La variation de vitesse, une voie à explorer

Des études menées au sein de l'Union par la Commission européenne et par le Département de l’énergie américain démontrent que la consommation énergétique des systèmes motorisés électriques s’élève à près de 20 % de la consommation électrique mondiale. L’alimentation des systèmes de pompage représenterait de 22 à 25 % de ce chiffre, soit environ 4 % de la consommation mondiale d’électricité.

En France, les chiffres publiés sur le site du programme Motor Challenge indiquent que les moteurs électriques mobilisent 72 % de la consommation nationale d’électricité et 69 % de la consommation européenne.*

Ces données, pour inquiétantes qu’elles soient, ne sont pas une fatalité. Le projet ProMot, cofinancé par la Commission européenne, a réuni 14 organismes pour explorer et identifier les solutions à mettre en place pour parvenir à une meilleure efficacité des systèmes comportant un ou plusieurs moteurs électriques. Il a énuméré un certain nombre de solutions pour que les systèmes motorisés soient moins gourmands en énergie. Celles-ci passent d’abord par l’optimisation des choix techniques. Ainsi, en optant pour des pompes plus adaptées, mieux dimensionnées, en optimisant leur installation et leur maintenance, en améliorant la

*Chiffres recueillis sur le site www.motor-challenge.fr

Conception des systèmes de pompage et leur conduite, il serait possible de réduire la consommation énergétique d’un poste comme le pompage de 40 %. Pour pouvoir déboucher sur des gains conséquents, le projet ProMot a développé toute une gamme d'outils d'aide à la décision pour les utilisateurs de systèmes à moteurs électriques. Pour compléter cette étude, le programme européen Motor Challenge a été lancé en 2003. Proposé par la Direction générale de l'énergie et des transports de la Commission européenne, il aide le secteur de l'industrie à améliorer l’efficacité énergétique de ses systèmes à moteurs électriques par une utilisation optimale de l’électricité.

Pour améliorer le système de commande et de régulation d’un système de pompage, pour atteindre les conditions optimales de fonctionnement en pression comme en débit, plusieurs scénarii peuvent être mis en œuvre. Parmi les choix techniques mis à la disposition des exploitants, les variateurs de vitesse occupent une place de choix en améliorant la conduite du moteur.

Améliorer la conduite du moteur

Le démarrage en direct sur le réseau de distribution des moteurs asynchrones est la solution la plus répandue. Elle convient dans bien des cas, mais s’accompagne de contraintes qui peuvent s’avérer gênantes. Ainsi, le courant d’appel au démarrage du moteur peut perturber le fonctionnement d'autres appareils connectés au réseau. Les à-coups mécaniques et coups de bélier peuvent entraîner une détérioration rapide de l’équipement et du réseau. Il est impossible d’accélérer et décélérer le moteur qui fonctionne à vitesse fixe. Ces contraintes se révèlent bien souvent gênantes sur les postes de pompage où elles conduisent à une fatigue prématurée des matériels, à une consommation excessive d’énergie et s’accompagnent d'une régulation inadéquate de l’installation.

Dans beaucoup de cas, la mise en œuvre d'un variateur de vitesse peut apporter plus de souplesse dans la gestion du système motorisé. Cet équipement module l’énergie électrique fournie au moteur. Il assure une mise en vitesse et une décélération progressive et permet une adaptation précise de la vitesse aux conditions d’exploitation. Le travail de la pompe est ainsi parfaitement ajusté aux besoins variables du système. Et ce fonctionnement plus souple, adapté au besoin réel de l'installation apporte de substantielles économies d’énergie. Une aubaine lorsque l'on sait que le coût énergétique d'un moteur représente 97 % du coût total de possession contre 3 % seulement pour l'acquisition et l’installation.

