Au plus près des besoins de puissance

Les pompes de transmission hydraulique vivent actuellement une mutation profonde pour adapter leur consommation de puissance à la puissance restituée par le circuit hydraulique en temps réel. Objectif : améliorer le rendement pour réaliser des économies d’énergie, qui peuvent être substantielles. Une prise de conscience relativement récente pour Christophe Bichard, directeur technique chez Hyd&Au Fluid : « Plus une pompe génère de débit sous pression, plus elle a besoin de kilowatts (puissance) pour fonctionner et donc, dans le cas d’un moteur électrique d’entraînement de la pompe, d’énergie électrique. Il y a quelques années, si une machine réalisait dix mouvements dont un nécessitant 100 kW de puissance et les autres 10 et 20 kW, le fabricant installait un équipement (pompe hydraulique te moteur électrique) de 100 kW et lui faisait consommer en permanence cette puissance. Résultat : pour un mouvement de 10 kW, le moteur consommait tout de même 100 kW de puissance. Cette puissance consommée par le moteur mais non transmise par l’équipement hydraulique se transformait en calories. Donc ces conceptions de systèmes hydrauliques qui avaient un mauvais rendement, étaient très énergivores et chauffaient énormément. Les nouvelles technologies nous permettent d’optimiser ce système, et ainsi de réduire l’énergie nécessaire au moteur et celle nécessaire au système de refroidissement. »

Pour le représentant de la branche hydraulique d’Hyd&Au, cette volonté relativement récente d’efficacité énergétique chez les utilisateurs de pompes de transmission de puissance a pour origine des intentions louables de respect de l’environnement mais aussi des motivations plus pécuniaires, comme la baisse de la facture énergétique Le côté incitatif de l’Etat permet d’accélérer ce changement de paradigme ou de mode de pensée technique : « Cette démarche est notamment motivée par les aides de l’État provenant des certificats d’économie d’énergie (CEE). » Une opinion que partage Ludovic Stachowiak, responsable Product & Solutions Management de la business unit (BU) Hydraulique industrielle de Bosch Rexroth : « L’efficacité énergétique est désormais un driver important dans les transmissions hydrauliques », indique le représentant de cette filiale qui conçoit et fabrique des pompes hydrauliques à pistons axiaux et radiaux, à engrenages internes et externes, à couronne dentée et à palette.

Pour Mathieu Etourneux, ingénieur application mécatronique de la BU Drive, Motion & Control du japonais Yaskawa France, spécialiste de robotique industrielle qui fabrique notamment des variateurs de fréquence pour des moteurs électriques, l’avenir est là : « Depuis 2017, le montant du kW/euros des CEE, qui sont des contrats sur trois ans, a augmenté. Au final, il y a un gros intérêt pour le client à économiser de l’énergie. »

Mobile : du thermique à l’électrique
Selon les fabricants de machines industrielles ou d’engins mobiles (appareils de chantier et agricoles, véhicules de transport ou de levage) utilisant des pompes de transmissions de puissance, il faut désormais répondre à cette question complexe et évolutive : quelle est la solution technique idéale pour adapter la puissance du moteur au débit de la pompe ? La réponse diffère selon que l’alimentation de la pompe est obtenue par un moteur électrique ou thermique.
Pour Patrice Baratte, responsable commercial France d’Oilgear, fabricant américain de pompes à pistons à cylindrée fixe ou variable et de l’équipement électronique associé pour les piloter, le partage est clair et peu susceptible d’évolutions : « La mise en mouvement d’une pompe se fait principalement par un moteur thermique pour les applications mobiles et principalement par un moteur électrique pour les applications industrielles. »

Un partage des tâches qu’explique aisément Frédéric Lambs, directeur commercial de Bucher Hydraulics : « Pour les applications mobiles, vous avez besoin à la fois d’une forte puissance et de compacité, ce qu’offre un moteur thermique.Dans l’industrie, sur un poste fixe, vous avez davantage de place et l’électrique est plus souvent choisi. » Mais selon le représentant du fabricant allemand de pompes, la situation peut évoluer : « C’est le schéma classique, mais on constate de plus en plus d’électrification d’engins mobiles. C’est d’ailleurs ce que permet notre pompe AX (lire l’encadré : Pompe AX de Bucher Hydraulics, fait pour le mobile). Il y aussi des essais réalisés par des constructeurs avec des prototypes hybrides. Le moteur thermique est alors utilisé au mieux de ses capacités. Il fait fonctionner un alternateur qui alimente les batteries d’un moteur électrique repiqué sur la pompe hydraulique. »

