Comparaison des solutions d’entraînement alternatif ou continu ?

Les moteurs à courant continu sont loin d’être tombés dans l’oubli.

Certains prédisent la mort des moteurs à courant continu depuis plus de 20 ans. Pourtant ils sont loin de s’avouer vaincus et leurs avantages, bien que rarement soulignés, sont incontestables.

Conçus pour transformer l’énergie électrique en énergie mécanique, les moteurs électriques se répartissent en deux catégories : les moteurs à courant continu d’une part et les moteurs à courant alternatif d’autre part. Par ailleurs, on distingue deux types d’applications, à vitesse constante ou à vitesse variable.

De conception simple, le moteur à courant continu se compose d’un ensemble balais-collecteur, permettant le transfert du courant électrique. Dans le cas des applications à vitesse variable, le moteur à courant continu est associé à un variateur commandant la vitesse de fonctionnement du moteur; il est alimenté en courant continu.

Alimenté en courant sinusoïdal, le moteur à courant alternatif se compose d’un moteur et d’un variateur électronique sophistiqué.

Depuis le milieu des années 80, les domaines des automatismes et de l’électronique de puissance ont réalisé de grands progrès avec pour conséquence la mise en valeur de technologies sophistiquées et la dévalorisation de technologies plus simples. Présentées comme démodées, les machines à courant continu ont été peu à peu remplacées par des moteurs à courant alternatif (aussi appelées moteurs asynchrones triphasés). Les moteurs à courant alternatif représentent aujourd’hui plus de 96% du parc de moteurs électriques mondial, la majeure partie d’entre eux fonctionnant à vitesse fixe sans variateur.

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Cependant, au vu des nouvelles tendances visant à améliorer l’efficacité énergétique, il apparaît nécessaire de remettre en question les pratiques et raisonnements usuels concernant les moteurs électriques, notamment parce que la vitesse variable peut entraîner des économies d’énergie réelles.

Dans un contexte industriel où le moteur à courant alternatif est souvent favorisé, il paraît important de revenir sur les reproches communément faits au moteur à courant continu. Sont-ils exacts ou erronés ?

Défauts attribués aux machines à courant continu… Ce que l’on devrait préciser…

Elles sont archaïques. Faux : S’il est vrai que la technologie utilisée dans les machines à courant continu est une technologie simple, il est aussi reconnu qu’elle a fait ses preuves. Le fonctionnement du système balais-collecteur est simple à appréhender et fonctionne facilement avec une maintenance limitée.

Leur coût d’achat est bien supérieur à celui des machines à courant alternatif.

Faux : Si l’on compare la solution [moteur à courant continu et variateur] à la solution [moteur à courant alternatif et variateur], les machines à courant alternatif sont en réalité plus chères à l’achat.

Leur technologie est mal connue aujourd’hui.

Vrai : La maintenance des machines à courant continu est souvent confiée à des partenaires externes, ce qui ne facilite pas l’apprentissage de la technologie à courant continu par les équipes qui les utilisent. Par ailleurs, l’enseignement technique et scientifique met aujourd’hui davantage l’accent sur le fonctionnement des moteurs à courant alternatif. En revanche, les machines à courant continu sont très bien connues des fabricants et des sociétés de maintenance ; ces derniers sont aptes à former et à accompagner les utilisateurs de moteurs qui le désirent.

Elles induisent des coûts élevés de maintenance.

Faux : Les moteurs à courant continu comportent certes des pièces dites « d’usure » (système balais-collecteur) nécessitant une maintenance régulière, mais l’ensemble des coûts de maintenance pour toute la durée de vie d’une machine à courant continu (moteur et variateur) est équivalent au coût de remplacement d’un seul variateur de machine à courant alternatif (en moyenne, tous les 7 ans), puisque les variateurs utilisés dans les machines à courant alternatif sont des pièces électroniques avec des coûts élevés.De plus, là où le changement des balais demeure une opération simple, rapide et accessible aux opérateurs de maintenance, une panne électronique implique systématiquement le recours à un spécialiste sans maîtrise quant au délai et au coût de réparation.

Il semble que les désavantages attribués aux machines à courant continu ne soient pas tous justifiés et véridiques. Passons en revue leurs caractéristiques afin de ne pas laisser mourir des machines électriques qui fonctionnent encore de façon optimale.

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Les avantages attribués aux machines à courant continu sont rarement évoqués alors que les désavantages qui leur sont toujours attribués ne sont ni justifiés ni véridiques si on prend soin de se positionner sur une période d’utilisation correspondant à leur durée de vie moyenne, d’environ 15 ans.

Caractéristiques des moteurs à courant continu

Principales applications de la technologie à courant continu

La technologie à courant continu sied particulièrement bien aux applications de fortes puissance (au delà de 250KW) et à vitesse variable parce qu’elle est capable de s’adapter aux différents régimes de fonctionnement. « La large capacité d’adaptation du moteur à courant continu en fait une solution idéale pour les applications qui requièrent une vitesse très précise avec un couple élevé et des vitesses basses, des accélérations rapides, des surcharges importantes ou un fonctionnement à puissance constante» précise Livio Ghersini, Directeur des ventes des moteurs à courant continu chez Ansaldo Sistemi Industriali S.p.A.. « Cette technologie permet notamment d’obtenir une très grande fiabilité pour toutes les applications de fortes puissances », ajoute Jean-Marc Gobert, Responsable des ventes de moteurs à courant continu Ansaldo France chez EMG-EMCO.

