evolutions technologiques et normatives des …

Y.JAMET WEG FRANCE SAS – EVOLUTIONS TECH?OLOGIQUES ET NORMATIVES DES SYSTEMES D‘ENTRAINEMENT Novembre 2017

EVOLUTIONS TECHNOLOGIQUES ET NORMATIVESDES ENTRAINEMENTS MOTORISES


Les enjeux de l’efficacité

énergétique


Vente annuelle estimée

de moteurs électriques

dans l’UE:

2150 millions d’unités

Marché européen des moteurs électriques

Source : Eurostat 2014


0,0000

0,0200

0,0400

0,0600

0,0800

0,1000

0,1200

0,1400

0,1600

0,1800

Source : Eurostat

Prix de l’électricité dans l’industrie européenne

Prix moyen du kwh dans l’Europe des 28 : 0,1140 €

Prix moyen du kwh dans l’industrie pratiqué sur le 2ème semestre 2016. Ces prix s’entendent

hors TVA et taxes ou prélèvements récupérables pour une consommation annuelle comprise

entre 500 et 2000 MWh.


Evolution des prix de l’électricité dans l’industrie

Evolution du coût de l’électricité :

Bonne nouvelle :

La France dispose d’une électricité bon marché dont le prix moyen en 2016 était inférieur

de 21,67 % au prix moyen

en Europe (28 pays).

Mauvaise nouvelle :

La hausse des prix en France

entre le 2ème semestre 2012

et le 2ème semestre 2016

est supérieure à la moyenne

européenne:

+12,33% contre -1,47%.

Source : Eurostat


Principe de base du moteur synchrone, asynchrone et à rotor

hybride (LSPM)


Les lignes de flux du stator passent au travers du rotor et sont à l’origine de courants induits et donc d’un champ magnétique. Ilscréent des pertes et de la chaleur.La vitesse du rotor est légèrement inférieure à la vitesse du champ tournant statorique.

Les aimants permanents, montés sur le rotor, génèrent leur propre champ magnétique de manière autonome et sans avoir besoin de courant induit. Il n’y a ni perte fer ni perte par effet Joule dans le rotor.La vitesse du rotor est identique à celle du champ tournant statorique.

Constitution différente de rotor

Moteur asynchrone W22Classe de rendement

IE2 à IE4

Moteur synchrone W22 MagnetClasse de rendement

IE4, IE5


Moteur hybride WQuattro

Les lignes de flux du stator passent au travers du rotor et sont à l’origine de courants induits et donc d’un champ magnétique. Ilscréent des pertes et de la chaleur.La vitesse du rotor est légèrement inférieure à la vitesse du champ tournant statorique.

Moteur asynchrone W22Classe de rendement

IE2 à IE4

Moteur à cage hybride WQuattroClasse de rendement

IE2 à IE4

Le rotor hybride combine une cage d’écureuilavec des aimants permanents. Il n’y a nipertes, ni dissipation de chaleur dans le rotor. Le moteur Wquattro démarre sur la cage d’écureuil et ensuite en régime permanent le rotor se synchronise sur la vitesse du champ tourant grâce aux aimants.


Rotor hybride

Cage

aluminium pour le démarrage en

mode asynchrone

Aimant

permanent pour le fonctionnement à la vitesse synchrone

Dessin du rotor communiqué à titre

indicatif

Moteur hybride WQuattro


Bilan énergétique

Pabs

Pu

Pertes fer stator

Pertes joules stator

Pabs : Puissance

absorbée

Pertes joules rotor

Pertes mécaniques

Pu : Puissance

utile

Pertes

supplémentaires

Rendement =

Bilan des pertes d’un moteur asynchrone


Notions de rendement et de pertes

Pabsorbée Putile

Définition du rendement :

Il est sans unité et peut être exprimé en pourcentage.

Cette valeur relative permet de donner une indication sur la performance d’un système ou

d’un produit.

Dans le cas d’un moteur la puissance absorbée

est la puissance consommée sur le réseau électrique

Et la puissance utile est la puissance mécanique

disponible sur le bout d’arbre.

∑pertes

Définition des pertes :

Elles apparaissent lors d’une conversion d’énergie.