Le thermique s’impose dans le mobile
En attendant cette évolution vers l’électrique et l’hybridation, le choix du moteur thermique s’impose encore le plus souvent dans les applications mobiles. « La régulation du débit se fera alors au niveau de la pompe, à cylindrée variable », indique Patrice Baratte. Dans ce cadre, Oilgear propose sa pompe à pistons axiaux PVG-180, lancée cette année. « C’est une pompe de 180 cm3/tour de cylindrée et de 2200 trs/mn qui élargit notre gamme PVG avec des pressions plus importantes (400 bars maximum). Elle permet de gérer par automate la variation de cylindrée. Elle fonctionne pour l’industrie, mais aussi pour le mobile. L’avantage est que le temps de réaction de la pompe est vraiment bas, de l’ordre de 75 millisecondes en annulation ou en pleine cylindrée. »
Dans ce contexte, les économies d’énergie générées par une pompe à cylindrée variable seront minimes, estime Christophe Adjoudj, responsable des produits de la gamme hydraulique du fabricant allemand de pompes Voith : « Même quand la pompe fonctionne en annulation de débit, le moteur tourne presque au même niveau que quand elle fonctionne à pleine puissance et l’économie d’énergie réalisée est très faible. » À cet égard, la variation de cylindrée sur un moteur thermique ne convainc pas non plus Frédéric Lambs : « C’est un système coûteux, très complexe et qui fait perdre beaucoup d’énergie. »

Le choix de l’électrique
Nicolas Vieillard, chef de projet chez le fabricant allemand de pompes Hydac, confirme cette analyse : « Il est beaucoup plus simple de faire de la variation de vitesse à partir d’un moteur électrique que thermique. » Adapter la puissance du moteur au débit d’une pompe hydraulique avec un moteur électrique ouvre le champ des possibles. La première question à se poser est de savoir si la régulation du débit va se faire à partir du moteur ou de la pompe. Pour Christophe Bichard, il n’y a pas de choix systémique, tout dépend de l’application : « La variation de vitesse à partir d’un moteur électrique a ses limites. Si la plage de puissance recherchée est de 1 à 5 voire 6, on est à la limite de ce que le moteur peut supporter tout en restant performant. Si le maximum est de 100 kW, il est possible de descendre jusqu’à 20 kW avec un fonctionnement normal, mais on commence déjà à perdre du couple et il est difficile et peu intéressant d’aller plus bas. » Christophe Bichard illustre son propos d’un exemple : « Si le besoin de varier est de 2 % à 100 % de son installation, il est nécessaire de réaliser la régulation du débit grâce à la variation de cylindrée de la pompe. De plus, le temps de réponse est plus rapide sur une pompe à cylindrée variable que fixe. » Il conclut par ce conseil : « Le choix s’opère enfin en fonction du cycle de la machine. Plus elle a une cadence de production élevée, moins la variation de vitesse à partir du moteur électrique est applicable. Les bancs d’essais, notamment pour l’automobile, les machines pour la sidérurgique et toutes les machines à fortes cadences de production exigent d’importantes variations de puissance. La réponse sera alors de la variation de cylindrée de la pompe hydraulique. La variation de vitesse à partir du moteur électrique sera plus pertinente avec de plus petites cadences. »

Moteur synchrone ou asynchrone ?
Une fois le choix du moteur électrique fait, il faut alors se décider pour un moteur asynchrone (fonctionnant avec un rotor constitué d’anneaux formant la « cage d’écureuil »), de loin le cas le plus fréquent, ou synchrone (brushless, avec rotor autopiloté à aimants permanents), qui est de plus en plus demandé.
Frédéric Lambs estime que le moteur synchrone a ses limites face au moteur asynchrone, robuste et bon marché : « L’entraînement de nos pompes se fait encore majoritairement avec des moteurs asynchrones. Le moteur synchrone, c’est une bête de course avec un noyau relativement lourd, une inertie importante. Accélérer un moteur de ce type consomme énormément d’énergie. Les moteurs synchrones correspondent aux machines qui ont besoin d’une haute dynamique et de vélocité : les machines-outils, celles destinées à l’imprimerie, à la découpe ou au poinçonnage de la tôle, notamment. Mais le désavantage du moteur synchrone est qu’il n’a pas une puissance énorme. Cela ne fonctionnera pas pour obtenir 1 megawatt. Il faut rester sur des puissances modestes. »

