Comment l’IA rompt le facteur de puissance sur un moteur de travail industriel

Comment l'IA rompt le facteur de puissance sur un moteur de travail industriel

Les entreprises et l’industrie adorent les moteurs à induction à cage d’écureuil pour les applications à grande vitesse. Les gestionnaires de réseaux électriques les détestent, car leurs facteurs de puissance sous de faibles charges peuvent rendre un réseau instable. Mais il est possible de concevoir un moteur à cage d’écureuil pour qu’il fonctionne bien sur un réseau électrique – tout en restant efficace, puissant et fiable. Un chercheur en génie électrique de l’Université de Johannesburg (UJ) optimise une conception de rotor avec l’intelligence artificielle (IA). Lors des tests en laboratoire, il constate que le moteur de 5,5 kW optimisé pour l’IA fonctionne efficacement avec un excellent facteur de puissance à très faibles charges. Le facteur de puissance est si bon qu’aucune correction externe du facteur de puissance n’est requise pour ces moteurs, ce qui entraîne des économies substantielles. Crédit : Conception graphique par Therese van Wyk, Université de Johannesburg.

Soulevez le couvercle d’une maison électrifiée, d’une usine ou d’une mine, et vous trouverez une troupe de moteurs à cage d’écureuil actifs à toute heure. Les pays industrialisés ne seraient pas aussi industriels sans ces derniers.

Robuste et fiable, ce type de moteur à induction triphasé est souvent l’option de prédilection dans l’industrie. Ceux-ci ne produisent pas d’étincelles et s’adaptent très bien aux environnements dangereux comme les raffineries de pétrole, les mines et les élévateurs à grains, et sont utilisés pour les opérations de broyage, de pompage et de soufflage.

A la maison, le réfrigérateur, le lave-linge, le sèche-linge et la pompe de la piscine sont alimentés par des moteurs monophasés à cage d’écureuil. Les moteurs sont particulièrement adaptés aux applications à grande vitesse au-dessus de 3000 tr/min. Mieux encore, les moteurs à cage d’écureuil démarrent automatiquement et ne nécessitent pas beaucoup d’entretien, même s’ils sont évalués à des centaines de chevaux.

Cependant, les moteurs à cage d’écureuil peuvent entraîner des pénalités de facture d’électricité perturbatrices pour les grandes entreprises. En Afrique du Sud, le diffuseur national diffuse souvent des publicités le soir encourageant les gens à éteindre leurs appareils ménagers et les pompes de la piscine.







Les entreprises et l’industrie adorent les moteurs à induction à cage d’écureuil pour les applications à grande vitesse. Les gestionnaires de réseaux électriques les détestent, car leurs facteurs de puissance sous de faibles charges peuvent rendre un réseau instable. Mais il est possible de concevoir un moteur à cage d’écureuil pour qu’il fonctionne bien sur un réseau électrique – tout en restant efficace, puissant et fiable. Un chercheur en génie électrique de l’Université de Johannesburg (UJ) optimise la conception d’un rotor et d’une bobine capacitive auxiliaire avec l’intelligence artificielle. (IA). Lors des tests en laboratoire, il constate que le moteur de 5,5 kW optimisé pour l’IA fonctionne efficacement avec un excellent facteur de puissance à très faibles charges. Le facteur de puissance est si bon qu’aucune correction externe du facteur de puissance n’est requise pour ces moteurs, ce qui peut entraîner des économies substantielles sur les factures d’électricité. Crédit : Vidéo de Therese van Wyk, Université de Johannesburg. Organigrammes du Dr Mbika Muteba, dans le cadre de « Optimization of Air Gap Length and Capacitive Auxiliary Winding in Three-Phase Induction Motors Based on a Genetic Algorithm », publié dans Énergies, 10.3390/en14154407. Graphiques créés avec Datawrapper, basés sur le tableau 9 de l’étude de recherche. Conception du rotor créée avec ANSYS Motor CAD par le Dr Mbika MutebaMusic par ltamara2 et Officina27 chez Pixabay Music.

