Moulage par injection à économie d'énergie servo : comment les moteurs synchrones à aimants permanents réduisent la consommation d'énergie à vide de 90 %

Que signifie la puissance au ralenti dans un système servo-hydraulique IMM ?

La consommation électrique au ralenti correspond à la consommation de la machine lorsque le système hydraulique est sous pression mais qu'aucune injection, maintien ou éjection n'est en cours. Sur une pompe à cylindrée fixe classique, la consommation au ralenti reste à pleine charge car le moteur tourne à vitesse constante. Sur un système servo-commandé par un moteur synchrone à aimants permanents (PMSM), la consommation au ralenti chute au minimum nécessaire au maintien de la pression du système, car le débit de la pompe est réduit à un niveau quasi nul par la boucle d'asservissement. C'est ce qui explique la réduction de 90 % de la consommation au ralenti.

Un cycle de production réel passe entre 20 et 40 % de son temps en phases d'inactivité ou de faible débit : entre la fin de la plastification et le début de l'injection, lors des interventions de l'opérateur, entre les cycles de chauffage lent et pendant la phase de refroidissement où seule la pression de maintien est assurée. Sur une machine à moteur à induction, ces phases consomment toute la puissance du moteur car la pompe tourne encore à plein débit. Sur une machine servo-motorisée à moteur synchrone à aimants permanents (PMSM), le débit de la pompe s'adapte en temps réel à la demande, de sorte que le moteur ne consomme que la puissance réellement nécessaire.

Pour les acheteurs de presses à injection de carburant (IMM) comparant les devis, la consommation à vide est rarement mentionnée dans les fiches techniques. Elle apparaît cependant sur la facture d'électricité, et c'est là que se mesure concrètement le retour sur investissement d'une mise à niveau vers un système servo-hydraulique. Les mouleurs de matières plastiques techniques utilisant des machines de tonnage moyen comme la SK-170 constatent généralement une baisse de leur consommation mensuelle de kWh de 25 à 40 % dès le premier mois suivant le passage d'un système hydraulique à pompe fixe à un système à servo-pompe.

Pourquoi le PMSM réduit la consommation d'énergie au ralenti de 90 %

Les moteurs synchrones à aimants permanents tirent le flux magnétique de leurs aimants plutôt que d'un courant induit ; ils n'ont donc pas besoin de courant de magnétisation à faible charge. À l'inverse, un moteur à induction consomme en permanence un courant de magnétisation du stator lorsque le rotor tourne ; c'est ce courant qui maintient le champ magnétique rotorique. Sur un moteur à induction à vide ou faiblement chargé, le courant de magnétisation représente une part importante de la puissance absorbée totale.

Associé à une servocommande en boucle fermée du débit de la pompe, le moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) ne consomme que la puissance nécessaire pour compenser les fuites du système. Il n'y a pas de surconsommation d'énergie fixe pour la magnétisation, et le débit de la pompe diminue quasiment à zéro au ralenti. Les mesures effectuées sur des pompes à induction servo-hydrauliques de production montrent généralement une réduction de la puissance au ralenti, passant d'environ 7 à 12 kW pour une configuration à moteur asynchrone à 0,8 à 1,5 kW pour une configuration à PMSM — soit la plage de 80 à 90 % mentionnée dans la littérature.

L'autre moitié des économies provient de l'électronique de commande. Un variateur PMSM avec servocommande en boucle fermée peut commander le moteur à une vitesse et un couple de consigne précis en quelques millisecondes. Un moteur à induction avec variateur de fréquence est légèrement moins efficace à bas régime et sa réponse dynamique est plus lente ; la pompe met donc plus de temps à atteindre un régime de faible débit stable. C'est la combinaison du rendement du moteur et de la réactivité du variateur qui permet d'atteindre un rendement de 90 % à vide.

Comment les économies réalisées grâce à l'inactivité contribuent à atteindre le chiffre de 35 % sur l'ensemble du cycle

La documentation produit de la SUCCESSOR SK-170 mentionne une réduction de 35 % de la consommation d'énergie par rapport aux machines conventionnelles. Ce chiffre de 35 % correspond à un gain sur l'ensemble du cycle : il additionne les économies réalisées lors de l'injection, du maintien, du refroidissement, de la plastification et des temps morts, pondérées par la durée de chaque phase du cycle. Il ne s'ajoute pas aux 90 % de temps morts ; il représente la somme de toutes les économies réalisées à chaque phase, y compris les temps morts.

Pour passer d'un taux de consommation à vide de 90 % à un taux de consommation sur cycle complet de 35 %, le calcul est simple en principe. Si un cycle passe 30 % de son temps en veille et 70 % en activité, et que le moteur PMSM réduit la consommation à vide de 90 % mais seulement la consommation en activité de 10 à 15 %, l'économie pondérée sur cycle complet se situe entre 30 et 40 %. Le chiffre exact dépend du profil du cycle : un cycle d'encapsulation à parois fines avec une longue phase de refroidissement affichera des économies plus importantes qu'un cycle de fabrication de plastiques techniques à parois épaisses avec une phase de refroidissement courte.

