Méthodes pour optimiser l'efficacité des moteurs électriques

Des estimations largement diffusées montrent que les systèmes entraînés par des moteurs électriques consomment plus de la moitié de l'électricité produite aux États-Unis et plus de 70 % de l'électricité utilisée dans de nombreuses installations industrielles. ¹ Maintenant que les coûts d'énergie et d'exploitation sont élevés, il est plus logique que jamais d'augmenter l'efficacité du moteur.

De nombreuses installations trouvent qu'il est judicieux de diviser leur stratégie d'efficacité motrice en trois phases :

• Évaluation globale
• Améliorations immédiates
• À long terme

Cet article décrit brièvement l'étape 1 et fournit des détails sur l'étape 2. Un prochain article fournira des détails sur l'étape 3.

Méthodes d'optimisation du rendement des moteurs électriques

Phase 1 :Évaluation
Voici en quoi consiste une évaluation motrice :

1. Effectuez une enquête et documentez le nombre de moteurs, à quel âge, puissance et puissance nominale, avec quel niveau de commandes sont présents dans votre établissement.
2. Identifiez les charges les plus élevées et les plus critiques.
3. Pour ces unités clés, utilisez un enregistreur de puissance pour évaluer leur consommation d'énergie (consommation d'énergie).

Cela vous donnera une carte générale de la consommation d'énergie pour les moteurs de votre installation.

Phase 2 :Améliorations immédiates
Vous pouvez apporter deux types d'améliorations immédiates.

1. Modifications des unités et du fonctionnement des unités
2. Réparations

Les modifications apportées aux unités peuvent inclure le remplacement de certains moteurs par des modèles plus efficaces ou de meilleure taille, l'ajout de commandes à d'autres pour une sortie de taille appropriée et la reprogrammation des moteurs qui fonctionnent par rapport à la demande et aux tarifs des services publics.

Pour déterminer si l'un de ces changements a du sens dans votre installation, utilisez un calculateur d'efficacité du moteur tel que MotorMaster+ du département américain de l'Énergie. Il peut vous aider à calculer les économies par moteur et par niveau d'efficacité.

Sinon, il y a trois points d'inspection que vous devez faire sur tous les moteurs que vous avez l'intention de garder opérationnels :

1. Déséquilibre de tension
2. Déséquilibre actuel
3. Facteur de puissance

Si les tests montrent des problèmes avec l'une de ces trois variables, la correction de ces problèmes peut entraîner des améliorations immédiates de l'efficacité. Logiquement, vous devriez également intégrer ces tests dans la maintenance régulière à long terme pour maintenir les améliorations à court terme que vous apportez à ce stade.

Déséquilibre de tension
Le déséquilibre de tension est une mesure des différences de tension entre les phases d'un système triphasé. Pour des performances optimales du moteur, les tensions de phase doivent être égales ou très proches de l'égal. En plus d'entraîner de mauvaises performances du moteur, le déséquilibre de tension raccourcit la durée de vie d'un moteur.

Le déséquilibre de tension est 100 fois la variation de tension maximale par rapport à la moyenne divisée par la tension moyenne des trois phases. Ce calcul produit le déséquilibre en pourcentage. Le département américain de l'Énergie (DOE) présente l'exemple suivant : ² Si les tensions de ligne mesurées sont de 462 V, 463 V et 455 V, la moyenne est de 460 V. Ainsi, le déséquilibre de tension est :

[(460 – 455) x 100] ÷ 460 =1,1%

Dans l'ensemble, le déséquilibre de tension doit être inférieur à 1 % et jamais supérieur à 5 %. La norme EN50160 requiert moins de 2 % de déséquilibre de tension au point de couplage commun. Les spécifications de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) exigent moins de 5 % pour les charges du moteur, mais recommandent que les déséquilibres de tension aux bornes du moteur ne dépassent pas 1 % et que les moteurs soient déclassés pour des pourcentages plus élevés. ³

La mesure du déséquilibre de tension doit être effectuée régulièrement aux bornes du moteur à l'aide d'un analyseur de qualité de l'alimentation pour vérifier que le déséquilibre de tension est inférieur à 5 %. De plus, des inspections thermiques régulières peuvent révéler des connexions à haute résistance dans l'appareillage de commutation, les sectionneurs ou les boîtiers de connexion du moteur, ce qui peut entraîner un déséquilibre de tension. D'autres sources possibles de déséquilibre de tension comprennent des dispositifs de correction du facteur de puissance défectueux, des tensions d'alimentation déséquilibrées ou incohérentes, des bancs de transformateurs déséquilibrés, des charges monophasées réparties de manière inégale, des défauts monophasés à la terre ou un circuit ouvert sur un primaire du système de distribution.

