2. Pourquoi les moteurs standard tombent en panne sur les variateurs de fréquence de pompes
3. YVF2 IC416 à basse vitesse
4. Calcul des économies d'énergie réalisées
5. Délai de récupération et retour sur investissement du projet
6. Spécifications YVF2 pour variateur de fréquence de pompe
7. Applications des variateurs de fréquence pour pompes
8. Foire aux questions
1. Loi d'affinité et potentiel d'économie d'énergie
La loi de puissance des pompes centrifuges stipule que la puissance à l'arbre de la pompe est proportionnelle au cube de sa vitesse de rotation : P₂ = P₁ × (n₂/n₁)³. Cette relation cubique entre la vitesse et la puissance justifie économiquement l'utilisation d'un variateur de fréquence pour la régulation de vitesse des pompes centrifuges. Même de faibles réductions de vitesse permettent de réaliser d'importantes économies d'énergie, car ces économies sont amplifiées au cube.
| Réduction de vitesse | % de pleine vitesse | Puissance équivalente à celle d'un % à pleine vitesse | Économie d'énergie | Réduction du débit |
|---|---|---|---|---|
| −5% | 95% | 85.7% | 14.3% | 5% |
| −10% | 90% | 72.9% | 27.1% | 10% |
| −20% | 80% | 51.2% | 48,8% ↑ | 20% |
| −30% | 70% | 34.3% | 65.7% | 30% |
| −40% | 60% | 21.6% | 78.4% | 40% |
Réduire le débit de la pompe en étranglant le robinet de refoulement ne diminue pas proportionnellement la puissance consommée par le moteur. Lorsque le robinet est partiellement fermé, la pompe fonctionne à une hauteur manométrique plus élevée sur sa courbe de fonctionnement, ce qui est moins efficace que son point de rendement optimal. Le moteur continue alors de consommer une puissance proche de sa pleine capacité, la majeure partie de cette énergie étant dissipée sous forme de chaleur au niveau de l'étranglement du robinet plutôt que convertie en travail hydraulique utile. La variation de vitesse par variateur de fréquence (VFD) élimine ce gaspillage : la pompe produit exactement le débit requis, à la hauteur manométrique adéquate, au point de rendement optimal de sa courbe de fonctionnement pour les conditions de fonctionnement données.
2. Pourquoi les moteurs standard tombent-ils en panne sur les variateurs de fréquence de pompes ?
Une pompe équipée d'un variateur de fréquence fonctionne fréquemment entre 40 et 80 % de sa vitesse nominale pendant les périodes de faible demande. À ces vitesses réduites, le ventilateur monté sur l'arbre d'un moteur IC411 standard ne produit qu'un débit d'air de refroidissement de 6 à 51 % de sa vitesse maximale, tandis que le moteur doit toujours fournir un couple suffisant pour vaincre les frottements de la pompe et maintenir le débit contre la hauteur manométrique du système. Ce refroidissement insuffisant, combiné à la production continue de couple, entraîne une surchauffe de l'enroulement, dépassant la limite de la classe F. Ceci accélère le vieillissement de l'isolation et provoque une défaillance prématurée du moteur en 2 à 5 ans, alors que le système de pompage a été conçu pour une durée de vie de 20 ans ou plus.
Les variateurs de fréquence modernes à IGBT fonctionnent à une fréquence de 2 à 16 kHz, générant des pics de tension de 1 000 à 1 600 V aux bornes du moteur (amplifiés par les réflexions dues à la longueur du câble). L'isolation des enroulements des moteurs de classe F est conçue pour des tensions sinusoïdales ; les pics de tension haute fréquence répétés provoquent des décharges partielles dans l'isolation et une dégradation progressive de celle-ci. Ce mode de défaillance est totalement absent lorsque le moteur est alimenté par une source sinusoïdale à fréquence fixe, mais devient la principale cause de défaillance lorsqu'un moteur standard est connecté à un variateur de fréquence dont l'isolation n'est pas adaptée.
La tension de mode commun du variateur de fréquence induit des courants d'arbre qui se déchargent à travers les roulements du moteur, provoquant l'usinage par électroérosion (EDM) des bagues de roulement. Ceci engendre un givrage et des cannelures caractéristiques sur la surface des bagues, une augmentation des vibrations et une défaillance des roulements dans un délai de 6 à 24 mois. Les moteurs de pompe alimentés par des variateurs de fréquence sans protection contre les courants de roulement (palier non écroui isolé ou bague de mise à la terre de l'arbre) subissent une défaillance due à l'endommagement des roulements avant même que le mode de défaillance de l'isolation n'ait eu le temps de progresser. Ces deux mécanismes de défaillance doivent être pris en compte simultanément dans la spécification moteur YVF2 pour les variateurs de fréquence de pompe.
