Les fournisseurs de dispositifs de récupération d'énergie pour convertisseurs de fréquence rappellent que, dans la production industrielle automatisée moderne, l'utilisation des pompes, ventilateurs et autres équipements est de plus en plus répandue. Leur consommation d'énergie électrique, les pertes par étranglement dues aux chicanes, vannes et autres composants, ainsi que les coûts quotidiens de maintenance et de réparation, représentent près de 20 % du coût total. Cela constitue une dépense de production considérable. Avec le développement économique, l'approfondissement des réformes et l'intensification de la concurrence, les économies d'énergie et la réduction de la consommation sont devenues des leviers essentiels pour améliorer la qualité des produits et réduire les coûts de production.
1. Théorie de base de la technologie d'économie d'énergie à fréquence variable
Le principe de base de la technologie de conversion de fréquence est de maintenir la fréquence du courant alternatif utilisé par les équipements électriques à une valeur fixe pendant une longue période. L'application de cette technologie consiste à faire de la fréquence une ressource ajustable et utilisable à volonté. Actuellement, la technologie de variation de fréquence la plus dynamique et en plein essor est la régulation de vitesse par variation de fréquence.
La technologie de conversion de fréquence englobe l'informatique, l'électronique de puissance et la transmission par clics. C'est une technologie complète qui combine équipements mécaniques et réseaux électriques haute et basse tension. Elle consiste à convertir le signal du courant à fréquence industrielle en d'autres fréquences, principalement grâce à des composants semi-conducteurs. Le courant alternatif est ensuite converti en courant continu, et l'onduleur régule le courant et la tension, permettant ainsi une variation continue de la vitesse de l'équipement électromécanique. En résumé, la technologie de conversion de fréquence permet de contrôler la vitesse d'un moteur en modifiant la fréquence du courant, et donc de piloter efficacement l'équipement motorisé. Ces performances sont rendues possibles par l'augmentation constante de la fréquence du courant et de la vitesse des moteurs. La technologie de conversion de fréquence se caractérise par sa capacité à assurer un fonctionnement régulier du moteur, à contrôler automatiquement l'accélération et la décélération, à réduire la consommation d'énergie et à améliorer le rendement.
Au quotidien, les convertisseurs de fréquence sont principalement utilisés selon deux modes de fonctionnement : la commande directe du couple et la commande vectorielle. À l’avenir, leur développement s’appuiera sur les réseaux de neurones artificiels et les méthodes de commande par auto-optimisation floue. Par ailleurs, à mesure que les convertisseurs de fréquence évoluent, leur complexité s’accroîtra. Outre les fonctions de régulation de vitesse classiques, ils intégreront des fonctions de communication, de programmation et d’identification des paramètres.
2. Principe d'économie d'énergie du convertisseur de fréquence
2.1 Méthodes d'économie d'énergie à fréquence variable
Selon la mécanique des fluides, la puissance est égale au produit de la pression par le débit. Le débit et la vitesse sont proportionnels à la puissance un, la pression est proportionnelle au carré de la vitesse et la puissance est proportionnelle au cube de la vitesse. À rendement constant, une diminution du débit entraîne une diminution proportionnelle de la vitesse et, par conséquent, une diminution cubique de la puissance de sortie. Ainsi, la vitesse de la pompe à eau est approximativement proportionnelle à la consommation électrique du moteur. Par exemple, lorsqu'un moteur de pompe à eau de 55 kW tourne à 80 % de sa vitesse nominale, sa consommation est de 28 kWh, soit une économie d'énergie de 48 %. En revanche, si sa vitesse est réduite à 50 %, sa consommation tombe à 6 kWh, soit une économie d'énergie de 87 %.
2.2 Adoption de la compensation du facteur de puissance pour la conservation de l'énergie
La puissance réactive provoque non seulement un échauffement des équipements et une usure accrue des câbles, mais surtout, la baisse du facteur de puissance entraîne une diminution de la puissance active du réseau électrique. Il en résulte une importante consommation d'énergie réactive sur les lignes, ce qui réduit le rendement des équipements et engendre un gaspillage considérable. L'utilisation d'un régulateur de fréquence permet de réduire davantage les pertes de puissance réactive grâce au condensateur de filtrage intégré au convertisseur, ce qui augmente la puissance active du réseau.
