Si deux moteurs identiques fonctionnent à une fréquence de 50 Hz, l'un utilisant un convertisseur de fréquence et l'autre non, et que leur vitesse et leur couple sont tous deux à leur valeur nominale, le convertisseur de fréquence permet-il de réaliser des économies d'énergie ? Si oui, quelles sont ces économies ?
Réponse : Dans ce cas, le convertisseur de fréquence peut seulement améliorer le facteur de puissance et ne permet pas de réaliser des économies d'électricité.
1. La conversion de fréquence ne permet pas d'économiser de l'électricité partout, et il existe de nombreuses situations où elle ne permet pas nécessairement d'économiser de l'électricité.
2. En tant que circuit électronique, le convertisseur de fréquence consomme lui-même de l'énergie (environ 2 à 5 % de la puissance nominale).
3. Il est avéré que les convertisseurs de fréquence fonctionnent à la fréquence du réseau électrique et permettent des économies d'énergie. Mais leur condition préalable est la suivante :
Premièrement, l'appareil lui-même possède une fonction d'économie d'énergie (prise en charge logicielle), qui correspond aux exigences de l'ensemble du système ou du processus ;
Deuxièmement, un fonctionnement continu à long terme.
Par ailleurs, qu'il permette ou non des économies d'électricité n'a aucune importance. Affirmer qu'un convertisseur de fréquence permet des économies d'énergie sans aucune condition préalable relève de l'exagération ou de la spéculation commerciale. En connaissant tous les détails, vous pourrez l'utiliser à bon escient. Veillez à bien tenir compte des conditions d'utilisation pour une application correcte, sous peine de suivre aveuglément les instructions, de croire naïvement et d'être induit en erreur.
Nous avons souvent les idées fausses suivantes concernant l'utilisation des convertisseurs de fréquence :
Idée fausse n° 1 : L’utilisation d’un convertisseur de fréquence permet d’économiser de l’électricité.
Certains ouvrages affirment que les convertisseurs de fréquence sont des produits de contrôle permettant d'économiser de l'énergie, donnant ainsi l'impression que leur utilisation permet de réaliser des économies d'électricité.
En réalité, les convertisseurs de fréquence permettent de réaliser des économies d'électricité car ils régulent la vitesse des moteurs électriques. Si les convertisseurs de fréquence sont des dispositifs de contrôle économes en énergie, alors tous les équipements de régulation de vitesse peuvent également être considérés comme tels. Le convertisseur de fréquence présente un rendement et un facteur de puissance légèrement supérieurs à ceux des autres dispositifs de régulation de vitesse.
La capacité d'un convertisseur de fréquence à réaliser des économies d'énergie dépend des caractéristiques de régulation de vitesse de sa charge. Pour des charges telles que les ventilateurs et les pompes centrifuges, le couple est proportionnel au carré de la vitesse et la puissance au cube de la vitesse. Tant que le débit régulé par vanne est utilisé et que l'appareil ne fonctionne pas à pleine charge, le passage à un fonctionnement par régulation de vitesse permet de réaliser des économies d'énergie. Lorsque la vitesse chute à 80 % de sa valeur initiale, la puissance n'est plus que de 51,2 %. On constate ainsi que l'utilisation de convertisseurs de fréquence pour ce type de charges présente l'effet le plus significatif en termes d'économies d'énergie. Pour des charges telles que les surpresseurs Roots, le couple est indépendant de la vitesse (charge à couple constant). Si la méthode traditionnelle d'utilisation d'une vanne de purge pour évacuer le surplus d'air et ajuster le débit est remplacée par un fonctionnement par régulation de vitesse, des économies d'énergie sont également possibles. Lorsque la vitesse chute à 80 % de sa valeur initiale, la puissance atteint également 80 % de sa valeur initiale. L'économie d'énergie est bien moindre que pour les ventilateurs et pompes centrifuges. Pour les charges à puissance constante, la puissance est indépendante de la vitesse. Dans une cimenterie, par exemple, une charge à puissance constante comme une balance à bande de dosage réduit la vitesse de la bande lorsque la couche de matériau est épaisse, sous certaines conditions d'écoulement ; en revanche, lorsque la couche est mince, la vitesse augmente. L'utilisation de variateurs de fréquence pour ce type de charges ne permet pas de réaliser d'économies d'électricité.
