La réduction des coûts énergétiques est parfaitement logique sur le plan commercial ; elle permet d'économiser de l'argent, d'améliorer la réputation de l'entreprise et d'aider tout le monde dans la lutte contre les changements climatiques.
Cette ligne directrice traite du principe de fonctionnement de base des variateurs de fréquence (VFD) et de la façon dont l'installation de variateurs de fréquence dans des applications appropriées pourrait permettre d'économiser de l'énergie, de réduire les coûts et d'augmenter les marges bénéficiaires.
Aperçu de la technologie
Les moteurs électriques à courant alternatif fonctionnent à des vitesses fixes et sont parfaitement adaptés aux applications où une vitesse de sortie constante est requise. Cependant, environ la moitié de toutes les applications de moteurs ont une demande de vitesse variable et cela inclut des processus tels que l'air et les liquides en mouvement (ventilateurs et pompes), les bobines de bobinage et les outils de précision.
Convertisseur à fréquence variable
Historiquement, dans les applications nécessitant un contrôle précis de la vitesse, telles que les bobines de papier, on utilisait de coûteux moteurs à courant continu (CC) ou des accouplements hydrauliques pour réguler la vitesse de la machine, tandis que dans d'autres applications, les processus étaient contrôlés par l'ouverture et la fermeture d'amortisseurs et de vannes, ou par le changement de la vitesse de sortie avec des engrenages, des poulies et des dispositifs similaires alors que le moteur fonctionne à vitesse constante.
Dans les années 1980 et 1990, les variateurs de fréquence ont commencé à apparaître sur le marché électrique, offrant une méthode alternative de contrôle. Un variateur de fréquence, aussi appelé convertisseur de fréquence, variateur de vitesse, le principe de fonctionnement de base est l'ajustement de l'alimentation électrique d'un moteur AC avec un changement correspondant de fréquence et de tension dans la vitesse et le couple de sortie du moteur.
En mettant en œuvre ce type de commande, une correspondance très étroite entre la vitesse du moteur et les exigences du processus de la machine qu'il entraîne peut être obtenue.
La technologie des variateurs de fréquence est aujourd'hui mature et largement adoptée et utilisée avec les moteurs à courant alternatif. Les variateurs de fréquence sont extrêmement polyvalents et offrent un degré élevé de contrôle du moteur où les vitesses du moteur peuvent varier avec précision de zéro à plus de 100% de la vitesse nominale, tandis que le couple est également ajusté en fonction.
Différentes options sont disponibles pour s'adapter à une variété d'applications. Les variateurs de fréquence de base sont utilisés dans des applications simples telles que le contrôle de ventilateurs et de pompes, tandis que des versions plus complexes peuvent être utilisées pour un contrôle très précis de la vitesse et du couple, par exemple dans des applications de bobinage multiple ou de formage de matériaux.
La capacité des variateurs de fréquence varie de 0,2 kW à plusieurs MW ; ils sont généralement disponibles en tant que dispositifs autonomes et sont connectés à l'alimentation électrique du moteur, mais sur certains modèles de moteurs plus petits, généralement inférieurs à 15 kW, le variateur de fréquence peut être intégré au moteur et est disponible en tant que produit d'entraînement intégré au moteur.
Dans de nombreuses applications, le contrôle de la vitesse variable peut entraîner une réduction substantielle des coûts énergétiques. L'utilisation de variateurs de fréquence est particulièrement efficace dans les applications de ventilateurs et de pompes où ils pourraient remplacer les méthodes traditionnelles de régulation de la puissance ; ici, il existe une relation exponentielle entre la vitesse de la machine (et la puissance) et l'énergie utilisée.
Principe de fonctionnement des variateurs de fréquence
Bien qu'il existe un certain nombre de variantes dans la conception des variateurs de fréquence, ils offrent tous la même fonctionnalité de base qui consiste à convertir l'alimentation électrique entrante de fréquence et de tension fixes en une fréquence et une tension variables qui sont délivrées au moteur avec une modification correspondante de la vitesse et du couple du moteur. La vitesse du moteur peut varier de zéro à 100-120% de sa vitesse nominale, tandis que le couple nominal peut atteindre 150% à vitesse réduite. Le moteur peut fonctionner dans les deux sens.
Schéma du principe de fonctionnement du VFD
Les variateurs de fréquence appliqués aux moteurs à courant alternatif sont de loin les plus courants. Leur conception de base se compose de quatre éléments :
Redresseur : le principe de fonctionnement du redresseur consiste à transformer l'alimentation en courant alternatif (CA) en courant continu (CC). Différents modèles sont disponibles et sont sélectionnés en fonction des performances requises du variateur de fréquence. La conception du redresseur influencera le degré d'induction des harmoniques électriques sur l'alimentation entrante. Il peut également contrôler la direction du flux de puissance.
