Utilisation du moteur électrique dans la production de verre

La production de verre est une chaîne de procédés fonctionnant sans interruption, qui va de la fusion de la matière première à haute température jusqu'au refroidissement contrôlé du produit. À chaque maillon de cette chaîne on trouve du mouvement d'air, du transport de matière, du malaxage et de la gestion thermique ; et derrière tout cela se trouve un moteur électrique en rotation. Dans une verrerie, des dizaines de points d'entraînement dépendent d'un moteur asynchrone AC correctement choisi : du ventilateur qui alimente l'air de combustion du four au ventilateur d'extraction qui évacue les fumées chaudes, du malaxeur qui homogénéise le bain de verre au convoyeur qui transporte le produit vers le four de recuisson. Dans cet article, nous abordons les attentes particulières que le secteur du verre impose au moteur, les conditions de température et de continuité, et les raisons pour lesquelles l'efficacité énergétique est aussi déterminante dans cette branche de production.

Dans les installations verrières, le choix du moteur diffère d'une application industrielle ordinaire. La production s'écoule 7 jours sur 7 et 24 heures sur 24 sans arrêt ; une fois le four mis en service, il fonctionne pendant des années sans être refroidi. C'est pourquoi une panne de l'équipement d'entraînement signifie la mise en risque non pas d'une seule machine, mais de toute la ligne. Pour ceux qui souhaitent aborder le sujet dans un cadre général, notre article moteurs électriques industriels constitue un bon point de départ.

La place du moteur dans le procédé de production du verre

Lorsque l'on considère la verrerie dans son ensemble, le moteur électrique est une colonne vertébrale invisible mais qui soutient chaque étape. Préparation du mélange de matières premières, alimentation du four, traitement du bain de verre, formage et refroidissement : des éléments d'entraînement rotatifs fonctionnent dans la totalité de ces cinq phases principales. La plage de puissance des moteurs s'étend de quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts et, à chaque point, un caractère de charge différent apparaît.

Ventilateur d'air de combustion du four

Au cœur du four verrier, une combustion continue et contrôlée est nécessaire pour fondre la matière première à des températures proches de 1500 °C. Les ventilateurs d'air de combustion qui alimentent cette combustion apportent l'oxygène au four dans la juste proportion. Le moteur du ventilateur doit ici fonctionner à la fois à haut débit et de manière stable ; la moindre fluctuation de l'air influe sur la température de flamme et donc sur la qualité du verre. C'est pourquoi le rendement et la stabilité de vitesse des moteurs de ventilateur sont critiques. Nous avons examiné en détail les principes fondamentaux du choix de ventilateur dans notre article choix du moteur électrique de ventilateur et de ventilateur d'extraction .

Ventilateurs d'extraction et de fumées

Les fumées chaudes qui apparaissent pendant l'opération de fusion doivent être évacuées de manière contrôlée. Les ventilateurs d'extraction, en aspirant le gaz à haute température hors du système, équilibrent la pression du four et l'orientent vers les unités de récupération de chaleur. Les moteurs qui entraînent ces ventilateurs sont sollicités sur le plan thermique, car ils sont implantés dans des zones où la température ambiante est élevée. Un moteur choisi dans la classe correcte maintient la température de bobinage dans une plage sûre, même sous charge continue.

Entraînements de malaxage et d'homogénéisation du bain de verre

L'homogénéité du bain de verre en termes de couleur, de densité et de viscosité détermine directement la qualité optique du produit final. Les entraînements de malaxeur qui brassent le bain doivent produire un couple élevé à faible vitesse dans un milieu dense et visqueux. Dans cette application, le moteur est généralement associé à un réducteur et une rotation lente mais puissante est obtenue. Le bon fonctionnement du malaxeur permet d'éliminer les bulles et les écarts de température présents dans le bain.

Entraînement du convoyeur du four de recuisson (lehr)

Le produit verrier formé est passé à travers le four de recuisson (lehr) à une vitesse contrôlée afin d'éliminer ses tensions internes. Le moteur qui entraîne la bande du convoyeur de ce four doit assurer une vitesse constante et exempte de vibration ; car la moindre fluctuation de vitesse provoque des tensions permanentes et des ruptures dans le verre. Vous trouverez les subtilités du choix du moteur et du réducteur pour l'entraînement de convoyeur dans notre article choix du moteur électrique de bande transporteuse .