Comparativement aux systèmes de régulation de vitesse à courant continu, les moteurs à courant continu présentent un rendement et un facteur de puissance supérieurs à ceux des moteurs à courant alternatif. Le rendement des variateurs de vitesse numériques pour moteurs à courant continu est comparable, voire légèrement supérieur, à celui des convertisseurs de fréquence. Par conséquent, il est erroné d'affirmer, tant en théorie qu'en pratique, que l'utilisation de moteurs asynchrones à courant alternatif et de convertisseurs de fréquence permet de réaliser davantage d'économies d'électricité que l'utilisation de moteurs à courant continu et de variateurs de vitesse pour moteurs à courant continu.
Idée fausse n° 2 : Le choix de la capacité du convertisseur de fréquence repose sur la puissance nominale du moteur.
Comparé aux moteurs électriques, le prix des convertisseurs de fréquence est relativement élevé ; il est donc très important de réduire raisonnablement leur capacité tout en garantissant un fonctionnement sûr et fiable.
La puissance d'un convertisseur de fréquence fait référence à la puissance du moteur asynchrone à courant alternatif à 4 pôles pour lequel il est adapté.
En raison du nombre variable de pôles des moteurs de même puissance, leur courant nominal diffère. Plus le nombre de pôles augmente, plus le courant nominal du moteur augmente également. Le choix de la puissance du variateur de fréquence ne peut donc pas se baser uniquement sur la puissance nominale du moteur. De même, pour les projets de rénovation d'installations initialement non équipées de variateurs de fréquence, le choix de la puissance de ces derniers ne peut pas se fonder uniquement sur le courant nominal du moteur. En effet, le choix de la puissance d'un moteur électrique doit prendre en compte des facteurs tels que la charge maximale, le coefficient de marge et les spécifications du moteur. Souvent, la marge est importante et les moteurs industriels fonctionnent fréquemment entre 50 % et 60 % de leur charge nominale. Si la puissance du variateur de fréquence est choisie en fonction du courant nominal du moteur, la marge restante est trop importante, ce qui engendre un gaspillage d'argent et ne contribue pas à améliorer la fiabilité.
Pour les moteurs à cage d'écureuil, le choix de la capacité du convertisseur de fréquence doit se baser sur le principe que le courant nominal du convertisseur est supérieur ou égal à 1,1 fois le courant nominal maximal du moteur, afin d'optimiser les coûts. Dans des conditions telles que le démarrage à forte charge, les environnements à haute température, les moteurs bobinés ou les moteurs synchrones, la capacité du convertisseur de fréquence doit être augmentée en conséquence.
Pour les systèmes intégrant des convertisseurs de fréquence dès leur conception, il est logique de choisir la capacité du convertisseur en fonction du courant nominal du moteur. En effet, il est impossible de déterminer la capacité du convertisseur en fonction des conditions de fonctionnement réelles à ce stade. Toutefois, afin de limiter les coûts d'investissement, il est parfois possible de choisir une capacité initialement incertaine, puis de l'ajuster en fonction du courant réel après une période de fonctionnement.
Dans le système de broyage secondaire d'un broyeur à ciment de 2,4 m de diamètre et 13 m de longueur, situé dans une cimenterie de Mongolie-Intérieure, un sélecteur de poudre haute efficacité N-1500 O-Sepa de fabrication locale est équipé d'un moteur électrique Y2-315M-4 d'une puissance de 132 kW. Cependant, le variateur de fréquence FRN160-P9S-4E, adapté aux moteurs quadripolaires de 160 kW, a été choisi. En fonctionnement, la fréquence maximale est de 48 Hz et le courant de seulement 180 A, soit moins de 70 % du courant nominal du moteur. Ce dernier dispose pourtant d'une marge de puissance considérable. De plus, les spécifications du variateur de fréquence sont supérieures à celles du moteur, ce qui engendre un gaspillage d'énergie inutile et n'améliore pas la fiabilité.
