Mesure de la puissance et du rendement d'un moteur (analyseur de puissance)

Le seul moyen fiable de savoir avec quelle efficacité un moteur électrique fonctionne réellement est de le mesurer. La valeur de rendement inscrite sur la plaque est une référence obtenue par le fabricant dans des conditions d'essai en laboratoire ; sur site, la charge réelle du moteur, la tension d'alimentation, la température ambiante et son état mécanique peuvent être fort différents de ces conditions. Il n'est donc pas possible de connaître le rendement réel du moteur en regardant la plaque ; en revanche, lorsque vous mesurez la puissance électrique absorbée du réseau et la puissance mécanique délivrée par l'arbre puis que vous les rapportez l'une à l'autre, vous obtenez le rendement réel du moteur à cet instant. Dans cet article, nous traitons pas à pas, avec l'approche d'ingénierie de DRG Motor, comment se mesure la puissance absorbée, comment se détermine la puissance utile, quel est le rôle de l'analyseur de puissance, quelle est l'importance du facteur de puissance et comment se fait la vérification du rendement sur site. Une mesure correcte rend visibles les possibilités d'économie d'énergie et donne également une alerte précoce sur la santé du moteur. Nous abordons le sujet de manière que le technicien débutant avec l'appareil de mesure comme l'ingénieur souhaitant réduire le coût énergétique de son installation puissent le mettre en pratique.

Pourquoi mesurer le rendement ?

Le coût de l'énergie consommée par un moteur au cours de sa vie dépasse largement son prix d'achat. Sur un moteur fonctionnant en continu, une différence de quelques points de rendement se transforme en une somme considérable au fil des années. C'est pourquoi il faut mesurer le rendement et non l'estimer. La mesure montre chiffres à l'appui quel moteur doit être remplacé, quelle ligne consomme de l'énergie inutilement et quelle amélioration a réellement porté ses fruits.

Définition du rendement

Le rendement est le rapport de la puissance mécanique utile délivrée par l'arbre du moteur à la puissance électrique absorbée du réseau. Il s'exprime en pourcentage. La puissance absorbée est toujours supérieure à la puissance utile ; la différence correspond aux pertes converties en chaleur à l'intérieur du moteur. Plus le rendement est élevé, moins on dépense d'énergie pour le même travail. Nous avons examiné en détail l'origine de ces pertes dans notre article pertes de rendement d'un moteur électrique .

Comment mesure-t-on la puissance absorbée ?

La puissance absorbée est la puissance active que le moteur prélève sur le réseau et elle s'exprime en kilowatts (kW). Sur un moteur triphasé, la puissance absorbée s'obtient en évaluant conjointement la tension de phase, le courant de phase et le facteur de puissance. Multiplier uniquement la tension par le courant est trompeur, car ce produit donne la puissance apparente (kVA) et non la puissance active. La différence est déterminée par le facteur de puissance.

Puissance apparente, active et réactive

On distingue trois types de puissance sur un moteur électrique. La puissance active (kW) est la puissance qui accomplit réellement le travail et se convertit en sortie mécanique et en pertes. La puissance réactive (kVAr) est la puissance nécessaire pour établir le champ magnétique, qui n'accomplit pas de travail mais charge les lignes. La puissance apparente (kVA) est quant à elle la somme vectorielle des deux précédentes. La puissance à utiliser dans le calcul du rendement est la puissance active. Distinguer ces trois puissances constitue la base de la mesure, car un calcul effectué avec le mauvais type de puissance peut donner un rendement très éloigné de la réalité. Sans mesurer correctement la puissance active, il n'est pas possible d'obtenir une valeur de rendement fiable.

Le rôle du facteur de puissance

Le facteur de puissance est le rapport de la puissance active à la puissance apparente et il se note cosφ. Les moteurs asynchrones sont inductifs par nature, c'est pourquoi leur facteur de puissance est inférieur à un. Alors que le facteur de puissance d'un moteur tournant à vide est très faible, il augmente à pleine charge. Un faible facteur de puissance signifie qu'un courant plus important est prélevé sur les lignes pour la même puissance active ; cela accroît les pertes dans les câbles et le transformateur. Le facteur de puissance fait partie intégrante de la mesure du rendement, car il doit impérativement être connu pour calculer correctement la puissance active. Un faible facteur de puissance ne signifie pas à lui seul que le moteur est peu performant, mais il crée une charge et un coût supplémentaires du côté du réseau. C'est pourquoi le rendement et le facteur de puissance doivent être évalués ensemble.