Autre intérêt, la réduction du bruit et des à-coups dans le réseau lors de la mise en route des pompes limite l'usure des équipements. Compte tenu des multiples avantages apportés par les variateurs de vitesse, il semble aujourd’hui aberrant de voir des pompes fonctionner à plein régime et de réguler le débit de sortie avec une vanne. Par analogie avec une automobile, cela revient à rouler en permanence à plein régime en jouant de la pédale de frein pour adapter sa vitesse. Mais peu à peu, les pratiques évoluent. La Compagnie d’Aménagement des Coteaux de Gascogne (CACG) a par exemple choisi de généraliser l'implantation des variateurs de vitesse sur ses groupes de pompage dédiés à la gestion de la ressource et à l'irrigation (voir EIN N° 293). À l'origine, chaque station de pompage était équipée d’une vanne chargée d'ajuster le débit au besoin, le moteur de la pompe tournant à plein régime. Ces 175 stations de pompage fonctionnaient six mois par an et généraient une facture d’électricité avoisinant les 2 millions d’euros par an, le premier poste de dépenses de la CACG. Elles ont été progressivement équipées de variateurs de vitesse ABB. Et le premier bilan est sans appel. L’économie d’énergie directement imputable à la variation de vitesse est estimée entre 10 et 15 %. Mais ce

n'est pas tout. Car cette économie s'accompagne également d’une réduction des frais de maintenance. L’équipement en 2003 de la station d'irrigation d’Antenos (Hautes-Pyrénées), d'un variateur ABB ACS800-02 d’une puissance de 320 kW illustre bien cet avantage. « Depuis son installation, nous avons augmenté la fiabilité du système » souligne Gérard Paquet, responsable du service maintenance électrique à la Compagnie d’Aménagement des Coteaux de Gascogne. En termes de coûts d’exploitation, l'économie réalisée, même si elle reste difficile à chiffrer est loin d’être négligeable.

Pour Philippe Brem, directeur commercial de la division Moteurs, Machines et Drives (MMD) d’ABB, « Le potentiel de la variation de vitesse est considérable dans le secteur de l'eau. En pratique, nous estimons qu’au moins une pompe sur deux devrait être pilotée par un variateur de vitesse. Pour convaincre les exploitants de l’intérêt de cette technologie, nous avons mis l’accent sur la compacité, la convivialité et la facilité d’installation. Aujourd’hui, les variateurs de vitesse d’ABB figurent parmi les plus compacts du marché et leur facilité de mise en œuvre séduit les exploitants les plus exigeants ». La démarche commence à porter ses fruits et ces équipements ont tendance à se banaliser dans les ouvrages de gestion de l'eau. Car la variation de vitesse n’a plus à faire ses preuves. Les économies d’énergie et de maintenance qu'elle fait réaliser aux exploitants sont maintenant démontrées. Les constructeurs de variateurs l’ont bien compris qui proposent de nombreux modèles qu’ils savent adapter à des applications spécifiques comme celle du pompage.

Des équipements adaptés aux besoins du pompage

Les pompistes eux-mêmes ont accompagné ce mouvement en proposant eux aussi la variation de vitesse sur leurs modèles. « L’utilisation de la variation de vitesse avec des groupes électropompes doit être judicieusement étudiée afin d’éviter des surconsommations d’énergie à faibles vitesses de rotation et des problèmes de colmatages partiels, principalement en eaux usées » souligne-t-on chez Flygt. ITT Flygt utilise des variateurs de vitesse pour équiper ses surpresseurs afin de maintenir une pression constante sur le réseau, et pour ses groupes électropompes eaux usées afin de pouvoir s’adapter soit au débit d’apport à la station, soit aux différentes demandes du réseau. Quelle que soit l’application, il y a des précautions à prendre. En eau claire, le réglage du seuil de vitesse minimum en fonction du type de réseau (dissipatif ou non) doit faire l'objet d'une attention particulière, de même que le choix du groupe électropompe afin de se positionner parfaitement sur la courbe débit/hauteur pour ne pas se pénaliser avec le rendement lorsque la vitesse diminue.

En eaux usées, il faut en plus s'affranchir des problèmes de colmatages partiels qui, à l’intérieur des canaux des roues centrifuges par exemple, sont générateurs de phénomènes de recirculation des effluents, provoquant des chutes de caractéristiques notoires et une usure prématurée des groupes électropompes. Pour toutes ces raisons, ITT Flygt a développé et commercialise des variateurs de fréquence adaptés permettant la détection de ces problèmes de colmatage et de s’en affranchir automatiquement.

De son côté, KSB a sorti en 2005 une nouvelle génération de son régulateur de vitesse PumpDrive et propose un variateur de vitesse annonçant 50 % d’économies d’énergie.

