La recherche de performance énergétique dans les process consommateurs est un axe important de la maitrise du budget de fonctionnement et de maintenance. Lors d’un audit énergétique ou une analyse de la qualité de votre réseau électrique, nous faisons un état lieux de vos consommations, de leur pilotage et des caractéristiques du matériel utilisé. Il peut être recommandé par la suite d’installer un variateur de vitesse ou de démarreur permettant de diminuer les appels de puissance sur le moteur votre pompe d’irrigation ou de votre digesteur.
Qu’est-ce qu’un variateur de vitesse ?
Un variateur de vitesse est un appareil de commande électrique alimenté sur le réseau et qui pilote l’alimentation d’un moteur électrique. Comme son nom l’indique, il va lui permettre de faire varier sa vitesse de rotation selon des consignes.
Dans cet article nous évoquerons uniquement le pilotage des moteurs électriques de puissance.
Quand est-il utile ?
Le variateur de vitesse permet de gérer la vitesse de rotation d’un moteur, mais pas seulement ! Le variateur de vitesse est conçu pour permettre de contrôler l’accélération et la décélération, selon des paramétrages définis, ce qui permet de réduire les efforts mécaniques lors de ces phases.
En physique, le couple mécanique du moteur est directement proportionnel à l’intensité électrique. En réduisant le couple demandé, on réduit donc les appels de courant mais également les pertes joules sous forme de chaleur.
Des capteurs permettent de fixer des seuils de sécurité pour éviter des efforts trop importants, des bourrages ou des surconsommations évitant ainsi le déclenchement de disjoncteurs de sécurité.
Dans le cas de régulation sur valeur de consigne avec un moteur en pilotage tout ou rien un variateur permet un allongement de la durée de vie des moteurs et des câbles en plus d’une baisse des consommations générales.
Permettre d’adapter un débit ou une vitesse à un niveau de consigne désiré pour ne pas dépendre des caractéristiques physiques des milieux entrainés.
Beaucoup d’avantages, alors pourquoi ne pas en mettre systématiquement ?
Les variateurs de vitesse permettent d’augmenter la durée de vie du matériel et de faire des économies d’énergie lorsqu’il y en a besoin, mais ils comportent néanmoins quelques inconvénients.
Les désavantages sont :
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- Des investissements plus important (variateur, automate analogique, câblage, supervision…)
- Une génération de pollution harmonique
- Une consommation énergétique plus élevée (~+1%) comparé à un fonctionnement à puissance nominale du moteur sans équipement
- Un risque de fonctionnement sur une plage de rendement dégradé des moteurs (problématiques de pollution harmonique et énergie réactive exacerbée, forte chute du rendement moteur, vibrations). Le dimensionnement moteur est essentiel.
- L’augmentation des coûts de maintenance (le matériel supplémentaire est une source de panne supplémentaire).
Les bénéfices
- L’adaptation de vitesse permet de changer de consigne lorsque l’utilisation est modifiée à ce qui permet un confort de pilotage et évite de changer de moteur pour des utilisations variées
- Une consigne adaptée au dimensionnement du moteur et du variateur permet de faire fonctionner le système à son rendement maximal à une source d’économie d’énergie
- L’obtention d’une prime CEE est possible en valorisant les économies d’énergies associées à un gain financier supplémentaire
- Les démarrages sont moins traumatisants pour le matériel et pour le réseau électrique à permettant l’augmentation de la durée de vie
- Associé à un moteur performant (classe énergétique IE3 ou IE4) la variation de vitesse permet d’atteindre les paramètres désirés en modulant automatiquement la consommation en fonction des contraintes extérieures, une source supplémentaire d’économie d’énergie
Si une vitesse de rotation fixe doit être définie à un moteur, celle-ci dépend des caractéristiques du milieu qui appliquent un couple inverse qu’il faut vaincre ce qui modifie le point de fonctionnement et donc le dimensionnement optimal du moteur (viscosité, température, couple de freinage, etc…). à le dimensionnement du moteur et du variateur devra être choisi judicieusement et en accord avec le travail à fournir dans le milieu.
Les variateurs offrent ainsi une flexibilité de fonctionnement pour les milieux à conditions très variables ou lorsque que des points de fonctionnements de sortie particuliers sont à définir (débit, vitesse, etc.).
Les paramétrages des variateurs et leurs conséquences
Le régulateur PID (proportionnel, intégral, dérivé) est un système de correction de valeur cible dont les caractéristiques (vitesse, précision et stabilité) sont programmables par 3 coefficients. Ils sont définis par un automaticien qui calcule chaque paramétrage selon le type d’utilisation et de force à fournir. De nombreux variateurs sont maintenant équipés de la fonction ‘’Autotunning’’ qui permet de caractériser ces coefficients en testant la réaction du moteur en fonctionnement réel.
Si le paramétrage n’est pas correctement réalisé, on peut observer des démarrages trop rapides, induisant des pics de courant très élevés (donc des pertes et usures).
Une décélération trop brusque, en présence d’inertie élevée, va forcer sur le moteur qui va se transformer en génératrice de courant et donc injecter de la puissance dans le variateur qui doit être en mesure de la dissiper. Certaines casses d’hélices ou d’arbre peuvent être attribuée à ce phénomène qui se conjugue à une usure du variateur.
Dans les applications automatisées gérées via une interface centralisée, le pilotage des moteurs est contrôlé à distance via un protocole de communication (généralement Modbus RTU) ce qui permet de lire les données en temps réel et de piloter le fonctionnement variable à distance.
Les démarreurs
Un moteur branché en direct sur un contacteur va appeler un courant d’appel en moyenne 6 fois supérieur à son courant nominal lors de son démarrage, ce qui aura pour conséquence une augmentation de la puissance et donc la nécessité de puissance souscrite plus élevée. Les efforts mécaniques, électriques et thermiques répétés, participent au raccourcissement de la durée de vie du matériel.
Le démarreur va limiter très fortement ce pic de courant au démarrage et coûte beaucoup moins cher qu’un variateur de vitesse.
Un démarrage progressif permet de consommer à courant plus faible et évite des pertes joules (dissipation de chaleur dans les câbles et les enroulements moteur). Pour les agitateurs de méthanisation, mettre en mouvement la masse pâteuse requiert un certain temps qui dépend de la viscosité de la ration.
L’installation d’un variateur sur une pompe de transfert de matière ou l’incorporateur permet d’adapter le débit en fonction de la viscosité de la matière et la qualité de sa préparation. Cela peut aider à contrôler les pressions d’admission trop basse causant des mises en sécurité ou bien des temps d’incorporation adaptés pour homogénéiser les intrants dans le digesteur. Il est donc généralement suffisant de fonctionner sur démarreur.
Le pilotage de démarrage de moteurs de forte puissance en cascade (temporisation de quelques secondes) répond partiellement à la problématique de pic de puissance appelé au compteur électrique. Une stratégie d’étalement des puissances et des consommations journalières peut entraîner des conséquences économiques importantes sans impact majeur sur la production.
A noter que les installations fonctionnant sans équipement d’aide au démarrage, rencontrent plus de problématiques d’exploitations (pompes centrales et agitateurs pour les méthaniseurs)
En conclusion
Si aucune justification de variation de vitesse n’est requise dans le process, un démarreur est amplement plus économique et adapté que le variateur.
Les variateurs de vitesse sont justifiés pour certaines pompes, compresseurs ainsi que certains systèmes nécessitant le contrôle et la variation de paramètres.
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