Récupération d'énergie par freinage régénératif sur les machines à cycles start-stop

Lorsqu'une grue descend sa charge, lorsqu'un ascenseur descend ou lorsqu'une centrifugeuse à forte inertie ralentit, le moteur ne s'arrête pas réellement ; il commence à convertir l'énergie mécanique en électricité. À ces instants, le moteur cesse d'être un consommateur et se transforme en génératrice. Dans les installations classiques, cette énergie est dissipée en chaleur dans une résistance ; or, avec une architecture de variateur adaptée, la même énergie peut être renvoyée vers le réseau et faire baisser la facture. Dans cet article, nous traitons du fonctionnement du freinage régénératif sur les charges qui démarrent et s'arrêtent fréquemment ou qui ralentissent en permanence, de sa différence avec le freinage rhéostatique et des applications dans lesquelles il apporte réellement un gain significatif.

Quand le moteur se transforme-t-il en génératrice ?

Un moteur asynchrone passe en zone de freinage lorsque son rotor est contraint de tourner plus vite que la vitesse de synchronisme ou lorsque l'inertie de la charge résiste au ralentissement du moteur. Dans cette zone, le moteur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Autrement dit, il n'est pas physiquement nécessaire de disposer d'une génératrice séparée ; le même moteur asynchrone peut être à la fois moteur et génératrice selon son point de fonctionnement.

Pour rendre cela concret, imaginez une grue : lorsque la charge monte, le couple moteur et la gravité sont de sens opposés et le moteur consomme de l'énergie. Lorsque la charge descend, la gravité accompagne le mouvement ; le rôle du moteur n'est plus de tirer, mais de freiner pour garder la descente sous contrôle. C'est précisément à cet instant que le moteur se comporte comme une génératrice en convertissant l'excédent d'énergie mécanique en électricité. La même situation se produit sur un ventilateur à forte inertie dont on réduit la vitesse ou sur une centrifugeuse qui s'arrête. L'essentiel est que le système ait prévu dès le départ vers où cette énergie sera dirigée.

Où va l'énergie de freinage ?

Cette énergie produite doit bien aller quelque part. Accumulée dans le bus continu du variateur, elle fait monter la tension à un niveau dangereux si elle n'est pas gérée, et le variateur se met en défaut pour se protéger. C'est là que les solutions régénératives et rhéostatiques interviennent pour valoriser cette énergie en toute sécurité.

Comment fonctionne le freinage rhéostatique ?

La méthode la plus répandue consiste à utiliser une résistance de freinage. Lorsque la tension du bus continu augmente, un interrupteur entre en action et convertit l'énergie excédentaire en chaleur dans une résistance. Cette méthode est simple et peu coûteuse, mais l'énergie récupérée est entièrement perdue ; de plus, la chaleur produite doit être évacuée du local.

En quoi le freinage régénératif est-il différent ?

Au lieu de convertir l'énergie de freinage en chaleur, le variateur régénératif la réinjecte dans le réseau. Pour cela, l'étage d'entrée du variateur est conçu non pas unidirectionnel, mais de manière à autoriser un flux d'énergie bidirectionnel. Ainsi, l'énergie qui apparaît au moment du ralentissement est utilisée par un autre consommateur de l'installation ou renvoyée vers le réseau. La différence, c'est celle qui sépare perdre de récupérer.

Même si cette différence paraît faible à première vue, elle correspond, sur les machines à nombre de cycles élevé, à une quantité d'énergie considérable accumulée tout au long de l'année. Avec la solution rhéostatique, cette énergie n'est pas seulement perdue : elle produit aussi de la chaleur dans l'armoire et augmente donc le besoin de refroidissement, ce qui engendre un coût à double titre. La solution régénérative supprime les deux coûts à la fois.

Sur quelles charges la régénération est-elle pertinente ?

Toutes les applications ne justifient pas une solution régénérative. Pour que le gain soit significatif, la machine doit freiner fréquemment et avec une énergie élevée. Les grues, les ascenseurs, les presses, les centrifugeuses et les ventilateurs à forte inertie se distinguent à cet égard. Pour une pompe qui fonctionne en permanence à vitesse constante, la régénération n'a aucun intérêt.

