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Les économies d'énergie passent par la variation de vitesse

30 septembre 2008 Paru dans le N°314 à la page 55 ( mots)
Rédigé par : Christian LYON

En ces temps d'énergie chère, les économies d'énergie deviennent impératives. La variation de vitesse est l'une des clés de ces économies. Appliquée aussi bien au pompage qu'à la ventilation elle apporte des économies substantielles. Une solution à considérer dans sa globalité : économie d'énergie, amélioration générale du fonctionnement d'une installation, allègement de la maintenance, niveau sonore abaissé? Une somme d'avantages à mettre en regard du coût d'un variateur de vitesse.

[Photo : DR]

Réalisé par , Technoscope

Dans le domaine de l'eau et dans l'industrie en général auxquels on peut rattacher l’exploitation de grands bâtiments industriels et commerciaux, les moteurs électriques occupent une place prépondérante pour le déplacement des fluides : pompage des liquides et ventilation d’air, autant de machines centrifuges qui doivent répondre à des besoins de fourniture de fluide souvent fluctuants. Les réseaux d’eau potables sont concernés dès qu’il s’agit des puits de captage, puis dans le stockage et la distribution pour le maintien de la pression. Les réseaux d’eaux

[Photo : Chez Vacon, la séparation des modules de commande et de puissance facilite l'intégration du convertisseur de fréquence et réduit les coûts des pièces de rechange et de la maintenance.]

Les eaux usées, largement gravitaires, nécessitent des postes de relevage. Arrivées en station d'épuration, les eaux subissent aussi des pompages de transfert ; les bassins d'aération doivent être alimentés en air. La partie des eaux épurées réutilisée pour des opérations de nettoyage subit des appels de consommation très variables selon les horaires et les exigences des équipements ; à cela s’ajoute le poste de traitement des boues. « Les plus gros consommateurs dans le traitement des eaux usées domestiques sont les systèmes d’aération (surpression d'air), le poste de relevage, le traitement des boues » indiquait Bruno Portero de l’OIEau lors d’une journée de formation sur la « Gestion durable de l’énergie dans les services eau et assainissement » au printemps dernier. Les grosses stations sont de plus en plus fréquemment équipées de dispositifs de traitement d’air : la collecte de l’air vicié, son passage dans les tours d’absorption et le rejet de l’air traité consomment aussi de l’énergie. Un tel besoin se rencontre dans tout hall industriel dont l'atmosphère est renouvelée et recyclée. « Pour ce type de besoins dont

[Encart : Un potentiel d’économie d’énergie considérable Les calculs sont faits depuis longtemps au niveau de chaque pays et de l'Europe. En matière de consommation d’énergie électrique les moteurs représentent 20 % de la demande mondiale d'énergie (mais deux tiers de la consommation électrique de l'industrie). L’alimentation des systèmes de pompage se situe entre un cinquième et un quart, soit au final 4 % de la consommation mondiale dédiée au pompage. Le chiffre peut paraître faible mais chaque secteur d'utilisation se doit d’apporter sa contribution et, dans le pompage, des économies de 40 % sont envisageables. Au niveau d’un pays comme l'Allemagne, l'économie dépasse le milliard d'euros par an. L'efficacité électrique dans l'industrie est essentielle et l'Europe stimule cela depuis plusieurs années notamment au travers du Motor Challenge (voir www.motor-challenge.fr) lancé en 2003 relayé par l'Ademe, et du programme Save pour l'utilisation intelligente de l'énergie. On trouve notamment des méthodes d’évaluation des économies réalisées avec la vitesse variable et plus généralement de moteurs à haute efficacité en fonction de facteurs économiques. En France, au travers du Gimelec, il est aussi possible de bien s’informer (guides).]
[Photo : Le Digidrive SK de Leroy-Somer permet de réduire le coût global de l'installation grâce à de nombreuses fonctionnalités intégrées : horloge temps réel, fonctions logiques, comparateurs, potentiomètre motorisé, régulateur PID, cycleur de vitesses préréglées, gestion codeur extérieur... La clé Logic Stick permet d’intégrer une programmation d’automatisme sur mesure ou un programme d’application standard (exemple : gestion pompage).]
[Encart : Une nouvelle famille de variateurs de vitesse chez Mitsubishi Electric La famille de variateurs de fréquence de Mitsubishi Electric Industrial Automation FR-F700 se compose de variateurs disponibles dans une gamme de puissance allant de 0,75 à 560 kW. Parmi leurs caractéristiques, ils disposent d’une fonction de reconnaissance du sens de rotation du moteur et de rattrapage à la volée du moteur après une coupure de secteur. Ils intègrent un système de freinage jusqu’à 30 kW, une entrée de sonde de température du moteur et un filtre RFI intégré conforme à la CEM. Ils sont munis d'un port de communication standard, soit via le protocole Mitsubishi Electric Industrial Automation, soit vers MODBUS. Ils offrent des options de communication vers les réseaux standards tels que LonWorks, Profibus/DP, DeviceNet, CC-Link. La gamme est complétée par une version IP54 qui permet le montage direct sans coffret ni armoire. Ces variateurs, compacts, sont de 20 à 30 % plus petits que les autres variateurs à puissance égale et restent à des prix modérés. Les composants dont ils sont équipés leur procurent une durée de vie de plus de 10 ans. Leur système de gestion intégrée (auto-diagnostic) permet de mesurer en temps réel leurs conditions de fonctionnement pour une maintenance prédictive simplifiée et programmée. Leur fonction multi-moteurs permet à un seul variateur de piloter jusqu’à 4 moteurs.]
[Photo : Avec le PDC, ABM Greiffenberger complète sa gamme de convertisseurs de fréquence. Les séries CDA/CDB pour des utilisations exigeantes et MDC pour le montage décentralisé sur les moteurs sont également disponibles. En plus des trois gammes de convertisseurs, ABM offre, en tant que fournisseur système, des systèmes d’entraînement électrique complets d'une seule main et d’un seul constructeur.]