Elles s’expriment en Joule :

∑pertes = Pabs - Putil


Psup ≈ 5,67% PJs ≈ 43,7%

Pmec ≈ 3,53%

PJr ≈ 20,4%

Pfe ≈ 26,7%

Répartition moyenne des pertes principales

d’un moteur asynchrone 30 kW 4pôles IE4


Pistes d’amélioration de l’efficacité énergétique

des moteursInnovations technologiques :

1°) Dans le cas d’application à vitesse variable utilisation

de moteurs synchrones à aimants permanents, de moteurs EC

(application en aéraulique) qui permettent d’atteindre des classes

de rendement IE5.

2°) Dans le cas de moteurs à démarrage direct sur le réseau

optimisation des pertes du moteur asynchrone (solution

en IE3 et IE4) :

Pertes Joule au stator :

Solution mixte consistant à augmenter la section du fil des bobines

statoriques tout en augmentant la longueur du stator et en

réduisant le nombre de spires.

Pertes Joule au rotor :

Choix du matériau utilisation de cuivre en lieu et place de l’alpax

(solution onéreuse).

Conception des moules de manière à optimiser la section des

barres et la quantité d’aluminium.

Choix de la qualité de l’aluminium et de la réduction de porosité.


Pistes d’amélioration de l’efficacité énergétique

des moteursPertes fer :

Pistes pour réduire ces pertes :

Utilisation de tôles magnétiques de qualité

supérieure et à faibles pertes.

Réduction des densité de flux magnétique par

augmentation de la matière.

Un traitement thermique adapté pour l’amélioration

des propriétés magnétiques des tôles aux

abords des découpes.

Utilisation de tôles d’acier au silicium à haute perméabilité.


Différences constructives d’un moteur W22

Un ventilateur

efficace réduit les

pertes dû à la

ventilation

Une augmentation

du flux d’air réduit

les pertes

mécaniques

L’utilisation de tôles

magnétiques de haute

qualité réduit les

pertes fer et

notamment celles dû

au cycle d’hystérésis

La qualité des

matériaux et les

sections utilisées

dans les anneaux de

court circuitage et

barres permettent de

réduire les pertes

rotoriques

L’augmentation du cuivre et des

sections des bobines permettent

la diminution des pertes

statoriques par effet Joule.

Un bon dimensionnement

des encoches permet de

diminuer les pertes

magnétiques et l’utilisation

de spires de plus grand

diamètre

Un stator de grande

longueur permet de

diminuer les

densités de champ

magnétique,

améliorant la

capacité de

refroidissement du

moteur. Réduction

des pertes

magnétiques et en

charge

L’optimisation du

design des paliers

ainsi que la qualité

des roulements

permettent de

réduire les pertes par

frottement

Y.JAMET WEG FRANCE SAS – EVOLUTIONS TECH?OLOGIQUES ET NORMATIVES DES SYSTEMES D‘ENTRAINEMENT Novembre 2017Ref: Moteur 55 kW 2P

Evolution du rendement du moteur électrique

1980Rendement: 90%

1960Rendement: 88%

1990Rendement: 90,2%


74% de réduction

des pertes sur

les 50 dernières

années


2010Rendement: 95,1%2014

W22 Magnet

IE5Rendement: 96,6%


Evolution des normes et règlement relatifs à l’efficacité énergétique


Plaque, indications selon la CEI 60034-30 et

le règlement CE 640/2009

La norme CEI 60034-30 : 2008 a imposé l’indication sur la plaque signalétique de la

classe de rendement IE x et de la valeur du rendement à 100 % de la charge.

Depuis le 16 juin 2011, le règlement CE N°640/2009 impose, aux moteurs vendus au sein

de la communauté européenne, outre la classe de rendement un marquage des valeurs de

rendement à 100%, à 75% et à 50 % de la pleine charge.


Haut rendement IE2

Rendement premium IE3

Rendement Super Premium IE4

Classe de rendement IE des moteurs

Selon la CEI 60034-30-1:2014-03Rendement (%)

Puissance (kW)

La norme CEI 60034-30 : 2008 a été la première norme CEI

à définir les classes de rendement IE pour les moteurs asynchrones.

La norme CEI60034-30-1 est la révision de cette norme dédiée aux classes IE

des moteurs à courant alternatif alimentés par le réseau.