Applications de grue et de levage

Les applications de levage sont l'exemple le plus favorable à la régénération. Lorsque la charge monte, le moteur consomme de l'énergie ; lorsqu'elle descend, la gravité l'accélère et le moteur devient génératrice. Moteur électrique de grue et de levage : nous y avons traité les particularités de cette application du point de vue du choix du moteur. L'énergie produite pendant la descente peut permettre de récupérer une part importante du cycle de levage.

Ascenseurs et systèmes équilibrés

Dans les ascenseurs, le système de contrepoids équilibre une partie du poids de la cabine. Lorsque la cabine pleine descend ou que la cabine vide monte, le moteur peut passer en zone de génératrice. Le variateur régénératif transfère l'énergie produite pendant ces cycles vers les autres charges du bâtiment.

Presses et machines à mouvement alternatif

Sur les presses et les machines à mouvement alternatif, l'accélération et le ralentissement se répètent à chaque cycle. L'énergie qui apparaît lors des ralentissements atteint au total une quantité appréciable lorsque le nombre de cycles est élevé. Sur ces machines, la régénération prend de la valeur par l'accumulation d'un gain sans cesse répété.

Centrifugeuses et charges à forte inertie

Une centrifugeuse restitue, lors de son arrêt, l'énergie cinétique de la grande masse tournante qu'elle contient. Si cette énergie est convertie en chaleur dans une résistance, elle est perdue et crée en outre une charge de refroidissement. La solution régénérative est particulièrement avantageuse sur les charges à forte inertie.

Le rôle du variateur de fréquence

La régénération n'est possible qu'avec un variateur permettant de contrôler la vitesse du moteur. Le variateur de fréquence gère la rampe de ralentissement et détermine ainsi à quelle vitesse l'énergie de freinage sera produite. Plus la rampe est raide, plus la puissance produite en un temps court est élevée ; l'étage de renvoi et le variateur doivent donc être dimensionnés en conséquence. Un arrêt très rapide signifie une puissance de renvoi instantanée élevée. Économie d'énergie avec un variateur de fréquence : nous y avons traité le rôle central du variateur dans la gestion de l'énergie. Le variateur ne se contente pas de récupérer l'énergie : il garantit aussi que celle-ci est produite dans des limites sûres.

Bus continu et partage d'énergie

Dans les systèmes où plusieurs variateurs sont réunis sur un bus continu commun, l'énergie de freinage produite par un moteur peut alimenter directement un autre moteur. Cette architecture offre la possibilité de valoriser l'énergie au sein de l'installation avant de la renvoyer vers le réseau et augmente encore le rendement.

Un démarrage en accélération progressive permet de récupérer l'énergie de freinage

Les variateurs régénératifs assurent généralement aussi un démarrage contrôlé. On obtient ainsi à la fois une accélération progressive au démarrage et une récupération d'énergie au freinage. L'avantage du démarrage progressif sur un moteur électrique : nous y avons expliqué les bénéfices mécaniques et énergétiques d'un démarrage contrôlé.

Pourquoi le rendement du moteur reste-t-il important ?

La régénération permet de récupérer une partie de l'énergie produite ; mais le rendement propre du moteur est déterminant à chaque étape du cycle. Un moteur à haut rendement fonctionne avec moins de pertes, aussi bien en phase de consommation qu'en phase de production. Pertes de rendement d'un moteur électrique : notre article explique l'origine de ces pertes.

Récupération avec un moteur IE4 plutôt qu'un moteur à faible rendement

Un moteur de classe de rendement IE4 ou supérieure convertit l'énergie de freinage en électricité avec moins de pertes. Moteurs électriques à haut rendement : nous y avons traité les différences entre ces classes. C'est avec un moteur à haut rendement que vous tirerez le meilleur parti d'un système régénératif.

L'effet de la conception du rotor sur le freinage

La qualité du conducteur du rotor influe sur les pertes en fonctionnement moteur comme en fonctionnement génératrice. Moteurs électriques à rotor bobiné en cuivre : nous y avons expliqué la contribution du choix du conducteur au rendement. Un rotor à faible résistance produit l'énergie de freinage plus efficacement.

La place de l'isolation dans le fonctionnement régénératif

Les freinages et accélérations fréquents augmentent la charge thermique du moteur. C'est pourquoi la classe d'isolation est choisie avec soin dans les applications régénératives. Classe d'isolation d'un moteur électrique : notre article explique quelle classe résiste à quelle température.