Pour les acheteurs professionnels qui calculent le retour sur investissement d'une SK-170 par rapport à une pompe fixe classique, la méthode appropriée consiste à multiplier le chiffre publié de 35 % par le tarif local de l'électricité industrielle et le nombre d'heures de fonctionnement annuelles prévues, afin d'obtenir les économies annuelles. Le calcul du retour sur investissement dépend ensuite de la différence de coût d'acquisition entre les deux machines, qui représente généralement entre 8 et 15 % du prix de la machine pour une mise à niveau servo de milieu de gamme.

4 scénarios concrets où le PMSM est rentabilisé le plus rapidement

Tous les environnements de production ne tirent pas les mêmes avantages d'une mise à niveau vers un servomoteur PMSM. Les quatre scénarios ci-dessous correspondent aux situations où l'équipe d'Alex Wang chez SUCCESSOR constate le retour sur investissement le plus rapide, d'après son parc installé dans plus de 40 pays.

Scénario 1 : Composants automobiles en continu sur trois équipes. Les équipementiers automobiles de rang 1 et 2 fonctionnant en trois équipes par jour, cinq ou six jours par semaine, constatent un retour sur investissement en moins de 12 mois pour la mise à niveau du servomoteur PMSM. La machine passe la majeure partie de son temps en injection active ou en maintien de régime, mais le temps d'inactivité, qui représente 30 à 40 %, reste significatif, et les économies d'énergie (kWh) réalisées en trois équipes sont considérables.

Scénario 2 : Conteneurs d'emballage avec de longs cycles de refroidissement. Les mouleuses d'emballages à parois fines utilisant des contenants alimentaires en PP ou PE présentent de longues phases de refroidissement durant lesquelles le système hydraulique se contente de maintenir la force de fermeture. Les temps d'arrêt et de faible débit peuvent dépasser 40 % du cycle. Dans ce segment, la mise à niveau vers un moteur PMSM sur une SK-220 ou une SK-300 est généralement amortie en 14 à 18 mois.

Scénario 3 : Plastiques techniques avec changements de qualité fréquents. Les mouleuses qui alternent plusieurs fois par jour entre les grades ABS, PC, PA et POM subissent des temps d'arrêt supplémentaires lors de la purge, de la stabilisation de la température du cylindre et du réglage par l'opérateur. La servopompe PMSM gère ces phases transitoires avec une consommation d'énergie bien moindre qu'une machine à pompe fixe, car le débit de la pompe tombe à zéro dès que la machine s'arrête.

Scénario 4 : Centrales situées sur des marchés à tarifs d'électricité élevés. Dans certaines régions d'Europe, au Japon, en Australie et en Californie, les tarifs industriels de l'électricité dépassent régulièrement 0,18 USD par kWh. À ces niveaux de tarification, même des économies modestes sur le kWh se traduisent par des sommes importantes en valeur absolue, ce qui réduit considérablement les délais d'amortissement. Les mouleurs de ces marchés constatent fréquemment un retour sur investissement de 10 à 14 mois pour une mise à niveau de servomoteur de milieu de gamme, même en fonctionnement à poste unique.

Quand la mise à niveau du servo n'est pas rentable

Il est essentiel d'être honnête dans cette démarche. Dans certains environnements de production, le retour sur investissement de la mise à niveau vers un servomoteur PMSM est plus long, et dans d'autres, les économies d'énergie seules ne suffisent jamais. Les acheteurs évaluent machines de moulage par injection à économie d'énergie servo devraient adapter leur décision à leur profil opérationnel réel.

Opérations à faible taux d'utilisation et à poste unique. Une mouleuse fonctionnant à raison d'une équipe par jour, quatre jours par semaine, avec des cycles courts, verra son retour sur investissement s'étaler sur 30 à 36 mois. À ce stade, la décision repose davantage sur le coût total de possession et le positionnement de la marque que sur le simple retour sur investissement.

Cycles très courts avec un temps d'inactivité négligeable. Les cycles d'encapsulation ultrarapides à parois minces, où la phase active prédomine et la phase d'inactivité ne représente que quelques pourcents du temps total, afficheront des économies absolues en kWh bien moindres. La mise à niveau vers un servomoteur reste intéressante pour la réduction du bruit, la stabilité thermique de l'huile et la répétabilité du processus, mais le retour sur investissement énergétique à lui seul est faible.

Tarifs d'électricité très bas. Dans les régions où le coût de l'électricité industrielle est inférieur à 0,06 USD par kWh, les délais d'amortissement seront beaucoup plus longs. La modernisation du servomoteur offre toujours des avantages en termes de processus, mais la rentabilité énergétique pure est lente.

Réalité de la maintenance : Moteur PMSM vs Pompe à volume variable

Les moteurs PMSM sont dépourvus de balais et de bagues collectrices, et leurs aimants rotoriques sont scellés à l'intérieur du corps du rotor ; il n'y a donc aucune pièce d'usure interne. Le servovariateur doit être maintenu propre et sec, et les ventilateurs de refroidissement de l'armoire électrique constituent les seules pièces consommables en fonctionnement normal. Dans la plupart des environnements de production, les systèmes servo à base de moteurs PMSM présentent un coût total de maintenance inférieur à celui des anciens systèmes à pompes à volume variable, grâce à un nombre réduit de composants hydrauliques soumis à une charge cyclique continue.

