Introduction

a. Domaine d’application de l’entraînement à fréquence variable

Le présent guide a été élaboré pour offrir une vue d’ensemble de la technologie des entraînements à fréquence variable (EFV) dans le but de faciliter la compréhension, le choix, l’application et l’exploitation des EFV. Dans ce guide, le terme “entraînement” désigne l’EFV électronique.

Ce guide ne traite PAS des autres entraînements à vitesse variable ou variateurs de vitesse (VV) qui sont commandés par des dispositifs mécaniques ou hydrauliques.

Ce guide est principalement consacré aux EFV à basse tension, disponibles dans le commerce et employés avec des moteurs c.a. polyphasés à induction dans la gamme comprise entre les puissances fractionnaires et 500 hp et qui sont :

  • D’une tension inférieure ou égale à 600 V
  • Du type IGBT PWM (à modulation d’impulsions en durée employant des transistors bipolaires à grille isolée)
  • Disponibles dans le commerce

Les produits hors série applicables à des moteurs spéciaux ou de grande puissance ne figurent pas dans ce guide.

Afin de bien choisir l’EFV qui convient à votre application, il serait avantageux de comprendre la technologie, de connaître les besoins spécifiques de votre charge et de vous posez, au départ, la bonne question. Ce pourrait être :

“Le profil de ma charge varie-t-il de façon suffisante pour justifier un EFV ?”

Note : il est fortement recommandé que les personnes ou les compagnies qui souhaitent installer des EFV s’assurent les services d’un spécialiste expert en EFV afin de comprendre et d’optimiser les avantages pouvant en découler.

Les gestionnaires de projets d’EFV qui ne sont pas habitués à cette technologie sous-estiment souvent l’importance de disposer des données adéquates, de l’analyse et de l’ingénierie initiale, qui sont indispensables pour avoir une compréhension approfondie du système.

b. Aperçu des entraînements à fréquence variable

Un entraînement à fréquence variable (EFV) est un appareil qui fait varier la tension et la fréquence d’alimentation d’un moteur, permettant ainsi de réguler la vitesse de ce moteur et du système qu’il entraîne. En répondant aux exigences du procédé, on améliore le rendement énergétique du système.

Un EFV est en mesure de régler à la fois la vitesse et le couple d’un moteur à induction.

Un EFV assure donc une gamme de régulation continue de la vitesse d’un procédé (par comparaison à la commande de vitesses discrètes que procurent les boîtes de vitesses ou les moteurs à plusieurs vitesses).

On désigne parfois les EFV par divers autres noms tels que : variateurs de vitesse, entraînements à vitesse réglable, ou onduleurs.

Commande de vitesse d’un moteur

Les moteurs à induction c.a. (à courant alternatif) sont par essence des machines à vitesse constante, leur variation de vitesse entre marche à vide et marche à pleine charge étant de l’ordre de 2 à 5 %, correspondant au “glissement” du moteur.

La vitesse de la machine est déterminée par la fréquence de la tension d’alimentation et par le nombre de pôles magnétiques du stator.

Dans leur majorité, les applications font appel à des moteurs à vitesse fixe. Dans ces applications ou systèmes, on utilise des organes de commande tels que registres et vannes pour réguler le débit et la pression. Ces dispositifs se traduisent en général par un fonctionnement peu efficace et des pertes d’énergie, du fait de leur action d’étranglement.

Par contre, il est souvent souhaitable d’avoir un moteur qui fonctionne à deux vitesses déterminées (ou plus), ou à une vitesse variant de façon continue. On peut souvent remplacer les organes de commande conventionnels en intégrant un fonctionnement à vitesse variable assuré par un EFV.

Dans la plupart de ces applications, des économies d’énergie considérables sont réalisables en faisant varier la vitesse des moteurs et des charges entraînées à l’aide d’un EFV disponible sur le marché. Les économies englobent les coûts d’investisse¬ment et les coûts d’entretien associés à ces organes de commande.

Le tableau ci-après présente des exemples de charges types et de leurs possibilités d’économie d’énergie.

