Entraînements à fréquence variable

Moteurs c.a. à induction à cage d’écureuil

La majorité des moteurs c.a. à induction sont des moteurs à cage d’écureuil.

Dans ce type de moteurs, les enroulements du rotor (voir la figure 5) se composent de barres en aluminium ou en alliage de cuivre disposées parallèlement à l’arbre et qui sont court-circuitées par des anneaux d’extrémité suivant le dessin ci-après.

La forme des barres et la résistance de l’alliage qui les constitue influent sur les caractéristiques de la courbe couple-vitesse du moteur.

Entraînements à fréquence variable à modulation d’impulsions en durée

Lorsqu’ils fonctionnent à partir d’une source d’alimentation à fréquence constante (normalement 60 Hz), les moteurs c.a. à induction sont des machines à vitesse fixe.

Un entraînement à fréquence variable commande la vitesse d’un moteur c.a. en faisant varier la fréquence de l’alimentation du moteur.

L’entraînement assure également la régulation de la tension de sortie par rapport à la fréquence de sortie, de façon à maintenir relativement constant le rapport tension sur fréquence (V/Hz), qu’exigent les caractéristiques d’un moteur c.a. pour engendrer le couple qui convient.

La première étape du processus consiste à transformer la tension d’alimentation c.a. en une tension c.c. au moyen d’un redresseur. La sortie c.c. renferme des ondulations de tension qui sont lissées par des condensateurs de filtrage. Cette partie d’un EFV est souvent désignée sous le nom de liaison c.c.

Cette tension c.c. est alors reconvertie en une tension c.a. La conversion est en principe réalisée par des dispositifs électroniques de puissance tels que transistors de puissance bipolaires à grille isolée IGBT employant la technique de modulation d’impulsions en durée (PWM). La tension de sortie est établie et coupée à haute vitesse, la durée ou largeur des impulsions commutées étant contrôlée de façon à obtenir une forme d’onde voisine d’une onde sinusoïdale.

Les anciennes technologies d’entraînements comme les redresseurs à courant constant et les régulateurs par variation de tension, employaient comme dispositifs de commande des redresseurs commandés au silicium (SCR) ou thyristors. Ces technologies sont désormais remplacées par les EFV à modulation d’impulsions en durée (PWM).

L’ensemble du processus est commandé par un microprocesseur qui contrôle :

• la tension d’alimentation d’entrée
• le point de consigne de vitesse
• la tension de la liaison c.c.
• la tension et le courant de sortie assurant un fonctionnement du moteur dans les limites des paramètres prédéterminés.

La figure 6 ci-après montre un entraînement EFV PWM classique.

Dans les entraînements ou applications les plus simples, la référence de vitesse est simplement un point de consigne. Cependant, pour les applications plus complexes, la référence de vitesse et délivrée par un système de commande de processus comme un automate programmable (PLC) ou un tachymètre.

Choix des EFV

Aspects électriques de l'application d'EFV à des moteurs c.a.

Une application réussie et nécessitant peu d'entretien des entraînements EFV exige de bien comprendre leur impact sur le moteur et sur le réseau de distribution électrique.

L'application des EFV à des moteurs à induction va entraîner des effets dont il faut tenir compte pour un fonctionnement satisfaisant. En voici quelques exemples :

• L'aptitude d'un moteur à assurer efficacement son propre refroidissement diminue à mesure que sa vitesse baisse. Le surdimensionnement du moteur ou l'installation d'un système de ventilation externe peuvent se révéler nécessaires en cas de fonctionnement prolongé à de faibles vitesses et sous charges élevées.
• Le fonctionnement à différentes vitesses risque de provoquer des résonances mécaniques dans l'équipement entraîné. Il faudra identifier ces vitesses de résonance et les exclure de la gamme de fonctionnement du moteur.
• Les EFV engendrent des tensions et courants harmoniques qui risquent, dans certains cas, d'entraîner des effets indésirables sur le réseau de distribution électrique et d'altérer le fonctionnement des équipements. Si l'on soupçonne un problème de qualité de l'onde, on devra faire inspecter le réseau électrique par une personne qualifiée. Pour minimiser ces effets, on devra parfois installer des transformateurs d'isolement, des bobines d'inductance de ligne ou des filtres. Pour plus d'informations, communiquez avec le représentant de votre entreprise d'électricité locale. Dès l'achat des EFV, il est bon de tenir compte de l'installation de dispositifs de filtrage qui minimiseront les problèmes de qualité de l'onde dans le réseau électrique. On devra faire appel à un spécialiste qualifié dans le domaine qui pourra évaluer et établir la nécessité de tels dispositifs.

Alimentation électrique des entraînements

Pour fonctionner de façon sécuritaire, efficace et fiable, les entraînements c.a. nécessitent une alimentation électrique convenable. Les entraînements monophasés fonctionnent sous des tensions d'alimentation normalisées de 120 et 240 volts. Les tensions normalisées des moteurs triphasés sont de 200, 230, 460 et 575 volts.

La tension d'alimentation assignée du réseau de distribution est en principe plus élevée que celle de la plaque signalétique de l'entraînement, afin de tenir compte des chutes de tension entre le transformateur de distribution et le point d'utilisation.

En Amérique du Nord, la fréquence assignée est de 60 Hz (hertz ou cycles par seconde).

Harmoniques

La distorsion harmonique de la tension et du courant dans les réseaux électriques est engendrée par les charges non linéaires telles que EFV, machines à souder, redresseurs, alimentations sans coupure (UPS), fours à arc, etc. Les harmoniques déforment l'onde électrique et cette distorsion risque de se propager au réseau électrique tout entier et éventuellement à l'extérieur de l'usine.

Dans les EFV, la distorsion harmonique a pour origine les dispositifs de commutation de courant à semi-conducteurs employés pour produire les fréquences d'alimentation variables.

Ces effets, appelés "courants harmoniques de ligne", ont une fréquence multiple de celle du courant d'alimentation fondamental à 60 Hz. Par exemple, une fréquence de 180 Hz correspond au troisième harmonique. Ces courants engendrent des distorsions harmoniques de la tension qui, la plupart du temps, dépassent les niveaux acceptables.

Pour plus de détails, on se reportera au "Guide de référence sur la qualité de l'onde" de CEATI International.

Composantes harmoniques

Version texte: Figure 7

Figure 7

Deux graphiques illustrant les amplitudes harmoniques. Les deux graphiques montrent chacune deux vagues de péché représentant la tension en fonction du temps, en traversant un milieu pointillé horizontale.

Dans le premier graphique la plus grande vague péché est marqué comme sin (x) et la deuxième vague de péché est marqué comme 0,33 sin (3x). Sin d'onde de Sin (x) représente un cycle d'une moitié de l'onde au-dessus de la ligne horizontale et une demi-dessous. Onde de 0,33 Sin sin (3x) montre trois cycles de la même durée que un cycle de péché péché d'onde (x), avec trois vagues dessus de la ligne en pointillés et trois vagues en dessous de la ligne en pointillés.

Le deuxième graphique illustre la formule sin (x) + 0,33 sin (3x). Il montre un cycle d'une double bosse onde sinusoïdale, avec une moitié de la vague au-dessus de la ligne pointillée et la moitié au-dessous.

Les amplitudes des harmoniques impairs diminuent avec l'augmentation de leur fréquence, ce qui fait que les harmoniques de rangs inférieurs sont les plus importants. Les systèmes à EFV ne génèrent en principe pas d'harmoniques de rangs pairs.

Les harmoniques existent aussi longtemps que fonctionne l'équipement qui les génère et leur amplitude a tendance à rester stable.

Les harmoniques sont susceptibles d'être considérablement amplifiés par les condensateurs de correction du facteur de puissance. L'inductance du réseau d'alimentation peut, pour certaines fréquences harmoniques, entrer en résonance avec les condensateurs et engendrer des courants et tensions de valeurs élevées risquant d'endommager les équipements.

Effets des harmoniques

Les microprocesseurs, machines à commande numérique et systèmes de commande de processus ne peuvent fonctionner qu'à partir de signaux de commande précis. L'existence d'harmoniques risque d'entraîner des anomalies du fonctionnement de ces matériels. Les harmoniques peuvent par ailleurs créer des interférences avec les ordinateurs et un fonctionnement incorrect des équipements électroniques. Ils risquent en outre provoquer la défaillance de condensateurs et de fusibles.

