Les Moteurs Électriques À Haut Rendement

Le 01/01/2014 à 13:30  

L'essentiel

Améliorer le rendement des moteurs, c'est plus de matière de meilleure qualité faisant appel à une forte densité de cuivre et aux terres rares (moteurs à aimants permanents).

La classe IE1 est définitivement proscrite alors que l'IE4 entrera en vigueur en 2017. Les moteurs IE2 avec variateurs pourront toujours être vendus après 2015.

Sans pertes rotoriques, moteurs synchrones à aimants permanents et moteurs à reluctance offrent les meilleurs rendements mais exigent une électronique de puissance spécifique.

Les moteurs électriques servent à une multitude d'applications aux exigences analogues : rendement élevé, longévité, maintenance allégée et fiabilité accrue. Par ailleurs, la sauvegarde de l'environnement, défi majeur de notre siècle, passe par la maîtrise de la dépense énergétique. L'industrie est en première ligne. Sa consommation pèse lourd avec des moteurs représentant à eux seuls près de 70% du courant utilisé en Europe. A terme, ces moteurs ont l'obligation d'un « haut rendement » énergétique. L'enjeu est de taille puisque dans l'Hexagone, on recense plus de 10 millions de moteurs de puissance supérieure ou égale à 0,75 kW.

Répartis dans tous les secteurs, les moteurs doivent consommer moins durant leur cycle de vie pour générer une même puissance utile et répondre aux normes internationales et européennes. La norme internationale EN/CEI 60034-30, définissant les classes IE1, IE2, IE3, concerne les moteurs asynchrones à induction triphasés à cage (moteur seul, moto réducteur ou moteur frein) dont la tension n'excède pas 1 000 V dans une plage de puissance de 0,75kW à 375 kW (50 ou 60Hz) et comportant 2, 4 ou 6 pôles, ce type de machine constituant l'essentiel du parc européen.

L'option moteur haut rendement compense rapidement l'investissement car l'énergie représente plus de 80% du coût complet (achat plus exploitation) d'un moteur durant son activité.

Ainsi,un moteur haut rendement (IE2 ou IE3) est rentabilisé en 24 à 36 mois pour 15 années de service. Autrement dit, une machine de 15kW,fonctionnant 6000 heures/an, offre une économie de 4MWh annuellement (soit environ 200e par an, avec un kWh à 0,05e). Pour encourager cette migration vers l'efficacité énergétique, les industriels bénéficient de certificats d'économie d'énergie émis par leurs fournisseurs de courant afin de financer en partie l'acquisition d'unités à haut rendement. D'ailleurs, depuis juin 2011, la commercialisation des moteurs de classes inférieures à IE2 n'est plus autorisée et, à partir de janvier 2015, l'interdiction sera élargie aux moteurs de 7,5 à 375 kW de classe inférieure ou égale à IE2. Pour continuer à progresser en sobriété, dès janvier 2017, tous les moteurs devront afficher un rendement au moins supérieur à celui prévu par la classeIE3. A ces deux dernières échéances, les moteurs classe IE2 pourront encore être commercialisés s'ils sont associés à un variateur de vitesse.

« De manière à équiper des installations standard, nous suivons les évolutions de la réglementation. Pour des puissances inférieures à 0,75 kW, nous restons sur les classes en vigueur IE2 et IE3 et pour épuiser nos stocks, nous proposerons à partir de 2015, des moteurs de classe IE2 ou IE3 auxquels nous ajouterons un variateur », confirme François Steinmetz, responsable technique chez Sermes Motorisation.

Moteurs à aimants permanents

Alors, moteur haut rendement ou moteur plus variateur ? La mesure de rendement d'un moteur alimenté par le réseau est toujours réalisée sans variateur. Cependant, celui-ci est un auxiliaire tellement intéressant que certains constructeurs ou OEM associent moteur de classe IE2 plus variateur pour atteindre un niveau IE3 en rendement global d'installation.

Dans ces conditions, faut-il opter pour le variateur de vitesse sur un moteur IE2 ou directement investir dans un moteur IE3? « Il n'y a pas de réponse catégorique. En fait, les économies d'énergie dépendront d'autres paramètres tels que les conditions de démarrage, les applications, les caractéristiques de charge, etc. Chaque cas étant différent, il demandera une solution adaptée. Par ailleurs, une méthode de classement concernant moteurs plus variateurs ou moto variateurs intégrés verra le jour à l'horizon 20152016 », précise Jean François Soguel,responsable marketing moteurs hauts rendements chez Leroy Somer.

Investir dans un moteur à haut rendement est rentabilisé sur 24 à 36 mois pour 15 années de service .

Weg

Pour encore plus d'exigence sur le rendement énergétique, les moteurs asynchrones classe IE4 associent réduction des consommations, longévité, moindre maintenance pour des puissances élevées, le tout avec une diminution des pertes de 40% comparée à celles des générations précédentes.Silencieux, fiables,chauffant peu,ils ménagent isolations électriques et environnement.

« Pour que les clients estiment eux-mêmes le gain lors du choix d'un nouveau moteur, plusieurs logiciels ont été développés dont le programme Pay back, une application capable d'estimer le retour sur investissement lors d'achats de moteurs ou variateurs », souligneYves Jamet, responsable du service affaires et projets chezWEG France. Ce constructeur anticipe encore avec sa génération de moteurs hybrides W Quatro à aimants permanents et reluctance variable. Ces machines sont capables de démarrer sans convertisseur de fréquence et sont interchangeables avec une solution asynchrone. «Ainsi, nous atteignons la classe IE4 en moteur asynchrone pour les puissances supérieures à 7,5 kW», précise Yves Jamet.

Cependant, estime François Steinmetz, « les solutions IE4 à partir de moteurs à aimants permanents, tributaires des terres rares, sont souvent proposées à des prix prohibitifs avec retours sur investissements pénalisants. En outre, leur coût varie sur des périodes courtes (un mois) alors que les moteurs à reluctance sont complexes à fabriquer. Pour déjouer ces obstacles et atteindre l'IE4, Sermes préconise les solutions associant moteurs IE3 plus variateurs ».

La machine idéale serait, sans nul doute, un moteur synchrone capable de se passer des fameuses « terres rares». La solution est proposée par Hitachi qui développe un moteur de 11kW à aimants permanents sans utiliser de matériaux tels que le néodyme ou le dysprosium (terres rares). Les alternatives à leur utilisation font partie d'enjeux considérables notamment pour le développement des moteurs de traction des véhicules électriques.

Dès 2008, Hitachi avait annoncé un moteur de 150W utilisant des composants réalisés à partir de métal amorphe couplés avec un rotor en ferrite aimantable. Le dernier modèle conçu par le constructeur nippon affiche11kW, pour une efficacité de 93% et un indice de performance IE4, niveau de rendement le plus élevé pour l' International Efficiency Class (IEC).Alors que le moteur de 2008 atteignait 86% d'efficacité, le nouveau modèle est non seulement plus performant, mais aussi plus compact. Sa conception fait appel à un double rotor et utilise un stator en fer laminé caractérisé par de faibles pertes électriques. En effet, ce métal amorphe bénéficie d'une structure atomique désordonnée associant résistance élastique à la force pour de très faibles pertes.Afind'élabo-rer ce nouveau type de machine,Hitachi utilise des logiciels d'analyse 3D du comportement des champs magnétiques et de leurs interactions avec un stator en fer laminé.

La commande déportée d'un variateur facilite beaucoup les réglages sur site.

Danfoss

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