Type de charge Applications Aspects énergétiques

Charge à couple variable
- la puissance en hp varie comme le cube de la vitesse.
- le couple varie comme le carré de la vitesse.

- Ventilateurs centrifuges
- Pompes centrifuges
- Soufflantes
- Systèmes CVCA

Une vitesse de fonctionnement plus faible entraîne des économies d‘énergie considérables vu que la puissance absor­bée par le moteur diminue proportion­nellement au cube de la vitesse.

Charge à couple constant
- le couple reste le même quelle que soit la vitesse
- la puissance en HP varie de façon direc­tement proportion­nelle à la vitesse.

- Mélangeurs
- Convoyeurs
- Compresseurs
- Presses à imprimer

Une vitesse de fonctionnement plus faible économise l’énergie de façon directement propor­tionnelle à la  réduction de la vitesse.

Charge à puissance constante
- Fournit la même puissance à toutes les vitesses.
- Le couple varie de façon inversement proportionnelle à la vitesse.

- Machines-outils
- Tours
- Fraiseuses
- Presses à poinçonner

Aucune économie d’énergie aux vitesses réduites; des économies d’énergie sont toutefois réali­sables si l’on parvient aux vitesses optimales de coupe et d’usinage pour la pièce produite.

c. Aspects économiques

Les aspects économiques constituent généralement l’un des facteurs les plus importants à prendre en compte pour le choix des équipements industriels, mais la méthode d’évaluation n’est pas si simple. De nombreuses questions d’ordre écono¬mique sont souvent ignorées dans les évaluations d’EFV

Économies d’énergie possibles découlant du remplacement d’un registre par un mécanisme d’entraînement à fréquence variable (EFV)

Débit d’air (pour­centage du maxi­mum)

Durée de fonction­nement quotidien (heures)

Énergie consom­mée
par un registre (kWh/an)

Énergie consom­mée par un EFV (kWh/an)

Différence de consom­mation d’énergie (kWh/an)

50 %
60 %
70 %
80 %
90 %
100 %

Total

2
3
6
6
4
3

24

18 500
29 300
61 700
63 300
44 200
34 200

251 200

4 800
9 800
26 800
35 900
32 600
35 200

145 100

13 700
19 500
34 900
27 400
11 600
-1 000

106 100

Référence : Office de l’efficacité énergétique, Ressources naturelles Canada, “Quelle est l’ampleur des économies?”

Les économies d’énergie électrique ont leur importance, mais plusieurs autres facteurs doivent également être pris en compte dans le cadre d’une évaluation des coûts du cycle de vie d’un équipement. Par exemple, dans les cas où des pompes ou des ventilateurs fonctionnent à des vitesses réduites, on réalise souvent des économies notables d’entretien du fait de l’usure réduite des joints, paliers, arbres, etc. Le prix d’achat compte en principe pour moins de 10 % des coûts du cycle de vie si l’on tient compte des coûts d’exploitation et d’entretien. L’accroissement de productivité découlant de la diminution des temps d’inactivité et la réduction du gaspillage due au contrôle optimisé des processus doivent également être considérés comme des aspects économiques importants des coûts du cycle de vie.

Évaluation de la période de récupération simple

On utilise souvent la méthode de récupération simple si l’on cherche à déterminer le temps nécessaire pour récupérer le montant initial investi dans un équipement grâce aux écono¬mies de coûts qu’elle génère. La période de récupération se calcule comme suit :

Nombre d’années =

Coût en capital initial total

Économies annuelles totales

Cette méthode ne devrait être employée qu’à titre d’indicateur de risque. La récupération simple ne tient pas compte de l’impact de plusieurs variables importantes telles que les incitatifs fiscaux, l’inflation, etc.

Le tableau ci-après présente une “liste de contrôle pour EFV” en matière de coûts et d’économies; il permettra de ne pas oublier certains aspects économiques.