En présence d'harmoniques de courant, les moteurs tournent à des températures plus élevées et consomment donc davantage d'énergie, car ils doivent compenser le "couple contrarotatif" que créent les harmoniques impairs.

Il peut en résulter un claquage prématuré des matériaux d'isolation et une diminution de la durée de vie. Le moteur verra en outre son rendement global diminuer et aura à supporter des contraintes de tension sur ses enroulements et des pulsations du couple.

La gestion des harmoniques

Si l'on soupçonne un problème d'harmoniques, celui-ci devra être confirmé avant que toute tentative d'action correctrice ne soit entreprise. Un essai assez simple consiste à visualiser les formes d'onde du réseau électrique sur un oscilloscope. Une distorsion notable de la forme d'onde est une indication de la présence d'harmoniques. Les analyseurs d'harmoniques de puissance permettent de mesurer l'amplitude des harmoniques individuels. De façon générale, il est préférable de confier ce travail à un expert spécialisé en qualité de l'alimentation.

Les utilisateurs ont à leur disposition diverses solutions pour résoudre ces problèmes; ils doivent d'abord s'assurer que l'installation est conforme au code de l'électricité applicable et que le système de mise à la terre est conforme aux normes.

Alimentation séparée
Idéalement, les charges produisant des harmoniques, de même que les charges sensibles, devraient être alimentées par des artères totalement distinctes et des transformateurs indépendants.

Transformateurs d'isolement et inductances de ligne
Pour protéger l'entraînement et aussi la ligne d'alimentation c.a. contre la distorsion, on emploie souvent des transformateurs d'isolement et des inductances de ligne.

Filtres
Les filtres d'harmoniques servent à réduire l'amplitude d'un ou de plusieurs courants de fréquences déterminées afin d'empêcher qu'ils ne pénètrent dans le reste du réseau. Les filtres peuvent être conçus sur demande de façon à correspondre à l'environnement électrique.

Longueur des câbles
La longueur des câbles devra être aussi courte que possible, c.-à-d. inférieure à 15 m ou 50 pieds, chaque fois que cela est possible.

Une bonne pratique largement acceptée consiste à acheter un système d'entraînement complet comprenant les inductances de ligne, plutôt que d'acheter l'entraînement seul. En règle générale, une inductance de ligne d'une impédance de 3 à 5 % va éviter que les harmoniques engendrés par un entraînement EFV n'interfèrent avec les équipements sensibles alimentés par le réseau électrique.

Si les charges non linéaires dépassent 20 % de la charge totale de l'usine, il serait judicieux de réaliser une étude des harmoniques et de minimiser leur impact éventuel en installant, outre les inductances de ligne, des transformateurs d'isolement.

Spécification des entraînements en matière d’harmoniques

Les spécifications des entraînements portent généralement la mention :“L’équipement de conditionnement d’énergie ne devra pas engendrer de distorsion en tension ou d’encoches de commutation qui soient supérieures aux limites conseillées par la norme IEEE 519”; mais le sens n’est pas forcément clair pour une installation en particulier. Que signifie respecter la norme IEEE 519 lorsque l’on installe un entraînement sur un système d’alimentation électrique ?

La norme IEEE 519-1992 “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems (Pratiques et spécifications recommandées pour le contrôle des harmoniques dans les réseaux d’alimentation électrique” est souvent citée en référence, mais n’est pas forcément toujours bien comprise.
Certaines parties de cette norme sont consacrées aux pro­blèmes qu’engendrent les courants et tensions harmoniques, donnent des exemples de calcul, des exemples d’applications, et traitent des courants harmoniques produits par divers types de convertisseurs de puissance et de charges non linéaires.

D’un point de vue pratique des applications des entraînements, respecter les prescriptions en matière d’harmoniques signifie que les entraînements doivent présenter, à leurs bornes de sortie, une distorsion harmonique totale de courant inférieure à 5 % pour la charge assignée. Pour les faibles puissances d’entraînement rencontrées avec les charges à couple variable, le taux de distorsion harmonique (THD) du courant mesuré par un analyseur d’harmoniques peut être supérieur à 5 %, mais l’amplitude du courant harmonique devra alors être inférieure à celle de pleine charge.

Critères des moteurs

Problèmes électriques des moteurs

Les systèmes d'isolation des enroulements sont classés selon leur tenue aux températures ou leurs capacités thermiques Les essais permettant d'établir les propriétés thermiques des installations à basse tension ne doivent pas soumettre leur isolation électrique à des contraintes supérieures à 600 volts.

En fonctionnant, un EFV PWM risque d'engendrer des transitoires de tension de valeur nettement plus élevée que la tension assignée du moteur, et qui pourraient provoquer un claquage du système d'isolation électrique en un temps très court.

Pour comprendre ce phénomène, examinons de quelle façon un onduleur PWM permet d'obtenir une forme d'onde de courant voisine d'une onde sinusoïdale. Les figures ci-après montrent les formes d'ondes caractéristiques de tension et de courant des onduleurs à modulation d'impulsions en durée (PWM).

Version texte: Figure 8

Figure 8

Deux graphiques illustrant la tension et signaux de courant.

Le premier graphique représente la forme d'onde de tension et se compose d'une série d'impulsions commandées par les dispositifs de sortie de l'onduleur. La largeur ou la durée de ces impulsions est commandé pour approcher une forme d'onde de courant sinusoïdal. Chaque impulsion apparaît comme barre au-dessus ou en dessous de la ligne horizontale représentant le point de tension nulle.

Le deuxième graphique illustre une forme d'onde de courant, ce qui apparaît comme un modèle en dents de scie qui se rapproche d'une onde sinusoïdale. Le motif en dents de scie passe au-dessus et au-dessous de la ligne horizontale de la tension nulle pendant un cycle.

La forme d'onde de tension se compose d'une série d'impulsions contrôlées par les dispositifs de sortie de l'onduleur. La largeur ou durée de ces impulsions est commandée pour que la forme d'onde se rapproche d'une forme sinusoïdale. La figure 9 représente une forme d'onde de tension d'une demi-période d'un onduleur PWM type fonctionnant sur un réseau 600 volts.

Version texte: Figure 9

Figure 9

Un graphe montrant la tension sur l'axe vertical et le temps sur l'axe horizontal.

Le graphique illustre une onde de tension demi-cycle qui monte rapidement dans une unité de temps à une tension de 1300 et tombe dans une unité de temps pour une tension de 800 et augmente ensuite plus lentement à 900 dans cinq autres unités de temps, puis redescend à zéro en plus une unité de temps.

La contrainte de tension maximale sur le système d'isolation (Vm) peut atteindre une valeur nettement plus élevée que la tension assignée du moteur et présenter des temps de montée en tension extrêmement brefs (illustrés sur la figure 9).

En raison des réflexions ou effets de résonance multiples, la fréquence risque d'augmenter à la suite des interactions entre la fréquence de commutation PWM et la forme d'onde, la longueur des câbles d'alimentation du moteur et l'inductance du moteur.

Les ondes stationnaires ou un "effet d'oscillations parasites" sont susceptibles de produire une réflexion de tension pouvant atteindre plus de deux fois la tension appliquée; et ceci devient encore plus problématique avec des longueurs de câbles plus grandes (habituellement supérieures à 15 m ou 50 pieds).

Un "effet d'oscillations parasites" engendre des contraintes de tension très élevées sur les premières spires des enroulements du moteur, ce qui peut entraîner des courts-circuits temporaires et une défaillance de l'isolation à la masse.

On peut minimiser ce problème en installant des filtres appropriés, en installant des moteurs pour entraînement à vitesse variable avec isolation renforcée, et en s'assurant que les moteurs réparés ont une isolation améliorée.

