Efficacité et connectivité : considérations clés pour l’avenir des systèmes d’entraînement

 

Blake Marchand

14 avril 2019

Les moteurs électriques consomment environ 53 % de l’électricité dans le monde et au moins 90 % de toute l’électricité consommée par le secteur industriel selon la commission électrotechnique internationale (CEI). Dans ce contexte, on comprendra vite que l’efficacité sera et restera un facteur clé pour que les fabricants réduisent leurs frais généraux ainsi que leur empreinte carbone globale.

« En conséquence », expliquent Orlowska-Kowalska et Dybkowski dans leur rapport de marché, « on peut affirmer que les tendances actuelles en matière de développement sont et seront strictement liées à l’efficacité énergétique des moteurs, à la qualité de l’énergie électrique et à l’influence sur l’environnement » (Orlowska-Kowalska, Dybkowski, 8).

Bien que la fiabilité, pour des raisons évidentes, reste le facteur déterminant dans le choix des moteurs électriques, l’efficacité et la connectivité ne doivent pas être négligées. Les normes d’efficacité mises en place par les gouvernements du monde entier « signifient que, dans un proche avenir, la plupart des machines utilisées dans l’industrie seront équipées d’un variateur de fréquence offrant la possibilité d’un contrôle de la vitesse angulaire, même si un processus technologique ne nécessite pas ce type d’algorithme » (7 ).

Le rapport conclut finalement : « il ne fait aucun doute que dans la plupart des applications industrielles l’avenir appartiendra aux moteurs à courant alternatif alimentés par des convertisseurs de fréquence équipés de convertisseurs de réseau et de convertisseurs de tension utilisant des modules d’alimentation intelligents contrôlés par la méthode MSI ( medium scale integration : intégration à moyenne échelle ) ». Toutefois, le rapport ne tient pas spécifiquement compte de la perte de puissance résultant de la conversion CA / CC; il sera donc nécessaire de poursuivre les recherches pour en déterminer les avantages.

La possibilité de contrôler à distance les mécanismes d’entraînement à fréquence variable (VFD) augmente leurs avantages en termes d’efficacité et de coûts d’entretien associés. À mesure que les capacités de connectivité de l’IIdO augmentent, il en est de même des possibilités de maintenance préventive qui permettront aux fabricants de réduire les temps d’arrêt et les coûts associés aux réparations ainsi que d’augmenter la durée de vie de leurs systèmes d’entraînement. La capacité des systèmes d’entraînement à travailler plus intelligemment, plutôt que plus intensément, ouvre également la porte à une augmentation du rendement sans accabler le système d’entraînement.

Le rapport de 2017 de Research And Markets sur le marché mondial des mécanismes d’entraînement électriques pour 2017-2021 conclue qu’en ce qui concerne l’efficacité et l’IIdO, «les tendances actuelles du marché sont favorables aux entraînements alimentés par courant alternatif, car ces moteurs consomment moins d’énergie que les moteurs à courant continu et ne disposent pas de commutateurs non fiables. »

La CEI ajoute que «l’accent est passé du rendement du moteur comme tel au rendement de toute “l’unité entraînée par moteur ‘, soit le système constitué du contrôle du moteur avec un variateur de fréquence, du moteur lui-même, de l’équipement mécanique et de l’application entraînée (pompe, ventilateur, compresseur, etc.) ’, ce qui signifie que l’ensemble du système moteur est pris en compte lorsqu’on examine l’efficacité. Cette perspective profite aux entraînements par moteur à courant alternatif. La demande croissante de technologies IIdO est un autre facteur favorisant les entraînements électriques.

La puce du microcontrôleur intégré élimine l’incertitude des capteurs externes en créant une connexion directe via Internet, ce qui augmente les possibilités de maintenance préventive. L’émergence de l’IdO / IIdO combinée à l’importance croissante des entraînements électriques offrira aux fabricants un niveau élevé de certitude quant à leurs calendriers de maintenance et à la durée de vie globale de leurs équipements.

Dans les applications futures, les tendances du marché suggèrent que les mécanismes d’entraînement sans capteur seront utilisés dans les télémanipulateurs et les robots industriels, tandis que les mesures directes dans ce contexte ‘seront remplacées par la reproduction de variables d’état à l’aide d’estimateurs algorithmiques et/ou neuronaux à tolérance élevée aux changements et à la détermination incorrecte des paramètres du moteur. »(23)

La construction et l’automatisation, en particulier dans les domaines du pétrole et du gaz, de l’alimentation ainsi que des pâtes et papiers, seront les secteurs qui détiendront la plus grande part des systèmes moteurs à courant alternatif , tandis que la région Asie-Pacifique sera le marché à la croissance la plus rapide. La prépondérance de cette région est due à l’importance qui y est accordée à une politique d’efficacité énergétique. Étant donné que les sources d’énergie traditionnelles telles que le pétrole et le gaz sont limitées, les pays considéreront l’efficacité comme une nouvelle source d’énergie, en répondant à la demande croissante en énergie par la modification de la façon dont ils consomment leurs ressources.

En définitive, l’avenir des systèmes d’entraînement appartiendra à ceux qui optimisent l’efficacité, la connectivité et la sécurité. En conséquence, il semble que les moteurs à courant continu soient progressivement incapables de concurrencer leurs homologues CA. Ainsi, ‘alors que la croissance du marché moteur CC est restée presque stable ces dernières années, le marché des systèmes d’entraînement CA devrait connaître une croissance linéaire.

De plus, les commandes vectorielles permettent aux moteurs AC d’égaler les performances des moteurs à courant continu sur une plage de vitesses étendue sans compromettre leur durée de vie ou leur fiabilité. À cet égard, l’avantage des variateurs CC par rapport aux convertisseurs AC dans les applications à haut rendement pourrait diminuer au cours des prochaines années. Les avancées technologiques englobant l’ensemble du système d’entraînement, ainsi que les normes relatives à l’efficacité des systèmes d’entraînement plutôt que celles des moteurs, ont permis de combler les lacunes de performances de nombreuses applications.

La prédominance des moteurs et des systèmes d’entraînement à courant alternatif a également été renforcée par les progrès de l’automatisation, qui nécessite un entraînement plus complexe avec une capacité de calcul importante. On peut considérer les entraînements à moteur comme 80 % d’entraînement et 20 % de services. L’avenir des entraînements comblera cette différence de manière significative à mesure que la connectivité industrielle augmentera.

Comme l’automatisation industrielle devient de plus en plus complexe et que l’IIdO continue de créer davantage d’interconnexions, les systèmes de motorisation électriques devront traiter et simplifier un niveau élevé de complexité et de connectivité en plus d’atteindre de plus hauts niveaux d’efficacité énergétique.

Sources:

Dybkowski, Mateusz; Orlowska-Kowalska, Teresa. Industrial Drive Systems: Current State and Development Trends. Power Electronics and Drives. Vol. 1 (36), No. 1. 2016.

Matsuse, Kouki; Matsuhashi, Daiki. New Technical Trends on Adjustable Speed AC Motor Drives. Chinese Journal of Electrical Engineering. Vol. 3, No. 1. June 2017.

https://www.iec.ch/perspectives/government/sectors/electric_motors.htm

https://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/ac-drives.asp