Dans le cas de l’utilisation d’un moteur asynchrone, la régulation du débit se fera principalement via une pompe à cylindrée variable. Ce qui aura, on l’a vu, une influence très minime en termes d’économies d’énergie. Une adaptation de la puissance du moteur au débit pourra toutefois être réalisée, dans ce cas, via des convertisseurs de fréquences, les seuls capables de faire varier la vitesse d’un moteur asynchrone. Avec un moteur synchrone, il est au contraire possible de mettre en place un variateur de vitesse électronique du moteur qui s’adapte très exactement au débit de la pompe, créant ainsi une servopompe.
Christophe Adjoudj considère que le choix est évident : « Comparer les deux systèmes en termes d’économie d’énergie, c’est comme comparer une voiture de grand père et une voiture de course. La servopompe est capable de réaliser des accélérations fulgurantes en passant de 0 à 3 600 tours/minutes en quelques millièmes de seconde. Pour faire varier la vitesse sur un moteur asynchrone, les fabricants vont utiliser des mécanismes comme des convertisseurs de fréquences. Ceux-ci ne vont toutefois permettre que des variations de vitesse très limitées, d’à peine quelques centaines de tours. Mais passer par ces mécanismes permet aux fabricants de ne pas changer leur système et au férus d’hydraulique traditionnelle de ne pas voir arriver de l’électronique dans leur monde. Reste que l’économie d’énergie ne sera que de 5 à 10 % dans ce cas de figure, contre près de 70 % avec une servopompe. » Cette dernière solution séduit en tout cas Frédéric Lambs : « Avec un moteur électrique brushless, il est très facile de faire varier en fréquence le système de rotation de la pompe afin de réguler son débit en sortie. La pompe sera alors à cylindrée fixe. Cette évolution correspond aux besoins des machines hydrauliques. Dans les prochaines années, beaucoup d’applications vont donc basculer vers des moteurs électriques synchrones, même si cela existe déjà depuis un certain nombre d’années dans des secteurs comme la plasturgie. »

Un bémol tout de même : « La seule difficulté, c’est que deux mondes différents – les électriciens et les hydrauliciens – devront travailler ensemble. Pour l’industrie, notre gamme de pompes à engrenages internes QXEHX, dite électrohydraulique, s’applique depuis longtemps à ce cas de figure. C’est une pompe faite pour la variation de vitesse et pouvant aller jusqu’à 4 600 tours par minute, qui trouve une application dans les presses à injecter, les machines pour la transformation des plastiques ou le moulage sous pression. »

Nouvel engrenage interne
Frédéric Lambs souligne le lancement de QXM, « un tout nouveau modèle d’engrenage interne pour le service moteur. Ce mécanisme d’entraînement peut être mis en service dans des engrenages hydrostatiques en circuit ouvert ou fermé. Lors du levage de la charge, QXM fonctionne en pompage et peut de nouveau récupérer l’énergie lors de la descente de la charge. Elle a notamment été créée pour des applications mobiles fonctionnant avec des moteurs électriques et permet jusqu'à 70 % d'économie d'énergie. La pression de fonctionnement va jusqu'à 400 bars pour des applications de type machines d'injection, presses hydrauliques, simulateurs de vol, éoliennes, entraînement d'ascenseur/monte-charge, treuils et construction marine. » Pour Autmane Hamma, manager de la business unit Transmissions du groupe allemand Esco, qui fabrique des variateurs de vitesse, il y a une évolution logique vers les moteurs brushless : « Il y a pas mal d’avantages à avoir un moteur synchrone. Ils ont un meilleur rendement et chauffent moins, ce qui permet des économies d’énergie. De plus, ils sont plus compacts et permettent d’éviter les glissements mécaniques, d’où une meilleure précision. Enfin, le produit se démocratise car les aimants permanents coûtent moins chers. »

Des pompes à adapter
Dans le cadre de cette évolution, une adaptation des pompes aux moteurs brushless est nécessaire, ainsi que l’explique Ludovic Stachowiak, de Bosch Rexroth : « Les pompes utilisées dans les groupes hydrauliques équipés de moteur asynchrone à vitesse fixe ne sont pas forcément adaptées à un groupe hydraulique à vitesse variable, notamment si ce dernier est équipé d’un moteur à haute dynamique comme le moteur synchrone. Dans ce cas, la pompe intégrée dans le groupe doit être capable de tourner à très basse vitesse, à très haute vitesse et d’accepter les accélérations du moteur électrique brushless. Ces dernières années, le marché a ainsi vu apparaitre des pompes adaptées à cette configuration. Nous avons développé des pompes à engrenages internes et des pompes à pistons répondant à cette problématique. La pompe à engrenages internes PGH en série 3X et les pompes à pistons A10 série Z comptent parmi nos derniers développements. Elles sont adaptées à la vitesse variable, permettent de garantir des cycles d’entraînement précis, dynamiques et fiables, comme on les retrouve notamment dans les presses à injecter, les machines-outils et les machines de la sidérurgie. »
Chez Eaton, la révolution semble aussi être à l’œuvre. « Toutes nos pompes hydrauliques peuvent déjà être utilisées pour des applications de servopompe avec variation de vitesse fournissant de la puissance à la demande. Cela permet de réduire la consommation énergétique jusqu’à 70 %. Au lieu de fonctionner constamment à 1 500 ou 1 800 tours/min (selon les pays), elles peuvent être contrôlées pour fournir la puissance nécessaire au cycle de charge, via un contrôle intelligent », indique Jean-Michel Douard, sales channel manager Hydraulics Group. Il précise : « La pompe à palettes VSQ d’Eaton est ainsi dotée d’une architecture compatible avec une vitesse de rotation proche de 0 tr/min et pouvant varier de 0 à 3000 tr/min pour une pression de service allant jusqu'à 290 bars. »
Pour Mathieu Etourneux (Yaskawa), le passage du moteur asynchrone à synchrone est bien une révolution qui justifie des efforts d’adaptation pour les fabricants de machines : « Dans 90 % des cas, ce sont des moteurs asynchrones qui sont utilisés pour les pompes dans le parc installé mais les synchrones ont un meilleur rendement, ce qui permet des économies d’énergie. Le problème est que le pilotage est différent d’avec un moteur asynchrone. »