Tension d'arbre et courants de roulement

Sur les moteurs alimentés par variateur et effectuant des cycles fréquents, la tension d'arbre et les courants de roulement deviennent plus critiques. Variateur de fréquence, tension d'arbre et courants de roulement : nous y avons traité ce sujet en profondeur. Dans un système régénératif, ces précautions ne doivent pas être négligées afin de préserver la durée de vie des roulements.

Longueur de câble et surtensions

Sur les variateurs régénératifs aussi, les câbles longs peuvent provoquer des pics de tension. dv/dt et onde réfléchie sur un câble moteur long : nous y avons expliqué ce phénomène. Le choix du câble fait partie de la conception, y compris dans les systèmes à récupération d'énergie.

Voir le gain grâce au suivi énergétique

La valeur réelle de la régénération ne se comprend qu'en la mesurant. Suivre l'énergie renvoyée permet de concrétiser le retour sur investissement. Suivi énergétique sur un moteur électrique : nous y avons expliqué les stratégies de suivi.

Comment se comporte le carter sur une machine à cycles fréquents

Sur les machines à cycles fréquents, la résistance du carter du moteur aux vibrations et à la chaleur prend de l'importance. Moteur électrique en fonte : nous y avons expliqué les avantages du carter en fonte. Un carter robuste se comporte de façon plus stable en fonctionnement dynamique.

Contrôle avant commande

Dans un système régénératif également, le moteur est correctement dimensionné. Un moteur choisi trop grand subit une perte de rendement à charge partielle, en fonctionnement moteur comme en fonctionnement génératrice. Le piège de la charge partielle sur un moteur surdimensionné : nous y avons détaillé ce sujet.

La régénération dans les applications industrielles

Le potentiel de régénération varie d'un secteur à l'autre selon le régime de fonctionnement de la machine. Moteurs électriques industriels : nous y avons traité les exigences des différentes applications. Chaque application révèle la valeur de la régénération à un degré différent.

Évaluer l'aptitude en lisant la plaque signalétique

Pour savoir si un moteur convient à une application régénérative, il faut lire sa plaque signalétique. Lire la classe de rendement IE sur la plaque signalétique du moteur : notre article montre la signification de chaque valeur.

Qualité des tôles et pertes magnétiques

La qualité des tôles du stator et du rotor détermine également les pertes en fonctionnement génératrice. L'effet des tôles en acier au silicium à faibles pertes sur le rendement du moteur : nous y avons traité ce sujet. Des tôles à faibles pertes produisent l'énergie de freinage plus efficacement.

Évaluer le temps de retour sur investissement

Un variateur régénératif est plus coûteux qu'une solution rhéostatique. Le retour sur cet investissement supplémentaire dépend de la fréquence de freinage de la machine et de la quantité d'énergie récupérée. Dans les applications à nombre de cycles élevé, le temps de retour se raccourcit.

Qualité de l'énergie et compatibilité avec le réseau

Un variateur qui réinjecte de l'énergie dans le réseau est correctement conçu du point de vue des harmoniques et de la concordance de phase, afin de ne pas dégrader la qualité du réseau. La récupération d'énergie entraîne aussi une responsabilité envers le réseau.

Gestion thermique et refroidissement

Alors que la chaleur constitue un problème dans le freinage rhéostatique, elle disparaît en grande partie avec la solution régénérative. Cela réduit la charge de refroidissement et abaisse la température à l'intérieur de l'armoire, ce qui prolonge la durée de vie des autres composants. Sur les machines qui freinent très fréquemment en particulier, la résistance de freinage reste en permanence à haute température et la ventilation de l'armoire doit être conçue en conséquence ; avec la solution régénérative, cette charge disparaît presque entièrement. Une armoire plus fraîche signifie une durée de vie plus longue, tant pour les composants électroniques que pour les connexions.

Maintenance et fiabilité

Moins de chaleur signifie moins de contraintes thermiques. Correctement installés, les systèmes régénératifs fonctionnent sous une charge thermique plus faible que les solutions rhéostatiques, ce qui prépare le terrain à une meilleure fiabilité sur le long terme.

Approche hybride : régénératif et rhéostatique ensemble

Dans certaines applications, les deux méthodes sont utilisées ensemble. L'énergie est récupérée lors d'un freinage normal, tandis que le freinage rhéostatique reste en secours pour assurer un arrêt sûr en cas de coupure du réseau. Cette approche tient compte à la fois du rendement et de la sécurité.

