Dans le monde de la politique, des affaires et de l’industrie, la notion d’efficacité énergétique est au cœur des débats. La réglementation européenne relative aux moteurs électriques, qui est entrée dans sa seconde phase en 2015, contraint les fabricants de machines et systèmes à repenser leurs produits. Si le secteur s’est jusqu’à présent concentré dans une large mesure sur les moteurs électriques, les répercussions sont beaucoup plus larges : de nombreux aspects de la technologie de commande sont à revoir. Les responsables politiques et économiques sont déterminés à réduire la consommation énergétique et les émissions de CO2 du secteur industriel.Les moteurs électriques représentent près des deux tiers de la consommation électrique de la production industrielle. Le ministère allemand de l’environnement estime qu’une technologie moteurs plus économique permettrait d’abaisser la consommation électrique de près de 27 milliards de kilowattheures pour la seule Allemagne à l’horizon 2020, soit une réduction de 16 millions de tonnes de CO2 émis. En conséquence, l’UE s’attache à favoriser les initiatives portant sur des systèmes plus écologiques, au premier chef par le biais de sa directive écoconception.

Cette directive énonce les critères que les produits concernés doivent respecter pour une mise en service en Europe. La réglementation de mise en œuvre décrit les exigences relatives aux différents segments produits. Pour les moteurs électriques, le document clé est le règlement CE 640/2009, qui institue les classes de rendement (classes d’efficacité énergétique internationales) des moteurs asynchrones triphasés basse tension pour une large gamme de puissances. Cette catégorie de moteurs représentait près de 90 % de la consommation du parc de moteurs électriques des États membres de l’UE en 2005.

Interrogations soulevées par l’IE3

La première phase de la directive écoconception est entrée en vigueur à la mi-2011. Depuis, tous les moteurs commercialisés doivent satisfaire au minimum aux exigences de la classe de rendement IE2. À partir de cette année, les fabricants de machines et systèmes qui installent ou intègrent des moteurs neufs d’une puissance de 7,5 à 375 kW doivent choisir des modèles conformes au minimum à la classe de rendement IE3. Les moteurs IE2 ne sont autorisés qu’en combinaison avec un variateur de vitesse électronique. À compter du 1^er janvier 2017, cette exigence s’appliquera aux moteurs de 0,75 kW ou plus.

Sous l’effet de cette directive, la sensibilisation du secteur industriel aux questions d’efficacité énergétique a énormément progressé. Les fabricants de moteurs électriques travaillent d’arrache-pied à l’amélioration de l’efficacité énergétique de leurs produits. Les fabricants de machines sont désormais tenus de modifier tout modèle standard non équipé de moteurs IE3 ou de variateurs de vitesse. Mais l’efficacité énergétique est une caractéristique relativement complexe qui ne peut être le simple produit du remplacement de moteurs IE2 par des modèles IE3. En quoi les modifications structurelles apportées aux moteurs IE3 influent-elles sur la conception des systèmes de protection ? Quelles sont les effets de la directive écoconception sur les systèmes de pompage et de ventilation ? De quelles possibilités d’optimisation du rendement de leurs systèmes les fabricants de machines et systèmes disposent-ils ? Eaton travaille de près sur ces questions.

Systèmes de commande – tests de compatibilité IE3

Pour améliorer l’efficacité énergétique de leurs moteurs électriques, les fabricants ont dû en revoir la conception. Les modifications introduites comprennent une impédance accrue grâce à des fils stator de diamètre supérieur et à des barres rotor et anneaux de court-circuit plus épais. Les fuites magnétiques sont moindres grâce à l’optimisation des paquets de tôles, réalisés dans des matériaux de haute qualité pour réduire les pertes par hystérésis. Ensemble, ces mesures modifient les caractéristiques électriques des moteurs haut rendement. L’impédance étant plus faible, on a un courant de démarrage plus élevé, ce qui a des conséquences pour les systèmes de protection et de commande. Les conséquences éventuelles comprennent un arrêt intempestif par disjonction liée aux intensités de démarrage supérieures, qui peuvent également provoquer des rebondissements de contact, débouchant sur une carbonisation des contacts, laquelle réduit la durée de vie, ou dans le pire des cas, sur un collage des contacts. Un tel collage peut être dangereux et entraîner des pannes nécessitant des interventions techniques supplémentaires. C’est pourquoi les valeurs indiquées par la norme actuelle en matière de démarreurs (EN 60947-4-1) ne conviennent pas pour les moteurs IE3. Le texte de la norme fait actuellement l’objet d’une réécriture. L’un des plus grands spécialistes mondiaux des solutions pour moteurs électriques (commande, protection, entraînement), Eaton a étudié à fond le comportement pratique des appareils de protection moteur.