Une solution vitesse variable synchrone à aimants à la pointe de la technologie pour les applications pompes centrifuges

[Photo : DYNEO ® série LSRPM]

Les applications de pompage représentent près d'un quart de la consommation électrique dans l'industrie. Dans ces applications, les systèmes d’entraînement constituent donc, encore plus qu'ailleurs, une source d’économie d’énergie significative.

Moteurs à hauts rendements

De nos jours, l'utilisation de moteurs EFF1, dont la mise en place est très simple, est encouragée par différents organismes européens, au titre de la réduction des gaz à effet de serre. Toutefois, le gain en consommation d'énergie peut dans certains cas rester limité. En effet, entre un moteur de classe EFF2, le plus couramment utilisé actuellement, et un moteur EFF1, l’écart de consommation d’énergie reste inférieur à quelques pourcents. De plus, dans les applications de type centrifuge, comme les pompes ou les ventilateurs, le choix de remplacer un moteur EFF3 ou EFF2 par un moteur EFF1 sur une installation existante peut, dans certains cas, se révéler moins efficace que prévu.

En effet, la vitesse en charge d'un moteur haut rendement est généralement supérieure à celle d'un moteur de même puissance et de rendement inférieur. À titre d'exemple, la vitesse en charge d'un moteur 2 pôles 15 kW est de 2953 min-1 en EFF1, contre 2928 min-1 en EFF2. Dans l’hypothèse où l'hydraulique reste inchangée, cet écart de 1 % de la vitesse se traduit par une augmentation de 3 % de la puissance absorbée, la puissance étant proportionnelle au cube des rapports de vitesse. Signalons toutefois que cette augmentation de la puissance absorbée peut être compensée par l'augmentation induite du débit et de la pression, et donc diminuer le temps de fonctionnement de la pompe.

Pilotage en vitesse variable

Autre moyen de réduire la facture électrique, le pilotage en vitesse variable d'une installation de pompage ou de ventilation : 3 fois plus de gains d’énergie deviennent ainsi potentiellement accessibles.

L'utilisation d'un simple capteur de pression va permettre de réguler la pression dans une installation de pompage. La vitesse de la pompe sera adaptée en fonction de la demande réelle, caractérisée par l’évolution de la pression.

Cette mesure de la pression permettra aussi de gérer les surpressions et donc de mettre le système en stand-by en évitant les ruptures de canalisation. De même, en cas de sous-pression, le système se protégera par un arrêt et évitera tout risque d’inondation.

La gestion par le variateur des phases d'accélération et de décélération permet de supprimer les ballons de stockage destinés à se prévenir des phénomènes de coups de bélier.

DYNEO ® : solutions vitesse variable synchrone à aimants

La vitesse variable connaît un nouvel essor avec l’arrivée de moteurs spécifiquement conçus pour un tel usage : DYNEO ®.

À la pointe des technologies disponibles sur le marché, DYNEO ® regroupe l’ensemble des solutions variateurs et moteurs synchrones à aimants permanents de LEROY-SOMER. Composante de DYNEO ®, LSRPM est une série de moteurs synchrones à aimants qui bénéficie de la mécanique éprouvée IP 55 du moteur asynchrone.

Ce moteur de technologie synchrone est par définition un moteur sans glissement. Ainsi, la vitesse assignée sera scrupuleusement respectée à l'arbre moteur permettant l’optimisation énergétique de l'application. Autre atout majeur de cette technologie : le niveau de rendement exceptionnel. En effet, grâce aux aimants, les pertes rotoriques sont inexistantes dans le LSRPM alors qu’elles représentent un tiers des pertes dans un moteur asynchrone, qu’il soit EFF2 ou EFF1. Notons que l'utilisation d’un variateur de vitesse provoque une chute de tension qui entraîne généralement une baisse de rendement du moteur asynchrone.

