Remplacement des systèmes pneumatiques par des moteurs linéaires industriels
LinMot comme alternative aux vérins pneumatiques : les actionneurs linéaires électriques remplacent de plus en plus les vérins pneumatiques classiques dans diverses applications. Ce phénomène s’explique notamment par le faible rendement, les coûts élevés de mise en service, de conversion, d’entretien et de maintenance, ainsi que par la contrôlabilité limitée des systèmes pneumatiques. Une étude comparative récente du coût total de possession démontre qu’au vu des prix actuels des composants et de l’électricité, les actionneurs linéaires électriques sont rentabilisés en quelques mois seulement, même pour des mouvements simples point à point avec deux positions d’extrémité, et contribuent à réduire significativement l’empreinte carbone. Ils offrent également une plus grande flexibilité dans la conception des processus de production et des systèmes de contrôle de la production.
Pneumatique : les 2/3 des coûts d'exploitation sont consacrés à l'énergie.
Les entraînements pneumatiques se caractérisent par un faible coût d'acquisition, une grande robustesse face aux influences extérieures (variations de température, poussière, etc.) et une résistance élevée aux surcharges. De plus, ils sont faciles à manipuler et ne nécessitent aucun courant de maintien en installation verticale. L'air comprimé est également utilisé dans de nombreux ateliers et environnements industriels pour le transport et le nettoyage, ce qui rend les systèmes de compression indispensables. Il n'est donc pas surprenant que la pneumatique soit si largement répandue et présente dans de nombreux halls de production.
L'air comprimé est l'une des sources d'énergie les plus coûteuses, car les compresseurs ne convertissent qu'une faible partie de l'énergie consommée en puissance utile ; la majeure partie est dissipée sous forme de chaleur. Les technologies de pointe atteignent un rendement d'environ 30 %. Toute amélioration supplémentaire est difficilement envisageable en raison des limites physiques quasi atteintes. Outre les pertes déjà importantes liées au moteur, au compresseur, aux phases de démarrage et d'arrêt, ainsi qu'au traitement de l'air comprimé, les fuites dans les réseaux de distribution constituent également un facteur significatif. En pratique, sans optimisation, après les pertes de conversion supplémentaires au niveau de l'actionneur, seulement 5 % environ de l'énergie consommée est disponible sous forme de puissance utile (Figure, Diapositive 19). Le rendement peut être amélioré grâce à une conception optimale du réseau de tuyauterie et des actionneurs, à une détection systématique des fuites et à la récupération de la chaleur. Le ministère fédéral allemand de l'Environnement estime le potentiel d'économies d'énergie entre 20 et 40 %, tandis que d'autres experts prévoient des économies nettement supérieures.
Même si toutes ces économies potentielles peuvent être exploitées, les systèmes d'air comprimé dont le rendement global maximal est de 10 % restent extrêmement énergivores. Cela se reflète également dans le coût total de possession (CTP) d'un compresseur : si l'achat et la maintenance représentent environ 10 % du coût total, les coûts énergétiques constituent généralement entre 70 et 80 % du coût total sur la durée de vie du compresseur.
Il n’est donc pas surprenant que de plus en plus d’entreprises tentent d’éliminer l’utilisation d’air comprimé de leurs opérations ou de la réduire au strict minimum dans un contexte de hausse des prix de l’énergie et de prise de conscience environnementale accrue (mot-clé : émissions de CO2).
Pour les entraînements pneumatiques, il existe aujourd'hui, presque sans exception, des alternatives qui ne nécessitent pas d'air comprimé.
Pour les applications de mouvement linéaire, les moteurs linéaires électriques tubulaires, à haut rendement et d'une grande polyvalence, constituent une solution de remplacement idéale dans de nombreux cas. LinMot propose une vaste gamme de modèles et de performances.
Comparaison des coûts des vérins pneumatiques et des moteurs linéaires à l'aide d'un exemple pratique concret
Bien que les entraînements électriques soient initialement plus coûteux à l'achat que les vérins pneumatiques simples, une analyse du coût total sur l'ensemble du cycle de vie montre que les moteurs linéaires industriels de LinMot, en particulier, sont amortis en quelques mois, voire quelques semaines, même pour des déplacements simples d'un point à un autre, avec seulement deux positions à atteindre. L'exemple suivant, un déplacement horizontal d'un point à un autre avec une course de 400 mm et une masse mobile de 15 kg, exécuté à 30 cycles par minute et un rapport cyclique de 50 % (soit une durée de cycle de 2 000 ms), en est une parfaite illustration.