Dans de nombreux EFV, l'utilisateur a la possibilité de régler la fréquence de commutation. Cette fréquence peut être réglée dans une gamme très large pouvant comprise entre 500 Hz et 20 kHz. Le choix de la fréquence de commutation est très important, car il détermine le nombre de dépassements de tension que doit supporter le moteur pendant un temps donné. Les fréquences de commutation élevées se traduisent par des nombres plus élevés de dépassements de tension d'amplitudes plus élevées, ce qui va exercer des contraintes accrues sur l'isolation du moteur. Si la tension de crête assignée du moteur est supérieure au niveau des dépassements de tension, une fréquence de commutation élevée ne posera aucun problème. Si par contre le niveau des dépassements de tension est supérieur à la tension de crête assignée du moteur, une fréquence de commutation moins élevée pourra réduire le niveau des dépassements de tension à une valeur inférieure à la tension de crête assignée du moteur. Cependant, une fréquence trop faible risque de provoquer un fort ronflement du moteur, ce qui se révèle indésirable dans certaines applications telles que les systèmes CVCA.

Les facteurs à considérer comprennent notamment :

• Réduire, lorsque c'est possible, les parcours de câbles;
• utiliser des inductances de filtrage de sortie d'onduleur (impédance type de 1 à 3 %);
• employer une fréquence de commutation plus faible;
• pour les moteurs neufs et réparés, utiliser un frettage additionnel sur les spires terminales, du papier isolant, une résine imprégnée sous vide et pression, et un émail des fils de bobinage résistant aux impulsions (triple couche, quadruple couche ou à couche neuve renforcée);
• garder la conception d'origine des enroulements lors du rebobinage des moteurs, car la réduction du nombre de spires entraîne une augmentation des niveaux de tension électrique entre spires.

Questions de choix de moteurs

La prise en compte des problèmes thermiques lors du fonctionnement des moteurs d'EFV doit être l'un des premiers facteurs à étudier pour une application réussie.

Lorsque la vitesse du moteur diminue, la capacité de refroidissement du système de ventilation du moteur décroît, de sorte que son couple à vitesse réduite devra être diminué pour éviter la surchauffe.

Outre la diminution de leur capacité de refroidissement, les moteurs sont sujets à un échauffement interne additionnel attribuable aux tensions et courants non sinusoïdaux provenant du fonctionnement de l'onduleur.

L'emploi d'un EFV pour une charge à couple variable comme un ventilateur ou une pompe centrifuge n'entraîne en général aucun problème, mais les charges à couple constant ou à puissance constante peuvent, aux vitesses réduites, provoquer une surchauffe du moteur du fait de la réduction de la circulation d'air autour du moteur.

Il est à noter que de nombreuses applications dans lesquelles un moteur c.c. a été remplacé par un moteur à induction c.a. alimenté par onduleur sont de la catégorie à couple constant ou à puissance constante.

La figure 10 montre le couple disponible des moteurs NEMA de classes A et B, compte tenu de la diminution du refroidissement durant le fonctionnement à vitesses réduites. Cette courbe peut servir comme guide pour le déclassement ou pour le choix d'un moteur convenablement surdimensionné.

Hours/Day	Heures par jour
% Flow	% du débit

Différentes méthodes permettent de moduler ou de faire varier le débit d'un système afin d'atteindre les points de fonctionnement optimaux. Parmi ces méthodes, on citera :

• Les registres de refoulement sur les ventilateurs et les vannes de régulation sur les pompes;
• Les registres d'aspiration ou aubes directrices sur les ventilateurs
• Le contrôle par entraînement EFV

Chacune de ces méthodes a un effet sur la courbe du système ou sur celle du ventilateur, qui permet d'obtenir un point de fonctionnement naturel différent. Ce faisant, elles peuvent également entraîner des changements dans le rendement du ventilateur et dans les besoins en puissance.

Positions des registres de refoulement et des vannes de régulation par étranglement

Les registres de refoulement d'un système de ventilateur et les vannes de régulation d'un système de pompe ont un effet sur la courbe du système du fait de l'accroissement de la résistance à l'écoulement que provoque leur action d'étranglement.

La courbe du système est une fonction simple qui peut s'exprimer par la formule P = K x (débit)² dans laquelle : P est la pression nécessaire pour créer dans le système un débit donné; K dépend du système et représente la résistance due au frottement de l'air. Les ailettes des registres de refoulement altèrent le terme K de la formule.

La figure 17 présente différentes courbes de résistance du système correspondant à diverses positions d'étranglement.

% Pressure	% de la pression
% Flow	% du débit

La figure 18 présente une courbe de la puissance nécessaire pour un fonctionnement de ce type. À partir de cette courbe, on peut constater que la puissance diminue progressivement avec le débit. À un débit de 50 %, la puissance nécessaire est de 80 %.

Fan Curve Power Requirements

Puissance nécessaire selon la courbe du ventilateur

Vannes d'entrée modulantes

Dans cette méthode, on modifie la courbe du ventilateur de façon à ce qu'elle coupe la courbe du système en un point différent.

Il n'existe pas d'équivalence dans les systèmes de pompes, car les vannes de régulation par étranglement ne sont jamais installées du côté aspiration d'une pompe.

La figure 19 montre diverses courbes de systèmes correspondant à différentes positions d'étranglement.

% Pressure	% de la pression
100 % Speed	Vitesse 100 %
75 % Speed	Vitesse 75 %
50 % Speed	Vitesse 50 %
% Flow	% du débit

La figure 20 montre qu'avec cette méthode, la puissance nécessaire diminue de façon plus marquée que dans la méthode avec étranglement au refoulement. À un débit de 50 %, la puissance nécessaire n'est que de 60 %.

% Pressure	% de la pression
% Flow	% du débit
Fan Curve Power Requirements	Puissance nécessaire selon la courbe du ventilateur

Entraînements à fréquence variable

Dans cette méthode, on tire parti du changement qui se produit dans la courbe du ventilateur ou de la pompe lorsque la vitesse de la machine est modifiée.

Il est possible d'évaluer ces modifications à l'aide d'un ensemble de formules (ci-après) appelées lois de similitude :

avec :
N = vitesse
Q = débit
P = pression
HP = puissance

Note : lorsque l'on combine les lois de débit et de pression, le résultat est une formule qui correspond à la formule de la courbe du système :

Courbe de pression du système P = K x (N)².

Lorsque sa vitesse est modifiée, la machine va donc suivre la courbe du système.

La figure 21 est une représentation de la méthode du réglage de la vitesse.

La figure 22 illustre l'importante diminution de puissance que cette méthode permet d'atteindre. La formule de la puissance théorique en vertu des lois de similitude fait ressortir l'effet de fonctions d'élévation au cube.

L'expérience a montré cependant que la puissance nécessaire réelle était voisine d'une fonction d'élévation au carré en raison des effets réels du système (comme la contre-pression statique ou hauteur géométrique de charge) et le frottement, de sorte que la loi de similitude pour la plupart des applications pratiques est alors :

avec :
N = vitesse
Q = débit
P = pression
HP = puissance

Dans la plupart des applications qu'il aura à étudier, un utilisateur devra employer l'approximation de la loi des carrés. Seuls les ventilateurs avec peu ou pas de pression statique, comme par exemple les ventilateurs d'une tour de refroidissement et les ventilateurs de toit avec dôme, ou les pompes sans hauteur géométrique de charge, comme les pompes de refoulement, vont suivre approximativement une fonction d'élévation au cube.

Version textuelle

Figure 22

Un graphe avec pour cent de la puissance de 0 à 125 sur l'axe vertical et pourcentage d'écoulement de 0 à 150 sur l'axe horizontal.

Une courbe monte sur le graphique de 0% de la puissance et du débit de 0% et s'élève à puissance de 25% à 50% du débit, puis continue de puissance de 50% à un débit de 75%, puis se termine à la puissance de 95% au débit de 100%.

% Pressure	% de la pression
% Flow	% du débit
Power Requirements	Puissance nécessaire

La méthode de la vitesse réglable permet de contrôler le débit d'une façon qui correspond de près à la courbe du système ou de la charge. À un débit de 50 %, la puissance nécessaire n'est que de 25 %.

Le ventilateur ou la pompe peuvent ainsi créer les résultats souhaités avec le minimum de puissance consommée.

Les deux autres méthodes modifient certains paramètres du système, ce qui se traduit généralement par une diminution du rendement de la machine. C'est pour cette raison que, dans ces méthodes, la puissance appelée est supérieure à celle de la méthode de la vitesse réglable.