Un exemple de calcul de rentabilité est réalisé sur l'alimentation en eau d'une installation de refroidissement dans l'industrie pharmaceutique. L’alimentation en eau varie de 150 à 620 m³/h en forte saison. La durée de fonctionnement des trois pompes Etanorm R non régulées est de 7 640 heures par an. Aujourd’hui, équipée de trois variateurs de vitesse PumpDrive, l'installation a vu sa consommation énergétique baisser de 47 %. Le retour sur investissement s’établit ici à environ deux ans.

Avec Hydrovar, Lowara a proposé le premier variateur de vitesse directement monté sur la pompe et basé sur microprocesseur. Hydrovar permet la régulation automatique de la pression, de la pression différentielle ou du débit. La régulation de pression permet un arrêt immédiat de la pompe en cas de consommation zéro. Le débit de refoulement de la pompe est assuré indirectement par la vitesse de celle-ci et permet une régulation de la pression ou de la pression diffé-

Le variateur Altivar 61 de Schneider Electric est bien adapté aux applications de pompage. L’ensemble des données acquises par le variateur peuvent être exploitées par la maintenance, transformant le variateur en une véritable centrale de mesures.

La nouvelle génération Hydrovar, lancée en septembre 2006, améliore encore la version d’origine grâce à un système modulaire de pilotage, flexible et très efficace. La conception modulaire de l’Hydrovar ne nécessite aucun automate de pilotage supplémentaire et autorise pratiquement n’importe quelle configuration de pompes : jusqu’à 8 variateurs Master (pour pompe maîtresse) ou une combinaison de variateurs Master et Slave (pour pompe esclave). « Cette solution était attendue depuis longtemps pour les installations de haut niveau exigeant une sécurité élevée, explique-t-on chez Lowara. Elle inclut plus de fonctions, tandis que sa modularité fournit une solution économique pour les applications plus simples. En se rapprochant au plus près du besoin du client, on réduit les investissements sur l’installation ». L’Hydrovar peut être monté sur pratiquement n’importe quelle marque ou modèle de pompe, sur de nouvelles installations ou sur des pompes existantes et il est simple de l’intégrer dans des systèmes BMS avec communication ModBus en standard.

Il n’y a plus besoin de coffret de commande ou de circuits additionnels et coûteux : tout est inclus dans une unité compacte – moteur asynchrone, microprocesseur, contrôleur, capteur, logiciel de gestion optimisé ainsi qu’un affichage à cristaux liquides rétro-éclairé complet.

Sur le site de Minatec, Grundfos a fourni plusieurs dizaines de pompes sur les circuits d’eau froide, d’eau chaude et d’eau glacée. Pour ajuster le flux, toutes les pompes d’une puissance supérieure à 15 kW ont été équipées de variateurs de vitesse permettant d’adapter le débit aux besoins.

Les constructeurs d’équipements électriques comme ABB, Leroy Somer, Schneider Electric, Vacon, Danfoss, Moeller, Omron Electronics, Rockwell Automation, Eurotherm Drives ou encore Nord Réducteurs se positionnent aussi sur ce marché qui devrait connaître une forte croissance compte tenu de l’évolution des coûts énergétiques ces derniers mois.

Le variateur de fréquence compact NORDAC SK 500E de Nord Réducteurs est conçu pour des puissances de sortie de 0,25 à 7,5 kW. Sa conception modulaire le rend adapté aux demandes d’applications spécifiques. Le modèle de base possède une régulation vectorielle de flux sans capteur (ISD), un chopper de freinage intégré et un filtre réseau (pour les environnements industriels et zones résidentielles). De nombreuses fonctions digitales et analogiques peuvent être assignées à ses sept entrées de commande. Une sortie analogique et deux sorties digitales sont également disponibles. Des interfaces de façade embrochables permettent une mise en fonctionnement aisée, le paramétrage et la connexion aux divers bus de terrain. Ces interfaces comprennent des modules Profibus, CANopen, Interbus, AS-Interface et DeviceNet, qui permettent l’intégration du variateur de fréquence dans n’importe quel environnement d’automatismes donné.

Les variateurs E7Z d’Omron sont des variateurs dédiés au pompage et à la ventilation répondant à toutes les conditions d’exploitation en version IP00, IP20 ou IP54. Tous ces modèles disposent d’un algorithme évolué d’économie d’énergie. Le modèle IP54 offre une armoire avec une console en face avant.

