Les moteurs électriques ont été un sujet prédominant des normes et réglementations écoénergétiques en raison de leur vaste usage industriel ainsi que de leurs conception, performances et spécifications de test bien documentées. La plupart des améliorations ont été obtenues au niveau du moteur mais atteignent des retours en diminution et des limites économiques. Les récents développements se concentrent sur le plus grand système entrainé, connecté au moteur pour des gains d’efficacité continus .

par Frank J.Bartos, PE

Des normes minimales de rendement énergétique (NMRE) ont été promulguées pour des moteurs à induction C.A. dans divers pays développés. Ce type de moteur a capté l’essentiel de l’attention en raison de son immense base installée dans le monde. Le moteur NMRE représente un secteur où les États-Unis ont pris le leadership mondial ; avec l’Australie, le Brésil et le Canada, parmi d’autres, prenant également de solides positions.. Plus récemment, l’Union européenne a suivi avec des NMRE obligatoires. En outre, de nombreux pays disposent de normes d’efficacité moteur volontaires, dont certaines auront bientôt force de lois.

Aux États-Unis, les normes d’efficacité pour les moteurs à induction ont été élargies par étapes. Implémenté en 1997, EPAct 1992 (Energy Policy Act - loi sur la politique de l’énergie) s’appliquait aux moteurs d’usage général dans la plage 1 à 1 200 hp (0,75 à 150 kW). EPAct 2005 rendait obligatoire que les achats gouvernementaux de moteurs dans la plage 1 à 1 200 hp se trouvent à des niveaux supérieurs d’efficacité de moteurs superéconergétiques NEMA Premium. L’Energy Independence Security Act (EISA - Loi sur l’indépendance et la sécurité énergétiques 2007) est entrée en vigueur en déc.2010, en étendant la couverture aux moteurs jusqu’à 500 hp (375 kW) nominaux ainsi qu’à des conceptions/types de moteur jusque la exemptés des NMRE. Les types de moteur ajoutes à EISA incluent les moteurs à châssis en U, le concept NEMA C, les moteurs à pompe monobloc, les moteur sans pattes, les moteurs de poussée normale à arbre plein vertical, les moteurs à huit pôles (900 tr/min) et les moteurs polyphasés, avec une tension inférieure ou égale à 600 V (autre que 230 ou 460 V).

Les valeurs de rendement énergétique à plein régime pour les moteurs à haute efficacité énergétique sont listées dans la norme de l’association nationale de fabricants de matériel électrique (NEMA - National Electrical Manufacturers Association), publication moteurs et générateurs (MG 1-2011), tableau 12-11, ainsi que pour les moteurs à rendement Premium (enroulement à fils jetés et enroulement préformé) dans les tableaux 12-12, 20-B (moteurs jusqu’à 500 hp), et 20-C (moteurs moyenne tension), respectivement.

Une autre initiative du ministère américain de l’énergie (Dept.of Energy - DOE) cherche à attirer les moteurs électriques plus petits dans le cadre de l’efficacité énergétique. Ce que l’on appelle le règlement définitif du DOE, Programme d’économie d’énergie : Les normes d’économie d’énergie pour petits moteurs électriques, publiées en mars 2010 dans le registre fédéral (10 CFR Partie 431), couvrent les moteurs électriques triphasés, étanches au ruissellement, d’usage général ; généralement en dessous de 1 hp nominal, mais s’étendant jusqu’à 3 hp pour certains types.

Spécifiquement, ce règlement DOE applique des normes d’économie d’énergie aux moteurs 14 C.A. ; jusqu’à 3 hp avec des conceptions de 2, 4 et 6 pôles et des tailles de châssis de 42 a 56. Les moteurs à départ par condensateur monophasés de la même plage de puissance et avec le même nombre de pôles ainsi que les moteurs CEI applicables ainsi que les tailles de châssis correspondantes sont également inclus. La date d’entrée en vigueur de cette décision est mars 2015.

Le règlement DOE d’économie d’énergie pour petits moteurs n’a pas été accueilli avec enthousiasme par les fabricants de moteurs. Les objections viennent de plusieurs motifs, tels que des applications plus diverses, des types/modèles différents de moteur, des moindres méthodes d’essai reconnues, etc.relatifs à l’expérience large du secteur avec de plus gros moteurs à induction (voir rèf. 1, en ligne).

L’Europe à bord

Dans le même temps, une série de normes de la Commission électronique internationale (CEI) a été développée par l’Union européenne (UE), couvrant différents secteurs de moteur à induction C.A. et d’autres types. Le tableau 1 résume les réglementations qui constituent la norme multipartie CEI 60034.