Calcul des économies d'énergie

Il convient à présent d'estimer la consommation d'énergie puis de comparer cette consommation pour chacune des méthodes en vue de déterminer les économies d'énergie possibles.

Pour cet exemple, nous avons choisi un ventilateur fonctionnant à 300 tr/min et produisant un débit nominal (100 %) de 2 500 m3/min, avec une puissance de 25 kW sur l'arbre du moteur. Pour les pompes, le calcul devra être effectué de façon similaire, mais avec la courbe de pompe appropriée.

Le ventilateur va fonctionner pendant 8 000 heures par an. Sans méthode de contrôle, la dépense annuelle d'énergie à un coût de 0,10 $/kWh s'élèvera à :

(25 kW) (8 000 h) (0,10 $/kWh) = 20 000 $/an

Pour déterminer les économies éventuelles d'une méthode de contrôle, on doit d'abord établir un profil de la charge. Dans le cas de cet exemple, le profil de charge suivant a été déterminé :

Débit	Facteur de marche
100%	20%
75%	40%
50%	40%

Puissance nécessaire

On peut, pour chaque point de fonctionnement, obtenir la valeur de la puissance nécessaire à partir de la courbe du ventilateur (en employant les courbes données précédemment pour chaque méthode de contrôle).

Cette puissance est alors multipliée par le pourcentage de temps pendant lequel le ventilateur fonctionne en ce point. On fait ensuite la somme de ces calculs afin d'obtenir une "puissance pondérée" qui représente la consommation moyenne en énergie du ventilateur.

À partir de la courbe avec registre de refoulement (figure 17), les calculs de la puissance pondérée pour la méthode des registres de refoulement s'établissent comme suit :

% du débit	Facteur de marche en %	Puissance nécessaire (kW)	Puissance pondérée (kW)
100	20	25 (1,00) = 25.0	25,0 (0,2) = 5.0
75	40	25 (0,96) = 24.0	24,0 (0,4) = 9.6
50	40	25 (0,88) = 22.0	22,0 (0,4) = 8.8
Puissance annuelle moyenne			23,4 kW

Les calculs de la puissance pondérée pour la méthode des vannes d'entrée modulantes (figure 20) s'établissent comme suit :

% du débit	Facteur de marche en %	Puissance nécessaire (kW)	Puissance pondérée (kW)
100	20	25 (1,00) = 25,0	25,0 (0,2) = 5,0
75	40	25 (0,73) = 18,3	18,3 (0,4) = 9,6
50	40	25 (0,60) = 15,0	15,0 (0,4) = 6,0
Puissance annuelle moyenne			20,6 kW

Les calculs de la puissance pondérée pour la méthode de l'entraînement EFV (figure 18) s'établissent comme suit :

% du débit	Facteur de marche en %	Puissance nécessaire (kW)	Puissance pondérée (kW)
100	20	25 (1,00) = 25,0	25,0 (0,2) = 5,0
75	40	25 (0,55) = 13,8	18,3 (0,4) = 5,5
50	40	25 (0,25) = 6,3	15,0 (0,4) = 2,5
Puissance annuelle moyenne			13,0 kW

Le coût annuel de fonctionnement pour les trois méthodes de contrôle est le suivant :
Registres de refoulement : 23,4 kW x $0,10/kWh x 8000 heures = 18 720 $
Registres d'aspiration : 20,6 kW x $0,10/kWh x 8000 heures = 16 480 $
Contrôle par EFV : 13,0 kW x $0,10/kWh x 8000 heures = 10 400 $

Les économies de ces méthodes de contrôle sont alors les suivantes :

Méthode de contrôle	Coût de fonctionnement annuel	Économies annuelles
Aucun	20 000$	0
Registres de refoulement	18 720$	1 280$
Registres d'aspiration	16 480$	3 520$
Contrôle par EFV	10 400$	9 600$

Dans les calculs qui précèdent, nous avons utilisé un simple coût "mixte" pour l'électricité. La façon dont votre distributeur d'énergie vous facture l'électricité dépend de plusieurs facteurs dont notamment la demande, l'énergie, la durée d'utilisation et certains autres facteurs. Communiquez avec le représentant de votre distributeur d'électricité local pour obtenir plus de détails sur la façon de calculer votre coût de l'électricité.

Logiciels d'économies des EFV

Des logiciels sont proposés par plusieurs fabricants et fournisseurs d'EFV, et parfois par des entreprises d'électricité locales, et également des organismes gouvernementaux.

Ce type de ressource se révélera fort utile pour l'estimation des économies d'énergie et pour étudier les différentes options de contrôle disponibles. Plusieurs de ces logiciels permettent d'entrer les caractéristiques complètes d'un système, si elles sont accessibles, et de réaliser ainsi une analyse encore plus précise.

Chaque logiciel source suppose une compréhension de base de la technologie des EFV et une connaissance approfondie de l'application envisagée.

Surveillance et vérification

Avant la mise en œuvre du projet, il importe d'établir un plan de mesures et vérifications (M&V) pour plusieurs raisons dont notamment :

1. Établir la preuve que les économies estimées peuvent être atteintes.
2. Satisfaire aux exigences concernant les initiatives d'incitation à la conservation de l'énergie et à la gestion de la demande.
3. Obtenir l'appui pour de futurs projets par la concrétisation du succès.

Les économies d'énergie se déterminent par la comparaison de la consommation d'énergie avant la mise en œuvre du projet (scénario de référence) avec la consommation après la mise en place des mesures de conservation de l'énergie (après réalisation du projet).

Pour une détermination adéquate des économies d'énergie, on devra tenir compte des changements altérant la consommation, mais qui ne découlent pas des mesures de conservation. Les corrections vont varier selon l'application et comprendront des facteurs tels que les conditions météorologiques, le produit et les périodes d'utilisation propres au scénario de référence d'une part, et à la période après installation des mesures de conservation d'autre part.

De façon générale, les activités de mesures et vérifications (M&V) se succèdent selon les étapes suivantes :

1. Définir les conditions de référence avant installation, incluant notamment :
   1. Les équipements et systèmes
   2. La consommation d'énergie de référence (et le coût)
   3. Les facteurs influant sur la consommation d'énergie de référence.
   Les conditions de référence peuvent être définies par des examens sur place, des mesures ponctuelles, à court terme ou à long terme, et/ou des analyses des données de facturation.
2. Définir la situation après réalisation du projet, y compris :
   1. Les équipements et systèmes
   2. La consommation d'énergie après réalisation du projet (et le coût)
   3. Les facteurs influant sur la consommation d'énergie après réalisation du projet.
3. Faire appel, pour les évaluations après réalisation du projet, à des examens sur place, à des mesures ponctuelles, à court terme ou à long terme, et/ou à des analyses des données de facturation.
4. Procéder aux activités (M&V) de façon suivie afin de vérifier le fonctionnement des équipements et des systèmes installés, déterminer les économies de l'année courante, et estimer les économies pour les années à venir.

Note:l'adjonction d'un EFV fait souvent partie de la modernisation d'un équipement.

Ceci peut avoir une incidence sur le débit du procédé ou les activités connexes. Il est important que la consommation d'énergie après réalisation du projet soit uniformément corrigée de façon à correspondre aux conditions de fonctionnement qui prévalaient avant l'installation.

Le processus de mesures et vérifications peut s'avérer assez complexe et la réussite du projet EFV en cours (ou des futurs projets en efficacité énergétique) peut tenir à un processus de mesures et vérifications précis et détaillé. Ce processus doit être inclus dans les coûts du projet. Afin d'assurer que les mesures soient faites de façon correcte, on recommande de confier cette tâche à un spécialiste chevronné. Les coûts associés aux mesures et vérifications peuvent en principe être récupérés sur des programmes d'incitation en vigueur.

Le Guide de mesure des économies d'énergie publié par CEATI International fournit des détails sur le processus d'exécution des mesures et vérifications d'un projet.

Rendement du système

Le rendement d'un système se définit comme le rapport entre nombre d'unités de produit fabriquées par le système et l'énergie électrique consommée par ce dernier. Pour déterminer la différence, soustraire le rendement de l'ancien système de celui du nouveau.

Si le résultat est négatif, cela signifie que le rendement a diminué depuis l'optimisation du système. Le résultat devrait toujours être positif.

