Les variateurs de vitesse, pour des équipements de production à leur meilleur rendement et plus sûrs

Variateurs de vitesse installés à l'usine de traitement des eaux usées de Seine Aval, 2e usine au monde par sa capacité. (c) Schneider Electric

L’énergie utilisée dans l’industrie, les infrastructures et les bâtiments (hors résidentiel), représente plus de 50 % de notre consommation d’énergie, et plus des 2/3 de cette énergie sont consommés par des moteurs. Soit bien plus que l’éclairage, les équipements électroniques ou le chauffage. Il est donc crucial d’optimiser l’exploitation de tous ces moteurs. Les variateurs électroniques de vitesse (VEV) vont permettre cette optimisation, en assurant également des fonctions d’aide au management de l’énergie, à la maintenance et à la sécurité de fonctionnement tout en augmentant la disponibilité.

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Les machines et équipements actionnés par des moteurs électriques dont la puissance va de quelques centaines de watts à plusieurs dizaines de MW consomment plus des 2/3 de l’énergie électrique totale utilisée dans l’industrie, auxquels vient s’ajouter l’utilisation de moteurs dans les bâtiments industriels et tertiaires (ascenseurs, climatisation, ventilation). Ces moteurs doivent très souvent travailler dans des conditions de charge variable, alors qu’un simple moteur fonctionne à vitesse constante. Les variateurs électroniques de vitesse vont adapter le régime et le couple des moteurs en fonction des besoins précis du process.

Des solutions utilisées dans la plupart des secteurs industriels
À l’origine, les variateurs de vitesse ont été développés pour améliorer le contrôle des procédés industriels et passer de moteurs utilisés en direct avec une régulation de processus effectuée mécaniquement à une automatisation du contrôle/commande par les premières versions de variateurs, pour arriver aujourd’hui à des appareils intelligents et connectés, capables d’assurer la gestion de l’énergie, la maintenance préventive avec une amélioration de la performance des équipements et process.

Les installations de traitement des eaux usées sont de gros utilisateurs de variateurs de vitesse de fortes puissances pour les pompes. (c) Schneider Electric

« Toutes les activités industrielles et tertiaires sont concernées, selon Edouard van den Corput, responsable de l’Offre Variateurs de vitesse de Schneider Electric : les bâtiments, avec les ascenseurs et la climatisation/ventilation ; l’industrie, de la machine à la ligne de production ; les process et utilités pour les métiers de l’eau ; les mines et cimenteries ; les activités portuaires et la manutention ; les applications oil and gas ; l’agroalimentaire. Les fonctionnalités de nos variateurs vont s’adapter aux exigences de chaque segment de marché, depuis des produits robustes et faciles à intégrer dans différentes configurations de machines et d’armoires jusqu’à des variateurs conçus pour des exigences particulières (eau et eaux usées, production d’hydrocarbures…) ». Et, ajoute Stéphane Lafond, responsable Produits Gammes Variateurs d’ABB-France, « l’utilisation pour des compresseurs de réfrigération se développe fortement en petites puissances pour les bâtiments, le froid logistique en lien avec les nouvelles réglementations sur les gaz de réfrigération et le remplacement de machines anciennes à vitesse fixe avec des électrovannes par des solutions à vitesse variable ».

Variateurs de vitesse de puissance Altivar Process de l’usine de traitement des eaux SIAAP. (c) Schneider Electric

Efficacité énergétique et productivité du process : penser aux CEE
Dans toutes les applications énergivores les variateurs de vitesse vont permettre d’augmenter la productivité des processus, d’améliorer l’efficacité énergétique et de réduire les coûts de maintenance ou d’indisponibilité. Comme le souligne Edouard van den Corput, « pendant la vie d’un moteur (environ 15 ans), la facture énergétique représente 97 %, l’installation et la maintenance 2 % et l’investissement initial seulement 1 % : le point clé est donc le contrôle efficace du moteur. Il faut mesurer la consommation d’énergie de l’usine, contrôler l’équipement de production à son meilleur rendement et implémenter la gestion de production en temps réel et la maintenance prédictive ». L’incitation à l’efficacité énergétique au travers de solutions VEV va passer par les CEE (certificats d’économie d’énergie) de l’opération IND-UT-102 engagée en 2016 et prolongée jusqu’en 2020 pour l’installation d’un VEV sur un moteur asynchrone existant (jusqu’à 3 MW) dépourvu de cette solution. Pour Stéphane Lafond, « les CEE reboostent toute la chaîne d’efficacité énergétique pour l’industrie et le bâtiment et refinancent les modernisations des installations de pompage, ventilation et compression. Les primes sont à nouveau très intéressantes et des dossiers mis en attente redémarrent, avec des retours sur investissement très courts. Plus qu’un variateur, nous pouvons offrir un package moteur synchrone réluctance IE4 et variateur qui bénéficie d’une surprime au travers l’opération IND-UT-114 ou BAT-EQ-123. C’est le bon moment d’investir pour moderniser les bases installées à l’aide des dernières technologies haute efficacité ».