Les bonnes décisions dès la phase de conception

La régénération donne le résultat le plus efficace lorsqu'elle est envisagée dès le début de la conception de la machine. Lorsque le profil de ralentissement, l'inertie et la fréquence des cycles sont pris en compte d'emblée, le variateur et le moteur sont choisis en fonction de ce flux d'énergie.

Un gain vérifié par la mesure

Le gain apporté par la régénération varie d'une application à l'autre et les ratios généraux peuvent être trompeurs. La bonne approche consiste à déterminer le gain réel par une mesure pilote et à fonder l'investissement sur cette donnée.

Valeur de la résistance et compatibilité avec le variateur

Dans le freinage rhéostatique, la valeur et la puissance de la résistance sont choisies en fonction de l'énergie de freinage produite et de la fréquence des cycles. Une résistance mal choisie n'assure pas un freinage suffisamment rapide ou bien s'échauffe excessivement et voit sa durée de vie raccourcie. Avec le passage à une solution régénérative, ce souci de choix disparaît en grande partie ; en revanche, c'est cette fois la compatibilité de l'étage de renvoi avec les conditions du réseau qui devient importante. Dans les deux approches, la solution est adaptée au profil énergétique réel de la machine.

Comportement en cas de coupure du réseau

Comme le variateur régénératif renvoie l'énergie vers le réseau, il peut ne plus y avoir d'endroit où évacuer l'énergie de freinage lorsque le réseau est coupé. C'est pourquoi de nombreux systèmes régénératifs conservent un freinage rhéostatique de secours afin d'assurer un arrêt sûr au moment de la coupure. Ce détail fait partie intégrante de la conception dans les applications où la sécurité passe avant le gain énergétique.

Temps de cycle et densité d'énergie

Deux paramètres fondamentaux déterminent la rentabilité de la régénération : la fréquence à laquelle la machine freine et la quantité d'énergie qu'elle produit à chaque freinage. Il existe une très grande différence entre une charge légère qui freine quelques fois par heure et une presse lourde qui freine quelques fois par minute. Les machines à forte densité d'énergie et à temps de cycle court sont celles où l'investissement régénératif est amorti le plus rapidement. C'est pourquoi il faut d'abord établir le profil de cycle avant d'évaluer une application.

La répartition des tâches entre frein mécanique et frein électrique

Le freinage électrique, régénératif ou rhéostatique, ne supprime pas entièrement le frein mécanique. Tandis que le frein électrique ralentit le mouvement de façon contrôlée et gère l'énergie, le frein mécanique assume la fonction de maintien sûr et d'arrêt d'urgence. Dans une conception correcte, ces deux systèmes se complètent : le frein électrique réduit l'usure et récupère l'énergie, tandis que le frein mécanique garantit la fonction de sécurité. Cette répartition des tâches offre une solution équilibrée, tant sur le plan énergétique que sur celui de la sécurité.

Contrôle de vitesse et positionnement précis

Les variateurs régénératifs ne font pas que récupérer de l'énergie ; ils assurent aussi un contrôle très précis de la vitesse et de la position au moment du ralentissement. Le fait qu'une grue arrête sa charge exactement au point voulu ou qu'un ascenseur approche l'étage en douceur est un bénéfice annexe du freinage contrôlé. Le gain énergétique et la qualité du process se rejoignent ainsi dans une même solution.

Voir l'énergie de freinage comme une ressource et non comme une perte

Pendant des années, l'énergie de freinage a été considérée comme une perte inévitable et convertie en chaleur dans des résistances. Or, sur les machines qui démarrent et s'arrêtent fréquemment, cette énergie est une ressource régulière. La récupérer réduit à la fois le coût de l'énergie et l'impact environnemental de l'installation. Lorsque le bon moteur, le bon variateur et la bonne application se rejoignent, le freinage n'est plus une énergie perdue mais une énergie reprise. Chez DRG Motor, nous sommes à vos côtés pour vous aider à bien choisir nos moteurs asynchrones des classes de rendement IE3, IE4 et IE5 dans vos applications propices à la récupération d'énergie, telles que les grues, les ascenseurs, les presses et les centrifugeuses ; pour déterminer le moteur le mieux adapté à votre application, contactez-nous.