Comment améliorer le rendement de votre moteur asynchrone ?

Le moteur asynchrone triphasé (ou moteur à induction) est le moteur le plus utilisé dans l’industrie quelle que soit l’application (pompe, ventilateur, etc…). La puissance du moteur est fonction de sa puissance mécanique et de la puissance électrique qu’il absorbe, déterminant ainsi son rendement. Le taux de pertes est un facteur important lorsque l’on cherche à augmenter le niveau d’efficacité énergétique des systèmes en réduisant la consommation d’électricité. 

Plusieurs pertes grèvent le rendement des machines à l’instar des pertes par effet Joule dans le stator (PJs), par effet Joule dans le rotor (PJr), celles ferromagnétiques (Pfe), celles supplémentaires (Psup) et enfin celles mécaniques (Pmec). Découvrez trois solutions efficaces pour limiter les pertes, améliorer le rendement et augmenter l’efficacité énergétique.

Le rendement d’un moteur asynchrone 

Un moteur asynchrone triphasé utilisé pour le démarrage et durant la durée de fonctionnement d’une machine, d’un système ou d’une installation a un rendement plus ou moins élevé en fonction des différentes pertes. Celles-ci réduisent l’efficacité énergétique du moteur électrique.

Définition du rendement :

Le rendement d’un moteur est égal au rapport de la puissance utile (puissance mécanique délivrée en bout d’arbre) sur la puissance absorbée sur le réseau électrique. Le rendement est donc une grandeur sans unité et peut s’exprimer en %.

Cette valeur relative permet d’avoir une indication sur la performance d’un système ou d’un moteur. Il existe plusieurs technologies de moteurs à courant alternatif. Le moteur le plus utilisé dans l’industrie est le moteur asynchrone triphasé ou encore appelé à induction.

La norme CEI 60034-30-1 détermine les classes de rendement pour les moteurs à courant alternatif alimentés par le réseau (code IE). À noter que la classe IE5 est désormais disponible pour notre gamme de moteurs synchrones à aimants permanents permettant de réduire en moyenne 20 % des pertes d’énergie par rapport à la classe IE4.

Définition des pertes :

Elles apparaissent lors de la conversion d’énergie électrique en mécanique

Elles s’expriment en Joule : ∑pertes = Pabs – Putil

Efficacité de conversion :

Lors de la conversion d’une puissance électrique absorbée sur le réseau en énergie mécanique disponible en bout d’arbre diverses pertes sont engendrées. Un bon rendement énergétique se traduit par une conversion optimisée où les pertes énergétiques sont les plus faibles possibles. 

C’est pourquoi le calcul du rendement se compose d’une puissance utile en bout d’arbre sur une puissance absorbée en direct sur le réseau : 

Nous avons vu précédemment que la somme des pertes d’un moteur électrique était égal à la puissance absorbée moins la puissance utile soit :

Putil = Pabs – ∑pertes

donc :

Un rendement ne peut donc pas être égal à 1 et s’exprime en pourcentage, le but étant de s’en rapprocher au maximum et ainsi obtenir une conversion avec une efficacité énergétique importante.

Les différentes pertes

Il existe différents types de pertes lors du fonctionnement d’un moteur avec des taux perte plus ou moins élevés, à savoir :

Pertes par effet Joule dans le stator (PJs) 40%

Ce type de pertes est généralement la plus importante. Elles représentent globalement 40 % des pertes. Le taux de perte est lié au taux de résistivité des fils des bobinages. 

Pertes par effet Joule dans le rotor (PJr) 25%

Les pertes par effet Joule dans le rotor dépendent de plusieurs paramètres autres que la résistivité du matériau conducteur utilisé. En effet, le procédé de fabrication d’un moteur triphasé est un élément essentiel avec la conception et géométrie de la cage rotorique, la forme des barres ainsi que la forme des anneaux de court-circuit. Elles représentent en moyenne 25 % des pertes.

Pertes ferromagnétiques (Pfe) 20%

Les pertes ferromagnétiques sont composées des pertes par hystérésis et des pertes par courant de Foucault. Elles représentent environ 20 % des pertes. Les premières, par hystérésis, sont dues à un « effet retard » dans la relation courbe d’aimantation de l’induction/champ magnétique.

