Révolutionner les variateurs de fréquence:Les variateurs de vitesse Clean Power VFD basés sur les transitors SiC redéfinissent les normes de l'industrie
L’adoption de la technologie du carbure de silicium (SiC) pour remplacer les traditionnels transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) dans les variateurs de fréquence (VFD) transforme l’industrie en offrant de nombreux avantages par rapport aux VFD conventionnels. L’objectif de cet article est de mettre en évidence la manière dont les Clean Power VFDs à base de SiC remettent en question les hypothèses établies sur les VFD et leur impact sur le coût global du cycle de vie (LCC) d’un système de pompage.
Afin d’atteindre cet objectif, nous examinerons les performances des Clean Power VFD à chaque étape des principales étapes de livraison et de fonctionnement de l’équipement de pompage. Notre analyse sera basée sur un ensemble d’exigences telles que des moteurs situés à des centaines de mètres de la salle d’alimentation électrique, et la conformité avec les recommandations IEEE519.
Choix et achat
Lors de la sélection d’un variateur de fréquence (VFD) pour un système de pompe, se fier à sa familiarité avec les VFD traditionnels est insuffisant.
Pour obtenir des performances optimales,un variateur de vitesse standard peut nécessiter des dispositifs supplémentaires tels que :
pour résoudre les problèmes d’interférence électromagnétique
pour réduire les harmoniques
pour lisser le signal de modulation de largeur d’impulsion (MLI) qui alimente le moteur
qui sont compatibles avec le VFD
est fortement recommandée pour limiter l’impact destructeur des courants de circulation résultant de la tension en mode commun du signal MLI généré par le VFD.
Lorsque l’on calcule le coût initial réel d’un VFD standard,
il doit être multiplié par 1,5 à 3 selon le type de dispositifs supplémentaires.
En revanche, l'utilisation du Clean Power VFD, à base de SiC, dans les systèmes de pompage peut réduire considérablement le coût de l'investissement initial.
- Les transistors de puissance SiC permettent une commutation rapide dans un volume réduit tout en générant moins de pertes thermiques qu'auparavant.
- Les VFD Clean Power bien conçus génèrent une véritable onde sinusoïdale pour alimenter le moteur et ne nécessitent pas de filtres ni ne créent d'autres inconvénients.
Il n’est donc pas nécessaire de consacrer du temps à la recherche, à la sélection et à l’achat de dispositifs de filtrage coûteux, de câbles spéciaux ou de protections des roulements.
- Cela permet de réduire le coût de l'achat initial et le temps d'ingénierie.
En ce qui concerne la livraison du matériel,iil est important de tenir compte des coûts de transport et de leur empreinte carbone.
Les Clean Power VFDs ne nécessitent pas de filtres externes encombrants, ce qui réduit le volume et le poids à transporter.
Par exemple, un filtre passif d’entrée et un filtre sinusoïdal de sortie pour un système d’entraînement typique 480V / 30kW ajoutent 40 kg au poids de l’équipement.
Le coût global du transport dépend d’un certain nombre de facteurs, notamment la distance à parcourir, le type de camion utilisé et le prix du carburant.
Toutefois, les économies devraient généralement être de l’ordre de 10 à 15 %.
Ainsi, l’utilisation de Clean Power VFD ne réduit pas seulement le coût de l’investissement initial,
mais aussi le coût du transport et son empreinte carbone.
Montage et câblage
Il est important de prendre en compte d’autres facteurs que le seul coût initial. Dans les systèmes VFD traditionnels, les dispositifs supplémentaires augmentent également l’espace nécessaire dans l’armoire électrique.
Cependant, les variateurs Clean Power VFD, qui ne nécessitent pas de dispositifs de filtrage coûteux ou de câbles spécialisés, sont plus petits, ce qui les rend plus faciles à transporter et à installer, ce qui est particulièrement avantageux dans les projets de modernisation où l’espace existant peut être limité.
Le gain d’espace qui en résulte peut rapidement s’élever à 50 % ou plus lors de l’utilisation d’un Clean Power VFD.
En outre, le câblage représente un coût de main-d’œuvre important, et un Clean Power VFD nécessite moins de points de connexion, ce qui réduit le temps consacré au câblage et à sa vérification. Cela permet de réaliser des économies supplémentaires et de simplifier le processus d’installation.
Une autre considération importante est le coût de l’installation sur site, qui est influencé par le type de câbles utilisés. Dans les systèmes VFD traditionnels, il est recommandé d’utiliser des câbles onéreux, spécifiques pour l’usage de VFD, afin d’atténuer les problèmes potentiels liés au signal de sortie du VFD.
Ne pas prendre en compte le traitement des problèmes liés aux câbles peut entraîner une augmentation des dépenses de maintenance, car la sortie PWM des variateurs de vitesse traditionnels peut être une source de stress pour les moteurs et les câbles, ce qui finit par réduire leur durée de vie.