Les essais effectués à cette fin comprenaient une vérification de la compatibilité, avec des moteurs IE3 de grandes marques, de contacteurs de démarrage direct sur réseau électrique public ou privé, ainsi que d’un démarrage étoile-triangle, seul ou avec démarreur progressif ou entraînement à vitesse variable. Eaton a par ailleurs testé le comportement de disjoncteurs de protection moteur mécaniques et électriques. Cela a permis d’améliorer les produits des gammes DIL, PKZ et PKE, qui sont désormais « IE3-Ready » et portent le marquage correspondant. Assurer la compatibilité d’une gamme de produits avec les moteurs IE3 et IE2 évite à l’utilisateur des frais et efforts supplémentaires au niveau de l’installation, de la configuration et de la gestion des stocks.

Rendement maximum des systèmes de pompage et de ventilation

Les effets de la directive écoconception vont plus loin que la simple nécessité d’adaptation des appareils en fonction des produits concernés. Il faut aussi analyser l’ensemble des processus et systèmes, de manière à atteindre le niveau de rendement minimum voulu. Prenons l’exemple de la réglementation relative aux pompes et ventilateurs : dans le cas des dispositifs mécaniques classiques de régulation de flux, tels que vannes ou registres, satisfaire aux exigences d’efficacité énergétique s’avère souvent difficile. Dans certains cas, la réduction des pertes passe par le recours à un entraînement à vitesse variable. Mais pour nombre d’applications simples (pompes, ventilateurs), cette solution est souvent excessive. L’entraînement à vitesse variable est généralement un dispositif complexe qui exige de grandes connaissances techniques. Jusqu’à présent, la seule solution de substitution dont disposaient les concepteurs était les démarreurs-moteurs. Bien qu’ayant l’avantage d’une très grande facilité d’utilisation, ces appareils ne présentent qu’une utilité limitée. Pour des applications à vitesse fixe ou cycles de fonctionnement réduits, les démarreurs restent la solution la plus éco-énergétique.

Mais si l’objectif est d’améliorer l’efficacité énergétique de systèmes en place tournant à vitesse constante mais avec une charge inférieure à la charge nominale, il existe une troisième option : les démarreurs à vitesse variable. Les démarreurs à vitesse variable lancés sous la marque PowerXL DE1 sont tout aussi fiables et simples d’utilisation que les démarreurs classiques, tout en proposant une fonction de variation de vitesse.

Démarreurs à vitesse variable : nouveaux, simples, fiables

Ce type d’appareil est dépourvu de boutons ou autres commandes, de sorte que sa mise en service est immédiate. Il suffit à l’utilisateur de le déballer et de le brancher comme il le ferait pour un démarreur classique. L’appareil est prêt à fonctionner : aucune configuration nécessaire. Du fait de sa conception anti-déclenchement, le démarreur à vitesse variable assure des disponibilités extrêmement élevées. Un algorithme interne évite les déclenchements intempestifs que pourraient provoquer des surtensions liées par exemple à une récupération de l’énergie. Une fonction de freinage par injection de courant continu est également présente, ainsi qu’une réduction automatique du taux de cycle qui évite tout dépassement du seuil de température critique.

Grâce à ses performances exclusives et à sa plage de températures de fonctionnement allant de -10 à +60 °C, le démarreur à vitesse variable répond aux exigences des applications de pompage et de ventilation simples, comme de bon nombre d’autres applications courantes pour lesquelles on ne disposait pas de solution réellement adaptée. Il s’agit entre autres de contextes dans lesquels un démarrage direct étoile-triangle ou le recours à un démarreur progressif est impossible, un faible couple de démarrage étant contre-indiqué et un démarrage direct produisant des courants trop élevés. Le démarreur à vitesse variable convient par ailleurs pour diverses applications à vitesse fixe exigeant une fréquence différente de la fréquence secteur (c.a.). Outre la configuration usine, il est possible de paramétrer l’appareil en fonction de l’application. Un module universel « plug-in » permet à l’utilisateur d’affiner un à un, à l’aide d’un simple tournevis, les paramètres clés liés à la configuration par défaut, sans recours à un clavier, à un logiciel ou à un manuel. Par rapport aux solutions classiques, cette approche réduit les temps de configuration de près de 70 %. Avec des solutions telles que les démarreurs à vitesse variable et les systèmes de commande IE3, Eaton aide les fabricants de machines et systèmes à mettre en œuvre des systèmes plus simples, moins encombrants et plus économiques qui sont à la fois plus fiables, plus sûrs et moins gourmands en électricité, de manière à relever le défi de l’efficacité énergétique.

On trouvera plus d’informations (livres blancs, etc.) sur ces sujets sur www.eaton.fr/IE3

Eaton www.eaton.fr/IE3

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