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Ils apportent souplesse et économies d'énergie

Guide réalisé par Christian Guyard

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Ils apportent souplesse et économies d'énergie

Installation industrielle de transformation du métal. Les moteurs de la ligne de décapage sont gérés avec des variateurs Micromaster MM4 de Siemens.

© D.R.

Une large gamme de produits procure des économies d'énergie dans des applications comme le pompage, la ventilation, les procédés, la manutention...

La variation de vitesse pratiquée depuis longtemps sur les moteurs à courant continu de puissance importante, se développe sur les moteurs alternatifs. Deux arguments justifient le passage à la variation de vitesse électronique. Le premier tient à l'utilisation : avoir plus de souplesse dans la vitesse de rotation pour moduler finement un procédé, avoir plus de confort (climatisation), s'affranchir de réducteurs de vitesse mécaniques consommateurs d'énergie, d'entretien et de maintenance, pouvoir intégrer des sécurités actives.

Couple constant ou couple quadratique

Le second est relatif aux économies d'énergie. « La variation de vitesse est une source d'économies d'énergie considérables, particulièrement pour tout ce qui touche à la ventilation et au pompage. Cela n'est pas nouveau, mais l'industrie et le bâtiment n'en profitent pas encore assez », déclare Michel Metzger spécialiste variation de vitesse chez Siemens. « Il est vrai que les clients sont encore réticents à l'investissement dans un variateur de vitesse, ils n'ont pas assez la notion de coût complet d'utilisation », reconnaît Philippe Brem directeur commercial d'ABB Entrelec.

On distingue deux grandes applications : couple constant et couple quadratique. Les premières se rencontrent dans le monde industriel sur des presses, des extrudeuses, dans la manutention... là où il faut du couple, des vitesses précises, de l'inversion de sens. Dans ce cas, le variateur fait tout pour conserver le couple (ou la vitesse) de consigne et l'on fera appel au mode de contrôle vectoriel du moteur. Dans de nombreux cas, ces machines doivent être freinées, il faut alors dissiper de l'énergie, le variateur s'en charge soit au travers de résistances, soit par réinjection de courant sur le réseau d'où une économie d'énergie.

La seconde application concerne le mouvement des fluides : pompage, ventilation, machines centrifuges en général. La précision requise est moins grande et la rotation est sous contrôle scalaire (tension/fréquence). Le variateur remplace le dispositif classique : moteur tournant au maximum et variation mécanique du débit par vanne. Le contrôle est plus précis, réactif à des modifications du système (encrassement de filtre par exemple) et économise l'énergie. Cela, dans des proportions importantes : dans une machine centrifuge, le couple varie comme le carré de la vitesse, et la puissance comme son cube ! Le raisonnement est valable pour les utilisations continues. Aujourd'hui, tous les fabricants de variateurs mettent cet argument en avant, Schneider en a même fait une priorité stratégique dans l'industrie, le bâtiment et le résidentiel.

Les facteurs à prendre en compte

Quand faut-il installer un variateur ? « La première question à se poser est : à quoi servira la variation de vitesse, application couple ou quadratique ? Dans le premier cas il faut connaître le couple (le variateur se dimensionne en fonction du courant d'utilisation), dans le second, la vitesse à pleine charge. Ensuite vient la tension d'alimentation, la puissance absorbée », énumère Philippe Brem.

Le degré de protection est un facteur important : il influe sur le prix et est en relation avec l'environnement du variateur. « 90 % des cas de garantie sont dus à l'environnement, insuffisamment pris en compte » d'après Philippe Brem. La température ambiante, l'altitude influent sur le refroidissement, il faut parfois surdimensionner. Autres facteurs d'ennuis, les projections de liquide (eau, produits de nettoyage), de solides (poussières parfois colmatantes, particules projetées) voire les gaz corrosifs (traitement d'eau, chimie). Le type d'enveloppe et la manière d'installer le variateur seront donc importants. Le câblage entre variateur et moteur doit être soigné. La distance entre variateur et moteur, pour les puissances importantes, est un facteur sensible. « Au-delà d'une cinquantaine de mètres, il faut prendre des précautions », précise Serge Petit, responsable marketing de la division électronique de Leroy-Somer.

Dans les applications "couple", l'adéquation variateur-moteur a son importance, comme le souligne Christian Sibileau de SEW-Usocome : « Nous travaillons à l'intégration du moteur et de sa variation pour gagner en taille, en consommation, apportant des avantages en matière de compatibilité électromagnétique. »

Les constructeurs de moteurs, Siemens, Leroy-Somer, ABB, mettent aussi en avant les avantages apportés par la cohérence entre variateur et moteur. « L'optimisation est totale entre nos moteurs et nos variateurs qui ont en mémoire les caractéristiques des moteurs et des algorithmes optimisés », insiste Serge Petit.

L'évolution sera dans la communication : « Diagnostic intégré télétransmis par modem intégré, commande par Ethernet, composants plus rapides pour des couples plus précis » pour Serge Petit, dans « l'intégration des sécurités et les possibilités de réinjection d'énergie de freinage même en petite puissance (4 kW) » pour Michel Metzger, et par-dessus tout les économies d'énergie.

L'ESSENTIEL

- Se développe pour les moteurs alternatifs - Le passage à la variation électronique permet plus de souplesse dans la vitesse de rotation ainsi que des économies d'énergie - Deux grandes applications : couple constant pour le monde industriel (presses, extrudeuses...) et couple quadratique pour le mouvement des fluides (pompage, ventilation...) - Frein : le prix du variateur qui renchérit l'équipement. Mais le coût de l'énergie et une politique volontariste devraient changer la donne. - Un potentiel important

POINTS SENSIBLES

Les variateurs de vitesse se banalisent surtout dans les petites et moyennes puissances. Ils sont installés d'origine sur un équipement ou placés par un constructeur (fortes puissances qui relèvent d'affaires particulières) et plus fréquemment par des installateurs.

PRATIQUEDÉFINIR SES OBJECTIFS EN VARIATION DE VITESSE

- Certaines applications de variation de vitesse sont génériques comme le marché HVAC (Heating ventilating and air conditioning). Ici, la variation de vitesse apportera plus de confort et de souplesse et des possibilités d'automatisation. - Pompage de liquides. La variation de vitesse est déjà bien avancée dans l'eau potable. Les économies d'énergie sont significatives mais l'aspect téléopération de sites éloignés est tout aussi important.- Contrôle d'accès. Il s'agit d'un marché colossal qui se compte en millions d'unités pour des moteurs de 0,18 à 0,35 kW avec des contraintes technologiques fortes (encombrement, fréquence, cadence). - Réinjecter de l'énergie sur le réseau. Elle n'est plus réservée aux fortes puissances. Siemens a sorti un variateur de vitesse de 4 kW quatre quadrants. Cette solution supprime le casse-tête du calcul des résistances de freinage (pour systèmes de levage)- Applications couple. Elles demandent une très bonne adéquation entre moteur et variateur pour profiter à plein des possibilités.

MARCHÉ

127TWh C'est la part d'électricité consommée par l'industrie en France. 90 TWh le sont par des moteurs et le gisement d'économies d'énergie représente 10 à 15 TWh dont une bonne part en raison de la variation de vitesse. (Source Ademe) Les ventes en croissance Marché des variateurs de vitesse à courant alternatif pour la France Il s'agit des variateurs correspondant à une puissance inférieure à 100 kW, qui représentent les gros volumes. (Source Gimélec)

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