Améliorer la performance énergétique des ascenseurs

1. Généralités

Le parc machine au niveau du secteur tertiaire comporte, en grande majorité, des ascenseurs à traction à câble. Quelquefois, pour des faibles courses et des charges importantes, on trouve des ascenseurs hydrauliques.

Une partie importante de la consommation et de l’appel de puissance des ascenseurs est due à la motorisation. On retrouve essentiellement des motorisations :

• hydrauliques (moteur asynchrone à démarrage étoile-triangle),
• à moteur-treuil à vis sans fin (moteur asynchrone à deux vitesses),
• “gearless” (moteur synchrone sans réducteur et commandé par un variateur de vitesse par exemple),
• …

Le tableau suivant donne une idée des consommations et des appels de puissance en fonction des courants nominaux et de démarrage :

Type de motorisation	Courant nominal	Courant de démarrage
– à traction à deux vitesses	In	2,5 à 3,5 In
– hydraulique classique	3 In	6 à 18 In
– à traction avec variateur de fréquence	0,8 In	1,6 In

Sur base de ce tableau, on peut déjà se faire une première idée des appels de puissance au démarrage et en régime normal ainsi que les énergies consommées.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’évaluation des consommations et des appels de puissance de la motorisation.

2. La motorisation hydraulique

Origine des consommations et de l’appel de puissance

La motorisation hydraulique classique est très gourmande en énergie et en appel de puissance; ce qui signifie que la facture est malmenée non seulement au niveau énergie (kWh) mais aussi au niveau de la pointe quart-horaire. Ceci n’est pas nécessairement dû au type de motorisation mais plutôt au fait que l’ascenseur hydraulique est sans contre-poids et, par conséquent, le moteur de la pompe doit vaincre la charge totale de la cabine.

La motorisation hydraulique est souvent démarrée par un dispositif étoile-triangle qui permet de réduire par 3 le courant de démarrage et, par conséquent, l’appel de puissance par 3. L’ennui, c’est que le couple de démarrage est divisé par 3 (le dimensionnement du moteur prend toute son importance).

Le démarrage étoile-triangle n’a d’utilité que pour limiter les appels de puissances au démarrage en réduisant les perturbations sur le réseau électrique. Le couple de démarrage étant réduit, le moteur mettra plus de temps pour démarrer; ce qui signifie que la consommation électrique n’est pas réduite de manière probante (l’appel de puissance réduit au démarrage se prolongeant pendant un temps plus long, le produit de la puissance par le temps reste plus ou moins constant).

Couplage étoile, schéma de câblage et couplage triangle.

Kit de démarrage à semi-conducteur

Une manière de réduire le courant de démarrage de la motorisation des ascenseurs hydrauliques est de remplacer le démarreur direct ou étoile-triangle classique par un démarreur à semi-conducteur. Certains fabricants prévoient des kits de remplacement au niveau du tableau de commande de puissance. Ce type de démarreur est un variateur de vitesse simplifié.

Kit de démarrage par variateur de vitesse.

Économies d’énergie

Des courbes de démarrage de moteur asynchrone de motorisation hydraulique n’ont pu être trouvées pour mettre en évidence l’intérêt du placement d’un variateur de fréquence. Cependant, des courbes présentées ci-dessous :

• La courbe du courant de démarrage direct de la motorisation hydraulique est bien une courbe mesurée.

 

• La courbe du courant de démarrage par variateur de fréquence est déduite de la courbe de puissance mécanique pour une pompe hydraulique. Cette puissance est une fonction de la vitesse au cube. Comme le variateur de fréquence est capable de “coller” à la puissance demandée par la pompe hydraulique, le profil de la courbe de puissance électrique demandée par le système est, au rendement près, similaire. A tension du réseau constante (400 V par exemple), la courbe du courant “suit” celle de la puissance.

Les courbes de démarrages ci-dessus montrent que l’appel de puissance du moteur hydraulique est énorme par rapport à celui d’une motorisation hydraulique à variateur de fréquence.

À titre de comparaison, une estimation des économies d’énergie faites par le placement d’un variateur de vitesse pour la commande d’une motorisation à vis sans fin équipée d’un moteur asynchrone, met en évidence une économie de l’ordre maximum de 30 %. En d’autres termes, le placement d’un variateur de fréquence commandant une motorisation hydraulique, permettrait de réduire davantage les appels de puissance et les consommations.

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’un moteur asynchrone à deux vitesses.

3. La motorisation à traction à câble à courant continu

Le groupe Ward-Léonard

Il existe encore de vieilles motorisations à courant continu absolument dépassées au niveau de la performance énergétique. Ce sont notamment les groupes Ward-Léonard qui ont connu un franc succès au début de l’ère des variateurs de vitesse pour moteur à courant continu.

Seulement, le gros inconvénient de ce système est :

• sa consommation d’énergie supérieure due au fonctionnement à vide du moteur asynchrone et de la génératrice à courant continu qui continue de fonctionner même lorsque la cabine n’effectue pas de trajet,
• sa complexité (moteur asynchrone, génératrice à courant continu, moteur à courant continu, treuil),
• son encombrement,
• la nécessité d’un entretien important,
• …

Pour éviter tous les inconvénients cités ci-dessus, on le remplacera avantageusement, tout en conservant le moteur à courant continu, par un démarreur et variateur de vitesse statique (redresseur à niveau de tension variable).

