Alors que les moteurs électriques permettent au monde de tourner de manière sûre et fiable, il y a un prix à payer en termes de consommation d'énergie et d'émissions de CO2 associées. Environ 70 % de toute l'électricité utilisée par l'industrie est consommée par les systèmes de moteurs électriques.
Le règlement de l'UE sur l'écoconception aborde ce problème pour les moteurs basse tension en établissant et en appliquant les classes de rendement internationales (IE) définies par la Commission électrotechnique internationale (CEI). À partir de juillet 2021, il définit IE3 comme norme minimale, y compris les moteurs utilisés avec des variateurs de vitesse. Il existe également la cote ultra-premium IE5 qui va bien au-delà de la réglementation européenne sur l'écoconception, mais certains fabricants fournissent déjà des moteurs qui s'y conforment. Les opérateurs industriels peuvent désormais se moderniser et bénéficier d'avantages pratiques et économiques, tout en démontrant leur responsabilité environnementale.
Les moteurs IE5 SynRM peuvent réduire les pertes d'énergie de 40 % et réduire considérablement la consommation d'énergie par rapport aux moteurs à induction IE3 couramment utilisés. Les économies d'énergie exactes varient selon les applications et les conditions, mais des études de cas industrielles avec des packages de moteurs SynRM et VSD ont montré des réductions typiques des factures d'énergie de 14 à 25 %, par rapport aux moteurs remplacés.
Si 80 % des moteurs industriels installés aujourd'hui étaient remplacés par des unités IE5, l'économie d'énergie annuelle estimée équivaudrait à la consommation électrique annuelle de la Pologne. Les moteurs IE5 SynRM offrent également d'autres avantages substantiels, notamment des besoins de maintenance réduits, une fiabilité accrue, une durée de vie plus longue et de meilleures performances.
En quoi un moteur SynRM est-il différent ?
De l'extérieur, un moteur SynRM ressemble beaucoup à un moteur à induction. À l'intérieur, la structure innovante du rotor est très différente, car elle ne comporte aucun enroulement. Il contient des plaques d'acier empilées avec des espaces intermédiaires qui forment une structure légère mais robuste. De plus, le rotor ne contient pas d'aimants ou de métaux des terres rares, contrairement à d'autres moteurs synchrones, tels que les moteurs à aimants permanents (PM). Cela contribue à la durabilité, car la production de métaux des terres rares a un impact environnemental sérieux et un potentiel de recyclage limité.
Le stator du moteur SynRM établit un flux magnétique que le VSD contrôle et fait tourner. Le rotor, qui reste aligné avec le flux en rotation, est tiré – et ainsi, un couple est créé. Pendant ce temps, le VSD surveille la position du rotor et le maintient synchronisé.
Dans les moteurs à induction conventionnels, de forts courants circulent en raison de la conception du rotor à cage d'écureuil et du court-circuit formé par ses bagues d'extrémité. Ces courants représentent environ 40 % des pertes d'énergie du moteur, ce qui entraîne la génération de chaleur supplémentaire.
En revanche, les rotors SynRM n'ont pas de cages d'écureuil ou d'enroulements pour générer des courants et de la chaleur, de sorte que les pertes d'énergie sont pratiquement nulles. La technologie IE5 SynRM offre des performances comparables à celles des moteurs à aimants permanents, mais sans les coûts environnementaux des aimants en terres rares. En même temps, il offre la maintenance simple d'un moteur à induction.
Plus d'efficacité et plus
En plus de leur efficacité IE5 vérifiée, réduisant les pertes d'énergie de 20 % par rapport aux moteurs super premium IE4 et de 40 % par rapport à IE3, les moteurs SynRM sont supérieurs à d'autres égards. Ils fonctionnent à des températures plus froides que les moteurs à induction, ce qui prolonge la durée de vie des enroulements du stator, des lubrifiants pour roulements et des roulements eux-mêmes - et réduit le besoin de refroidissement des espaces de travail.
Des températures de fonctionnement plus basses et leur construction relativement simple rendent les moteurs IE5 SynRM plus faciles à entretenir et prolongent leurs intervalles d'entretien. Les risques de panne sont moindres et, pour plus de confiance, les connexions de surveillance du moteur et du variateur peuvent être utilisées pour détecter les problèmes.
Les moteurs IE5 SynRM sont également nettement plus silencieux que les moteurs à induction traditionnels, de sorte que les environnements de travail sont plus confortables.
