Les systèmes à moteur électrique représentent plus d'un tiers de la demande totale d'électricité aux États-Unis et entre 43% et 46% au niveau mondial, selon l'Agence internationale de l'énergie.

La consommation totale d'énergie des moteurs pour le secteur industriel dépasse la consommation commerciale d'environ 3:1. De l'énergie totale consommée par les moteurs à travers le monde, environ 68% sont utilisés par les moteurs de taille moyenne entre 1 et 500 HP, qui couvrent la grande majorité des moteurs utilisés dans les systèmes de construction.

Les moteurs à induction c.a. polyphasés ont traditionnellement dominé l'industrie des moteurs électriques. L'industrie a amélioré l'efficacité globale des moteurs à chaque révision ultérieure de la norme NEMA-MG 1 relative aux moteurs.

Pour comprendre l'efficacité du moteur, il faut comprendre les causes des pertes d'efficacité. Les pertes du moteur peuvent être attribuées à quatre grandes catégories :

1. Pertes électriques : Pertes de conduction I²R dans le stator et le rotor qui augmentent considérablement avec l'augmentation du courant. Elles peuvent être diminuées en réduisant la résistance des enroulements du stator et de la cage d'écureuil du rotor.
2. Pertes magnétiques : Hystérésis/courants de Foucault dans les lamelles en acier. Ils peuvent être diminués en améliorant la métallurgie de l'acier.
3. Pertes mécaniques : Friction dans le système de roulements, des charges parasites comme des ventilateurs de refroidissement dans des moteurs complètement fermés refroidis par ventilateur (TEFC), etc.
4. Pertes de charge errante : Pertes/irrégularités de flux dans l'entrefer rotor/stator. Ceci peut être amélioré par une meilleure précision dans la fabrication.

De ces pertes, les pertes I²R dépassent considérablement les autres catégories. Les pertes I²R se manifestent comme une augmentation de la chaleur, donc en s'y attaquant, d’autres pertes telles que les pertes de moteur à ventilateur de refroidissement dans les modèles TEFC peuvent être indirectement diminuées.

Dans la plupart des applications, les coûts d'exploitation dépassent considérablement le coût du moteur lui-même sur sa durée de vie utile. Malheureusement, dans les systèmes de construction typiques, nous calibrons généralement les moteurs pour accueillir les charges les plus critiques, qui représentent généralement un très faible pourcentage du nombre total d'heures de fonctionnement. Si ce moteur devait fonctionner à pleine vitesse, indépendamment de la charge, une quantité incroyable de puissance serait gaspillée. Cependant, grâce aux lois de similitude, nous savons que la puissance varie en relation avec la vitesse selon la formule suivante pour les charges centrifuges :

HP₂ = HP₁ (tr/min₂/tr/min₁)³

Selon cette formule, si une charge peut être accueillie par une vitesse plus lente, vous pouvez réduire considérablement la puissance que le moteur doit générer.

Pour illustrer cette relation, nous allons appliquer ce concept à un profil de charge simplifié en utilisant un moteur de 7,5 HP à 1800 tr/min (voir Tableau 1). Si la vitesse moyenne requise par notre charge théorique était de 75% de la vitesse à pleine charge, la puissance moyenne nécessaire serait de 3,16 HP. En utilisant les coûts d'équipement d'un distributeur d'électricité en ligne spécialisé dans les moteurs à induction et les VFD et en définissant quelques variables, dont le coût de l’électricité par kWh et les heures de fonctionnement, nous pouvons obtenir une comparaison approximative du coût de l'équipement par rapport au coût de l'énergie et le retour sur investissement.

