Rendement comparé des moteurs électriques

[rio4215]

Bonjour je suis nouveau sur le forum, je ne suis pas un professionnel de l'électricité, c'est pour cela que j'ai besoin d'aide.
Voilà. En l'espace d'une cinquantaine d'années seulement les moteurs à combustion interne (moteurs thermiques) ont vu leur rendement progresser de façon considérable. Un moteur de 1.000 cm3 qui développait environ 23 CV Din à la fin des années cinquante approche maintenant les 70 CV pour une consommation bien plus faible (de l'ordre de 4 L aux 100 kms actuellement). Les moteurs (et les générateurs) électriques ne sont sans doute pas en reste. D'ailleurs la traditionnelle dynamo à charbons des années 50 a été remplacée par des alternateurs ultra modernes capables de produire du courant même à bas régime.
Ma question est alors la suivante : Il existe différentes technologies de moteurs électriques (Brushless, synchrone, asynchone, à aimants permanents, à balais).
Pour une puissance donnée (par exemple 100 CV) lequel de ces moteurs consommera le moins d'électricité ?
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[DAUDET78]

Bonjour Rio4215 et bienvenue sur FUTURA
Il n'y a pas que le rendement comme critère de choix ! Il y a :
- Le service rendu ( je sais me positionner avec précision ou pas, je sais freiner facilement, j'ai du couple à basse vitesse)
- Le prix au CV
- la vitesse variable (je suis à 1500 Tr/mn et rien d'autre? )
- La puissance par Kg
- la source d'alimentation (je suis en triphasé ou en 48V DC)
- etc etc

[gienas]

Bonjour Rio4215 et tout le groupe

Bienvenue sur le forum.

... Il n'y a pas que le rendement comme critère de choix ! ...

Je confirme tous les critères annoncés, et j'en rajoute un autre, c'est celui de l'entretien.

La bonne vieille dynamo des véhicules des années 50 avait des balais nécessitant un entretien "fréquent", supprimé et/ou allégé pour l'alternateur.

Le moteur brushless, continu pour "l'alimentation extérieure", est, en réalité, alternatif, au prix d'une complexité électronique. L'entretien devient nul, la fiabilité accrue, et dépendante seulement de l'électronique.

[PIXEL]

pour revenir à la question , les moteurs électrique ont eu , très tôt, d'excellent rendement
de l'ordre de 0,85 pour les modèles à CC à 0,95 pour les synchrones.

donc la recherche s'oriente vers la fiabilité et le poids, comme dit par mes collégues.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Zenertransil]

Sans oublier l'asynchrone à cage (le plus courant) qui décroche la palme de fiabilité: à part les roulements de l'arbre, aucun entretien!

Sinon, ce qu'on appelle "moteur brushless" n'est rien d'autre qu'une machine synchrone à aimants permanents, et il fonctionne de la même manière! En fait, pour aller plus loin, la machine à courant continu est AUSSI une machine synchrone... Et son plus gros avantage est aussi son plus gros inconvénient! Si on mettait un oscilloscope aux bornes du rotor d'une machine à courant continu, on y verrait un courant... Alternatif! Pourquoi on l'alimente en continu en moteur et on récupère du continu en générateur, alors? Grâce au couple balais/collecteur, qui inverse périodiquement la polarité du rotor, afin que la machine tourne régulièrement et ne se contente pas de faire 1/4 de tour et se bloque.

L'inconvénient, on le voit facilement: l'usure! Comme le collecteur inverse très rapidement la polarité de l'induit, qui n'est autre qu'une grosse bobine, il crée de belles étincelles, qui l'encrassent à la longue => beaucoup d'entretien. A contrario, l'avantage est plus subtil: comme l'alimentation de l'induit (rotor sur une MCC) est gérée en permanence par rapport à la POSITION mécanique du rotor, on est sûr que celui-ci est alimenté avec la bonne polarité au bon moment, il n'y a aucun décalage possible. Concrètement, cela se traduit par un couple maximal et une perte du risque de décrochage propre aux machines synchrones "classiques".