3. Refroidissement YVF2 IC416 à faible vitesse de pompe
La série Korea Ever-Power YVF2 utilise un système de refroidissement forcé IC416 : un moteur de soufflerie indépendant, monté côté opposé à l'entraînement, assure un flux d'air de refroidissement constant sur le bâti du moteur, quelle que soit la vitesse de l'arbre principal. Lorsque le variateur de fréquence réduit la vitesse du moteur de la pompe à 501 tr/min (25 Hz) pour un fonctionnement à faible demande, le ventilateur IC416 continue de fournir un débit d'air de refroidissement nominal de 1001 tr/min, permettant ainsi à la pompe YVF2 de développer son couple nominal maximal à cette vitesse réduite sans aucune dégradation thermique.
Le ventilateur IC416 est alimenté par le réseau triphasé principal (et non par la sortie du variateur de fréquence), ce qui garantit son fonctionnement à pleine vitesse nominale quelle que soit la fréquence du variateur. La puissance du moteur du ventilateur est généralement de 1/20 à 1/10 de la puissance nominale du moteur principal (pour une pompe YVF2 de 22 kW, la puissance du ventilateur est d'environ 0,18 à 0,37 kW), et sa consommation électrique est négligeable par rapport aux économies d'énergie réalisées grâce à la régulation de vitesse par variateur de fréquence sur le variateur de fréquence de la pompe principale.
| Vitesse | Refroidissement IC411 | Refroidissement IC416 |
|---|---|---|
| 50 Hz (100%) | 100% | 100% |
| 40 Hz (80%) | 51% | 100% |
| 25 Hz (50%) | 12.5% | 100% |
| 15 Hz (30%) | 2.7% | 100% |
| 0 Hz (statique) | 0% | 100% |
4. Calcul des économies d'énergie réalisées — Pompe de 22 kW
Rendement du moteur (IE3) : 92,6%
Durée annuelle de fonctionnement : 8 000 h/an
Tarif d'électricité : $0,13 / kWh
Demande moyenne en mode % à pleine vitesse : 82%
Commande du papillon des gaz à pleine vitesse : Oui
Consommation énergétique annuelle actuelle : 23,76 × 8 000 = 190 080 kWh
Coût annuel actuel : 190 080 × $0,13 = $24,710
Avec variateur de fréquence à une vitesse moyenne de 82% :
Facteur de puissance moyen : (0,82)³ = 55,1% de la puissance nominale
Puissance absorbée par le variateur de fréquence : 23,76 × 0,551 = 13,09 kW
Énergie annuelle : 13,09 × 8 000 = 104 720 kWh
Coût annuel : 104 720 × $0,13 = $13,614
5. Délai de récupération et retour sur investissement du projet
Pour l'exemple de 22 kW ci-dessus, la modernisation d'une pompe à variateur de fréquence (VFD) comprend généralement : un variateur de fréquence (22 kW, montage sur panneau IP54) : 2 500 à 4 000 £ ; un moteur YVF2 de 22 kW pour variateur de fréquence : 1 200 à 1 800 £ ; la main-d'œuvre pour le remplacement du moteur et l'alignement de l'accouplement : 300 à 500 £ ; l'installation électrique et la mise en service du variateur de fréquence : 800 à 1 200 £ ; un transmetteur de pression pour la régulation PID (s'il n'est pas déjà installé) : 200 à 400 £. Le coût total du projet est d'environ 5 000 à 7 900 £, selon les conditions du site et l'infrastructure existante.
La régulation de vitesse par variateur de fréquence (VFD) des pompes centrifuges offre des avantages supplémentaires, au-delà des économies d'énergie directes : (1) Suppression des coups de bélier : le VFD ralentit la pompe progressivement et de manière contrôlée, évitant ainsi les surpressions susceptibles d'endommager les vannes, les joints et l'instrumentation. (2) Réduction de l'usure de la pompe : un fonctionnement à vitesse réduite diminue l'usure de la roue, des joints d'étanchéité et les contraintes sur les paliers. (3) Durée de vie du moteur prolongée : une vitesse réduite entraîne une diminution de l'intensité du courant, un refroidissement du moteur et une durée de vie accrue des enroulements et des paliers. (4) Contrôle précis du débit et de la pression : le VFD module la vitesse de la pompe en fonction de la pression ou du débit du procédé, ce qui élimine le besoin d'une vanne de régulation supplémentaire sur la conduite de refoulement.