Évaluation de la valeur actualisée nette

Le calcul de la valeur actualisée nette (VAN) constitue une meilleure technique d’appréciation de la rentabilité d’un investissement. S’appuyant sur la technique des flux monétaires actualisés, la VAN tient compte de la valeur de rendement de l’argent. On trouvera ci-dessous un résumé des différentes étapes de cette méthode :

  1. Évaluer les coûts/économies des éléments du tableau ci-dessus pour chacune des options envisagées (par exemple, achat d’un EFV ou plutôt achat d’un système d’entraînement mécanique). Les coûts en capital seront exprimés en dollars totaux; les dépenses d’exploitation seront exprimées en termes de temps.
  2. Déterminer le taux d’actualisation réel qui sera employé pour chaque facteur fonction du temps et chaque facteur à valeur actualisée projetée. Par exemple, pour le calcul des économies d’énergie :
    • x% par an = taux d’actualisation nominal
    • y% par an = taux d’augmentation prévu pour les tarifs d’électricité
    • i% = {x/y – 1}%
    Au titre d’un autre exemple, la valeur résiduelle au cours des années à venir sera actualisée en employant le pourcentage d’augmentation anticipé du taux d’intérêt entre aujourd’hui et ‘n’ années.
  3. Les facteurs de chacune des options devront être actualisés à leurs valeurs actuelles en utilisant les taux d’actualisation appropriés. Le nombre d’années employé pour les facteurs fonctions du temps devra être choisi comme correspondant à une période de récupération raisonnable. Les tables de valeurs actualisées et les tables d’annuités sont très utiles pour le processus d’actualisation.
  4. La valeur actualisée nette (VAN) de chaque option est obtenue en faisant la somme des coûts et des écono¬mies qui ont été calculés en termes de valeur actualisée pour chaque facteur.
  5. Pour toute option, si :
    • VAN > 0, il existe un gain net
    • VAN < 0, il existe une perte nette
    • VAN = 0, l’équilibre est atteint pour la période visée.
  6. L’option qui présente la VAN la plus élevée est la plus rentable.
  7. La procédure peut être répétée pour différentes périodes totales de temps.
  8. On peut également se livrer à une comparaison entre deux options en utilisant la différence relative entre les options pour chacun des facteurs et en trouvant une VAN.

Coûts en capital

Entraînement à fréquence variable

Le coût d’un entraînement à fréquence peut différer considé¬rablement selon les options envisagées.

Le coût devrait comprendre :

  • les commandes de vitesse,
  • les commandes marche/arrêt,
  • l’ingénierie,
  • les câbles et conduits,
  • les fondations,
  • les pièces de rechange et toutes modifications afférentes.

Par exemple, pourrait être prévue une batterie d’alimentation de secours pour les circuits de commande pour les séquences de redémarrage ou d’arrêt automatiques.

Moteur

Pour un nouveau système, on devra tenir compte du coût d’un moteur pour entraînement à vitesse variable; par contre, si on envisage de moderniser un système en lui ajoutant un EFV, le moteur existant devra alors être examiné en termes de dimensions, puissance et rendement. En principe, seuls les moteurs à haut rendement devraient être envisagés.

Pour plus de détails, on se reportera au “Guide de référence sur l’efficacité énergétique des moteurs” de CEATI International.

Équipement de conditionnement d’énergie

On devra inclure le coût de l’équipement de conditionnement d’énergie tel que, par exemple, les filtres d’harmoniques. Cet équipement comprend les filtres pour l’énergie absorbée par le moteur de même que les conditionneurs d’énergie limitant les tensions et courants harmoniques renvoyés au réseau d’électri¬cité par l’entraînement à fréquence variable.

Installation

On devra déterminer les frais d’installation, de main-d’œuvre et de mise en service pour l’entraînement et le moteur, ainsi que pour l’appareillage de conditionnement d’énergie.

Amélioration du réseau électrique

Au cas où serait exigée une fiabilité plus grande que celle offerte par le réseau actuel, il sera peut-être nécessaire d’améliorer le réseau d’alimentation électrique. Les éven¬tuelles améliorations comprennent les ensembles de relais de protection, la redondance de transformateurs d’alimentation, les commutateurs de transfert/artères de secours, la formation du personnel d’intervention d’urgence, et les programmes d’entretien préventif.

