Adaptation et traduction du chapitre 4 de l’édition originale
« Elektrische Antriebe, energie-optimal auslegen und betreiben », N° 724.331 d
1. Introduction 101 2. Développement, importance générale et potentiel d’économie
d’énergie des entraînements électriques 102
3. Méthodologie pour une conception énergétiquement économique
des entraînements électriques 103
3.1 Bases de départ 103
3.2 Conséquences des améliorations de la méthodologie de conception
des entraînements 104
3.3 Procédure systématique pour la définition d’un entraînement électrique 106 3.3.1 Analyse du processus, détermination des exigences de l’entraînement 108
3.3.2 Structuration de l’entraînement 110
3.3.3 Choix des composants de l’entraînement 111
3.3.4 Définition des grandeurs nominales 114
3.4 Logiciels pour l’aide à la définition et à la simulation des entraînements 117
3.4.1 Définition des buts et des tâches 117
3.4.2 Logiciels d’aide aux choix de moteurs asynchrones correctement chargés 118 3.4.3 Logiciels d’aide au choix des moteurs asynchrones alimentés
par onduleur et choix de l’onduleur 121
3.4.4 Logiciels d’application pour la détermination et le choix des entraînements 125 4. Analyse et identification du processus et des composants des entraînements 126
4.1 Introduction 126
4.2 Identification de la machine entraînée ou de l’organe entraîné 126
4.2.1 Généralités 126
4.2.2 Grandeurs d’états et équations de base 127
4.2.3 Les paramètres de la machine et leur définition 129
4.2.4 Définition du moment d’inertie 130
4.3 Liste de contrôle pour l’analyse de processus et préparation des étapes
conduisant au choix de l’entraînement 132
4.4 Identification du procédé, techniques de mesures et valorisation 133
4.4.1 Moyen pour l’analyse de la machine ou du processus 133
4.4.2 Moyens d’analyse de l’entraînement électrique 134
5. Economie d’énergie dans les systèmes d’entraînement 136
5.1 Marche à suive générale 136
5.2 Economies d’énergie de la machine et du processus 137
5.2.1 Amélioration de la construction 137
5.2.2 Amélioration du processus 137
5.3 Economie d’énergie du moteur 138
5.3.1 Charge du moteur 138
5.3.2 Grandeur, puissance et vitesse du moteur 139
5.3.3 Type et alimentation du moteur 139
5.3.4 Définition du moteur 140
5.4 Economie d’énergie provenant de l’électronique de puissance 142
5.5 Economie pour les régimes transitoires 143
5.6 Liste de contrôle 147
6. Amélioration de l’exploitation des entraînements sur- et sous-chargés 148
6.1 Les moteurs normalisés en charge partielle 148
6.1.1 Considération économico-énergétique du comportement
des moteurs asynchrones en charge partielle 148
6.1.2 Le rendement et le facteur de puissance en fonction de la charge 148 6.1.3 Lois de similitudes et charges partielles pour les moteurs
asynchrones normalisés 149
6.1.4 La valorisation économique du rendement et du facteur de puissance 150 6.2 Mesures pour améliorer l’utilisation d’entraînements sous-chargés 151
6.2.1 Généralités 151
6.2.2 Mesures pour améliorer l’utilisation 152
6.3 Mesures pour améliorer le comportement d’entraînements surchargés 156 7. Entraînements économico-énergétiques importants et solutions 159
7.1 Ventilateurs avec réglage de vitesse 159
7.2 Pompe avec vitesse variable 162
7.3 Utilisation de l’énergie d’une pompe centrifuge en régime inverse 165
8. Références bibliographiques 169
Ce document souhaite promouvoir l’utilisation rationnelle de l’énergie électrique dans l’application et l’exploitation des entraînements électriques.
Plusieurs solutions sont à disposition :
• Augmenter les rendements de chaque compo-sant de l’entraînement et en particulier celui du moteur électrique.
• Utiliser des nouveaux moyens / principes actifs de conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique, par exemple augmenter l’utilisation des aimants permanents dans la construction des moteurs électriques.
• Etudier la meilleure solution de l’ensemble du système d’entraînement et de son adaptation adéquate aux exigences de la machine ou de l’organe à entraîner.
• Trouver la meilleure exploitation du processus par des mesures et des observations entraînant une conduite et des réglages appropriés.
Les études d’économie d’énergie dans les différen-tes applications des entraînements électriques démontrent de façon générale que ceux-ci sont mal adaptés aux charges et / ou aux variations de
char-ges. Ainsi les moteurs et leur alimentation sont sur-dimensionnés. Les possibilités d’adaptation, de l’en-traînement aux besoins réels d’exploitation, mises à disposition par les réglages et les convertisseurs sta-tiques ne sont que trop peu utilisées.
