Solution technique - Mars 2015
Bien choisir un variateur de vitesse
Aujourd’hui, faire le bon choix d’un variateur, ne passe plus uniquement par un choix « électrique » mais par une bonne adéquation avec l’application du client. Le variateur électronique de vitesse se trouve au cœur de l’application et synthétise de nombreux services.
Les principaux points habituels qui interviennent dans le dimensionnement d’un variateur de vitesse sont :
• Le type de moteur entraîné : pour des équipements dans le secteur du bâtiment, les moteurs asynchrones à cage sont les plus répandus concernant les applications courantes. Ils doivent être de classe énergétique IE3 sans variateur ou IE2 avec variateur de vitesse. Il existe cependant certains rooftops, utilisés dans le bâtiment, qui embarquent des moteurs à aimants permanents (moteurs brushless) afin d’assurer aux fabricants des ventilateurs de meilleurs rendements énergétiques. Autre type d’entraînement, plus rare (4 à 5 % du marché) : les moteurs à courant continu. Ils sont employés pour les tâches de manutention lourdes tels que pour les portiques à bennes, les conteneurs ou les remontées mécaniques. Les solutions de variation de vitesse sont alors relativement simples. Avec ces moteurs, l’utilisation de variateurs à quatre quadrants permet de réinjecter du courant sur le réseau lors des phases de freinage.
• Les caractéristiques du moteur : il s’agit notamment de la puissance, de la tension et de la vitesse de rotation. Ces trois informations permettent de choisir le calibre du variateur. Un variateur sous-dimensionné ne pourra pas atteindre la fréquence nominale requise. Surdimensionné à l’excès (dans un rapport de trois ou plus), il induira une certaine instabilité du moteur et parfois une perte de phase.
• Le type d’application : en prêtant attention à l’application, il est possible de choisir la gamme de variateur. Par exemple, les applications de type process industriel, manutention simple ou emballage impliquent la production d’un couple constant. Il s’agit de réalisations effectuées par les OEM pour des puissances généralement inférieures à 15 kW avec des variateurs relativement standards. Entre 15 kW et 1 MW, ces applications demandent la mise en œuvre de variateurs relativement évolués. La circulation et le pompage des fluides, de même que la ventilation, impliquent en revanche la mise en œuvre d’une solution à couple variable. Ces applications soulèvent aujourd’hui la question de la performance énergétique et de la gestion de l’énergie, en lien avec des services à valeur ajoutée. Certains variateurs embarquent un algorithme d’autoréglage dédié à ce type d’application, jouant son rôle lors de la première mise sous tension. Si on souhaite contrôler le couple, un variateur en mode vectoriel sera préconisé. S’il s’agit de contrôler la vitesse, alors le mode scalaire sera de mise.
• Le lieu d’installation : sur un toit, dans une centrale d’air ou en armoire ? IP21, le variateur doit se trouver en armoire ou dans un local technique. IP55, il peut être mis en œuvre sur un toit d’immeuble, avec une casquette le protégeant des UV.
Quelle maintenance sur un variateur ?
Le plan de maintenance préventive d’un variateur de vitesse comprend un relevé à l’oscilloscope tous les deux ans afin de s’assurer de ses caractéristiques, un dépoussiérage et un échange des ventilateurs tous les trois ou quatre ans. Enfin, chaque décennie écoulée nécessite de vérifier l’état des condensateurs. Notons qu’un variateur resté plus d’une année sans être utilisé devra subir des cycles de charge et de décharge contrôlée, afin de rétablir l’état initial des condensateurs.
L’auto-apprentissage
Le variateur de vitesse électronique étant devenu un composant relativement banalisé et d’une grande fiabilité, les fabricants ont entamé depuis quelques années une nouvelle course au développement : le logiciel embarqué. En effet, la mise en œuvre d’un algorithme performant au niveau même du variateur, apporte une aide précieuse à l’installateur, mais aussi à l’exploitant et aux techniciens en charge de la maintenance. Il faut comprendre que la relation entre le moteur et le variateur s’appuie sur des paramètres électriques qui, lorsqu’ils sont correctement mesurés et analysés par le variateur, délivrent un champ d’informations relativement large. Sur cette base, une couche logicielle permet de créer une interface ergonomique facilitant l’appairage entre moteur et variateur.
Par exemple, un algorithme embarqué permet en exploitation de visualiser des informations de maintenance préventive de même que les paramètres mécaniques de la pompe.
Parfois, à la mise en route, l’installateur a juste à entrer les paramètres mécaniques de la charge (pompe, ventilateur) et visualise les paramètres de l’applicatif au service de la fonction afin de réguler au point de fonctionnement, afficher les consommations d’énergie, les courbes de tendance ou encore générer des alarmes techniques.
En d’autres termes, le variateur de vitesse en tant que constituant électrique glisse doucement vers un élément de commande applicative. Par ce biais, l’équipement se met réellement à la portée de l’installateur et de l’exploitant.
Ouverture sur les bus de communication
Les nouvelles générations de variateurs, toutes puissances confondues, pour les applications industrielles comme pour le bâtiment, s’ouvrent aux bus de communication : Modbus, Lonworks… et surtout à Ethernet. A cela s’ajoutent des entrées/sorties de micro-automates embarqués. Il n’y a plus de doutes, le variateur est un composant communicant. C’est aussi dans ce sens qu’il doit être sélectionné, afin de répondre aux attentes de l’exploitant dans le cadre d’une vision élargie des services. Le variateur embarque aujourd’hui des fonctions d’automatisation très spécifiques. Par exemple :
– fonction désenfumage : elle inhibe tout défaut interne au variateur afin de commander coûte que coûte le désenfumage d’un local ;
– fonction « contrôle des ventelles » : elle empêche le moteur de démarrer lorsqu’elles restent fermées ;
– certaines fonctions permettent de supprimer des résonances mécaniques ;
– fonction anti-colmatage.
Grâce aux bus de communication, le variateur s’ouvre sur le monde. De fait, il est possible de se connecter à l’équipement à distance avec une simple tablette ou un ordinateur, par exemple pour suivre le cycle de vie de l’équipement, déceler une usure prématurée... En lien avec un serveur distant, le technicien peut aussi se connecter avec une documentation ou encore accéder à des informations contextuelles.
En d’autres termes, l’offre proposée sur le marché contribue à optimiser les installations, notamment du point de vue de la disponibilité, de la performance énergétique et de la maintenance préventive.
La question des filtres
Les moteurs électriques les plus anciens, datant des années 1980, ne sont pas prémunis contre les risques de surtension consécutifs au découpage du courant. Il convient alors d’interposer un filtre spécial qui permettra d’atténuer l’onde.
En matière de compatibilité électromagnétique (CEM), problématique liée aux hautes fréquences, les variateurs sont généralement équipés des filtres adéquats pour des liaisons moteur/variateur inférieures à vingt mètres. Au-delà, et en fonction de l’environnement potentiellement perturbé, il convient d’adjoindre les filtres additionnels habituels. Pour choisir le bon filtre, il faut connaître la configuration du transformateur en amont de même que le type de régime du neutre.
Concernant les harmoniques (basse fréquence), certains variateurs en intègrent le traitement. Si ce n’est pas le cas, des filtres passifs (selfs d’entrée) devront être mis en œuvre. L’utilisation de filtres actifs permet d’atteindre un niveau d’harmonique encore plus bas.
Michel Laurent