Tous les moteurs à induction ont une vitesse de base (vitesse synchrone) qui est directement proportionnelle à la quantité des pôles magnétiques dans la conception du moteur (généralement entre 2 et 8) et la fréquence de la source d'alimentation électrique (60 Hz en Amérique du Nord) :

Vitesses des moteurs synchrones c.a. (60 Hz)

Pôles    Vitesse (tr/min)
2           3600
4           1800
6           1200
8             900

Cependant, la vitesse du rotor traîne toujours légèrement derrière la vitesse du champ magnétique rotatif du stator, essayant toujours de rattraper son retard. Cette différence entre la vitesse synchrone et la vitesse réelle du rotor est connue comme le « glissement ». Les réductions de la résistance du stator et du rotor diminuent les pertes I²R mais se traduisent en même temps par moins de glissement. Malheureusement, le glissement est directement lié au niveau de couple qu'un modèle de moteur donné peut produire. En tant que tel, les charges à haute inertie avec des exigences accrues de couple de démarrage nécessitent généralement des modèles de moteurs NEMA avec un rendement plus faible. (Voir le Tableau 2 pour les désignations des modèles NEMA.) Les modèles de stator avec de plus faibles pertes I²R ont généralement un courant plus élevé dans le rotor bloqué.

Limites de rendement du moteur

À l'heure actuelle, les améliorations globales de l'efficacité sont limitées à des optimisations et non pas des changements révolutionnaires dans la conception des moteurs à induction existants. Le plus grand saut récent dans le rendement des moteurs industriels est attribué à l’imposition par EISA-2007 de normes de rendement supérieur NEMA pour tous les moteurs triphasés d’usage général de 1 à 200 HP, avec une puissance nominale de 600 V.

Alors que même un plus grand rendement est possible, les améliorations jusqu'à ce point ont été progressives et commenceront plutôt à se stabiliser sans changements dramatiques dans la conception de base du moteur. Par exemple, la différence de rendement entre les moteurs conformes EPAct et /p>

les moteurs à rendement supérieur NEMA est généralement de seulement 1% à 3% (voir Tableau 3). Ces rendements décroissants suggèrent que si une augmentation importante du rendement du système est souhaité, d'autres technologies de moteur doivent être envisagées, ou plus important encore, d'autres éléments du système tels que le contrôle par des VFD doivent être plus fortement renforcés.

Comment augmenter le rendement des VFD?

Vous ne pouvez pas quantifier constamment le rendement s'il n'y a pas de norme en vigueur dans toute l'industrie pour le mesurer. Les pertes des VFD sont généralement attribuées aux pertes de conduction (courant électrique circulant à travers le dispositif) et de commutation (la puissance perdue lors de la mise en marche / l’arrêt des transistors pendant le fonctionnement des sections du redresseur d’entrée et de l’onduleur de sortie du VFD). Théoriquement, les fabricants de VFD peuvent aborder le rendement en optimisant ces aspects de la conception du VFD. En général, la plupart des fabricants proposeront un rendement intermédiaire de 90% pour leurs nouveaux modèles VFD.

Bien que les modèles VFD continuent à évoluer - le lancement du transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) de sixième génération, qui peut offrir une réduction relative d’environ 20% des pertes de commutation globales par rapport aux modèles IBGT précédents - il est difficile pour les ingénieurs responsables des devis de quantifier exactement comment ces conceptions affectent le rendement global de notre système. Les comparaisons directes fabricant à-fabricant sont académiques en l’absence d’une norme de test exacte.

Bien que le rendement proposé par un fabricant de VFD peut permettre une estimation du rendement approximatif du système VFD du moteur, de nombreuses variables peuvent influer sur le rendement réel du système. Les exemples incluent des variables telles que la fréquence porteuse à laquelle un moteur fonctionne ou le type de conception NEMA du moteur utilisé.

En fin de compte, jusqu'à ce que les normes appropriées soient élaborées, l’augmentation du rendement du système est mieux traitée en se concentrant sur les éléments fondamentaux :

• Comprendre les caractéristiques de vitesse et de couple de la charge
• Comprendre le profil de charge/cycle de service global
• Spécifier des équipements de calibre approprié qui peut satisfaire de manière fiable ces paramètres du projet
• Les contrôler pour qu’ils il effectuent seulement la quantité de travail nécessaire et pas plus.

Les économies d'énergie associées au traitement correct ces concepts de gestion de la charge éclipsent les quelques points de pourcentage de rendement qui peuvent exister entre les différents fabricants de VFD. Cependant, les normes VFD seront éventuellement inévitablement développées similairement à celles qui sont actuellement en place pour les moteurs asynchrones.

John Yoon est l’ingénieur électricien supérieur de McGuire Engineers. Il a 20 ans d’expérience dans la conception de systèmes de distribution électrique. 

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