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Un seul variateur de fréquence pour plusieurs moteurs : la simplicité a un prix
Pourquoi faire fonctionner plusieurs moteurs sur un seul variateur de fréquence ?
À première vue, l’idée semble évidente.
Plusieurs moteurs doivent fonctionner à la même vitesse. Alors pourquoi installer plusieurs variateurs de fréquence alors qu’il est possible de faire fonctionner plusieurs moteurs à partir d’un seul variateur ?
Un seul variateur signifie moins de composants, moins de câblage, moins d’encombrement dans l’armoire, moins de dégagement de chaleur et une stratégie de régulation de vitesse plus simple. Il n’y a qu’une seule commande de marche, une seule référence de vitesse et un seul système à mettre en service.
D’un point de vue technique, cette architecture peut s’avérer efficace et élégante. Mais la véritable question technique n’est pas de savoir si un seul variateur de fréquence peut piloter plusieurs moteurs.
La vraie question est la suivante :
Que se passe-t-il au niveau du processus lorsque ce variateur de fréquence n’est plus disponible ?
La simplicité qui engendre la dépendance
Lorsqu’un variateur de fréquence alimente plusieurs moteurs, il ne se limite plus à un simple régulateur de vitesse.
Il devient le point unique dont dépend l’ensemble du groupe de moteurs. Un déclenchement pour défaut arrête tous les moteurs.
- Une panne matérielle provoque l’arrêt de tous les moteurs.
- Une perte d’alimentation du système de commande provoque l’arrêt de tous les moteurs.
- Un fusible en amont qui a sauté arrête tous les moteurs.
- Une perte de communication entre l’automate et le variateur peut également entraîner l’arrêt de tous les moteurs, en fonction du comportement défini en cas de perte de communication.
Cette architecture présente donc une caractéristique « tout ou rien » :
Un déclenchement du variateur de fréquence entraîne l’arrêt complet du groupe.
C’est là le compromis.
Vous gagnez en simplicité et réduisez les coûts d’installation, mais vous perdez également la possibilité d’isoler les pannes.
Avec un variateur de fréquence par moteur, la défaillance d’un variateur ne met généralement qu’un seul moteur hors service. Le processus peut se poursuivre à capacité réduite. Avec un seul variateur de fréquence pour l’ensemble du groupe, ce même type de défaillance peut entraîner un arrêt total.
La différence n’est pas simplement d’ordre électrique. Elle est d’ordre opérationnel.
La disponibilité concerne l’ensemble de la chaîne cinématique
La disponibilité du système dépend entièrement de celle de la chaîne du variateurs de fréquence partagé :
Alimentation secteur → protection en amont → variateur de fréquence → dispositifs de commutation de sortie → moteurs
Chaque moteur suit ce même schéma. Cela modifie la manière dont il faut envisager les temps d’arrêt.
Le temps moyen de réparation du variateur de fréquence ne s’applique pas à un seul moteur. Il s’applique à l’ensemble du groupe.
Si le remplacement ou la réparation du variateur prend quatre heures, il se peut que l’ensemble du groupe soit indisponible pendant quatre heures.
C’est pourquoi une architecture à variateur de fréquence partagé ne peut se justifier uniquement par une comparaison des prix d’achat.
La décision technique doit également tenir compte des éléments suivants :
le coût d’un arrêt total de l’activité ;
le temps nécessaire pour diagnostiquer la panne ;
la disponibilité d’un variateur de remplacement ;
le temps nécessaire pour charger les paramètres appropriés ;
la capacité du processus à s’arrêter et à redémarrer en toute sécurité ;
et les conséquences si la reprise prend plus de temps que prévu.
The important question is not, “How often will the drive fail?”
C’est : « Que se passera-t-il quand cela arrivera ? »
La commutation des moteurs ne relève pas d’une opération ordinaire de contacteur
Un deuxième problème technique survient lorsque des moteurs sont ajoutés à un groupe ou retirés de celui-ci alors que celui-ci est connecté à la sortie d’un variateur de fréquence.
La sortie d’un variateur de fréquence n’est pas identique à un réseau électrique.
Il s’agit d’une sortie électronique de puissance à commande active.
L’ouverture ou la fermeture des contacteurs du moteur alors que le variateur produit une tension peut entraîner des transitoires de courant, des perturbations sur le bus CC, des déclenchements intempestifs et une sollicitation excessive de l’étage de puissance de sortie.