Le moteur LSRPM, ayant été conçu pour le pilotage par variateur, son rendement est supérieur à celui d'une solution asynchrone EFF1 de puissance équivalente.

L’écart de rendement est de 2 à 4 points en moyenne, au point nominal de la vitesse à 1500 ou 3000 min-1. De plus, le rendement du moteur LSRPM est beaucoup plus stable qu'un moteur asynchrone quand la vitesse varie. Cet écart de rendement atteint 12 à 15 points à mi-vitesse.

Le rendement ainsi augmenté permet d'accroître la puissance massique ou de réduire l’encombrement du moteur. Selon les puissances et vitesses, la hauteur d'axe est réduite de 1 à 3 tailles comparativement à une solution asynchrone.

Cette puissance massique élevée autorise de nouvelles possibilités de montage, comme l'accouplement par une simple bride pour des puissances jusqu’à 170 kW, au lieu de 55 kW en motorisation asynchrone. Autre exemple : un moteur asynchrone 3000 min-1 de 250 kW caractérisé par une hauteur d’axe de 355 mm et une masse de 1400 kg, est maintenant réalisable avec la technologie DYNEO ® dans une hauteur d'axe de 280 mm pour une masse de 400 kg.

Enfin, grâce à la vitesse variable et la solution DYNEO ®, il est maintenant possible d’étendre avec un seul moteur LSRPM la vitesse de fonctionnement de la pompe de 3000 min-1 à 3600 min-1. D’autres possibilités s'ouvrent aussi pour les concepteurs d’hydrauliques, compte tenu de la vitesse de fonctionnement des moteurs LSRPM, pouvant atteindre et dépasser 5500 min-1.

DYNEO ® série LSRPM : Puissance de 0,75 à 400 kW – Couple de 14 à 1400 N·m – Vitesse de 1 à 5500 min-1 – Hauteur d’axe de 90 à 315 mm – Construction IP 55, IK 08 selon CEI 60034

Variation de vitesse :

avantages et perturbations

Démarrer en direct sur le réseau un moteur électrique conduit à un appel de courant élevé qui peut perturber d'autres appareils et à des à-coups mécaniques ; une fois la machine lancée, pas de contrôle d’accélération ni de variation de vitesse. Ces inconvénients sont supprimés avec la variation de vitesse qui consiste à recréer à partir du courant du réseau un courant variable en fréquence (d’où l'autre dénomination variateur ou convertisseur de fréquence) grâce à des composants électroniques de puissance et un module de contrôle électronique. Le variateur module la vitesse du moteur en fonction d'une consigne choisie et plus encore : contrôle des accélérations, inversion du sens de marche. Le variateur assure aussi la protection du moteur contre des courts-circuits, des surtensions, etc. Il est même possible de récupérer de l'énergie et de la renvoyer sur le réseau (plutôt en forte puissance). Cette électronique est de plus en plus communicante et l'on peut récupérer de nombreuses données sur le fonctionnement des équipements (durées, consommations, etc.).

« Revers de la médaille, cette électronique perturbe », souligne Fabrice Poulet, Responsable des produits de variation de vitesse chez Rockwell Automation. « Le pont redresseur génère des harmoniques basse fréquence sur le réseau qui peuvent être très dommageables ». Les constructeurs font de leur mieux pour les réduire ; il existe des variateurs “propres” générant très peu d'harmoniques, équipés de filtres actifs (avec un surcoût de 20 à 40 %). L'onduleur génère des perturbations électromagnétiques haute fréquence ; le fabricant peut en partie y remédier par construction (forme et matière des carters) mais une partie de ces perturbations électromagnétiques (émissions par les fils) est imputable à l'implantation : nature des fils (blindage), cheminement, distance… C’est donc à l'installateur de prendre des précautions, de respecter des règles d'installation et d'utiliser des câbles d'alimentation appropriés.

[Encart : Le VLT® Aqua Drive de Danfoss Drives est une solution intéressante pour la régulation des pompes et aérateurs dans les systèmes de distribution et de traitement d’eau. De nombreuses fonctions dédiées y sont intégrées telles que : contrôleur en cascade de pompes, détection manque d’eau, détection fin de courbe (détecte les fuites et ruptures dans les tuyauteries), permutation moteur, rampe initiale et finale (protège les paliers des pompes immergées), autoréglage du PID, contrôleur logique, etc.]