La conception modulaire de l’Hydrovar nouvelle génération ne nécessite aucun automate de pilotage supplémentaire et autorise pratiquement n’importe quelle configuration de pompes : jusqu’à 8 variateurs Master (pour pompe maîtresse) ou une combinaison de variateurs Master et Slave (pour pompe esclave).

ainsi qu'un filtre intégré à l'appareil. De plus, le variateur inclut un séquenceur de pompes qui optimise le contrôle et permet de réaliser des économies en activant automatiquement les pompes auxiliaires pour soutenir la pompe principale (modulée par contrôle PID) afin de répondre à la croissance de la demande. Il assure également le cycle automatique des pompes auxiliaires afin d'équilibrer leur utilisation et ainsi préserver leur durée de vie.

Pour Schneider Electric, les années 2005 et 2006 ont été marquées par un renouvellement important de ses offres, avec le lancement des variateurs Altivar 71, 61 et 21 qui marquent la montée vers les fortes puissances. Ces produits éco-conçus communiquent sur les réseaux standards de type Ethernet, LonWorks, etc., ce qui permet de les intégrer dans les architectures d'automatismes. Déjà équipée d'une carte métier dédiée au pompage, la gamme Altivar assure la gestion de commutation de pompes et fournit une pression constante quel que soit le débit demandé. Il manquait toutefois à ce constructeur des variateurs pour les fortes puissances (supérieures à 630 kW). Ce vide pourrait prochainement être comblé avec l'annonce, le 12 juillet dernier, de la reprise (sous réserve de l'approbation des autorités de la concurrence) de l'autrichien Va Tech Elin Ebg Elektronik, un partenaire de longue date puisqu'une joint-venture entre Schneider Toshiba Inverter et Va Tech Elin Ebg Elektronik (60 % – 40 %) existe depuis 2004.

Les autres constructeurs ne sont pas en reste et affirment leur présence sur le marché du pompage. Avec son offre Powerdrive annoncée au printemps 2006, Leroy Somer propose une gamme de variateurs de vitesse de forte puissance (jusqu'à 900 kW), de conception modulaire et polyvalente qui intègre uniquement les fonctions nécessaires à l'application. Les modules bus de terrain (Profibus, CANopen, DeviceNet, Modbus, Interbus, Ethernet…) intégrables permettent d'adapter le variateur à tous les systèmes de contrôle/commande. Un module interface de communication interne au Powerdrive autorise la diffusion de messages d'alertes ou d'informations pour assurer la télémaintenance ou la télésurveillance des machines.

Vacon propose de son côté sa gamme NX dédiée à l'ensemble des besoins de la filière eau. Compacts et conviviaux, ces convertisseurs de fréquence s'intègrent directement dans les systèmes existants avec, d'une part, des fonctionnalités complètes de communication avec plusieurs bus de terrain disponibles et, d'autre part, des interfaces série et E/S d'extension pour un échange de données transparent et des diagnostics complets. Les fonctions d'autosurveillance permanente et de signalisation d'alarmes renforcent la fiabilité et la sécurité des installations.

Danfoss propose également une gamme complète dédiée au secteur de l'eau. Le VLT 8000 Aqua est, par exemple, un variateur spécifiquement destiné aux applications des secteurs de l'eau et du traitement des eaux usées. Ici, le constructeur a renoncé à toutes les fonctions inutiles et qui pourraient perturber l'utilisateur. Tout ce qui est essentiel est déjà intégré. Les VLT 8000 Aqua avec des puissances de 4 à 400 kW sont donc tous équipés en standard d'un filtre d'antiparasitage et de selfs réseau. Les câbles moteur, blindés jusqu'à 150 m de longueur ou non blindés jusqu'à 300 m, peuvent être raccordés sans mesures supplémentaires. L'unité de commande amovible, affichant un texte clair en français, permet de sauvegarder la programmation du variateur de vitesse sur l'afficheur et de la copier d'un VLT à l'autre. La commutation entre fonctionnement automatique et manuel se fait en pressant une seule touche. Outre la version IP 20 pour le montage dans une armoire de commande, tous les variateurs sont également disponibles avec un boîtier IP 54 étanche au jet d'eau et peuvent être directement fixés au mur. Ainsi, beaucoup de place peut être gagnée sans se préoccuper du refroidissement de l'armoire de commande.

