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L'AUGMENTATION DE L'EFFICACITE DES MOTEURS ELECTRIQUES SE POURSUIT

Moteurs a induction et nouveaux types de moteur (pmsm et synrm) sous la loupe

Titillés par le Règlement Européen 640/2009 relatif à la conception écologique des électromoteurs et par la prise de conscience croissante de l'utilité d'une augmentation de l'efficacité, les fabricants de moteurs électriques misent fortement ces dernières années sur le développement de nouveaux moteurs. Puisque les limites de rendement sur les moteurs à induction archiconnus (IM) sont quasi atteintes, de 'nouveaux' types sont en développement. Songez au moteur à aimant permanent synchrone (PMSM) et au moteur à réluctance synchrone (SynRM). Nous commentons les derniers développements autour des moteurs électriques.

Steve Dereyne, Kurt Stockman en Pieter Defreyne (UGent Campus Courtrai)

AUGMENTATION DU RENDEMENT SUR LES MOTEURS A INDUCTION

Les moteurs à induction (IM) représentent quelque 50% de la consommation d'énergie électrique dans notre industrie. Après un long arrêt, le niveau de rendement des moteurs à induction classiques a fortement augmenté récemment. En juin 2011, des exigences obligatoires ont été posées pour la première fois au niveau du rendement minimal des moteurs à induction couplés au réseau au sein de l'Europe. Les nouveaux moteurs à induction devaient alors être labellisés IE2 au minimum. Le processus d'augmentation de l'efficacité des entraînements électriques se poursuit: l'étape suivante interviendra au 1er janvier 2017. A cette date, la plage de puissance de 0,75 kW à 375 kW doit au moins être IE3; ou IE2, si alimenté par un convertisseur. Actuellement, ces moteurs sont même disponibles jusqu'au niveau de rendement IE4. Ceci est réalisé par la réduction des composants de perte dans la machine. Les pertes en joules sont traitées en intégrant plus de cuivre dans la machine et en réduisant la fente d'air, les pertes en fer en améliorant le noyau, la friction en améliorant les roulements, …

Points d'attention

L'augmentation du rendement de l'IM a toutefois aussi un impact sur les autres paramètres de machine (tableau 1). La hausse du rendement est surtout obtenue par l'ajout de matériau à la machine. Pour augmenter le rendement d'un moteur à induction quadripolaire de 11 kW de 88% à 93,3%, le poids a augmenté de 30%: de 96 kg pour la version IE1 à 125 kg pour la version IE4. L'inertie du rotor a aussi augmenté, de 66% à 0,154 kgm². Ce dernier aspect peut engendrer des temps de démarrage plus élevés. Ceci est en partie contrecarré par un couple de démarrage supérieur sur les versions IE4.

Malgré la hausse du poids, la taille (160 M dans cet exemple) est conservée sur les classes IE supérieures, ce qui est certes très pratique dans les mises à niveau. Un dernier point d'attention est la vitesse nominale de la machine. La vitesse nominale augmente sur les classes de rendement plus élevées, surtout pour les plages de puissance plus basses (valeur de consigne < 30 kW), en raison de la résistance du rotor diminuée. Ceci peut avoir des conséquences désagréables avec des charges centrifuges, comme les ventilateurs et les pompes. Le couple d'une telle application évolue au carré de la vitesse et la puissance absorbée au cube. Par conséquent, le remplacement d'un ancien moteur à faible rendement par un équivalent d'une classe de rendement supérieure peut induire un facteur d'énergie plus élevée, en raison de la puissance absorbée en hausse avec le régime supérieur. Le gain d'énergie par l'engagement du moteur à haut rendement est donc annihilé par une hausse du travail presté dans l'application. La hausse peut être si grande que le nouveau moteur est surchargé en raison du régime plus élevé.

AIMANTS PERMANENTS COMME AUGMENTATION DU RENDEMENT

Le moteur à aimant permanent synchrone (PMSM) est utilisé depuis des années dans les servo-entraînements hautement dynamiques. En raison de la faible inertie du rotor et de la haute capacité (de courte durée) de surcharge. Cependant, la présence des aimants fait que la constitution du champ magnétique de la machine – et les pertes afférentes – n'est plus à charge du moteur et disparaît donc. Ceci a fait que cette machine attire aussi l'attention comme machine à haut rendement. Ce faisant, les classes de rendement IE4 et même IE5 sont actuellement réalisables.

Points d'attention

Cependant, les aimants ont des inconvénients. Telle la mauvaise réputation en termes de coût. Cet argument est toutefois dépassé et incorrect. Par l'ouverture mondiale de nouvelles mines, le coût a en effet baissé à des valeurs acceptables. Mais un entretien adéquat ou une réparation s'impose pour ne pas endommager les aimants et une surchauffe prolongée peut induire la démagnétisation de la machine. Pour terminer, l'exécution standard est uniquement disponible avec commande par convertisseur.

On travaille à ce dernier défaut – la nécessité d'un convertisseur. Des versions linestart ont été lancées sur le marché. La machine démarre directement sur le réseau (DOL – 'direct on line') comme un moteur à induction, par l'ajout d'une cage de démarrage dans le rotor. Puis, les aimants permanents se chargent du travail et le rotor tourne synchrone avec le champ tournant du stator. Remarquez que ces machines évoluent toujours à la vitesse synchrone, ce qui exige de l'attention si elles remplacent un moteur à induction classique dans une application DOL.