L'air comprimé est l'une des sources d'énergie les plus coûteuses, car les compresseurs ne convertissent qu'une faible partie de l'énergie consommée en puissance utile ; la majeure partie est dissipée sous forme de chaleur. Les technologies de pointe atteignent un rendement d'environ 30 %. Toute amélioration supplémentaire est difficilement envisageable en raison des limites physiques quasi atteintes. Outre les pertes déjà importantes liées au moteur, au compresseur, aux phases de démarrage et d'arrêt, ainsi qu'au traitement de l'air comprimé, les fuites dans les réseaux de distribution constituent également un facteur significatif. En pratique, sans optimisation, après les pertes de conversion supplémentaires au niveau de l'actionneur, seulement 5 % environ de l'énergie consommée est disponible sous forme de puissance utile (Figure, Diapositive 19). Le rendement peut être amélioré grâce à une conception optimale du réseau de tuyauterie et des actionneurs, à une détection systématique des fuites et à la récupération de la chaleur. Le ministère fédéral allemand de l'Environnement estime le potentiel d'économies d'énergie entre 20 et 40 %, tandis que d'autres experts prévoient des économies nettement supérieures.
Même si toutes ces économies potentielles peuvent être exploitées, les systèmes d'air comprimé dont le rendement global maximal est de 10 % restent extrêmement énergivores. Cela se reflète également dans le coût total de possession (CTP) d'un compresseur : si l'achat et la maintenance représentent environ 10 % du coût total, les coûts énergétiques constituent généralement entre 70 et 80 % du coût total sur la durée de vie du compresseur.
Il n’est donc pas surprenant que de plus en plus d’entreprises tentent d’éliminer l’utilisation d’air comprimé de leurs opérations ou de la réduire au strict minimum dans un contexte de hausse des prix de l’énergie et de prise de conscience environnementale accrue (mot-clé : émissions de CO2).
Coûts énergétiques d'une solution de moteur linéaire
Le temps de positionnement requis de 500 ms pour cette tâche est atteint avec une accélération de 10 m/s² et une vitesse de déplacement de 1 m/s. Le temps d'accélération, pendant lequel le moteur linéaire effectue un travail effectif, est alors de 100 ms. Cela signifie que la consommation d'énergie effective n'intervient que pendant un cinquième du temps de positionnement. À l'arrêt et en déplacement à vitesse constante, le moteur ne consomme aucune énergie, hormis la compensation des frottements. L'énergie cinétique générée lors du freinage est convertie en énergie électrique au sein du moteur (effet générateur) et stockée dans les condensateurs du bus DC du servocontrôleur, où elle peut être utilisée pour le cycle suivant. Cette application peut être mise en œuvre, par exemple, avec un moteur linéaire LinMot de taille P01-48x240F associé à un servocontrôleur LinMot de type E1100-XC/B1100-XC, avec une consommation d'énergie continue inférieure à 100 W.
En supposant une durée de fonctionnement annuelle de 8 000 heures (fonctionnement en trois équipes) et un prix de l’électricité de 0,12 EUR/kWh (prix pour les grands consommateurs industriels, taxes comprises selon EUROSTAT), les coûts énergétiques annuels s’élèvent à 96 EUR. Une solution pneumatique, en revanche, serait nettement plus coûteuse.
Coûts énergétiques liés à l'utilisation d'un vérin pneumatique
Si une masse de charge de 15 kg doit être déplacée pneumatiquement à une vitesse (maximale) de 1 m/s comme requis dans l'exemple d'application, l'évaluation des courbes caractéristiques correspondantes pour la conception de vérins pneumatiques d'un fabricant renommé montre qu'un vérin pneumatique avec un diamètre de piston de 50 mm doit être utilisé.
Contrairement à un moteur linéaire, l'énergie (air comprimé) doit être fournie tout au long du mouvement.
