Un moteur électrique AC à haut rendement est une machine qui convertit en puissance mécanique la plus grande part possible de l'énergie électrique absorbée sur le réseau et qui réduit les pertes au minimum. Le rendement d'un moteur résulte de l'ensemble formé par la qualité du bobinage, la qualité du paquet de tôles, la conception du rotor et les pertes mécaniques. Dans cet article, nous examinons dans le détail technique ce qui détermine le rendement des moteurs AC, les classes de rendement et l'économie d'énergie obtenue par un choix correct.

Que signifie le rendement dans un moteur AC ?

Le rendement est le rapport entre la puissance de sortie du moteur (la puissance mécanique en bout d'arbre) et la puissance électrique absorbée. Aucun moteur n'est efficace à 100 % ; une partie de l'énergie absorbée se perd en se transformant en chaleur. Dans un moteur à haut rendement ces pertes sont faibles, le moteur chauffe donc moins et accomplit le même travail en consommant moins d'électricité. Ce simple rapport, étalé sur des années, crée une grande différence sur le coût d'exploitation.

D'où naissent les pertes dans un moteur ?

Dans un moteur AC, les pertes d'énergie proviennent de plusieurs sources, et une conception à haut rendement vise à réduire chacune d'elles séparément :

  • Pertes cuivre (ohmiques) : elles naissent de la résistance des fils du bobinage ; on les abaisse avec du cuivre de forte section.
  • Pertes fer : elles proviennent de l'hystérésis et des courants de Foucault dans le paquet de tôles ; on les réduit avec des tôles siliciées minces.
  • Pertes rotoriques : elles naissent de la résistance des barres de la cage.
  • Pertes mécaniques : elles proviennent du frottement des roulements et de la résistance de l'air du ventilateur.

IE5 ou une classe inférieure pour un moteur AC

Le rendement des moteurs AC est classé par la norme IEC 60034-30-1. Cette norme note les moteurs de IE1 (standard) à IE5 (ultra premium) ; plus la classe s'élève, plus les pertes diminuent. Le choix aujourd'hui répandu dans l'industrie est IE3 ; sur les systèmes travaillant en continu et sous charge lourde, IE4 se démarque. Les moteurs de classe de rendement IE3 constituent une option équilibrée en rendement et en coût pour la plupart des applications industrielles. Lors du choix d'un moteur, la classe de rendement est un poste à prendre impérativement en considération, au même titre que la puissance.

Rotor à cage d'écureuil et structure

La grande majorité des moteurs AC industriels sont des moteurs asynchrones à cage d'écureuil. Dans cette structure, le rotor est une cage constituée de barres en aluminium ou en cuivre ; il n'y a ni balais ni bagues. Les rotors à cage en cuivre présentant une résistance plus faible que l'aluminium, ils réduisent les pertes rotoriques et augmentent le rendement. Cette structure simple et robuste rend possible à la fois un rendement élevé et une longue durée de vie ; l'absence de surface de contact soumise à l'usure abaisse le besoin de maintenance. Le principe de fonctionnement des moteurs AC asynchrones explique en détail pourquoi cette structure de rotor s'est généralisée.

Relation entre le glissement et le rendement

Dans les moteurs asynchrones, le rotor tourne légèrement en retard sur le champ magnétique tournant ; cette différence s'appelle le glissement. Plus le glissement augmente, plus les pertes rotoriques s'élèvent et plus le rendement baisse. Dans les moteurs à haut rendement, le glissement est maintenu faible ; le moteur travaille ainsi près de sa vitesse nominale et la chute de vitesse en charge diminue. Sous une alimentation 400 V / 50 Hz, un moteur à 4 pôles a une vitesse synchrone de 1500 tr/min et sa vitesse réelle se situe un peu en dessous selon le glissement. Un faible glissement est un avantage tant pour le rendement que pour la stabilité de fonctionnement.

Nombre de pôles, vitesse et application

Dans les moteurs AC, le nombre de pôles détermine la vitesse : 2 pôles environ 3000 tr/min, 4 pôles 1500 tr/min, 6 pôles 1000 tr/min. Les moteurs à faible vitesse produisent un couple plus élevé à puissance égale et conviennent aux applications telles que convoyeurs et agitateurs, tandis que les moteurs à vitesse élevée conviennent aux pompes et aux ventilateurs. Choisir, à la vitesse la mieux adaptée à l'application, un moteur qui n'est pas plus grand que nécessaire est la condition de base du rendement ; car un grand moteur travaillant à très faible charge n'atteint pas le rendement de sa plaque.

