EPACT et essai de moteur
Comprendre l’indication IEEE 112 méthode B (ou CSA C390)

Le but de toute la législation EPACT (Politique sur les Loi Énergétique) est, naturellement, l’économie d'énergie. Ce est accompli en améliorant l'efficacité énergétique ou en consommant moins d'énergie pour exécuter la même tâche. Afin de démontrer ou prouver l'efficacité énergétique d'un produit, dans ce cas-ci un moteur électrique, il faut évidemment établir une méthode d'essai. Afin que nous puissions comparer un produit à un autre exige que cette méthode d'essai soit normalisée, de préférence à une norme nationale ou internationale reconnue. Les discussions au sujet des procédures auquel EPACT applique aux moteurs électriques, actuellement les moteurs industriels triphasés, ont toujours inclus la norme d’essai IEEE 112B, ou la norme C390 de la CSA qui est considéré équivalente. Mais quelles sont ces normes et que signifient-elles pour l’usager?

Pour comprendre ceci nous devons d'abord comprendre qu'il y a différente façon de déterminer l’efficacité d’un moteur électrique. La façon la plus évidente est de relier le moteur à une charge connue et mesurer le courant électrique que le moteur consomme. Supposant que nous savons la puissance (ou le travail) produit par le moteur et la consommation en courrant à l’entrée de celui-ci, le rapport de ces données nos indique l’efficacité. Une façon mathématique de démontrer ceci est indiquée ci-dessous :

efficacité	=	travail produit entrée	=	Travail produit Travail produit + pertes
		ou	=	entrée - pertes Travail produit + pertes	=	fraction de la puissance d'entrée totale qui produit le travail ou la sortie
(La valeur de l'efficacité est alors convertie d'une fraction décimale en % pour une meilleur compréhension.)

La majorité de ces pertes produisent une chaleur dégagée par le moteur lors de son fonctionnement. Cette énergie est donc non disponible pour effectuer le travail.

Pertes moteur

Les pertes moteur à induction sont normalement catégorisés comme suit:

• Pertes dans l’acier ou le fer: énergie perdue lors de la magnétisation de l’acier laminé et pour la maintenir magnétisé. 
• Pertes dans le cuivre du stator: perte en chaleur principalement due à la résistance du fil en cuivre et au courrant qui passe dans celui-ci.
• Pertes dans le cuivre du rotor: perte en chaleur produite en raison de la résistance dans les conducteurs du rotor ou les barres ainsi que les anneaux d'extrémité lorsque le courant passe dans ceux-ci.
• Pertes de friction et enroulement : l'énergie a perdu par la friction dans les  roulement, également l’énergie requise afin de pour tourner les ventilateurs et autres pièces en rotation.
• Pertes parasitaires: autre perte d’énergie qui n’est pas directement relié aux catégories ci-dessus. Celles-ci sont liées à la fabrication du moteur, des pièces qui ne produisent aucune puissance de sortie et ne sont en aucun cas affecté par le champ magnétique du moteur, et n’affecte pas ce même champ magnétique.

