méthodologie de conception des entraînements
5. Economie d’énergie dans les systèmes d’entraînement
5.3 Economie d’énergie du moteur
Dépendance des pertes
Les pertes du moteur se composent :
• des pertes par échauffement provoqué par le courant (pertes Joule) Vcu = RI2dans les enroule-ments ; elles sont proportionnelles au carré de la puissance P (Vcu proportionnel à P2) ;
• des pertes provoquées par les cycles de magné-tisation et les courants de « Foucault » ou pertes fer dans les tôles ou les aimants permanents Vfe. Ces pertes sont proportionnelles au carré de la tension U et de la fréquence f, ainsi Vfe propor-tionnel à U2· f2 ;
• des pertes par frottements et de ventilation VR
dans les paliers et le circuit de refroidissement ;
• des pertes supplémentaires qui dépendent aussi du carré de la puissance ; Vzuproportionnel à P2. Le rendement, respectivement les pertes d’un moteur, dépendent des grandeurs suivantes :
1. charge du moteur ;
2. grandeur, puissance et vitesse du moteur ; 3. type et alimentation du moteur ;
4. adaptation du moteur.
5.3.1 Charge du moteur
Les pertes totales Vtotal= Vcu+ Vfe+ VR+ V zusont dépendantes de la charge. Ainsi rapportées à la
puissance fournie P ; Vtotal/P à cause de la dépen-dance relative à la charge du courant et des autres pertes, celles-ci ont une valeur minimale pour une charge bien précise Popt. Pour ce point de fonction-nement optimal, qui n’est pas le point défini par les valeurs nominales, les pertes en charge sont Vlast= Vcu+ Vzuet les pertes à vide sont Vleer = Vfe+ VR.Ces deux valeurs sont égales (figure 35).
Figure 35 : Le rendement en fonction de la charge et des pertes relatives.
Pour cette charge, le rendement prend la valeur sui-vante :
P 1
n = ——— = —————
Vtotal 1 + Vtotal/P qui représente la valeur la plus haute !
La valeur de ce maximum dépend de la valeur de la charge et des pertes à vide et en charge nominale.
Si les pertes à vide, à la valeur nominale, sont plus faibles que celles de la charge, alors le moteur a pour une charge partielle un rendement plus grand.
Un moteur optimisé, pour la valeur nominale, a en charge partielle un rendement plus petit.
Ce raisonnement est valable pour tous les types de machines.
La comparaison les moteurs asynchrones normalisés avec les moteurs asynchrones « High-Efficiency », dont les pertes sont indiquées dans le tableau 36 démontre cette tendance, voir aussi la figure 37. Les moteurs « High-Efficiency » ont de faibles pertes à vide et effectivement un meilleur rendement en charge partielle. Ainsi leur emploi dans les entraînements, en général sous-chargés, est particulièrement efficace.
5.3.2 Grandeur, puissance et vitesse du moteur
La puissance nominale et la vitesse influencent beaucoup le rendement. Sur la base des lois de similitude, pour une augmentation linéaire des dimensions (a), les pertes augmentent avec le carré, alors que le couple respectivement la puissance pour une vitesse définie, augmente avec le cube.
Ainsi les pertes relatives diminuent avec l’augmen-tation de la puissance, (figure 38). Le rendement augmente avec l’accroissement de la puissance.
Du fait que la grandeur des machines et les pertes sont définies par le couple, les moteurs à rotation rapide ont un meilleur rendement que les moteurs plus lents.
5.3.3 Type et alimentation du moteur Le type du moteur définit très fortement la valeur du rendement. Les machines synchrones atteignent le meilleur rendement, figure 39.
Tableau 36 : Comparaison d’un moteur asynchrone de 37 kW normalisé et « High-Efficiency ».
Pertes Moteur
I2R-pertes stator Pertes fer I2R-pertes rotor Frottements etc.
Pertes totales 3,90 2,27
Rendements 0,90 0,94
Moteur à hautes performances 100
Figure 37 : Rendement en fonction de la charge pour les deux moteurs asynchrones de 37 kW.
Figure 38 : Variation du rendement en fonction de la
« grandeur », machines asynchrones.
Figure 39 : Rendement de différents types d’entraîne-ments électriques.
Les moteurs asynchrones monophasés et les moteurs monophasés à bagues de court-circuit ont des rendements très mauvais, figures 40 et 41.
L’emploi d’aimants permanents permet d’améliorer le rendement des petits moteurs. Ainsi l’excitation est simplifiée. Les machines à aimants permanents doivent être pourvues d’un enroulement à cage pour le démarrage ou bien être alimentées par des convertisseurs.
Lorsque l’alimentation du moteur asynchrone se fait de manière asymétrique ou avec une tension
non sinusoïdale (convertisseur), des pertes supplé-mentaires sont créées qui dépendent de la valeur de ces perturbations. La pratique indique que les valeurs nominales de la puissance doivent être réduites de 10 % pour des asymétries de l’alimen-tation de 3 % pour obtenir le même échauffement.
meilleur refroidissement ou une section plus grande ;
• une diminution de la charge magnétique du fer et des besoins d’excitation, par une augmenta-tion de la secaugmenta-tion de fer ;
• une diminution des pertes dans le fer, par une meilleure isolation des paquets de tôles, par des traitements complémentaires des rotors des machines asynchrones et d’autres mesures de fabrication pour diminuer la conduction élec-trique entre les tôles et entre les enroulements du rotor (cage) ;
• un changement de l’utilisation du fer et des enroulements, caractérisé par l’induction dans l’entrefer B et par le courant, respectivement la tension électrique des enroulements et de la den-sité de courant J pour une même charge ;
• une amélioration de l’utilisation des valeurs de construction de la machine, caractérisée par une augmentation de l’induction B, de la densité de courant J et / ou de la fréquence d’alimentation fs.
