Comment calculer le rendement d'un moteur ? Pertes et mesure

Nous entendons souvent la phrase « ce moteur a un rendement de 92 % », mais que signifie exactement ce chiffre et comment le calcule-t-on ? Le rendement d'un moteur est une valeur mesurable qui indique quelle part de la puissance prise sur le réseau est convertie en travail utile. Dans cet article, nous abordons dans un langage technique mais compréhensible la façon dont le rendement est calculé, l'origine des pertes dans le moteur et la manière dont le rendement est mesuré.

Pour savoir ce que sont les classes de rendement, vous pouvez consulter l'article classes de rendement des moteurs électriques que nous avons publié ; ici, l'accent est entièrement mis sur le calcul, les pertes et la mesure.

Comment définit-on le rendement ?

Le rendement est, dans sa forme la plus simple, le rapport entre la puissance mécanique transmise à l'arbre et la puissance électrique absorbée sur le réseau. Ce rapport est exprimé en pourcentage. Par exemple, un moteur qui absorbe 10 kW d'électricité et transmet 9,2 kW à l'arbre a un rendement de 92 % ; les 0,8 kW restants sont dissipés en pertes.

Cette définition simple montre aussi pourquoi le rendement est si important. La puissance dissipée en pertes signifie à la fois de l'argent perdu et de la chaleur. Augmenter le rendement revient essentiellement à réduire ces pertes.

La formule du rendement

Le rendement s'obtient en divisant la puissance de sortie par la puissance d'entrée : rendement (%) = (puissance mécanique de sortie / puissance électrique d'entrée) × 100. Autrement dit, lorsque l'on retire les pertes de la puissance d'entrée, on obtient la puissance de sortie ; le rendement est le rapport de la sortie à l'entrée.

Même si cette formule paraît simple, une mesure correcte exige de déterminer avec précision les puissances d'entrée et de sortie. Alors que la puissance d'entrée se mesure facilement du côté électrique, la mesure de la puissance de sortie (à l'arbre) demande un équipement plus spécifique.

Perte 1 : les pertes cuivre

La première des pertes dans le moteur est celle du cuivre. Lorsque le courant traverse les bobinages, une partie de l'énergie se transforme en chaleur à cause de la résistance du fil. Cette perte est appelée perte cuivre ou perte par résistance. Les pertes cuivre dépendent de la charge ; plus la charge augmente, plus le courant augmente et plus cette perte grandit.

Pour réduire les pertes cuivre, on utilise un cuivre de meilleure qualité et en plus grande quantité ; cela abaisse la résistance du bobinage. C'est la raison principale pour laquelle les moteurs à haut rendement contiennent davantage de cuivre à mesure que l'on passe de IE3 à IE5. Une résistance plus faible signifie moins de pertes et un rendement plus élevé.

Perte 2 : les pertes fer (magnétiques)

Le deuxième groupe important de pertes est celui des pertes fer. Comme le champ magnétique dans le noyau change constamment de sens, des pertes par hystérésis et par courants de Foucault apparaissent dans la tôle. Ces pertes sont indépendantes de la charge ; même si le moteur tourne à vide, les pertes fer se poursuivent.

Pour réduire les pertes fer, on utilise de la tôle silicium à faibles pertes, mince et isolée feuille à feuille. La finesse de la tôle réduit les courants de Foucault et sa qualité réduit les pertes par hystérésis. Le choix d'une tôle de qualité est l'un des facteurs les plus importants qui font passer un moteur dans une classe de rendement supérieure.

Perte 3 : les pertes mécaniques

Le troisième groupe de pertes est celui des pertes mécaniques. Elles proviennent du frottement des roulements et de la résistance de l'air du ventilateur de refroidissement (perte de ventilation). Ces pertes existent tant que le moteur tourne et varient selon la vitesse. Sur les moteurs à haute vitesse, les pertes mécaniques sont plus marquées.

Des roulements de qualité et une conception de ventilateur optimisée réduisent les pertes mécaniques. Ces pertes représentent une petite part du total ; néanmoins, sur les moteurs visant un haut rendement, chaque point compte.

Perte 4 : les pertes en charge (supplémentaires)

Le quatrième groupe de pertes est appelé pertes en charge ou pertes supplémentaires. Ce sont des pertes additionnelles dues à la répartition non uniforme du courant dans le moteur et à des effets magnétiques à haute fréquence. C'est le type de perte le plus difficile à mesurer, mais il influence le rendement total.