« Quand la vitesse de réponse est assez lente (une dizaine de secondes à quelques minutes), où l'on a affaire à des couples quadratiques, la vitesse variable a toutes les raisons d’être mise en œuvre pour des raisons d’économie d’énergie » explique Fabrice Poulet, Responsable des produits de variation de vitesse chez Rockwell Automation. « Le problème se pose de façon différente lorsqu’il s’agit d’applications à couple constant (dosage, centrifugation… par exemple) dans lesquelles la variation de vitesse est recherchée avant tout pour sa rapidité de réponse (temps de réponse de l'ordre du centième de seconde), l’économie d’énergie venant en second lieu ».

Identifier les postes gourmands en énergie

Autant dire que toutes les installations de pompage et ventilation en service actuellement devraient faire l'objet de diagnostics énergétiques pour identifier les postes les plus gourmands en énergie, analyser leur fonctionnement pour déterminer s'ils peuvent bénéficier de la variation de vitesse. En effet, une pompe qui fonctionnerait 24 h/24 à plein régime tout au long de l'année n’a pas besoin d’un variateur. Par contre, une installation confrontée à des variations de demande aléatoires et fréquentes devra être équipée d'un variateur de vitesse. « Le coût de l’énergie dans l'approche du coût global d’un système de pompage varie entre 40 % pour les pompes d'une puissance inférieure à 5 kW à 85 % pour les pompes au-delà de 100 kW » précise Bruno Portero.

D'une centaine de watts à quelques mégawatts, les fabricants d’équipements électriques proposent tous des solutions de variateurs de vitesse. Leur offre couvre tous les besoins. « Le pompage de l'eau est une application classique de la variation de vitesse et nous ne faisons pas de variateurs dédiés à cet usage, mais nous avons une large gamme. Il en va autrement dans le conditionnement d’air pour lequel les variateurs intègrent bien souvent des programmes spécialisés » précise Philippe Brem, directeur commercial de la division.

[Photo : Pour être au plus près des pompes tout en limitant les coûts liés à la fabrication d’une armoire électrique, certains fabricants, à l’instar du V1000 de Omron, proposent des variateurs directement livrés en coffret IP 66.]
[Encart : Une nouvelle gamme de variateurs chez Lenze Lenze vient de sortir une nouvelle gamme de convertisseurs de fréquence adaptée au domaine de l'eau : les SMV IP65, étanches à la poussière et aux jets d’eau à basse pression. De manière générale, dans le secteur de l'eau, les variateurs de fréquence sont souvent installés dans des locaux techniques. Il en résulte deux inconvénients : premièrement, il faut installer les variateurs IP20 dans des armoires ou coffrets pour leur garantir une bonne protection. Deuxièmement, ces variateurs peuvent se retrouver loin des moteurs. Les câbles devant absolument être blindés, le coût n'est pas négligeable et le fonctionnement en mode vectoriel de flux n'est souvent plus possible. Les SMV IP65 peuvent être installés à l'extérieur (coffret en polycarbonate) et au plus près du moteur. Avantages : le câble moteur blindé est plus court et donc moins cher, le parasitage de l'environnement s'en trouve réduit, ce qui n'est pas négligeable : quand le plan de masse n’est pas respecté, les mises en route s’allongent et les capteurs des mesures sont particulièrement sensibles aux parasites résultant des fréquences de découplage élevées des convertisseurs de fréquence. Les SMV IP65 intègrent un régulateur PI permettant de réguler directement un débit, un niveau ou une pression. Ils sont également disponibles avec interrupteur réseau pouvant être cadenassé ; les interventions sur le site même sont ainsi sécurisées. Enfin, les SMV disposent également d’un module mémoire EPM extractible permettant d’échanger un variateur défectueux rapidement, sans avoir à le paramétrer à nouveau.]
[Encart : Dernier né de l'offre de variateurs de vitesse, l'Altivar 61 de Schneider Electric est dédié aux pompes centrifuges, ventilateurs et compresseurs rotatifs. De mise en œuvre aisée, assortie de nombreuses fonctionnalités, la gamme Altivar 61 intègre toutes les exigences des climaticiens et des hydrauliciens (régulation, protections, communication, exploitation locale/distance).]
[Encart : Destiné aux applications pompes et ventilateurs, le variateur Frenic-Eco de Fuji Electric est disponible pour des puissances allant de 0,75 à 500 kW. D’une utilisation simple, il dispose en standard d’une fonction de régulation PID, de fonctionnalités propres aux applications pompes et ventilateurs (commutation réseau/variateur, fonction de veille avec limiteur bas, détection de perte de commande, détection de faible couple de sortie...) et de la possibilité de commander plusieurs pompes en cascade. « Cette dernière fonction permet par exemple de maintenir la pression dans un réseau d’alimentation en eau potable quelle que soit la demande », souligne Philippe Nouhen, directeur Support Produits & Marketing chez Fuji Electric France.]