Conservation du moteur à courant continu et variateur de vitesse avec inversion du sens de rotation.

Pratiquement :

• L’inducteur du moteur dc est généralement alimenté par un redresseur monophasé ou triphasé.

• L’induit ou le circuit puissance du moteur dc est alimenté par un redresseur à niveau de tension variable. Les composants statiques sont en général des thyristors.

Économie d’énergie

Le remplacement de tout le système de variation de la tension continue (moteur asynchrone d’entraînement et génératrice à courant continu) permet de réduire les consommations car le système moteur synchrone – génératrice à courant continu est supprimé et, par conséquent, il n’y a plus de pertes énergétiques à vide lorsque la cabine n’effectue pas de trajet.

Primaire.	Variateur de vitesse.	Secondaire.	Moteur.

4. La motorisation à traction à deux vitesses et les variateurs de vitesse

Moteur-treuil à vis sans fin

La motorisation à deux vitesses, équipée d’un réducteur à vis sans fin, est la configuration la plus classique des bâtiments tertiaires construits dans les années 1960-80. Le moteur asynchrone à deux vitesses qui équipe cette motorisation permettait d’obtenir un grand confort de course de cabine pour l’époque.
Les consommations énergétiques de ces systèmes sont importantes par le fait que :

• le rendement du réducteur à vis sans fin est de l’ordre de 65 %;
• l’optimisation des courants de démarrage n’est pas adéquate puisque directe.

Commande du moteur-treuil à vis sans fin adaptée à un variateur de vitesse

La commande et la régulation du moteur asynchrone à deux vitesses peut être modernisée par la mise en place d’un variateur de vitesse sur les connections des enroulements statoriques de la seconde vitesse (vitesse nominale).

  

Démarreur à deux vitesses et variateur de vitesse.

Le variateur de vitesse travaille en variateur de fréquence et de tension, et commande la vitesse du moteur en fonctionnement U/f (scalaire) par exemple pour maintenir un couple constant en fonction de la vitesse comme le montre la figure suivante :

Démarrage à couple constant par variateur de fréquence.

Ce couple constant en fonction de la vitesse convient bien au fonctionnement des ascenseurs à traction.

Une estimation des économies d’énergie faites par le placement d’un variateur de vitesse pour la commande d’une motorisation à vis sans fin équipée d’un moteur asynchrone, met en évidence une économie de l’ordre maximum de 30 %.

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’un moteur asynchrone à deux vitesses.

4. La motorisation à traction à deux vitesses et les variateurs de vitesse

Moteur-treuil à vis sans fin à deux vitesses remplacé par un système “gearless”

Le moteur-treuil à vis sans fin à un rendement global de l’ordre de 55 %. On peut améliorer l’installation en remplaçant ce moteur par un moteur “gearless” (sans réducteur). Indépendamment du gain de place, cette opération améliore non seulement le rendement mais aussi la consommation et les appels de puissance.

 

Moteur-treuil à vis sans fin et moteur “Gearless”.

Le passage d’un système à l’autre améliore le rendement global de l’installation de 55 à 77 %; soit une amélioration de 22 %.

Une analyse comparative de la consommation effectuée par le CADDET (Centre for the Analysis and Dissémination of Demonstrated Energy Technologies) a permis de mettre en évidence des différences importantes au niveau du bilan énergétique annuel.
Le tableau suivant résume cette analyse (à noter que la traction classique est un moteur-treuil à vis sans fin à deux vitesses) :

	Type de motorisation
Paramètres	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
Quantité d’huile nécessaire [litres]	3,5	–
poids de la motorisation [kg]	430	230
Niveau acoustique [dB]	65-75	50-55
Nombre de courses pour 3 mois	27 444
Consommation électrique pour 3 mois [kWh/3 mois]	958	447
L’économie d’énergie est importante (de l’ordre de 53 %)

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’un moteur asynchrone à deux vitesses.

L’éclairage

Dès l’instant où l’éclairage, par mesure de sécurité, reste en permanence allumé, que ce soit la nuit ou le week-end, lorsque le bâtiment est inoccupé, une consommation électrique non négligeable s’installe et peut devenir dominante dans le cas où la motorisation a subi un “lifting” (c’est le cas de le dire !) par le placement d’un variateur de fréquence pour commander la motorisation par exemple, ou que l’usage de l’ascenseur est faible (immeuble d’appartements, par exemple).

Une étude réalisée en Suisse a montré que des économies substantielles pouvaient être réalisées en considérant que l’éclairage pouvait être coupé lorsque la cabine n’effectuait pas de course.

Voici les résultats :

Dans ce cas, on voit que la consommation totale d’électricité est réduite de 42 %.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’estimation des économies  d’énergie faites par la gestion de l’éclairage de la cabine d’ascenseur.

Les auxiliaires

On entend par auxiliaires, les équipements de cabine (moteur de porte, ventilation éventuelle, …) mais surtout les équipements de salle des machines (ventilateurs d’armoire de commande, de moteurs, de variateur de vitesse, …, et les consommations propres à la commande et à la régulation de l’installation).

Ces consommations sont difficilement maîtrisables et dépendent surtout du trafic.