Essai  moteur

Pourquoi ne pas simplement faire des essais sur le moteur, comme mentionné ci-dessus, afin de déterminer l'efficacité et les pertes ? En premier lieu, il faut d’abord et avant tout considérez que l'efficacité d'un moteur électrique change pendant que la graisse se réchauffe et devienne fluide, pendant que les autres composantes du moteur se réchauffent et ainsi de suite. Par conséquent un procédé doit être établi pour définir la mesure d'efficacité qui sera considéré la vraie mesure d’efficacité. En second lieu, il y a l'exactitude des mesures à considérer. La puissance d’entrée et de sortie sont des valeurs relativement élevées qui peuvent différer de 15% mais peuvent également différer aussi peu que 4 à 5%. Pour des moteurs d'efficacité inférieure, une légère erreur dans la mesure aurait un peut d’effet sur l'efficacité. Toutefois, pour les moteurs à haut rendement (approuvé par EPACT à des puissances plus élevées, etc) où les coûts décisionnels sont basées sur quelques dixième de % en efficacité, une grande précision est alors critique. La précision est une autre question qui doit être abordée d'une façon à obtenir des résultats standard et conformes. En troisième lieu, un moteur entraînant une charge constituent un système « dynamique ».
Les lectures de la vitesse, du couple, de la tension, du courant, des watts, et de la température ne sont pas des valeurs régulières ou constantes. Il y a des fluctuations, bien quel soit petite, qui doivent être traitées durant l'essai afin d'être conforme. Les résultats d'efficacité de moteur basé essentiellement sur une seule lecture peut être trompeur.
Afin d’adresser tous ces points et plus, IEEE (l'institut des ingénieurs électroniciens électriques et) ont écrit des normes pour définir les meilleurs façon d’examiner les moteurs électriques. Dans la norme IEEE112, plusieurs méthodes sont décrites. Bien quelle soit importante, la façon de déterminer l'efficacité fait partie de cette norme. Les méthodes principales d’essaie afin de déterminer l’efficacité (il y a 10 au total) sont :

• Méthode A : entrée-sortie
• Méthode B : entrée-sortie avec la ségrégation de perte (ou la séparation)
• Méthode F : calcul (modèle) du circuit équivalent

Les autres méthodes, C, E, E1, F1, C/F, E/F et E1/F1 sont des variations de ces derniers. Dans les discussions concernant les essais afin de déterminer l’efficacité, la conclusion face à la méthode A, entré et sortie était quelle n'était pas assez précise. La méthode F, employant une approche de circuit équivalent a été considérée comme une mesure indirecte plutôt qu'une mesure directe. Il y avait également un besoin, pour les ingénieurs, de connaître comment les pertes totales étaient  distribuées parmi les divers types ou catégories. Ces informations leur permettraient de déterminer comment améliorer l'efficacité et où concentrer leurs efforts.

Comment la méthode B se compare t’elle au « monde réel » ?

Déterminer l'efficacité avec la méthode B IEEE 112 est établie en deux sections ou types d'essai. Elles sont vérification sans charge, vérification de température et vérification avec charge.

Pendant la vérification sans charge,  le moteur est branché à la tension et à la fréquence déterminée sur la plaque signalétique et fonctionne sans charge jusqu’à ce que la lecture de watt d'entrée soit stabilisée. Ceci peut prendre de une à quatre heures. Une fois que le moteur est stabilisé, l'essai commence en ajustant la tension du moteur et en prenant une série de lectures à approximativement 125% de la tension nominale jusqu’à une tension minimum où le courant du moteur cesse de chuter avec la tension. En utilisant ces lectures -- combiné avec l'enroulement, la température ambiante et la résistance de l'enroulement -- deux des pertes du moteur, perte de fer et perte de friction, peuvent être déterminés. La perte de fer changera avec la tension tandis que la perte de friction restera relativement constante car la vitesse du moteur est constante (à quelques T/MN près). Le processus implique premièrement la soustraction en perte du cuivre du stator qui peut être calculée à partir du courant et la résistance (nous ne sommes pas intéressés par ces derniers actuellement) et le traçage (ou mathématiquement la courbe d’ajustement de précision) le reste. En extrapolant les données de tension basse à zéro, la perte de constante (friction) peut être déterminée. La soustraction de ceci avec les données de tension élevée nous permettra de calculer la perte de fer à une  tension exacte.

La vérification de température (ou la température à pleine charge) implique simplement la vérification du moteur avec une charge à la tension et la fréquence indiqué sur la plaque signalétique tout en surveillant la température. Les spécifications déterminent la précision auquel la charge et la tension d’entrée doivent être maintenue. Cet essai doit continuer jusqu'à ce que la température du moteur soit stable (équilibre thermique). Ceci est défini quand l'élévation de la température du moteur ne change pas plus que de 1°C durant un période de 30 minutes.