2.3 Utilisation de la méthode de démarrage progressif pour économiser l'énergie
Le démarrage du moteur par couplage étoile/triangle (Y/D) ou démarrage direct génère un courant de démarrage quatre à sept fois supérieur au courant nominal, ce qui peut avoir un impact important sur le réseau électrique et les équipements électromécaniques. De plus, ce type de démarrage exige une capacité de réseau très élevée, générant un courant relativement important et endommageant considérablement les vannes et les chicanes par les vibrations, ce qui nuit fortement à la durée de vie des canalisations et des équipements. L'utilisation de convertisseurs de fréquence, grâce à leur fonction de démarrage progressif, permet un démarrage progressif du courant à partir de zéro, sans que sa valeur maximale ne dépasse le courant nominal. Ainsi, l'impact sur le réseau électrique et les exigences en matière de capacité d'alimentation sont considérablement réduits, et la durée de vie des vannes et des équipements est nettement prolongée.
3. Exemples d'application de la technologie d'économie d'énergie à fréquence variable
Nous avons utilisé l'installation d'un variateur de fréquence sur une pompe de circulation d'eau de 160 kW comme exemple pour moderniser un équipement à fréquence variable permettant des économies d'énergie. Nous avons mesuré la consommation électrique avant et après la modernisation et obtenu des résultats très satisfaisants.
3.1 Mode de contrôle avant transformation de fréquence
Lors du fonctionnement d'une pompe de circulation d'eau, lorsque le débit varie en fonction des exigences du procédé, il est nécessaire d'ajuster l'ouverture des vannes d'entrée et de sortie afin de modifier le débit réel. Cette méthode d'ajustement est appelée régulation par étranglement. Dans cet exemple, l'ouverture des vannes d'entrée et de sortie est d'environ 60 %. Du point de vue de la consommation d'énergie, cette méthode d'ajustement est très énergivore.
3.2 Mode de contrôle après transformation de fréquence
Lors du fonctionnement d'une pompe de circulation d'eau, lorsque le débit varie en fonction des besoins du procédé, les vannes d'entrée et de sortie sont complètement ouvertes. En ajustant la vitesse du moteur, on peut trouver un point de fonctionnement optimal pour obtenir le débit souhaité. Selon la situation et les besoins du site, une commande manuelle ou automatique peut être mise en œuvre. Dans cet exemple, le débit n'ayant pas besoin d'être ajusté fréquemment, la fréquence de fonctionnement du moteur est fixée à 40 Hz, et la commande manuelle est privilégiée afin d'économiser la consommation d'énergie.
4. Modifications du fonctionnement après utilisation d'un système de régulation de vitesse à fréquence variable
Le démarrage progressif est désormais parfaitement maîtrisé. Au démarrage du moteur, la vitesse du rotor augmente graduellement à la fréquence du courant d'entrée, assurant ainsi une montée en vitesse en douceur. Le temps de démarrage de l'ensemble du système est d'environ 20 secondes, ce qui n'a aucun impact sur son fonctionnement et offre une transition plus fluide que la méthode de démarrage précédente.
La consommation électrique du réseau a été considérablement réduite, ce qui améliore la sécurité d'utilisation des équipements électriques. Parallèlement, la diminution de la fréquence entraîne une réduction de la vitesse du moteur, limitant ainsi l'usure mécanique et diminuant fortement les risques de panne et les coûts de maintenance. Le transformateur alimentant la pompe à eau a permis de réaliser d'importantes économies de puissance. La simple réduction de la charge active a permis d'économiser environ 50 kilowatts, optimisant ainsi l'efficacité énergétique de l'équipement. Le facteur de puissance du moteur s'en trouve également amélioré, ce qui rend son fonctionnement plus économique.
L'utilisation de la technologie de conversion de fréquence a permis d'améliorer la qualité des produits, de réduire la consommation d'énergie et de réaliser des économies, tout en renforçant la rentabilité des entreprises. L'application de la technologie de régulation de vitesse par conversion de fréquence nécessite la modernisation de ces équipements afin de réaliser des économies d'énergie.