Études de cas

a. Étude de cas : remplacement d'un entraînement à courants de Foucault par un EFV

Profil de la compagnie

La compagnie est une usine de 100 000 pieds carrés qui, chaque mois, produit environ 1 million de pieds linéaires de tubes en acier inoxydable. Ses clients font affaire avec le secteur de l'automobile et les industries de l'alimentation, pharmaceutiques et pétrochimiques.

Vue d'ensemble du projet

Le processus de production consiste à commander l'étirage de tubes d'acier inoxydable à travers des filières pour en réduire le diamètre et/ou l'épaisseur des parois. Ce processus d'étirage s'effectue sur un banc à étirer.

Chaque tube est généralement soumis à plusieurs passes d'ébauche qui lui donnent rapidement une forme voisine de ses dimensions finales. Le tube subit ensuite quelques passes finales de "finition" qui l'amènent à la dimension exacte recherchée. Le banc à étirer qui traite les passes d'ébauche fonctionne 24 heures par jour durant 5 jours par semaine, et effectue environ 1200 passes d'étirage par jour.

Le banc à étirer était entraîné par un moteur de 150 HP tournant à 1 800 tr/min. Ce moteur était couplé à un réducteur de vitesses par l'intermédiaire d'un embrayage à courants de Foucault dont l'inefficacité est connue, bien que la technologie soit très fiable.

Approche

À partir des données recueillies par le service d'ingénierie de l'usine, l'équipe de mise en œuvre a procédé à l'analyse du système actuel. Cette analyse incluait l'observation du fonctionnement d'autres équipements comparables et le relevé des paramètres de fonctionnement similaires qui pourraient être appliqués au banc d'étirage.

En raison du grand nombre de diamètres de tubes, épaisseurs de parois, matériaux employés et commandes reçues chaque semaine, il n'existe pas de produit représentatif en particulier. Afin de recueillir des données représentatives de l'exploitation réelle, l'équipe du projet a choisi des commandes au hasard, puis a réalisé une analyse détaillée des étapes intermédiaires que subissait le tube. L'équipe a alors comparé la puissance nécessaire mesurée par le service d'ingénierie de l'usine dans l'étude du cas de référence aux besoins en puissance mesurés pour le système.

Mise en œuvre du projet

Un entraînement EFV avec options de commande vectorielle a été choisi, car il peut surveiller en continu le courant, la tension et la position angulaire des moteurs c.a. à induction. Avant la mise au point des dispositifs de commande vectorielle, seuls les moteurs c.c. moins fiables et exigeant plus d'entretien que leurs équivalents c.a. pouvaient être employés dans les applications demandant un contrôle précis du couple et de la vitesse. Les options de commande vectorielle sont désormais un caractéristique standard des EFV.

Afin de réaliser les objectifs du projet, l'équipe de mise en œuvre a remplacé le démarreur magnétique et l'embrayage à courants de Foucault par un entraînement EFV à commande vectorielle et une inductance de ligne. Cette inductance avait pour but de satisfaire une exigence du système : éviter les problèmes d'harmoniques sur le réseau de distribution. L'ingénieur d'usine désirait en outre augmenter le couple délivré au banc d'étirage, améliorer le rendement général de l'entraînement, et réduire la consommation d'énergie; le moteur de 150 HP, 1800 tr/min, à rendement normal a alors été remplacé par un moteur de 200 HP, 1200 tr/min à haut rendement. Le moteur à plus faible vitesse a été choisi, car il fournit un couple plus important que le moteur à vitesse plus élevée.

Résultats

À la suite des changements mis en place par l'équipe du projet, le banc d'étirage demande maintenant moins d'énergie pour étirer un tube, et ce même si la puissance du moteur a été portée de 150 HP à 200 HP. Pour un étirage type, le système à embrayage à courants de Foucault nécessitait 190 HP pour étirer le tube, alors que l'entraînement EFV à meilleur rendement exige moins de 90 HP. Le temps total de fonctionnement annuel prévu a également été réduit de 623 heures grâce aux modifications, du fait que la puissance plus élevée disponible permet de réduire la plupart des tubes à la dimension voulue, avec un nombre moins élevé de passes d'étirage.

Les modifications ont aidé à réduire la consommation annuelle totale du banc d'étirage qui est passée de 439 065 kWh à 290 218 kWh, ce qui a entraîné une diminution de la facture d'électricité annuelle totale de 34 pour cent par rapport au coût du cas de référence de 20 812 $.

Les changements permettront également une économie évaluée à 2 762 heures de travail par an. D'après les estimations du personnel, une passe d'étirage a été éliminée sur la moitié des commandes exécutées. Une économie de temps est non seulement réalisée par le nombre réduit de passes d'étirage nécessaires pour "l'ébauche" d'un tube, mais également sur les autres opérations qu'exige le processus d'étirage, comme le dégraissage, la coupe, le rétreint et le recuit. En supposant un salaire horaire de 8,50 $ l'heure, le montant des réductions de main-d'œuvre s'élève à 23 473 $ par an. La réduction du nombre de passes d'étirage nécessaires a en outre amené des économies d'acier inoxydable estimées à 41 322 $, car un nombre de passes plus faible entraîne moins de coupe des extrémités rétreintes (gaspillées) après chaque passe. En ajoutant les autres économies directes de 5 415 $, les économies annuelles totales s'élèvent à 77 266 $. Si on les compare aux 34 000 $ de coût du projet, la période de récupération simple est d'environ 6 mois.