L’IA pour bien jouer

En bref, il existe une demande énorme pour des moteurs performants et rentables. Mais les gestionnaires de réseaux électriques exigent également que ces moteurs provoquent des perturbations limitées.

Le Dr Mbika Muteba de l’Université de Johannesburg a formé une IA pour optimiser la conception d’un moteur à cage d’écureuil. L’étude est publiée dans la revue Énergies. L’IA a veillé à ce que la conception optimisée perturbe peu le réseau électrique auquel elle est connectée en améliorant considérablement le facteur de puissance du moteur.

Dans cette recherche, Muteba a modélisé et conçu des rotors et des bobines capacitives auxiliaires pour un moteur à cage d’écureuil de 5,5 kW (7,37 chevaux métriques). Ensuite, il a construit les rotors et les a testés en laboratoire. Les performances réelles des moteurs correspondaient étroitement aux performances prévues.

Le premier moteur testé n’a pas de bobine auxiliaire sur le stator et n’est pas optimisé par AI. Le second a une bobine auxiliaire pour améliorer le facteur de puissance et n’est pas non plus optimisé par l’IA. Le troisième moteur a une bobine auxiliaire sur le stator et est également optimisé par l’algorithme AI. L’algorithme génétique l’a optimisé pour les performances les plus élevées à travers diverses charges sur le courant électrique tiré (couple par ampère). Muteba a vérifié les résultats de l’algorithme génétique avec une analyse par éléments finis.

Le moteur de 5,5 kW optimisé pour l’IA avait un excellent facteur de puissance dans la configuration du laboratoire, allant de 0,93 mesuré à 0 % de charge à 0,99 à 60 % de charge jusqu’à 120 % de charge. Le rendement à pleine charge du moteur optimisé par l’IA est de 85,87 %, ce qui se situe entre 1 et 2 % du moteur non optimisé. Son efficacité pour des charges inférieures à 30% est également nettement améliorée par rapport aux moteurs non optimisés.

Plus important encore, même avec l’excellent facteur de puissance, le moteur optimisé donne plus de couple tout en consommant moins de courant. Le couple par ampère de la conception optimisée par l’IA était une amélioration à deux chiffres par rapport à celui du moteur sans optimisation de l’IA.

Le couple optimisé du moteur par ampère est 22 % plus élevé à 20 % de charge, 16 % plus élevé à 60 % de charge et 13 % meilleur à 120 % de charge, par rapport à la version non optimisée.

Pourquoi les moteurs à cage d’écureuil peuvent rendre les grilles instables

« Les moteurs à cage d’écureuil ont généralement un faible facteur de puissance. Surtout s’ils démarrent ou fonctionnent sous des charges légères », explique Muteba. « Mais les compagnies d’électricité veulent que toutes les charges que vous connectez à leur réseau, qu’il s’agisse du moteur d’une pompe de piscine ou d’une machine broyant le minerai dans une mine, aient un bon facteur de puissance. »

Les réseaux électriques triphasés fournissent deux types d’énergie. Le premier est la puissance active qui fait tourner les moteurs et fait le travail. Les services publics d’électricité facturent leurs clients pour cela en kilowatts ou en mégawatts. Les réseaux fournissent également de la puissance réactive. Les moteurs à cage d’écureuil consomment de la puissance réactive sur une grille pour maintenir les champs magnétiques sur leurs rotors. Sans ce champ, un moteur à cage d’écureuil ne fonctionne pas. De tous les types de moteurs électriques, les moteurs à cage d’écureuil sont les plus gourmands en puissance réactive.

Les transformateurs qui abaissent la puissance haute tension aux tensions domestiques ou industrielles consomment également la puissance réactive d’un réseau. « Une charge avec un faible facteur de puissance consomme beaucoup plus de puissance réactive. Lorsque des centaines ou des milliers de telles charges sont connectées à un réseau, les propriétaires du réseau doivent dépenser pour mettre à niveau le réseau afin de fournir plus de puissance réactive », dit-il.