Les pertes en charge dépendent de la qualité de conception du moteur et de la précision de fabrication. Sur un moteur bien conçu, ces pertes sont réduites au minimum. La somme des quatre types de pertes détermine la perte totale du moteur et donc son rendement.

L'effet des pertes sur le rendement

Le rendement d'un moteur dépend de la somme de ces quatre groupes de pertes. Le passage d'une classe à l'autre — par exemple de IE3 à IE4 — s'obtient essentiellement en réduisant toutes ces pertes ensemble. Davantage de cuivre réduit la perte cuivre, une tôle de meilleure qualité la perte fer, et de meilleurs roulements et ventilateur la perte mécanique.

C'est pourquoi un moteur à haut rendement produit moins de pertes en faisant le même travail et chauffe moins. Comprendre comment les pertes sont réduites explique aussi d'où vient l'écart entre les classes de rendement.

Comment mesure-t-on le rendement ?

Il existe deux approches fondamentales pour mesurer le rendement. La première est la méthode directe : la puissance d'entrée et la puissance de sortie sont mesurées séparément, puis mises en rapport. La puissance d'entrée est déterminée avec un analyseur de puissance, la puissance de sortie avec un capteur de couple monté sur l'arbre et une mesure de vitesse.

La seconde est la méthode indirecte : les pertes du moteur sont mesurées ou calculées une par une, additionnées, puis retirées de la puissance d'entrée pour obtenir le rendement. En particulier sur les gros moteurs, la méthode indirecte est largement utilisée car il est difficile de mesurer directement la puissance de sortie.

Les normes d'essai IEC

Pour que la mesure du rendement soit équitable et comparable, on utilise des normes d'essai internationales. La norme IEC 60034-2-1 définit comment mesurer le rendement d'un moteur et comment déterminer les pertes. Grâce à cette norme, les moteurs de différents fabricants sont testés selon la même méthode et les valeurs de rendement figurant sur la plaque deviennent fiables.

S'il n'existait pas de méthode d'essai normalisée, les fabricants mesureraient le rendement de différentes façons et la comparaison n'aurait plus de sens. Les normes IEC sont la garantie que la valeur de rendement que vous voyez sur la plaque reflète la réalité.

Rendement à pleine charge et à charge partielle

Le rendement d'un moteur n'est pas constant ; il varie selon la charge. Les moteurs donnent généralement leur rendement le plus élevé près de la pleine charge, entre environ trois quarts de charge et la pleine charge. À très faible charge, le rendement baisse nettement ; car les pertes fer, indépendantes de la charge, restent importantes par rapport au faible travail utile.

C'est pourquoi les valeurs de rendement sont généralement indiquées à la fois pour la pleine charge et pour la charge partielle. Bien dimensionner un moteur, c'est le faire travailler dans sa zone de charge la plus efficace ; cela permet d'obtenir en pratique le rendement calculé.

Facteur de puissance et rendement : la différence

Ne confondez pas le calcul du rendement avec le facteur de puissance (cosφ). Le rendement indique quelle part de la puissance absorbée est convertie en travail utile. Le facteur de puissance, lui, exprime quelle part du courant absorbé sert au travail réel et quelle part sert à établir le champ magnétique. Ce sont deux notions différentes, mais ensemble elles déterminent l'efficacité avec laquelle le moteur utilise le réseau.

Un moteur à haut rendement possède généralement aussi un bon facteur de puissance, mais ces deux grandeurs sont mesurées et rapportées séparément. Pour une évaluation correcte, il faut regarder les deux.

Pourquoi le rendement ne peut-il pas atteindre 100 % ?

Aucun moteur ne peut fonctionner avec un rendement de 100 % ; car les pertes sont physiquement inévitables. Tout conducteur parcouru par un courant présente une résistance, tout champ magnétique une hystérésis et toute pièce en rotation un frottement. Une partie de l'énergie se transforme donc toujours en chaleur. L'objectif de l'ingénierie n'est pas d'atteindre 100 % de rendement, mais de réduire les pertes autant que possible.

Aujourd'hui, sur les gros moteurs, le rendement peut dépasser 95 % ; c'est un indicateur de la qualité de la gestion des pertes. La classe IE5 représente le point le plus avancé atteint dans cette bataille.