Alors que les mesures mentionnées sous a) ne changent aucunement les caractéristiques intrin-sèques des machines électriques, comme courant de démarrage, couple de démarrage, couple de décrochement et facteur de puissance, le change-ment de caractéristiques de conception / construc-tion, par exemple l’induction B et la densité de cou-rant J, peut modifier des caractéristiques de ces machines.
b) Une augmentation de l’induction B :
• augmente : le courant de démarrage, le couple de démarrage, le couple de décrochement et les pertes fer ;
• diminue : le facteur de puissance, les pertes des enroulements.
c) Une augmentation de la densité de courant J :
• augmente : le facteur de puissance ;
• diminue : le courant de démarrage, le couple de démarrage, le couple de décrochement et les pertes fer ;
et cela pour un même type de charge ou d’utilisa-tion.
Lorsque les pertes fer sont plus petites que les pertes dans les enroulements, le rendement augmente pour un accroissement de l’induction B, respectivement Figure 40 : Rendements de différents moteurs
monopha-sés asynchrones.
Figure 41 : Rendements de petits moteurs monophasés.
5.3.4 Définition du moteur
Les pertes des moteurs électriques peuvent être diminuées par :
a) Une réduction spécifique des pertes par :
• une diminution de la résistance électrique des enroulements, par une meilleur conductivité, un
de la tension, pour la même charge. Par contre, le fac-teur de puissance diminue et le courant de démar-rage augmente, cf. tableau 42.
1. Installation d’un moteur avec des pertes faibles Lors du choix d’un moteur, les démarrages, les conditions d’exploitation et les investissements sont à prendre en considération. Ainsi, un moteur syn-chrone ne peut remplacer un moteur asynsyn-chrone que lorsque les conditions de démarrage sont garan-ties. Le remplacement d’une machine à courant continu par une machine asynchrone ou synchrone alimentée par un convertisseur ne peut donc être recommandé que lorsqu’aucune contrainte particu-lière n’est imposée aux oscillations de couple et aux performances de réglage de vitesse.
2. Choix de la puissance du moteur
Le choix de la puissance du moteur peut être fait tel que lors de l’exploitation :
• le moteur fonctionne à puissance nominale ;
• le moteur est surchargé ;
• le moteur est sous-chargé.
Un fonctionnement en surcharge est seulement acceptable lorsque la température limite maximale n’est pas dépassée ou en accord avec la réduction de la durée de vie. Ce régime n’est cependant pas à conseiller parce que le rendement en surcharge a dépassé la valeur maximale, comme le montre la figure 35.
Lors d’un fonctionnement en sous-charge ou surdi-mensionné, la comparaison avec le régime nominal est la suivante :
• les pertes à vide sont plus grandes puisqu’il s’agit d’un plus gros moteur ;
• les pertes en charge plus petites puisqu’elles diminuent avec le carré de la puissance.
Une analyse précise de la dépendance des pertes en fonction de la grandeur du moteur montre que pour des puissances < 50 kW, un surdimensionnement à cause de la diminution forte du rendement ne dimi-nue pas les pertes aussi longtemps que la charge est plus grande que 50% (voir chapitre suivant).
3. Installation de moteurs de type «High-Efficiency»
Fondamentalement, un moteur normalisé peut tou-jours être remplacé par un moteur « High-Effi-ciency » puisque les hauteurs d’axes sont les mêmes.
Tableau 42 : Pertes en fonction de la tension du réseau pour un moteur asynchrone de 7,5 kW.
Tension d’alimentation 380 V 420 V Rendement
Si l’on maintient les caractéristiques d’une machine électrique relativement constantes, chaque diminu-tion des pertes est à associer à plus de matériel ou une amélioration du procédé de fabrication. Il est évident que cela provoque des coûts supplémen-taires. On arrive à la fin à un moteur du type « High-Efficiency » qui, comparé à un moteur normalisé de même diamètre de rotor, a un meilleur rendement, mais aussi un coût plus élevé parce que faisant intervenir plus de matériaux (voir figure 35).
Les comparaisons du tableau 36 montrent d’une manière claire que le moteur « High-Efficiency » est conçu de façon suboptimale, parce que pour une construction optimale les pertes minimales sont obtenues lorsque les pertes fer et d’enroulement sont égales. Par une augmentation de l’induction et de la fréquence, la puissance et le rendement peu-vent être améliorés pour ce type de moteurs. Mais il faut compter avec une augmentation du courant de démarrage, du couple de démarrage et du cou-ple de décrochement.
Minimiser les pertes du moteur :
Pour minimiser les pertes du moteur, on dispose des possibilités suivantes :
1. on installe un moteur de type adapté avec des pertes réduites ;
2. la grandeur du moteur est décidée après obser-vation des pertes pendant une assez longue période d’exploitation, de façon à ce que celles-ci soient aussi faibles que possible ;
3. à la place d’un moteur normalisé, on peut instal-ler un moteur de type « High-Efficiency ».
Les moteurs « High-Efficiency » ont de plus petites pertes, des températures d’enroulement et de paliers plus bas et donc une durée de vie plus longue. Ils tra-vaillent avec un plus petit glissement, c’est-à-dire avec une vitesse un peu plus élevée.
Les moteurs « High-Efficiency » ont plus de maté-riaux et sont fabriqués avec plus de soins. Le sup-plément de coût est de l’ordre de 10 à 25 %.
En fonction de l’exploitation, il est possible d’amor-tir cette différence de coût sur une période plus ou moins longue par le gain de la consommation d’énergie électrique. On peut dire en général que pour un service de 4000 h / an, le supplément de coût d’un moteur « High-Efficiency » peut être compensé par l’économie d’énergie électrique sur une période de deux à trois ans.