Les corrections doivent être effectuées par un électricien expérimenté ou un spécialiste de l'électricité. Commencez par vérifier les tensions d'alimentation du variateur de vitesse (s'il est utilisé dans le système). Vérifiez également les entrées de l'utilitaire vers l'usine et les sorties du transformateur vers le système. Si des phases équilibrées sont trouvées à ces « sources », alors la meilleure approche est de commencer par le moteur et de revenir systématiquement à la source initiale, l'alimentation électrique du service public.

Économies potentielles et retour sur investissement : La meilleure façon de calculer les économies globales est d'utiliser un outil logiciel tel que MotorMaster+. Voici comment fonctionne le calcul de base, si vous connaissez les éléments suivants (des exemples de valeurs apparaissent entre parenthèses) :

• Charge sur le moteur (100%)
• Puissance (100 ch)
• Autonomie (8 000 heures par an)
• Rendement au balourd nominal pour le chargement (94,4%) ⁴
•  Efficacité au niveau du balourd et de la charge réels (93 %)
• Une puissance se convertit en 0,746 kW

En utilisant les exemples de valeurs fournis, les économies d'énergie annuelles (AE) suite à une action corrective seraient :

AE =100 hp x 0,746 kW/hp x 8 000 h/an x (100  93 - 100  94,4) = 9 517 kWh

Si l'électricité coûte 0,05 $ par kWh, l'économie annuelle en dollars (AS$) sera :

AS$ =9 517 kWh x 0,50 $/kWh =476 $/an

Dans les environnements industriels, de nombreux moteurs peuvent être alimentés par la même alimentation déséquilibrée. Par conséquent, les économies potentielles seront bien plus importantes que pour un seul moteur, les économies réelles dépendant de la charge, des temps de fonctionnement, de la puissance, etc.

Enfin, rappelez-vous que les moteurs chauffent plus lorsque leurs alimentations sont déséquilibrées; environ deux fois le carré du déséquilibre de tension (2 x % de déséquilibre de tension). Par exemple, à un déséquilibre de tension de 2 %, un moteur subira une élévation de température de 8 degrés Celsius. Chaque augmentation de température de fonctionnement de 10 °C réduit de moitié la durée de vie de l'isolation de l'enroulement du moteur.

Déséquilibre actuel
Le déséquilibre de courant est une mesure de la différence de courant consommé par un moteur sur chaque branche d'un système triphasé. La correction du déséquilibre de courant permet d'éviter la surchauffe et la détérioration de l'isolation des enroulements du moteur. Le tirage sur chaque jambe doit être égal ou presque égal. L'une des causes du déséquilibre de courant est le déséquilibre de tension, qui peut provoquer un déséquilibre de courant très disproportionné par rapport au déséquilibre de tension lui-même. Lorsqu'un déséquilibre de courant se produit en l'absence de déséquilibre de tension, recherchez une autre cause du déséquilibre de courant (par exemple, une isolation défectueuse ou une phase en court-circuit avec la terre).

Le déséquilibre de courant est calculé de la même manière que le déséquilibre de tension. C'est 100 fois la variation maximale du courant par rapport à la moyenne divisée par le courant moyen des trois phases. Ainsi, si le courant mesuré est de 30 ampères, 35 ampères et 30 ampères, la moyenne est de 31,7 ampères et le déséquilibre de courant est

[(35 – 31,7) x 100] ÷ 31,7 =10,4%

Le déséquilibre de courant pour les moteurs triphasés ne doit pas dépasser 10 %.

La mesure du déséquilibre de courant doit impliquer un électricien expérimenté ou un spécialiste de l'électricité. Comme pour le déséquilibre de tension, il doit être effectué régulièrement aux bornes du moteur à l'aide d'un analyseur de qualité de l'énergie. Les deux mesures de déséquilibre - tension et courant - peuvent être effectuées et enregistrées simultanément avec le même analyseur de qualité de l'énergie.