L’ordre des opérations est donc choisi délibérément :
Arrêter → Désactiver → Connecter ou déconnecter → Redémarrer
Commencez par donner l’ordre au moteur de s’arrêter.
Commencez par donner l’ordre au moteur de s’arrêter.Then wait until the motor group is confirmed stopped and the drive is no longer producing output.
Ensuite, activez la fonction de désactivation du moteur — ou toute autre condition de sortie autorisée permettant une coupure en toute sécurité — avant d’actionner les contacteurs du moteur.
Ce n’est qu’une fois la sortie désactivée qu’il est possible de raccorder ou de déconnecter un moteur du groupe.
Le variateur de fréquence peut alors être réactivé et le groupe tout entier redémarré.
Cette séquence empêche la commutation de contacteur lorsque le variateur délivre de la tension.
Il en résulte une réduction des déclenchements intempestifs, une diminution de la contrainte exercée sur l’étage de sortie, ainsi qu’une méthode reproductible pouvant être documentée et validée.
Pourquoi la stratégie de redémarrage est-elle importante ?
Lorsque plusieurs moteurs sont raccordés à un seul variateur, il se peut qu’ils ne se trouvent pas tous exactement dans le même état mécanique au moment du redémarrage du groupe.
Il se peut qu’un arbre soit encore en rotation.
Un autre s’est peut-être arrêté.
Un ventilateur peut tourner à vide à cause d’un courant d’air.
Une pompe peut tourner en raison du débit du processus.
Une fonction classique de démarrage à la volée ou de détection de vitesse peut tenter de déterminer la vitesse de la charge connectée. Cependant, lorsque plusieurs moteurs tournent à des vitesses différentes — ou dans des conditions différentes —, le variateur ne perçoit pas une seule machine en rotation homogène.
Il voit une réponse électrique combinée.
Cela peut entraîner un déclenchement intempestif, une détection instable, un courant élevé ou une surtension sur le bus CC.
Pour les grands groupes de moteurs en parallèle, une prémagnétisation contrôlée ou un démarrage à temps constant s’avère souvent plus prévisible.
Au lieu d’essayer de déterminer une vitesse d’arbre unique pour plusieurs moteurs différents, le variateur calcule le flux magnétique du moteur et applique un profil d’accélération connu à l’ensemble du groupe
Il en résulte une montée en courant plus progressive, moins de déclenchements dus à une surintensité ou à une surtension, et une synchronisation plus précise des moteurs.
La prévisibilité prime sur l’ingéniosité.
Une méthode de redémarrage qui fonctionne de la même manière à chaque fois facilite la mise en service, le dépannage et la validation.
Quand l’utilisation d’un seul variateur de fréquence pour plusieurs moteurs est justifiée
L’utilisation d’un seul variateur de fréquence pour plusieurs moteurs peut constituer un choix judicieux lorsque le processus peut supporter sans risque un arrêt complet.
Cela peut être le cas pour une ventilation non critique, un pompage non continu ou toute autre application dans laquelle une brève interruption n’entraîne ni danger pour la sécurité, ni perte de produit, ni dommage matériel, ni risque environnemental.
Cette décision peut également se justifier lorsque le coût, l’espace disponible sur le tableau et la simplicité du système l’emportent clairement sur les conséquences d’une coupure temporaire touchant l’ensemble du groupe.
L’architecture gagne encore en logique lorsque tous les moteurs :
fonctionnent selon le même profil de vitesse ;
démarrent et s’arrêtent comme un seul groupe fonctionnel ;
ne nécessitent pas de régulation de vitesse indépendante ;
et n’ont pas besoin de rester en service individuellement lorsqu’un autre moteur est hors service.
Dans ces conditions, un seul variateur de fréquence ne constitue pas forcément un compromis inacceptable.
Il s’agit d’une décision délibérée prise au niveau du système.
Mais cette opération ne doit être effectuée que si l’opérateur est en mesure de supporter l’interruption de service et s’il existe un plan de reprise rapide.
Quand un variateur de fréquence ne suffit pas
Certains processus ne peuvent pas s’accommoder du fonctionnement « tout ou rien » d’un variateur de fréquence partagé.
Les services liés à la sécurité des personnes et les services essentiels à la mission en sont les exemples les plus évidents.
