatoire. Une négligence peut être mortelle.

230.Ne pas vérifier le câble d'alimentation : Un câble endommagé peut provoquer un choc électrique ou un incendie. La vérification visuelle quotidienne est essentielle.

Résumé

Les grues à tour utilisent le courant alternatif triphasé (400 V ou 600 V, 60 Hz au Canada)

Le circuit de puissance (haute tension) est séparé du circuit de commande (basse tension)

Les freins électromagnétiques sont des dispositifs de sécurité critiques : ils se serrent automatiquement en cas de coupure de courant

Le limiteur de charge mesure le moment de charge (charge × portée) et coupe les mouvements dangereux

Le fin de course de levage en montée doit être testé quotidiennement

L'anémomètre déclenche des alarmes à des seuils prédéterminés (environ 30 km/h et 45-50 km/h)

Les variateurs de fréquence et les automates programmables sont les technologies modernes de commande

La mise à la terre est obligatoire et sa résistance doit être inférieure à 25 Ω

L'opérateur doit effectuer des vérifications quotidiennes et signaler tout défaut

Le cadenassage (LOTO) est obligatoire avant toute intervention sur les circuits électriques

La norme CSA Z248-17 et le Code canadien de l'électricité, Chapitre V, encadrent les exigences électriques

Règle d'or : En cas de doute sur le fonctionnement d'un système électrique, arrêtez la grue, signalez le problème et ne reprenez le travail qu'après correction par du personnel qualifié. La sécurité électrique n'admet aucun compromis.

Systèmes électriques et commandes des grues à tour