Les câbles destinés aux variateurs de vitesse sont généralement plus coûteux que les câbles de moteur standard en raison de leur conception et de leurs caractéristiques spécifiques permettant de gérer les impulsions à haute fréquence et le bruit générés par les variateurs de vitesse.
Les propriétés supplémentaires de blindage, d’isolation et de faible capacité contribuent à l’augmentation du coût.
Cependant, un Clean Power VFD délivre une onde sinusoïdale propre,
permettant l’utilisation de câbles moteur standard, ce qui peut réduire considérablement les coûts d’installation.
L’économie réalisée sur le coût des câbles peut facilement atteindre 20 % lorsque l’on utilise un Clean Power VFD.
Opération
Des études ont montré que le coût total du cycle de vie dun système d’entraînement à fréquence variable (VFD) ‘se répartie en environ 3 % en coûts d’achat, 2 % en coûts de maintenance et 95 % en coûts énergétiques.
Outre l’analyse des coûts d’acquisition et des économies potentielles liées à l’utilisation d’un Clean Power VFD, il est important de prendre en compte les économies supplémentaires qui peuvent être réalisées pendant le fonctionnement des systèmes de pompage.
Coûts d'exploitation : maintenance, consommation d'énergie et temps d'arrêt potentiels
Pour découvrir les dépenses cachées pendant l’exploitation, il est important d’examiner les frais annuels d’entretien et de réparation, la consommation annuelle d’énergie et les temps d’arrêt potentiels.
La maintenance préventive est un moyen efficace de réaliser des économies en garantissant la meilleure disponibilité de l’équipement. Il s’agit notamment d’inspecter régulièrement le système électrique, de le débarrasser des débris et de tester l’entraînement à fréquence variable pour s’assurer qu’il fonctionne efficacement. Un entretien et un dépannage réguliers permettent de résoudre les problèmes potentiels avant qu’ils ne deviennent des problèmes majeurs nécessitant des réparations ou des remplacements coûteux.
Cependant, la réalité est que de nombreuses opérations de maintenance des systèmes de pompage sont réactives, ce qui peut s’avérer coûteux en raison des coûts d’immobilisation associés.
L’utilisation de Clean Power VFD permet de réduire considérablement les opérations de maintenance réactive et d’augmenter la durée de vie de l’équipement.
Température excessive
De nombreuses études et articles, disponibles sur le web avec des recherches telles que « Fiabilité des variateurs de fréquence », ou « causes et modes de défaut des variateurs de fréquence », ont montré qu’une température excessive est responsable d’environ 25 % des pannes d’entraînement à fréquence variable.
- Cependant, les variateurs Clean Power VFD génèrent moins de chaleur et nécessitent moins de refroidissement, ce qui réduit le risque de défaillance.
Usure et détérioration
En outre, l’usure des composants du système est limitée, ce qui réduit le risque de défaillances inattendues nécessitant une maintenance réactive.
- La sortie sinusoïdale d'un Clean Power VFD est parfaitement équilibrée et n'induit pas de tension de mode commun, ce qui protège les roulements du moteur contre les courants de mode commun.
Les risques de temps d'arrêt inattendus, avec les dépenses imprévues qui en découlent, sont alors minimisés grâce à l'utilisation d'un Clean Power VFD:
1. L’impact des temps d’arrêt dépend fortement de l’application spécifique d’une pompe. Pour les applications industrielles ou commerciales où la pompe est un élément crucial de l’opération, le coût du temps d’arrêt peut être significatif, pouvant aller jusqu’à des milliers, voire des dizaines de milliers de dollars par heure !
2. Le coût des pièces de rechange varie considérablement en fonction de ce qui doit être remplacé. Pour une pompe de 30KW, les pièces peuvent aller de quelques centaines à plusieurs milliers de dollars.
3. Les heures de travail requises peuvent être payées entre 50 et 150 dollars de l’heure pour un technicien qualifié.
4. Si le temps d’arrêt entraîne une perte de productivité ou une perturbation des opérations, cela peut également entraîner des coûts importants.
En d’autres termes, chaque panne inattendue évitée grâce à l’utilisation d’un Clean Power VFD représente une énorme économie d’argent : coût des pièces de rechange, coût de la perte de production.
Distorsions harmoniques
Les distorsions harmoniques peuvent également avoir un impact sur les coûts de maintenance et de réparation, ainsi que sur la disponibilité du système.
En utilisant un Clean Power VFD intégrant un frontal actif (AFE), la génération d’harmoniques peut être considérablement réduite, ce qui se traduit par une diminution des coûts de maintenance et une amélioration de la disponibilité du système.