Les ventilateurs de désenfumage, les systèmes de refroidissement essentiels, les stations de relevage des eaux usées critiques ne disposant pas d’une capacité de stockage suffisante et les processus de production en continu peuvent devoir rester opérationnels même en cas de défaillance d’un composant.
Dans ces applications, un seul variateur partagé peut entraîner des conséquences trop importantes en cas de panne.
Il en va de même lorsque les moteurs nécessitent une commande ou une protection indépendante.
Même si plusieurs moteurs peuvent être raccordés à un seul variateur de fréquence, chaque moteur doit tout de même disposer de sa propre protection contre les surcharges. Le variateur de fréquence détecte le courant total du groupe. Il ne peut pas déterminer automatiquement si un moteur en particulier est en surcharge, bloqué mécaniquement ou fonctionne de manière anormale.
Si des décisions opérationnelles individuelles s’imposent, des variateurs individuels — ou une autre forme de redondance — pourraient constituer l’architecture la plus appropriée.
Comment réduire le risque lié au point de défaillance unique
Il n’y a pas toujours un choix binaire entre un variateur unique et un variateur par moteur.
Le groupe peut être divisé.
Par exemple, au lieu d’utiliser un seul variateur de fréquence pour alimenter six moteurs, on peut utiliser deux variateurs, chacun alimentant trois moteurs.
Cela augmente les coûts par rapport à une architecture à variateur unique, mais limite les conséquences d’une panne. Une seule panne entraîne la perte de la moitié de la capacité, et non celle de l’ensemble du processus.
En ingénierie de la fiabilité, on parle parfois de « limitation du rayon d’action ».
L’objectif n’est pas d’éliminer toutes les défaillances possibles.
L’objectif est d’éviter qu’une défaillance isolée ne se transforme en une panne totale du système.
La reprise, redémarrage, doit être planifiée avant la panne
Même si une architecture à variateur de fréquence unique reste privilégiée, la stratégie de rétablissement ne doit pas être improvisée après le déclenchement.
Le rétablissement du sytème doit être conçu, documenté et testé au préalable.
Un variateur de fréquence de rechange préprogrammé peut réduire considérablement les temps d’arrêt. Mais il ne suffit pas de garder un variateur de rechange sur une étagère..
La pièce de rechange doit être compatible avec l’unité installée. Un fichier de paramètres à jour doit être disponible. Les câbles, connecteurs, outils et dispositifs de déconnexion rapide nécessaires doivent être identifiés. La personne chargée du remplacement doit connaître la procédure à suivre.
Il convient également de définir un objectif en termes de délai de remplacement.
Par exemple : « En cas de panne d’un variateur de fréquence, l’ensemble du système d’entraînement doit être remplacé et remis en service en moins de 60 minutes. »
Cette déclaration transforme une vague intention de reprise en une exigence opérationnelle.
Un bypass à vitesse fixe peut également être envisagé lorsque le fonctionnement à vitesse variable n’est temporairement pas indispensable. Un bypass avec démarrage direct sur le réseau peut fournir une solution de secours, mais il modifie les conditions de démarrage du moteur, les protections disponibles, le contrôle du procédé et la consommation d’énergie.
Le bypass n’est pas simplement un deuxième moyen d’alimenter le moteur.
Il s’agit là d’un autre mode de fonctionnement qui doit être mis au point.
La documentation doit préciser dans quels cas le mode de bypass est autorisé, quelles pertes de performances du processus en découlent et quelles protections restent actives.
Une alimentation de commande secourue ou sans interruption peut également protéger l’électronique du VFD et les E/S de l’automate contre les brèves perturbations du réseau. Cette solution ne permet pas de couvrir toutes les coupures de courant, mais elle peut éviter des arrêts inutiles causés par de courtes interruptions de l’alimentation de commande.
La surveillance de l’état des équipements peut également réduire le risque de défaillances imprévues.
La température du variateur, l’état du ventilateur de refroidissement, le comportement du bus CC, les tendances en matière de surcharge et d’autres indicateurs de diagnostic peuvent révéler une dégradation avant qu’elle n’entraîne un déclenchement.
Le but de ces alertes n’est pas de fournir davantage d’informations, mais de donner un avertissement suffisant pour permettre d’agir avant que tout le groupe ne s’arrête.
Ce que change le Clean Power VFD
Le compromis en matière de fiabilité lié à l’utilisation d’un seul variateur partagé persiste lors de l’utilisation du variateur Clean Power VFD.
