Auteur : Philip Crowe, Marketing Manager, Bauer Gear Motor GmbH
Fresenius Kabi Autriche est une filiale du groupe international de produits de santé Fresenius Kabi. Son usine de Linz fabrique des ingrédients pharmaceutiques actifs (IPA) tels que le lactulose, l'hydroxyéthylamidon (HES) et la sinistrine, et abrite une unité de production pharmaceutique pour les produits connexes. Le lactulose est fabriqué 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, selon un process juste à temps lié aux commandes qui garantit aux clients la livraison de l'ingrédient avec un temps de conservation maximal. Une partie importante du processus de production consiste à conserver le produit dans de grandes cuves dans lesquelles des agitateurs entraînés par des moteurs électriques le remuent constamment.
Besoin d'amélioration de l'efficacité
C'est ce process qui a été examiné du point de vue de l'efficacité énergétique et du rendement de production. Fresenius Kabi a demandé à Bauer d'étudier un entraînement plus performant. La société souhaitait en même temps plus de flexibilité pour permettre au système de continuer à fonctionner tout en changeant certaines spécifications du process. L'équipement était composé d'un motoréducteur asynchrone 2 pôle IE2 à branchement direct sur le réseau, doté d'une puissance nominale de 18,5 kW avec un rendement de 91,2 %. Il entraînait les pales d'un agitateur tournant à 105 tr/mn avec une charge d'environ 1632 Nm. Les mesures initiales ont révélé que cet entraînement fonctionnait à 10,5 kW avec, par conséquent, une réduction de l'efficacité énergétique liée à la charge partielle. Les ingénieurs de production voulaient modifier la géométrie de l'agitateur et réduire la vitesse de 105 tr/mn à 53 tr/mn.
Comparaison des options
La nouvelle conception de l'agitateur a été testée à vitesse réduite pour s'assurer du mélange correct du produit dans la cuve. Dès confirmation, Bauer a poursuivi la sélection des nouveaux motoréducteurs sur la base de ces derniers paramètres. Au départ, il était envisagé d'installer un moteur asynchrone (ASM) IE4 (hauteur d'axe 132) d'un rendement de 92,6 % mais, après consultation de Bauer, il a été décidé d'utiliser un moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) IE4 (hauteur d'axe 112) afin de réaliser des gains énergétiques encore plus élevés. Bauer a comparé les coûts d'exploitation de l'équipement d'origine avec ceux de la technologie plus récente. Cette comparaison, accompagnée de calculs du coût total de propriété (TCO), a fourni une évaluation précise des différences de consommation d'énergie entre les conceptions ASM et PMSM ainsi que des calculs techniques détaillés de longévité des paliers. Les essais et évaluations ont été réalisés par le partenaire Bauer ESKO, situé à Fohnsdorf en Autriche. Pour ce projet, Bauer a proposé des motoréducteurs BF60 et BK60 avec un moteur PMSM IE4 de 7,5 kW et un réducteur à engrenages parallèles ou coniques. Par rapport à un asynchrone IE4, on constate un avantage au PMSM aux vitesses faibles ou aux charges partielles. Bien que les moteurs ASM et PMSM soient tous deux classés IE4, les rendements respectifs indiqués étaient de 92,6 et 92,1 %. Cependant, le rendement mentionné pour l'ASM était pour un moteur à branchement direct sur le réseau, après correction pour un fonctionnement avec variateur, il est passé à 90,2 %. De plus, la masse physique des moteurs diffère considérablement : 84 kg pour l'ASM et 31 kg seulement pour le PMSM, cette différence influence largement la conception de l'application.
Le graphique (image 2) montre les différences à 50 Hz à différentes charges. Aux charges partielles, l'ASM accuse une diminution de rendement beaucoup plus importante que le PMSM. À des charges inférieures à 50 %, les différences deviennent extrêmement grandes.