Avec un VFD Clean Power, la distorsion harmonique du courant est inférieure à 3 %.
VS
Comparé à un VFD ordinaire 6-pulses avec un inducteur qui a un THDi d’environ 40 %.
La distorsion harmonique totale impacte les pertes de cuivre, de fer et de peau.
Une analyse détaillée tenant compte du contenu harmonique spécifique et des caractéristiques du système est nécessaire pour déterminer avec précision l’augmentation des pertes de courant.
Cependant, une approche simple peut aider à estimer cette augmentation :
Le courant total dans le système avec un THDi de 40 % est supérieur de 8 % au courant fondamental. C’est facile à démontrer mathématiquement :
- Si THDi est de 40 %, cela signifie que le courant harmonique représente 40 % du courant fondamental.
- Notez que le courant harmonique et le courant fondamental ne s' additionnent pas, le courant total dans le système n'est pas 140% du courant fondamental.
- Au lieu de cela, le courant efficace (RMS) total dans le système, compte tenu des composantes fondamentales et harmoniques, est la somme quadratique du courant fondamental et de tous les courants harmoniques :
| Courant efficace total du système | |
|---|---|
| Courant_total = racine carrée(courant_fondamental2 + courant_harmonique2) | |
| ou en substituant Courant_harmonique = 0,4 * Courant_fondamental, nous obtenons : | |
| Courant_total = racine carrée(Courant_fondamental2 + (0.4 * Courant_fondamental)2) | |
| En résolvant ce problème, on obtient | |
| Courant_total = 1.077 * Courant_fondamental | |
| Ainsi, le courant total dans le système avec un THDi de 40 % est 7,7 % plus élevé que le courant fondamental. | |
| Par conséquent, l'augmentation de la perte de puissance = (1.077)2 = 1.16, 116 % plus élevé avec un THDi de 40 % par rapport au scénario où il n'y a pas ou très peu de distorsions harmoniques. |
Les distorsions harmoniques dans les systèmes électriques peuvent avoir un impact significatif sur les coûts de maintenance et de réparation.
Bien que les arrêts de processus causés par la distorsion harmonique soient rares, ils se traduisent le plus souvent par des déclenchements intempestifs ou de petites erreurs qui peuvent entraîner une maintenance supplémentaire et endommager l’équipement.
Il peut s’agir de températures excessives dans les moteurs et les transformateurs, de dysfonctionnements dans les appareils électroniques sensibles, de déclenchements de disjoncteurs et de défaillances des batteries de condensateurs.
Au fil du temps, ces problèmes peuvent s’accumuler et augmenter les coûts de maintenance, tout en diminuant la disponibilité du système.
En utilisant un Clean Power VFD avec un front-end actif (AFE),
les harmoniques peuvent être contrôlés et empêchés d’atteindre des niveaux problématiques, ce qui permet de réduire les coûts de maintenance et d’augmenter la disponibilité du système
Facture énergétique annuelle
L’utilisation de Clean Power VFDs dans les systèmes de pompage permet non seulement d’améliorer leur efficacité, mais aussi de réduire leur consommation d’énergie.
L’une des sources de pertes d’énergie dans un système d’entraînement avec VFD est la présence de filtres, qui sont éliminés grâce à l’utilisation de Clean Power VFDs.
Mais négliger les filtres avec un VFD ordinaire pour éliminer leurs pertes serait un mauvais choix car les harmoniques augmenteront, et plus les harmoniques sont élevées, plus le courant de ligne est élevé ; avec le besoin subséquent de transformateurs plus puissants, de plus gros câbles, et bien sûr de plus grandes pertes d’énergie.
De plus, l’utilisation d’un Clean Power VFD, équipé d’un active-front-end (AFE), peut également entraîner des économies sur la facture d’énergie.
Les compagnies d’électricité spécifient des limites pour les courants harmoniques dans leurs contrats avec les clients, et si le niveau d’harmoniques dépasse les recommandations IEEE519 au point de couplage commun (PCC), la compagnie d’électricité peut infliger une amende.
Bien que les utilisateurs puissent installer un réacteur d’entrée pour atténuer les harmoniques générées par leur VFD au niveau du PCC, cette solution peu coûteuse nécessite une évaluation régulière, car de nouveaux équipements dans leur installation peuvent introduire des harmoniques supplémentaires au fil du temps.
D’un point de vue du VFD,
la meilleure solution consiste à ne pas générer de distorsion harmonique.
Un Clean Power VFD, équipé d’un AFE,
permet une réduction de la distorsion harmonique inférieure à la recommandation IEEE519, sans nécessiter de filtres supplémentaires.
Fin de vie et recyclage
La destruction en fin de vie du variateur Clean Power VFD, basé sur SiC, est également plus facile et plus respectueuse de l’environnement qu’ avec les VFD traditionnels.
