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Choix de la motorisation avec ou sans réducteur ?

Sur le plan des performances de confort et de trafic, les différents types de motorisation conviennent dans la plupart des cas. En effet, le dimensionnement de l’installation dépendant surtout de la charge et de la vitesse à atteindre, la gamme disponible sur le marché est assez large pour satisfaire l’ensemble des performances souhaitées, quel que soit le type de motorisation.
Pour cette raison, on différentie plutôt les motorisations à traction en fonction des critères principaux suivants :

  • le rendement global,
  • la performance énergétique,
  • l’encombrement des équipements.

Les critères secondaires, mais néanmoins importants, prennent en compte le poids, la consommation d’huile, le niveau acoustique, …

Rendement global de la motorisation

Le rendement global de la motorisation influence le dimensionnement de l’installation et les consommations futures. En effet, à puissance mécanique égale (pour déplacer la charge), meilleur sera le rendement de la motorisation, moins :

  • le surdimensionnement du moteur et de l’installation électrique sera important,
  • les consommations énergétiques durant la vie de l’ascenseur seront grandes,
  • les chutes de tension en ligne perturberont le réseau électrique interne voire externe.

On adopte une règle immuable en terme de rendement :

Plus les équipements de la motorisation sont nombreux,
moins bon est le rendement !

On sait que :

Pélectrique = Pmécanique /  η global de motorisation

Où :

  • Pmécanique est la puissance mécanique à l’arbre du treuil,
  • η global de motorisation est le rendement de la motorisation.

Le rendement global de la motorisation :

η global = ηélectr_commande x ηélectr_moteur x ηmécan_réducteur x ηmécan_treuil

Le cas des moteurs à traction avec réducteur de vitesse, par rapport à la même motorisation sans réducteur, montre que les intermédiaires occasionnent des pertes et, par conséquent, réduisent la puissance mécanique disponible à la roue de traction pour une même puissance électrique absorbée.

Le tableau suivant permet de comparer les différents rendements globaux en fonction du type de motorisation et en présence ou non d’un variateur de vitesse électronique.

Performance énergétique

Indépendamment du rendement global de la motorisation, la maîtrise de la performance énergétique passe surtout par l’optimisation des courants de démarrage. En effet, le fonctionnement des ascenseurs est plus une succession de démarrages et d’arrêts, où le courant absorbé peut être très important, que de longues courses à courant nominal plus réduit. Ceci est d’autant plus vrai que le trafic est intense; ce qui est le cas des bâtiments du secteur tertiaire.

Il va de soi, qu’à l’heure actuelle, le variateur de vitesse devient un gage de performance énergétique certain et que de prévoir un nouveau projet de conception sans cet équipement :

  • priverait les utilisateurs d’un confort renforcé (démarrage progressif, mise à niveau précise, …),
  • occasionnerait des consommations inutiles et des appels de puissance pénalisants au niveau de la pointe quart-horaire.

Le marché s’oriente vers les motorisations avec ou sans réducteur (“gearless”) mais équipés d’un variateur de vitesse statique cumulant différents avantages comme :

  • le contrôle permanent du couple et de la puissance en optimisant les courants de démarrage et les consommations,
  • la possibilité de renvoyer de l’énergie sur le réseau électrique durant le freinage,
  • …

 

Commande par variation de fréquence.

Sans tenir compte du rendement de la motorisation, la performance énergétique est en fait liée principalement à la gestion des démarrages et des arrêts par le variateur de vitesse.

L’analyse effectuée par le CADDET (Centre for the Analysis and Dissémination of Demonstrated Energy Technologies) sur les consommations d’une motorisation classique par rapport à une motorisation innovante, a mis en évidence des différences énergétiques importantes :

Paramètres
 Type de motorisation
Traction classique Gearless
Vitesse de déplacement de la cabine [m/s] 1 1
Charge de l’ascenseur [kg] 630 630
Puissance du moteur électrique [kW] 5,5 3,3
Calibre de la protection moteur [A] 35 16
Nombre de courses pour 3 mois 27 444
Consommation électrique pour 3 mois [kWh/3 mois] 958 447

Il est clair que l’économie est importante (53 %). Toutefois, pour être tout à fait neutre dans l’étude, la motorisation sans réducteur de vitesse et équipée d’un variateur de fréquence, devrait être comparée à une motorisation classique avec réducteur à vis sans fin, équipée aussi d’un variateur de fréquence. Les économies seraient moins importantes mais tout de même en faveur de la motorisation sans réducteur, de part le meilleur rendement.

