EVOLUTIONS TECHNOLOGIQUES ET NORMATIVES
DES ENTRAINEMENTS MOTORISES
Les enjeux de l’efficacité
énergétique
Vente annuelle estimée de moteurs électriques dans l’UE:
2150 millions d’unités
Marché européen des moteurs électriques
Source : Eurostat 2014
0,0000 0,0200 0,0400 0,0600 0,0800 0,1000 0,1200 0,1400 0,1600 0,1800
Source : Eurostat
Prix de l’électricité dans l’industrie européenne
Prix moyen du kwh dans l’Europe des 28 : 0,1140 €
Prix moyen du kwh dans l’industrie pratiqué sur le 2ème semestre 2016. Ces prix s’entendent hors TVA et taxes ou prélèvements récupérables pour une consommation annuelle comprise entre 500 et 2000 MWh.
Evolution des prix de l’électricité dans l’industrie
Evolution du coût de l’électricité : Bonne nouvelle :
La France dispose d’une électricité bon marché dont le prix moyen en 2016 était inférieur de 21,67 % au prix moyen
en Europe (28 pays).
Mauvaise nouvelle :
La hausse des prix en France entre le 2ème semestre 2012 et le 2ème semestre 2016 est supérieure à la moyenne européenne:
+12,33% contre -1,47%.
Source : Eurostat
Principe de base du moteur
synchrone, asynchrone et à rotor
hybride (LSPM)
Les lignes de flux du stator passent au travers du rotor et sont à l’origine de courants induits et donc d’un champ magnétique. Ils
créent des pertes et de la chaleur.
La vitesse du rotor est légèrement inférieure à la vitesse du champ tournant statorique.
Les aimants permanents, montés sur le rotor,
génèrent leur propre champ magnétique de manière autonome et sans avoir besoin de courant induit. Il n’y a ni perte fer ni perte par effet Joule dans le rotor.
La vitesse du rotor est identique à celle du champ tournant statorique.
Constitution différente de rotor
Moteur asynchrone W22 Classe de rendement
IE2 à IE4
Moteur synchrone W22 Magnet Classe de rendement
IE4, IE5
Moteur hybride WQuattro
Les lignes de flux du stator passent au travers du rotor et sont à l’origine de courants induits et donc d’un champ magnétique. Ils
créent des pertes et de la chaleur.
La vitesse du rotor est légèrement inférieure à la vitesse du champ tournant statorique.
Moteur asynchrone W22 Classe de rendement
IE2 à IE4
Moteur à cage hybride WQuattro Classe de rendement
IE2 à IE4
Le rotor hybride combine une cage d’écureuil avec des aimants permanents. Il n’y a ni
pertes, ni dissipation de chaleur dans le rotor.
Le moteur Wquattro démarre sur la cage d’écureuil et ensuite en régime permanent le rotor se synchronise sur la vitesse du champ tourant grâce aux aimants.
Rotor hybride
Cage
aluminium pour le démarrage en mode asynchrone Aimant
permanent pour le fonctionnement à la
vitesse synchrone
Dessin du rotor communiqué à titre indicatif
Moteur hybride WQuattro
Bilan énergétique
Pabs Pu Pertes fer stator
Pertes joules stator Pabs : Puissance
absorbée
Pertes joules rotor Pertes mécaniques
Pu : Puissance utile Pertes supplémentaires
Rendement =
Bilan des pertes d’un moteur asynchrone
Notions de rendement et de pertes
P
absorbéeP
utileDéfinition du rendement :
Il est sans unité et peut être exprimé en pourcentage.
Cette valeur relative permet de donner une indication sur la performance d’un système ou d’un produit.
Dans le cas d’un moteur la puissance absorbée
est la puissance consommée sur le réseau électrique Et la puissance utile est la puissance mécanique disponible sur le bout d’arbre.
∑
pertesDéfinition des pertes :
Elles apparaissent lors d’une conversion d’énergie.
