Un nouvel axe d'innovation pour les technologies Motion Control

Dans toutes les industries, les entreprises font face à l’augmentation des coûts énergétiques et cherchent à améliorer la soutenabilité de leurs activités et de leur développement. Sous l’effet de cette nouvelle tendance, la question de l’efficacité énergétique est devenue un des principaux moteurs de l’innovation technologique dans le domaine du contrôle de mouvements. Dans cette interview, Wilfried Guerry, Global Product Manager Servodrives, décrit comment B&R adapte ses servomoteurs et servovariateurs pour maximiser leur rendement énergétique.

Vingt ans après l’avènement des technologies brushless, les produits de contrôle de mouvements ont atteint leur maturité. Les performances restent dans notre ADN et nous continuerons d’innover sur ce plan pour conforter notre position de leader reconnu sur le marché. Cependant, beaucoup de fabricants de machines et d’entreprises du secteur manufacturier attendent que nos produits et nos solutions répondent aussi à d’autres objectifs. La réduction de la consommation d’énergie est de ceux-là. La conception même des moteurs et des variateurs impacte directement l’efficacité énergétique des machines. À tel point que les nouveaux enjeux énergétiques justifient aujourd’hui le développement de nouvelles fonctionnalités voire de nouvelles conceptions matérielles.

Les retours client dont nous disposons indiquent que les moteurs électriques arrivent au troisième rang des postes qui consomment le plus d’énergie dans les machines, après les fours et les compresseurs d’air. Ceci est loin d’être négligeable dans un contexte où le coût de l’énergie augmente fortement. Certes, la consommation électrique des systèmes d’entraînement électriques dépend de nombreux facteurs propres à chaque application. Néanmoins, parmi les phénomènes qui causent des surconsommations et des pertes non négligeables, il en existe qui sont communs à la plupart des applications existantes comme la consommation d’énergie réactive, les pertes par courant de Foucault dans les moteurs, ou encore les pertes par effet Joule lors des commutations rapides dans les étages de puissances.

L’énergie réactive, non convertible en énergie mécanique, représente généralement plus de 15% de la consommation électrique des machines. Les modules d’alimentation « actifs » incorporés dans les systèmes ACOPOSmulti intègrent un système de correction du facteur de puissance (PFC) qui annule quasiment la part réactive de la puissance électrique consommée. De plus, à la différence des variantes dites « passives », ils intègrent aussi une électronique qui permet la réinjection d’énergie dans le réseau électrique lors d’un freinage régénératif. Il n’est donc plus nécessaire d’ajouter d’imposantes résistances de freinage pour dissiper l’énergie excédentaire. Les machines gagnent ainsi en compacité. B&R propose des modules d’alimentation actifs depuis plus de quinze ans. La solution est donc éprouvée. Un simple échange du module d’alimentation suffit pour passer d’une alimentation passive à une alimentation active et réduire ainsi la facture d’électricité et l’empreinte carbone.

Pour aller plus loin dans la maîtrise de la consommation électrique des machines, il faut également disposer d’une cartographie complète de cette consommation, autrement dit savoir ce que consomme chaque servovariateur et à quel moment dans le cycle machine. Des solutions existent pour monitorer la consommation électrique des machines. Néanmoins, elles ne permettent pas de connaître la consommation de chaque servovariateur, ni à quel moment les pics de consommation des servovariateurs se produisent dans le cycle machine. L’information concernant la puissance consommée par les servovariateurs et les moteurs est pour ainsi dire "noyée" dans la consommation électrique totale des autres équipements comme les compresseurs d’air, les fours etc. En plus de cela, le repère temporel dans le cycle machine est perdu. Pour remédier à cela, B&R intégrera cette année une fonction de monitoring énergétique dans ses servovariateurs. Cette fonction permettra de savoir exactement et à tout moment ce que consomme ou regénère chaque servovariateur dans la machine. Le profil de mouvement appliqué à chaque moteur pourra être ainsi optimisé sur un plan énergétique. De plus, cela permettra également de proposer, dans un avenir proche, des fonctions de maintenance prédictive et prescriptive. En effet, la détection d’une consommation d’électricité inhabituelle au niveau d’un variateur peut aider à mieux localiser un problème mécanique naissant.

Les servovariateurs de B&R peuvent réduire automatiquement la fréquence de commutation de leurs transistors de puissance en fonction de la vitesse du moteur. Leurs pertes électriques peuvent être ainsi être réduites de 30% quand le moteur tourne à petite vitesse ou se trouve à l’arrêt. Les pertes par courant de Foucault concernent la conception des moteurs, laquelle a également un impact important sur la consommation d’électricité. Les moteurs à haute densité de couple que propose B&R minimisent ces pertes et délivrent ainsi environ 50% de couple en plus par rapport à des moteurs standard. À taille identique, ils fournissent ainsi la même puissance mécanique tout en consommant moins d’électricité. Autre point : le système d’entraînement résultant de l’association d’un servomoteur B&R et d’un servovariateur ACOPOSmulti ou ACOPOS P3 est certifié CEL Class 1, le plus haut grade de la certification China Energy Label (CEL). Cette certification incontournable pour la vente de servomoteurs en Chine atteste l’efficacité énergétique des servomoteurs et servovariateurs de B&R. Elle montre également le haut potentiel d’économie d’énergie de la solution complète de contrôle mouvement de B&R par rapport à la concurrence.

Aussi efficaces soient-elles, ces mesures ne permettent pas d’assurer une efficacité énergétique maximale en toutes circonstances. De plus, elles imposent toujours l’ajout d’un filtre de ligne et d’une self de régénération en amont du variateur. Pour s’affranchir de ces éléments et atteindre un rendement énergétique maximal, il faut introduire une rupture technologique. B&R a fait le choix de développer une solution hybride combinant les avantages des technologies IGBT et MOSFET. Le tout repose sur un arrangement très particulier des éléments concernés et sur une technique brevetée pour le pilotage de l’électronique de commande. La solution a déjà été testée avec succès en laboratoire et sur des machines chez des clients pilotes. Elle permet d’atteindre une efficacité énergétique proche de 99% avec une puissance nominale délivrée de 32 kW, et pas seulement au point de fonctionnement nominal. Les améliorations qu’elle apportera permettront non seulement d’accroître encore l’efficacité des moteurs, mais aussi d’éliminer le filtre de ligne et la self de régénération externes en amont du variateur. Cela se traduira par un gain d’espace d’environ 68% par rapport aux solutions actuelles. La nouvelle technologie permettra également de réduire de manière très importante les courants de fuite qui nécessitent l’ajout de disjoncteurs différentiels 300 mA coûteux ou de transformateurs d’isolement.