Les moteurs AC à haut rendement comptent parmi les investissements les plus rationnels dans une industrie où les coûts de l'énergie deviennent un poste de plus en plus important du budget d'exploitation. Le prix d'achat d'un moteur électrique ne constitue qu'une petite part du coût total de possession ; la charge réelle, c'est l'électricité que le moteur consomme pendant des années. Dans cet article, nous examinons en profondeur par quelles caractéristiques techniques les moteurs AC à haut rendement procurent cette économie et comment se fait le bon choix.

Pourquoi le rendement est-il si important ?

Le rendement d'un moteur indique quelle part de la puissance électrique absorbée sur le réseau il convertit en puissance mécanique en bout d'arbre. Le reste est dissipé en chaleur, en frottement et en pertes magnétiques. Même si l'écart entre un moteur fonctionnant à 90 % de rendement et un moteur à 94 % semble faible, il crée une baisse nette de la facture énergétique annuelle sur une application de forte puissance fonctionnant en continu.

Chaque palier réduit les pertes de quinze à vingt pour cent

La norme internationale IEC 60034-30-1 répartit le rendement des moteurs en classes nettes :

  • IE1 : le palier le plus bas ; son rendement étant faible, il est désormais écarté des installations neuves
  • IE2 : rendement élevé
  • IE3 : le palier premium le plus courant aujourd'hui dans l'industrie, celui sur lequel s'appuie la réglementation
  • IE4 : rendement super premium
  • IE5 : le palier le plus haut, où les pertes sont minimales, destiné aux applications spécifiques

Chaque classe réduit les pertes d'environ 15 à 20 % par rapport à la précédente. Les moteurs électriques IE3 constituent aujourd'hui la classe de rendement la plus largement retenue dans l'industrie.

Comment obtient-on un haut rendement ?

Le haut rendement est la somme de nombreuses améliorations de la conception de fabrication. Des bobinages en cuivre de meilleure qualité et de plus forte section abaissent la perte ohmique ; des paquets de tôles au silicium à faibles pertes réduisent la perte fer ; une géométrie d'encoches rotoriques optimisée et un entrefer plus précis augmentent le rendement magnétique. Même si ces améliorations alourdissent quelque peu le moteur, elles réduisent durablement les pertes.

Comment calculer l'économie

Un exemple simple concrétise cet écart : considérons un moteur de 22 kW fonctionnant 6000 heures par an. S'il fonctionne à 89 % de rendement en classe IE1 et atteint 92,7 % en classe IE3, la différence représente chaque heure un gain de quelques centaines de watts. Sur l'année, cela atteint plusieurs milliers de kilowattheures d'économie et le supplément payé pour la classe de rendement est généralement récupéré en 1,5 à 2 ans. Toute l'économie réalisée après cette période constitue directement le bénéfice de l'entreprise.

En combinaison avec un onduleur de fréquence

Le potentiel d'un moteur à haut rendement est démultiplié par un variateur de vitesse (VFD). Dans les applications à couple variable comme les pompes et les ventilateurs, ajuster le débit par la vitesse du moteur plutôt que par une vanne procure une économie d'énergie supplémentaire de 20 à 50 %. Car dans ces applications, le besoin de puissance varie proportionnellement au cube de la vitesse ; une faible baisse de vitesse entraîne une forte diminution de la puissance.

Les options de montage B3, B5 et B14 se déterminent avec le matériau du carter

Les moteurs AC à haut rendement présentent typiquement les caractéristiques suivantes : alimentation 400 V / 50 Hz, indice de protection IP55, isolation de classe F (155 °C) et régime de service continu S1. La plage de puissance s'étend de 0,55 kW à 355 kW. Comme forme de montage, les options B3 à pattes, B5 et B14 à bride sont proposées. Le matériau du carter peut être la fonte dans les applications lourdes et l'aluminium dans les puissances moyennes.

Choisir le bon moteur performant

Une classe de rendement élevée ne suffit pas à elle seule ; le point de charge du moteur doit lui aussi être correct. Un moteur atteint son rendement maximal entre environ 75 et 100 % de sa puissance nominale. Un moteur choisi trop grand voit à la fois son rendement et son facteur de puissance chuter lorsqu'il fonctionne à faible charge. C'est pourquoi la puissance réelle sur l'arbre de l'application est calculée, puis le nombre de pôles et la classe de rendement sont évalués ensemble.