Économies d'énergie et de coûts
Coûts de mise en œuvre du projet 34,000 $
Économies annuelles de coûts d'énergie 7,056 $
Économies annuelles de coûts autres que    
l'énergie (main-d'œuvre et déchets)
70,210 $
Récupération simple (années) 1/2
Économies sur la demande (kW) 189
Économies annuelles d'énergie (kWh) 148,847

b. Étude de cas : remplacement des commandes de registres par des EFV dans un système CVCA

Profil de la compagnie

Dans une petite usine de transformation de textiles traitant des fibres écrues, on voulait améliorer le rendement du système CVCA de l'usine. La compagnie s'est attachée les services d'un spécialiste en EFV afin de moderniser 15 des moteurs de ventilateurs du système par des entraînements à fréquence variable (EFV). L'usine fonctionnant 24 heures par jour et 7 jours par semaine, le système CVCA pourrait devenir plus économique et procurer aux travailleurs un meilleur conditionnement des locaux et une meilleure qualité de l'air.

Vue d'ensemble du projet

Le système de ventilation compte neuf ventilateurs de soufflage et neuf ventilateurs d'extraction qui permettent de contrôler et de maintenir des conditions d'ambiance adéquates, de refroidir les machines de transformation et d'assurer aux travailleurs une qualité d'air adéquate. Dans un premier temps, quatre laveurs d'air assurent le dépoussiérage, le refroidissement et le réglage du degré d'humidité d'un mélange d'air de reprise et d'air frais. Cet air est alors délivré dans l'installation par les neuf ventilateurs de soufflage et distribué à travers l'usine par des gaines et des diffuseurs montés au plafond. Neuf ventilateurs de retour extraient l'air de la zone de transformation et le refoulent dans un réseau de gaines. Les particules en suspension sont éliminées par filtrage à l'entrée de chacun des ventilateurs d'extraction. Les facteurs qui agissent sur la pression, le volume ou la résistance du système ont un effet direct sur la puissance nécessaire aux ventilateurs. Par conséquent, tous les éléments tels que la densité de l'air, les variations de position des registres, la pression du système et les pertes de charge dans les filtres à air, l'interaction entre les systèmes d'aspiration et de refoulement d'air, ainsi que le fonctionnement en parallèle des ventilateurs, ont une incidence sur la puissance devant être fournie aux ventilateurs; ils doivent donc être surveillés afin d'assurer un fonctionnement efficace du système. Les aubes directrices à incidence variable et les registres de refoulement assuraient jusque là le contrôle du débit d'air dans le système, mais leur rendement était très médiocre. Le réglage de ces dispositifs était très imprécis et leur réinitialisation ne pouvait être faite que manuellement.

Approche

Afin de déterminer de quelle façon il était possible d'améliorer le rendement du système de ventilation, la compagnie et l'expert en EFV ont recueilli les données relatives au système de référence pendant deux semaines en vue de mesurer le rendement du système existant. La puissance des moteurs a été enregistrée électroniquement, les positions des registres ont été relevées manuellement par inspection visuelle de leurs accouplements, et la puissance absorbée a été mesurée sur chaque ventilateur à intervalles de dix minutes. Ces données ont été analysées et l'équipe du projet a alors établi un cycle de charge visant à calculer la demande en énergie, les heures de fonctionnement (périodes d'heures de pointe et d'heures creuses) et la consommation d'énergie annuelle pendant cette période, tant pour les ventilateurs d'extraction que pour les ventilateurs de soufflage. Ces données ont été ultérieurement comparées aux données du nouveau système, recueillies après son installation.

Mise en œuvre du projet

Après avoir déterminé que les ventilateurs du système étaient nettement surdimensionnés, l'équipe du projet a entrepris la modernisation avec des EFV de 15 des 18 ventilateurs. Les trois autres ventilateurs fonctionnent en continu à leur plein débit et des EFV ne leur sont pas nécessaires. Un système de mesure de la puissance et de l'énergie a été installé sur chaque EFV pour recueillir les données de charge du nouvel ensemble. Le système de mesure enregistrait la vitesse et la puissance consommée de chaque ventilateur à des intervalles de 15 minutes avec production de rapports d'analyse des économies. Après installation des EFV, la commande des volets n'était plus nécessaire, ce qui fait que les volets de commande des ventilateurs ont été laissés en mode totalement ouvert.

