Modernisation de la production : Transition des variateurs à vitesse fixe vers le contrôle sur variateurs de fréquence

1. Introduction : la nécessité de moderniser les entraînements industriels

Dans la production industrielle moderne, l’efficacité, la fiabilité et l’adaptabilité des équipements sont essentielles pour garantir la compétitivité. Les entraînements à vitesse fixe encore largement utilisés ne répondent souvent pas aux exigences actuelles en matière d'efficacité énergétique, de contrôle précis des processus et de réduction des coûts d'exploitation. Les systèmes obsolètes peuvent entraîner une dépense d'énergie excessive, une usure accrue des composants mécaniques, des arrêts fréquents et imprévus et une complexité d'intégration dans les systèmes d'automatisation modernes. De plus, les exigences réglementaires croissantes, telles que les directives européennes d'écoconception et les normes nationales de gestion de l'énergie (par exemple DSTU EN ISO 50001:2018), incitent les entreprises à mettre en œuvre des technologies d'économie d'énergie.

La modernisation des entraînements grâce à l'introduction d'entraînements à fréquence variable (VFD) ou VFD (Variable Frequency Drive) permet d'obtenir une réduction significative de la consommation électrique, d'augmenter la précision du contrôle des processus technologiques et d'augmenter l'efficacité opérationnelle globale. Ce manuel technique examine les aspects clés de la transition vers la RPC, en se concentrant sur les avantages économiques et les recommandations pratiques pour les entreprises industrielles ukrainiennes.

2. Évaluation des systèmes existants : critères de modernisation

Une évaluation approfondie des systèmes d'entraînement existants est nécessaire avant de prendre la décision de les mettre à niveau. Cela permettra d’identifier les domaines les plus critiques et de justifier les investissements. Le tableau ci-dessous présente les principaux critères à considérer :

3. Alternatives modernes : comparaison des technologies

Le passage du démarrage direct au contrôle avec l'aide du PRC est une étape fondamentale pour améliorer l'efficacité. Voici une comparaison entre une solution typique avec une vitesse fixe et une solution moderne avec un CDP :

4. Calcul du retour sur investissement (ROI)

Un calcul détaillé du retour sur investissement est essentiel pour justifier un projet de modernisation. Prenons l'exemple d'une station de pompage avec un moteur de 30 kW.

Données de sortie :

• Puissance moteur : P = 30 kW
• Heures de fonctionnement par an : H = 8000 heures
• Coût de l'électricité : C_e = 0,15 EUR/kWh (moyenne industrielle pour l'Ukraine)
• Économies d'énergie moyennes grâce à la mise en œuvre du CHRP : E_s = 25 % (typique pour les applications de pompes et de ventilateurs)
• Le coût d'un VFD (par exemple, Heidenhain 355880-30 ou similaire) : VFD_coût = 3 500 EUR
• Le coût d'installation et de mise en service : I_coût = 1500 EUR
• Coûts d'entretien annuels de l'ancien système : M_old = 1200 EUR (remplacement des accouplements, roulements, réparation)
• Coûts annuels de maintenance du nouveau système : M_new = 400 EUR (maintenance programmée du PRP)
• Le coût des temps d'arrêt des équipements : D_coût = 500 EUR/heure
• Réduction des temps d'arrêt grâce au PRP : R_downtime = 20 heures/an (grâce au démarrage en douceur, à la réduction de la charge)

Calculs :

1. Consommation d'énergie annuelle de l'ancien système :
   Fold = P * H * Ce = 30 kW * 8000 h * 0,15 EUR/kWh = 36000 EUR/an
2. Économies d'énergie annuelles :
   Se = Сold * Es = 36 000 EUR/an * 0,25 = 9 000 EUR/an
3. Économies sur la maintenance :
   Sm = Mancien - Mnouveau = 1200 EUR - 400 EUR = 800 EUR/an
4. Économies grâce à la réduction des temps d'arrêt :
   Sd = Dcoût * Rtemps d'arrêt = 500 EUR/heure * 20 heures/an = 10 000 EUR/an
5. Économies annuelles totales :
   Stotal = Se + Sm + Sd = 9000 + 800 + 10000 = 19800 EUR/an
6. Coûts d'investissement totaux :
   Itotal = VFDcoût + Icoût = 3 500 EUR + 1 500 EUR = 5 000 EUR
7. Période de récupération :
   PP = Itotal / Stotal = 5 000 EUR / 19 800 EUR/an ≈ 0,25 an (environ 3 mois)

Ainsi, l'investissement dans la modernisation des entraînements est rentabilisé dans un délai exceptionnellement court. Même si « l'ancien système fonctionne toujours », son coût caché dû à une mauvaise efficacité, des pannes fréquentes et un contrôle limité dépasse de loin le coût initial de la mise à niveau. Compte tenu de la hausse des prix de l’énergie, cette période de récupération pourrait être encore plus courte. Il répond également aux exigences des audits énergétiques et aux normes DSTU EN ISO 50001:2018.