Pour une même réduction de vitesse moyenne, les économies d'énergie sont quasiment proportionnelles à la puissance du moteur. Une pompe de 37 kW à une vitesse moyenne de 821 TP3T permet d'économiser environ 18 700 TP4T par an ; une pompe de 75 kW permet d'économiser 37 800 TP4T par an. Dans les installations équipées de plusieurs pompes à régulation par variateur de fréquence, les économies cumulées peuvent justifier un programme de modernisation à l'échelle de l'installation avec remplacement des pompes par des variateurs de fréquence, avec un retour sur investissement global inférieur à deux ans, même pour des réductions de vitesse moyenne estimées de façon prudente.
6. Spécifications YVF2 pour variateur de fréquence de pompe centrifuge
La série YVF2 d'Ever-Power (Corée) est le moteur idéal pour toutes les applications de modernisation et de construction neuve de pompes centrifuges à variateur de fréquence. Elle combine un refroidissement forcé IC416 pour un couple maximal à toutes les vitesses, une isolation des enroulements de classe H pour variateur de fréquence assurant une résistance durable aux pics de tension PWM, et une protection des enroulements par thermistance PTC de série. Le YVF2 utilise les mêmes dimensions de châssis IEC 72-1 que la série Y2 standard, ce qui permet de remplacer un moteur Y2 existant lors de la modernisation d'une pompe sans modification de la plaque de base, de l'accouplement ou de la tuyauterie. La gamme complète YVF2 est disponible en section produits moteurs pour variateurs de fréquence.
| Gamme de puissance | 0,75–200 kW |
| Poteaux (pompe) | 2P (2 900 tr/min) ou 4P (1 450 tr/min) |
| Refroidissement | Souffleur forcé IC416 |
| Isolation | Formulation pour variateur de fréquence de classe H |
| Plage de vitesses | 0–120 Hz |
| thermistances PTC | enroulement statorique standard 3× |
| Protection | norme IP54 |
| Compatibilité du cadre | IEC 72-1 — identique à la série Y2 |
7. Applications des variateurs de fréquence pour pompes
Pompe à eau glacée pour les services du bâtiment
Les groupes motopompes à eau glacée primaires et secondaires des systèmes CVC des bâtiments commerciaux représentent l'application la plus pertinente pour la modernisation par variateur de fréquence (VFD), en raison de leur puissance (7,5 à 90 kW), de leur fonctionnement continu (8 000 heures par an) et de leur profil de charge très variable (pleine charge uniquement lors des pics de consommation estivaux). La modernisation par variateur de fréquence avec moteurs YVF2 sur les pompes de service des bâtiments permet généralement de réduire la consommation d'énergie des pompes de 40 à 60 %, avec des délais de retour sur investissement inférieurs à 12 mois dans la plupart des bâtiments équipés de démarreurs directs ou étoile-triangle. |
Eau de refroidissement pour procédés industriels
Dans les usines chimiques et manufacturières, les pompes de refroidissement d'eau de process alimentant les échangeurs de chaleur, les réacteurs et les circuits de refroidissement des compresseurs fonctionnent à un débit très variable en fonction des variations de charge liées au planning de production et à la température ambiante. Les variateurs de fréquence YVF2, modulés par un signal de température ou de pression différentielle de retour d'eau de refroidissement, maintiennent la puissance de refroidissement minimale requise tout en réduisant la consommation d'énergie de la pompe de 30 à 50 % par rapport à un fonctionnement à vitesse fixe avec régulation par vanne de dérivation. |
Les surpresseurs pour réseaux d'eau potable et les groupes de surpression pour bâtiments avec variateur de fréquence maintiennent une pression de sortie constante malgré d'importantes variations de débit. Le modèle YVF2 bipolaire (2 900 tr/min) de 3,0 à 30 kW couvre la plupart des applications de surpression.
Les stations de pompage pour l'irrigation agricole, dont la demande en eau est variable et qui sont équipées de conduites montantes, bénéficient d'une régulation de vitesse par variateur de fréquence (VFD) afin de maintenir une pression de refoulement constante malgré les changements de position des vannes d'irrigation. Le variateur YVF2 à 4 pôles, de 11 à 90 kW, est destiné aux entraînements des pompes d'irrigation principales.
La pompe de maintien de pression du système d'incendie fonctionne par intermittence à très faible débit pour compenser les fuites du système. La variation de vitesse par variateur de fréquence élimine les cycles marche/arrêt, assurant une pression constante avec un nombre de démarrages considérablement réduit et supprimant les variations de pression dues aux démarrages directs répétés.
Pompes de retour des condensats de vapeur dans les chaudières industrielles. Le volume de condensats retournés varie en fonction de la demande de vapeur. La régulation de vitesse par variateur de fréquence de la pompe de retour des condensats évite les débordements vers l'évacuation et réduit l'usure de la pompe due aux cycles marche/arrêt fréquents, contrôlés par un interrupteur à flotteur de niveau de condensats.
8. Foire aux questions
Édité par Cxm