Résultats

La demande totale d'électricité du système de ventilation qui était d'environ 322 kW a été réduite à 133 kW grâce à l'installation des EFV, soit une réduction de l'ordre de 59 pour cent. La consommation d'énergie annuelle totale des ventilateurs a elle aussi diminué de 59 pour cent, passant de 2 700 000 kWh environ à 1 100 000 kWh. Les gains en efficacité énergétique ont été rendus possibles du fait que les EFV ont permis au personnel de l'usine d'ouvrit totalement les registres de commande des ventilateurs dont la vitesse a été diminuée. La conséquence a été une baisse importante de la consommation d'énergie, ce qui a permis au système de fonctionner de façon plus efficace. Ces économies d'énergie se sont traduites par des économies annuelles des coûts d'énergie de l'ordre de 101 000 $. Le projet a coûté 130 000 $ et comprenait :

  • Le coût de l'étude de faisabilité
  • Les coûts en capital
  • Les coûts d'installation
  • L'ingénierie
  • Les activités de mesures et vérifications (M&V)

La période de récupération simple du coût du projet était d'environ 1,3 années.

Économies d'énergie et de coûts
Coûts de mise en œuvre du projet 130 000 $
Économies annuelles de coûts d'énergie      101 000 $
Récupération simple (années) 1,3
Économies sur la demande (kW) 189
Économies annuelles d'énergie (kWh) 1 579 400

c. Étude de cas : remplacement des commandes de pompes à vide par un EFV dans une exploitation laitière

Profil de la compagnie

Dans une ferme laitière, on utilisait un système à dépression pour l'exploitation des équipements de traite automatique qui assuraient la traite des vaches et l'acheminement du lait vers un réservoir de stockage. Avant la mise en œuvre du projet, le système de traite à dépression comprenait une pompe à vide entraînée par un moteur de 30 HP, les niveaux de vide étant commandés par admission d'air atmosphérique - ce qui est une pratique standard dans cette industrie.

Vue d'ensemble du projet

Dans les fermes laitières, les systèmes modernes de traite du lait utilisent le vide pour la traite automatique des animaux. Dans les systèmes classiques de traite à l'aide du vide, plusieurs unités de traite avec gobelets trayeurs sont attachées aux animaux et le vide est créé dans les lignes de lait par une pompe à vide qui extrait le lait des gobelets et l'envoie à un réservoir de stockage.

La pompe à vide est entraînée par un moteur c.a. à vitesse constante. Pour maintenir le vide stable nécessaire à la traite des vaches, l'air doit être extrait du système à la même cadence qu'il s'infiltre dans le système. Normalement, l'air entre dans le système par les pulsateurs, ce qui entraîne des fuites et fait que les gobelets se détachent des animaux. Le commande classique du vide est réalisée en faisant tourner à vitesse constante une pompe à vide dimensionnée pour un débit d'air maximal, et permettant à l'air de pénétrer dans le système par l'intermédiaire d'un dispositif de régulation de pression.

Avec une assistance technique de la part de son entreprise d'électricité, le fermier a étudié son système de pompage à vide afin de déterminer si celui-ci fonctionnait avec un rendement satisfaisant. L'étude d'évaluation a conclu que le moteur du système était surdimensionné par rapport au vide à obtenir et que la ferme pouvait réduire ses coûts d'énergie avec un système de pompage plus petit et plus efficace.

Mise en œuvre du projet

Appliquant les recommandations qui avaient été formulées, le fermier a décidé d'installer un système comportant un moteur de puissance plus faible et entraîné par un EFV. Le moteur existant a été remplacé par un nouveau moteur éconergétique de 20 HP. Par ailleurs, le fermier a installé sur ce nouveau moteur un EFV permettant de réguler la vitesse du système de pompage en fonction de la charge. On aurait pu installer un plus grand EFV sur le moteur existant de 30 HP, mais le coût en capital aurait été augmenté et l'on aurait manqué l'occasion d'installer un moteur à meilleur rendement.

Résultats du projet

La mise en œuvre du nouveau système de pompe à vide s'est traduite par des économies d'énergie et aussi par une meilleure productivité de la ferme. Alors que l'ancien système demandait une puissance de 16 kW, le nouveau n'a jamais utilisé plus de 4,5 kW, même lors des périodes de pointe. La ferme a pu réduire la puissance nécessaire au système de vide de 30 % de la capacité totale, sans diminution de la dépression ou de la capacité du système. Qui plus est, l'entraînement EFV a été en mesure de faire varier la vitesse de la pompe de façon à ce qu'elle corresponde avec davantage de précision aux besoins de vide du procédé.

La mise en œuvre du projet a permis à la ferme de réaliser une économie annuelle d'énergie de 5 520 $ ou 55 000 kWh, correspondant à plus de 70 % de l'énergie électrique consommée par ce système. Avec un coût total de 8 200 $, la période de récupération simple était seulement de 1,5 année. En plus de réduire les coûts d'entretien, le projet va entraîner une plus longue durée de vie utile des équipements.

Économies d'énergie et de coûts
Coûts de mise en œuvre du projet 8 200 $
Économies annuelles de coûts d'énergie      5 520 $
Récupération simple (années) 1,5
Économies sur la demande (kW) 11,5
Économies annuelles d'énergie (kWh) 55 000

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