Robustesse• Les moteurs à courant continu sont construits à partir de matériaux robustes garantissant une

longue durée de vie. On rencontre sur certains sites des machines à courant continu vieilles de plus de 50 ans. De ce fait le coût d’achat initial du moteur est rapidement amorti.

• Les moteurs à courant continu sont extrêmement résistants et peuvent fonctionner dans des conditions optimales quel que soit l’environnement de production (chaleur, humidité, poussière…). Ils sont historiquement présents dans les industries les plus exigeantes (métallurgie…).

Conception• La conception des moteurs à courant continu leur permet de fonctionner en mode dégrade, dans le

cadre d’un défaut de commutation ou d’électronique par exemple. Ce type de fonctionnement est un véritable gage de sécurité pour la continuité de la production puisque même en cas de problème, la machine continue à fonctionner, jusqu’à 50% de son rendement pour certaines d’entre elles.

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• De conception simple, les moteurs à courant continu offrent une très grande fiabilité. Ils sont notamment utilisés dans des applications exigeantes qui ne supportent pas le moindre défaut de fiabilité, telles que les moteurs de levage.

Maintenance• Le comportement du moteur à courant continu est facile à observer. Les défaillances de ces

moteurs sont facilement identifiables grâce aux répercussions sur le système balais-collecteur, visibles à l’œil nu. Pour cela, aucune connaissance particulière en électronique n’est requise. De ce fait, les opérations de maintenance peuvent être organisées en avance en fonction du comportement du moteur et sont ainsi moins coûteuses que les pannes et arrêts de production imprévus.

• En cas de problème, les réparateurs et techniciens de maintenance interviennent rapidement sur les machines à courant continu. Leurs relations de proximité avec les fabricants de balais et leurs stocks de pièces et composants de rechange permettent de réduire le temps d’immobilisation de la machine. De ce fait, obtenir de l’aide sur une machine à moteur à courant continu est aisé.

Fonctionnement • Les machines à courant continu sont faciles à piloter.

- Maîtrise et précision du couple- Flexibilité en vitesse- Rapport direct entre la tension et la vitesse - Rapport direct entre le courant et le couple - Grande capacité de surcharge/surcouple en conservant le même niveau de précision

- Récupération de l’ énergie électrique lors du freinage (inhérent à la technologie des moteurs à courant continu)

Encombrement• Quand on est confronté à une problématique de rationalisation d’espace, les moteurs à courant

continu offrent des avantages intéressants. En effet, à puissance égale, l’encombrement d’un moteur à courant continu (c’est à dire l’encombrement du moteur et du variateur) est inférieur à l’encombrement d’un moteur à courant alternatif (moteur et variateur).

• L’ encombrement réduit des machines à courant continu a également un impact positif sur le coût global.

Coûts• Les simulations du coût global d’utilisation d’une machine à courant continu sur 15 ans (en prenant

en compte l’ensemble des paramètres tels que les coûts d’achat, coûts de maintenance, les coûts liés à la perte d’exploitation lors de l’immobilisation des machines, la durée de vie de la machine….) montrent que les machines à courant continu (moteur et variateur) coûtent moins cher que les machines à courant alternatif (moteur et variateur). « Le variateur à courant continu reprend simplement l’élément redresseur du variateur pour moteur asynchrone qui comporte en plus un onduleur, beaucoup plus complexe et onéreux » confirme Jacques Urban, Expert variateurs chez Gefran.

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- A quoi sert le balai en carbone dans un moteur à courant continu ? Le balai est une pièce à base de graphite transmettant le courant électrique entre une partie fixe et une partie mobile, dans un moteur ou un générateur. Les balais sont maintenus par un porte-balais afin d’être en permanence en contact avec le collecteur. Grâce aux propriétés du carbone, le balai dépose une fine couche de carbone sur les lames du collecteurs lors de la transmission du courant électrique, processus qui permet d’évaluer le bon fonctionnement du moteur. Bien que centenaire, le balai est une solution « vivante » à plus d’un titre. De nouvelles nuances de balai continuent à être développées aujourd’hui afin d’optimiser les performances des moteurs à courant continu et de s’adapter aux nouvelles applications. « Il existe aujourd’hui plus d’une centaine de nuances de balais différentes, chacune est élaborée et optimisée pour une application spécifique, qu’il s’agisse d’un train, d’une éolienne, ou encore d’un turbo-générateur » confirme Laurent Cebuslki, Directeur R&D chez Mersen, pour l’activité Applications Electriques. « Le balai est aujourd’hui encore l’objet de recherches faisant appel à des compétences pointues en chimie, matériaux, génie des procédés, électrotechnique, tribologie, afin de trouver la meilleure alchimie parmi une multitude de paramètres. Il peut s’inscrire dans un cycle de fabrication pouvant durer jusqu'à trois mois! Le balai a incontestablement de l’avenir, et les innovations sur lesquelles nos équipes travaillent actuellement lui laissent augurer d’excellentes perspectives! » ajoute-t-il avec enthousiasme.

