Pompes électriques pour la circulation de peinture : pourquoi les moteurs à courant continu (DC) sans balais sont meilleurs que les moteurs à courant alternatif (AC)

Les pompes électriques ont besoin d’un moteur électrique qui convertisse l’énergie électrique en énergie mécanique pour actionner le moteur de la pompe de circulation. Les moteurs à induction à courant alternatif (AC) et les moteurs à courant continu (DC) sans balais (BLDC) sont les plus courants. Découvrez pourquoi les moteurs BLDC sont meilleurs que les moteurs AC.

Pendant de nombreuses années les pompes pneumatiques ont été l'élément de base dans le domaine de la circulation de peinture, et pour de bonnes raisons. Elles sont simples, fiables et intrinsèquement sûres pour les broieries dangereuses qui utilisent des peintures à base de solvant. 

Cependant elles présentent un inconvénient important : elles consomment beaucoup d’énergie. Avec un rendement de seulement 10%, l’utilisation de moteurs pneumatiques 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 peut vraiment accroître les dépenses en énergie. Du fait du manque de rendement des pompes pneumatiques, le marché s’est orienté vers d’autres solutions comme les pompes alternatives à énergie électrique.

Types de moteurs électriques

Les pompes électriques ont besoin d’un moteur électrique qui convertisse l’énergie électrique en énergie mécanique pour actionner la pompe. Différents types de moteurs électriques sont utilisés dans l’industrie ; cependant les moteurs à induction à courant alternatif (AC) et les moteurs à courant continu (DC) sans balais (BLDC) sont les plus courants.

Pour les applications industrielles les plus générales les moteurs à induction AC constituent le choix le plus répandu. Ils sont simples, rentables et s’il n’y a pas d’exigence en matière de contrôle de la vitesse, ils ne nécessitent aucune sorte de contrôle. Les moteurs BLDC nécessitent un contrôleur et ne se sont répandus que depuis qu’il existe de l’électronique de puissance bon marché, c’est-à-dire à partir de la fin des années 1970.
 

Différences entre les moteurs AC et les moteurs BLDC des pompes de circulation

Les moteurs à induction AC et les moteurs BLDC sont très similaires ; la différence principale réside dans la construction du rotor. Le rotor d’un moteur à induction AC ne comporte pas d’aimants, mais une série de tôles magnétiques et d’enroulements. Lorsqu’une alimentation triphasée est appliquée au stator du moteur, un champ magnétique tournant est produit. Par induction, ce champ magnétique tournant crée un courant qui circule dans le rotor. Le courant rotorique crée son propre aimant qui interagit avec le champ statorique et engendre un couple.
 

Moteur AC avec variateur de fréquence (VFD)

La plupart des moteurs à induction peuvent être alimentés directement en courant alternatif et sans contrôleur. Si l'on a besoin d’une vitesse variable, ce qui est le cas pour beaucoup d'applications des pompes, cet avantage disparaît. Dans ce cas un variateur de fréquence (VFD) est nécessaire.

Le variateur de fréquence modifie la vitesse du moteur en changeant la fréquence de l’alimentation fournie. Par exemple un moteur ayant une vitesse nominale de 1800 tr/min à 60 Hz peut être ralenti à 900 tr/min en le faisant fonctionner à 30 Hz. Même avec un variateur de fréquence, les moteurs à induction industriels disposent d’une gamme limitée de vitesses allant de 30 à 130% de la vitesse nominale. Ils ne sont pas optimaux pour fournir le couple nominal à très basse vitesse ou quand ils sont calés.

Avantages des moteurs à courant continu (DC) sans balais (BLDC)

Si les moteurs à induction AC sont plus courants que les moteurs BLDC, pourquoi les opérateurs choisiraient-ils un moteur BLDC pour une pompe ? Il y a plusieurs avantages et caractéristiques que seul un moteur BLDC peut offrir, notamment :

• Meilleur rendement : Un moteur BLDC permet de réduire la consommation électrique et la production de chaleur.
• Contrôle précis du couple et de la vitesse : Une pompe peut répondre rapidement à des variations de demande du système. La pompe peut également fonctionner à « hauteur nulle », ce qui permet au moteur de produire un couple élevé à vitesse nulle. De plus, le moteur peut produire un couple constant. On peut ainsi contrôler le moteur pour créer une pression constante qui réagit à des variations dans le système de circulation comme avec une pompe pneumatique. 
• Inertie plus faible du rotor : Il en résulte que la réaction de la pompe à des variations de la pression du système est considérablement plus rapide qu’avec un moteur à induction AC.
• Taille réduite : Quelle que soit la puissance fournie, les moteurs BLDC sont généralement plus petits que les moteurs AC, ce qui permet également d’avoir une pompe plus petite.

Le rendement supérieur des moteurs BLDC peut être observé sur les graphiques ci-dessous. Le graphique1 compare les moteurs à induction AC et les moteurs BLDC. Le graphique 2 montre le rendement électrique total par rapport au rendement mécanique de différents types de pompes de circulation.

^{Graphique 1 : Rendement énergétique 
Puissance
(vert) moteur BLDC     (bleu) moteur AC triphasé     (jaune) moteur AC monophasé}
 

^{Graphique 2 : Efficacité en débit 
Débit de fluide (gpm)
(bleu) Pompe électrique de circulation avec moteur BLDC     (jaune) Pompe électrique de circulation avec moteur AC}

Les moteurs AC nécessitent une installation complexe

Les moteurs AC et BLDC font appel à une méthode de conversion du mouvement de rotation du moteur en mouvement linéaire alternatif d’une pompe à piston à déplacement positif. Le fonctionnement à vitesse relativement constante et la lenteur de la réponse dynamique d’un moteur à induction AC nécessitent un mécanisme complexe pour ce faire. On peut par exemple utiliser un dispositif à cames ou à fourches. 

On présente ci-dessous l’exemple d'une pompe associée à un moteur à induction AC. Remarquez que le moteur à induction AC, le boîtier de vitesses et le système d’entraînement par cames sont tous séparés et nécessaires pour convertir le mouvement de rotation en mouvement linéaire. Le système d’entraînement par cames comporte de nombreuses pièces et est deux à trois fois plus volumineux que le moteur lui-même. Il comporte également des points d’usure et des roulements qui peuvent facilement rompre ou s’user, et demandent une maintenance ou un remplacement coûteux.

Pourquoi la simplicité est préférable

Outre une inertie plus faible et un meilleur contrôle du couple, la réponse intrinsèquement rapide d’un moteur BLDC permet de simplifier notablement la liaison mécanique. 

Par comparaison avec l’installation volumineuse d'une pompe associée à un moteur à induction AC, un système avec une pompe de circulation de peinture peut utiliser un petit moteur BLDC, une démultiplication à deux étages et un simple système d’entraînement à crémaillère et pignon pour convertir le mouvement de rotation en mouvement linéaire. 

Pour créer le mouvement alternatif, il suffit d’inverser le sens de rotation du moteur BLDC. Grâce à une inertie plus faible et un contrôle précis du couple, le moteur BLDC rend ceci simple et efficace.