Rendement électrique

L'amélioration de l'efficacité électrique peut être déterminée en comparant la consommation électrique mesurée pour le scénario de référence avec l'utilisation d'énergie électrique déterminée lors des mesures d'évaluation du projet.

Amélioration du rendement = Rendement après projet - Rendement de référence

Coût par unité de produit

Ce calcul intègre les données de facturation afin de pouvoir quantifier l'optimisation en dollars. À l'aide de la formule présentée dans le cas de référence, utiliser les données de mesures après réalisation du projet.

[Frais liés à la demande pour le moteur + (kWh OP x tarif OP + kWh FP x tarif FP)]
Divisé par :
nombre d'unités produites quotidiennement
Tarif OP = coût par kWh de consommation aux heures de pointe
Tarif FP = coût par kWh de consommation aux heures creuses

Pour comparer avec le cas de référence, soustraire le chiffre correspondant à ce dernier du chiffre après optimisation. Si le résultat est négatif, le coût par unité de produit a alors augmenté. Le résultat devrait toujours être positif.

Fiabilité et entretien

Les dispositifs électroniques à semi-conducteurs des EFV ne nécessitent pratiquement aucun entretien.

La plupart des fabricants d'entraînements munissent leurs appareils de systèmes de diagnostic intégrés, ainsi que de relais et fusibles de protection.

Lorsqu'un entretien est nécessaire, il est préférable de faire appel à du personnel expérimenté pour la recherche des pannes et la réparation de l'entraînement.

L'entretien courant pourra comprendre le nettoyage et/ou le remplacement des filtres lorsque cette activité est ajoutée aux activités d'entretien électrique normales comme le nettoyage et l'inspection sur une base régulière.

Lors de la réparation de moteurs fonctionnant avec des EFV, si un rebobinage est nécessaire, l'atelier de réparation devra utiliser du fil de bobinage pour "moteur pour entraînement à vitesse variable". Par ailleurs, on devra éviter de réduire le nombre de spires dans les groupes de bobines, car cela provoquerait une augmentation de la contrainte électrique par spire dans l'enroulement.

Si le moteur a subi une défaillance suite à une surchauffe, on devra déterminer si le système de refroidissement de ce moteur est suffisant. Deux solutions sont envisageables : l'installation d'un ventilateur de refroidissement extérieur ou le surdimensionnement du moteur.

Votre fournisseur d'entraînements ou votre atelier de réparation sera en mesure de vous fournir l'assistance voulue pour tout problème d'entretien.

Études de cas

Étude de cas : remplacement d'un entraînement à courants de Foucault par un EFV

Profil de la compagnie

La compagnie est une usine de 100 000 pieds carrés qui, chaque mois, produit environ 1 million de pieds linéaires de tubes en acier inoxydable. Ses clients font affaire avec le secteur de l'automobile et les industries de l'alimentation, pharmaceutiques et pétrochimiques.

Vue d'ensemble du projet

Le processus de production consiste à commander l'étirage de tubes d'acier inoxydable à travers des filières pour en réduire le diamètre et/ou l'épaisseur des parois. Ce processus d'étirage s'effectue sur un banc à étirer.

Chaque tube est généralement soumis à plusieurs passes d'ébauche qui lui donnent rapidement une forme voisine de ses dimensions finales. Le tube subit ensuite quelques passes finales de "finition" qui l'amènent à la dimension exacte recherchée. Le banc à étirer qui traite les passes d'ébauche fonctionne 24 heures par jour durant 5 jours par semaine, et effectue environ 1200 passes d'étirage par jour.

Le banc à étirer était entraîné par un moteur de 150 HP tournant à 1 800 tr/min. Ce moteur était couplé à un réducteur de vitesses par l'intermédiaire d'un embrayage à courants de Foucault dont l'inefficacité est connue, bien que la technologie soit très fiable.

Approche

À partir des données recueillies par le service d'ingénierie de l'usine, l'équipe de mise en œuvre a procédé à l'analyse du système actuel. Cette analyse incluait l'observation du fonctionnement d'autres équipements comparables et le relevé des paramètres de fonctionnement similaires qui pourraient être appliqués au banc d'étirage.

En raison du grand nombre de diamètres de tubes, épaisseurs de parois, matériaux employés et commandes reçues chaque semaine, il n'existe pas de produit représentatif en particulier. Afin de recueillir des données représentatives de l'exploitation réelle, l'équipe du projet a choisi des commandes au hasard, puis a réalisé une analyse détaillée des étapes intermédiaires que subissait le tube. L'équipe a alors comparé la puissance nécessaire mesurée par le service d'ingénierie de l'usine dans l'étude du cas de référence aux besoins en puissance mesurés pour le système.

Mise en œuvre du projet

Un entraînement EFV avec options de commande vectorielle a été choisi, car il peut surveiller en continu le courant, la tension et la position angulaire des moteurs c.a. à induction. Avant la mise au point des dispositifs de commande vectorielle, seuls les moteurs c.c. moins fiables et exigeant plus d'entretien que leurs équivalents c.a. pouvaient être employés dans les applications demandant un contrôle précis du couple et de la vitesse. Les options de commande vectorielle sont désormais un caractéristique standard des EFV.

Afin de réaliser les objectifs du projet, l'équipe de mise en œuvre a remplacé le démarreur magnétique et l'embrayage à courants de Foucault par un entraînement EFV à commande vectorielle et une inductance de ligne. Cette inductance avait pour but de satisfaire une exigence du système : éviter les problèmes d'harmoniques sur le réseau de distribution. L'ingénieur d'usine désirait en outre augmenter le couple délivré au banc d'étirage, améliorer le rendement général de l'entraînement, et réduire la consommation d'énergie; le moteur de 150 HP, 1800 tr/min, à rendement normal a alors été remplacé par un moteur de 200 HP, 1200 tr/min à haut rendement. Le moteur à plus faible vitesse a été choisi, car il fournit un couple plus important que le moteur à vitesse plus élevée.

Résultats

À la suite des changements mis en place par l'équipe du projet, le banc d'étirage demande maintenant moins d'énergie pour étirer un tube, et ce même si la puissance du moteur a été portée de 150 HP à 200 HP. Pour un étirage type, le système à embrayage à courants de Foucault nécessitait 190 HP pour étirer le tube, alors que l'entraînement EFV à meilleur rendement exige moins de 90 HP. Le temps total de fonctionnement annuel prévu a également été réduit de 623 heures grâce aux modifications, du fait que la puissance plus élevée disponible permet de réduire la plupart des tubes à la dimension voulue, avec un nombre moins élevé de passes d'étirage.

Les modifications ont aidé à réduire la consommation annuelle totale du banc d'étirage qui est passée de 439 065 kWh à 290 218 kWh, ce qui a entraîné une diminution de la facture d'électricité annuelle totale de 34 pour cent par rapport au coût du cas de référence de 20 812 $.

Les changements permettront également une économie évaluée à 2 762 heures de travail par an. D'après les estimations du personnel, une passe d'étirage a été éliminée sur la moitié des commandes exécutées. Une économie de temps est non seulement réalisée par le nombre réduit de passes d'étirage nécessaires pour "l'ébauche" d'un tube, mais également sur les autres opérations qu'exige le processus d'étirage, comme le dégraissage, la coupe, le rétreint et le recuit. En supposant un salaire horaire de 8,50 $ l'heure, le montant des réductions de main-d'œuvre s'élève à 23 473 $ par an. La réduction du nombre de passes d'étirage nécessaires a en outre amené des économies d'acier inoxydable estimées à 41 322 $, car un nombre de passes plus faible entraîne moins de coupe des extrémités rétreintes (gaspillées) après chaque passe. En ajoutant les autres économies directes de 5 415 $, les économies annuelles totales s'élèvent à 77 266 $. Si on les compare aux 34 000 $ de coût du projet, la période de récupération simple est d'environ 6 mois.