Moteur IE5 SynRM et VSD – le package parfait pour toute application
Le moteur SynRM est toujours installé avec un VSD pour former un package optimisé. Dans les applications de moteur les plus courantes, telles que les pompes, les ventilateurs et les compresseurs, un variateur de vitesse permet généralement d'économiser environ 25 % sur la consommation d'énergie. C'est parce que le VSD ajuste la vitesse et le couple du moteur pour correspondre à la charge, plutôt que de fonctionner à pleine vitesse tout le temps.
Actuellement, une large gamme de VSD est programmée pour fonctionner avec les moteurs IE5 SynRM. Des tests approfondis ont été effectués avec les variateurs de vitesse d'ABB, qui disposent du dernier logiciel spécialement conçu pour un contrôle extrêmement précis et dynamique. La polyvalence et la précision du moteur et du variateur de vitesse assurent une excellente stabilité de vitesse, ce qui est souvent essentiel pour maintenir la qualité du produit et minimiser les rejets. Un contrôle précis à basse vitesse, jusqu'à zéro, permet le maintien constant d'un couple optimal, sans déclenchement. Le contrôle direct du couple (DTC) d'ABB régit avec précision la vitesse et le couple, sans capteurs de vitesse, encodeurs ou autres dispositifs de rétroaction.
Cette flexibilité et cette précision permettent aux moteurs IE5 SynRM de remplacer les moteurs à induction standard dans n'importe quelle application. Ils sont très précis et efficaces sur toute la plage de vitesse, même avec des charges partielles, et peuvent fournir un couple complet à partir de la vitesse nulle. En plus de fournir un couple quadratique avec une grande efficacité dans les machines telles que les pompes, les ventilateurs et les compresseurs, ils peuvent fournir un couple constant avec un contrôle précis dans les applications exigeantes, telles que les extrudeuses, les mélangeurs, les treuils et les convoyeurs.
Technologie SynRM éprouvée sur le terrain
Les avantages en termes de performances et d'efficacité des packages ABB SynRM et VSD ont été prouvés dans diverses études de cas. Plus récemment, Campbell's, célèbre pour ses produits tels que les soupes, a mis en œuvre un emballage dans un compresseur de réfrigération dans son usine de Shepparton en Australie. Parallèlement à une réduction de 14 % des coûts énergétiques, la société a noté des réductions de la température de fonctionnement, des vibrations et du bruit.
Evides Waterbedrijf, une grande entreprise de distribution d'eau aux Pays-Bas, a utilisé des ensembles de pompes et d'entraînement similaires pour des machines de pompage vitales. L'économie d'énergie a été estimée à 20 %, tandis qu'un fonctionnement plus froid devait prolonger la durée de vie du moteur et des roulements. Cela a été un facteur clé dans la décision de l'entreprise, car cela nécessitait une espérance de vie de 20 à 30 ans pour l'équipement.
Dans le secteur des plastiques, Radius Systems a remplacé un moteur à courant continu problématique sur une ligne d'extrusion de son usine de Derbyshire par un moteur SynRM et un ensemble VSD. Il a relevé tous les défis, y compris le besoin d'un couple de démarrage élevé, suivi d'un couple constant, et a permis une économie d'énergie estimée de 8 à 15 %. Il permet d'économiser environ 2 000 £ par an sur la maintenance, et son fonctionnement silencieux a également été bien accueilli.
Le fabricant de récipients en plastique, Prime¬Pac, a eu des problèmes avec un moteur hydraulique usé sur une machine de moulage par soufflage dans son usine près de Belfast. En plus de consommer excessivement de l'énergie, il produisait des bouteilles de mauvaise qualité, en raison d'un maintien imprécis de la vitesse. Un package SynRM a non seulement résolu ces problèmes, mais avec une économie d'énergie atteignant 60 %, il a permis à PrimePac d'installer une nouvelle extrudeuse - sans avoir à dépenser 250 000 £ pour mettre à niveau l'alimentation électrique du site.
Un échange facile et un remboursement anticipé
Le remplacement d'un moteur à induction existant par un moteur IE5 SynRM est simple. Ils ont les mêmes dimensions et la même puissance de sortie, il n'est donc pas nécessaire de modifier mécaniquement les configurations existantes. Le coût supplémentaire lié à la spécification d'un module IE5 SynRM et d'un variateur, plutôt que d'un moteur IE3 et d'un variateur de vitesse, peut avoir un délai d'amortissement d'un an. Il est temps pour l'industrie d'envisager la mise à niveau des moteurs vers l'efficacité ultra-premium rendue possible par les moteurs IE5 avec contrôle VSD.
Pour plus d'informations, visitez https://new.abb.com/motors-generators/iec-low-voltage-motors/process-performance-motors/synchronous-reluctance-motors.
A propos de l'auteur:
Tero Helpio est Global Product Manager, moteurs IEC BT, chez ABB Motion.