Les variateurs de vitesse améliorent l’efficacité des machines dans les applications industrielles

Différentes vitesses sont maintenant exigées par la technologie dans de nombreuses applications où des moteurs électriques sont utilisés. Les variateurs de vitesse (VSD) jouent un rôle important dans l’amélioration de l’efficacité des applications industrielles avec moteurs au stade de la conception et dans l’atelier. La section 2 du livre blanc « Solutions intelligentes pour l’efficacité énergétique » traite de l’efficacité énergétique des machines avec l’automatisation (cliquez ici pour en savoir plus). Cet article de blog fournit un aperçu complet des applications avec variateur de vitesse pour améliorer l’efficacité des machines et économiser l’énergie des moteurs électriques dans les applications industrielles.

Un redresseur, un circuit intermédiaire, un onduleur et une unité de contrôle sont les composants clés d’un variateur de vitesse, comme illustré dans la figure 1 ci-dessous. Le redresseur transforme le courant alternatif (AC) en courant continu (DC). Dans le circuit intermédiaire, l’alimentation DC redressée est généralement conditionnée par une combinaison d’inductances et de condensateurs. L’onduleur reconvertit le courant continu redressé et conditionné en une alimentation alternative à fréquence et tension variables. Normalement, cela est accompli en générant un signal modulé en largeur d’impulsion à haute fréquence avec une fréquence et une tension effective changeantes. L’unité de contrôle supervise l’ensemble du fonctionnement du variateur de vitesse. Elle surveille et contrôle le redresseur, le circuit intermédiaire et l’onduleur pour s’assurer que la bonne sortie est délivrée en réponse à un signal de commande externe.

Fig. 1 : Schéma d’un variateur de vitesse

Application avec variateur de vitesse impliquant diverses charges :

Le variateur de vitesse sera interfacé avec un transducteur tel qu’un capteur de pression ou de débit, et programmé pour maintenir une certaine valeur (point de consigne). Il peut s’interfacer avec plusieurs transducteurs, mettre en œuvre des verrouillages et d’autres fonctions de contrôle, et se connecter aux réseaux informatiques actuels, pour fournir des données opérationnelles en temps réel.

Le potentiel d’économies d’énergie des variateurs de vitesse est basé sur les caractéristiques de la charge entraînée. Les charges sont classées en trois types : couple variable, couple constant et puissance constante. Les charges à couple variable sont courantes dans les ventilateurs et les pompes centrifuges et offrent le plus grand potentiel d’économies d’énergie. En effet, le couple varie avec la vitesse au carré (H1/H2 = (N1/N2)2) et la puissance varie avec la vitesse au cube (P1/P2 = (N1/N2)3). Et le débit change en fonction du changement de vitesse (Q1/Q2 = (N1/N2)).

Comme le montre le schéma ci-dessous, les charges à couple constant sont celles dans lesquelles le couple ne varie pas avec la vitesse, et la puissance absorbée est directement proportionnelle à la vitesse, ce qui implique que la puissance consommée est proportionnelle au travail utile effectué.

Fig. 2 : (a) Profil de charge à couple constant. (b) Économies d’énergie à partir de différentes charges

Les convoyeurs, les agitateurs, les concasseurs, les bobineuses de surface, les pompes volumétriques et les compresseurs d’air sont typiques des applications à couple constant. À puissance constante, la puissance absorbée est constante tandis que le couple est inversement proportionnel à la vitesse.

La commande de ventilateur à vitesse variable peut être utilisée dans une large gamme d’applications, y compris la plupart des types de systèmes de ventilation, les systèmes d’extraction d’air, le refroidissement industriel et les systèmes de contrôle de l’air de combustion des chaudières.

La courbe de la figure 3 ci-dessous indique que l’utilisation d’un variateur de vitesse pour réguler le débit d’une pompe plutôt qu’une commande d’accélérateur conventionnelle peut entraîner des économies de puissance et de coûts importantes. La ligne pointillée représente la puissance d’entrée d’un moteur à vitesse fixe et la ligne continue représente la puissance d’entrée d’un variateur de vitesse. La région ombrée reflète la quantité d’énergie économisée en utilisant un variateur de vitesse pour un débit donné.

Fig. 3 : Économie d’énergie d’une pompe : papillon de démarrage par rapport à réduction de vitesse

Les variateurs de vitesse sont disponibles dans une large gamme de tailles allant de 0,18 kW à plusieurs MW et peuvent être optimisés pour s’adapter à des applications particulières. Les variateurs de vitesse offrent généralement un rendement de 92 à 95 %, avec des pertes oscillant entre 5 et 8 % dues à la dissipation de chaleur supplémentaire provoquée par la commutation électrique à haute fréquence et la puissance supplémentaire requise par les composants électroniques. Les pertes sont généralement plus que compensées par les économies réalisées sur le moteur.

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