Les moteurs électriques font avancer les industries manufacturières. En effet, les équipements motorisés représentant 64 % de la consommation totale d’électricité. Lorsque les fabricants recherchent des moyens d’optimiser leurs processus, l’efficacité énergétique est leur préoccupation primordiale. L’industrie a adopté la technologie des variateurs de fréquence (VF) comme solution préférée pour économiser de l’énergie, comme expliqué à la section 3 du livre blanc « Maintenance intelligente : l’évolution de la maintenance prédictive (MP) ».

Les VF contrôlent les moteurs AC dans des applications telles que les ventilateurs, les pompes, les souffleurs, les mélangeurs, les convoyeurs et d’autres charges variables. Cet article explique le fonctionnement des VF et leur contribution aux économies d’énergie et de coût

Qu’est-ce qu’un variateur de fréquence (VF) ?

Un variateur de fréquence (VF), également connu sous le nom d’entraînement à courant alternatif ou d’onduleur, est un type de contrôleur de moteur qui entraîne un moteur AC en faisant varier la fréquence et la tension fournies au moteur. Les VF réduisent l’énergie électrique et permettent aux opérateurs d’ajuster la vitesse du moteur avec précision pour la faire correspondre à la charge requise par le système. Dans les moteurs AC à induction, un rotor non magnétisé (mais électriquement conducteur) tourne légèrement plus lentement que la vitesse synchrone du champ magnétique tournant. La vitesse de rotation de ce champ magnétique est directement proportionnelle à la fréquence du courant alternatif et inversement proportionnelle au nombre de pôles du stator :

S = 120 f / n

Où,

S = Vitesse synchrone du champ magnétique tournant, en tours par minute (tr/min)

f = Fréquence, en cycles par seconde (Hz)

n = Nombre total de pôles du stator par phase

Dans l’équation ci-dessus, la fréquence est directement liée à la vitesse du moteur. La figure 1 illustre les trois parties qui composent le VF : le redresseur, le filtre et l’onduleur. Le redresseur utilise des diodes pour convertir le courant alternatif de la ligne en courant continu. Le filtre réduit l’ondulation de l’alimentation DC redressée. L’onduleur reconvertit le courant continu filtré en courant alternatif, mais cette fois à n’importe quel niveau de fréquence et de tension nécessaire pour faire fonctionner le moteur à différentes vitesses.

Fréquence variable
Figure 1 : Schéma fonctionnel d’un variateur de fréquence

Types de moteurs à induction basés sur différentes charges de fonctionnement

Un moteur à induction, selon les différentes conditions de charge, peut être classé dans les catégories suivantes :

  1. Charge de puissance constante
  2. Les broyeurs, les machines de bobinage et les tours nécessitent un couple élevé à basse vitesse et un couple faible à haute vitesse. À mesure que la vitesse de fonctionnement diminue, le couple augmente, maintenant la puissance requise constante.

  3. Charge de couple constante
  4. Les pompes alternatives, les compresseurs, les convoyeurs et les entraînements de traction nécessitent la même quantité de couple à basse et à haute vitesse. Dans cette condition, le couple reste constant sur toute la plage de vitesse, et la puissance augmente et diminue en proportion directe avec la vitesse. À mesure que la vitesse change, le couple de charge restera raisonnablement stable et la puissance changera de manière linéaire avec la vitesse.

  5. Charge de couple variable

Les applications telles que les pompes centrifuges et axiales, les ventilateurs et les souffleurs nécessitent un couple beaucoup plus faible à basse vitesse par rapport aux vitesses élevées. Le couple requis varie proportionnellement au carré de la vitesse et la puissance requise varie proportionnellement au cube de la vitesse.

Différentes conditions de charge
Figure 2 : Les différentes conditions de charge d’un moteur à induction

Comment les VF contribuent-ils aux économies d’énergie et de coûts ?