Evolution de la norme CEI 60034-30

CEI 60034-30

1ère édition 2008

Moteurs

asynchrones.

Définition des

classes IE1 à IE3.

CEI 60034-30 Part 1

(Mars 2014) Vitesse fixe :

Moteurs alternatifs

alimentés sur réseau:

Moteurs à cage, à bagues,

hybride, mono ou triphasé.

Définition des classes IE1 à

IE4.

CEI 60034-30 Part 2

(Publication décembre 2016)

Alimentation par

convertisseur de fréquence:

Moteurs alternatifs

synchrone à aimants

permanents, moteur

synchrone à rotor bobiné ...

Définition des classes IE1 à

IE5.


Classes de rendement IE (moteur alimenté en

direct)

100

100

(100,100)

Couple (%)

Fréquence (%)

Les classes de rendement IE pour les moteurs alimentés en direct sur le réseau sont définis

par la valeur du rendement mesurée à 100% de couple et 100% de la fréquence du réseau

électrique.

Norme CEI 60034-30-1:2014


Classes de rendement IE (moteur alimenté par

variateur de vitesse)

Les documents de référence sont la nouvelle norme CEI 60034-30-2 de décembre 2016

et la norme CEI 60034-2-3 de novembre 2011. Le rendement est dans ce cas mesuré

Selon la CEI 60034-2-3 qui concerne les méthode d’essai pour la détermination des

pertes et du rendement des moteurs asynchrones alimentés par convertisseur de

fréquence. Cette méthodologie d’essai permet de déterminer les pertes supplémentaires

induites par le convertisseur de fréquence. La tension harmonique d’un variateur de

vitesse augmente les pertes du moteur d’environ 15 à 25%.

Les plages en puissance, tension et nombre de pôles couvertes par la norme

CEI 60034-30-2 sont similaires à celles de la norme CEI 60034-30-1 des classes de

rendement des moteur alimenté en direct sur le réseau.

Les technologies de moteurs concernées sont notamment les moteurs synchrones à

aimants permanents qui ne peuvent fonctionner qu’avec un convertisseur de fréquence.


Nouvelle norme CEI 60034-2-3

Publication novembre 2013:

Cette nouvelle norme détermine des méthodes d’essai spécifiques pour la détermination des

pertes et du rendement des moteurs asynchrones alimentés par convertisseur de fréquence.

Domaine d’application :

- Convertisseurs de fréquence en source de tension à 2 étages

- Fréquence fondamentale du moteur égale à la fréquence nominale du moteur égale à 50 ou 60

Hz.

- Fréquence de commutation Fc = 4 kHz jusqu’à 90 kW et Fc = 2 kHz pour les puissances

supérieures à 90 kW.

- La fondamentale en tension est égale à la tension nominale du moteur.

Méthodologie :

- 4 méthodes d’essais sont définis (2-3-A, 2-3-B, 2-3-C, 2-3-D), afin de déterminer les pertes supplémentaires moteur qui sont la conséquences des harmoniques dufait de l’utilisation avec convertisseur de fréquence.


CEI 60034-2-3: Prise en compte de l’influence du

variateur sur le moteur


Classes de rendement IE (module variateur)

100

100

PL RCDM(90,100)Courant (%)

Fréquence (%)

Cette norme classifie le module complet variateur y compris les dispositifs de protection,

transformateurs et auxiliaires (filtres, hacheur freinage…). Le point de référence se situe 90%

de la fréquence nominale et 100% du courant. 7 autre points de fonctionnement intermédiaires

seront également définis. La classe de rendement est définie en fonction des pertes au point de

fonctionnement A. Les valeurs des pertes des 7 autres points de fonctionnement doivent être

communiquées.

Norme CEI 61800-9-2:2017

50

25

50 90

PL RCDM(0,100) PL RCDM(50,100)

PL RCDM(50,25)

PL RCDM(0,50)

PL RCDM(0,25)

PL RCDM(50,50) PL RCDM(90,50)

A


Produit étendu, système de motorisation

La nouvelle norme 61800-9-1 publié en mars 2017 définit les normes d’efficacité énergétique

d’un équipement entraîné via l’approche produit étendu. Le produit étendu intègre tous les

composants depuis l’alimentation jusqu’à la machine entrainée.