Qu'est-ce qu'un analyseur de puissance ?

L'analyseur de puissance est un appareil qui mesure simultanément la tension, le courant, le facteur de puissance, les puissances active, réactive et apparente, et le plus souvent les harmoniques. Ce qui le distingue d'un simple multimètre, c'est qu'il évalue ces grandeurs de façon synchrone et avec la bonne phase. Dans la mesure du rendement, l'analyseur de puissance donne la puissance absorbée en une seule étape et avec une grande exactitude ; c'est pourquoi il est l'outil indispensable de la vérification du rendement sur site.

Mesure avec un analyseur de puissance

Pendant la mesure, des pinces ampèremétriques ou des transformateurs de courant sont raccordés sur chaque phase du moteur, les sondes de tension entrent en contact avec les bornes de phase et l'appareil calcule automatiquement la puissance active. Les analyseurs de puissance modernes mesurent les trois phases ensemble plutôt que sur un ou deux canaux, ce qui rend aussi visible le déséquilibre. Si la mesure n'est pas effectuée moteur en pleine charge, la valeur obtenue n'est pas le rendement réel.

Comment détermine-t-on la puissance utile ?

La puissance utile est la puissance mécanique délivrée par l'arbre du moteur. Sa mesure directe exige le couple à l'arbre et la vitesse de rotation ; la puissance mécanique est le produit du couple et de la vitesse angulaire. Un capteur de couple ou un dynamomètre est utilisé pour la mesure du couple. Cet équipement n'étant pas toujours disponible sur site, la puissance utile est le plus souvent estimée par des méthodes indirectes.

Estimation indirecte de la puissance utile

Sur site, l'approche la plus pratique consiste à déterminer le pourcentage de charge du moteur et à corriger le rendement de plaque selon cette charge. Le glissement de la vitesse de rotation (slip) donne une indication sur la charge ; plus le moteur est éloigné de la vitesse synchrone, plus il est chargé. Le rapport du courant absorbé au courant nominal est aussi utilisé comme indicateur de charge. Ces méthodes ne sont pas aussi précises qu'un dynamomètre mais elles offrent une exactitude suffisante dans les conditions de terrain. L'important est de connaître les limites de la méthode utilisée et d'interpréter les résultats en conséquence. Utiliser plusieurs méthodes ensemble, par exemple évaluer à la fois le glissement et le rapport de courant, accroît la fiabilité de l'estimation et réduit les erreurs possibles.

Relation entre couple, vitesse et puissance

La puissance mécanique utile dépend du produit du couple et de la vitesse de rotation. La même puissance peut se présenter comme un couple élevé à faible vitesse ou un couple faible à vitesse élevée. Comprendre cette relation fondamentale est la clé d'une interprétation correcte de la puissance utile et donc du rendement. Nous avons traité le sujet dans notre article relation entre puissance, couple et vitesse d'un moteur .

Le calcul du rendement

Le rendement s'obtient en divisant la puissance utile par la puissance absorbée puis en multipliant par cent. Par exemple, si la puissance absorbée mesurée est de 11 kW et la puissance utile déterminée à 10 kW, le rendement est d'environ 91 %. Ce simple rapport résume la performance réelle du moteur à cet instant. La fiabilité du calcul dépend de l'exactitude de la mesure d'entrée comme de celle de sortie.

Tableau de vérification du rendement sur site

Le tableau ci-dessous résume la logique de la vérification sur site en donnant, pour différents niveaux de charge, un exemple de puissance absorbée, de puissance utile estimée et de rendement d'un moteur asynchrone typique. Les valeurs sont données à titre d'exemple ; sur un moteur réel, elles doivent être déterminées par la mesure.

Comme le montre le tableau, le rendement et le facteur de puissance augmentent avec la charge et atteignent généralement leur meilleure valeur aux environs de la pleine charge. Lorsqu'un moteur choisi trop grand fonctionne en permanence à faible charge, le rendement et le facteur de puissance baissent tous les deux ; cela montre l'importance d'un choix de moteur correct.