Tableau 1 : Normes CEI mondiales de rendement énergétique pour moteurs

Désignation CEI	Date de publication	Titre
CEI 60034-1	2010	Caractéristiques assignées et caractéristiques de fonctionnement
CEI 60034-2-1	2007	Méthodes d’essai spécifiques pour la détermination des pertes et du rendement (à l’exclusion des véhicules à traction)
CEI 60034-2-2	2010	Méthodes spécifiques pour déterminer les pertes séparées des machines de grande taille à partir d’essais ; Complément à la CEI 60034-2-1
CEI 60034-30	2008	Classes de rendement pour les moteurs à induction triphasés à cage, mono vitesse (Code IE)
CEI 60034-31	2010	Sélection de moteurs écoenergétiques incluant des applications à vitesse variable ; Guide d’application
CEI 60034-2-3	En cours	Méthodes spécifiques pour déterminer les pertes et l’efficacité de moteurs C.A. alimentés par convertisseur, alimentés par un entrainement à fréquence variable(VFD - variable frequency drive)

 

Source : Systèmes de moteur électrique IEA, 4EControl Engineering

La couverture de plage de taille de moteur de CEI 60034-30 a été étendue à la plage de 0,12 a 500 kW, pour les unités 50 Hz. Les puissances nominales jusqu’à 800 kW auront des limites de rendement plates. D’autres types de moteur sont à présent inclus : modèles à vitesse constante, synchrones à rotor bobiné, monophasés, et virtuellement tous les types de moteur frein ; ainsi que les moteurs synchrones à aimant permanent (PM) à vitesse variable dans une plage de régime de 1 000 à 5 000 tr/min.

La norme CEI 60034-30 etablit quatre classes de rendement international (IE - international efficiency) pour les moteurs à induction C.A. : Rendement standard (IE1), Haut rendement (IE2), Rendement Premium (IE3), et Rendement super-premium (IE4). Les classes IE correspondent approximativement aux MEPS spécifiées aux États-Unis, c’est à dire IE2 à EPAct et IE3 aux valeurs NEMA Premium. Une classe IE5 encore plus élevée a été proposée sans qu’un moteur commercial qualifié ne soit spécifié ni disponible. Toutefois, il est envisagé que cette technologie de moteur soit en mesure d’abaisser les pertes de 20 % par rapport à la classe IE4.

Même si les moteurs à induction C.A. ont été la technologie primaire des normes de rendement, il sera de plus en plus difficile pour ce type de moteur d’atteindre des exigences plus élevées. C’est ici que les autres types de moteur entrent en jeu, tels que les moteurs synchrones à aimants permanents (PM). Les normes à venir considéreront les moteurs alimentés sur secteur contre les moteurs alimentés par convertisseurs en utilisant des VSD (par exemple, CEI 60034-2-3). Les pertes harmoniques d’entrainement et le rendement du filtre sinus devront être évalués lorsque le VSD est inclus dans le système de moteur. Les comités techniques CEI travaillent également à ce que d’autres topologies de moteur telles que la réluctance commutée, commutée électroniquement, ainsi que les moteurs construits spécifiquement pour le fonctionnement VSD soient couverts dans les futures normes de rendement CEI.

Sur la base des définitions de classe IE, le Règlement n°640/2009 de l’UE a implémentè des exigences relatives à l'écoconception en Europe, selon le calendrier suivant :

• Rendement IE2 le 16 juin 2011, pour les moteurs de la plage de puissance 0,75 à 375 kW
• Rendement IE3 le 1er janvier 2015, pour les moteurs de la plage de puissance 7,5 à 375 kW
• Rendement IE3 le 1er janvier 2017, pour les moteurs de la plage de puissance 0,75 à 375 kW.

Les deuxième et troisième phases de ce Règlement offrent une connexion intéressante avec les entrainements à vitesse variable. (Lire également« Ajout d’un entrainement afin de se conformer à une réglementation énergétique »)

Les moteurs électriques au rendement le plus élevè apportent le plus grand avantage à des applications où les moteurs fonctionnent à des vitesses constantes un grand nombre d’heures par an . Parmi ces applications se trouvent la production de gaz de procédé et des ventilateurs de circulation d’air de groupe électrogène. Toutefois, pour beaucoup d’autres applications, des pièces du système d’ensemble entrainé par moteur requièrent une évaluation du rendement avant implémentation ou évaluation pour reconception ou installation en rattrapage.

Aller au-delà des moteurs

Si les développements MEPS ont mis en avant les moteurs électriques, l’équipement connecté a un effet profond sur l’efficacité du système dans son ensemble. À titre de simple illustration, considérer la combinaison d’un moteur et d’une boite de vitesse. Même avec des composants à haut rendement - un moteur et une boite de vitesse avec un rendement de 95 % - le résultat est un rendement système global de 90,2 %. Évidemment, d’autres équipements connectés réduiraient encore le rendement du système.