Ventilateurs de refroidissement et gestion de l'air

Le produit verrier chaud est refroidi progressivement après sa sortie du moule. Les ventilateurs qui assurent ce refroidissement soufflent de l'air contrôlé à la fois sur le produit et sur les équipements de production. Lorsque les moteurs de ventilateur de refroidissement peuvent ajuster leur débit en fonction de la cadence de production, on obtient à la fois une économie d'énergie et une qualité de produit plus stable. Ici, la régulation de vitesse offre un avantage marqué par rapport à un fonctionnement à vitesse fixe.

Effet d'un environnement à haute température sur le moteur

La verrerie est un environnement exigeant pour les moteurs. La température ambiante autour du four dépasse facilement 40-50 °C. Un moteur standard donne ses valeurs nominales pour une température ambiante de 40 °C ; dans des environnements plus chauds, la puissance que le moteur peut fournir diminue. C'est pourquoi, dans les installations verrières, les moteurs sont généralement choisis avec une puissance un peu supérieure ou équipés d'une isolation adaptée à une classe de température élevée. La surveillance et la régulation de la température de bobinage influent directement sur la durée de vie du moteur ; nous avons traité ce sujet en profondeur dans notre article contrôle de température du moteur électrique .

Protection contre la poussière et les particules

Les poussières de sable, de soude et de calcaire, matières premières du verre, restent en suspension dans l'air et, en s'infiltrant à l'intérieur du moteur, dégradent à la fois l'isolation et les roulements. C'est pourquoi l'indice de protection (IP) des moteurs utilisés dans les installations verrières est déterminé avec soin. Dans les zones poussiéreuses, une protection au moins IP55 est privilégiée. Nous avons expliqué quel indice de protection est nécessaire dans quel environnement dans notre article choix de l'indice de protection IP du moteur électrique .

Fonctionnement continu et fiabilité

Dans la production de verre, l'arrêt est au sens propre un coût. Si un four refroidit, sa remise en service prend des jours et le bain qu'il contient peut se solidifier et endommager le four. C'est pourquoi il est impératif que les moteurs utilisés dans les installations verrières puissent fonctionner en toute sécurité en régime de service continu (S1). Disposer d'un stock de moteurs de rechange, réaliser une maintenance planifiée et surveiller les vibrations sont les mesures fondamentales qui accroissent la fiabilité.

Comparaison : points d'entraînement et attentes vis-à-vis du moteur

Les principaux points d'entraînement de la verrerie et leurs attentes vis-à-vis du moteur sont résumés dans le tableau ci-dessous :

Le rôle déterminant de l'efficacité énergétique

La verrerie est un gros consommateur d'énergie. Comme les ventilateurs, les pompes et les systèmes de transport fonctionnent 24 heures par jour, la moindre amélioration du rendement des moteurs se transforme en une grande économie en fin d'année. Les moteurs des classes de rendement IE3, IE4 et IE5 produisent nettement moins de pertes que les moteurs standard. Ces pertes se répercutent directement sur la facture d'électricité comme sur l'empreinte carbone de l'usine. Nous avons expliqué en détail ce que signifient les classes de rendement dans notre article moteurs électriques à haut rendement .

Régulation du débit par variateur de fréquence

Dans les installations verrières, la façon la plus efficace de réguler le débit des ventilateurs et des pompes est d'utiliser un variateur de fréquence. Régler directement la vitesse du moteur, au lieu d'employer des registres ou des vannes d'étranglement classiques, réduit la consommation d'énergie suivant une relation cubique ; c'est-à-dire que diviser la vitesse par deux peut théoriquement réduire la puissance jusqu'au huitième. Nous avons expliqué les gains de cette approche avec des exemples dans notre article économie d'énergie avec un variateur de fréquence .

Contrôle vectoriel et vitesse stable

Dans les applications où le couple et la vitesse sont sensibles, comme le malaxeur et le convoyeur, le contrôle vectoriel est privilégié au lieu d'une simple commande V/f. Le contrôle vectoriel garantit la qualité du produit en assurant un couple élevé et stable même à faible vitesse. Nous avons comparé les différences entre les deux méthodes de commande dans notre article différence entre commande V/f et contrôle vectoriel du variateur .