Cela conduit à des conditions d’exploitation éner-gétiquement peu favorables ainsi qu’à de faibles rendements et de petits facteurs de puissance.
N’oublions pas non plus que chaque investisse-ment de matériel correspond à une consommation d’énergie qui, pour sa part, correspond à son
« contenu d’énergie » ou « énergie grise ».
Ce document concerne aussi bien le concepteur-projeteur que l’exploitant. Tous deux doivent défi-nir les contraintes et les exigences des entraîne-ments électriques en fonction de la connaissance et de la maîtrise du procédé (ou processus) et de sa conduite dans le temps. Plus complexe est le pro-cédé (ou processus), meilleure est sa prévision, mieux seront faits les choix des composants de l’entraînement. Il en résultera alors un meilleur ren-dement global du système complet et moindre sera sa consommation d’énergie. Il est évident que les possibilités d’amélioration des rendements du con-vertisseur d’énergie lui-même et aussi du système de transformation ou procédé sont à observer en permanence afin d’en tirer profit.
Le développement des entraînements se fait en per-manence, en fonction de l’évolution des besoins et des exigences et en relation avec les innovations techniques et technologiques.
Avant l’invention de la machine à vapeur, seules la force musculaire, la force hydraulique et celle du vent étaient les moyens d’entraînements. En géné-ral, ils étaient limités en grandeur et géographique-ment.
Avec la machine à vapeur, l’industrie a pu disposer d’un moyen d’entraînement indépendant du lieu.
Ce système était centralisé et la distribution d’éner-gie vers de petites machines était réalisée mécani-quement.
L’invention de la machine électrique, il y a environ 100 ans, et les facilités de transport et de distribution de l’énergie électrique ont apporté de nouvelles impulsions à la technique des entraînements. Les possibilités d’adaptation et de réglage des machines électriques permettent un accouplement simple avec la machine et une adaptation permanente aux conditions d’exploitation du procédé ou processus.
Cette qualité d’adaptation a encore été augmentée par le développement de la technique des conver-tisseurs statiques (électronique). Cette technique a été soutenue dans son développement par la micro-électronique et par les calculateurs (ordinateurs) de procédés et processus qui permettent de prendre à leur compte des tâches d’optimalisation.
Les différentes possibilités des moteurs et des con-vertisseurs permettent de réaliser des entraîne-ments avec différentes qualités. Il est raisonnable de classer les entraînements selon les types suivants:
• Entraînements non commandés : pour des char-ges constantes et de faibles exigences de préci-sion et de réaction à la charge.
• Entraînements commandés : pour des exploita-tions variables et possibilités d’adaptation aux différents régimes.
• Entraînements réglés : pour des exploitations avec hautes exigences de précision et d’adapta-tion aux variad’adapta-tions de charge.
• Entraînements conduits : pour des exploitations avec tâches d’optimalisation et de coordination.
En plus, il y a lieu de différencier entre entraînement individuel et entraînements en groupe. Dans ces
choix, la minimalisation des pertes et les conditions de coordination d’exploitation peuvent être d’une certaine importance.
Il est en général très difficile d’avoir une bonne vision de la répartition des différents types d’entraî-nements dans le parc d’exploitation industriel glo-bal. Des évaluations montrent que la grande partie de la conversion d’énergie électrique est faite par des moteurs non commandés et que la tendance d’utiliser des entraînements réglés est en constante progression.
Une évaluation de la part « énergétique » des entraî-nements est seulement disponible dans des pays
« autarciques » comme les USA. Selon des publica-tions (Federal Energy Administration : Energy Effi-ciency and Electric Motors / May 1976) plus de 50 % de la production d’énergie électrique est convertie dans les entraînements électriques.
En Suisse, les statistiques donnent la répartition en quatre formes de la consommation d’énergie élec-trique : « chaleur », « force », « lumière » et « énergie de processus ». Le 58 % de cette dernière est à nou-veau de la « force ». (Il faut souligner que les statis-tiques énergéstatis-tiques suisses ne sont plus du tout à un niveau qui permette une exploitation cohérente et efficace des valeurs indiquées.)
Pour des informations détaillées, se référer à la par-tie « Utilisation rationnelle de l’énergie électrique finale dans les processus de production et dans l’exploitation industrielle » de ce document.
2. Développement, importance générale
et potentiel d’économie d’énergie des
entraînements électriques
Important !