La correction du déséquilibre actuel peut inclure l'une ou l'ensemble des stratégies suivantes :

• Si le déséquilibre est le résultat de la puissance fournie, un dispositif de correction du facteur de puissance peut résoudre le problème.
• Si le problème est le moteur lui-même, dû, par exemple, à une isolation défectueuse ou à une phase en court-circuit à la terre, pesez soigneusement vos options. La décision de réparer (rembobiner) un moteur plutôt que de le remplacer par un nouveau est difficile. Selon le DOE ⁴ …
  • Le rembobinage réduit presque toujours l'efficacité et la fiabilité d'un moteur. Tenir compte de variables telles que le coût de rembobinage, les pertes de rembobinage attendues, le prix d'achat du nouveau moteur (pour les modèles standard et écoénergétiques), la taille du moteur et l'efficacité d'origine, le facteur de charge, les heures de fonctionnement annuelles, le prix de l'électricité, la disponibilité d'un rabais de service public et un simple retour sur investissement critères.
• Dans la plupart des cas, achetez un nouveau moteur si :
  1. le moteur défectueux a moins de 40 chevaux et a plus de 15 ans, surtout s'il a été préalablement rebobiné,
  2. le moteur est un moteur non spécialisé de moins de 15 chevaux, ou
  3. le coût de rembobinage représente plus de 50 % du coût d'un nouveau moteur.

Dans ce dernier cas, une efficacité et une fiabilité accrues devraient fournir un retour sur investissement rapide.

Économies potentielles et retour sur investissement : Le retour sur investissement prend deux formes :les économies d'énergie et les économies de production à long terme (prévention des pannes de moteur et des temps d'arrêt). Les remises possibles sur les services publics entrent également en jeu.

Les économies d'énergie peuvent être difficiles à déterminer, surtout lorsque le rembobinage est la solution choisie. Les pertes de rembobinage finales sont inconnues jusqu'après le rembobinage.

Si vous décidez d'acheter un nouveau moteur, utilisez le logiciel MotorMaster+ pour calculer les économies d'énergie annuelles (AS$) que vous pouvez attendre du remplacement. Vous avez besoin des informations suivantes : ⁶

• Puissance nominale du moteur (ch)
• Facteur de charge (L =pourcentage de pleine charge ÷ 100)
• Heures d'ouverture annuelles (h)
• Coûts énergétiques moyens (C =$/kWh)
• Rendement du moteur existant (Estd, en pourcentage)
• Cote d'efficacité du nouveau moteur (Eee, en pourcentage)
• Le facteur de conversion de hp en kW (0,746)

Compte tenu de ces informations,

AS$ =hp x L x 0.746 x hr x C x [(100 ÷ Estd) – (100 ÷ Eee)]

En général, les moteurs à haut rendement sont environ 1 % plus efficaces que les moteurs à rendement standard, et les économies d'énergie se traduiront généralement par une période d'amortissement de moins de 18 mois. Par rapport à une unité de rembobinage existante, un nouveau moteur à haut rendement sera considérablement plus efficace de 1 % plus efficace.

Facteur de puissance
Un mauvais facteur de puissance est généré par certains types de fonctionnement de l'équipement et entraîne des frais de pénalité de la part du service public. Évaluez le facteur de puissance sur tous les principaux circuits et charges, y compris les moteurs. Plus votre facteur de puissance est proche de 100 %, ou « 1 », mieux c'est (les services publics facturent généralement une pénalité pour un facteur de puissance inférieur à 95 %). L'augmentation de votre facteur de puissance :

• Réduisez votre facture d'électricité
• Augmenter la capacité du système électrique
• Diminuer la chute de tension

Le facteur de puissance (PF) est causé par les charges inductives (charges avec bobines) telles que les moteurs et les transformateurs. Il est exprimé en pourcentage ou en nombre, 100 pour cent, ou 1, étant l'idéal. Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance réelle (de travail) (kilowatts kW) et la puissance apparente (totale) (kilovolts-ampères kVA). La puissance apparente est une combinaison de puissance réelle et de puissance réactive (kilovars kVAR).