Elles s’expriment en Joule :
∑pertes = Pabs - Putil
Psup ≈ 5,67% PJs ≈ 43,7%
Pmec ≈ 3,53%
PJr ≈ 20,4%
Pfe ≈ 26,7%
Répartition moyenne des pertes principales
d’un moteur asynchrone 30 kW 4pôles IE4
Pistes d’amélioration de l’efficacité énergétique des moteurs
Innovations technologiques :
1°) Dans le cas d’application à vitesse variable utilisation
de moteurs synchrones à aimants permanents, de moteurs EC (application en aéraulique) qui permettent d’atteindre des classes de rendement IE5.
2°) Dans le cas de moteurs à démarrage direct sur le réseau optimisation des pertes du moteur asynchrone (solution en IE3 et IE4) :
Pertes Joule au stator :
Solution mixte consistant à augmenter la section du fil des bobines statoriques tout en augmentant la longueur du stator et en
réduisant le nombre de spires.
Pertes Joule au rotor :
Choix du matériau utilisation de cuivre en lieu et place de l’alpax (solution onéreuse).
Conception des moules de manière à optimiser la section des barres et la quantité d’aluminium.
Choix de la qualité de l’aluminium et de la réduction de porosité.
Pistes d’amélioration de l’efficacité énergétique des moteurs
Pertes fer :
Pistes pour réduire ces pertes :
Utilisation de tôles magnétiques de qualité supérieure et à faibles pertes.
Réduction des densité de flux magnétique par augmentation de la matière.
Un traitement thermique adapté pour l’amélioration des propriétés magnétiques des tôles aux
abords des découpes.
Utilisation de tôles d’acier au silicium à haute perméabilité.
Différences constructives d’un moteur W22
Un ventilateur efficace réduit les
pertes dû à la ventilation
Une augmentation du flux d’air réduit
les pertes mécaniques
L’utilisation de tôles magnétiques de haute
qualité réduit les pertes fer et notamment celles dû au cycle d’hystérésis
La qualité des matériaux et les sections utilisées dans les anneaux de
court circuitage et barres permettent de
réduire les pertes rotoriques L’augmentation du cuivre et des
sections des bobines permettent la diminution des pertes statoriques par effet Joule.
Un bon dimensionnement des encoches permet de
diminuer les pertes magnétiques et l’utilisation
de spires de plus grand diamètre
Un stator de grande longueur permet de
diminuer les densités de champ
magnétique, améliorant la capacité de refroidissement du moteur. Réduction
des pertes magnétiques et en
charge L’optimisation du
design des paliers ainsi que la qualité des roulements
permettent de réduire les pertes par
frottement
Ref: Moteur 55 kW 2P
Evolution du rendement du moteur électrique
1980
Rendement: 90%
1960
Rendement: 88%
1990
Rendement: 90,2%
2000
Rendement: 93,6%
74% de réduction des pertes sur les 50 dernières
années
2012
Rendement: 95,6%
2010
Rendement: 95,1%
2014
W22 Magnet IE5
Rendement: 96,6%
Evolution des normes et règlement
relatifs à l’efficacité énergétique
Plaque, indications selon la CEI 60034-30 et le règlement CE 640/2009
La norme CEI 60034-30 : 2008 a imposé l’indication sur la plaque signalétique de la classe de rendement IE x et de la valeur du rendement à 100 % de la charge.
Depuis le 16 juin 2011, le règlement CE N°640/2009 impose, aux moteurs vendus au sein de la communauté européenne, outre la classe de rendement un marquage des valeurs de rendement à 100%, à 75% et à 50 % de la pleine charge.
Haut rendement IE2 Rendement premium IE3 Rendement Super Premium IE4
Classe de rendement IE des moteurs Selon la CEI 60034-30-1:2014-03
Rendement (%)
Puissance (kW)
La norme CEI 60034-30 : 2008 a été la première norme CEI
à définir les classes de rendement IE pour les moteurs asynchrones.
La norme CEI60034-30-1 est la révision de cette norme dédiée aux classes IE des moteurs à courant alternatif alimentés par le réseau.
Evolution de la norme CEI 60034-30
CEI 60034-30 1ère édition 2008 Moteurs
asynchrones.
Définition des classes IE1 à IE3.
CEI 60034-30 Part 1
(Mars 2014) Vitesse fixe : Moteurs alternatifs
alimentés sur réseau:
Moteurs à cage, à bagues, hybride, mono ou triphasé.