50

25

50

100

100

PL RPDS(100,100)

Classes de rendement IES

(système de puissance électrique)

Couple (%)

Fréquence (%)

Cette norme classifie le système de puissance électrique complet comprenant l’électronique

de puissance, les dispositifs de protection et auxiliaires et le moteur.

Outre le point de référence situé à 100 % de la fréquence nominale et 100% du couple, 7

autre points de fonctionnement intermédiaires seront également définis.

La classe de rendement est définie en fonction des pertes au point de fonctionnement A. Les

valeurs des pertes des 7 autres points de fonctionnement doivent être communiquées.

PL RPDS(0,100) PL RPDS(50,100)

PL RPDS(0,50) PL RPDS(50,50) PL RPDS(100,50)

PL RPDS(0,25) PL RPDS(50,25)

Norme CEI 61800-9-2:2017

A


Règlement CE 640/2009

Ce règlement impose dans l’Union Européenne des classes de rendement IE, et des

exigences en matière d’information. Les moteurs ATEX, pour ambiances

dangereuses, sont pour l’instant, exclus du règlement.

Publication au journal officiel de l’UE du règlement CE 640/200922 juillet 2009

16 juin 2011

1ère étape:

Imposition de la classe de rendement IE2.

P comprise entre 0,75kW et 375 kW, 2,4 et 6 pôles.

1er janvier 2015

2ème étape:

Imposition de la classe de rendement IE3, ou IE2

avec variateur de vitesse.


1er janvier 2017

3ème étape:

Imposition de la classe de rendement IE3, ou IE2

avec variateur de vitesse.


26 juillet 2014

Entrée en vigueur de l’amendement exceptionnel UE4/2014:

Extension du règlement aux moteurs installés dans

des températures ambiantes comprises entre -30 et +60°C et à des

altitudes jusqu’à 4000 mètres.


Evolution en 2014 du règlement CE 640/2009

Amendement UE 4/2014:

Un amendement a été voté par le parlement. Ce texte est destiné à combler une faille du

règlement :

Certains constructeurs ont trouvé un stratagème pour ne pas à avoir à proposer des

moteurs IE2 et profiter d’une faille des règlements et normes entraînant une concurrence

déloyale et un préjudice pour atteindre l’objectif d’économie d’énergie que c’est fixé la

CE. Par exemple en plaquant de manière non justifié les moteurs pour 45°C ces derniers

échappent à l’application du règlement CE et sont exemptés de plaquage IE et de valeur

minimale de rendement tout en étant CE.

La nouvelle édition de la norme CEI 60034-30 - 1 qui a été publiée en mars 2014 rectifie

le tir ainsi que l’amendement UE4/2014 du règlement CE 640/2009 .

Cet amendement s’applique depuis le 27 juillet 2014.

L’amendement et la nouvelle norme CEI 60034-30 part 1 modifient les conditions

d’ambiante: une augmentation de la température maximale d’ambiante qui passe de 40 à

60°C, température minimale de -15°C à -20°C (-30°C pour l’amendement), de l’altitude

maxi qui passe de 1000 à 4000 mètres.

Par contre l’amendement introduit une souplesse au niveau du marquage des

rendements avec exemption des marquages des rendements à 50 et 75% lorsque la

surface de la plaque signalétique ne sera pas suffisante.


La variation de vitesse électronique

et son rôle dans les économies

d’énergie


Importance de l’approche « process »

L’optimisation des gains en économie d’énergie passe par une étude du process et donc

du couple moteur + variateur.

Le réglage de la vitesse permet d’adapter au mieux la puissance absorbée à la

puissance utile réellement demandée par l’application.

Plus la charge varie et plus l’économie d’énergie est importante. Les applications à

couple quadratique ( C = K x N²) utilisant des ventilateurs, pompes et compresseurs

centrifuges en sont le parfait exemple.

De plus l’étude attentive du process permet, grâce à l’utilisation de moteurs à vitesse

variable, de supprimer les vannes de régulation pour les pompes, les ventelles pour la

ventilation et autres dispositifs de régulation mécanique améliorant ainsi le rendement

global du système.