Le système d'alimentation du concasseur de calcaire n° 3 de la cimenterie d'Anhui Chaohu est équipé d'un alimentateur à plaques de 1 500 × 12 000 mm. Le moteur d'entraînement est un moteur à courant alternatif Y225M-4 d'une puissance nominale de 45 kW et d'un courant nominal de 84,6 A. Avant la mise en place d'un variateur de fréquence, les essais ont montré qu'en fonctionnement normal, le courant triphasé moyen n'était que de 30 A, soit seulement 35,5 % du courant nominal du moteur. Afin de réduire les coûts, un variateur de fréquence ACS601-0060-3 a été choisi. Ce modèle, d'un courant de sortie nominal de 76 A, est adapté aux moteurs à 4 pôles d'une puissance de 37 kW et offre ainsi de bonnes performances.
Ces deux exemples illustrent que, pour les projets de rénovation qui n'utilisaient pas initialement de convertisseurs de fréquence, le choix de la capacité du convertisseur de fréquence en fonction des conditions de fonctionnement réelles peut réduire considérablement l'investissement.
Idée fausse n° 3 : Les moteurs General ne peuvent fonctionner qu’à vitesse réduite en utilisant des convertisseurs de fréquence, en dessous de leur vitesse de transmission nominale.
La théorie classique stipule que la fréquence maximale d'un moteur universel est de 55 Hz. En effet, lorsque la vitesse du moteur doit être ajustée au-delà de sa vitesse nominale pour fonctionner, la fréquence du stator augmente également au-delà de sa fréquence nominale (50 Hz). Dans ce cas, si le principe du couple constant est toujours appliqué pour la commande, la tension du stator dépasse la tension nominale. Par conséquent, lorsque la plage de vitesse est supérieure à la vitesse nominale, la tension du stator doit être maintenue constante à la tension nominale. Or, à mesure que la vitesse/fréquence augmente, le flux magnétique diminue, ce qui entraîne une diminution du couple pour un même courant statorique, un adoucissement des caractéristiques mécaniques et une réduction significative de la capacité de surcharge du moteur.
Il ressort de cela que la limite supérieure de la fréquence d'un moteur universel est de 55 Hz, ce qui est une condition préalable :
1. La tension du stator ne peut pas dépasser la tension nominale ;
2. Le moteur fonctionne à sa puissance nominale ;
3. Charge de couple constante.
Dans la situation décrite ci-dessus, la théorie et les expériences ont prouvé que si la fréquence dépasse 55 Hz, le couple moteur diminuera, les caractéristiques mécaniques deviendront plus douces, la capacité de surcharge diminuera, la consommation de fer augmentera rapidement et le chauffage sera important.
L'auteur estime que les conditions réelles de fonctionnement des moteurs électriques indiquent que les moteurs à usage général peuvent être accélérés grâce à des convertisseurs de fréquence. Est-il possible d'augmenter la vitesse à fréquence variable ? Dans quelle mesure ? Cela dépend principalement de la charge entraînée par le moteur électrique. Il faut d'abord déterminer le taux de charge. Ensuite, il est nécessaire de comprendre les caractéristiques de la charge et d'effectuer des calculs en fonction de sa situation spécifique. Voici une brève analyse :
1. En réalité, pour un moteur universel de 380 V, il est possible de le faire fonctionner longtemps lorsque la tension du stator dépasse 10 % de la tension nominale, sans que cela n'affecte son isolation ni sa durée de vie. La tension du stator augmente, le couple augmente sensiblement, le courant du stator diminue et la température des enroulements baisse.