Économies d'énergie et de coûts

Coûts de mise en œuvre du projet	34,000 $
Économies annuelles de coûts d'énergie	7,056 $
Économies annuelles de coûts autres que     l'énergie (main-d'œuvre et déchets)	70,210 $
Récupération simple (années)	1/2
Économies sur la demande (kW)	189
Économies annuelles d'énergie (kWh)	148,847

Étude de cas : remplacement des commandes de registres par des EFV dans un système CVCA

Profil de la compagnie

Dans une petite usine de transformation de textiles traitant des fibres écrues, on voulait améliorer le rendement du système CVCA de l'usine. La compagnie s'est attachée les services d'un spécialiste en EFV afin de moderniser 15 des moteurs de ventilateurs du système par des entraînements à fréquence variable (EFV). L'usine fonctionnant 24 heures par jour et 7 jours par semaine, le système CVCA pourrait devenir plus économique et procurer aux travailleurs un meilleur conditionnement des locaux et une meilleure qualité de l'air.

Vue d'ensemble du projet

Le système de ventilation compte neuf ventilateurs de soufflage et neuf ventilateurs d'extraction qui permettent de contrôler et de maintenir des conditions d'ambiance adéquates, de refroidir les machines de transformation et d'assurer aux travailleurs une qualité d'air adéquate. Dans un premier temps, quatre laveurs d'air assurent le dépoussiérage, le refroidissement et le réglage du degré d'humidité d'un mélange d'air de reprise et d'air frais. Cet air est alors délivré dans l'installation par les neuf ventilateurs de soufflage et distribué à travers l'usine par des gaines et des diffuseurs montés au plafond. Neuf ventilateurs de retour extraient l'air de la zone de transformation et le refoulent dans un réseau de gaines. Les particules en suspension sont éliminées par filtrage à l'entrée de chacun des ventilateurs d'extraction. Les facteurs qui agissent sur la pression, le volume ou la résistance du système ont un effet direct sur la puissance nécessaire aux ventilateurs. Par conséquent, tous les éléments tels que la densité de l'air, les variations de position des registres, la pression du système et les pertes de charge dans les filtres à air, l'interaction entre les systèmes d'aspiration et de refoulement d'air, ainsi que le fonctionnement en parallèle des ventilateurs, ont une incidence sur la puissance devant être fournie aux ventilateurs; ils doivent donc être surveillés afin d'assurer un fonctionnement efficace du système. Les aubes directrices à incidence variable et les registres de refoulement assuraient jusque là le contrôle du débit d'air dans le système, mais leur rendement était très médiocre. Le réglage de ces dispositifs était très imprécis et leur réinitialisation ne pouvait être faite que manuellement.

Approche

Afin de déterminer de quelle façon il était possible d'améliorer le rendement du système de ventilation, la compagnie et l'expert en EFV ont recueilli les données relatives au système de référence pendant deux semaines en vue de mesurer le rendement du système existant. La puissance des moteurs a été enregistrée électroniquement, les positions des registres ont été relevées manuellement par inspection visuelle de leurs accouplements, et la puissance absorbée a été mesurée sur chaque ventilateur à intervalles de dix minutes. Ces données ont été analysées et l'équipe du projet a alors établi un cycle de charge visant à calculer la demande en énergie, les heures de fonctionnement (périodes d'heures de pointe et d'heures creuses) et la consommation d'énergie annuelle pendant cette période, tant pour les ventilateurs d'extraction que pour les ventilateurs de soufflage. Ces données ont été ultérieurement comparées aux données du nouveau système, recueillies après son installation.

Mise en œuvre du projet

Après avoir déterminé que les ventilateurs du système étaient nettement surdimensionnés, l'équipe du projet a entrepris la modernisation avec des EFV de 15 des 18 ventilateurs. Les trois autres ventilateurs fonctionnent en continu à leur plein débit et des EFV ne leur sont pas nécessaires. Un système de mesure de la puissance et de l'énergie a été installé sur chaque EFV pour recueillir les données de charge du nouvel ensemble. Le système de mesure enregistrait la vitesse et la puissance consommée de chaque ventilateur à des intervalles de 15 minutes avec production de rapports d'analyse des économies. Après installation des EFV, la commande des volets n'était plus nécessaire, ce qui fait que les volets de commande des ventilateurs ont été laissés en mode totalement ouvert.

Résultats

La demande totale d'électricité du système de ventilation qui était d'environ 322 kW a été réduite à 133 kW grâce à l'installation des EFV, soit une réduction de l'ordre de 59 pour cent. La consommation d'énergie annuelle totale des ventilateurs a elle aussi diminué de 59 pour cent, passant de 2 700 000 kWh environ à 1 100 000 kWh. Les gains en efficacité énergétique ont été rendus possibles du fait que les EFV ont permis au personnel de l'usine d'ouvrit totalement les registres de commande des ventilateurs dont la vitesse a été diminuée. La conséquence a été une baisse importante de la consommation d'énergie, ce qui a permis au système de fonctionner de façon plus efficace. Ces économies d'énergie se sont traduites par des économies annuelles des coûts d'énergie de l'ordre de 101 000 $. Le projet a coûté 130 000 $ et comprenait :

• Le coût de l'étude de faisabilité
• Les coûts en capital
• Les coûts d'installation
• L'ingénierie
• Les activités de mesures et vérifications (M&V)

La période de récupération simple du coût du projet était d'environ 1,3 années.

Économies d'énergie et de coûts

Coûts de mise en œuvre du projet	130 000 $
Économies annuelles de coûts d'énergie	101 000 $
Récupération simple (années)	1,3
Économies sur la demande (kW)	189
Économies annuelles d'énergie (kWh)	1 579 400

Étude de cas : remplacement des commandes de pompes à vide par un EFV dans une exploitation laitière

Profil de la compagnie

Dans une ferme laitière, on utilisait un système à dépression pour l'exploitation des équipements de traite automatique qui assuraient la traite des vaches et l'acheminement du lait vers un réservoir de stockage. Avant la mise en œuvre du projet, le système de traite à dépression comprenait une pompe à vide entraînée par un moteur de 30 HP, les niveaux de vide étant commandés par admission d'air atmosphérique - ce qui est une pratique standard dans cette industrie.

Vue d'ensemble du projet

Dans les fermes laitières, les systèmes modernes de traite du lait utilisent le vide pour la traite automatique des animaux. Dans les systèmes classiques de traite à l'aide du vide, plusieurs unités de traite avec gobelets trayeurs sont attachées aux animaux et le vide est créé dans les lignes de lait par une pompe à vide qui extrait le lait des gobelets et l'envoie à un réservoir de stockage.

La pompe à vide est entraînée par un moteur c.a. à vitesse constante. Pour maintenir le vide stable nécessaire à la traite des vaches, l'air doit être extrait du système à la même cadence qu'il s'infiltre dans le système. Normalement, l'air entre dans le système par les pulsateurs, ce qui entraîne des fuites et fait que les gobelets se détachent des animaux. Le commande classique du vide est réalisée en faisant tourner à vitesse constante une pompe à vide dimensionnée pour un débit d'air maximal, et permettant à l'air de pénétrer dans le système par l'intermédiaire d'un dispositif de régulation de pression.

Avec une assistance technique de la part de son entreprise d'électricité, le fermier a étudié son système de pompage à vide afin de déterminer si celui-ci fonctionnait avec un rendement satisfaisant. L'étude d'évaluation a conclu que le moteur du système était surdimensionné par rapport au vide à obtenir et que la ferme pouvait réduire ses coûts d'énergie avec un système de pompage plus petit et plus efficace.

Mise en œuvre du projet

Appliquant les recommandations qui avaient été formulées, le fermier a décidé d'installer un système comportant un moteur de puissance plus faible et entraîné par un EFV. Le moteur existant a été remplacé par un nouveau moteur éconergétique de 20 HP. Par ailleurs, le fermier a installé sur ce nouveau moteur un EFV permettant de réguler la vitesse du système de pompage en fonction de la charge. On aurait pu installer un plus grand EFV sur le moteur existant de 30 HP, mais le coût en capital aurait été augmenté et l'on aurait manqué l'occasion d'installer un moteur à meilleur rendement.

Résultats du projet

La mise en œuvre du nouveau système de pompe à vide s'est traduite par des économies d'énergie et aussi par une meilleure productivité de la ferme. Alors que l'ancien système demandait une puissance de 16 kW, le nouveau n'a jamais utilisé plus de 4,5 kW, même lors des périodes de pointe. La ferme a pu réduire la puissance nécessaire au système de vide de 30 % de la capacité totale, sans diminution de la dépression ou de la capacité du système. Qui plus est, l'entraînement EFV a été en mesure de faire varier la vitesse de la pompe de façon à ce qu'elle corresponde avec davantage de précision aux besoins de vide du procédé.