L'effet d'un dimensionnement correct

Un moteur choisi très au-delà du besoin évolue toute sa vie dans la zone de faible charge et n'atteint jamais son point le plus performant. Un moteur correctement dimensionné fonctionne en revanche la plupart du temps dans la zone de rendement élevé. C'est pourquoi la mesure du rendement révèle en même temps si le moteur a été choisi en adéquation avec l'application.

Erreurs de mesure et leurs causes

Les mesures sur site comportent de nombreuses sources d'erreur. Des pinces ampèremétriques mal raccordées, des appareils de faible exactitude, le fait de négliger les harmoniques et des conditions de charge instables faussent le résultat. La mesure doit être effectuée, si possible, sous une charge stable et typique, avec un analyseur de puissance étalonné.

L'effet des harmoniques sur la mesure

Sur les moteurs alimentés par variateur, la forme d'onde du courant s'écarte de la sinusoïde et comporte des harmoniques. Les appareils simples qui ne tiennent pas compte des harmoniques mesurent mal la puissance. Un analyseur de puissance capable de mesurer la vraie valeur efficace (RMS) et les harmoniques donne un résultat correct dans ce cas. Les harmoniques créent en outre un échauffement supplémentaire et une perte de rendement dans le moteur.

L'effet du déséquilibre sur la mesure

Le déséquilibre de tension conduit à une répartition inégale de la puissance entre les phases ; une mesure effectuée sur une seule phase devient trompeuse. C'est pourquoi les trois phases doivent être mesurées ensemble. Nous avons traité les effets du déséquilibre sur le moteur dans un article distinct ; ce phénomène doit impérativement être pris en compte pendant la mesure. Un analyseur de puissance qui mesure les trois phases ensemble donne à la fois la puissance totale correcte et rend visible l'écart entre les phases, offrant ainsi une information à double titre sur le rendement et sur la santé du moteur.

Le choix du moment de la mesure

Le moment où la mesure du rendement est effectuée influence directement le sens du résultat. Le moteur doit avoir suffisamment tourné pour s'être échauffé et avoir atteint un régime stable ; une mesure faite juste après un démarrage à froid ne reflète pas la situation réelle. Il faut en outre choisir un instant où la charge est typique et stable. Une mesure unique prise sous une charge en fluctuation continue peut ne pas représenter la moyenne ; dans ce cas, effectuer un enregistrement de courte durée et en prendre la moyenne donne un résultat plus juste.

La bonne installation de l'appareil

Pour que l'analyseur de puissance donne un résultat correct, il doit être correctement installé. Les pinces ampèremétriques doivent être raccordées dans le bon sens et sur la bonne phase, les sondes de tension doivent entrer en contact aux bons points. Une inversion de polarité ou une confusion de phase peut faire apparaître la puissance plus faible qu'elle n'est, voire négative. C'est pourquoi les raccordements doivent être vérifiés avec soin avant la mesure et la vraisemblance des valeurs affichées par l'appareil doit être évaluée rapidement.

Mesure ponctuelle et surveillance continue

Une mesure unique montre l'état du moteur à cet instant ; mais la charge évolue avec le temps. Pour voir le véritable potentiel d'économie, une surveillance continue est nécessaire. La surveillance continue révèle la baisse lente du rendement, l'augmentation des pertes et l'évolution du profil de charge. Nous avons détaillé ce sujet dans notre article surveillance de l'énergie d'un moteur électrique .

Économiser grâce à la surveillance

La surveillance continue de l'énergie ne se contente pas de collecter des données ; elle rend aussi visibles les possibilités d'économie. Quel moteur tourne inutilement, quelle ligne est surchargée et quel est le temps de retour d'une amélioration : tout cela se précise grâce aux données de surveillance. Pour calculer l'économie chiffres à l'appui, notre article calcul de l'économie d'énergie d'un moteur performant vous guide pas à pas.

La vérification du temps de retour sur investissement

Le temps de retour du passage à un moteur à haut rendement ne peut être vérifié que par une mesure réelle. Les estimations fondées sur les valeurs de plaque peuvent être optimistes ; la mesure sur site montre en combien de temps l'investissement se rembourse réellement. La mesure du rendement fait donc aussi partie de la décision d'achat.

