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Guide de référence sur l’efficacité énergétique des ENTRAÎNEMENTS À FRÉQUENCE V

Guide de référence sur l’efficacité énergétique des ENTRAÎNEMENTS À FRÉQUENCE VARIABLE Natural Resources Canada Ressources naturelles Canada CLAUSE DE NON-RESPONSABILITÉ : Ni CEATI International Inc., ni les auteurs ni tout autre organisme ayant participé au financement de ce guide (y compris toute personne agissant en leur nom), ne seront tenus responsables quant aux dommages causés par, ou résultant de l’utilisation des informations, matériels, équipements, produits, méthodes ou procédés, quels qu’ils soient, décrits dans le présent guide. Il est conseillé de faire appel à des professionnels accrédités pour la mise en application des informations contenues dans le présent guide. Ce guide a été préparé par Scott Rouse de Energy @ Work -- - la révision technique et l’expertise sur les entraînements à fréquence variable étant assurées par Dan Dederer de Enertech Solutions Inc. -- - à l’intention du Groupe d’intérêt sur les Solutions énergétiques pour les clients (GISEC) de CEATI International avec le parrainage des entreprises d’électricité suivantes, membres du consortium : Natural Resources Canada Ressources naturelles Canada © 2009 CEATI International. Tous droits réservés. Des remerciements vont à Ontario Hydro, Ontario Power Generation et à tous les autres organismes qui ont fourni les matériels employés dans la préparation de ce guide TABLE DES MATIÈRES Section Page 1 Introduction 5 a. Domaine d’application de l’entraînement à fréquence variable 5 b. Aperçu des entraînements à fréquence variable 6 c. Aspects économiques 8 2 Classification des entraînements 21 a. Entraînements à c.a. 21 b. Autres entraînements c.a. 22 c. Entraînements à c.c. 25 d. Embrayages à courants de Foucault 26 e. Moteurs perfectionnés 26 f. Commande mécanique de la vitesse 27 3 Principes de fonctionnement – EFV à c.a. 29 a. Moteurs c.a. à induction 29 b. Moteurs c.a. à induction à cage d’écureuil 30 c. Entraînements à fréquence variable à modulation d’impulsions en durée 31 4 Choix des EFV 35 a. Aspects électriques de l’application d’EFV à des moteurs c.a. 35 b. Critères des moteurs 42 5 Critères d’application des EFV et estimation des économies 55 a. Caractéristiques de la charge entraînée et puissance nécessaire 55 b. Comparaison avec les méthodes de contrôle conventionnelles 62 c. Surveillance et vérification 75 d. Rendement du système 78 e. Rendement électrique 78 f. Coût par unité de produit 79 g. Fiabilité et entretien 79 6 Études de cas 81 a. Étude de cas : remplacement d’un entraînement à courants de Foucault par un EFV 81 b. Étude de cas : remplacement des commandes de registres par des EFV dans un système CVCA 85 c. Étude de cas : remplacement des commandes de pompes à vide par un EFV dans une exploitation laitière 89 Annexe A : Bibliographie 93 Annexe B : Sites Web utiles 95 Annexe C : Acronymes en usage dans l’industrie et glossaire 99 Annexe D : Formules pratiques 105 Annexe E : Facteurs de conversion 111 1 Introduction 5 1 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 1 Introduction 6 b 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. . 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). 1 Introduction 7 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. 1 Introduction 8 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 proportion- nelle à la vitesse. - Mélangeurs - Convoyeurs - Compresseurs - Presses à imprimer Une vitesse de fonctionnement plus faible économise l’énergie de façon directement propor- tionnelle 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 réali- sables 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 économique sont souvent ignorées dans les évaluations d’EFV 1 Introduction 9 Économies d’énergie possibles découlant du remplacement d’un registre par un mécanisme d’entraînement à fréquence variable (EFV) Débit d’air (pourcentage du maxi- mum) Durée de fonction- nement 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 uploads/Sports/ variable-frequency-drives-fra-pdf.pdf