Dans les deux cas (synchrone et MCC), on a toujours deux parties. D'abord, un inducteur, à aimants permanents, ou bobiné: c'est alors un électro-aimant, alimenté en courant continu. Il crée le flux dans la machine. Et bien sûr, un induit, qui est toujours alimenté en courant alternatif! Dans le cas d'une MCC, l'inducteur est au stator (immobile) et l'induit au rotor (tournant). Comme on l'a vu, c'est le collecteur qui se charge de cette conversion continu/alternatif, et de façon pilotée précisément, par la position du rotor: la machine tourne, et elle est toujours dans des conditions magnétiques idéales.

Avec la machine synchrone, l'inducteur est au rotor et l'induit au stator: c'est l'inverse! Si l'inducteur est à aimants permanents, il n'y a aucun lien électrique entre rotor et stator: c'est une machine brushless. Le stator, on l'alimente en courant alternatif, sinusoïdal si possible. Mais il y a un problème: l'alimentation doit se faire en fonction de la position du rotor: si le stator est triphasé (c'est souvent le cas), quel enroulement doit on alimenter à quel moment? Si on se goure dans la séquence, qu'est-ce qui se passe? La machine va décrocher, c'est à dire qu'elle perd brutalement son couple. Une petite machine va s'arrêter, une grosse machine peut s'emballer à cause des à-coups de couple dont elle va être le siège et péter (en pétant tout sur son passage): véridique! Pas très utile, en plus d'être relativement dangereux, il faut le dire. On va donc essayer de reproduire, avec les machines synchrones, le fonctionnement des machines à courant continu, c'est à dire assurer l'alimentation du bon enroulement au bon moment pour maintenir un couple maximal et empêcher le décrochage: c'est ce qu'on appelle autopilotage! Pour ce faire, on utilise un capteur de position rotorique, qui va signaler au variateur la position du rotor à tout instant, afin que celui-ci ajuste sa séquence d'alimentation. S'il y a un décalage, le variateur l'aperçoit immédiatement et corrige le tir!



Donc les MS sont des améliorations des MCC, ni plus ni moins: le fonctionnement interne est exactement le même, à cela près que la conversion continu/alternatif, qui est faite par le groupe collecteur dans la MCC, est fait par un onduleur pour une MS. Et l'autopilotage, qui est naturel sur la MCC, doit être réalisé par un artifice sur la MS: là ou le groupe balais/collecteur assure à la fois la détection de position et la gestion d'alimentation, ici, c'est séparé: un capteur relève la position à tout instant, la communique au variateur, qui gère l'alimentation. De façon plus propre qu'avec le collecteur, pas d'étincelage, pas d'encrassement, et pas de lien rotor/stator pour les moteurs brushless! Elle est pas belle, la vie?



La machine asynchrone est plus simple à utiliser (tu la branches, elle tourne) mais peut-être plus complexe à étudier: là où on avait toujours DEUX sources de champ, une à l'induit et une à l'inducteur, avec DEUX alimentations (courant alternatif à l'induit, continu ou aimants à l'inducteur), la machine à synchrone n'a que UNE alimentation: statorique, c'est tout! Ce sont ces enroulements statoriques qui vont générer un champ tournant qui va induire des courants dans le rotor qui vont générer un deuxième champ s'opposant au premier qui va mettre la machine en mouvement... Elle est dite asynchrone parce que si le rotor atteint la vitesse du champ tournant statorique, il ne "voit" plus de variation de flux (puisqu'il se déplace en même temps), n'est plus le siège de courants induits (dits de Foucault), et ralentit. Il est donc "repris" au passage par le stator, etc! Si on charge une machine asynchrone, la vitesse diminue: c'est le glissement. Il n'y a pas de décrochage!

Très simple à utiliser, donc, mais moins précise: on ne connaît ni la position rotorique, ni la vitesse réelle, qui est toujours inférieure de quelques pourcents à celle du champ tournant. Pas pratique dans les applications de précision! De même, très difficile d'avoir du couple à basse vitesse. Tout se paye: la simplicité du côté "une seule alimentation", on la paye ailleurs! Il existe des artifices pour que ses machines se comportent presque comme des synchrones, on parle de commande vectorielle de flux. Mais c'est pas facile à mettre en œuvre, et donc coûteux!