Définition des classes IE1 à IE4.
CEI 60034-30 Part 2
(Publication décembre 2016) Alimentation par
convertisseur de fréquence:
Moteurs alternatifs synchrone à aimants permanents, moteur
synchrone à rotor bobiné ...
Définition des classes IE1 à IE5
.
Classes de rendement IE (moteur alimenté en direct)
100
100
(100,100) Couple (%)
Fréquence (%)
Les classes de rendement IE pour les moteurs alimentés en direct sur le réseau sont définis par la valeur du rendement mesurée à 100% de couple et 100% de la fréquence du réseau électrique.
Norme CEI 60034-30-1:2014
Classes de rendement IE (moteur alimenté par variateur de vitesse)
Les documents de référence sont la nouvelle norme CEI 60034-30-2 de décembre 2016 et la norme CEI 60034-2-3 de novembre 2011. Le rendement est dans ce cas mesuré Selon la CEI 60034-2-3 qui concerne les méthode d’essai pour la détermination des pertes et du rendement des moteurs asynchrones alimentés par convertisseur de
fréquence. Cette méthodologie d’essai permet de déterminer les pertes supplémentaires induites par le convertisseur de fréquence. La tension harmonique d’un variateur de
vitesse augmente les pertes du moteur d’environ 15 à 25%.
Les plages en puissance, tension et nombre de pôles couvertes par la norme
CEI 60034-30-2 sont similaires à celles de la norme CEI 60034-30-1 des classes de rendement des moteur alimenté en direct sur le réseau.
Les technologies de moteurs concernées sont notamment les moteurs synchrones à aimants permanents qui ne peuvent fonctionner qu’avec un convertisseur de fréquence.
Nouvelle norme CEI 60034-2-3
Publication novembre 2013:
Cette nouvelle norme détermine des méthodes d’essai spécifiques pour la détermination des pertes et du rendement des moteurs asynchrones alimentés par convertisseur de fréquence.
Domaine d’application :
- Convertisseurs de fréquence en source de tension à 2 étages
- Fréquence fondamentale du moteur égale à la fréquence nominale du moteur égale à 50 ou 60 Hz.
-Fréquence de commutation Fc = 4 kHz jusqu’à 90 kW et Fc = 2 kHz pour les puissances supérieures à 90 kW.
- La fondamentale en tension est égale à la tension nominale du moteur.
Méthodologie :
-4 méthodes d’essais sont définis (2-3-A, 2-3-B, 2-3-C, 2-3-D), afin de déterminer les pertes supplémentaires moteur qui sont la conséquences des harmoniques du fait de l’utilisation avec convertisseur de fréquence.
CEI 60034-2-3: Prise en compte de l’influence du
variateur sur le moteur
Classes de rendement IE (module variateur)
100
100
PL RCDM(90,100) Courant (%)
Fréquence (%)
Cette norme classifie le module complet variateur y compris les dispositifs de protection,
transformateurs et auxiliaires (filtres, hacheur freinage…). Le point de référence se situe 90%
de la fréquence nominale et 100% du courant. 7 autre points de fonctionnement intermédiaires seront également définis. La classe de rendement est définie en fonction des pertes au point de fonctionnement A. Les valeurs des pertes des 7 autres points de fonctionnement doivent être communiquées.
Norme CEI 61800-9-2:2017
50 25
50 90
PL RCDM(0,100) PL RCDM(50,100)
PL RCDM(50,25) PL RCDM(0,50)
PL RCDM(0,25)
PL RCDM(50,50) PL RCDM(90,50) A
Produit étendu, système de motorisation
La nouvelle norme 61800-9-1 publié en mars 2017 définit les normes d’efficacité énergétique d’un équipement entraîné via l’approche produit étendu. Le produit étendu intègre tous les composants depuis l’alimentation jusqu’à la machine entrainée.
50 25
50 100
100
PL RPDS(100,100)
Classes de rendement IES
(système de puissance électrique)
Couple (%)
Fréquence (%)
Cette norme classifie le système de puissance électrique complet comprenant l’électronique de puissance, les dispositifs de protection et auxiliaires et le moteur.
