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05/10/2018 - SAMMY SOETAERT

SERIEUSES ECONOMIES GRACE AUX VARIATEURS

pompsturing

Variateurs mécaniques ou electroniques

Il fut un temps où les débits pouvaient uniquement être réglés par une valve mécanique. Une méthode énergivore, car la pompe tournait constamment à pleine charge. Sous l'influence d'une prise de conscience environnementale croissante, on est peu à peu passé aux variations de vitesse, ce qui diminuait la consommation. Pour en profiter de façon optimale, il convient de tenir compte de quelques points d'attention.

ADAPTER LA FREQUENCE

Les variateurs de fréquence convertissent la tension d'alimentation sinusoïdale en une tension adaptée par l'utilisateur. C'est possible via deux principes: contrôle vectoriel ou Pulse Width Modulation (PWM). La dernière méthode est la plus fréquente (environ 90% des cas), quoique le contrôle vectoriel s'efforce de rattraper son retard dans les applications de moteur exigeant une très grande précision. Dans les pures applications de pompe, le contrôle vectoriel est toutefois moins apte.

Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse Width Modulation
Dans le PWM, la tension est autorisée à passer de façon alternative et le résultat final est une tension adaptée

PWM n'augmentera ou ne diminuera pas la forme sinusoïdale de la tension d'entrée. En premier lieu, la tension AC est convertie en une tension DC, qui est ensuite alternativement autorisée à passer ou retenue au moyen de transistors haute fréquence. Le résultat final est une tension d'utilisation adaptée aux besoins de l'utilisateur. Comme cette commutation haute fréquence se fait avec une énorme rapidité, on ne voit aucune différence opérationnelle dans le fonctionnement. Dans le chapitre Points d'attention, nous approfondissons quelques aspects dont vous devez tenir compte dans la mise en œuvre d'un variateur de fréquence, et la commutation haute fréquence est un de ces aspects.

LOIS D'AFFINITE

La base du potentiel d'économie pour les pompes se retrouve dans les lois d'affinité. En résumé, ces lois comportent les trois points suivants:

  • pompsnelheidDes changements dans la vitesse de pompe résultent dans un changement linéaire dans le débit. Une baisse de la vitesse de 50% résulte en une réduction du débit de 50% également.
  • drukLa pression en un certain point réagira à nouveau de façon exponentielle (au carré) à un changement de la vitesse. Si la vitesse diminue de 50%, la pression baisse de 75%.
  • vermogenLa puissance, enfin, changera au cube. Si la vitesse diminue de 50%, la puissance requise baisse à 12,5%. Ceci vaut bien sûr aussi dans l'autre sens.
     

Concrètement, ceci signifie donc que la puissance requise augmente très vite à hautes vitesses. Si une pompe tourne donc uniquement à pleine puissance quand cela est nécessaire, on verra une économie considérable dans le bas de la courbe. Il faut nettement moins de puissance pour tourner en charge partielle. Mais du fait que le débit de passage est moindre, le moteur consommera moins également. Avec des valves mécaniques, le moteur tourne quasi toujours à pleine charge ou sur des positions fixes. Il n'y a donc pas d'adaptation au réel besoin du moment, ce qui est bel et bien le cas avec les variateurs de fréquence. Naturellement, la question demeure de savoir si le prix majoré d'un VFD (Variable Frequency Drive) n'annihile pas le potentiel d'économie, mais ceci ne se produira certainement pas dans la majorité des cas. En général, on parle même d'un ROI de quelques mois à maximum trois ans. Mais ceci vaut uniquement pour les pompes qui tournent plusieurs heures par jour. Autrement, la solution classique avec un récipient sous pression reste la meilleure solution en termes de commande et de consommation.

 

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Het is tegenwoordig ook mogelijk  om de pompkarakteristieken realtime te bekijken om zo een schat aan info over de prestaties te verkrijgen
A l'heure actuelle, il est aussi possible d'examiner les caractéristiques de pompe en temps réel pour obtenir un trésor d'infos sur les prestations

Economie d'énergie par correction continue

L'utilisation d'un VFD induit un plus grand contrôle de la vitesse de pompe via la commande électronique et la seule utilisation de la bonne quantité d'énergie pour obtenir le débit souhaité. Les VFD peuvent annoncer un énorme potentiel d'économie, parce qu'ils recourent à des algorithmes programmés avancés qui calculent constamment le point de travail idéal. Ils conservent ce point de travail idéal par le ‘active energy control’, toutes sortes de paramètres de pompe étant envoyés en continu vers le VFD, qui utilise ces données pour garder son point de travail optimal et éviter l'instabilité. Dès que le point optimal est atteint, seul un changement effectué par l'utilisateur entraînera un changement dans le voltage de sortie. Dans ce cas, on cherche aussitôt le nouveau point de fonctionnement optimal pour atteindre à nouveau l'efficacité maximale.