Ces VFD génèrent moins de chaleur et nécessitent moins de refroidissement, ce qui réduit la quantité de matériel de refroidissement nécessaire pour le système.
En outre, la conception simplifiée du système Clean Power VFDs réduit le nombre de dispositifs dans le système qui doivent être détruits, ce qui réduit l’impact sur l’environnement.
Retour sur investissement (RSI)
Les variateurs de fréquence, lorsqu’ils sont appliqués aux systèmes de pompage, permettent notamment de réaliser des économies d’énergie lorsque le moteur ne tourne pas toujours à plein régime.
La puissance nécessaire pour faire fonctionner une pompe varie avec le cube de la vitesse (c’est ce que l’on appelle les lois d’affinité pour les pompes), ce qui signifie que la réduction de la vitesse peut réduire de manière significative la consommation d’énergie.
En supposant qu'une pompe, nécessitant un moteur de 30 kW (environ 40 CV) pour effectuer son travail, fonctionne 8 000 heures par an, la consommation d'énergie dans différentes conditions de fonctionnement serait la suivante :
1. 40% du temps à 75% de la pleine vitesse:
Energie = 0.40 * 8000 hours * (0.75^3) * 30 kW = 40,500 kWh
2. 40% du temps à 50% de la pleine vitesse:
Energie = 0.40 * 8000 hours * (0.50^3) * 30 kW = 12,000 kWh
3. 20% du temps à 100% de la pleine vitesse
Energie = 0.20 * 8000 hours * 30 kW = 48,000 kWh
La consommation énergétique annuelle totale est:
40,500 kWh + 12,000 kWh + 48,000 kWh = 100,500 kWh
La valeur annuelle
Bien que l’utilisation d’un VFD permette de réaliser des économies d’énergie, nous avons vu précédemment que 40 % de distorsion harmonique augmentent les pertes de puissance de 16 % en moyenne.
En supposant que ces 16 % représentent des économies grâce au Clean Power VFD, la valeur annuelle serait la suivante:
En supposant que ces 16 % représentent des économies grâce au Clean Power VFD, la valeur annuelle serait la suivante:
- Economies = 0.16 * 100,500 kWh = 16,080 kWh
La conversion en termes monétaires se fait en utilisant le prix de l’électricité (0,10 $/kWh) :
- Economies = 16,080 kWh * $0.10/kWh = $1,608 par an
Le surcoût budgétaire d’achat d’un Clean Power VFD de 30 kW par rapport à un VFD ordinaire est d’environ 3 000 $ (2 000 $ – 5 000 $).
La période de retour sur investissement serait donc la suivante :
- RSI = Investissement / Economies = $3,000 / $1,608 ≈ 1.9 ans soit environ 1 an et 10 mois
Ces calculs sont une simplification,
et les économies réelles peuvent être influencées par de nombreux facteurs,
y compris la courbe de rendement de la pompe, la courbe de pression du système, la stratégie de contrôle de la pompe, etc.
Mais il donne une bonne estimation de la rapidité du retour de l’investissement dans un Clean Power VFD par rapport à un VFD ordinaire, si l’on considère uniquement les avantages énergétiques dus aux caractéristiques de faibles harmoniques.
En résumé, l’utilisation de Clean Power VFDs à base de SiC, avec AFE intégré, dans les systèmes de pompage apporte de nombreux bénéfices.
Ces bénéfices incluent:
les dépenses liées aux matériaux, à la main-d’œuvre et aux frais généraux connexes, ainsi que l’amélioration de l’efficacité et les économies d’énergie, la réduction des coûts de maintenance et l’amélioration de la disponibilité des systèmes.
Les Clean Power VFDC à base de SiC génèrent moins de chaleur et nécessitent moins de refroidissement, ce qui réduit le risque de pannes, l’usure des composants du système et les pannes inattendues.
Ils réduisent la fréquence des opérations de maintenance réactives et augmentent la durée de vie des équipements.
En outre, les Clean Power VFD à base de SiC réduisent considérablement la production de distorsions harmoniques, qui peuvent entraîner une température excessive dans les moteurs et les transformateurs, des dysfonctionnements des appareils électroniques sensibles, le déclenchement intempestif de disjoncteurs et des défaillances des batteries de condensateurs.
En réduisant la distorsion harmonique en dessous des recommandations IEEE519 sans utiliser de filtres, les Clean Power VFD permettent d’éviter les amendes des compagnies d’électricité et éliminent la nécessité d’une évaluation régulière des réactances d’entrée.
Dans l’ensemble, la mise en œuvre de Clean Power VFDs dans les systèmes de pompage peut se traduire par des économies substantielles en termes d’achat, de maintenance et d’énergie, tout en améliorant les performances et la fiabilité du système.
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