Moteurs, Machines et Drives (MMD) d’ABB, qui prône la variation de vitesse depuis très longtemps. Les utilisateurs ont donc l’embarras du choix et ils trouveront forcément une solution, que ce soit en pompage d’eau, en surpression ou en ventilation d’air. Selon qu’il s’agit d’eau potable ou claire (non chargée), ou d’eaux usées contenant toutes sortes de matières en suspension, la manière d'utiliser le variateur de vitesse sera un peu différente.

On observe que dans certaines gammes de vitesses, les matières filandreuses contenues dans les eaux usées peuvent former des tresses qui risquent de boucher des canalisations ; des roues peuvent s’encrasser à la longue avec des boues, il faut alors faire une inversion de rotation (fonc...

[Photo : Surpresseur à variation de vitesse N-ALT VE 6003 de Salmson installé sur la station d’épuration de Le Barcarès (50 000 EH) pour la fourniture en eau industrielle.]
[Encart : Des références de plus en plus nombreuses dans la variation de vitesse La variation de vitesse n'est pas une chose nouvelle. Les sociétés au fait des avantages et montrant une certaine volonté l’ont adoptée sans problème. En région parisienne, l’usine d’eau potable du Mont Valérien, qui dessert plus d’un demi-million d’habitants de Gennevilliers et Rueil-Malmaison à partir de captages et d'eau de Seine, a bénéficié de la vitesse variable. Sur cinq pompes, deux sont équipées de variateurs Altivar 61 de 630 kW de Schneider Electric. Ils sont sous le contrôle d’un automate de pilotage de l'ensemble de l’installation. La variation de vitesse joue entre 600 et 1 500 tr/min et apporte une gestion plus fine des installations. En eaux usées, la station de Grasse (24 000 EH) a fait l'objet d'une rénovation, notamment d’un point de vue conduite, avec l'implantation d’automates programmables et aussi de variateurs de vitesse Altivar 31 pour toutes les pompes, surpresseurs et ventilateurs. Les stations comme celle-ci, qui utilisent un procédé à membranes, ont intérêt à profiter au mieux des ressources de l’informatique industrielle pour la régularité d'exploitation et le pilotage automatique. Avec les politiques de marchés passés de manière globale entre grandes entreprises, la variation de vitesse ne peut qu’entrer de manière massive. Ainsi Schneider Electric a passé un accord avec Veolia sur les stations de surpression (environ 2 000 en France). L’équipement va gagner en homogénéité d'appareils et au niveau de la télégestion et de la maintenance. De la même façon, le fabricant finlandais de convertisseurs de fréquence Vacon vient de signer un contrat mondial d’approvisionnement avec Veolia Eau Solutions & Technologies (VES). Cet accord-cadre confère à Vacon le statut de fournisseur privilégié (preferred supplier) de VWS au niveau mondial.]
[Publicité : Vacon]

Étude de cas

Réaliser 44 % d’économie grâce à la variation de vitesse sur un circuit de refroidissement

Le cas étudié est celui d'un poste de consommation qui exige une pression constante à débit variable. Les économies sont moins importantes en pression constante mais il a été choisi à dessein car il est représentatif d’une utilisation industrielle de la variation de vitesse.

[Photo]

Il s'agit ici d'une unité d’alimentation en eau de refroidissement équipée d'un variateur de vitesse Movitec PumpDrive de KSB dans un process de transformation de matières plastiques : malgré un débit variable sur l'ensemble des installations, chaque machine requiert un volume d’eau de refroidissement défini afin d'assurer la qualité constante des produits fabriqués.

L’étude de la consommation énergétique annuelle d'un groupe monopompe révèle que la variation de la vitesse du moteur de pompe en fonction des besoins permet une réduction considérable des coûts énergétiques de l'entraînement de la pompe. Pour un système d'eau de refroidissement en process industriel, une pompe est déterminée pour les caractéristiques nominales suivantes :

Débit : Qn = 65 m³/hHauteur manométrique : Hn = 35 mPuissance absorbée du moteur de pompe : Pmot = 11 kW (type de pompe : KSB Movitec VF 65/4)

Pour l’alimentation en eau de refroidissement, une pression de refoulement constante de 6 bar est nécessaire. La pression d’aspiration du système d’eau industrielle principal varie entre pmin = 2,5 bar et pmax = 4,0 bar.Cela signifie que l’on n’a besoin de la puissance maximum de la pompe qu’en cas de pression d’aspiration minimum pmin. Si la pression d'aspiration disponible est supérieure, la pompe peut ainsi être exploitée avec une puissance réduite. Pour ce faire, la pompe est équipée d'un variateur de vitesse qui est monté directement sur le moteur de la pompe (voir photo).