Les moyens d'augmenter le rendement

Le rendement d'un moteur est déterminé au stade de la conception ; à l'usage, il doit être préservé. Les principaux moyens d'augmenter ou de préserver le rendement sont les suivants : choisir un moteur d'une classe de rendement élevée, le dimensionner à la bonne puissance, le faire travailler dans sa zone de charge la plus efficace, utiliser un variateur de fréquence en charge variable et effectuer une maintenance régulière.

Chacune de ces étapes réduit une partie des pertes. Lorsque la bonne classe, la bonne taille et la bonne exploitation se réunissent, le rendement calculé est aussi obtenu sur le terrain. Pour le rôle des heures de fonctionnement dans le choix de la classe de rendement, consultez l'article choix de la classe de rendement.

Relation entre rendement et chaleur

Comme les pertes se transforment en chaleur, il existe une relation directe entre le rendement et l'échauffement du moteur. Un moteur peu performant chauffe davantage ; et une surchauffe raccourcit la durée de vie de l'isolation du bobinage. Un rendement élevé signifie donc non seulement une économie d'énergie, mais aussi une durée de vie plus longue.

L'échauffement d'un moteur en fonctionnement est indirectement un indicateur de son rendement. Un moteur qui surchauffe est soit peu performant, soit surchargé, soit en difficulté. De ce point de vue, la chaleur est un moyen pratique de surveiller le rendement.

Le rendement calculé est-il préservé sur le terrain ?

Le rendement inscrit sur la plaque est la valeur que donne le moteur dans des conditions idéales, à la bonne charge et en bon état. Préserver ce rendement sur le terrain dépend d'un bon dimensionnement et d'une bonne maintenance. Un moteur mal dimensionné ou mal entretenu donne en pratique une performance plus faible, même si sa plaque indique un rendement élevé.

Le rendement est donc une valeur à préserver non seulement au moment de l'achat, mais pendant toute la vie du moteur. Une maintenance régulière et une utilisation correcte permettent au rendement calculé de se maintenir pendant des années. Vous trouverez le lien entre le rendement et le fonctionnement du moteur dans l'article comment fonctionne un moteur électrique.

Rendement et choix du bon moteur

Comprendre le rendement est la base du choix du bon moteur. Même si deux moteurs ont la même puissance, si leurs valeurs de rendement et leurs structures de pertes diffèrent, leurs coûts à long terme seront très différents. C'est pourquoi il faut absolument vérifier la valeur et la classe de rendement inscrites sur la plaque lors du choix d'un moteur.

Vous pouvez évaluer les options à haut rendement dans la rubrique moteurs à haut rendement et obtenir le soutien de l'équipe DRG Motor pour déterminer le moteur adapté à votre application. La bonne valeur de rendement est le critère le plus fiable d'un bon choix.

Courbe de rendement : la variation selon la charge

Exprimer le rendement d'un moteur par un seul chiffre est en réalité incomplet ; l'image juste se lit sur la courbe de rendement. Cette courbe montre le rendement du moteur à différents niveaux de charge. Sur une courbe typique, le rendement s'élève rapidement à partir d'environ 50 % de charge, atteint son sommet entre trois quarts de charge et pleine charge, et chute fortement aux très faibles charges.

Connaître cette courbe montre pourquoi il est important de faire travailler le moteur dans la bonne zone de charge. Un moteur qui travaille en permanence à 30 % de charge fonctionne en pratique de façon peu performante, même si sa plaque indique un rendement élevé. La courbe de rendement est un outil souvent négligé mais critique dans le choix d'un moteur.

L'effet du variateur de fréquence sur le rendement

Lorsqu'on calcule le rendement, on ne pense la plupart du temps qu'au moteur ; or si un variateur de fréquence est utilisé, ses propres pertes entrent aussi dans l'équation. Le variateur consomme une petite quantité d'énergie lors de la conversion ; le rendement du système est donc le produit du rendement du moteur et de celui du variateur.

Cela étant, dans les applications à charge variable, l'économie apportée par le variateur est bien plus grande que sa propre perte. Autrement dit, la petite perte du variateur reste négligeable à côté de la grande économie obtenue par le contrôle de vitesse. Pour une évaluation correcte, il faut considérer le système dans son ensemble.