2. Le taux de charge du moteur électrique est généralement de 50 % à 60 %.
En général, les moteurs industriels fonctionnent entre 50 % et 60 % de leur puissance nominale. Par calcul, lorsque la puissance de sortie du moteur atteint 70 % de sa puissance nominale et que la tension statorique augmente de 7 %, le courant statorique diminue de 26,4 %. Dans ces conditions, même avec une régulation de couple constante et l'utilisation d'un convertisseur de fréquence pour augmenter la vitesse du moteur de 20 %, le courant statorique non seulement ne varie pas, mais diminue. Bien que les pertes fer du moteur augmentent fortement avec la fréquence, la chaleur générée est négligeable comparée à la chaleur dissipée par la diminution du courant statorique. Par conséquent, la température de l'enroulement du moteur diminue également de manière significative.
3. Il existe diverses caractéristiques de charge
Le système d'entraînement du moteur électrique alimente la charge, et chaque charge présente des caractéristiques mécaniques différentes. Les moteurs électriques doivent satisfaire aux exigences mécaniques de la charge après accélération. D'après les calculs, la fréquence de fonctionnement maximale admissible (f<sub>max</sub>) pour des charges à couple constant à différents taux de charge (k) est inversement proportionnelle au taux de charge, soit f<sub>max</sub> = fe/k, où fe est la fréquence nominale. Pour les charges à puissance constante, la fréquence de fonctionnement maximale admissible des moteurs est principalement limitée par la résistance mécanique du rotor et de l'arbre. L'auteur recommande généralement de la limiter à 100 Hz.
Exemple d'application :
Dans une usine, un convoyeur à godets à chaîne est soumis à une charge de couple constante. L'augmentation de la production nécessite une augmentation de 20 % de la vitesse de son moteur. Ce moteur, modèle Y180L-6, présente une puissance nominale de 15 kW, une tension nominale de 380 V, un courant nominal de 31,6 A, une vitesse nominale de 980 tr/min, un rendement de 89,5 %, un facteur de puissance de 0,81, un courant de fonctionnement de 18 à 20 A, une puissance maximale de 7,5 kW en conditions normales et un taux de charge de 50 %. Après l'installation d'un variateur de fréquence CIMR-G5A4015, la fréquence de fonctionnement est de 60 Hz, la vitesse est augmentée de 20 %, la tension de sortie maximale du variateur est fixée à 410 V et le courant de fonctionnement du moteur est réduit d'environ 30 % (12 à 15 A). La température de l'enroulement du moteur diminue également de manière significative.
Idée fausse n° 4 : Négliger les caractéristiques inhérentes des convertisseurs de fréquence
Le réglage du convertisseur de fréquence est généralement effectué par le distributeur et ne devrait poser aucun problème. Son installation est relativement simple et généralement réalisée par l'utilisateur. Cependant, certains utilisateurs ne lisent pas attentivement le manuel d'utilisation, ne respectent pas scrupuleusement les consignes techniques d'installation, ignorent les spécificités du convertisseur, le considèrent comme un simple composant électrique et agissent en se basant sur des suppositions et leur expérience, s'exposant ainsi à des risques de pannes et d'accidents.
Selon le manuel d'utilisation du convertisseur de fréquence, le câble de raccordement au moteur doit être blindé ou armé, de préférence gainé de métal. Les extrémités du câble doivent être propres, les segments non blindés aussi courts que possible, et la longueur du câble ne doit pas dépasser une certaine distance (généralement 50 m). Une grande distance entre le convertisseur de fréquence et le moteur peut engendrer des courants de fuite harmoniques élevés, nuisibles au convertisseur et aux équipements environnants. Le fil de terre du moteur commandé par le convertisseur doit être raccordé directement à la borne de terre correspondante de ce dernier. Ce fil ne doit pas être commun avec les machines à souder ni les équipements électriques, et sa longueur doit être minimale. En raison des courants de fuite générés par le convertisseur, un éloignement excessif du point de mise à la terre peut entraîner une instabilité du potentiel de la borne de terre. La section minimale du fil de terre du convertisseur doit être supérieure ou égale à celle du câble d'alimentation. Pour éviter tout dysfonctionnement dû aux interférences, les câbles de commande doivent être constitués de fils blindés torsadés ou de fils blindés à deux brins. Il est impératif de veiller à ne pas mettre le câble réseau blindé en contact avec d'autres lignes de signal ou les boîtiers d'équipements, et de l'isoler avec du ruban isolant. Afin d'éviter toute perturbation, la longueur du câble de commande ne doit pas excéder 50 m. Les câbles de commande et de moteur doivent être installés séparément, dans des chemins de câbles distincts, et aussi éloignés que possible les uns des autres. En cas de croisement, celui-ci doit être vertical. Il est formellement interdit de les faire passer dans la même canalisation ou le même chemin de câbles. Cependant, certains utilisateurs n'ont pas scrupuleusement respecté ces consignes lors de l'installation des câbles, ce qui a pu entraîner un fonctionnement normal de l'équipement lors des tests individuels, mais de graves interférences en production, le rendant inutilisable.