C’est pour cette raison que les efforts de rendement pour les équipements entrainés par moteur ont le vent en poupe. Néanmoins, le développement de normes de rendement systémique devient de plus en plus difficile. Les données de rendement sont limitées ou insuffisantes pour la myriade de systèmes industriels et commerciaux en service. La complexité et le grand nombre de variables présentes dans de tels systèmes aggravent le problème. Un autre domaine de développement est l’évaluation et l’amélioration de la performance avec une charge partielle (par exemple, à une charge de 50 % ou 25 %).

Aucune norme de rendement internationale n’existe pour les systèmes entièrement à moteur, mais certains développements ont pris place pour des combinaisons moteur-pompe, moteur-ventilateur et moteur-VSD (voir la barre latérale). Référence 2, une publication exhaustive de l'Agence internationale de l'énergie sur la politique énergétique traite des normes régionales et des normes d'essai pour les systèmes moteur-pompe/ventilateur en Europe.

Plusieurs Règlements UE sur l'efficacité énergétique sont à l’état de projet pour des pompes (incluant des systèmes de circulation d’eau pour bâtiment) et des ventilateurs en combinaison avec un moteur ou un entrainement. Un échantillon des Règlements écoenergétiques (EE) à venir incluent des valeurs d’index écoenergétiques (EEI) de plus en plus strictes pour les circulateurs avec des dates d’entrée en vigueur en janvier 2013 et août 2015. Pour les ventilateurs dans la plage de puissance de 125 W à 500 kW, un projet de Règlement sur l’éco-conception est en place, également avec des exigences de rendement à deux niveaux entrant en vigueur en 2012 et 2015 (Réf. 2).

Aux États-Unis, les pompes, les ventilateurs et les compresseurs n’ont actuellement aucune norme réglementaire. Toutefois, le DOE travaille à l’actualisation de ses méthodes de meilleures pratiques pour l'efficacité du système, qui inclut l’équipement entrainé par moteur ci-dessus. La NEMA et un consortium de promoteurs de l'efficacité énergétique participent à cet effort (voir Tableau 2), a remarqué John Malinowski, président de NEMA, section moteur et générateur, et chef de produit senior des moteurs C.A. chez Baldor Electric Co., Membre du groupe ABB. Étant donné la complexité du rendement au niveau système, des initiatives de coopération tombent sous le sens afin de rassembler l’expertise et la synergie de différentes organisations pour développer les meilleures pratiques. À terme, ces meilleures pratiques peuvent conduire à des normes EE.

Table 2: Certains promoteurs de l'efficacité énergétique associes avec le le DOE et la NEMA

Organisation	URL
ACEEE - American Council for an Energy-Efficient Economy ( Conseil américain pour une économie économe en énergie)	www.aceee.org
ASE - Alliance to Save Energy (Alliance pour les économies d'énergie)	www.ase.org
ASAP - Appliance Standard Awareness Project (Projet de sensibilisation aux normes d’appareil)	www.appliance-standards.org
Earthjustice	www.earthjustice.org
Hydraulic Institute (Institut hydraulique)	www.pumps.org
NEEA - Northwest Energy Efficiency Alliance (Alliance de l'efficacité énergétique du Nord-Ouest)	www.neea.org
NRDC - Natural Resources Defense Council (Conseil de défense des ressources naturelles)	www.nrdc.org

Malinowski a affirmé que le consortium et beaucoup d’autres invités travaillent à actualiser diverses publications du DOE par le programme technologique industriel de l’organisme (renommé récemment Advanced Manufacturing Office, Bureau de fabrication avancée).

Des activités liées incluent le développement d’outils logiciels pour aider à l’implémentation de systèmes EE, des programmes de formation et des conférences technologiques formant les utilisateurs à ces systèmes. Des conférences bi-annuelles notables incluent le Motor Summit, tenu à Zurich, en Suisse (prochaine édition en déc.2012), et Energy Efficiency in Motor Drive Systems (EEMODS - Efficacité énergétique dans les systèmes motorisés), qui s’est tenu pour la première fois aux États-Unis en sept.2011, la prochaine réunion étant prévue au Brésil en 2013. Une autre conférence de promotion des systèmes écoenergétiques est organisée par la NEMA, le DOE et d’autres participants durant la période avril-mai 2013, Malinowski a ajouté.