Chez Siemens, le Micromaster apporte une solution jusqu'à une puissance de 250 kW. Ces appareils disposent d'entrées et de sorties pour raccorder des signaux tout-ou-rien et analogiques à usages multiples et peuvent aussi dialoguer via réseau Profibus.

De son côté, Rockwell Automation vient de présenter le PowerFlex 40P, un variateur polyvalent, principalement conçu pour des applications machines. La gamme PowerFlex 400, spécialement conçue pour les pompes, intègre de nombreuses fonctionnalités : un régulateur PID intégré permet de gérer une variable de procédé par réglage automatique de la fréquence de sortie ; trois bandes de sauts de fréquence programmables empêchent le variateur de fonctionner de façon continue à des vitesses de résonance susceptibles d'entraîner des pannes mécaniques.

gérer une variable de procédé par réglage automatique de la fréquence de sortie ; trois bandes de sauts de fréquence programmables empêchent le variateur de fonctionner de façon continue à des vitesses de résonance susceptibles d'entraîner des pannes mécaniques.

Quelle que soit la solution retenue, la mise en œuvre d'un variateur de vitesse représente un investissement important qui se justifie par une analyse du cycle de vie de l'équipement et dont le temps de retour sur investissement est dans la plupart des cas inférieur à deux ans. Avec son antériorité en terme d'exploitation, la Compagnie d’Aménagement des Coteaux de Gascogne fournit des informations plus précises (Voir E.I.N. N° 293). Ainsi, sur les variateurs de vitesse d’une puissance de 75 à 400 kW, installés en remplacement de vannes, le retour d'investissement serait de 1,5 à 2 ans ; ces calculs prennent en compte les prix d'achat, d'installation et d’exploitation de l'équipement. « À l'achat, le variateur de vitesse peut sembler onéreux par rapport aux régulations mécaniques, explique Philippe Brem. Ceci s’explique par le fait que c’est un concentré de technologies : il y a de l’intelligence, de l’électronique de puissance, des circuits de commandes complexes et de nombreux composants sélectionnés pour leur qualité et leur robustesse. Il intègre de nombreux accessoires et options : self réseau pour le filtrage des harmoniques et la protection du variateur, grand nombre d'E/S configurables, filtres RFI, hacheur de freinage, etc. ... de sorte que l'on peut faire beaucoup de choses aujourd’hui avec un variateur de vitesse et ceci très simplement y compris en environnements difficiles ».

ABB a ainsi développé avec ITT Flygt un programme spécifique sur l'ACS550 qui inclut une séquence de nettoyage visant à sauvegarder la pompe. « Le colmatage est un problème récurrent dans le domaine du pompage des eaux usées, explique Laurent Gouiffes, Chef de produits automatismes et télégestion chez Flygt. En régulation de vitesse, nous observons régulièrement des débuts de colmatage partiels. Pour pallier ces problèmes, nous avons développé avec ABB un outil logiciel incluant un cycle de nettoyage automatique ». Ce cycle a pour but de nettoyer la roue de la pompe. « Trois événements sont susceptibles de déclencher son lancement, explique Laurent Gouiffes : la détection d’un surcouple indiquant que la roue est ralentie, encrassée ou bloquée, l'atteinte d’une certaine durée de fonctionnement ou encore un ordre ponctuel émanant d'un technicien ou d'un automate ». Ce cycle de nettoyage déclenché par le variateur de vitesse lorsque survient l'un de ces trois événements se compose d'un passage en vitesse maximum dans le sens avant de la roue pendant un temps donné. Cette séquence est suivie d'une rotation à basse vitesse en marche arrière pour éventuellement dégager un déchet qui se serait pris.

dans la roue. Cet outil est commercialisé en France depuis le mois d’avril 2006. Il a été testé l’an dernier en Suède à la station d’épuration de Kristianstad (60 000 EH). « Sur cette station, les exploitants étaient fréquemment confrontés à des problèmes de colmatage, précise Laurent Gouiffes. La première phase du test a été très concluante puisqu’elle a permis de passer de six colmatages par pompe chaque année à un seul colmatage sur une seule pompe ».

Pour mener à bien l’optimisation du fonctionnement des systèmes motorisés existant, il est conseillé de bien analyser la configuration actuellement en service pour ne pas se tromper dans l’investissement.