Outre le point de référence situé à 100 % de la fréquence nominale et 100% du couple, 7 autre points de fonctionnement intermédiaires seront également définis.
La classe de rendement est définie en fonction des pertes au point de fonctionnement A. Les valeurs des pertes des 7 autres points de fonctionnement doivent être communiquées.
PL RPDS(0,100) PL RPDS(50,100)
PL RPDS(0,50) PL RPDS(50,50) PL RPDS(100,50)
PL RPDS(0,25) PL RPDS(50,25)
Norme CEI 61800-9-2:2017
A
Règlement CE 640/2009
Ce règlement impose dans l’Union Européenne des classes de rendement IE, et des exigences en matière d’information. Les moteurs ATEX, pour ambiances
dangereuses, sont pour l’instant, exclus du règlement.
Publication au journal officiel de l’UE du règlement CE 640/2009 22 juillet 2009
16 juin 2011
1ère étape:
Imposition de la classe de rendement IE2.
P comprise entre 0,75kW et 375 kW, 2,4 et 6 pôles.
1erjanvier 2015
2ème étape:
Imposition de la classe de rendement IE3, ou IE2 avec variateur de vitesse.
P comprise entre 7,5kW et 375 kW, 2,4 et 6 pôles.
1erjanvier 2017
3ème étape:
Imposition de la classe de rendement IE3, ou IE2 avec variateur de vitesse.
P comprise entre 0,75kW et 375 kW, 2,4 et 6 pôles.
26 juillet 2014
Entrée en vigueur de l’amendement exceptionnel UE4/2014:
Extension du règlement aux moteurs installés dans
des températures ambiantes comprises entre -30 et +60°C et à des altitudes jusqu’à 4000 mètres.
Evolution en 2014 du règlement CE 640/2009
Amendement UE 4/2014:
Un amendement a été voté par le parlement. Ce texte est destiné à combler une faille du règlement :
Certains constructeurs ont trouvé un stratagème pour ne pas à avoir à proposer des
moteurs IE2 et profiter d’une faille des règlements et normes entraînant une concurrence déloyale et un préjudice pour atteindre l’objectif d’économie d’énergie que c’est fixé la CE. Par exemple en plaquant de manière non justifié les moteurs pour 45°C ces derniers échappent à l’application du règlement CE et sont exemptés de plaquage IE et de valeur minimale de rendement tout en étant CE.
La nouvelle édition de la norme CEI 60034-30 - 1 qui a été publiée en mars 2014 rectifie le tir ainsi que l’amendement UE4/2014 du règlement CE 640/2009 .
Cet amendement s’applique depuis le 27 juillet 2014.
L’amendement et la nouvelle norme CEI 60034-30 part 1 modifient les conditions
d’ambiante: une augmentation de la température maximale d’ambiante qui passe de 40 à 60°C, température minimale de -15°C à -20°C (-30°C pour l’amendement), de l’altitude maxi qui passe de 1000 à 4000 mètres.
Par contre l’amendement introduit une souplesse au niveau du marquage des
rendements avec exemption des marquages des rendements à 50 et 75% lorsque la surface de la plaque signalétique ne sera pas suffisante.
La variation de vitesse électronique et son rôle dans les économies
d’énergie
Importance de l’approche « process »
L’optimisation des gains en économie d’énergie passe par une étude du process et donc du couple moteur + variateur.
Le réglage de la vitesse permet d’adapter au mieux la puissance absorbée à la puissance utile réellement demandée par l’application.
Plus la charge varie et plus l’économie d’énergie est importante. Les applications à couple quadratique ( C = K x N²) utilisant des ventilateurs, pompes et compresseurs centrifuges en sont le parfait exemple.
De plus l’étude attentive du process permet, grâce à l’utilisation de moteurs à vitesse variable, de supprimer les vannes de régulation pour les pompes, les ventelles pour la ventilation et autres dispositifs de régulation mécanique améliorant ainsi le rendement global du système.