Si le thermomètre secondaire d'une cimenterie affiche soudainement des valeurs anormales : la valeur indiquée est anormalement basse et fluctue fortement. L'appareil fonctionnait parfaitement auparavant. Les thermocouples, les transmetteurs de température et les instruments secondaires ont été vérifiés, sans qu'aucun problème ne soit constaté. Quelle est la cause du problème ? L'instrument a fonctionné normalement lorsqu'il a été déplacé vers un autre point de mesure. Cependant, le même phénomène s'est produit avec des instruments similaires provenant d'autres points de mesure. Par la suite, il a été découvert qu'un nouveau convertisseur de fréquence avait été installé sur le moteur du ventilateur de refroidissement n° 3 du refroidisseur à grille, et que le thermomètre secondaire n'a affiché des valeurs anormales qu'après la mise en service du convertisseur. L'arrêt du convertisseur a immédiatement rétabli le fonctionnement normal du thermomètre secondaire ; le redémarrage du convertisseur a provoqué à nouveau des valeurs anormales. Après plusieurs tests, il a été déterminé que les interférences du convertisseur de fréquence étaient la cause directe de l'affichage anormal du thermomètre secondaire. Le ventilateur est un extracteur centrifuge qui, à l'origine, utilisait des vannes pour régler le débit d'air, mais qui a ensuite été remplacé par un variateur de fréquence. En raison de la forte concentration de poussière et des conditions environnementales difficiles sur le site, le convertisseur de fréquence est installé dans la salle de contrôle du centre de commande des moteurs (CCM). Pour faciliter la mise en œuvre, le convertisseur de fréquence est raccordé à la sortie inférieure du contacteur principal du ventilateur, et son câble de sortie utilise le câble d'alimentation du moteur du ventilateur. Ce dernier est un câble gainé non blindé, isolé en PVC, et est installé parallèlement au câble de signal du thermomètre secondaire, dans des couches de pont différentes de la même tranchée. On constate que les phénomènes d'interférences sont précisément dus à l'absence de blindage du câble de sortie du convertisseur de fréquence et à son installation dans des conduits métalliques. Cette leçon doit être particulièrement prise en compte lors de projets de rénovation n'utilisant pas de convertisseur de fréquence à l'origine.
Une attention particulière doit être portée à la maintenance quotidienne des variateurs de fréquence. Certains électriciens mettent immédiatement le variateur en marche pour maintenance dès qu'ils détectent un défaut et le font disjoncter. Cette pratique est très dangereuse et peut entraîner des électrocutions. En effet, même si le variateur est hors service ou que l'alimentation est coupée, une tension peut subsister sur la ligne d'entrée, la borne CC et la borne moteur du variateur en raison de la présence de condensateurs. Après avoir coupé l'alimentation, il est impératif d'attendre quelques minutes que le variateur se décharge complètement avant de le remettre en marche. Certains électriciens ont l'habitude de réaliser immédiatement des tests d'isolation sur le moteur entraîné par le variateur de fréquence à l'aide d'une table vibrante dès qu'ils constatent un déclenchement du système, afin de déterminer si le moteur est hors service. Cette pratique est également très dangereuse, car elle peut facilement endommager le variateur. Par conséquent, avant de débrancher le câble entre le moteur et le variateur, il est impératif de ne pas effectuer de tests d'isolation, ni sur le moteur, ni sur le câble déjà connecté au variateur.