Gestion du bruit et des vibrations

Dans la production de verre, la vibration n'est pas seulement un problème de confort ; une vibration sur la ligne de recuisson peut provoquer des microfissures sur un verre dont les tensions ne sont pas encore éliminées. C'est pourquoi le fait que les moteurs de convoyeur et de ventilateur soient équilibrés et à faible vibration détermine directement le résultat. Nous avons rassemblé les moyens de réduire la vibration dans notre article réduction du bruit et des vibrations du moteur électrique .

Entraînements de pompe et systèmes auxiliaires

Dans la verrerie, les circuits d'eau de refroidissement, les unités hydrauliques et les systèmes de lubrification sont également entraînés par moteur. Le fonctionnement continu et fiable de ces pompes est incontournable pour la protection des équipements de production principaux. Nous avons examiné les critères fondamentaux du choix du moteur de pompe dans notre article choix du moteur électrique de pompe à eau . Pour ceux qui souhaitent se remémorer les principes de fonctionnement de base du moteur, notre article qu'est-ce qu'un moteur électrique sera utile.

Stratégie de maintenance et coût sur la durée de vie

Dans une installation verrière, le choix du moteur ne doit pas être fait uniquement en fonction du prix d'achat. La plus grande part du coût d'un moteur sur sa durée de vie provient de la consommation d'énergie ; un moteur bon marché et à faible rendement rembourse rapidement l'écart sous forme de facture. Un moteur à haut rendement, lui, chauffe moins, vit plus longtemps et son besoin de maintenance diminue. Une maintenance planifiée, un contrôle régulier des roulements et la mesure de la résistance d'isolement empêchent les arrêts imprévus.

Dans une verrerie, chaque point d'entraînement demande une vitesse différente

Chaque point d'entraînement de la verrerie exige une puissance et une vitesse différentes. Alors que les moteurs de ventilateur fonctionnent généralement à vitesse élevée, les entraînements de malaxeur et de convoyeur ont besoin d'un couple élevé à faible vitesse. La puissance nominale du moteur n'est choisie ni trop grande ni trop petite par rapport à la charge réelle ; un moteur choisi trop grand fonctionne de manière peu efficace à faible charge, tandis qu'un moteur choisi trop petit est constamment sollicité et chauffe. Un dimensionnement correct est l'étape fondamentale, aussi bien pour le rendement que pour la fiabilité.

Des besoins différents sur les lignes de verre float et de verre moulé

La production de verre ne se limite pas à une seule technologie. Sur les lignes float qui produisent du verre plat, le bain est fait flotter sur un bain d'étain fondu afin d'obtenir une surface lisse ; ici, la synchronisation de vitesse des moteurs qui entraînent les rouleaux de transport doit être extrêmement précise. Sur les lignes qui produisent du verre moulé, comme les bouteilles et les bocaux, c'est l'entraînement des machines d'alimentation, des mécanismes de moulage et des systèmes de transport qui passe au premier plan. Les deux modes de production exigent des profils de couple et de vitesse différents ; c'est pourquoi le choix du moteur est personnalisé selon la technologie de production. Sur une ligne float, un désaccord de vitesse d'un rouleau par rapport à un autre peut laisser des marques permanentes sur le verre encore mou.

Section de préparation du mélange et d'alimentation

La première étape de la production de verre est la section de préparation du mélange, où le sable, la soude, le calcaire et les autres additifs sont mélangés dans les proportions correctes. Dans cette section, les convoyeurs à bande, les élévateurs à godets, les alimentateurs à vis et les malaxeurs sont entraînés par moteur électrique. Comme il s'agit d'un environnement poussiéreux et abrasif, les moteurs installés ici doivent posséder à la fois un indice de protection élevé et une conception résistante aux conditions de surcharge. Une défaillance dans l'alimentation du mélange entraîne une variation du niveau du four et, par conséquent, une dégradation de la qualité du verre ; c'est pourquoi la fiabilité des entraînements d'alimentation est déterminante dès le début de la chaîne de production.