Celles par courant de Foucault sont l’induction électromagnétique. Les courants de Foucault sont des courants induits qui prennent naissance dans un conducteur en mouvement dans un champ magnétique constant ou encore dans un solide métallique immobile soumis à une variation de champ magnétique.

Pertes supplémentaires (Psup) 10%

Les pertes supplémentaires sont souvent associées aux pertes fer. Elles se produisent néanmoins principalement dans les éléments ferromagnétiques du moteur asynchrone triphasé mais sont de nature différente. Elles sont des pertes à haute fréquence dues au flux magnétique pulsé et se décomposent en catégories : 

• Les pertes de charge parasites,
• Les pertes de l’effet de peau des encoches statoriques,
• Les pertes harmoniques.

Elles représentent environ 10 % des pertes.

Pertes mécaniques (Pmec) 5% 

Les pertes mécaniques sont les moins importantes (environ 5%). Elles sont généralement engendrées par le système de ventilation et par le frottement des roulements. 

3 solutions pour améliorer le rendement de votre moteur asynchrone

Chez WEG, notre objectif est de créer une gamme de moteurs ayant une consommation énergétique la plus faible possible en conservant, cela va de soi, les performances et la fiabilité de nos machines en limitant le coût de revient initial pour nos clients. 

Première solution : limiter la perte de rendement par effet Joule dans le stator (PJs)

Cette première solution consiste en la diminution de la valeur de résistance des bobinages. Pour ce faire, il existe trois possibilités :

• L’augmentation de la section du fil tout en conservant un nombre identique de spires. 

• L’augmentation de la section du fil tout en réduisant proportionnellement le nombre de spires. Cette solution permet de diminuer les PJs mais augmente les pertes fer. 

• L’augmentation de la longueur du stator et de la section du fil avec une réduction du nombre de spires. Cette solution est très efficace bien que présentant l’inconvénient d’augmenter le coût de revient du fil conducteur et des tôles en acier utilisés

Deuxième solution : limiter la perte de rendement par effet Joule dans le rotor (PJr)

Dans un moteur asynchrone triphasé, la vitesse du rotor est inférieure à la vitesse synchrone du champ magnétique tournant. Une des caractéristiques du moteur asynchrone triphasé est le glissement dont le taux varie en fonction de la charge. Les PJr sont proportionnelles au glissement. Afin de limiter le glissement, nous agissons sur plusieurs paramètres : 

• La réalisation d’une simulation logicielle sur la qualité de deremplissage des encoches du moteur,
• La réalisation d’une simulation logicielle sur la fabrication des anneaux de court-circuitage,
• Le choix du matériau utilisé ayant la plus faible résistivité (cuivre, aluminium).

Ainsi, nous avons pu déterminer que la fabrication d’une gamme de moteurs asynchrones triphasés basse tension à cage d’écureuil utilisant le cuivre (en remplacement de l’aluminium moulé) est une solution intéressante économiquement parlant dès lors que le coût d’achat au kg du cuivre reste en dessous de 1,1 fois celui de l’aluminium.

Troisième solution : limiter les pertes mécaniques (Pmec)

L’amélioration du système de ventilation des moteurs électriques est la solution la plus adaptée pour limiter les Pmec ainsi que les nuisances sonores. L’optimisation des systèmes de ventilation passe par : 

• Une amélioration de la géométrie des ailettes de refroidissement (tenant compte de la hauteur des ailettes et de la distance entre 2 ailettes adjacentes,  
• une meilleure position de la boîte à bornes afin de faciliter l’écoulement du flux d’air entre les ailettes disposées sur la carcasse,
• une optimisation de la conception des flasques afin de dissiper l’échauffement produit par le frottement des roulements.

D’autres solutions sont possibles pour limiter les autres types de pertes. Les courants de Foucault, par exemple, avec un traitement de la température de relaxation des contraintes le long des dents statoriques les plus étroites.

Livre blanc : évolution récente des technologies des moteurs électriques

Approfondissez vos connaissances sur les pertes énergétiques, vous découvrirez également les concepts de base de l’efficacité énergétique des moteurs asynchrones ainsi que les évolutions récentes des moteurs électriques : aimants permanents, à réluctance variable et à réluctance synchrone.