Cela ne supprime pas le point de défaillance unique. En revanche, cela modifie plusieurs autres aspects techniques de l’installation..
Le Clean Power VFD fournit une sortie sinusoïdale aux moteurs sans nécessiter de filtre sinusoïdal ou dV/dt externe.
Dans une installation classique équipée d’un variateur de fréquence, les câbles de moteur parallèles et les multiples dérivations de câbles peuvent accroître le courant de charge des câbles, les effets d’ondes réfléchies, les perturbations en mode commun et les interférences électromagnétiques.
On ajoute souvent des filtres de sortie externes pour gérer ces effets. Mais les filtres ont leurs propres conséquences :
additional power losses;
chaleur supplémentaire ;
plus d’espace dans le panneau ;
câblage supplémentaire ;
davantage de composants à entretenir ;
et un autre élément susceptible de tomber en panne.
Grâce au variateur de fréquence Clean Power VFD, la sortie sinusoïdale élimine le besoin de ces filtres externes dans l’ application prévue. Le résultat est une liste de matériaux plus simple, une chaleur plus faible au niveau du panneau, et un nombre réduit de composants entre le variateur et les moteurs.
De meilleures conditions pour les moteurs et les câbles
Les installations de moteurs en parallèle peuvent mettre à rude épreuve l’isolation des moteurs, les roulements et les câbles.
Les variations rapides de tension augmentent les contraintes d’isolation entre enroulements. La tension en mode commun contribue à l’apparition de courants de roulement. Les longues longueurs de câble et les dérivations multiples accentuent les effets capacitifs.
Une sortie à onde sinusoïdale pure réduit ces contraintes à la source.
Un faible dV/dt réduit les contraintes sur l’isolation.
Une tension de mode commun plus faible atténue les conditions électriques qui contribuent à la détérioration des roulements.
Une forme d’onde plus propre permet également de réduire les problèmes liés à la charge des câbles, ce qui s’avère particulièrement utile lorsque l’installation comporte plusieurs dérivations de câbles ou que les distances entre le variateur et les moteurs sont importantes.
Le résultat concret ne se limite pas à une forme d’onde plus esthétique.
Il s’agit d’un signal électrique mieux adapté aux moteurs et aux câbles.
Cela peut signifier une durée de vie du moteur plus longue, moins de problèmes liés aux roulements, et moins de problèmes inexpliqués survenant plusieurs mois après la mise en service.
Une énergie plus propre à tous les niveaux du système
Le variateur de fréquence Clean Power VFD prend également en charge le côté alimentation de l’installation.
Ses harmoniques d’entrée extrêmement faibles réduisent la distorsion injectée dans le réseau électrique en amont.
Au niveau de la sortie, la tension sinusoïdale réduit le bruit électrique à haute fréquence généralement associé aux sorties classiques des variateurs PWM.
Dans le cas d’une installation à moteurs parallèles, cela s’avère particulièrement utile, car plusieurs câbles de sortie peuvent sinon servir de voies de propagation pour les courants de mode commun à haute fréquence et les interférences.
Un environnement électrique plus propre peut réduire les problèmes d’interférences électromagnétiques (EMI) et radioélectriques (RFI) au niveau des commandes, des capteurs, des réseaux de communication et des systèmes de mise à la terre.
Cela peut également réduire les conditions susceptibles de provoquer des déclenchements intempestifs des dispositifs de protection à courant résiduel ou contre les défauts à la terre, à condition que le schéma de protection global soit correctement conçu.
Il en résulte un système électrique plus silencieux — non pas sur le plan acoustique, mais sur le plan électrique.
De plus, les systèmes à faible émission électrique sont généralement plus faciles à mettre en service et à dépanner.
La raison économique reste valable
L’utilisation d’un seul variateur pour plusieurs moteurs à vitesse commune peut réduire considérablement le coût d’installation.
Il y a moins de variateurs, moins de dispositifs de protection en amont, moins d’interfaces de commande et moins de chaleur à évacuer du tableau électrique.
Le tableau peut être plus petit.
La mise en service peut être plus rapide.
La gestion des pièces de rechange peut être simplifiée.
Une référence de vitesse analogique et une commande de marche/arrêt suffisent pour contrôler l’ensemble du système.
Cela permet de réduire les erreurs de coordination lorsque des moteurs sont intégrés au groupe ou en sont retirés.
But the economic benefit is valid only when the reliability consequence is acknowledged.