La mise en œuvre du projet a permis à la ferme de réaliser une économie annuelle d'énergie de 5 520 $ ou 55 000 kWh, correspondant à plus de 70 % de l'énergie électrique consommée par ce système. Avec un coût total de 8 200 $, la période de récupération simple était seulement de 1,5 année. En plus de réduire les coûts d'entretien, le projet va entraîner une plus longue durée de vie utile des équipements.

Économies d'énergie et de coûts

Coûts de mise en œuvre du projet	8 200 $
Économies annuelles de coûts d'énergie	5 520 $
Récupération simple (années)	1,5
Économies sur la demande (kW)	11,5
Économies annuelles d'énergie (kWh)	55 000

Annexe A : Bibliographie

Code canadien de l'électricité, Association canadienne de normalisation

CSA C390 Mesure du rendement énergétique des moteurs à induction triphasés, Association canadienne de normalisation

EASA Technical Manual (Manuel technique de l'EASA), Electrical Apparatus Service Association, St. Louis

IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems (Pratiques et prescriptions recommandées pour le contrôle des harmoniques dans les systèmes d'alimentation électrique), Institute of Electrical and Electronic Engineers, New York

IEEE Standard 112 Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators (Procédure d'essai normalisée de l'IEEE pour les moteurs et les générateurs à induction polyphasés), Institute of Electrical and Electronic Engineers, New York

NEMA Standard MG1, Motors and Generators (Moteurs et générateurs), National Electrical Manufacturers Association, Washington DC

NEMA Standard MG10, Energy Management Guide for Selection and Use of Polyphase Motors (Guide de gestion de l'énergie pour le choix et l'utilisation des moteurs polyphasés), National Electrical Manufacturers Association, Washington DC

Variable Frequency Drives Application Guide (Guide d'application des entraînements à fréquence variable), Electric Power Research Institute, Palo Alto, Californie

Robert S Carrow: Electrician's Technical Reference: Variable Frequency Drives, Delmar Thomson Learning ISBN07668 1923 X

Annexe B : Sites Web utiles

www.energyefficiency.org
Le Centre canadien d'efficacité énergétique a été créée par l'Alliance canadienne d'efficacité énergétique afin de fournir un accès facile à l'information et aux ressources liées à l'efficacité énergétique. L'Alliance met en valeur et fait progresser l'efficacité énergétique et les avantages qui y sont associés pour l'économie et l'environnement.

www1.eere.energy.gov/industry/
Le Programme des technologies industrielles est un organisme de collaboration avec les industries américaines, visant l'amélioration de l'efficacité énergétique des industries et de leurs performances environnementales.

www.ieee.org
Organisme à but non lucratif, l'IEEE est la principale association professionnelle pour l'avancement de la technologie.

www.nema.org
La NEMA est l'association professionnelle de choix pour l'industrie de fabrication des matériels électriques, et constitue la plus importante association professionnelle des fabricants de produits électriques aux États-Unis.

http://www.eemac.ca/home/
L'Association des manufacturiers d'équipement électrique et électronique du Canada (EEMAC) se veut un lieu de rencontre pour plus de 80 compagnies œuvrant au Canada dans la fabrication et la vente de produits, systèmes et composants électriques. L'EEMAC se consacre principalement à la vitalité économique de l'industrie.

http://www.midamericanenergy.com/pdf/ee_VFD_manuf.pdf
Études de cas d'entreprises d'électricité, comme celle-ci qui présente d'autres exemples tels qu'un EFV installé dans une usine de fabrication de caoutchouc.

http://energy-efficiency.com/
On trouvera sur ce site des exposés et des références utiles venant à l'appui du triple résultat que l'efficacité énergétique permet d'atteindre, à savoir :

• Prospérité économique
• Performances environnementales
• Responsabilité sociale

https://ressources-naturelles.canada.ca/energie/produits/categories/commerciaux/moteurs/14815
L'office de l'efficacité énergétique de Ressources naturelles Canada propose une aide en ligne sur les EFV et notamment :

• Description
• Estimation des économies
• Conseils pour l'achat
• Divers liens utiles comme par exemple une liste des fabricants.

https://ressources-naturelles.canada.ca/energie/produits/categories/commerciaux/moteurs/14815
Des fiches techniques comme celle ci-dessus apportent des arguments supplémentaires.

http://www.pumpsystemsmatter.org
Il existe de nombreuses autres ressources, comme par exemple le Hydraulic Institute, une initiative de transformation du marché, créée dans le but d'aider les utilisateurs de pompes en Amérique du Nord à acquérir un avantage commercial plus concurrentiel à l'aide de solutions générales et stratégiques en matière de gestion de l'énergie et d'optimisation de la performance des systèmes de pompes. L'un des objectifs premiers de l'initiative est d'apporter des changements au processus de prise de décisions lors de l'achat des systèmes de pompage et d'équipements connexes, comme éventuellement un EFV.

Annexe C : Acronymes en usage dans l’industrie et glossaire

Acronymes en usage dans l'industrie

ANSI = American National Standards Institute

API = automate programmable industriel

BHP = puissance au frein

c.a. = courant alternatif

c.c. = courant continu

CFM = pieds cubes par minute

CSA = Association canadienne de normalisation

CSI = onduleur de courant

DSP = processeur de signaux numériques

ECC = embrayage à courants de Foucault

EVR = entraînement à vitesse réglable

FPM = pieds par minute

GPM = gallon par minute

GTO = blocable par la gâchette (thyristor)

HDF = facteur de distorsion harmonique

IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers

IGBT = transistor bipolaire à grille isolée

LCI = onduleur à commutation par la charge

MIA = modulation d'impulsions en amplitude

NEMA = National Electrical Manufacturers Association

PWM = modulation d'impulsions en durée (onduleur)

SCR = redresseur commandé au silicium (ou thyristor)

SR = réluctance commutée

THD = distorsion harmonique totale

V = tension

VAN = valeur actualisée nette

VSI = onduleur à courant réglable

VV = variateur de vitesse (voir EVR)

VVI = onduleur à tension variable

Glossaire

Ambiant : air entourant un moteur dans le cas des machines à refroidissement par air.

Ampère : unité de courant qui mesure la vitesse de la circulation d'électrons. On l'emploie souvent sous sa forme abrégée Amp ou A. L'unité de courant électrique est l'ampère.

Balai : Pièce en matériau conducteur du courant qui est en contact avec un induit ou un ensemble de bagues collectrices, et assure une connexion électrique entre les composants rotatifs et fixes d'un moteur électrique.

Collecteur : dispositif cylindrique monté sur l'arbre d'un moteur c.c. et assurant les fonctions de commutation entre les enroulements de l'induit et la source d'alimentation.

Condensateur : dispositif qui peut emmagasiner une charge électrique. Dans un circuit à c.a., un condensateur entraîne un retard de la tension par rapport au courant. L'unité de capacité est le farad.

Conducteur : tout matériau qui présente une faible résistance au passage du courant électrique, par exemple, le cuivre.

Couple : force de rotation appliquée à un arbre, généralement exprimée en livres·pieds (système impérial) ou en newtons·mètres (système métrique).

Couple à pleine charge : couple du moteur nécessaire à la production de sa puissance assignée à la vitesse de pleine charge.

Couple de décrochage : couple le plus élevé que peut développer un moteur à la tension nominale sans caler ni subir une diminution brusque de vitesse.

Courant alternatif : débit d'électricité qui change de sens suivant un cycle régulier, atteignant une valeur maximale dans un sens, puis diminuant jusqu'à une valeur nulle et changeant de sens pour atteindre ensuite une valeur maximale dans le sens opposé.

Courants de Foucault : courants localisés dans les tôles électriques qui sont induits par le flux magnétique alternatif et provoquent des pertes et un échauffement.

Courant de pleine charge : courant absorbé par un moteur aux tension, fréquence et charge assignées.

Élévation de température : écart entre la température des enroulements d'un moteur en fonctionnement et la température ambiante.