La pompe fonctionne 8 200 heures par an. Afin de mettre en évidence l’impact de la variation de la puissance hydraulique (en fonction des besoins) sur la consommation énergétique, l’on suppose, pour le cas présent, le profil de charge suivant :

Heures de fonctionnement : 3 690 h/a  
Débit : Q1 = 39 m³/h  
Pression aspiration : pam = 4,0 bar  

2 780 h/a  
Q2 = 52 m³/h  
pam = 3,5 bar  

1 640 h/a  
Qn = 65 m³/h  
pam = 2,5 bar  

Consommation énergétique pour fonctionnement de la pompe en cas de pompe non régulée : 93 807 kWhConsommation énergétique pour fonctionnement de la pompe à vitesse variable : 52 196 kWh

Énergie électrique économisée pour fonctionnement de pompe : 41 611 kWh

Le fonctionnement de la pompe avec adaptation de la puissance hydraulique en fonction des besoins réduit ainsi la consommation énergétique de 44 %. En supposant un prix de 8 Ct/kWh, cela représente une économie annuelle de 3 328 € pour l’exploitant de l’installation.Pour le type de pompe choisi, cette économie de coût correspond environ à la moitié des coûts supplémentaires que représente le variateur de vitesse. Dans ce cas, l’investissement supplémentaire pourrait être amorti en l’espace de six mois environ.

[Publicité : Bonfiglioli]

Le variateur de fréquence modulaire CFW-11 de Weg incorpore la fonction d’automate programmable (PLC) interne qui élimine la plupart des besoins d’un dispositif PLC externe supplémentaire. La fonction Soft-PLC permet de créer un grand nombre d’applications potentielles telles que : enroulement, système de pompage multiple, commande en cascade, etc.

Les préoccupations : l’économie d’énergie, l’amélioration du fonctionnement des procédés (optimisation de rendement, de consommation de réactifs, etc.), l’apport de fonctionnalités étendues (télégestion, analyses de consommation, etc.) ; à cela s’ajoutent d’autres considérations comme l’environnement sonore notamment. Des améliorations moins quantifiables arrivent en complément, puisqu’en faisant varier la vitesse, les équipements sont moins sollicités. Un démarrage ou un arrêt plus doux évitera des coups de bélier, par exemple ; des courroies subiront moins d’à-coups, etc. À ces considérations techniques s’ajoute, particulièrement dans le domaine de l’eau potable, la satisfaction du client : personne ne supporte plus aujourd’hui de ne pas avoir la pression suffisante à son robinet.

La question n’est donc pas dans l’installation de tel ou tel modèle de matériel mais dans l’adéquation de ce matériel à un problème concret, soit lors de la conception d’une installation, soit en rénovation d’installation.

La variation de vitesse d’un équipement électrique correspond à trois grandes étapes.

L’économie n’est pas linéaire !

Le moteur dont on va moduler la vitesse actionne une machine qui a elle-même son optimum de fonctionnement, particulièrement les machines centrifuges : réduire de 20 % la vitesse d’une pompe centrifuge ou d’un ventilateur peut économiser 50 % de l’énergie. Pour bien comprendre l’intérêt de la variation de vitesse, il faut garder en tête les lois de similitude : le débit est proportionnel à la vitesse de la pompe, la HMT de la pompe et le couple résistant sont proportionnels au carré de la vitesse alors que la puissance absorbée est proportionnelle au cube de la vitesse.

Reste que l’installation électrique de pompage est destinée à une situation (réseau) qui a ses propres caractéristiques : selon les longueurs de canalisation, de hauteur géométrique, de diamètres de canalisation, la vitesse variable n’aura pas le même intérêt pour faire varier un débit sur une installation plutôt qu’une autre. C’est d’autant plus vrai tout au long de la vie d’un réseau que l’on modifie en l’allongeant et en créant des bifurcations et des coudes.

Sur une installation donnée, il est possible

[Photo : D’une centaine de watts à quelques mégawatts, Grundfos propose des solutions propres, intégrées ou non, qui couvrent la plupart des besoins.]

Pompes multicellulaires Lowara associe Hydrovar à ses nouveaux moteurs haut rendement

Lowara, filiale du groupe ITT, vient de développer une nouvelle gamme de moteurs PLM disponibles pour différentes séries de pompes multicellulaires dédiées à un large éventail d’applications de distribution de l’eau, de chauffage et climatisation, d’irrigation et d’usages industriels.

Les gammes incluent la série SV de pompes polyvalentes verticales en acier inoxydable offrant une hauteur d’élévation allant jusqu’à 330 m et un débit atteignant 120 m³/h, les pompes immergées verticales SVI de Lowara en acier inoxydable ayant une hauteur d’élévation allant jusqu’à 247 m et un débit atteignant 72 m³/h et les séries de pompes verticales Lowara TDB-TDV avec hauteur d’élévation jusqu’à 500 m et un débit atteignant 340 m³/h.