Analyse torsionnelle

Une analyse torsionnelle permettra de définir les effets de vibration provoqués dans le train d’entraînement par les harmoniques de l’onduleur. Cette analyse devra être effectuée pour les applications d’entraînements de grande puissance.

Besoins en matière d’espace

Il s’agit là du coût des espaces intérieurs nécessaires pour l’entraînement et les filtres, ainsi que du coût des espaces extérieurs pour les transformateurs, filtres ou bobines d’inductance.

Refroidissement

L’installation d’un entraînement peut nécessiter un système de refroidissement supplémentaire. Bien que des équipements CVCA soient souvent utilisés, le refroidissement par eau peut se révéler comme une solution beaucoup plus économique pour les applications de grande puissance.

Économies de capital

L’usage d’un EFV peut éviter certains investissements de capitaux dans des équipements tels que : boîte de vitesses, vannes de régulation, accouplement hydraulique/dispositifs de changement de vitesses mécanique et démarreurs à tension réduite.

Coûts et économies d’exploitation

Économies en matière d’énergie électrique et de demande

On pourra réaliser des économies à la fois en termes de coûts de l’énergie consommée (kWh) et de la demande de pointe (kW). L’importance de ces économies dépend du profil de la charge spécifique à l’application, du profil de charge globale sur le réseau, de l’échelle des tarifs de l’entreprise d’électricité locale, etc.

En dehors des avantages qui lui sont propres, l’installation d’un EFV va normalement entraîner une diminution de l’énergie totale consommée (kWh). Fabricants et entreprises d’électricité offrent en ligne des feuilles de calcul électro¬niques téléchargeables, en général gratuites, permettant de faire des estimations des économies électriques réalisées.

L’autre facteur du coût de l’énergie électrique est la charge apparente mesurée en kVA et qui dédommage la compagnie d’électricité pour le courant de pointe devant être fourni pendant le mois. Chaque entreprise d’électricité a une échelle tarifaire différente; contactez la vôtre pour vérifier si les tarifs qui vous sont appliqués vous conviennent. La figure ci-après montre la demande quotidienne (kW) et la puissance apparente (kVA). On appelle facteur de puissance le rapport entre kW et kVA. La plupart des entreprises d’électricité appliquent désormais une pénalité pour le facteur de puissance en facturant la puissance apparente (kVA) plutôt que la puissance active (kW).

sample chart showing Demand (kw) and  Apparent Power (kVA)

Figure 1 : Demande (kW) et puissance apparente (kVA)
Avec l’autorisation de UGS Profiler, contrôle en temps réel

Demand
Hour
Peak Demand
Time of peak

Demande
Heure
Demande de pointe
Durée de la pointe

Le facteur le plus important intervenant dans la demande est la puissance appelée par la charge. Ainsi, si la puissance peut être réduite, les entraînements à fréquence variable apportent des économies substantielles.

Il importe également de ne pas oublier le coût réel des kilo¬wattheures (kWh) d’énergie économisés. Dans le cas de contrats à prix fixes ou de tranches à tarif progressif, les kWh économisés sont les derniers qui auraient, sans cela, été achetés et qui auraient généralement été facturés au prix le plus élevé. Toutefois, étant donnée que certaines entreprises d’électricité continuent d’employer des structures de prix inversées et/ou à prix fixe, le coût réel par kWh va dépendre de la structure tarifaire de l’entreprise.

