Variateur de vitesse le potentiel d’économie d’énergie

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L’efficacité énergétique est le levier économique des entreprises. L’industrie représente 24 % de la consommation énergétique française. Selon le syndicat Gimélec (Groupement des industries de l’équipement électrique, du contrôle-commande et des services associés), l’efficacité énergétique moyenne d’une usine est de 41 %. Ce qui signifie que 59 % de l’énergie consommée ne sert pas au process de fabrication. Le gâchis est énorme et le potentiel de réduction gigantesque se situe au niveau des systèmes motorisés.

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Systèmes de motorisation industrielle : le plus gros potentiel d’économie d’énergie

Un variateur de vitesse est un équipement permettant de faire varier la vitesse d’un moteur, une nécessité pour de nombreux procédés industriels. En effet, la plupart des moteurs tournent à vitesse constante. Pour moduler la vitesse des équipements de procédé, on a longtemps eu recours à divers dispositifs mécaniques. Aujourd’hui, on fait surtout appel à des variateurs de vitesse électroniques. Pour les procédés industriels exigeant une régulation précise de la vitesse, on a d’abord utilisé des moteurs à courant continu (CC) commandés par des variateurs électroniques à semi-conducteurs. Cette technique consistait à faire varier la vitesse proportionnellement à la tension. Étant donné la complexité de l’entretien des moteurs CC, les applications récentes n’utilisent que rarement ce système.

Pourtant, il est estimé que il est estimé que si la France s’équipait de moteurs à haut rendement, la demande en électricité de l’industrie serait réduite d’environ 25 %, et celle de la France de presque 10 %. Alors que les efforts à fournir pour respecter les engagements environnementaux de la France sont importants, cet investissement serait très vite rentable, même pour les industriels dont le potentiel d’économie reste limité.. Pourtant, le retour sur investissement (ROI ou Return on Investment) est inférieur à 1,5 an pour 30 % des gisements techniques d’économie, et inférieur à 3 ans pour 50 % du gisement. Compte tenu du prix croissant de l’électricité, le choix est vite fait.

Part de l’électricité utilisée par chaque secteur pour les systèmes motorisés
Non ferreux 18 % IAA 86 %
Sidérurgie 50 % Papier-carton 95 %
Industrie mécanique 63 % Ciment 97 %
Chimie 70 % Industrie entière 70 %

Source : CEREN 2013

Dans beaucoup d’installations, les systèmes motorisés fonctionnent à la vitesse nominale fixe. Par exemple, sur les ventilations, des inclineurs permettent de faire varier le débit de l’air, mais en contrepartie, ils augmentent les pertes de charge et deviennent une nouvelle la source de gaspillage d’énergie.
Grâce à un variateur, il est possible de modifier la vitesse du moteur, donc d’ajuster le débit et d’obtenir une importante économie d’énergie. Il est possible de dimensionner au plus juste la motorisation et ainsi mieux se positionner commercialement

Source : chiffres-clés Climat, Air, Énergie, ADEME, édition 2015

Obligation légale depuis le 1er janvier 2017
La nouvelle norme IEC 60034-30 pour les moteurs électriques dispose de 4 classes de rendement, à savoir
IE4 Super Premium, IE3 Premium, IE2 Haut rendement (EFF1 selon le label CEMEP) et IE1 Standard (EFF2 selon le label CEMEP). Depuis 2011, les IE1 n’étaient plus autorisés. Depuis le 1er janvier 2017, l’installation de moteurs IE2 entre 0,75 kW et  375 kW est autorisée s’ils sont pilotés par un variateur de vitesse. Les IE3 et IE4 intègrent nativement la variation de vitesse.

Paramètre influençant la consommation

L’objectif de la variation électronique de vitesse est d’adapter la vitesse et le couple d’un moteur à sa charge. Pour cela, le variateur ajuste les paramètres tension/courant/fréquence de la source d’alimentation du moteur.

La vitesse de rotation (n) d’un moteur asynchrone dépend de la fréquence du réseau (f), du nombre de paires de pôles du moteur (P) et du glissement (s) :

n [tr/min] = (f [Hz] x 60 x (1 – s [%])) / P Le glissement s = (ns – n) / ns, où ns est la vitesse synchrone et n la vitesse asynchrone. Il est proportionnel à la charge et proportionnel au carré de la tension d’alimentation.

P = C w

P (puissance), C (couple) et w (vitesse de rotation du moteur) sont ici exprimées dans les unités « officielles », à savoir le Watt, le Newton mètre et le radian par seconde.

Variation électronique de vitesse versus Fixe

La VEV (variation électronique de vitesse) agit donc sur la fréquence, qui agit sur la vitesse et par conséquent sur la puissance du moteur. Elle ajuste en permanence la vitesse de rotation et le couple des moteurs au débit souhaité, et permet de consommer moins d’électricité. Des gains importants sont également réalisés au démarrage des moteurs et des gains annexes sont à prendre en compte sur l’allongement de la durée de vie des équipements, la réduction du bruit, la maintenance réduite et la meilleure souplesse dans les process.La réduction de l’énergie électrique consommée est d’autant plus importante que les variations de débit sont élevées (ce qui correspond à un débit moyen faible).
Le graphique montre que c’est sur des charges partielles que le moteur avec variateur permet d’économiser le maximum d’électricité. La VEV est donc adaptée lorsqu’il est nécessaire de changer de régime de fonctionnement de façon récurrente (cas des ventilateurs, pompes centrifuges, compresseurs, air comprimé) ou lorsqu’il faut délivrer un effort variable (levage, déroulage, mélange).

Dorénavant, vous retrouverez dans chaque numéro d’Electricien+ une information sur les économies à réaliser dans l’industrie pour l’éclairage, l’air comprimé, le pompage, le chauffage, le froid, la climatisation et la vapeur.

7 bonnes raisons d’installer des variateurs électroniques
• Réduction de l’énergie électrique consommée d’autant plus importante que les variations de débit sont élevées
• Souplesse et précision de fonctionnement (démarrage, arrêt et changement de régime en douceur, précision et stabilité de régulation)
• Présence de boucles d’automatisme et de ports de communication sur le variateur (automatisation plus aisée du procédé de pompage)
• Réduction des contraintes mécaniques sur les matériels liés aux moteurs
• Suppression de l’appel de courant au démarrage des moteurs par le variateur qui pilote en douceur les mises sous tension des moteurs
• Réduction de la consommation d’énergie réactive
• Réduction des émissions de CO2

Le variateur n’est pas le seul élément dans la boucle. Un moteur haut rendement contribue à réaliser des économies. En coût global sur 10 ans, la consommation électrique représente 95 % du coût, alors que l’achat ne compte que pour 2 % !

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