Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

lEs Focus tEchniquEs dE l’ingéniEur septembre / 2014 googlE : lEs 10 ProjEts lE

lEs Focus tEchniquEs dE l’ingéniEur septembre / 2014 googlE : lEs 10 ProjEts lEs Plus incroYaBlEs Efficacité EnErgétiquE dEs MachinEs : lE choix judiciEux dE la Motorisation Par alexandre Perrat soMMAirE 2 AVAnt-ProPos 3 introduction 4 lE MotEur AsYnchronE 6 Constitution 6 FonCtionnement et limitations 6 lE MotEur sYnchronE 8 Constitution 8 FonCtionnement 8 coMPArAison dEs MotEurs 10 EXEMPlE d’APPlicAtion - trAnsPort dE BAgAgEs d’AéroPort 12 DesCriPtiF 12 oBJeCtiFs Du ConstruCteur 12 matÉriel 12 Deroulement Des essais 13 eConomie D’enerGie 13 conclusion 14 soMMairE L’industrie et les infrastructures consomment plus de 31% de l’énergie et, à eux seuls, les moteurs électriques représentent plus de 60% de cette consommation. La disparation inéluctable des réserves fos- siles et l’augmentation inexorable des coûts qui en résulte obligent les industriels à utiliser au mieux l’énergie électrique. Lors de la prise de décision d’acquérir une nou- velle machine, l’investisseur devrait être conduit à considérer l’énergie qui sera consommée par cette machine pendant sa durée de vie. En effet, on considère que depuis son acquisition jusqu’à son démantèlement, le prix d’achat re- présente 2 à 3% du coût global, le reste étant, principalement, la consommation d’énergie. Cette énergie est nécessairement imputée au produit fi ni et impacte la compétitivité de l’entre- prise. Des solutions existent pour utiliser de manière intelligente l’énergie disponible : • améliorer le rendement de la machine, • choisir un mode de marche permettant de mettre en sommeil les zzmachines peu sollici- tées (exemple arrêter les convoyeurs à vide), • utiliser la variation de vitesse, • choisir des stratégies de mouvements moins énergivores, • utiliser des moteurs à haut rendement. aVant-ProPos se détériore. Cela conduit inévitablement à une consom- mation d’énergie accrue. Le rendement du moteur et de la chaine cinématique fera qu’une partie de cette énergie sera purement et simplement gaspillée. Soucieuse de sauvegarder les ressources fossiles, l’Union européenne impose qu’en 2020, tous les moteurs utilisés soient de catégorie EFF1, c’est-à-dire à haut rendement. Avec l’utilisation de moteurs à haut rendement et de solutions déjà disponibles, les économies d’énergie pourraient atteindre en Europe 202 TWh par an. Ceci représente 45 centrales nucléaires de 1000 MW, ou 130 centrales utilisant un carburant fossile ou encore 3,8 fois la totalité des l’énergie produite par le parc éolien (valeur 2007). Les effets sur l’environnement peuvent être évalués à une réduction de 79 millions de tonnes de CO2, une diminution drastique des oxydes d’azote, oxydes de soufre. Sur le plan financier, les courbes du coût de l’énergie (cf graphiques ci-contre de l’Observatoire de l’Energie d’après Eurostat – janvier 2007) montrent clairement, après 2004, une croissance continue. introduction Toute machine est défi nie en fonction de critères de per- formances et de productivité. Le concepteur s’ingénie à trouver les solutions les plus performantes, les plus écono- miques et les plus compétitives. Le dimensionnement des moteurs découle de ces choix. Le plus souvent, il est fi nalisé quand la partie mécanique a été en grande partie étudiée, et l’énergie consommée sur le long terme n’est pas toujours prise en compte. Cependant, le coût croissant de l’énergie impose de nou- velles approches et le choix du moteur devrait être le point de départ de toute réfl exion de réduction de la consommation. Sur le plan strictement mécanique, les moteurs qui équipe- ront la machine doivent répondre à plusieurs critères. En premier, ils permettent le fonctionnement continu de la machine et fournissent le couple à la vitesse requise. Cette première considération détermine la puissance du moteur en régime permanent. Le concepteur doit égale- ment examiner le démarrage de la machine et déterminer le couple que le moteur devra développer pour mettre en mouvement la machine. Cela peut conduire à augmenter la puissance du moteur. Le cycle de fonctionnent est également un point capital. En effet chaque démarrage conduit à un échauffement du moteur et il est indispensable de ne pas dépasser une tem- pérature limite qui, à plus ou moins long terme, se traduira par une défaillance du moteur. L’examen fi nal portera sur les conditions ambiantes et pren- dra en considération la température et l’altitude à laquelle la machine fonctionnera. Quand toutes ces évaluations ont été conduites, le moteur retenu sera le plus souvent d’une puissance bien supé- rieure à la celle nécessaire en régime continu. Le moteur ne fonctionne pas à sa puissance nominale et son rendement lEs Focus tEchniquEs dE l’ingéniEur Plus de contenu, d’actualités et d’informations sur www.techniques-ingenieur.fr Efficacité Energétique des Machines : le choix