La pompe à volume variable, parfois appelée pompe à détection de charge, appartenait à l'ancienne génération de pompes hydrauliques à économie d'énergie. Bien qu'elle soit encore utilisée dans de nombreuses chaînes de production, son mécanisme de plateau oscillant est une pièce d'usure qui finit par se dérégler, nécessitant une révision ou un remplacement de la pompe. La servopompe à moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) élimine cette surface d'usure en remplaçant la commande mécanique du plateau oscillant par une commande électronique du débit de la pompe. La pompe elle-même s'use toujours, mais le mécanisme de régulation de l'énergie, lui, est exempt d'usure.

Pour les acheteurs qui comparent une SK-170 à une machine plus ancienne à pompe fixe ou à pompe à volume variable, les économies réalisées sur la maintenance se traduisent par des intervalles d'entretien plus longs et une réduction du nombre de révisions de pompe. L'équipe d'Alex Wang chez SUCCESSOR constate régulièrement des dépenses de maintenance hydraulique inférieures de 30 à 50 % sur les servomoteurs PMSM par rapport à une machine de même tonnage équipée d'une pompe à volume variable, sur une période d'exploitation de cinq ans.

Comment SUCCESSOR spécifie le servo dans la série SK

SUCCESSOR Machinery, basée à Ningbo en Chine, conçoit et fabrique les presses à injecter de la série SK, de la SK-110 à la SK-560 et plus. La gamme complète offre une force de fermeture de 110 à 560 tonnes, la SK-170 se positionnant comme le modèle idéal pour la production de plastiques techniques et de biens de consommation durables. Ce modèle de milieu de gamme délivre une force de fermeture de 1 700 kN et un volume d'injection de 312 à 442 cm³, convenant aux productions de PP, PS, PE, ABS et PC.

La configuration standard de la série SK est livrée avec une servopompe entraînée par un moteur PMSM, constituant ainsi la configuration par défaut pour économiser l'énergie. Spécifications de la servomachine SK-170 Les données complètes relatives à l'unité d'injection, à l'unité de serrage, à l'unité hydraulique et à l'unité électrique sont publiées sur la page produit, et la fiche technique de la servopompe est disponible sur demande. Les acheteurs qui évaluent la série SK doivent demander une consultation technique afin de vérifier que la configuration du servomoteur correspond à leur tarif d'électricité local et à leur profil de cycle avant de passer commande.

La gamme SK est distribuée dans plus de 40 pays par le biais de la vente directe et d'agents agréés. Deux sites de production assurent le service après-vente à l'échelle mondiale : le bureau situé au n° 199, rue Changxing, Jiang Bei, Ningbo, et le principal site de production au n° 30, rue Kaiyuan, Jiang Bei, Ningbo. Le service après-vente et la fourniture de pièces détachées sont assurés par le site de Ningbo, avec des partenaires régionaux sur les principaux marchés.

Foire aux questions

Citations des sources et documents de référence

Les références techniques ci-dessous ont servi de base à l'analyse du servomoteur PMSM et des économies d'énergie présentées ci-dessus. Toutes les sources sont en accès libre ou constituent des normes publiées par des organismes tiers indépendants.

• Norme d'interface EUROMAP 67 pour la communication entre l'IMM et le contrôleur hôte — référence tierce indépendante.
• Normes générales de l'industrie EUROMAP — référence tierce indépendante.
• Gamme de moteurs électriques Siemens — référence tierce indépendante.
• Solutions de machines de moulage par injection Fanuc — référence tierce indépendante.
• Plans de référence des machines de moulage par injection Engel Austria — référence tierce indépendante.
• Arburg All-Electric et Servo-Hydraulic IMMs — référence tierce indépendante.
• Technologie de moulage par injection KraussMaffei — référence tierce indépendante.
• Systèmes de moulage par injection Husky — référence tierce indépendante.
• Intégration de robots servo-hydrauliques et d'IMM du groupe Wittmann — référence tierce indépendante.
• Sumitomo (SHI) Demag Moulage par injection — référence tierce indépendante.
• Norme NEMA pour les moteurs à haut rendement — référence tierce indépendante.
• Certification des machines industrielles BSI — référence tierce indépendante.
• Services d'essais de machines Intertek — référence tierce indépendante.
• Certification des équipements industriels SGS — référence tierce indépendante.
• Inspection industrielle du TÜV Rheinland — référence tierce indépendante.
• Norme UL 508C relative aux équipements de contrôle industriels — référence tierce indépendante.
• Marquage CE pour les machines industrielles — référence tierce indépendante.
• AMI Plastics Industry Intelligence — référence tierce indépendante.
• Base de connaissances sur le moulage par injection Plastemart — référence tierce indépendante.