Tout en accroissant le niveau d’efficacité du pompage, cette nouvelle technologie réduirait sensiblement la consommation d’énergie et rendrait les pompes plus écologiques et plus économiques. Une seule pompe de 15 kW travaillant 12 heures par jour avec le nouveau moteur PLM permettrait ainsi d’économiser 1 857 kWh par an – l’équivalent de la consommation d’énergie mensuelle d’un foyer européen !

La qualité et la fiabilité des nouveaux moteurs seraient également nettement supérieures aux modèles précédents : le fait qu’ils chauffent moins permettrait de maximiser la longévité du matériel.

Le rendement de ces moteurs peut encore être amélioré en les équipant d’un Hydrovar®. Monté sur une pompe maîtresse, le variateur électronique Hydrovar® peut gérer jusqu’à 8 pompes et réguler intelligemment le régime des moteurs en fonction des besoins de performance des diverses applications. La consommation d’énergie réduite permet d’abaisser un peu plus encore les coûts et l’impact écologique.

Stations de surpression d’eau potable:

Schneider Electric présente une solution complète

Schneider Electric a présenté au printemps 2008 une solution complète et intégrée pour équiper les stations de surpression d’eau potable des opérateurs de distribution d'eau ou d'industriels.

La solution, appelée 3SControl (Solution Surpression Schneider), est simple. Il s’agit d'une armoire de commande intégrant les départs et protections moteurs, les variateurs de vitesse, les cartes solutions 3S, un emplacement pour le système de télégestion, les équipements de commande et de signalisation et un terminal de paramétrage. Elle peut commander jusqu’à 4 pompes. Elle est livrée directement sur site, clé en main, prête à raccorder. La solution 3SControl permet à l'opérateur :

  • * de réguler la pression de l'eau,
  • * de définir le temps de réponse optimal en cas de perturbation,
  • * de diminuer les à-coups hydrauliques,
  • * de disposer de pompes en secours mutuel automatique et d’un mode de repli intégré,
  • * de réduire la consommation d’électricité lors des pics de consommation et de passer en mode économique en période creuse (mode jour et nuit),
  • * d'accéder localement aux modes de fonctionnement et paramétrage grâce à un menu déroulant,
  • * de surveiller à distance la station.

« Avec cette solution simple et intégrée, Schneider Electric optimise les coûts de fonctionnement et facilite la vie de l'opérateur. Elle allie technologie, flexibilité et modularité », souligne Dominique Gayraud, Vice-Président Solutions Eau de Schneider Electric.

Pour anticiper les effets d'une solution, Schneider Electric, par exemple, a développé un logiciel ECO8, téléchargeable, qui calcule les économies annuelles et le temps de retour sur investissement et recommande le variateur le mieux adapté au problème (encore faut-il bien connaître son installation et son cycle de fonctionnement). Vacon propose un calcul en ligne d'économie d’énergie à partir des caractéristiques d'installation. Idem chez ABB. Il est ainsi possible de se rendre compte en quelques clics à l'écran des économies potentielles d'exploitation en recourant à la vitesse variable.

Les fabricants de pompes proposent leurs solutions propres : Grundfos, Salmson, KSB, Flygt et Lowara ont des produits standards à leur gamme, intégrées aux pompes ou non, tels que les surpresseurs Hydroplus AltiNexis intégrant des pompes Nexis VE de Salmson, le système Pumpdrive de KSB, les pompes SPKE, CRE, CRNE… de Grundfos etc.

Une solution qui présente plusieurs avantages : une bonne adéquation du variateur au moteur de la pompe (point important), la possibilité de disposer de préréglages du variateur et une simplification de l'installation : pas de câbles à tirer en plus (précâblage), pas de place à prévoir pour installer les variateurs, compacité. KSB met l’accent sur le fait que son Pumpdrive peut être monté sur différents types de moteurs, y compris sur des pompes qui n’étaient pas équipées jusqu'à présent.

L'offre technique se situe à un niveau élevé : « il n'y a plus d'innovation de rupture aujourd'hui, tout le monde utilise les mêmes types de composants électroniques, on ne se pose plus la question des modes de pilotage qui sont au point. Les améliorations portent sur la plus grande convivialité, les logiciels, la mise en réseau », affirme Philippe Brem. Une retombée de ce haut niveau technique est la possibilité de calculer des débits de manière assez précise uniquement à partir des paramètres de fonctionnement, sans débitmètre. Une fonction appelée IPC (Intelligent Pump Control) chez ABB, qui entre en option sur le variateur et qui semble prisée par certains grands groupes.

L'installation et la mise en route : un point crucial

Mais il reste un point crucial : l'installation et la mise en route : l'installateur doit être correctement formé aux possibilités de la variation de vitesse et à ses quelques inconvénients (voir encadré page 39). Or, à entendre certains spécialistes du domaine, les ratés ne sont pas rares : réseaux perturbés, cartes grillées, fonctionnements qui ne sont pas à la hauteur des attentes. « Il n’existe pas en France l'équivalent du “commissioning” c’est-à-dire la mise en service correcte et nominale des équipements. Les gens ne veulent pas payer cela ! » propos entendus lors de la journée CNFME sur la gestion durable de l’énergie.