Mesures d’économie d’énergie dans les systèmes d’entraînement
Mesures d’économie d’énergie Economies moyennes Installation ou rénovation du système
Moteurs à haut rendement : # 2 à 8 % Dimensionnement correct : # 1 à 3 %
Vitesse variable : # 10 à 50 %
Transmission à haute efficacité : # 2 à 10 % Qualité de l’alimentation : # 0,5 à 3%
Fonctionnement et maintenance du système
Graissage, calage, alignement : # 1 à 5%
Les gains de l’efficacité énergétique
1°)Système de pompage conventionnel : rendement total 31 %
2°)Système de pompage à haute efficacité énergétique : rendement total 72 %
Pompes centrifuges 20-50%
Pompes à pistons 10-30%
Ventilateurs 20-50%
Convoyeurs 10-30%
Economie d’énergie Contrôle la réduction de
puissance du moteur
Economie d’énergie moyenne réalisée grâce au variateur:
Variateur
Economie réalisée par le variateur électronique
Principaux avantages de la vitesse variable
Economie d’énergie (diminution de la puissance absorbée sur
charge variable, récupération d’énergie par réinjection sur le réseau au freinage).
Facteur de puissance supérieur à 0,96
Réduction des coûts du fait de la diminution du nombre d’organes à intégrer dans le système.
Amélioration de la fiabilité pour les mêmes raisons que celles évoquées ci-dessus.
Réduction du bruit.
Réduction des sollicitations mécaniques des transmissions.
Réduction des sollicitations du réseau électrique au démarrage.
Souplesse d’utilisation : accroissement de la plage de
fonctionnement utile.
Applications vitesse variable à couple résistant centrifuge
Puissance (%)
Vitesse 50%
12,5%
80%
51,2%
100%
100%
Coût de possession et
ROI
Coût global d’un moteur asynchrone tout au long de sa durée de vie
Coûts relatifs à l’achat du moteur
Coûts de l’énergie consommée
Coûts liés aux arrêts de
production
Maintenance preventive Maintenance corrective
97 % Du coût total
3 %
Du coût total
Simulation d’économie d’énergie
Logiciel WEG de simulation des économies d’énergie et calcul de ROI :
Cet outil, qui permet également de gérer un parc complet de moteurs, est disponible en version exécutable Windows® (langue française). A télécharger gratuitement sur :
http://www.weg.net/green/fr/economiser-de-largent.html.
Une version anglaise nommée « Payback » pour smartphones fonctionnant sous IOS ou Androïd est également disponible.
Calcul des économie d’énergie
Très souvent les moteurs ont un temps de fonctionnement annuel de plusieurs milliers d’heures, un gain de rendement entre deux versions de moteur peut se traduire par
des économies notables avec un retour sur investissement de quelques années et
parfois quelques mois.
Audit du parc moteurs
Source: Adème 2011
Audit du parc moteurs
Temps de fonctionnement > 3000 heures
Charge moteur (%) Action
≤ 60 Remplacement dès l’arrêt de
l’installation après un dimensionnement correct
> 60 et ≤ 90 Remplacement à la prochaine panne après un dimensionnement correct
> 90 Remplacement à la prochaine panne
Rendement (%)
Charge (%)
Si votre bobinier ne travaille pas dans les règles de l’art et n’applique pas les meilleures procédures qualité, il faudra tenir compte des moteurs rebobinés : dans ces conditions nous estimons que pour les petits moteurs (P < 30 kW) il faut retirer, par rebobinage, 1,5 à 2 % de rendement et 1 % pour les moteurs de puissance supérieure.
Vitesse variable :
Identifier les machines fonctionnant à charge variable afin de les équiper d’un variateur de vitesse.
Audit du parc moteurs
355 0,75
Moteurs asynchrones W22
Synchrone W22 Magnet 7,5 11
WQuattro
Moteurs asynchrones ATEX W22Xd ExdIIB/CT4 Moteurs asynchrones W22 Super Premium 3,0
315
P(kW)
L’offre moteurs WEG en Basse Tension
0,12
0,37 22
CFW500 / CFW501 (HVAC)
CFW700 / CFW701 (HVAC)
110
CFW11
400
AFW11M
2000
P(kW)
2800
AFW11W 0,18 450
CFW100 0,75
MW500 4
CFW300