●La majorité des machines électriques sont sous-chargées, respectivement surdimensionnées, c’est-à-dire pas chargées de façon optimale.
●Les entraînements qui ne sont pas dimensionnés de façon optimale conduisent à: de plus grandes pertes, un facteur de puissance plus faible, plus d’in-vestissement en matériel, de plus grands coûts et une plus grande dissipation d’énergie.
●La conception optimale de l’entraînement ne peut se faire que par une vision globale du sys-tème et par l’application d’une procédure systé-matique :
1) analyse du processus ; 2) spécifications ;
3) structuration de l’entraînement ; 4) conception ;
5) simulation et optimisation.
●Lors de la conception, on doit correctement tenir compte des surcharges thermiques de courte durée.
●Lors de l’étude d’entraînements avec moteurs normalisés, des logiciels d’aide ou d’application sont disponibles.
3.1 Bases de départ
Un entraînement dimensionné et exploité de manière optimale est caractérisé par les qualités suivantes :
• le moteur est chargé en moyenne à sa puissance nominale et son point de fonctionnement se trouve alors au point de meilleur rendement ;
• les pertes à vide et à l’arrêt sont maintenues aussi faibles que possible ;
• les pertes de transfert au travers du convertisseur électronique et du réducteur mécanique sont aussi faibles que possible et le rendement de la machine (procédé) entraînée aussi élevé que possible.
Les analyses des différentes applications démon-trent cependant que la réalité diffère souvent beau-coup de cela.
Le tableau suivant donne les rapports de charge des différents entraînements dans diverses branches de l’industrie. On se rend compte que les machines ne sont vraiment pas utilisées à 100 %. Le tableau donne le rapport de charge par rapport à la puis-sance installée P / PN, ainsi que la durée d’exploita-tion relative par année TB. Il s’agit de moteurs asyn-chrones normalisés de puissances < 100 kW.
Puissance ≤100 kW P / PN TB Tableau 1 : Rapports de charge des différents entraîne-ments dans diverses branches de l’industrie.
Remarque* : TBcertainement trop élevé ! 0,15 à 0,20.
Dans le cadre des études RAVEL « Rendement global de processus (électrique) », par exemple pour des machines à imprimer le textile, on observe la même tendance : pendant le procédé continu d’impression, les entraînements de la machine d’impression sont en moyenne peu chargés (figure 2 et tableau 3).
Figure 2 : Machine d’impression textile.
Remarque : la charge des différents entraînements en fonction du temps est très variable et peut difficilement être classée selon les cas de charges normalisées.
9:20 9:40 10:00 10:20 10.40 11:00 11:20 11:40
Dans cette application également, les durées de pro-duction d’impression sont relativement petites par rapport au temps de mise en route ou de prépara-tion. La demande de puissance varie de façon consi-dérable selon les mesures de la figure 4.
Un grand potentiel d’économie d’énergie est dis-ponible dans les pompes de circulation des chauf-fages comme l’a démontré le projet RAVEL :
« Dimensionnement et exploitation optimale des circulateurs » (N° 724.330 f). Les pompes de circula-tion des chauffages consomment environ 3,5 % de la consommation électrique globale de la Suisse.
Les résultats des analyses et les possibilités d’amé-lioration du dimensionnement et des conditions d’exploitation démontrent qu’un potentiel d’écono-mie de 40 % peut être réalisable. Le gain d’énergie provient de la meilleure adaptation de la puissance aux besoins effectifs, par exemple par réglage continu de la vitesse de la pompe de circulation et par un meilleur dimensionnement de celle-ci. Ce dernier point est le fait d’une mauvaise connais-sance des besoins réels de chauffage ou, si l’on veut, de la réelle valeur de l’énergie « utile » désirée.
Dans la production mécanique conventionnelle par enlèvement de copeaux, le temps moyen de pro-duction effectif d’une pièce rapporté au temps de passage de la pièce dans l’usine est de 5 %. Le temps d’usinage par machine rapporté au temps dispo-nible des machines-outils représente environ 15 %.
La consommation spécifique d’énergie pour des opérations de tournage, perçage et fraisage est en moyenne de l’ordre de 630 kJ / kg (pièce), alors que la limite minimale théorique est de 52,5 kJ / kg (pièce). Voir aussi les informations dans la suite de ce document.
En premier lieu, on voit que les techniques de réglage, la conduite et l’organisation / gestion vont jouer un rôle très important et cela aussi pour la minimisation des opérations annexes. Parallèle-ment, le dimensionnement et le choix de la grandeur optimale du moteur sont importants par rapport aux variations relativement grandes de la charge et aux différentes conditions/ régimes d’exploitation.