Une augmentation de la puissance réactive provoque une augmentation de la puissance apparente et, par conséquent, une diminution du facteur de puissance. Ainsi, la diminution de la puissance réactive augmentera le facteur de puissance, et c'est généralement une bonne chose.

Il est préférable de mesurer le facteur de puissance avec un analyseur de qualité de puissance. Avant de commencer, découvrez :

•  Comment votre service public facture-t-il le faible facteur de puissance ou les VAR
• Ce que le service public dit que votre facteur de puissance est en moyenne par mois
• Quels sont vos frais de demande
• Comment le service public mesure le facteur de puissance ou les VAR :intervalles de pointe ou moyennes ?

L'objectif est d'identifier les charges à l'origine d'un retard de puissance réactive et de développer une stratégie pour améliorer le facteur de puissance. ⁶

Commencez à l'entrée de service, où le service public surveille ses données, et vérifiez les charges individuelles. L'analyseur de qualité de puissance vous permettra de trouver le facteur de puissance moyen sur une période d'enregistrement spécifique.

Corrigez le facteur de puissance en utilisant les stratégies suivantes :

• Réduisez ou diminuez l'utilisation de moteurs au ralenti ou légèrement chargés
• Évitez de faire fonctionner les moteurs au-dessus de leur tension nominale
• Remplacez les moteurs standard défaillants par des modèles économes en énergie
• Installez des condensateurs dans le(s) circuit(s) concerné(s) pour diminuer la puissance réactive

Économies potentielles et retour sur investissement : Utilisez les informations du service public et de votre enquête pour calculer vos économies. Supposons que votre service public ajoute une charge de demande de 1% pour chaque 1% de votre facteur de puissance est inférieur à 0,97%. Si votre facteur de puissance est en moyenne de 86 pour cent chaque mois, alors votre fonctionnement est de 11 pour cent (97 pour cent moins 86 pour cent) en dessous du seuil de 97 pour cent. Si vos frais de demande sont de 7 000 $ par mois, alors votre coût annuel évitable via la correction du facteur de puissance est égal à :

(11 % x 7 000 $ par mois) x 12 mois =9 240 $

Prochaines étapes
Alors que vous terminez votre enquête immédiate sur l'efficacité du moteur, évaluez vos pratiques de maintenance à long terme et commencez également à y apporter des modifications. Incluez ces mêmes contrôles de déséquilibre de tension et de courant dans les inspections régulières. Envisagez également d'inspecter régulièrement les connexions et les mises à la terre, la tension hors conception et la résistance d'isolement, pour des améliorations supplémentaires des performances à long terme.

Cet article est une gracieuseté de Fluke Corporation. Pour en savoir plus sur ce sujet, visitez www.fluke.com.

Remarques
¹ Fiche d'information :« Optimiser votre système motorisé ». un Défi moteur document. Motor Challenge est un programme du département américain de l'Énergie (DOE). Pour plus de détails, visitez http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices.

² Fiche de conseils n° 7 sur les systèmes moteurs (septembre 2005) : « Elimination du déséquilibre de tension », et Conseils énergétiques – Systèmes moteurs document écrit pour le programme de technologies industrielles du DOE.

³ Déterminer en dehors du laboratoire l'efficacité d'un moteur est difficile et implique une main-d'œuvre et un équipement considérables. De plus, ±1 % d'efficacité aura un impact significatif sur les économies en dollars calculées. (Voir la fiche de conseils n° 2 sur les systèmes moteurs (septembre 2005) :« Estimation de l'efficacité du moteur sur le terrain », un Conseils énergétiques – Systèmes moteurs document écrit pour le programme de technologies industrielles du DOE.) Lorsque le pourcentage de charge est connu, le logiciel MotorMaster+ 4.0 choisit automatiquement l'efficacité à la charge en fonction des données disponibles.

⁴ Fiche d'information :« Optimiser votre système motorisé ».

⁵ Extrait de la fiche d'information du DOE : « Acheter un moteur électrique à haut rendement énergétique », un document du Motor Challenge ; Question 5 : « Quand un moteur écoénergétique est-il rentable ? »

⁶ Voir la fiche d'information du DOE : « Reducing Power Factor Cost », un défi moteur document.