Autre facteur à prendre en considération : quand la vitesse est variable, le rendement diminue également, ce qui est mis en évidence au travers les mesures avec les moteurs IE3 présentées ci-dessous.
Comparaison des technologies IE3 en général
Pendant la phase de consultation, Bauer a pu se baser sur des données provenant d'une comparaison physique effectuée entre un ASM IE3 et un PMSM IE3. Dans cet exemple, le rendement du moteur ASM était de 89,6 % tandis que celui du PMSM était de 90,8 %. De même qu'avec les exemples IE4 ci-dessus, la masse physique des moteurs différait considérablement, 56 kg pour l'ASM (hauteur d'axe 132) et 31 kg seulement pour le PMSM (hauteur d'axe 112).
Les courbes de rendement (images 3 et 4) montrent les avantages des PMSM quand l'application exige une vitesse plus faible ou une charge inférieure à la pleine charge. Tout en assurant des économies, le PMSM est également capable de fournir un rendement continu en cas de modification du process. Ces graphiques montrent que le rendement de l'ASM est largement inférieur à celui du PMSM à des vitesses plus faibles (6 Hz), en fonctionnement à charge partielle. Ces données sont transférables aux modèles IE4 envisagés pour l'application. Ce sont là des facteurs de décision qui montrent à l'utilisateur la véritable efficacité des moteurs en situation réelle.
La gamme des motoréducteurs Bauer offre une flexibilité totale en termes de puissance, de configuration de réducteurs et de possibilités de montage, ainsi que des possibilités d'intégration inégalées. Un fonctionnement silencieux et un rendement élevé sont les particularités de tous les motoréducteurs Bauer qui constituent la solution idéale pour les machines de production.
Caractéristiques des produits
Les séries BF et BK se déclinent dans des puissances de jusqu'à 45 kW pour un couple de sortie de 80 à 18500 Nm et des vitesses de 0,2 à 280 tr/mn. Les appareils de ces séries sont totalement protégés contre la poussière et les jets d'eau avec une étanchéité IP65 de série et IP66 ou IP68 en option. Tous ces motoréducteurs peuvent être utilisés à l'extérieur ou dans des environnements humides ou poussiéreux, sans nécessiter de carénages supplémentaires.
Pour les applications dans des zones potentiellement explosibles Bauer Gear Motor a développé des PMSM classés IE3 et IE4. Ces moteurs permettent aux exploitants de bénéficier de performances accrues similaires tout en ayant des appareils Atex.
La fiabilité est garantie par l'intégration de roulements surdimensionnés, d'engrenages trempés, forgés et rectifiés ainsi que de réducteurs renforcés en interne et en externe. Ceci assure une longue durée de vie avec une maintenance minime. La conception de l'étanchéité autorise de nombreuses années de fonctionnement sans fuite. Tous les composants des motoréducteurs de la gamme Bauer sont interchangeables. Les utilisateurs bénéficient ainsi d'un plus grand nombre d'options, de coûts réduits et de livraisons rapides.
Le rendement nominal des moteurs est indiqué sur la plaque signalétique, mais il est important de connaître de façon précise celui du réducteur qui est affecté par la lubrification des engrenages, des paliers et des joints. Bauer a réussi à améliorer le rendement global d'environ 35 % tout en maintenant la qualité de mélange exigée. Ces gains de rendement ne doivent cependant pas être obtenus aux dépends de la fiabilité qui est extrêmement influencée par la température de la transmission. Pour ceci, un appareil d'imagerie thermique a été utilisé pour obtenir des informations précises sur la température de service du moteur et du réducteur.
L'attention accordée aux détails par les ingénieurs Bauer, traduite par la démonstration de l'économie d'énergie des PMSM IE4, et leur maîtrise totale de l'application ont convaincu Fresenius Kabi de sélectionner des motoréducteurs Bauer. De plus, les premiers équipements ayant répondu aux attentes d'exploitation, des unités supplémentaires ont été commandées afin d'achever la mise à niveau complète de l'installation d'origine.
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