Circuit intermédiaire : l'alimentation en courant continu redressée est alors conditionnée dans le circuit intermédiaire, normalement par une combinaison d'inductances et de condensateurs. La majorité des VFD actuellement sur le marché utilisent une liaison CC à tension fixe.
Onduleur : l'onduleur reconvertit le courant continu redressé et conditionné en un courant alternatif de fréquence et de tension variables. Ceci est normalement réalisé en générant un signal haute fréquence à modulation de largeur d'impulsion de fréquence variable et de tension effective. Des commutateurs à semi-conducteurs sont utilisés pour créer la sortie ; différents types sont disponibles, le plus courant étant le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT).
Unité de contrôle : l'unité de contrôle contrôle tout le fonctionnement du variateur de fréquence ; elle surveille et contrôle le redresseur, le circuit intermédiaire et le variateur pour délivrer la sortie correcte en réponse à un signal de commande externe.
Les variateurs de fréquence ont généralement un rendement de 92 à 98 %, avec des pertes de 2 à 8 % dues à la dissipation de chaleur supplémentaire causée par la commutation électrique à haute fréquence et la puissance supplémentaire requise par les composants électroniques.
De même, les moteurs connectés aux variateurs de fréquence subissent des pertes supplémentaires dues à l'échauffement provoqué par la commutation électrique à haute fréquence.
Installation des entraînements à fréquence variable
Sur le plan électrique, un variateur de fréquence est installé en série entre l'alimentation électrique du réseau et le moteur. Les gros variateurs de fréquence peuvent introduire une "pollution" électrique sous forme d'harmoniques sur l'alimentation qui peut être préjudiciable à d'autres équipements ; en Chine, la réglementation limite la quantité d'harmoniques autorisées sur l'alimentation ; selon les circonstances locales, l'installateur devra envisager l'installation de filtres électriques ou spécifier le type de redresseur pour assurer la conformité.
Schéma de câblage de base du VFD
La plupart des variateurs de fréquence offrent une intelligence de calcul et sont capables de fonctionner avec une variété de systèmes de contrôle et de capteurs. Un variateur de fréquence de base sera capable de contrôler la sortie d'un moteur en réponse à un signal de commande afin d'obtenir l'état de fonctionnement souhaité. Dans les applications les plus simples, le variateur de fréquence sera interfacé à un transducteur tel qu'un capteur de pression ou de débit, puis programmé pour maintenir une valeur préréglée (point de consigne).
A l'autre extrémité du spectre, les variateurs de fréquence avancés peuvent effectuer des tâches de contrôle de procédé complexes ; ils peuvent être interfacés à un certain nombre de transducteurs, mettre en œuvre des verrouillages et autres fonctions de contrôle, et s'interfacer avec des réseaux informatiques modernes fournissant des données de fonctionnement en temps réel.
En tant qu'équipement électronique, les variateurs de fréquence sont susceptibles d'être endommagés par la poussière et l'humidité ou par un refroidissement inadéquat. Ils doivent être placés près du moteur dans des enceintes convenablement ventilées ou à distance dans un endroit convenablement protégé. Les VFD de grande taille peuvent générer beaucoup de chaleur, et celle-ci doit être éliminée, sinon l'unité finira par surchauffer et par tomber en panne.
Les paragraphes suivants suggèrent les mesures à prendre lorsque l'on envisage d'installer un variateur de fréquence :
Étape 1 : Développer une compréhension du processus en question et de la façon dont le fonctionnement du système moteur répond à ses exigences. Déterminer dans quelle mesure la demande est variable et si elle peut être réduite. Documenter le profil de la charge et établir de combien elle peut être réduite.
Étape 2 : Déterminer le type de charge, qu'il s'agisse d'un couple variable, d'un couple constant ou d'une puissance constante. Déterminer s'il est possible de mettre en place une commande de variateur de fréquence sur le système ou si une autre solution sera plus appropriée.
Étape 3 : Rechercher les possibilités de maximiser l'efficacité du système existant par des mesures à faible coût. Il y a peu d'avantages à installer un variateur de fréquence sur un système dont le rendement est médiocre et qui pourrait être amélioré par d'autres moyens à faible coût. Évaluer l'état et le fonctionnement du système et déterminer les possibilités d'économie d'énergie à faible coût qui pourraient être mises en œuvre avant d'installer un variateur de fréquence. Ces possibilités pourraient comprendre l'entretien de l'équipement, ou la réduction de la demande et la mise hors tension. Certaines de ces améliorations peuvent être mises en œuvre par des mesures prises à l'interne, tandis que d'autres mesures peuvent nécessiter le soutien d'un fabricant ou d'un agent spécialisé.