La réduction des harmoniques améliore cette efficacité énergétique
Si aucune disposition n’est prise, le redresseur à l’entrée du variateur va réinjecter des courants harmoniques élevés sur le réseau ; harmoniques qui augmentent le courant d’entrée, entraînent un surdimensionnement des transformateurs, câbles, disjoncteurs. Selon Edouard van den Corput, « les harmoniques peuvent être importants pour des applications telles que les pompes, mais des solutions existent comme une self intégrée qui peut être complétée par des filtres passifs ou des filtres actifs (notre AccuSine PCS) qui traitent les courants harmoniques jusqu’au rang 50 ».

Les variateurs de vitesse de toutes puissances sont utilisés dans les process de fabrication industriels. (c) Leroy Sommer Nidec

ABB pour des applications de distribution/traitement de l’eau a ainsi développé une large gamme de variateurs ULH (Ultra-Low-Harmonic) garantissant un Cos Phi=1 et moins de 5 % de THDI, conforme aux recommandations de l’IEEE519. Ces technologies sont maintenant accessibles à partir de 4 kW et permettent de répondre aux exigences des marchés du datacenter et des hôpitaux, par exemple.

Comme pour tout équipement d’électronique de puissance, les perturbations haute fréquence doivent être également conformes aux normes CEM (compatibilité électromagnétique) en vigueur.

Des équipements connectés pour disposer de la bonne information au bon moment
Les variateurs sont déjà entrés dans l’Industrie connectée 4.0. ABB, avec son offre digitale AbilityTM, dispose d’un portail dans le cloud qui permet de stocker et traiter des informations venant des smart sensors (capteurs intelligents) sur les moteurs et des variateurs afin de développer une offre de services connectés : « c’est un véritable tournant que nous offrons à nos clients et qui permet d’exploiter tout le potentiel de leurs installations en assurant fiabilité, disponibilité et productivité. Nos algorithmes permettent par exemple d’estimer le vieillissement des IGBT sur les variateurs et donc, de fournir des indicateurs pour une vraie maintenance conditionnelle », précise Stéphane Lafond.

Variateur de vitesse Sinamics Connect 300 avec panneau de raccordement intelligent et raccordement LAN. (c) Siemens

La maintenance préventive et le dépannage peuvent aussi se faire à partir des informations disponibles sur l’écran du variateur. Sur ses gammes Altivar, Schneider Electric affiche un QR code qui donne des informations sur les paramètres ou l’état du variateur et tous les documents importants de la machine. « Ce QR code donne un accès direct au support de Schneider Electric, avec des informations contextuelles en lien avec l’état du variateur. Cela permet par exemple de faire un envoi d’e-mail pour une maintenance de pièces d’usure (ventilateur, par exemple) », explique Edouard van den Corput.

Siemens, pour sa gamme Sinamics G120 (jusqu’à 250 kW), propose un pupitre opérateur intelligent IOP-2, avec un assistant destiné à simplifier la configuration de l’interface bus de terrain basée sur Ethernet. Ce pupitre peut être monté sur le variateur ou sur la porte de l’armoire. La nouvelle gamme Sinamics Connect 300 peut se connecter aux systèmes IT : c’est une passerelle IoT dotée de sa propre connexion LAN permettant d’accéder directement à des applications de la plateforme MindSphere comme Analyze MyDrives, qui permet aux opérateurs de machine de surveiller les composants d’entraînement de leurs machines.

Variateur de vitesse universel Sinamics G120 (0,37 à 250 kW) s’adaptant à des applications industrielles diverses. (c) Siemens

Une sécurité fonctionnelle embarquée
L’électronique permet d’intégrer directement les fonctionnalités de sécurité dans la logique de sécurité d’un variateur afin que la sécurité fonctionnelle soit une fonctionnalité standard du variateur. En cas de détection d’une situation dangereuse dans une application telle qu’un convoyeur, une grue ou un laminoir, le système peut lancer un arrêt du process de manière contrôlée et ordonnée, contrôler la vitesse ou prévenir un démarrage intempestif. Cela permet de respecter les prescriptions de la directive « Machines » et toutes les normes de sécurité (ISO-IEC-CEN).

Jean-Paul Beaudet

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