5. Feuille de route de mise en œuvre : une approche progressive

La mise en œuvre efficace du HRC nécessite une planification minutieuse pour minimiser les interruptions de production. Une approche progressive est recommandée :

1. Planification et audit (1 à 2 semaines)

   • Audit détaillé : Détermination de tous les variateurs à mettre à niveau, de leurs paramètres de fonctionnement actuels, des charges et de la durée de fonctionnement.
   • Etude de faisabilité : Réalisation de calculs de ROI pour chaque disque ou groupe de disques.
   • Sélection de l'équipement : Consultation avec les fournisseurs (par exemple UNITEC-D) sur la sélection du PRP optimal, tel que Heidenhain 355880-30, et de l'équipement associé.
   • Documentation du projet : Développement de schémas de connexion, d'algorithmes de contrôle, de spécifications.

2. Achat (2-4 semaines)

   • Commandes : Passation de commandes d'unités de contrôle, câbles, filtres, capteurs, armoires de commande. UNITEC-D assure la fourniture de matériel certifié.
   • Logistique : Organisation de la livraison du matériel sur l'installation.

3. Installation et connexion (1 à 3 jours par unité d'équipement)

   • Démontage : Démontage soigné des composants existants.
   • Installation CRP : Installation de l'armoire de commande, CRP, raccordement des câbles d'alimentation et de commande dans le respect des normes de sécurité électrique (PUE, DSTU EN 60204-1:2018).
   • Mise à la terre et blindage : fournissez une mise à la terre et un blindage adéquats pour minimiser les interférences électromagnétiques.

4. Travaux de mise en service et service de mise en service (1 à 2 jours par unité d'équipement)

   • Contrôles préliminaires : Vérification de l'exactitude des connexions, de la résistance d'isolement.
   • Configuration des paramètres PRC : Saisie des paramètres nominaux du moteur, paramètres de contrôle vectoriel (si pris en charge), configuration des contrôleurs PID.
   • Test : Démarrage au ralenti, démarrage en charge, contrôle du fonctionnement dans différents modes.
   • Intégration dans ATS TP : Mise en place d'échanges de données avec un niveau de gestion supérieur.

6. Défis techniques et moyens de les résoudre

Certaines difficultés techniques peuvent survenir lors de la mise en œuvre du ChRP, qui nécessitent une approche nuancée :

• Compatibilité électromagnétique (CEM) : les RFC génèrent des interférences haute fréquence. Solution : utilisation de filtres CEM, câbles blindés, pose séparée des câbles de puissance et de commande conformément aux normes DSTU EN 61000-6-2:2015 et DSTU EN 61000-6-4:2015.
• Harmoniques dans le réseau : Les harmoniques élevées peuvent entraîner une surchauffe des transformateurs et des compensateurs de puissance réactive. Solution : utilisation de selfs, de filtres d'harmoniques actifs, de redresseurs multi-impulsions.
• Compatibilité des moteurs : Les moteurs plus anciens peuvent ne pas être conçus pour fonctionner avec une fréquence de commutation élevée du PWM HRP, ce qui peut entraîner une surchauffe et une usure accélérée de l'isolation. Solutions : vérifier la classe d'isolation du moteur, utiliser des filtres de sortie dU/dt ou des filtres sinus, utiliser des moteurs conçus pour fonctionner avec du PRC (par exemple, isolation F ou H).
• Résonance et vibration : Certains systèmes mécaniques peuvent avoir leurs propres fréquences de résonance qui coïncident avec les fréquences générées par le FRP. La solution : la fonction de passage des fréquences de résonance dans les réglages du CRP, l'équilibrage des pièces mécaniques.
• Chutes de tension : La sensibilité de l'unité de contrôle aux chutes de tension dans le réseau industriel. Solution : utilisation de selfs de réseau, de condensateurs, de systèmes d'alimentation sans interruption pour l'électronique de commande.

7. Exemple : modernisation de l'entraînement technologique de la pompe

Situation "Avant"

Dans l'une des entreprises chimiques d'Ukraine, dans l'atelier de production d'engrais, une pompe centrifuge fonctionnait pour pomper les réactifs. Le moteur de 45 kW fonctionnait à une vitesse fixe de 1 500 tr/min. La régulation des performances a été effectuée en étranglant la canalisation sous pression à l'aide d'une vanne. Cela entraînait des pertes d'énergie importantes, une cavitation de la pompe et des défaillances fréquentes des joints et des roulements. Le nombre moyen d'arrêts par an était de 50 heures, le coût d'une réparation était de 1 500 EUR. La consommation énergétique annuelle est de 250 000 kWh. Le MTBF de l'unité de pompage était de 7 000 heures.