Le rendement est différent du facteur de puissance

Deux notions souvent confondues lors du choix d'un moteur à haut rendement sont le rendement et le facteur de puissance. Le rendement exprime la part de la puissance active absorbée que le moteur convertit en puissance mécanique ; le facteur de puissance exprime quant à lui la part du courant total absorbé qui va au travail utile. Les moteurs à haut rendement possèdent généralement aussi un meilleur facteur de puissance, mais il faut évaluer les deux séparément. Alors qu'un faible facteur de puissance peut être corrigé par une compensation, un faible rendement, découlant de la conception du moteur, ne peut pas être corrigé sur site. C'est pourquoi le rendement est une décision prise au stade de l'achat et sans retour possible.

Remplacer les moteurs existants ou attendre ?

De nombreuses entreprises hésitent à remplacer d'anciens moteurs de classe IE1 encore en service. Pourtant, sur un moteur de forte puissance fonctionnant en continu, l'économie apportée par un équivalent neuf à haut rendement couvre le plus souvent le coût du remplacement en quelques années. Pour décider, on évalue conjointement les heures de fonctionnement annuelles du moteur, sa puissance et sa classe de rendement actuelle. Alors que la priorité de remplacement est faible sur de petits moteurs peu sollicités, la transition s'amortit rapidement sur les entraînements principaux tournant 16 à 24 heures par jour. Remplacer par un modèle neuf à haut rendement un moteur au bobinage grillé, plutôt que de le faire rebobiner, est aussi dans la plupart des cas un choix plus judicieux.

Refroidissement et comportement thermique

Les moteurs à haut rendement produisant moins de pertes, ils chauffent moins ; cela prolonge la durée de vie de l'isolation et des paliers. La méthode de refroidissement standard consiste, pour le ventilateur en bout d'arbre, à souffler de l'air sur les ailettes du carter (IC411). Toutefois, dans les applications fonctionnant en continu à très faible vitesse, son propre ventilateur peut ne pas assurer un refroidissement suffisant ; dans ce cas, un ventilateur de refroidissement forcé à entraînement indépendant est utilisé. Maintenir basse la température de fonctionnement du moteur préserve le rendement et réduit le risque de panne.

Comportement à charge partielle et courbe de rendement

Le rendement d'un moteur n'est pas un nombre fixe ; il dessine une courbe qui varie selon le taux de charge. Un moteur AC typique atteint son rendement maximal à une charge comprise entre 75 et 100 % de sa puissance nominale. Lorsque la charge descend sous 50 %, le rendement recule rapidement et le facteur de puissance se dégrade également. Un avantage important des moteurs à haut rendement est que cette courbe reste élevée sur une plage de charge plus large ; autrement dit, ils conservent leur supériorité de rendement même dans les applications à charge variable. C'est pourquoi, lors du choix d'un moteur, il faut regarder non seulement le rendement de plaque, mais aussi la charge de fonctionnement réelle.

Normes, certificats et conformité

Les valeurs de rendement des moteurs à haut rendement sont déclarées selon la norme IEC 60034-30-1 et les méthodes d'essai sont définies par la norme IEC 60034-2-1. Les moteurs vendus sur le marché européen doivent en outre être conformes à la réglementation d'écoconception qui fixe les exigences minimales de rendement. Cette conformité signifie que la classe IE indiquée sur la plaque a été vérifiée dans des conditions d'essai indépendantes. Au stade de l'approvisionnement, l'appui de la classe de rendement par un document vient au premier rang, tant pour la conformité réglementaire que pour la réalité de l'économie déclarée. Si les valeurs déclarées se réfèrent à la norme, l'économie d'énergie calculée par l'acheteur se vérifie aussi.

Passer au moteur performant avec DRG

Sous l'enseigne DRG Motor, nous fournissons sur stock des moteurs AC de classe de rendement IE3 et supérieure dans une large plage de puissance. Lorsque vous souhaitez remplacer vos moteurs existants par leurs équivalents à haut rendement, nous vous aidons à porter au maximum votre potentiel d'économie d'énergie en effectuant ensemble le choix de puissance et de pôles adapté à votre application. Pour une offre propre à votre besoin et un support technique, vous pouvez nous contacter.