Philippe Brem d’ABB reconnaît que dans le domaine de l’eau, les circuits d’achats de matériel, les politiques des exploitants de réseaux en matière d'installation sont très diverses. « C’est un marché très atomisé, il y a beaucoup d’installateurs, depuis les grandes sociétés jusqu’aux artisans, et tous ne disposent pas du même niveau de compétences en matière de variateurs de vitesse. Mais c'est un domaine comme un autre. En cas de problème, les grands fournisseurs de variateurs ont des services après-vente très opérationnels et pointus pour répondre aux problèmes ».

Pour être au plus près des pompes tout en limitant les coûts liés à la fabrication d’une armoire électrique, certains fabricants, à l’instar d’Omron avec son V1000, proposent des variateurs directement livrés en coffret IPP66. « Ainsi le variateur peut être installé à proximité du moteur, même en présence de poussières ou d'eau à forte pression, sans devoir assurer de protection supplémentaire », souligne Gilles Gomila, Chef Produits Variation de Fréquence et Motion chez Omron. L'interface opérateur numérique est montée sur la plaque du

[Encart : texte : Optimiser le bilan énergétique grâce à la mécatronique La mécatronique combine l'électronique, la mécanique, la technologie de l'information et les systèmes de commande en intégrant le tout dans un système moteur. Le fait que le réducteur, le moteur et l'électronique soient réunis dans un seul entraînement offre plusieurs avantages pour le développeur comme pour l'exploitant : flexibilité et efficacité accrues, simplification des interfaces, installations compactes, etc. C’est la raison pour laquelle les produits mécatroniques jouent un rôle important en matière de systèmes décentralisés. MoviGear® de Sew Usocome réunit dans un seul et même boîtier, moteur, réducteur et convertisseur de fréquence avec l'ensemble des fonctionnalités associées : vitesse variable, automatismes, dialogue réseau. MoviGear® a été plus particulièrement conçu pour les applications réclamant des couples de démarrage et de rupture élevés combinées à de faibles couples de friction. L'optimisation permet de réduire sensiblement la puissance installée et son rendement élevé rend l'entraînement économe en énergie. Le MoviGear® fournit un couple quasiment constant sur l'ensemble de la plage de régulation ce qui réduit le nombre de rapports de réduction nécessaires. L'utilisation optimale d'un boîtier unique supprime la nécessité du ventilateur de moteur pour l’évacuation de la chaleur et permet une mise en service simple et rapide. La communication se superpose à l'alimentation dans le même câble ce qui se traduit par une économie et un gain de temps lors de l’installation.]
[Photo : Gefran propose une large gamme de variateurs de vitesse, dont le tout nouvel ADV50, pratique et avantageux en matière d’espace et de prix. Il intègre de nombreuses fonctions (PID, PLC, multi vitesses 15 max), se commande simplement par la face avant via un bouton M/A, et potentiomètre pour réglage de la vitesse. Capot avant pour faciliter la configuration et la surveillance de l’appareil. Ce coffret IP66 est équipé d’un filtre EMC Class C1 intégré.]

La pénétration de la variation de vitesse est-elle assez rapide ? Où en est-on ?

Le renchérissement des coûts de l’énergie, la directive européenne sur le Contrat de Performance énergétique (2006/32) et les CEE, certificats d’économie d’énergie (Loi de programme du 13 juillet 2005), accélèrent l’adoption des variateurs de vitesse. Les CEE intéressent directement les installateurs qui deviennent financièrement incités à placer ces équipements.

L’utilisateur s’y retrouve. « Certes l’économie absolue est plus importante sur un moteur de 300 kW. Mais il faut voir que beaucoup de petits moteurs finissent par représenter beaucoup de puissance. C’est bien l’économie relative qui importe. Et globalement, on peut dire que le temps de retour sur investissement (incluant le matériel, l’installation, la mise en service et l’exploitation) va de 1 à 3 ans en étant large », affirme Philippe Brem.

Un point de vue partagé par l’ensemble des professionnels. « La variation de vitesse suscite, depuis plusieurs années, un intérêt soutenu pour les économies d’énergie qu’elle génère mais aussi pour bien d’autres avantages tels que l’optimisation des process ou encore les économies qu’elle permet de réaliser en termes d’exploitation et de maintenance », remarque Fabrice Poulet, Rockwell Automation. « Mais la baisse constante du prix des variateurs conjuguée à la hausse du coût de l’énergie a provoqué un raccourcissement sensible du temps de retour sur investissement qui excède désormais rarement une à deux années. »

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