Yaskawa vient ainsi de lancer sur le marché son nouveau microvariateur de fréquence GA500 qui peut piloter des moteurs asynchrones mais aussi sa nouvelle génération de moteurs synchrone IE4, dotée une fonction d’économie d’énergie. « Ce nouveau produit peut communiquer avec la plupart des réseaux de communication et via Bluetooth pour des mises en route et dépannages simplifiés via Smartphone », indique Mathieu Etourneux au sujet du GA500. Ce dernier « remplace pour le même prix le V1000, l’ancien modèle, et peut piloter n’importe quel type de pompes dans n’importe quel type d’activité. Sa seule limite est la puissance. Il est capable de piloter un moteur jusqu’à 30 kW. Au-delà, il faut aller sur le GA700, qui a les mêmes caractéristiques. Celui-ci est disponible depuis 2016 et peut aller jusqu’à 355 kW. »

Bosch Rexroth propose également un produit idoine avec la gamme Sytronix : « Nous proposons des solutions hybrides, alliant les technologies hydrauliques et électriques sur le même équipement de génération de puissance, avec un rendement énergétique souvent meilleur que des solutions purement électriques. Le système de régulation Sytronix adapte les performances du moteur et de la pompe aux besoins de la machine : l’énergie est fournie à la demande. La fonction applicative se trouvant dans le variateur protège la mécanique, les circuits hydrauliques et électriques. Le paramétrage des servo-pompes et des solutions électrohydrauliques se fait par un outil commun, unique sur le marché : la plateforme logicielle Indraworks DS. L’outil de dimensionnement en ligne SytronixSize permet quant à lui d’évaluer le gain potentiel comparativement à une solution conventionnelle », explique Ludovic Stachowiak.

Profitant d’un marché porteur, KEB a lancé, il y a deux ans, sa nouvelle génération de variateur, la T6 APD, destinée à gérer tous les systèmes auxiliaires de véhicules électriques (pompe de direction, compresseur d’air, compresseur de climatisation ou réseau artificiel. « La gamme T6 Auxiliaries Power Drives, dédiée à la mobilité électrique, permet notamment de gérer jusqu’à 6 moteurs, ce qui n’est pas possible avec des variateurs industriels classique » explique Bruno Marchand, chef de produits E-mobility chez KEB France. 

Les moteurs brushless se généralisent
Selon Christophe Adjoudj, la généralisation des moteurs brushless pilotés par des servomoteurs révolutionne en tout cas le fonctionnement des machines utilisant les pompes à transmission de puissance : « Voith est assez présent dans le marché de la plasturgie pour les presses à injecter et dans la tôle pour le formage, le pliage et le poinçonnage. Pour ces machines, il n’y a pas besoin de pompes à cylindrée variable. Une pompe à cylindrée fixe suffit car ce qu’il faut, c’est de la force. Et grâce à des pompes à engrenage interne, nous parvenons à développer ces hautes pressions assez facilement. »
Mais les offreurs de solution comme Voith doivent répondre à une demande plus particulière : « Les constructeurs de machines veulent désormais du débit variable. Et grâce à l’évolution de l’électronique, les constructeurs peuvent le faire avec de la cylindrée fixe. Si nos pompes, dans une version simple, fonctionnent avec des moteurs électriques asynchrones, elles sont de plus en plus utilisées dans une version sophistiquée avec des moteurs synchrones pilotés par des variateurs de types servomoteurs. Vous bénéficiez alors de la souplesse de l’électronique, car rien de plus simple que de changer un paramètre avec ce type de composants. Le système consomme ainsi beaucoup moins d’électricité, de l’ordre de 60 à 70 %, et il gagne en productivité. Les schémas hydrauliques sont simplifiés tout en gardant de très hauts rendements et une très bonne efficacité. Enfin, ce système de servopompes est beaucoup moins cher qu’auparavant car la partie variateurs électroniques l’est également. C’est réellement le futur. »

Hugues Boulet