L'essai avec charge est fait en maintenant la tension et la fréquence d’entrée indiquée sur la plaque signalétique et en appliquant six charges différentes au moteur, en augmentant par tranche de un quart la charge au moteur tout en commençant de un quart jusqu’à 1.5 fois la charge recommandé. Les lectures de courant, de couple, de T/MN et la température fourniront les informations sur les performances du moteur avec une charge. En ce point ci la vérification du moteur est complète et l'analyse commence.

Des pertes connues ou directement calculées sont déterminées en classifiant  les lectures, faisant les ajustements de ces lectures pour quelles soient aux températures d’opération exactes (vérification de température), et à déterminer chaque perte individuelle pour chacune des six lectures de charge mentionnées précédemment. Les pertes de fer et de friction furent déterminées sans charge. Celles-ci sont jugées constantes pour tous les points de lecture. La résistance d'enroulement, corrigée pour la température, et le courant mesuré rapporteront la perte du cuivre du stator.

Knowing the motor speed (and therefore slip), power input, and other losses at each load will allow the rotor copper loss to be calculated. All of these losses are therefore directly determined or calculated from measured values. However, there is one remaining loss category that has not been addressed, that being stray loss.

La perte parasitaire ne peut pas être calculée directement à partir d'une équation basée sur des lectures d'entrée ou de rendement. C'est la somme de plusieurs petites pertes qui sont principalement relié à la variation et la géométrie (pièce) du moteur. Pour la pratique de cette méthode d'essai, la perte parasitaire est déterminée indirectement en soustrayant les pertes calculées directement à la puissance de sortie et la puissance d’entrée. Puisque toute puissance (ou énergie) doit être considérée, cette différence est donc considérée comme la perte parasitaire. (Il y a plusieurs méthodes qui existent pour mesurer ces pertes, mais la complexité et le temps supplémentaires pour effectuer ces essais n'améliorerait pas l'exactitude des résultats). La valeur de la perte parasitaire se situe environ à 1% de la puissance de sortie du moteur. Même avec des mesures très précises, la valeur calculée de la perte parasitaire peut changer de manière significative d’une lecture à l’autre. Ceci est composé par le fait que cette perte étant « ce qui reste » inclura de petites erreurs ou inexactitudes dans les mesures ou le calcul de d'autres pertes. Ceci représente un problème.
Cette méthode d'essai est entièrement basée sur les principes que toutes les pertes suivent une certaine relation de la charge du moteur, avec d'autres paramètres jugés constants. Cette variation ou erreur potentielle ne permettra pas aux valeurs parasitaires de suivrent une courbe constante. Pour figurer ceci, la norme d’écrit le calcul (d’ajustement) de ces valeurs restantes (pertes parasitaires) qui son adaptées à une norme d'équation établie et basée sur une théorie. Cette équation doit passer par zéro, ont une pente positive, et la valeur de la perte parasitaire varie par la valeur du couple au carrée. Cette indication (en douceur) est également considérer à améliorer  l'exactitude sous prétexte que la vraie valeur vraie de la perte parasitaire devrait être plus près des valeurs calculées à partir de cette équation que les valeurs réelles de différents essais. Par conséquent, les valeurs calculées doivent suivre « étroitement » cette courbe. Spécifiquement, pour déterminer si les lectures sont correctes et/ou l'essai est valide, les valeurs de la perte parasitaire doivent suivre ce type de courbe avec un coefficient de corrélation de 0.9 (90%) ou mieux. Sinon, il y une condition qu’un maximum de un point puisse être ignoré au besoin pour apporter le coefficient de corrélation jusqu'à ce niveau (de ce fait tenant compte de la possibilité d'un mauvais point de mesure durant l’essai). Mais si ceci n'améliore pas le coefficient de corrélation, l'essai doit être repris.