judicieux de la motorisation L’appauvrissement des réserves d’énergie fossile ne fera qu’accentuer cette croissance. Le choix du moteur est primordial pour les économies d’énergie. En effet, une fraction de l’énergie prélevée au réseau est gaspillée en échauffement. Suivant la technologie de moteur retenu, ces pertes sont plus ou moins importantes. Elles varient également entre les fournisseurs et une comparaison s’impose. Le moteur majoritairement utilisé est le moteur asynchrone. Il est conçu pour fonctionner à vitesse constante. Cependant il est de plus en plus associé à un variateur ce qui permet d’améliorer la flexibilité des machines. Le moteur synchrone est une autre possibilité extrêmement attractive. Ce White Paper a pour objectif de comparer ces deux technologies, d’en estimer les limites et guider le choix du concepteur et de l’utilisateur. Pour cette comparaison, les deux moteurs sont alimentés par un variateur de vitesse. L’utilisation d’un variateur de vitesse élimine certaines faiblesses du moteur asynchrone : • le courant de démarrage, • le facteur de puissance (cosinus φ), • l’influence des variations de tension sur le couple moteur, • avec des variateurs utilisant le contrôle vectoriel, la différence de vitesse entre vide et charge, • le courant absorbé à vide. 5 Plus de contenu, d’actualités et d’informations sur www.techniques-ingenieur.fr lEs Focus tEchniquEs dE l’ingéniEur PREMIÈRE LIMITE : LA CRÉATION DU CHAMP MAGNÉTIQUE ET LES CONSÉQUENCES Comme pour toute machine électrique, la génération du couple repose sur l’existence d’un fl ux magnétique dans la machine. Ce fl ux, noté ϕ est produit par les bobinages du stator qui, lorsqu’ils sont soumis à une tension alternative polypha- sée, créent un champ tournant. Nous allons examiner ce qui se passe dans une machine théorique représentée par le schéma suivant. En négligeant la résistance de l’enroulement, on voit que la tension appliquée à l’enroulement de magnétisation noté L, génère un courant que nous noterons I0. Le fl ux a pour expression ϕ = kI0 Inévitablement, ce courant magnétisant produit des pertes dans le moteur. La puissance transmise est, quant à elle, représentée par la tension appliquée à une résistance fi ctive qui simule la charge. En notant Ic le courant qui circule dans cette résis- tance, le couple peut s’écrire : C = kI0 Ic lE MotEur asYnchronE Constitution Le moteur asynchrone ou moteur à induction comprend un stator avec un bobinage polyphasé dans une carcasse constituée de matériau magnétique et d’un rotor, lui aus- si en matériau magnétique, dans lequel sont logés des conducteurs en court-circuit. Le dessin très simplifi é ci-dessous illustre la constitution de ce moteur FonCtionnement et limitations Quelques soient les efforts des constructeurs, le moteur asynchrone a par nature des limitations physiques incon- tournables. Aujourd’hui la classe EFF1 atteint la limite des possibilités d’évolution réalisables de manière économique. Si des progrès restent toujours envisageables, le gain sera probablement extrêmement ténu. Les limites sont liées au principe même de ce moteur. Nous allons analyser celles qui subsistent dans le cas d’une ali- mentation à travers un variateur pour permettre d’évoquer des solutions plus prometteuses et aujourd’hui disponibles. Stator Bobinage Rotor 7 Efficacité EnErgétiquE dEs MachinEs : lE choix judiciEux dE la Motorisation TROISIÈME LIMITE : LE COUPLE MAXIMUM DISPONIBLE Les moteurs à induction ont des performances de couple limitées. Le diagramme suivant représente la caractéris- tique d’un moteur asynchrone associé à un variateur de vitesse. La courbe en pointillés est le couple maximum utilisable en régime transitoire. Ce maximum (environ 2,2 fois le couple nominal du moteur) est une limite imposée par le moteur et non par le variateur. Cette réserve de couple permet de lancer les inerties de la machine et de vaincre les frotte- ments statiques, mais il est évident que la performance dynamique de mise en vitesse est médiocre. Le couple permanent, fi guré en trait plein est limité en basse vitesse par les pertes du moteur et l’ineffi cacité de la ventilation. On voit immédiatement que si la tension d’alimentation diminue, le fl ux et le courant Ic diminuent simultanément dans la même proportion et que le couple varie comme le carré de la tension. L’utilisation d’un variateur, qui régule cette tension permet d’éliminer cette faiblesse DEUXIÈME LIMITE : LE GLISSEMENT Le couple électromagnétique à pour origine le courant induit dans le rotor. Ce courant obéit à la loi de Lenz sui- vant laquelle une spire plongée dans un champ magné- tique sera l’objet d’un courant induit qui s’oppose par ses effets à la cause qui lui a donné naissance. L’amplitude de ce courant, fonction de la différence de vitesse entre le champ tournant et la vitesse de uploads/Industriel/ livre-blanc-efficacite-energetique-des-machines-le-choix-judicieux-de-la-motorisation.pdf