Si on reprend le graphique des rendements et qu’à la motorisation classique on adjoint un variateur de vitesse de caractéristiques similaires (au niveau énergétique) à celles du “gearless”, l’économie réalisée sur la gestion énergétique optimale du variateur de vitesse est de l’ordre de 31 %. On a donc tout intérêt à envisager une motorisation sans réducteur.

Paramètres
 Type de motorisation + variateur de vitesse
Traction classique avec réducteur à vis sans fin Sans réducteur ou “Gearless”
Rendement ~ 0,55 ~ 0,77
% d’économie énergétique due au rendement –  ~ 22
% d’économie due au variateur de fréquence ~ 31 %

Évaluer

  Pour en savoir plus sur l’estimation des économies d’énergie faites par le placement d’un variateur de vitesse pour la commande d’une motorisation, cliquez ici !

Encombrement

Une réduction des coûts d’investissement et un gain de place sont liés à la limitation de l’espace nécessaire à la machinerie.

Un constructeur annonce une réduction de l’ordre de 25 % de l’investissement nécessaire à la conception d’un ascenseur sachant que la salle des machines n’est plus nécessaire; ce qui rend le critère d’encombrement crédible.

Concevoir

 Pour en savoir plus sur le choix du type d’ascenseur, cliquez ici !

Ici encore, la motorisation sans réducteur (“gearless”) vient révolutionner le monde des ascenseurs dans le sens où la compacité de ce système est impressionnante au point de pouvoir concevoir des projets d’ascenseurs sans salle des machines, en plaçant directement la motorisation dans la gaine et l’armoire de commande compacte à même le dernier palier de l’ascenseur par exemple.

  

Compacité de la motorisation sans réducteur “gearless”.

Critères secondaires

Les critères secondaires, mais non des moindres, permettent d’affiner le choix de la motorisation. On citera principalement :

  • le poids,
  • la consommation d’huile,
  • le niveau sonore.

La même analyse effectuée par le CADDET (Centre for the Analysis and Dissémination of Demonstrated Energy Technologies) donne des résultats concernant la comparaison des motorisations classiques (moteur à deux vitesses à réducteur à vis sans fin par rapport à une motorisation sans réducteur). Le poids de la motorisation sans réducteur permet d’envisager des projets de conception plus “léger” au niveau de la stabilité.

Type de motorisation
Paramètres Traction classique Gearless
Vitesse de déplacement de la cabine [m/s] 1 1
Charge de l’ascenseur [kg] 630 630
poids de la motorisation [kg] 430 230
Niveau acoustique [dB] 65-75 50-55
Nombre de courses pour 3 mois 27 444
Quantité d’huile nécessaire [litres] 3,5 –

Choix du variateur de vitesse

L’intervention du maître d’ouvrage dans le choix du variateur de vitesse se résumera à conscientiser le bureau d’étude ou le constructeur à tenir compte de différents aspects :

Rendement

Le rendement du variateur de vitesse varie en fonction de la charge et de la vitesse du moteur. En général, il se situe aux alentours de 90-95 %.

Surcouple de démarrage et choix de la puissance

Certains variateurs de vitesse sont prévus pour accepter pendant le démarrage un surcouple (160 % par exemple). Le choix de la puissance d’un variateur de vitesse doit être réalisé pour que le couple donné par le variateur de vitesse au moteur soit le plus proche possible du couple nominal de l’ascenseur; le dimensionnement en tiendra compte.

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Le besoin de refroidissement

Les variateurs de fréquence doivent évacuer leurs pertes calorifiques. Le choix du variateur se basera sur la quantification de cette perte et la possibilité d’avoir recours uniquement à la ventilation naturelle.

La compatibilité électromagnétique

La compatibilité électromagnétique des variateurs de vitesse par rapport à leur environnement est importante pour le limiter les perturbations du réseau électrique du bâtiment. En effet, la génération d’harmoniques par le variateur peut entraîner des déclenchements intempestifs de protections, la perturbation des ordinateurs, …

Le choix du variateur tiendra compte de la directive CEM et de la marque CE des équipements.

La récupération d’énergie

Dans le choix d’un variateur de fréquence, on prendra en compte aussi la possibilité de renvoi d’énergie au réseau lors du freinage de l’ascenseur ou lors de la descente de la cabine en charge lorsque la cabine remplie dépasse le poids du contrepoids : le couple résistant peut devenir moteur.

Attention toutefois que si le choix se porte sue une motorisation à vis sans fin, la charge ne peut pas entraîner le moteur électrique car la vis sans fin est un organe mécanique irréversible; le moteur ne peut pas devenir générateur et renvoyer de l’énergie sur le réseau.