Les lois d’affinité évaluent les économies d’énergie potentielles en réduisant la puissance du moteur pour gérer la vitesse. Une réduction de la vitesse du moteur de 25 % diminue la consommation d’énergie de près de 60 %, tandis qu’une réduction de 50 % de la vitesse du moteur diminue la consommation d’énergie de près de 90 %. Par conséquent, la réduction de la vitesse du moteur est souvent le moyen le plus simple d’économiser de l’énergie pour la plupart des applications de contrôle de mouvement. Les VF peuvent contribuer aux économies d’énergie et à la réduction des coûts d’exploitation des manières suivantes :

  1. En réduisant le courant de démarrage
  2. Un courant de démarrage élevé peut provoquer des nuisances en déclenchant des dispositifs de protection ou en endommageant le moteur. Il peut également provoquer des chutes de tension dans la ligne d’alimentation ou même empêcher le démarrage correct du moteur. Un courant de démarrage élevé entraîne également une production de couple élevée au démarrage, ce qui peut provoquer une accélération soudaine et sévère qui endommage les charges mécaniques. Un courant de démarrage élevé augmente également la demande électrique, et une demande élevée entraîne des primes de puissance élevées. Un VF peut réduire le courant de démarrage initial en diminuant la tension du moteur lorsqu’il commence à accélérer les charges. Cette tension plus faible réduit le courant consommé par le moteur. Le VF a permis de réduire l’appel de démarrage, réduisant le risque de panne prématurée et éliminant les primes de puissance, réduisant ainsi les coûts d’énergie et de maintenance.

    Effet du courant de démarrage sur les moteurs
    Figure 3 : Effet du courant de démarrage sur les moteurs
  3. En profitant de la loi d’affinité
  4. Dans le cas d’une pompe centrifuge, la loi d’affinité précise la relation entre la vitesse et la puissance.

    Puissance (Ch) = Débit (Q) × Hauteur (H) …………. (1)

    Où Q ∝ Vitesse (N)

    Et H ∝ N2

    Par conséquent, HP ∝ N3 …………. (2)

    Il s’agit donc de la meilleure option pour ajuster la fréquence et la vitesse d’alimentation afin de contrôler le débit au lieu de l’étranglement traditionnel des vannes. La loi d’affinité permet d’économiser une quantité considérable d’énergie.

    Loi d’affinité pour les pompes centrifuges
    Figure 4 : Loi d’affinité pour les pompes centrifuges

    Conformément aux lois d’affinité, une vitesse de moteur inférieure équivaut à une consommation d’énergie moindre. Par exemple, un moteur fonctionnant à 80 % de sa vitesse maximale nécessite 51,2 % de l’électricité d’un moteur fonctionnant à 100 % de sa vitesse. (En utilisant l’équation n° 2 80 % x 80 % x 80 % = 0,512). Un VF contrôlant une pompe ou un souffleur peut générer des économies importantes tout au long de sa durée de vie.

  5. Utilisation du mode V/f dynamique :
  6. La méthode « volts par hertz dynamique », communément appelée V/f, est conçue pour les conditions dans lesquelles vous devez maintenir au minimum les pertes de puissance au niveau du moteur dans des conditions de faible charge. Dans ce mode, le variateur modifie la tension selon la caractéristique de fréquence qui s’applique au moteur en fonction du niveau de charge. La tension au niveau du moteur est ainsi réduite en conséquence pour une fréquence donnée à faible charge. Cette méthode réduit le courant magnétisant, ce qui réduit les pertes dans le moteur.