Comment l'IA rompt le facteur de puissance sur un moteur de travail industriel

Crédit : Therese van Wyk, Université de Johannesburg.

Si un réseau est submergé par des charges avec de faibles facteurs de puissance, toutes les charges sur le réseau, même celles avec de bons facteurs de puissance, ne peuvent pas obtenir suffisamment de puissance réactive pour fonctionner et le réseau peut devenir instable. Cela peut causer des dommages importants dans les mines, les usines et les systèmes d’irrigation des exploitations agricoles.

Les services publics d’électricité pénalisent fortement les utilisateurs pour les charges avec des facteurs de puissance faibles. Ainsi, un réseau électrique national peut avoir des dizaines ou des centaines de milliers de moteurs à cage d’écureuil connectés, en tant que chevaux de bataille fiables. Mais le faible facteur de puissance combiné des moteurs peut rendre un réseau imprévisible et même instable.

Des économies importantes

L’optimisation de l’IA pour le rotor et la bobine capacitive auxiliaire a permis d’améliorer le facteur de puissance et les performances tout en conservant un moteur d’écureuil fiable et efficace pour les applications difficiles, explique Muteba.

Le moteur optimisé par l’IA a un entrefer entre le rotor et le stator, qui est plus grand que dans un moteur non optimisé. Sous des charges élevées, des températures élevées et des vitesses élevées, le moteur optimisé devrait fonctionner mieux mécaniquement que les moteurs non optimisés.

Comment l'IA rompt le facteur de puissance sur un moteur de travail industriel

Crédit : Conception graphique et photos de Therese van Wyk, Université de Johannesburg.

« Avec ces résultats, nous voyons qu’il est possible de faire fonctionner des moteurs à induction à cage d’écureuil sans dépenser des millions en compensateurs réactifs pour éviter les pénalités des entreprises de services publics. Il est également inutile d’adopter des bobines auxiliaires d’une manière qui réduit l’efficacité ou le couple par ampère », a-t-il déclaré. ajoute.

« Le rotor optimisé pour l’IA et la bobine capacitive auxiliaire ont un excellent facteur de puissance sur toute la gamme de charges, et sont encore plus efficaces, avec des performances plus élevées également. »

Pour un micro-réseau ou un réseau électrique privé, la construction d’un excellent facteur de puissance dans chaque moteur à cage d’écureuil rend également le réseau beaucoup plus facile à gérer, dit-il.

L’IA dans la conception

L’utilisation de l’IA pour optimiser la conception du rotor et de la bobine capacitive auxiliaire peut faire gagner du temps par rapport aux pratiques de conception bien ancrées, explique Muteba. L’algorithme génétique a pris 27 minutes pour optimiser la conception du rotor et de la bobine capacitive auxiliaire, en huit exécutions et 60 générations de chromosomes traitées.

« Les ingénieurs de conception sont confrontés au défi de sélectionner la valeur optimale de la longueur de l’entrefer et de la bobine capacitive auxiliaire. Dans la plupart des cas, ils utilisent un logiciel de conception qui effectue une analyse de sensibilité et paramétrique. Ces processus sont généralement longs, avec des capacités de recherche limitées « , explique Muteba.

« Les IA telles que les algorithmes de recherche optimale peuvent trouver la valeur optimale de la longueur de l’entrefer et de la bobine capacitive auxiliaire en recherchant un grand espace de solution en quelques minutes. La technique basée sur la population, utilisée dans cette recherche, un algorithme génétique, est un bon apte à trouver les valeurs optimales requises. »



Plus d’information:
Mbika Muteba, Optimisation de la longueur de l’entrefer et du bobinage auxiliaire capacitif dans les moteurs à induction triphasés basés sur un algorithme génétique, Énergies (2021). DOI : 10.3390 / en14154407

Fourni par l’Université de Johannesburg

Citation: Comment l’IA casse le facteur de puissance sur un moteur de bête de somme industriel (2021, 19 octobre) récupéré le 19 octobre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-10-ai-power-factor-industrial-workhorse.html

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