Ligne de découpe, de traitement et d'emballage

À l'extrémité froide, c'est-à-dire à la dernière phase de la production de verre, le produit est découpé, ses bords sont traités, il est contrôlé et emballé. Les tables de découpe, les unités de meulage et les robots d'emballage de cette ligne fonctionnent également avec des moteurs électriques. Dans les entraînements de l'extrémité froide, la précision de vitesse et de position passe au premier plan ; en particulier dans les systèmes automatiques de découpe et d'empilage, le moteur doit répondre rapidement aux commandes et se positionner avec exactitude aux arrêts. Dans ces applications, la régulation précise de vitesse réalisée avec un variateur de fréquence réduit le taux de rebut et permet d'augmenter le rendement de la ligne.

Classe d'isolation du moteur et réserve thermique

L'environnement chaud de la verrerie influe directement sur le choix de l'isolation du moteur. La classe d'isolation détermine la température maximale que le bobinage peut supporter. Sur les moteurs fonctionnant dans des environnements chauds, choisir une classe d'isolation supérieure laisse une marge de réserve thermique et assure la protection du moteur contre des hausses de température imprévues. Cette réserve thermique est l'un des facteurs les plus importants qui prolongent la durée de vie du moteur ; car chaque augmentation de dix degrés de la température de bobinage réduit d'environ la moitié la durée de vie de l'isolation. C'est pourquoi, dans les installations verrières, la classe d'isolation est choisie de manière réfléchie.

Fluctuations du réseau et protection

Comme les verreries abritent des moteurs de forte puissance, les fluctuations de la tension du réseau et les pertes de phase constituent une menace sérieuse pour les moteurs. Les relais de protection de phase, la protection contre les surintensités et une protection thermique correctement réglée assurent la protection des moteurs contre les pannes imprévues. En particulier sur les gros moteurs de ventilateur et de pompe, le courant élevé au moment du démarrage peut provoquer une chute de tension sur le réseau ; pour adoucir cette situation, on utilise des démarreurs progressifs ou des variateurs de fréquence. Une stratégie de protection correcte garantit à la fois le moteur et la continuité de la production.

L'importance d'une conception de moteur compatible avec le variateur

À mesure que l'usage du variateur de fréquence s'est répandu dans les verreries, la conception des moteurs adaptée à ce mode de commande a également gagné en importance. Les moteurs alimentés par variateur sont exposés à des contraintes de tension supplémentaires dues à la commutation et à des composantes de plus haute fréquence. Les moteurs dotés d'une isolation renforcée pour résister à ces conditions fonctionnent sans problème pendant de longues années. En outre, sur les moteurs de ventilateur et de malaxeur qui fonctionnent longtemps à faible vitesse, comme le refroidissement propre du moteur s'affaiblit, des solutions de refroidissement complémentaires sont mises en œuvre dans les applications exigeantes. Traiter le moteur comme un ensemble avec le variateur donne le résultat le plus efficace et le plus fiable ; c'est pourquoi, lors de la conception du système d'entraînement, le moteur et le variateur sont choisis ensemble.

Planification de rechange pour la continuité de production

Comme le coût d'un arrêt non planifié est très élevé dans une verrerie, réaliser une planification de rechange pour les points d'entraînement critiques est un investissement judicieux. Le maintien en stock de moteurs aux valeurs de puissance et de vitesse les plus utilisées permet à la ligne de redémarrer rapidement en cas de panne. Les moteurs produits dans des tailles de carter standard et des dispositions de fixation courantes facilitent cette stratégie de rechange ; car le même type de moteur peut être utilisé à différents points. Cette standardisation réduit le coût de stock et facilite le travail de l'équipe de maintenance. Une stratégie de rechange bien planifiée est comme l'assurance de la continuité de production.

L'avantage DRG Motor dans le secteur du verre

DRG Motor propose des moteurs asynchrones AC de classes de rendement IE3, IE4 et IE5, conçus pour résister aux conditions continues et exigeantes de la production de verre. Une isolation adaptée aux environnements à haute température, un indice de protection IP élevé pour les zones poussiéreuses et une compatibilité totale avec le variateur de fréquence font des moteurs DRG un choix fiable pour les applications de ventilation, d'extraction, de malaxage, de convoyage et de refroidissement des verreries. Vous pouvez contacter l'équipe d'ingénierie de DRG Motor afin de choisir, pour chaque point d'entraînement de votre ligne de production, une solution dans la puissance, la vitesse et la classe de rendement correctes, et ainsi garantir la continuité de production tout en réduisant le coût énergétique de votre usine.