De plus, l'énergie cinétique est absorbée par les amortisseurs lors du freinage et ne peut être stockée pour le mouvement suivant. Selon la fiche technique, le vérin sélectionné consomme 0,02529 dm³ d'air à 6 bars par millimètre de course lors d'un double cycle. Avec une course de 400 mm, cela représente une consommation de 10,37 dm³ par cycle. À 30 cycles par minute, le vérin pneumatique nécessite un total de 150 000 Nm³ d'air comprimé par an en fonctionnement continu (8 000 heures/an). En tenant compte des pertes de charge, de la réduction de pression et des fuites, de l'ordre de 25 %, le compresseur doit comprimer et injecter environ 190 000 Nm³ d'air dans le réseau de canalisations. Un compresseur standard (puissance moteur de 750 kW, débit d'air de 7 500 Nm³/h) peut comprimer 1 Nm³ d'air à 6 bars en consommant 0,130 kWh d'énergie électrique, pertes comprises (environ 25 % au total) lors du démarrage, de l'arrêt et de la préparation de l'air comprimé. Il en résulte un coût énergétique annuel d'environ 3 000 € (0,12 €/kWh × 0,130 kWh/m³ × 190 000 m³), soit plus de 30 fois supérieur à celui d'un compresseur électrique. À des cadences de compression et de décharge plus élevées, l'avantage du compresseur pneumatique s'accentue encore.
En supposant une durée de fonctionnement annuelle de 8 000 heures (fonctionnement en trois équipes) et un prix de l’électricité de 0,12 EUR/kWh (prix pour les grands consommateurs industriels, taxes comprises selon EUROSTAT), les coûts énergétiques annuels s’élèvent à 96 EUR. Une solution pneumatique, en revanche, serait nettement plus coûteuse.
Comptabilité des coûts complets
Pour un calcul complet des coûts, il faut ajouter les coûts d'investissement et de maintenance aux seuls coûts énergétiques. Des études ont montré que ces coûts représentent environ 20 % du total des coûts d'exploitation. Dans l'exemple présenté ici, cela signifie qu'il faut prévoir environ 750 € par an pour ces dépenses, portant le total des coûts d'exploitation à 3 750 €. Les fabricants de solutions pneumatiques estiment le coût total (après prise en compte des mesures d'efficacité énergétique !) à 0,025 € par mètre cube standard d'air comprimé. Dans notre exemple, cela représente un coût d'exploitation annuel total de 3 750 € pour les 150 000 Nm³ d'air comprimé nécessaires à un vérin, confirmant ainsi le calcul présenté précédemment.
En revanche, un entraînement linéaire, comprenant tous les composants nécessaires à son fonctionnement (câbles, variateurs, etc.), coûte plus cher qu'un entraînement pneumatique (comprenant vannes, tuyaux, etc.).
Cependant, grâce à des coûts énergétiques nettement inférieurs, la motorisation électrique est amortie en moins de six mois, après quoi des économies notables sont réalisées !
Dans notre exemple, les coûts énergétiques dépassent les coûts d'investissement du vérin pneumatique après seulement trois semaines.
Lorsque l'on analyse les coûts d'investissement et d'énergie dans l'exemple d'application, l'utilisation d'un moteur linéaire industriel permet de réaliser des économies après seulement 12 ou 24 mois. Économies de 2 300 € ou 5 900 €. par rapport à l'utilisation d'un vérin pneumatique.
Cela montre que si l'air est gratuit, l'air comprimé ne l'est certainement pas !
En raison de la hausse des prix de l'électricité, les coûts d'exploitation annuels par bouteille dans cet exemple d'application étaient de : en 2010 à 3 840 EUR (à 12 EUR/kWh), mais ont augmenté jusqu'à ce que Année 2022 à 7 400 EUR (à 0,26 EUR/kWh) a presque doublé.
Emissions de CO2
Le passage à un actionneur linéaire électrique peut réduire considérablement les émissions de CO2. Les 24 000 kWh supplémentaires nécessaires au vérin pneumatique dans l’exemple de calcul correspondent à une émission annuelle de 12 000 kg de CO2, sur la base du mix énergétique allemand de 500 g de CO2/kWh.
Le bilan CO02 plaide lui aussi clairement en faveur du passage aux entraînements électriques directs.