L'avantage des moteurs à haut rendement

Les moteurs à haut rendement absorbent moins d'énergie pour le même travail et chauffent moins. Lorsqu'elle est vérifiée par la mesure, l'économie procurée par ces moteurs est le plus souvent supérieure aux attentes. Notre article moteurs électriques à haut rendement traite les avantages offerts par cette classe.

La pratique de la mesure dans les installations industrielles

Dans les installations industrielles où fonctionnent de nombreux moteurs, la mesure du rendement doit commencer par les lignes les plus énergivores. Les moteurs de forte puissance fonctionnant en continu recèlent un grand potentiel d'économie, même avec de petites améliorations. Notre article moteurs électriques industriels traite largement les exigences de ces applications.

Intégrer la mesure à la routine d'entretien

La mesure de la puissance et du rendement doit faire partie de l'entretien périodique. Un rendement qui baisse au fil du temps annonce le plus souvent un problème mécanique, une augmentation du frottement ou un problème de paliers. Ainsi, la mesure du rendement n'est pas seulement un outil de gestion de l'énergie, mais aussi un outil de maintenance prévisionnelle.

Le lien entre baisse de rendement et panne

Une baisse lente du rendement est le signe que quelque chose a changé à l'intérieur du moteur. L'augmentation du frottement des paliers, un défaut d'alignement, des canaux de refroidissement encrassés ou le vieillissement du bobinage font baisser le rendement. C'est pourquoi la tendance du rendement est un indicateur précieux de la santé générale du moteur et doit être suivie régulièrement.

L'effet de l'alignement sur le rendement

Lorsque l'alignement de l'accouplement entre le moteur et la machine qu'il entraîne se dégrade, le moteur travaille sous une charge mécanique supplémentaire et cette surcharge se répercute directement sur le rendement. Un défaut d'alignement produit à la fois un frottement supplémentaire et des vibrations ; l'un et l'autre détournent l'énergie du travail utile et la convertissent en chaleur. C'est pourquoi un technicien qui mesure le rendement doit également contrôler l'alignement mécanique lorsqu'il constate un rendement inférieur aux attentes. Nous avons traité l'importance de l'alignement dans notre article alignement de l'arbre et de l'accouplement d'un moteur .

Le lien entre vibration et rendement

Une vibration élevée montre qu'une partie de l'énergie du moteur ne va pas au travail utile mais aux oscillations et aux contraintes structurelles. La vibration réduit aussi la durée de vie des paliers, augmentant avec le temps le frottement et faisant baisser davantage le rendement. C'est pourquoi la mesure du rendement et la mesure des vibrations se complètent. Nous avons examiné les méthodes de réduction des pertes dues aux vibrations dans notre article réduction du bruit et des vibrations d'un moteur électrique .

L'apport du refroidissement au rendement

Plus un moteur fonctionne frais, plus la résistance du bobinage reste faible et plus les pertes cuivre diminuent. Des canaux de refroidissement obstrués, des surfaces d'ailettes sales ou une ventilation insuffisante échauffent le moteur ; la hausse de température accroît la résistance comme les pertes. C'est pourquoi même un simple nettoyage peut procurer une augmentation mesurable du rendement. La mesure du rendement révèle aussi indirectement les problèmes de refroidissement.

Rapport de mesure et suivi

Chaque mesure de rendement effectuée doit être consignée avec la date, l'état de charge et les conditions de mesure. Une mesure unique est comme une photographie ; la vraie valeur réside dans le film que ces photographies composent au fil du temps. Grâce à un enregistrement régulier, même le plus petit recul du rendement est remarqué et sa cause est recherchée. Une bonne discipline de rapport est le fondement de la gestion de l'énergie.

Une performance mesurable avec DRG Motor

Le rendement prend sa vraie valeur lorsqu'il est une grandeur mesurée et non supposée. Avec le bon analyseur de puissance, la bonne méthode et une surveillance régulière, vous voyez la performance réelle de vos moteurs et vous maîtrisez vos coûts énergétiques. DRG Motor offre une économie mesurable avec les moteurs asynchrones AC qu'il produit en classe de rendement élevé ; pour le choix du moteur adapté à votre application, le dimensionnement correct et la vérification du rendement, vous pouvez contacter l'équipe d'ingénierie de DRG Motor. L'installation qui mesure est l'installation qui gagne.