Outils, rattrapages, éducation

Divers outils logiciels et meilleures pratiques sont déjà disponibles. Les exemples suivants sont des outils logiciels en ligne gratuits du DOE, Advanced Manufacturing Office (Bureau de fabrication avancée) :

• L’outil d’évaluation de système de ventilation (FAST - Fan system assessment tool) aide à quantifier la consommation énergétique et les économies possibles dans des systèmes de ventilation industriels.(Réf. 3).
• L’outil d’évaluation de système de pompes (PSAT - Pump system assessment tool) permet le calcul d’énergie potentielle et d’économie d’énergie pour des systèmes de pompage. Les données de performance de pompe proviennent des normes de l’Hydraulic Institute (Institut hydraulique) et les données de performance du moteur de la base de données MotorMaster+ de la NEMA, (Réf. 4).
• AirMaster+ aide à analyser la consommation électrique et les économies potentielles dans des systèmes d’air comprimé industriels en tant que base pour les applications existantes ou pour modeler les futurs systèmes. 5).

D’autres initiatives collaboratives notables dans le domaine des systèmes de pompe et d’air comprimé incluent Pump Systems Matter (PSM - Ressources sur les systèmes de pompes) et Compressed Air Challenge (C.A. C - Challenge air comprimé). PSM et C.A. C assistent les utilisateurs de ces systèmes respectifs à améliorer le rendement énergétique et les réduction des coûts par des informations neutres vis-à-vis des produits, des formations et de l’éducation (Réfs. 6 et 7).

L’Institut de la climatisation, du chauffage et de la réfrigération (États-Unis) a récemment publié la norme AHRI 1210 (I-P), Indice de performance d’entrainements à fréquence variable, pour la commande de moteurs à induction. La norme inclut des spécifications de points de test de régime/couple pour l’efficacité de système d’entrainement et l’harmonie de l’alimentation secteur, telles qu’applicables à des applications à couple constant et variable .

En Europe, de futures normes concerneront des systèmes de plus en plus larges. Un exemple présenté au Motor Summit 2010 par le Dr.Ing.Martin Doppelbauer, responsable du groupe de travail CEI TC2 31, est la norme CEI 528xx, qui couvrira le rendement d’entrainements à vitesse variable, de systèmes d'entraînement électrique et de systèmes d'entraînement complets ; (Réf. 8).

Le rendement de la transmission de puissance est une zone supplémentaire pour de majeures économies d'énergie potentielles. Ceci mérite une attention particulière lors de l’implémentation d’un nouveau système quelconque. Toutefois, des opportunités de rattrapage rentables peuvent également se présenter. Un bon exemple est la mise à niveau de ventilateurs de tour de refroidissement dans diverses installations industrielles et commerciales. Mr Malinowski de Baldor Electric mentionne le remplacement d’un réducteur à vis sans fin et d’une combinaison de moteur à induction à deux vitesses inefficaces par un moteur synchrone à aimant permanent intérieur à entrainement direct de classe IE4 (voir photo) et VSD pour économiser plus de 50 % sur la consommation électrique et obtenir d’autres avantages. Un rattrapage relativement simple a éliminé le besoin de réducteur.

Pour résumer la perspective pour le rendement de système-moteur, Malinowski a dit « Nous avons utilisé le remplacement de composants afin de mettre à niveau le rendement durant de nombreuses années. Même s’il s’agit d’une bonne pratique, ceci génère seulement de modestes economies.Ce qu’il faut regarder est le système complet, depuis le transformateur de distribution d’alimentation jusqu’au moteur et entrainement a démarreur intelligent, et continuer avec les composants de transmission mécanique et la charge entrainée.

L’optimisation de tous les composants à l’intérieur du système complet ainsi que l’utilisation de contrôle de processus peut conduire à de fortes économies à deux chiffres, à une productivité augmentée et à des temps d’arrêt réduits » a conclu Mr Malinowski.

- Frank J.Bartos, PE, est spécialiste de contenu collaborateur deControl Engineering . Vous pouvez le contacter sur braunbart@sbcglobal.net

www.ahrinet.org
www.baldor.com
www.compressedairchallenge.org
www.csa.ca/cm/ca/en/standards
www.eemods.org
www1.eere.energy.gov
www.iec.ch
www.motorsummit.ch
www.motorsystems.org
www.nema.org
www.pumpsystemsmatter.org

 

Supplément EN LIGNE

Consultez les liens ci-dessous ainsi que « Ajout d’un entrainement afin de se conformer à une réglementation énergétique » au bas de cet article.

Réf. 1 - “Motor Summit 2010 : Comparaison de normes et de régulations"
Réf. 2 - "Opportunités de politique écoénergétique pour systèmes entraînés par moteur électrique," Agence internationale de l'énergie (2011)
Réf. 3 - Outil d’évaluation de système de ventilateur
Réf. 4 - Outil d’évaluation de système de pompe
Réf. 5 - Air Master+
Réf. 6 - Pump Systems Matter (Ressources sur les systèmes de pompe)
Réf. 7- Compressed Air Challenge (Challenge air comprimé)
Réf. 8 - " Conférence EEMODS & 11 sur les systèmes de moteur intelligent : normes, nouvelles technologies "
Réf. 9 - "Observation du rendement de l’entraînement électrique"