Entrefer : distance séparant la partie tournante (rotor) et la partie fixe (stator) d'un moteur électrique. L'énergie magnétique est transmise à travers cet entrefer.

Facteur de marche : relation entre le temps de fonctionnement et le temps d'arrêt d'un moteur électrique.

Facteur de puissance : mesure de la différence de phase entre tension et courant dans un circuit électrique. Dans la plupart des dispositifs électriques, le courant est en retard sur la tension en raison de l'inductance. Dans les circuits capacitifs, le courant est en avance sur la tension.

Facteur de surcharge : le facteur de surcharge d'un moteur c.a. est un coefficient multiplicateur qui, lorsqu'on l'applique à la puissance assignée du moteur, indique la charge admissible maximale qui pourra être entraînée dans les conditions spécifiées pour le facteur de surcharge.

Flux : champ magnétique qui s'établit autour d'un conducteur parcouru par un courant ou autour d'un aimant permanent.

Force électromotrice (f.e.m.) : un synonyme de la tension généralement employé pour définir les tensions induites ou engendrées dans un circuit électrique.

Force magnétomotrice (f.m.m.) : énergie magnétique produite lors de l'établissement d'un flux magnétique. Elle est comparable à la force électromotrice dans un circuit électrique.

Fréquence : vitesse à laquelle l'écoulement d'un courant alternatif change de sens. L'unité de fréquence est le hertz (Hz) qui vaut un cycle par seconde.

Glissement : rapport entre la vitesse synchrone et la vitesse réelle d'un moteur à induction, qui s'exprime normalement en pourcentage.

Glissement à pleine charge : différence entre la vitesse synchrone d'un moteur et sa vitesse de pleine charge. Il s'exprime souvent comme le rapport en pour cent de la vitesse synchrone à la vitesse à pleine charge.

Horse-power : mesure de la puissance employée pour classer les moteurs électriques. L'unité de mesure de la puissance assignée des moteurs est le horse-power (HP) ou le kilowatt. Un horse-power équivaut à 746 watts.

Impédance : opposition totale d'un circuit au passage du courant alternatif. Elle est la somme vectorielle de la résistance et de la réactance.

Inductance : propriété d'un circuit électrique qui s'oppose à toute variation du courant dû au champ magnétique induit par ce courant. (En courant alternatif, l'inductance d'un circuit électrique est la propriété qui tend à s'opposer à toute variation de courant qui le parcourt).

Inducteur : terme utilisé pour définir la partie fixe d'une machine à c.c. L'inducteur engendre le flux magnétique qui interagit avec l'induit.

Inertie : l'inertie est la résistance opposée par un objet à un changement de son état de mouvement. Elle est déterminée par la masse de l'objet multipliée par le carré du rayon de giration (k). Les parties tournantes ne fonctionnant pas toutes à la même vitesse, le calcul de l'inertie de chaque partie mobile permet de considérer que les parties tournantes fonctionnent comme un tout.

Phase : terme employé pour caractériser la relation spatiale des enroulements d'un moteur électrique ou les tensions et les courants dans un circuit électrique.

Réactance (inductive) : propriété d'un circuit magnétique entraînant le retard du courant par rapport à la tension.

Rendement : rapport entre la puissance mécanique produite et la puissance électrique absorbée par un moteur.

Résistance : propriété d'un conducteur électrique qui s'oppose à la circulation du courant électrique. L'unité de résistance est l'ohm (?).

Rotor : partie tournante d'un moteur électrique.

Stator : partie fixe d'un moteur c.a. qui contient les tôles d'acier et les enroulements.

Tension : unité standard de la force électromotrice qui produit la circulation d'un courant dans un conducteur. L'unité de force électromotrice est le volt (V).

Tension de ligne : tension fournie aux bornes d'entrée d'un appareil électrique.

Vitesse de pleine charge : vitesse d'un moteur aux tension, fréquence et charge assignées.

Watt : mesure de la puissance dans un circuit électrique qui est égale à un joule d'énergie consommé en une seconde. L'unité de puissance est le watt (W).

Annexe D : Formules pratiques

Calcul de la puissance nécessaire à une charge

La charge mécanique nécessaire à l'équipement entraîné est appelée la puissance au frein (BHP). La valeur de la BHP peut se calculer comme suit :

avec : HP = puissance fournie par le moteur
T = force de rotation (lb·pi) x rayon
N = vitesse de référence du moteur (tr/min)

Après détermination de la puissance au frein nécessaire de la machine (produit de la vitesse par le couple), la puissance en HP peut être déterminée :

Si la puissance calculée se situe entre deux puissances assignées de moteur normalisées, choisir la puissance assignée la plus élevée. C'est là une bonne pratique de garder une certaine marge lors du choix de la puissance d'un moteur.

Dans bien des applications, il est possible de calculer la puissance nécessaire sans avoir mesuré réellement le couple nécessaire.

Quelques exemples types :

Pour les convoyeurs

Pour les ventilateurs et soufflantes

Effet de la vitesse sur la puissance.

HP = k₁ x vitesse (tr/min)³ - la puissance varie comme le cube de la vitesse

Débit = k₃ x vitesse (tr/min) - le débit varie proportionnellement à la vitesse

Pression totale = pression statique + pression dynamique

Pression dynamique = V2 x (1/1096,7)2 x densité

Pour les pompes

Densité relative de l'eau = 1

1 pi3 par seconde = 448 gallons/min

1 PSI = une hauteur de 2309 pi pour une eau pesant 62,36 lb/pi3 à 62 °F

Pompes à cylindrée constante

Effet de la vitesse sur la puissance (HP) = k x vitesse (tr/min).

La puissance et la capacité varient directement avec la vitesse.

Les pompes volumétriques sous hauteur constante nécessitent un couple sensiblement constant à toutes les vitesses.

Pompes centrifuges

Effet de la vitesse sur la puissance au frein absorbée.

HP = k1 x vitesse (tr/min)3 - la puissance varie comme le cube de la vitesse

T = k2 x vitesse (tr/min)2 - le couple varie comme le carré de la vitesse

Débit = k3 x vitesse (tr/min) - le débit varie proportionnellement à la vitesse

Rendement d'une pompe centrifuge (type)

500 à 1000 gal/min = de 70 % à 75 %

1000 à 1500 gal/min = de 75 % à 80 %

Plus de 1500 gal/min = de 80 % à 85 %

Le rendement des pompes volumétriques peut varier entre 50 % et 80 %, selon leur puissance.

Puissance nécessaire

Loi d'Ohm

Volts = ampères x ohms

Puissance dans les circuits c.c.

Watts = volts x amperes

Puissance dans les circuits c.a.

Kilovoltampères (kVA)

Kilowatts (kW)

Circuits triphasés c.a

Figure 23 : Triangle des puissances - Illustration des relations entre :

1. Puissance active (kW) et puissance apparente (kVA)
2. Le rapport de la puissance active à la puissance apparente est le facteur de puissance (kW/kVA)
3. Charge inductive et charge capacitive (kVar)
4. Circuit inductif (tension en avance) et à circuit capacitif
   (tension en retard)

Annexe E : Facteurs de conversion

	Multiplier	par	pour obtenir
Longueur	Mètres Mètres Pouces Pieds	3,281 39,37 0,0254 0,3048	des pieds des pouces des mètres des mètres
Couple	Newtons-mètres lbf-pi lbf-po lbf-pi	0,7376 1,3558 0,0833 12,00	des lbf-pi des newtons-mètres des lbf-pi des lbf-po
Rotation	tr/min tr/min Degrés/sec Rad/sec	6,0 0,1047 0,16667 9,549	des degrés/sec des rad/sec des tr/min des tr/min
Moment d'inertie	Newtons-mètres² oz-po² lb-po² Slug-pi² oz-po-sec² lb-po-sec²	2,42 0,000434 0,00694 32,17 0,1675 2,68	des lb-pi² des lb-pi² des lb-pi² des lb-pi² des lb-pi² des lb-pi²
Puissance	Watts lb-ft/min HP HP	0,00134 0,0000303 746 30300	des HP des HP des watts des lb-pi/min
Température	Degré C = (Degré F - 32) x 5/9 Degré F = (Degré C x 9/5) + 32