Dans les marchés déréglementés pour lesquels le prix du kWh varie en fonction de l’offre et de la demande, les économies de chaque application vont dépendre du prix de l’énergie électrique pour la période visée. Par exemple, la volatilité du prix de cette énergie en Ontario est illustrée ci-dessous :

sample chart showing Electrical Energy (kWh) and Hourly Ontario Energy Price

Figure 2 : Énergie électrique (kWh) et tarif horaire de l’énergie en Ontario (HOEP) ($/kWh) Avec l’autorisation de UGS Profiler, contrôle en temps réel

Energy
Hour
Av. Hr. Energy
Cum. Energy

Énergie
Heure
Énergie moyenne par heure
Énergie totale

sample chart showing Resulting Electric Energy Cost for 24 hours

Figure 3 : Coût final de l’énergie pendant 24 heures
Avec l’autorisation de UGS Profiler, contrôle en temps réel

Energy Cost
Hour
Av. Hr. Energy Cost
Tot. Est. Energy Cost

Coût de l’énergie
Heure
Coût moyen de l’énergie par heure
Coût total estimé de l’énergie

Il est donc très important d’évaluer correctement le bénéfice réel des économies d’énergie, car l’emploi d’un “coût moyen de l’énergie” risque d’induire en erreur.

Améliorations de l’enchaînement des opérations et du fonctionnement

L’installation d’un EFV va souvent se traduire par des amélio¬rations du procédé ou de l’exploitation et on devra tenir compte de ces gains de rendement dans les économies.

Élimination des autres dispositifs de commande mécaniques

La mise en place d’un EFV peut aider à éliminer certains dispositifs de commande mécaniques comme les vannes de régulation et les registres. Les coûts liés à l’achat et à l’entretien de ces appareils devront également être pris en compte dans l’évaluation des économies entraînées par un EFV.

Avantages des EFV : entretien/durée de vie utile

L’usage d’un entraînement c.a. à fréquence variable peut entraîner une réduction de l’entretien et une diminution des temps d’immobilisation relativement appréciables. Les facteurs contributifs sont l’élimination des clapets de régula¬tion, des fonctions de limitation du courant (qui empêchent le grillage des moteurs provoqué par des redémarrages multiples) et la protection de l’isolation des moteurs (qui sera protégée contre les problèmes de tension externes).

Le fonctionnement à des vitesses réduites prolongera la durée de vie utile des matériels comme les paliers, par exemple. Les contraintes et la fatigue du métal dans les arbres du train d’entraînement en seront également diminuées.

Les améliorations apportées à la technologie des EFV et les pièces de rechange “facilement disponibles” ont aidé à réduire considérablement les durées de réparation et n’ont, en général, provoqué aucun problème d’exploitation.

Possibilités de survitesse

Les possibilités de survitesse des EFV offrent l’avantage de favoriser une diminution considérable des coûts d’exploitation et de l’investissement dans le cas où les niveaux de production peuvent être augmentés. Par exemple, on peut accroître le débit d’air d’un ventilateur déjà existant en ajoutant un EFV (dans le but de moderniser le moteur du ventilateur) qui permettra un fonctionnement à une fréquence supérieure à la fréquence assignée de 60 Hz.

Critères d’utilisation des EFV (conseils et mises en garde)

Un entraînement à fréquence variable constitue le choix le plus rentable lorsque le cycle de fonctionnement est réparti de façon d’autant plus régulière sur la gamme complète des débits. Les économies relatives d’énergie augmentent si les courbes de rendement et de résistance du système sont à pente accentuées.

Nombre d’applications potentiellement satisfaisantes d’EFV sont négligées car d’autres avantages que les économies d’énergie sont délaissés. Il arrive souvent que, pour l’utilisa¬teur, le contrôle et la fiabilité du procédé l’emportent de loin sur les avantages associés au rendement. Si, pour les applica¬tions à fréquence variable, on se sert du coût moyen de l’énergie dans les analyses des économies, celles-ci risquent d’être sous-évaluées. Il est préférable d’employer les coûts d’énergie et les primes de puissance en vigueur dans l’échelle tarifaire de l’entreprise d’électricité locale.

Pour les charges à couple variable, les économies découlant des entraînements à fréquence variable peuvent être beaucoup plus importantes du fait que la puissance en HP varie comme le cube de la vitesse.

Pour les applications de puissance supérieure à 25 HP, les coûts d’installation sont généralement du même ordre que le coût total en capital de l’entraînement. Pour les puissances inférieures à 25 HP, les coûts d’installation peuvent dépasser le coût de l’entraînement.

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