Erreurs fréquentes lors de la mesure

Quelques erreurs courantes peuvent fausser le résultat d'une mesure de rendement. La première d'entre elles consiste à mesurer le moteur non pas à pleine charge mais à faible charge, puis à comparer avec la plaque ; cela donne un résultat de « faible rendement » qui ne correspond pas à la réalité. Une autre erreur est que les appareils de mesure ne soient pas calibrés, ou que le facteur de puissance ne soit pas pris en compte lors de la mesure de la puissance d'entrée.

Une mesure correcte exige une méthode d'essai normalisée, des appareils calibrés et des conditions de charge appropriées. C'est pourquoi les valeurs de rendement fiables proviennent d'essais réalisés en laboratoire selon les normes IEC. Les mesures sur site sont plutôt un outil de surveillance et de comparaison.

Traduire le rendement en coût annuel

Traduire la valeur de rendement en coût concret clarifie la décision. Le coût énergétique annuel d'un moteur se calcule à partir de sa puissance, de ses heures de fonctionnement et du prix unitaire de l'électricité. L'écart de rendement entre deux moteurs détermine directement l'écart sur ce coût annuel. Par exemple, un écart de rendement de quelques points correspond à un montant annuel important sur un gros moteur très sollicité.

Ce calcul montre pourquoi le rendement n'est pas un pourcentage abstrait, mais signifie directement de l'argent. Traduire le rendement en coût annuel est le moyen le plus pratique de voir quel moteur est réellement économique.

Rendement de plaque et rendement réel

Le rendement inscrit sur la plaque est une valeur mesurée dans des conditions idéales ; le rendement réel sur le terrain dépend en revanche des conditions de fonctionnement. Une tension basse, des phases déséquilibrées, une surcharge ou une mauvaise maintenance peuvent faire descendre le rendement réel en dessous de la valeur de plaque. Le rendement de plaque est donc une référence, mais le préserver sur le terrain demande un effort distinct.

Le moyen de maintenir le rendement réel proche de celui de la plaque est une bonne alimentation, une bonne charge et une maintenance régulière. S'il est juste de faire confiance au rendement de plaque, il est impossible d'obtenir cette valeur en pratique sans faire travailler le moteur dans les bonnes conditions.

Questions fréquentes

Comment calcule-t-on le rendement d'un moteur ? On divise la puissance mécanique de sortie transmise à l'arbre par la puissance électrique d'entrée absorbée sur le réseau, puis on multiplie par cent : rendement (%) = (sortie / entrée) × 100.

Quelles sont les pertes dans un moteur ? Les pertes cuivre (résistance), fer (magnétiques), mécaniques (frottement et ventilation) et en charge (supplémentaires) ; leur somme détermine le rendement du moteur.

Pourquoi le rendement ne peut-il pas atteindre 100 % ? Parce que la résistance, l'hystérésis et le frottement sont physiquement inévitables, une partie de l'énergie se transforme toujours en chaleur.

Quelle perte dépend de la charge ? Les pertes cuivre augmentent avec la charge ; les pertes fer, en revanche, sont indépendantes de la charge et se poursuivent même à vide.

Comment mesure-t-on le rendement ? Par la méthode directe, en mesurant les puissances d'entrée et de sortie, ou par la méthode indirecte, en déterminant les pertes et en les retirant de la puissance d'entrée ; le tout selon la norme IEC 60034-2-1.

Le rendement de plaque est-il préservé sur le terrain ? Oui, avec un bon dimensionnement et une bonne maintenance ; un moteur mal dimensionné ou mal entretenu ne peut pas donner en pratique le rendement de plaque.

Qu'est-ce que la courbe de rendement ? C'est la courbe qui montre le rendement du moteur à différents niveaux de charge ; le rendement atteint son sommet entre trois quarts de charge et pleine charge et baisse aux très faibles charges.

Comprendre le rendement

Le rendement d'un moteur n'est pas un pourcentage abstrait ; c'est la mesure du travail utile qui reste après la somme des pertes cuivre, fer, mécaniques et en charge. Calculer le rendement est aussi simple que de rapporter la puissance de sortie à la puissance d'entrée ; mais derrière ce chiffre se trouve une ingénierie attentive qui cherche à réduire chaque perte. Savoir d'où viennent les pertes et comment elles sont réduites facilite la compréhension de l'écart entre les classes de rendement, le choix du bon moteur et son exploitation la plus efficace sur le terrain.