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kW Hp Min Max Min Max Min Max Moteur Variateur Total Min Max

Courant Alternatif 8 000 12 000 14 400 21 000 22 400 33 000 16 000 20 000 36 000 58 400 69 000

Courant Continu 10 000 15 000 7 050 14 100 17 050 29 100 6 600 0 6 600 23 650 35 700

ENROULAGE

Exemples d'applications Papeteries….

PuissanceTechnologie

PRIXPrix achat moteur (€)

Prix achat variateur (€)

Prix achat total (€)

Coût de maintenance sur 15 ans (5000 h/an)

(€)

Prix global sur 15 ans (€)

NB: pour les puissances 150-375kW, nous avons repris les hypothèses de l'étude parue dans Mesures 802: entraînement à vitesse variable de 250 kW, variateur à 4 quadrants, utilisation 5000 h/an. Courant alternatif: moteur de 350 kW, le déclassement étant obligatoire en raison de l'échauffement.

150-375 200-500

- Où trouve t-on les moteurs à courant continu? Industrie

- Extrusion - Mélangeurs caoutchouc - Enroulage (papeteries)- Laminoirs- Machines pour fabriquer le papier - Machines d’imprimerie - Machines de refendage - Machines d’enrouleurs (aciéries, papeteries…)- Machines de tréfilage - Machines de cimenteries

Transport - Moteurs de traction ferroviaire - Remontées mécaniques (télésièges, téléski, téléphériques)

Manutention- Divers (bancs d’essais)- Levage (portiques, grues)- Ascenseurs (Tour Eiffel)

- Quels sont les paramètres à prendre en compte lors du choix d’un nouveau moteur ? Budget disponible (moteur et variateur)

Application concernéeSurface disponibleEnvironnement de fonctionnement de la machine Couple nécessairePuissance nominale nécessaireService nominal nécessaireTension d’alimentation nécessaireDegré de protection des enveloppes Type de vitesse nécessaire (variable ou constante)Plage de vitesse nécessaireBesoin de régler précisément la vitesseIntensité du courant de démarrage Besoin de capacité de surcharge

Conclusion :On a voulu trop vite enterrer le moteur à courant continu et promouvoir le moteur à courant alternatif pour toutes les applications. En fait, le moteur à courant continu est idéal pour bon nombre d’applications industrielles, de transport et de manutention. Il convient particulièrement aux applications de forte puissance et à vitesse variable et fonctionne en environnement extrême du fait de sa robustesse, de son mode de fonctionnement dégradé et de sa fiabilité. Facile à manœuvrer, le moteur à courant continu est simple d’utilisation, son comportement est facile à observer, il permet des actions de maintenance préventive. Il est bien connu des réparateurs de moteurs qui proposent une intervention rapide permettant un temps d’arrêt de la machine limité. Il est également une bonne réponse aux problématiques modernes de rationalisation d’espace du fait de son encombrement réduit. Enfin, il est rapidement rentabilisé du fait de sa longue durée de vie et se révèle moins cher que les machines à courant alternatif si l’on prend en compte son coût d’utilisation global sur plusieurs années. Le moteur à courant continu a des avantages certains, il convient de réfléchir aux qualités et inconvénients des deux technologies avant d’opter pour l’une ou l’autre.

Article issue de la collaboration entre Ansaldo Sistemi Industrilai S.p.A, EMG-EMCO, Gefran et Mersen, des sociétés spécialistes des moteurs électriques et des variateurs.

Sources : • Des moteurs électriques plus efficaces (Mesures 822, Février 2010)

• The strengths of the direct current motor : flexibility, reliability, energy saving (AsDE – Power Distribution Association, Medium Small Power Motors Group)

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• Les variateurs et moteurs continu n’ont pas dit leur dernier mot (Mesure 802, Février 2008)• Journal officiel de l’Union européenne, règlement ce n° 640/2009

• Machines à courant continu - Constitution et fonctionnement / Techniques de l’ingénieur (François Bernot, Docteur en sciences pour l’ingénieur, Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité, Maître de conférences à l’UTBM (Belfort).• Machines à courant continu - Construction / Techniques de l’ingénieur (François Bernot, Docteur en sciences pour l’ingénieur, Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité, Maître de conférences à l’UTBM (Belfort).• Moteurs asynchrones - Choix et problèmes connexes / Techniques de l’ingénieur, 10 juin 1996 (Maxime Dessoude)• Standard Handbook for Electrical Engineers – 15th edition - Section 20: Motors and Drives (Donald Fink & H. Beaty, MacGraw-Hill)• Cahier Technique Schneider Electric n°207 – Les moteurs électriques…pour mieux les piloter et les protéger (E. Gaucheron)

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