Avantages complémentaires

Outre l'économie d'énergie, d'autres avantages découlent de l'utilisation des variateurs de fréquence. Pas besoin d'interrompre le système pour placer une vanne de réglage mécanique, car le débit est ajusté par l'adaptation de la vitesse de pompe. Les pertes tubulaires complémentaires y afférentes sont aussi éliminées. A 50 Hz, les pertes de conduites resteront, mais seront plus petites à mesure que le débit baisse. Dans bien des cas, une pompe de plus petites dimensions peut être utilisée, ce qui entraîne à son tour moins de pertes de pompe. L'ensemble est à nouveau bien plus économique. L'utilisation de valves crée des problèmes mécaniques car, puisque la vitesse de pompe reste identique, valve ouverte ou fermée, la pression et la température augmentent dans l'installation. Ceci induit également des problèmes avec les joints et les paliers. Ce type de problèmes est moins fréquent dans les installations avec variateurs de fréquence. D'autres avantages sont la possibilité de programmer très facilement des aspects tels que la protection contre le manque de liquide, les multiples démarrages et arrêts, le soft start/stop, ... sans instruments en plus. La longévité de la pompe augmente et aucun risque de coup de bélier ou autre désagrément.

POINTS D'ATTENTION

Toutefois, tout n'est pas rose, car l'utilisation des variateurs de fréquence implique quelques aspects spécifiques qui sont quasi toujours liés à la commutation haute fréquence intrinsèque.

Branchement conforme à CEM des variateurs de fréq.
Branchement conforme à CEM des variateurs de fréquence

Compatibilité Electromagnétique (CEM)

Les normes autour de la CEM (compatibilité électromagnétique) sont claires: un appareil ne peut être lui-même source d'interférence électromagnétique, mais doit aussi être insensible aux perturbations de l'extérieur. Pour satisfaire aux exigences CEM, on place un filtre devant un variateur de fréquence qui filtre ce rayonnement CEM indésirable. Mais ce qui se produit souvent, c'est que le dispositif différentiel résiduel se déconnecte de façon indésirable, parce qu'il considère que les courants dérivés des condensateurs d'antiparasitage sont un courant de fuite. Parfois, cela demande donc du temps et de la dextérité pour régler la protection moteur de manière à ne plus subir cette panne inutile. Un exemple: les disjoncteurs différentiels à action lente qui ne débranchent une installation qu'après une période donnée. On évite ainsi qu'un pic soudain immobilise l'installation.

Résonance

Chaque installation a une fréquence de résonance et chaque vitesse de pompe a une certaine fréquence d'entraînement. Des valves mécaniques ne fonctionnent le plus souvent que sur une seule fréquence d'entraînement, car la pompe fonctionne en continu à la même vitesse. Le risque que les deux fréquences coïncident ici, serait très fortuit. Sur les commandes de pompe avec VFD, la plage de fréquence est nettement plus large et en théorie, toutes les fréquences dans la gamme sont possibles comme fréquence d'entraînement. Le risque que celle-ci correspond à la fréquence de résonance, est donc bien plus grand. Si tel est le cas, des vibrations peuvent surgir et endommager l'installation. Pour éviter ce problème, la pompe peut être réglée sur une rotation plus rapide ou plus lente à cette fréquence.

Dégâts aux paliers

La commutation rapide à haute fréquence du variateur de fréquence est réglée par des IGBT (Insulated-gate bipolar transistors), une sorte de transistor qui commute super vite entre les trois enroulements de phase. Cette commutation asymétrique peut induire une tension alternative haute fréquence sur l'axe du moteur par-delà le palier du côté entraînement le long du logement moteur et de retour du côté non-entraînement jusqu'à l'axe. Le résultat est sans exception des dégâts aux paliers. Ce phénomène peut être évité en combinant une isolation de palier correcte, une bonne mise à la terre du câblage, mais surtout aussi par le placement d'un filtre 'common mode'. Pour des puissances plus grandes, ce type de filtre est déjà prévu en standard; ce problème se produira moins souvent sur les puissances plus petites.

 

COMPARAISON ENTRE ANCIEN SYSTÈME ET POMPE À VARIATION DE FRÉQUENCE

comparaison entre ancien systeme et pompe à variation de fréquence

Dans les schémas ci-dessous, nous voyons un exemple d'économie possible. Dans la figure à gauche, l'ancienne situation est présentée. La puissance requise est de 50 kW. Ici, on utilisait à l'origine la commande de valve pour l'obtenir. Pour fermer la valve, il faut 15 kW. Les pertes tubulaires atteignent environ 10 kW. Les pertes de pompe s'élèvent à 15 kW. Au total, on doit donc produire 90 kW pour garantir l'output de 50 kW. On a opté dans ce cas pour une pompe légèrement surdimensionnée d'une puissance de 100 kW. A droite, la même installation, mais équipée d'une pompe à variation de fréquence. Les pertes de valve de 15 kW sont donc déjà éliminées. Les pertes tubulaires sont moindres (8 kW), parce qu'il n'y a plus d'interruption pour une valve. Comme ces deux aspects procurent déjà une économie de 18 kW par rapport à une commande de valve, on peut choisir une pompe de plus petite puissance. Ce faisant, les pertes de pompe sont à leur tour nettement plus petites (10 kW contre 15 kW). Le résultat final est le choix d'une pompe de plus petites dimensions (75 kW) qui tourne, en outre, de façon plus économe en énergie. La consommation annuelle totale baisse à 32,4% du niveau initial.