Pour améliorer, d’abord analyser l’existant

La variation de vitesse offre trois types d’avantages : les économies d’énergie, l’amélioration du fonctionnement des process et des fonctionnalités étendues. Mais comment savoir si une application mérite d’être équipée ? Chaque cas est particulier et demande une analyse précise de plusieurs facteurs :

• La durée annuelle de fonctionnement : plus elle est importante, plus l’investissement pourra être rapidement rentabilisé.
• La variation de charge au cours de l’utilisation annuelle : la variation de vitesse représente une économie d’énergie lorsque l’installation a un profil de charge variable. C’est en effet à partir du moment où un moteur peut être utilisé pendant une certaine plage de son fonctionnement à une vitesse inférieure à sa vitesse nominale que le variateur va permettre de faire la différence.
• Le rendement du moteur hors puissance nominale : il est important de tenir compte dans son calcul de rentabilité de la modification du rendement du moteur dans les différentes plages de fonctionnement. En effet, le rendement des systèmes tend à marquer un net recul dans les bas régimes. Or c’est sur l’ensemble de ces plages qu’il est possible d’effectuer le plus d’économies.
• Le coût de l’énergie électrique : les tarifs varient en fonction du type de consommateur (basse tension, haute tension), du type ou de la composante tarif (heures pleines, heures creuses, force motrice, horo-saisonnier, pointe, etc.).
• La durée de vie des équipements : les variateurs de vitesse réduisent les contraintes mécaniques imposées tant au moteur qu’au reste de l’application. Ces effets jouent sur les coûts d’entretien et sur la durée de vie des équipements.
• L’investissement : il faut tenir compte des investissements périphériques, de l’éventuelle suppression d’appareillage périphérique (capteurs, etc.) ainsi que des gains de productivité.

Cette démarche s’établit dans le cadre d’un engagement volontaire. Elle consiste d’abord en la réalisation d’un inventaire et d’une évaluation des systèmes entraînés par des moteurs électriques. Les guides techniques, développés dans le cadre du programme Challenge Motor, apportent des informations pour aider à la réalisation de cette tâche. L’exploitant peut également se baser sur les outils développés par le programme ProMot. Ils sont mis à la disposition de tous et peuvent être téléchargés librement sur le site.

À ce stade, l’Ademe propose également un soutien en matière de financement d’études techniques et de conseils spécialisés pour établir un pré-diagnostic. Celui-ci porte sur un bilan technique simplifié de l’existant pour identifier la situation et hiérarchiser les axes d’amélioration.

Il sera suivi par une analyse approfondie de la situation de l’entreprise de façon à établir une étude critique et comparative des différentes solutions techniques et/ou organisationnelles envisageables. Enfin, l’étude de faisabilité définira la solution technique à mettre en œuvre. Elle permettra, préalablement à l’investissement, d’aboutir à la définition précise et au dimensionnement exact des équipements.

Elle entre dans le cadre du programme Motor Challenge soutenu par l’Ademe, qui délivre un label aux entreprises partenaires. Ce label se traduit tout d’abord par une aide, des conseils et une assistance pour définir et mettre en œuvre les actions pour réduire les dépenses relatives à l’énergie tout en maintenant ou en améliorant la fiabilité et la qualité de service.

Une fois menées à terme, les entreprises peuvent promouvoir leur démarche en s’appuyant sur une reconnaissance publique pour leur participation au programme et aux objectifs de la politique énergétique européenne.

Pour devenir partenaire, l’entreprise doit d’abord rédiger un plan d’action, définissant l’étendue et la nature de son engagement en précisant les sites où les actions d’efficacité énergétique seront mises en œuvre et en indiquant les moteurs et systèmes sur lesquels l’engagement s’applique. Par exemple, quel investissement va être réalisé pour améliorer ou remplacer des équipements ou obtenir une meilleure maintenance.

Ce plan est ensuite transmis à l’Ademe (pour la France) et à la Commission européenne pour obtenir le statut de partenaire. À noter que c’est le JRC (Joint Research Center), basé à Ispra en Italie, qui est l’organe qui agit pour le compte de la Commission européenne. Une fois retenue comme partenaire, l’entreprise devra soumettre des rapports annuels pour le renouvellement de son statut.