Pour résumer un peu, aujourd'hui, dans le domaine industriel:

-Moteurs sans variation de vitesse, applications courantes, type pompes, ventilateurs, machines-outils,... : machines asynchrones, les seules qui en sont capables, moins chères, très fiables. Quand j'ai commencé à m'intéresser sérieusement aux machines tournantes, un prof de GE (Michel P...) pour qui j'ai une estime et une reconnaissance énormes, m'a donné l'exemple du moteur de VMC: on le branche, il tourne, et il peut tourner des décennies sans entretien, sans maintenance.

-Moteurs avec variation de vitesse sans nécessité de connaître la position ou la vitesse exacte, plage de variation pas trop importante asynchrones + variateurs à commande scalaire (dite U/f constant: on augmente la tension d'alimentation en même temps qu'on augmente la vitesse). Très courant!

-Moteurs avec variation de vitesse, nécessité de maîtriser exactement le couple même à très basse vitesse, vitesse constante, grande plage de variation: moteurs asynchrones + variateurs à commande vectorielle de flux (ouille, c'est cher)

-Moteurs avec variation de vitesse, fortes puissance et/ou nécessité de maîtriser précisément tous les paramètres dont la position, à toutes les vitesses: machine synchrone autopilotées, on peut utiliser des MAS + variateurs à contrôle vectoriel mais le rendement supérieur des MS devient un argument convainquant. Très cher aussi.

-Moteurs avec variation de vitesse, réversibilité (moteur/générateur), faible coût et entretien pas rebutant: moteurs à courant continu. Eh oui, ça existe encore! Parce qu'un couple MCC + variateur est moins cher qu'un couple MS autopilotée + variateur, et on a pas mal d'avantages communs, donc si on accepte le rendement un peu plus faible et l'entretien supérieur, ça reste encore une très bonne option! On varie la vitesse d'une MCC en variant sa tension d'alimentation, rien de plus simple... On utilise principalement des redresseurs commandés triphasés, qui peuvent être réversibles. Une application: le levage, pour soulever la charge, on alimente le moteur, il tourne dans le premier sens. Pour la faire descendre, on laisse la charge descendre sous son propre poids mais on la freine: fonctionnement générateur, dans l'autre sens, on renvoie l'énergie sur le réseau! Et ça, un pont redresseur avec seulement 6 thyristors en est capable...



Bonne journée à tous!

[Jean4259]

Bonjour,

En principe, le moteur qui a le meilleur rendement est du type autosynchrone ( brushless) , puisque les pertes rotoriques sont très faibles, en comparaison avec un asynchrone.
Les pertes statoriques sont identiques à celles de l'asynchrone.
Le moteur à collecteur (brush moteur), a des pertes supplémentaires aux balais.

Curieusement en France, le moteur asynchrone à commande vectorielle est très utilisé, exemple: les derniers TGV.
Jean

[Zenertransil]

Curieusement en France, le moteur asynchrone à commande vectorielle est très utilisé, exemple: les derniers TGV.
Jean

C'est normal, c'est TRES souple, et ne demande absolument aucun entretien! La commande vectorielle de flux permet de se rapprocher de très près des machines synchrones, sans certains inconvénients... Pourquoi s'en priver? Démarrage doux, couple à basse vitesse, forte plage de variation, réversibilité hypersynchrone qui permet de doser le couple de freinage (contrôle du glissement), etc...

Les pertes rotoriques sont quand même très faibles, égales au produit du glissement par la puissance transmise au rotor, soit entre 1 et 4% environ, le reste étant de la puissance mécanique. Le moteur brushless a finalement peu d'applications en forte puissance, on lui préfère le rotor bobiné qui offre beaucoup plus de souplesse, même s'il entraîne plus de pertes!

Aujourd'hui c'est en production d'énergie que les machines asynchrones prennent de l'ampleur, où leurs inconvénients sont très largement compensés par des avantages inatteignables avec leurs homologues synchrones. Voir du côté des MADA...

[Jean4259]

En tout cas, l'autosynchrone s'est généralisé pour les voitures électriques et hybrides, sans doute à cause des pertes faibles.

Je ne vois que deux inconvénients à cette techno:
1) le coût des aimants au néodyme ou au samarium.
2) Le couple visqueux très élevé provoqué en cas de court-circuit accidentel du bobinage statorique, qui peut être très génant dans certaines applications.
Jean

[PIXEL]

1) le coût des aimants au néodyme ou au samarium.

venus des travaux sur la bombe atomique....