Gestion de l'énergie avec variateurs de fréquence (VFD)

1 – Qu'est-ce qu'un variateur de fréquence (VFD) ?

Il s'agit de dispositifs électroniques capables de réguler la fréquence du courant électrique alternatif et, par conséquent, la vitesse de rotation et le couple des moteurs électriques, en fonction de la demande d'un système donné, contribuant ainsi à la gestion de l'énergie. On les appelle également variateurs de fréquence ou simplement onduleurs.

2 – Quels sont les composants de ce dispositif ?

Le VFD se compose de cinq éléments : un redresseur réseau, qui convertit le courant alternatif en courant continu ; des réacteurs qui filtrent la tension du circuit, augmentent le facteur de puissance et peuvent réduire les harmoniques ; une batterie de condensateurs ; un circuit de commande ; et enfin, un onduleur, qui convertit le courant continu en courant alternatif pour l'entrée du moteur.

Schéma fonctionnel d'un variateur de fréquence. Source : Danfoss.

3 – Quelle est la différence entre un variateur de fréquence et un convertisseur de fréquence ?

Le nom « variateur de fréquence » vient des termes anglais « Variable Frequency Drive (VFD) » ou « Variable Speed Drive (VSD) ». Au Brésil, « convertisseurs de fréquence » et « termes » sont les nomenclatures généralement utilisées pour ces appareils. Ces différents noms ne représentent pas de différences techniques entre les produits.

4 – Quelles sont les applications des variateurs de fréquence dans la construction et/ou l'industrie ?

Dans la construction, ces appareils sont généralement utilisés dans les moteurs de pompes à eau glacée secondaires (BAG), les ventilo-convecteurs, les tours thermiques et autres types de ventilateurs et de moteurs. Dans l'industrie, ils sont largement utilisés dans divers types de pompes, compresseurs, turbines hydrauliques et moteurs pour le traitement et le transport de produits. Leur champ d'application est si large qu'ils peuvent être utilisés pour contrôler, par exemple, des pompes submersibles de déshuilage.

5 – Les variateurs de fréquence peuvent-ils être utilisés dans n'importe quel type de moteur ?

Selon le cas, il est possible d'équiper un moteur pour qu'il fonctionne à charge variable, avec ou sans variateurs de fréquence. Les mécanismes mécaniques (réducteurs), hydrauliques, la modification du diamètre de la roue des pompes/ventilateurs, entre autres, sont des options qui peuvent également être utilisées pour améliorer l'efficacité énergétique dans les industries et les bâtiments. Dans chaque cas, il convient d'analyser les avantages, les inconvénients, l'investissement et, surtout, le potentiel de réduction des coûts grâce aux économies d'énergie.

Le variateur de fréquence avec inversion doit être associé aux moteurs asynchrones. Autrement dit, des moteurs électriques à courant alternatif (CA) qui utilisent le courant généré dans leur rotor.

6 – Est-il possible d'améliorer la gestion de l'énergie et de réduire la consommation d'énergie avec ces dispositifs ?

Oui, dans de nombreux cas, lorsqu'il n'est pas nécessaire que le moteur fonctionne toujours à sa capacité maximale. Grâce à ce dispositif, il est possible d'ajuster la vitesse du moteur en fonction des besoins du système. Cela se traduit bien sûr par des économies d'énergie.

Dans les applications de pompage de liquides et de ventilation d'air ou d'autres gaz, une réduction de 30 % de la rotation du moteur, par exemple, peut représenter une réduction de 66 % de la puissance à l'arbre moteur. Cette relation est donnée par les « lois des couches », conceptualisées en mécanique des fluides et testées de manière exhaustive par les fabricants d'équipements hydrauliques.

Le fonctionnement des variateurs, associé à une instrumentation adaptée, permet d'obtenir la vitesse optimale en fonction des conditions requises par le système à tout moment. Cela se traduit directement par des économies d'énergie lorsque la vitesse est inférieure à la vitesse maximale.

7 – Quels sont les défis les plus courants rencontrés au quotidien avec les variateurs de fréquence ?

Une erreur très courante dans nos salles de contrôle de l'énergie est l'utilisation inadéquate de l'automatisation de ce système. Par manque de connaissances, de nombreux opérateurs finissent par « verrouiller » les variateurs à la fréquence fixe de 60 Hz, ou aux conditions de conception du moteur, ce qui est contraire à la logique du variateur. Cette pratique inacceptable démontre un manque de gestion de l'énergie et empêche le variateur d'économiser de l'énergie.

Nous avons également observé des cas de variateurs fonctionnant à des fréquences fixes inférieures à 35 Hz. Cette procédure est particulièrement grave, car elle peut endommager ou réduire la durée de vie du moteur, ainsi que réduire considérablement l'efficacité des systèmes de pompage, de ventilation et de compresseur. Il est nécessaire de vérifier la plage de fonctionnement idéale de chaque moteur conformément au manuel du fabricant. Si un moteur fonctionne toujours bien en dessous de sa capacité, il est possible qu'il soit surdimensionné.

Conclusion : Un variateur de fréquence ne garantit pas une meilleure efficacité ni une meilleure gestion de l'énergie.

Il est inutile d'acheter un variateur de fréquence si sa détection ne fonctionne pas correctement.

La combinaison de variateurs de fréquence et d'un choix d'équipements adéquat, la conception de la protection du système, l'utilisation de moteurs à haut rendement, entre autres bonnes pratiques d'ingénierie, d'exploitation et de maintenance, garantissent l'amélioration de l'efficacité énergétique des installations.

Un exemple pratique : chez l'un de nos clients du secteur commercial, le simple déverrouillage des variateurs de fréquence des pompes à eau glacée (BAG) a permis d'estimer les économies à 47 910 kWh/an. Cette valeur équivaudrait à 27 472 R$ par an, un exemple de mesure à coût nul avec des économies immédiates.

Avec la collaboration d'André De Dominicis et Hamilton Ortiz