Les entraînements hydrauliques sont de plus en plus durables
De nombreuses possibilités pour améliorer l'efficacité énergétique
Les appels au développement durable, l'augmentation constante des coûts de l'énergie et le durcissement de la législation obligent les fabricants à améliorer l'efficacité énergétique de leurs systèmes d'entraînement hydrauliques. Heureusement, le principe de fonctionnement offre de nombreuses pistes pour y parvenir, ce qui a déjà conduit à des innovations dans la technologie des moteurs, la commande et la gestion de la chaleur, entre autres. L'attention croissante portée à la combinaison servomoteur-convertisseur de fréquence et l'émergence de la pompe à entraînement contrôlé (Drive Controlled Pump, DCP) sont relativement nouvelles et prometteuses à cet égard.
Focus
L'efficacité énergétique est aujourd'hui une priorité, et elle est de plus en plus prise en compte dans les phases de conception et de production. Outre les questions environnementales, cela s'explique par des raisons économiques, en particulier l'augmentation progressive (mais considérable) des coûts de l'énergie.
Un autre facteur est le fait que les gouvernements imposent des exigences de plus en plus strictes en matière d'efficacité énergétique et d'émissions. Celles-ci sont définies, entre autres, dans le règlement de l'UE sur l'écoconception, qui vise à améliorer la performance environnementale des produits liés à l'énergie tout au long de leur cycle de vie. Les entreprises qui ne s'y conforment pas risquent non seulement des amendes (souvent élevées), mais aussi une atteinte à leur réputation.
Directive européenne sur l'écoconception
Ce cadre juridique vise à améliorer la performance environnementale des produits liés à l'énergie tout au long de leur cycle de vie; il fait partie des politiques de l'UE visant à lutter contre le changement climatique, à promouvoir l'efficacité énergétique et à favoriser la transition vers une économie circulaire.
Les produits doivent respecter des normes techniques spécifiques, notamment en ce qui concerne les niveaux maximaux de consommation d'énergie, la production de bruit ou l'utilisation de matériaux, et les fabricants doivent tenir compte de facteurs tels que l'utilisation des ressources, la facilité d'entretien et la recyclabilité.
Ces exigences sont régulièrement revues et renforcées afin de garantir que les réglementations restent en phase avec les développements technologiques et les objectifs climatiques de l'UE. Seuls les produits répondant aux exigences de la directive sur l'écoconception peuvent être vendus sur le marché de l'UE et portent le marquage CE.
Point commun
Tous les systèmes d'entraînement ont en commun de convertir l'énergie en mouvement ou de fournir une action mécanique spécifique. Dans ce processus, une source d'énergie fournit la force initiale, un système de transmission transfère le mouvement mécanique aux pièces de la machine et les éléments de sortie convertissent ce mouvement/force en une action ou un mouvement réel.
Pour éviter des problèmes tels que l'usure, la corrosion et les fuites, il est essentiel de procéder à un entretien périodique et approfondi de ces composants, quel que soit le principe d'entraînement. Les facteurs décisifs dans le choix du type de système d'entraînement sont la nature de l'application et les paramètres tels que la charge, la vitesse et la précision. Cet article se concentre sur les entraînements hydrauliques et les implications du 'défi vert' pour leur fabrication.
Pression du fluide
Dans les systèmes hydrauliques, la force requise est transmise par la pression du fluide. Le choix du type de fluide est étroitement lié aux exigences imposées au système. Les facteurs importants sont la viscosité recommandée, la plage de température, le type de système (statique ou dynamique) et toute autre exigence spécifique.
Une pression est générée pendant le transport du fluide du réservoir de stockage vers le système. Sous l'influence de cette pression, l'énergie hydraulique est convertie en énergie mécanique dans l'actionneur - un cylindre hydraulique ou un moteur. La force (souvent importante) qui en résulte est déterminée par la pression dans le système et la surface du piston.
La nature de l'application et les paramètres tels que la charge, la vitesse et la précision sont déterminants pour le choix du type de système d'entraînement
Les soupapes de sécurité et les composants de contrôle - soupapes, clapets et mécanismes de contrôle - interagissent pour assurer la pression et le débit du fluide, la régulation de la pression, la prévention des surcharges et la protection du système contre les dommages. Les joints d'étanchéité garantissent que le système fermé reste effectivement fermé.
Efficacité énergétique
Les spécialistes de l'hydraulique et du contrôle du mouvement cherchent constamment à améliorer l'efficacité énergétique. Le principe de fonctionnement décrit ci-dessus offre plusieurs pistes à cet égard.
Type de moteur
Exemples:
- Les moteurs électriques classés IE3, IE4 et aujourd'hui IE5 ont un rendement élevé en raison des frottements et des pertes de chaleur minimes, notamment grâce à l'utilisation de matériaux (d'isolation) de haute qualité et de bobinages avec des sections de fils de cuivre plus grandes;
- les moteurs à aimant permanent (PM) dans lesquels un champ magnétique constant est généré sans source d'énergie externe. Par conséquent, les pertes électriques dans les bobines sont plus faibles, la densité de puissance est plus élevée et la réponse et la précision sont meilleures;
- les moteurs à réluctance synchrone (SR) qui exploitent le phénomène de réluctance magnétique, c'est-à-dire la résistance que subit un champ magnétique lorsqu'il traverse un circuit magnétique. Plus la réluctance est élevée, plus ce passage est difficile.