Situation "Après"

Il a été décidé de moderniser l'entraînement en installant une unité de commande Heidenhain 355880-30 et en l'intégrant dans le système de commande automatique existant. ChRP a permis d'ajuster en douceur la vitesse de rotation de la pompe en fonction des besoins du processus technologique. En conséquence :

• Consommation d'énergie : Diminution de 30%, à 175 000 kWh/an (économie de 75 000 kWh/an).
• Temps d'arrêt : réduit à 10 heures par an (en raison du démarrage progressif et de l'absence de cavitation).
• MTBF : augmenté à 18 000 heures (usure réduite des joints et des roulements).
• Précision du contrôle : La pression dans la canalisation est maintenue avec une précision de ±0,05 bar au lieu de ±0,5 bar.
• Qualité du produit : La stabilisation de l'approvisionnement en réactifs a conduit à une augmentation de la qualité du produit final.

Les économies d'énergie annuelles totales, la réduction des temps d'arrêt et la diminution des coûts de maintenance se sont élevées à environ 17 000 EUR/an. Les coûts d'investissement (CRP, installation, mise en service) se sont élevés à 7 000 euros. Le délai de récupération est inférieur à 5 mois.

8. Service de commission et validation

Après l'installation et la mise en service, une étape de mise en service et de validation est nécessaire. Cela confirme la conformité du système aux paramètres de conception et aux exigences fonctionnelles.

• Tests fonctionnels : Vérification du fonctionnement du CHRP dans tous les modes spécifiés, y compris les arrêts d'urgence, les protections, le fonctionnement avec des signaux externes.
• Mesure des paramètres : Mesure de la consommation électrique (avant et après), de la pression, du débit, de la température, des vibrations. Utilisation d'appareils de mesure certifiés.
• Tests d'intégration : Vérification de l'exactitude de l'échange de données avec les systèmes ACS et SCADA.
• Protocoles : Préparation des protocoles de tests et mise en service.
• Formation du personnel : Organiser une formation du personnel d'exploitation et de service sur l'utilisation de nouveaux équipements.
• Certification : Garantir la conformité de la RPC établie aux normes CE et obtenir, si nécessaire, la certification UkrSEPRO pour l'exploitation en Ukraine.

Le respect du processus de validation DSTU ISO/IEC 17025 est une confirmation de la fiabilité des résultats obtenus.

9. Conclusion

La modernisation des systèmes d'entraînement à l'aide de convertisseurs de fréquence n'est pas seulement une mise à jour technique, mais un investissement stratégique qui permet une augmentation significative de l'efficacité énergétique, de la fiabilité et de la précision dans la gestion des processus de production. Des délais d'amortissement courts grâce aux économies d'énergie, des coûts de maintenance réduits et des temps d'arrêt réduits rendent cette technologie essentielle à l'industrie d'aujourd'hui. La société UNITEC-D propose une gamme complète de solutions - depuis la fourniture de PRP modernes, tels que le Heidenhain 355880-30, jusqu'à une ingénierie complète et une assistance à toutes les étapes de mise en œuvre. Pour des informations détaillées sur la gamme de produits et les solutions de mise à niveau, veuillez visiter le Catalogue électronique UNITEC-D.

10. Liens

• DSTU EN ISO 50001:2018 (ISO 50001:2018, IDT) Systèmes de gestion de l'énergie. Exigences et directives de candidature.
• DSTU EN 50598-2:2016 (EN 50598-2:2014, IDT) Performances des systèmes d'entraînement électriques à vitesse réglable. Partie 2. Exigences générales pour la conception de systèmes efficaces.
• DSTU EN 60204-1:2018 (EN 60204-1:2018, IDT) Sécurité des machines. Équipement électrique des machines. Partie 1. Exigences générales.
• DSTU EN 61000-6-2:2015 (EN 61000-6-2:2005, IDT) Compatibilité électromagnétique (CEM). Partie 6-2. Normes générales. Résistance aux interférences pour un environnement industriel.
• DSTU EN 61000-6-4:2015 (EN 61000-6-4:2007, IDT) Compatibilité électromagnétique (CEM). Partie 6-4. Normes générales. Norme d'émission pour les environnements industriels.
• DSTU ISO/IEC 17025:2019 (ISO/IEC 17025:2017, IDT) Exigences générales relatives à la compétence des laboratoires d'essais et d'étalonnage.
• Directive européenne 2009/125/CE (directive sur l'écoconception) établissant un cadre pour l'établissement d'exigences en matière d'écoconception pour les produits consommateurs d'énergie.
• Documentation technique et manuels pour le fonctionnement du Heidenhain 355880-30 CPP.