Le calcul de l'efficacité est fait en appliquant l'équation que nous avons fais au début. La valeur d'efficacité est déterminée en soustrayant d'abord les pertes, maintenant corrigé à la température de fonctionnement et ajusté dans le cas de  perte parasitaire, à partir de la puissance d'entrée connue afin d'obtenir la puissance de sortie corrigé. Alors cette puissance de sortie corrigée divisé par la puissance d'entrée est l’efficacité tel que défini par IEEE 112B.

Temps de essai, exactitude, comparaison avec d'autres méthodes

La première chose que l’ont peut remarquer de ces discussions est que ces méthodes prennent beaucoup de temps à faire, on besoin de mesures très précises, beaucoup de patience et d'expérience. Également la préparation du moteur (ajoutant des thermocouples pour mesurer la température, l’installation d’un dynamomètre afin de charger le moteur et brancher les différents fils qui seront relié aux appareils de mesure), prendre les lectures, attendre que la température se stabilise et effectuer les calculs de tout ces essais peut prendre facilement huit heures et plus. La norme définit également la précision de tout équipement de mesure au point d’inclure un calcul de correction de dynamomètre (non discuté auparavant) pour vérifier et expliquer de petites erreurs faites dans les mesures de rendements due au frottement dans le dynamomètre ou d'autres facteurs. Néanmoins, nous pouvons constater qu’il y a un grand nombre de calculs de mesure qui peut résulter à quelques « erreur de calcul ». Cela inclut arrondir les valeurs à un dénominateur commun, de légères erreurs dans la correction de la température, l’ajustement parasitaire et des erreurs faites lors de mesure qui sont multipliées, mis au carré ainsi de suite. Et, on ne peut ignorer les erreurs « humaines » ou les erreurs de procédures et limitations dans un système dynamique.
NEMA, IEEE, et la CSA avec le temps ont travaillé ensemble pour discuter de ces points de vue et des mises à jour ont été établie pour ces normes. Les dernières améliorations ont servi à s’assurer de la précision des équipements utilisés et définir plus clairement le procédé de vérification afin de réduire au minimum « l'erreur humaine ». Mais même avec ces améliorations, des variantes existent. Un rapport, fait par NEMA, sur une base de programme d'essai impliquant plusieurs moteurs différents, indique que la variation des pertes totales sur le même moteur vérifier à différentes installations, tous vérifier avec l'équipement approprié et en s’assurant d’employer les meilleures pratiques, une variante d’environ 10% est obtenue. Même sans étude nous pouvons prouver que les instruments ont une variante de précision de ± 0.2% et les mesures de vitesse varie de ± 1 t/mn (tous les deux établies selon les exigences de la dernière norme) ce qui résulte à des pertes pouvant variées de 4-25% de la gamme d'efficacité calculée pour n'importe quel point de charge ce qui est  presque 1% (0.8-0.9%). Pour un exemple, consultez le diagramme ci-dessus.
Il est à noter que la méthode IEEE 112 fut conçue afin de réduire les erreurs faites par les appareils de mesure et d’essaie plus vieux et limité en comparaison avec l’équipement d’aujourd’hui. Aujourd'hui, avec la disponibilité d’équipement plus précis, une certaine question surgit à savoir si cette méthode est toujours la meilleure pour déterminer l’efficacité. Mais, malgré les défauts évident, la plupart estiment que cette méthode demeure toujours la meilleure afin de déterminer l'efficacité pour les moteurs à courant alternatif Triphasés. Cette méthode est standardisé et est employé couramment en Amérique du Nord par les ingénieurs en conception de moteur électrique et cette méthode est également la plus étudiée. Elle   isole également les différences de pertes. Et, si elle est utilisée correctement, cette  méthode sera une comparaison juste d'un moteur à l'autre. Nous pouvons donc affirmer que cette méthode n’est pas prête à changer bientôt.

Date 6/19/97 - Note Technologique 97-1