Un cylindre pneumatique de 3 kg produit 12 000 kg de CO2 !
Une sécurité future accrue grâce à l'innovation et à la flexibilité
La version électrique offre des avantages allant au-delà d'une consommation d'énergie réduite, notamment une plus grande flexibilité dans la conception des processus de production et des systèmes de surveillance. Les actionneurs linéaires électriques permettent d'exécuter des séquences de mouvement de manière contrôlée, avec une dynamique nettement supérieure et une meilleure répétabilité. Grâce à la programmation libre du profil de mouvement, même les séquences complexes peuvent être mises en œuvre rapidement et facilement, et adaptées aux nouveaux besoins, même en cours de fonctionnement. Les actionneurs linéaires sont considérablement plus silencieux et plus durables. Insensibles aux fluctuations de charge, ils permettent des démarrages et des arrêts en douceur. De plus, l'analyse des données générées par l'onduleur permet de surveiller divers paramètres de processus sans capteurs supplémentaires, et peut également servir au diagnostic à distance du système. Enfin, le nombre de composants nécessaires est réduit, ces derniers étant également beaucoup plus faciles à entretenir et à remplacer que dans les systèmes pneumatiques, ce qui engendre des coûts d'installation, de maintenance et de logistique moindres.
Conclusion
Lorsque plus de deux positions sont nécessaires, lorsqu'une synchronisation avec un arbre vertical est indispensable, ou lorsque la dynamique ou la durée de vie d'un vérin pneumatique s'avère insuffisante, les concepteurs font depuis longtemps confiance aux variateurs linéaires directs LinMot. Compte tenu des coûts d'exploitation élevés des systèmes pneumatiques, l'utilisation des solutions LinMot est rentable. moteurs linéaires industriels Cependant, cela s'applique de plus en plus aux mouvements simples point à point ne comportant que deux positions d'extrémité. C'est particulièrement vrai lorsque ces mouvements sont effectués régulièrement en fonctionnement cyclique et que les vérins pneumatiques doivent être surdimensionnés en raison des conditions de vitesse et de charge. Dans ce cas, l'actionneur linéaire électrique est amorti en quelques semaines seulement.
Des coûts réduits.
Moins de CO₂.
L'air comprimé coûte cher, plus cher qu'on ne le pense. Nous vous aidons à réduire durablement votre consommation d'énergie et à adopter une technologie qui s'amortit en quelques semaines seulement.
Des coûts réduits. Moins de CO₂.
L'air comprimé coûte cher, plus cher qu'on ne le pense. Nous vous aidons à réduire durablement votre consommation d'énergie et à adopter une technologie qui s'amortit en quelques semaines seulement.
Rapports d'application
De jolies rides
Pliage facile : La machine d'emballage sous film MultiSAN conditionne le fromage en formes rondes, rectangulaires, à damier, cylindriques et en croissant.
L'industrie des boissons 4.0 – propulsée par la technologie linéaire de LinMot
Les développements de Syscona Kontrollsysteme GmbH, subventionnés par le gouvernement fédéral de Rhénanie-du-Nord-Westphalie, associés aux moteurs linéaires de LinMot, ouvrent la voie à…
L'avenir des emballages d'expédition
Pour proposer une solution d'emballage d'expédition respectueuse de l'environnement et réduisant la consommation de carton, KRAFT a développé le « Kraft VPS100 ».
Conformément à l'Industrie 4.0
Les moteurs fournissent des données sur les courses et les couples. Cela signifie que ce type d'entraînement est pleinement compatible avec les concepts modernes de l'Industrie 4.0.
La nouvelle édition est parue.
Attendez-vous à des témoignages inspirants, des aperçus passionnants de nos innovations et des faits surprenants concernant nos variateurs – un vrai régal pour tous les passionnés d'automatisation.
Mince, plus mince, LinMot
Les constructeurs et fabricants de machines recherchent de plus en plus des solutions d'entraînement dynamiques et compactes. Consultez notre nouveau rapport d'application et découvrez comment LinMot peut vous aider !
Prendre contact
Utilisez ce formulaire pour contacter notre équipe. Veuillez indiquer votre demande et vos coordonnées afin que nous puissions l'examiner et vous répondre rapidement.