  7. Contrôleur PID intégré :
  8. Les VF de nouvelle génération possèdent une boucle PID intégrée, qui peut être activée et configurée avec seulement un petit nombre de paramètres. Vous pouvez saisir directement le point de consigne dans la programmation du VF. Il n’est pas nécessaire de connecter un contrôleur logique programmable (PLC), de l’interfacer avec le VF et de le programmer séparément. Le signal de retour du capteur est envoyé directement à l’entrée analogique du VF. La valeur du point de consigne et le retour du capteur aident le VF à déterminer si le moteur doit accélérer ou ralentir pour atteindre le point de consigne. Cela maximise l’efficacité énergétique, car le moteur tourne à une vitesse suffisante, pas plus, pour répondre à la demande de la valeur de consigne actuelle. Simultanément, cela réduit les coûts, car il n’est pas nécessaire d’acheter ou de programmer le PLC.

  9. Bus DC commun :
  10. Le système de bus commun est le moyen le plus efficace de faire fonctionner les moteurs à induction lorsque plusieurs variateurs se trouvent au même endroit. Un bus DC commun reliant plusieurs VF peut récupérer de manière efficace l’énergie régénérative générée par un moteur qui ralentit et l’envoyer vers un moteur nécessitant une alimentation supplémentaire plutôt que d’acheter de l’énergie sur le réseau. Si l’application du système alimenté génère plus d’énergie de freinage que les moteurs actifs ne peuvent en consommer, les systèmes régénératifs de la ligne peuvent réinjecter de l’énergie dans le réseau moyennant des économies substantielles.

  11. Amélioration du facteur de puissance
  12. Un moteur à induction légèrement chargé aura un courant d’entrée de VF presque nul, car la plus grande partie du courant réactif ne circule pas depuis le côté de l’alimentation. Étant donné que seule la composante de courant réelle est renvoyée du côté de l’alimentation, le courant d’entrée du VF reste en phase avec la tension d’alimentation dans toutes les conditions de charge. Par conséquent, le facteur de puissance sera proche de l’unité, ce qui entraînera des frais d’électricité plus faibles.

Exemple d’économies de coûts

Prenons par exemple un ventilateur avec un moteur de 60 chevaux (ch) qui fournit de l’air pendant 15 heures par jour,

300 jours par an, et le coût énergétique est de 0,1177 $ par kilowattheure (valeur supposée).

Le coût opérationnel est calculé avec la formule suivante :

Coût = Puissance (kW) × Durée de fonctionnement × Coût/kWh

Ainsi, le coût d’exploitation pour faire fonctionner un moteur à différentes vitesses pendant différentes durées avec un VF et sans VF est indiqué dans le tableau 1 :

ContrôleVitesse (%)Alimentation (ch)Durée (%) / heuresCoût ($) à l’année
Sans VF (A)10060100/4 50023 707,13
Avec un VF (B)1006030 / 1 3507 112,14
7525,312555 / 2 4755 500,79
507,515 / 675444,51
Économies annuelles par an en utilisant un VF10 649,69 $
Tableau 1 : coût d’exploitation pour faire fonctionner un moteur avec un VF et sans VF

Pour calculer la période de récupération d’un investissement dans un variateur de fréquence, nous pouvons utiliser la formule suivante :

(Coût du variateur)
_____________X 12
(économies annuelles)

Donc, si notre variateur de 60 ch coûte 15 000 $ (valeur supposée), la période de récupération serait d’environ 17 mois, c’est-à-dire moins de deux ans !

En conclusion, l’utilisation d’un VF avec un moteur à induction permet d’économiser beaucoup d’énergie, et la récupération est possible en utilisant plusieurs applications et méthodes. Bien que l’accent soit généralement mis sur le coût d’installation initial ou de mise à niveau du VF et des moteurs, vous devez examiner chaque application pour obtenir les économies de coûts d’exploitation maximales résultant des économies d’énergie et de la récupération d’énergie. Dans de nombreux cas, les économies d’énergie et les coûts d’exploitation sont supérieurs au coût d’installation.

Farnell s’est associé à des fournisseurs proposant plusieurs gammes de variateurs de fréquence , de produits et de solutions, tels que des contrôles de moteur, des démarreurs de moteur, des moteurs électriques, des accessoires de protection de moteur et des entraînements de moteur.

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