Contrôle avancé
Exemples:
- le contrôle direct de couple (Direct Torque Control - DTC), où le couple et le flux d'un moteur à courant alternatif sont commandés sans transformations vectorielles complexes ni capteurs de vitesse. Il en résulte des variations de la fréquence de commutation et des ondulations de couple plus importantes;
- le contrôle à champ orienté (Field-Oriented Control - FOC), où le courant du stator est divisé: un composant contrôle le couple, l'autre la magnétisation. Comme cela se fait de manière indépendante, le contrôle du couple est optimal et la fréquence de commutation est constante.
Optimisation de la transmission
L'optimisation de la transmission est notamment possible
- en accordant suffisamment d'attention à la zone d'entrée et de sortie lors de la phase de conception (dimensionnement correct, limitation des pertes de charge);
- en utilisant le bon fluide hydraulique, voir encadré;
- en veillant à ce que les tuyaux ne soient pas obstrués ou en éliminant les obstructions dès que possible;
- en veillant à ce que les tuyaux soient droits et lisses à l'intérieur (moins de résistance, donc moins d'usure);
- en effectuant les procédures de purge correctement et à temps (évite la cavitation, voir encadré).
Freinage régénératif
Les systèmes hydrauliques sont connus pour perdre beaucoup d'énergie en raison des pertes de pression ou du freinage. Le freinage régénératif minimise ces pertes en récupérant l'énergie normalement perdue lors du freinage sous forme de chaleur.
Cette énergie peut être réutilisée directement dans le système, stockée dans des accumulateurs (notamment des réservoirs hydrauliques sous pression) ou convertie, via un système électro-hydraulique, en énergie électrique stockée dans des batteries. Cette technique est particulièrement utile dans les situations où il y a un grand nombre de mouvements cycliques ou d'arrêts soudains; les machines mobiles et les presses industrielles en sont des exemples.
Gestion de la chaleur
Étant donné qu'une part importante des pertes d'énergie dans les systèmes hydrauliques est convertie en chaleur, il est important de limiter cette production de chaleur dans la mesure du possible, de récupérer la chaleur excédentaire et, lorsque cela n'est pas possible, de l'éliminer.
Limiter la production de chaleur
L'optimisation de la conception du système - des tuyaux plus larges et des configurations de vannes plus efficaces - permet de réduire les pertes de pression. Il est également judicieux d'utiliser des fluides à faible viscosité (moins de frottement) et des composants à haut rendement énergétique, tels que des vannes proportionnelles et des pompes à débit variable.
Récupération de la chaleur excédentaire
Dans certains cas, la chaleur générée peut être récupérée et utilisée à bon escient: utilisation de la chaleur excédentaire pour d'autres procédés dans l'environnement industriel ou de transformation, ou intégration de cycles thermodynamiques pour produire de l'électricité, par exemple.
Évacuation de la chaleur excédentaire
La surchauffe réduit les performances des systèmes hydrauliques et doit donc être évitée. Pour ce faire, il est possible d'utiliser des systèmes de refroidissement (radiateurs, refroidisseurs, échangeurs de chaleur), de contrôler la température (thermostats et capteurs) et/ou d'utiliser des conceptions et des matériaux qui dissipent rapidement la chaleur (conduction thermique optimisée).
Huile hydraulique
Les facteurs qui influencent le choix de l'huile hydraulique sont la température ambiante, la pression, la vitesse et l'impact sur l'environnement. En général, on utilise des huiles minérales, synthétiques ou biodégradables.
Parfois, on préfère des fluides à base d'eau - émulsions d'huile et d'eau. C'est notamment le cas dans les situations où le coût et/ou les aspects écologiques posent problème ou lorsqu'il existe un risque accru d'incendie (voir le tableau des fluides hydrauliques résistants au feu). Enfin, il existe des fluides spéciaux, par exemple les fluides à base de silicone et de fluorocarbone, destinés à être utilisés dans des conditions extrêmes telles que des températures très élevées, des pressions élevées, des environnements corrosifs ou des combinaisons de ces éléments.
Développements
Les fabricants améliorent l'efficacité énergétique de leurs systèmes d'entraînement hydrauliques. Deux développements méritent une attention particulière à cet égard:
Combinaison servomoteur - convertisseur de fréquence
Cette combinaison offre le meilleur des deux mondes. Le servomoteur fournit un couple élevé à faible vitesse et est capable d'anticiper les changements de charge ou le mouvement souhaité. Le convertisseur de fréquence contrôle la vitesse et le couple du servomoteur en faisant varier la fréquence et la tension de l'électricité fournie.
Avec les entraînements hydrauliques, on s'efforce constamment de réduire l'énergie requise par unité de production
Cela se traduit par un contrôle précis de la pression et du débit hydrauliques. La production de chaleur est également plus faible car le moteur ne tourne plus continuellement à plein régime. On trouve ce type d'entraînement dans les machines industrielles et les équipements de précision, entre autres.
Drive Controlled Pump (DCP)
Dans ce concept technologique, la vitesse de la pompe est contrôlée directement par un convertisseur de fréquence ou un servomoteur. En ajustant la vitesse du moteur directement aux besoins du système, la pompe fournit exactement la quantité d'énergie hydraulique requise à ce moment-là.
De plus, comme un système de contrôle intégré surveille la demande de pression et de débit hydraulique en temps réel, la pompe ne fonctionne que lorsque le système a besoin d'énergie hydraulique. Il en résulte une plus grande précision et une utilisation plus efficace de l'énergie. Les DCP sont couramment utilisées dans les systèmes hydrauliques industriels et mobiles de pointe, tels que les presses et les machines de moulage par injection.
En collaboration avec DV Hydraulics