Étape 4 : Surveiller la consommation d'énergie existante et estimer le potentiel d'économie d'énergie. Si possible, surveillez la consommation d'énergie sur une semaine, par exemple, afin d'obtenir une base de référence à laquelle toute amélioration de l'efficacité énergétique peut être mesurée. Demandez l'aide d'un expert si nécessaire. Obtenez des devis des fabricants et assurez-vous que les économies et le retour sur investissement sont satisfaisants.
Étape 5 : Après avoir pris en compte les points décrits dans les " Considérations pratiques ", installez le variateur de fréquence et les commandes associées. S'assurer que l'installateur est bien informé avant de commencer les travaux, que le système est correctement mis en service et que les économies sont démontrées avant de signer.
Étape 6 : Continuez à gérer vos systèmes en vue de l'efficacité énergétique. Mettez en place des politiques, des systèmes et des procédures pour vous assurer que les systèmes sont correctement entretenus et qu'ils fonctionnent efficacement, et que les économies sont maintenues à l'avenir.
Mise en service d'un entraînement à fréquence variable
Un variateur de fréquence doit être correctement installé et mis en service pour fonctionner correctement et réaliser les économies d'énergie prévues. Malheureusement, il n'est pas rare de trouver des installations où le moteur fonctionne en permanence à pleine vitesse, sans que personne ne s'en rende compte. Il faut donc faire attention aux points suivants avant, pendant et après l'installation :
L'installateur a reçu une formation adéquate et est compétent pour installer des variateurs de fréquence.
Le profil de fonctionnement du process et le mode de régulation prévus sont parfaitement compris et communiqués à l'installateur du variateur de fréquence avant de commencer l'installation.
Le variateur de fréquence est correctement programmé pour fournir le fonctionnement prévu (et les économies d'énergie) et que cela est démontré aux opérateurs / au personnel d'ingénierie à la fin de l'installation.
Les opérateurs et le personnel d'ingénierie sont formés au contrôle et au fonctionnement du variateur de fréquence.
Un fichier de mise en service contenant les enregistrements des réglages du logiciel, des points de consigne et d'autres paramètres pertinents du programme est compilé et stocké pour référence ultérieure.
L'importance de la maintenance
Une fois qu'un variateur de fréquence a été installé et a bien fonctionné, les économies d'énergie peuvent être maintenues ou améliorées davantage en effectuant un entretien régulier.
Contrairement à la croyance populaire selon laquelle les équipements électroniques ne nécessitent pas d'entretien régulier, il est essentiel de maintenir le fonctionnement du variateur de fréquence à son efficacité maximale. Les raisons courantes du gaspillage d'énergie sur des VFD mal entretenus sont les suivantes :
Un environnement exigeant, tel que des températures ambiantes élevées ou une charge importante, qui réduit de façon mesurable la durée de vie des composants du variateur.
Le réglage de paramètres incorrects, entraînant un mauvais contrôle et un gaspillage d'énergie.
Un refroidissement insuffisant, ce qui entraîne une augmentation de la consommation d'énergie. Une augmentation de la chaleur augmente la résistance électrique, ce qui entraîne automatiquement une augmentation du courant pour compenser. Cette augmentation du courant équivaut à une augmentation de la consommation d'énergie. Une surchauffe des VFD peut entraîner une défaillance de l'équipement.
L'entrée de contamination (provenant de matériaux tels que l'eau ou la poussière) causant des inefficacités et des pannes d'équipement.
Bornes électriques desserrées entraînant une surchauffe et une défaillance.
Les arrêts de production ou les pannes d'équipement entraînent invariablement des coûts, c'est pourquoi il est recommandé de mettre en place un plan systématique d'entretien des variateurs de fréquence et de l'équipement afin de réduire la possibilité de défaillance de l'équipement. L'entretien préventif est toujours moins coûteux que la correction des défauts et les pannes imprévues.
Le fabricant du variateur de fréquence peut également recommander un calendrier de remplacement des pièces pour en assurer le bon fonctionnement, par exemple, un remplacement annuel du filtre à air ou un remplacement quadriennal de tout joint de la pompe de refroidissement. Une bonne façon de s'assurer qu'un variateur de fréquence est maintenu en bon état de fonctionnement est de conclure un contrat d'entretien avec le fabricant du variateur.
Le fait est que les variateurs de fréquence ne sont pas aussi coûteux qu'on pourrait le croire. L'installation d'un variateur sur un moteur moyen peut coûter environ 400000F - installation comprise. Si l'on considère qu'un seul moteur moyen (2,2 kW) peut consommer plus de 250000F d'électricité en un an, un variateur de fréquence vaut bien l'investissement et peut avoir une période de récupération de moins de deux ans.