MOTEUR A RELUCTANCE SYNCHRONE

Un dernier nouveau venu, prometteur, sur le marché est le moteur à réluctance synchrone (SynRM). Le principe de fonctionnement n'est absolument pas neuf. Dès 1923, le brevet original pour un SynRM a été déposé par J.K. Kostko. Le principe de base est basé sur le fait qu'un objet à conduction magnétique s'orientera toujours dans un champ magnétique selon le chemin de la moindre résistance magnétique (= réluctance). Sur la base de ce principe, une nouvelle géométrie pour le rotor a été mise au point. Celle-ci est constituée d'un noyau estampé avec des barrières d'air (barrières magnétiques). La différence avec le PMSM est d'emblée évidente: le moteur n'a pas besoin d'aimants permanents. En raison de l'air dans le rotor, la machine est un peu plus difficile à magnétiser par rapport au moteur à induction classique, d'où une hausse du courant du stator. Cependant, les pertes en joules du rotor disparaissent, ce qui autorise quand même des rendements élevés avec ce principe.

Points d'attention

La version de base du SynRM nécessite un convertisseur, tout comme le PMSM, mais on travaille aussi sur ce type de moteur. Les premiers prototypes qui peuvent démarrer sur le réseau, sont déjà sur le marché, par l'ajout d'une cage court-circuit dans le rotor. Pour l'heure, le coût de la machine SynRM reste sensiblement plus élevé que celui du moteur à induction classique. La raison ne doit toutefois pas être cherchée dans le coût de matériau. Le noyau de cette machine est en effet aussi facile à fabriquer et la construction du bobinage triphasé dans le stator est identique à celle pour l'IM. La principale raison est actuellement le volume de production, qui ne peut pas encore concurrencer l'IM. A mesure que la popularité de ce type de moteur croît, le coût devrait aussi s'améliorer à l'avenir.

Manquements des classes IE
Sur le moteur à aimant permanent s'impose la question pertinente des avantages qu'offre cette machine par rapport à un moteur à induction à haut rendement, étant donné que tous deux atteignent la classe IE4. Une classe de rendement IE ne dit rien sur le comportement complet. En effet, les classes IE imposent seulement des exigences pour les limites à atteindre sur les moteurs couplés au réseau dans leur point de charge nominale.

Les classes IE actuelles ne stipulent pas comment réagit cette machine en charge partielle et à vitesses plus basses. Les avantages de la PMSM s'expriment justement pleinement en charge partielle et à vitesses plus basses. Dans toute la plage de fonctionnement, le rendement de ces machines est sensiblement plus élevé que sur les machines à induction classiques. Une large campagne de mesure sur plusieurs années dans l'UGent Campus Courtrai le montre. Sur la figure, on voit clairement qu'autour du service nominal (100% de couple, 100% de vitesse), la différence de rendement entre une IM IE4 11 kW et une PMSM IE4 11 kW PMSM est négligeable.

C'est normal, vu que la classe IE4 pose ici ses exigences. Dans les plages de vitesse et de couple inférieures, on note des différences de rendement allant jusqu'à 25%. Ce faisant, la mise en œuvre de ce type de machines pour certaines applications se justifie quand il s'agit de rendement, malgré le prix d'achat initial plus élevé. Une analyse pointue du profil de charge, projetée sur les contours de différence ci-dessus, s'impose pour pouvoir prendre la bonne décision économique lors de la comparaison entre les deux types de moteur.

CONCLUSION

Il est évident que les développements sur le plan du moteur électrique se succéderont encore très vite pour rencontrer les exigences de rendement plus élevées que posent le marché et la normalisation européenne. De nouveaux types sont appelés ici à un bel avenir, avec des rendements nettement supérieures surtout en charge partielle par rapport aux machines à induction comparables. Toutefois, on atteint dans bien des cas les limites de ce qui est encore économiquement justifié pour améliorer le rendement du moteur d'entraînement. Sur le plan européen, on regarde aussi plus loin que le moteur et on promeut un 'Total System Approach' pour améliorer le rendement total de la ligne d'entraînement complète. On étudie aussi la transmission afférente comme le réducteur, l'entraînement par courroie et la charge. De récents projets de recherche au sein de l'UGent Campus Courtrai montrent que l'analyse énergétique de toute la ligne d'entraînement permet encore souvent d'engranger un gain énergétique bien plus important, souvent pour un investissement plus faible.


Contact: Steve.Dereyne@UGent.be

 
L'évolution du rendement sur le SYNRM
Sur le SynRM, on peut se demander à juste titre ce que ce type de moteur peut offrir de plus sur le plan du rendement que les classes IE équivalentes sur les moteurs à induction. La réponse à cette question est similaire à celle pour le PMSM. En termes de rendement, tous les moteurs prestent pareil en service nominal, vu que la classe IE l'impose. La figure ci indique que le gain pour le SynRM réside à nouveau dans les plages en charge partielle où ce type de machine, tout comme le PMSM, atteint clairement des rendements supérieurs à l'IM.