Classe F ou classe H : la décision liée au milieu sur un moteur AC

Un moteur AC à haut rendement est conçu pour répondre aux conditions industrielles. L'indice de protection standard est IP55 ; il est protégé contre la poussière et les projections d'eau. L'isolation du bobinage est généralement de classe F (155 °C) et le régime S1 est retenu pour le service continu. Comme les moteurs à haut rendement chauffent moins, la température du bobinage reste basse, ce qui allonge la durée de vie de l'isolation. Le raccordement mécanique peut être du type à pattes (B3), à bride (B5) ou à petite bride (B14). Lorsque ces caractéristiques sont correctement associées à l'application, le moteur montre aussi sur le terrain le rendement de son catalogue.

Effet du taux de charge sur le rendement

Le rendement de plaque d'un moteur est généralement mesuré au voisinage de la charge nominale. Dans les installations réelles, les moteurs travaillent le plus souvent non pas à pleine charge, mais dans une bande de 50 à 75 %. Même si la courbe de rendement d'un moteur AC reste relativement plate dans cet intervalle, le rendement chute rapidement et le facteur de puissance se dégrade aux très faibles charges, en dessous de 25 %. Dimensionner le moteur selon le besoin pèse donc autant que le choix de la classe. Plutôt qu'un grand moteur travaillant en permanence à faible charge, un moteur plus petit correctement ajusté à l'application fonctionne à la fois avec un meilleur rendement et à moindre coût. Sur les lignes au profil de charge variable, la façon de préserver le rendement consiste à choisir le moteur selon son point de fonctionnement typique.

Rendement et régulation de vitesse avec un variateur

Sur les applications à débit variable comme les pompes et les ventilateurs, le moteur n'est pas le seul élément qui détermine le rendement ; la méthode d'entraînement compte au moins autant que le moteur. Dans les systèmes où le débit est réduit par étranglement de la vanne, le moteur continue de tourner à pleine vitesse et l'énergie est gaspillée. Dans les systèmes où la vitesse est ajustée à la charge par un variateur de fréquence, la consommation baisse en revanche nettement à mesure que le débit diminue ; car dans les applications centrifuges la puissance varie proportionnellement au cube de la vitesse. Associer un moteur à haut rendement à un variateur adapté est l'une des méthodes les plus efficaces pour multiplier l'économie d'énergie réelle sur le terrain.

Comment calculer l'économie

Le véritable bénéfice d'un moteur à haut rendement grandit à mesure que les heures de fonctionnement augmentent. Prenons l'exemple d'un moteur de 22 kW fonctionnant 5000 heures par an. Lorsque le rendement augmente de quelques points lors du passage de IE1 à IE3, la puissance absorbée diminue de plusieurs centaines de watts ; multipliée par les heures de fonctionnement annuelles, cette différence permet d'économiser des milliers de kWh. Le coût de l'électricité consommée par le moteur pendant sa durée de vie dépasse largement son prix d'achat ; le rendement est donc le critère au centre de la décision d'achat.

Points à surveiller lors du choix d'un moteur à haut rendement

Choisir le bon moteur ne s'arrête pas au choix d'une classe de rendement élevée ; la puissance du moteur doit correspondre exactement à l'application, le nombre de pôles doit fournir la bonne vitesse et l'indice de protection doit convenir au milieu. Sur une large plage allant de 0,55 kW à 355 kW, DRG Motor vous apporte une assistance technique pour l'approvisionnement de moteurs AC dans la classe de rendement adaptée à l'application. Un moteur à haut rendement correctement choisi abaisse la facture d'énergie et, chauffant moins, fonctionne plus longtemps ; cela en fait un gain durable pour l'exploitation.

Effet du refroidissement et de la maintenance sur le rendement

Un moteur dont la plaque annonce un rendement élevé ne tient pas cette valeur lorsque les conditions de travail sur le terrain se dégradent. Le facteur le plus souvent négligé est le refroidissement : lorsque les ailettes du carter se remplissent de poussière et de fibres, l'évacuation de la chaleur s'affaiblit, et à mesure que la température monte la résistance du bobinage en cuivre augmente et les pertes ohmiques grandissent. De même, des roulements dont la graisse est épuisée ou qui sont usés augmentent la perte par frottement ; un défaut d'alignement au niveau de la poulie impose à l'arbre une charge radiale inutile et accroît à la fois la perte et l'usure. Préserver le rendement pendant toute l'exploitation tient donc à quelques habitudes simples : garder les grilles d'entrée d'air dégagées, nettoyer périodiquement la surface du carter et respecter les intervalles de graissage des roulements. La valeur d'un moteur à haut rendement correctement choisi n'apparaît pleinement que lorsqu'elle est accompagnée de cette discipline de maintenance de base.