Mesures d’économie d’énergie dans les systèmes

d’entraînement

Mesures d’économie d’énergie Economies moyennes

Installation ou rénovation du système

Moteurs à haut rendement : # 2 à 8 %

Dimensionnement correct : # 1 à 3 %

Vitesse variable : # 10 à 50 %

Transmission à haute efficacité : # 2 à 10 %

Qualité de l’alimentation : # 0,5 à 3%

Fonctionnement et maintenance du système

Graissage, calage, alignement : # 1 à 5%


Les gains de l’efficacité énergétique

1°)Système de pompage conventionnel : rendement total 31 %

2°)Système de pompage à haute efficacité énergétique : rendement total 72 %


Pompes centrifuges 20-50%

Pompes à pistons 10-30%

Ventilateurs 20-50%

Convoyeurs 10-30%

Economie d’énergie

Contrôle la réduction de

puissance du moteur

Economie d’énergie moyenne réalisée grâce au variateur:

Variateur

Economie réalisée par le variateur électronique


Principaux avantages de la vitesse variable

Economie d’énergie (diminution de la puissance absorbée sur

charge variable, récupération d’énergie par réinjection sur le réseau

au freinage).

Facteur de puissance supérieur à 0,96

Réduction des coûts du fait de la diminution du nombre d’organes à

intégrer dans le système.

Amélioration de la fiabilité pour les mêmes raisons que celles

évoquées ci-dessus.

Réduction du bruit.

Réduction des sollicitations mécaniques des transmissions.

Réduction des sollicitations du réseau électrique au démarrage.

Souplesse d’utilisation : accroissement de la plage de

fonctionnement utile.


Applications vitesse variable à couple résistant

centrifuge

Puissance (%)

Vitesse 50%

12,5%

80%

51,2%

100%

100%


Coût de possession

et

ROI


Coût global d’un moteur asynchrone tout au long

de sa durée de vie

Coûts relatifs à

l’achat du moteur

Coûts de l’énergie

consommée

Coûts liés aux

arrêts de

production

Maintenance preventive

Maintenance corrective

97 %Du coût total

3 %Du coût total


Simulation d’économie d’énergie

Logiciel WEG de simulation des économies d’énergie et calcul de ROI :

Cet outil, qui permet également de gérer un parc complet de moteurs, est disponible en

version exécutable Windows® (langue française). A télécharger gratuitement sur :

http://www.weg.net/green/fr/economiser-de-largent.html.

Une version anglaise nommée « Payback » pour smartphones fonctionnant sous IOS ou

Androïd est également disponible.

http://www.weg.net/green/fr/economiser-de-largent.html


Calcul des économie d’énergie

Très souvent les moteurs ont un temps de fonctionnement annuel de plusieurs milliers

d’heures, un gain de rendement entre deux versions de moteur peut se traduire par

des économies notables avec un retour sur investissement de quelques années et

parfois quelques mois.


Audit du parc moteurs

Source: Adème 2011



Temps de fonctionnement > 3000 heures

Charge moteur (%) Action

≤ 60 Remplacement dès l’arrêt de

l’installation après un

dimensionnement correct

> 60 et ≤ 90 Remplacement à la prochaine panne

après un dimensionnement correct

> 90 Remplacement à la prochaine panne

Rend

em

ent (%

)

Charge (%)


Si votre bobinier ne travaille pas dans les règles de l’art et n’applique pas les

meilleures procédures qualité, il faudra tenir compte des moteurs rebobinés :

dans ces conditions nous estimons que pour les petits moteurs (P < 30 kW) il

faut retirer, par rebobinage, 1,5 à 2 % de rendement et 1 % pour les moteurs de

puissance supérieure.

Vitesse variable :

Identifier les machines fonctionnant à charge variable afin de les équiper d’un

variateur de vitesse.



3550,75

Moteurs asynchrones W22

Synchrone W22 Magnet

117,5

WQuattro

Moteurs asynchrones ATEX W22Xd ExdIIB/CT4

Moteurs asynchrones W22 Super Premium

3,0

315

P(kW)

L’offre moteurs WEG en Basse Tension

0,12


0,37 22

CFW500 / CFW501

(HVAC)

CFW700 / CFW701 (HVAC)

110

CFW11

400

AFW11M

2000

P(kW)

2800

AFW11W

4500,18

CFW100

0,75

MW500

4

CFW300

Gammes de variateurs Basse Tension

evolutions technologiques et normatives des …

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