Un coût initial moins élevé ne constitue pas une économie si la première panne touchant l’ensemble du groupe entraîne une perte d’exploitation supérieure au coût de l’équipement qui a ainsi pu être évité.
L’architecture doit donc être évaluée tout au long du cycle de vie complet du système, et pas seulement au moment de l’achat.
Les comportements en matière de sécurité doivent pouvoir faire l’objet d’un audit
Une bonne séquence de commutation des moteurs ne devrait pas dépendre de l’intuition de l’opérateur.
Il devrait être possible de le décrire, de le tester et de le vérifier.
La fonction « Motor Disable » assure un état de non-sortie confirmé avant la commutation des contacteurs de sortie.
Cela permet de créer une séquence pouvant être intégrée au cahier des charges, aux tests fonctionnels, à la procédure de mise en service et au mode d’emploi.
Le propriétaire, l’ingénieur et l’autorité compétente doivent être en mesure de confirmer :
ce qui déclenche l’arrêt ;
comment le statut « arrêté » est vérifié ;
comment vérifier que la désactivation de la sortie est effective ;
quand vérifier que la désactivation de la sortie est effective ;
qu’est-ce qui empêche la commutation sous tension ;
et quelles sont les conditions à remplir avant le redémarrage.
La sécurité ne découle pas du fait qu’une séquence semble logique. Elle résulte du fait que cette séquence est explicite, maîtrisée et reproductible.
Ce qui doit être consigné
La documentation de conception doit indiquer clairement cette dépendance :
« Un variateur de fréquence commande les moteurs M1 à M4. Toute panne du variateur ou de son circuit d’alimentation commun entraîne l’arrêt des quatre moteurs. »
Cette simple phrase permet d’éviter tout malentendu ultérieur concernant l’architecture du système.
Le plan de relance devrait préciser :
si un variateur de rechange est conservé sur place ;
où est conservée la sauvegarde actuelle des paramètres ;
qui est habilité à remplacer le variateur ;
le délai de remplacement visé ;
les outils et pièces nécessaires ;
et comment vérifier le bon fonctionnement après le remplacement.
La documentation doit également définir les limites de fonctionnement de tout mode de bypass, y compris les fonctions de performance et de protection qui sont alors perdues.
Enfin, le contrôle des modifications doit inclure des tests fonctionnels périodiques, des sauvegardes des paramètres, les versions du micrologiciel des variateurs, la vérification des variateurs de rechange, ainsi que le suivi de toute modification apportée au groupe de moteurs.
Un plan de reprise qui n’a jamais été testé n’est qu’une hypothèse.
La décision
Un variateur de fréquence pilotant plusieurs moteurs peut constituer une architecture techniquement valable.
Il permet de réduire les coûts d’installation, d’occuper moins d’espace, de simplifier les commandes, d’assurer un fonctionnement fluide à vitesse constante et, lorsqu’il est associé au variateur de fréquence Clean Power VFD, de fournir une sortie sinusoïdale sans filtre qui préserve les moteurs, les roulements et les câbles.
Mais ces avantages ne changent rien au fait essentiel :
L’ensemble du groupe moteur dépend d’un seul entraînement.
Cela ne constitue pas nécessairement un défaut de conception. Il s’agit d’un choix en matière de gestion des risques.
Lorsque le processus peut supporter un arrêt de l’ensemble du groupe, lorsque les moteurs partagent le même profil de fonctionnement, lorsque la commutation s’effectue selon une séquence contrôlée Arrêt → Désactivation → Connexion → Redémarrage, et lorsqu’un plan de reprise bien rodé est en place, cette architecture peut être pleinement justifiée.
Lorsque le processus ne peut pas supporter cette interruption, la solution ne consiste pas à masquer cette dépendance derrière des hypothèses optimistes en matière de fiabilité.
La solution consiste à modifier l’architecture.
Utiliser plusieurs variateurs de fréquence.
Séparer le groupe moteur.
Ajouter un bypass conçu selon les règles de l’art.
Ou bien introduire une redondance.
Car une bonne ingénierie ne consiste pas seulement à faire en sorte que le système fonctionne efficacement lorsque tout est normal.
Il s’agit également de déterminer à l’avance comment le système doit se comporter lorsqu’une situation n’est pas conforme.
Prêt à faire fonctionner plusieurs moteurs sur un seul variateur de fréquence ?
L’architecture est peut-être simple, mais sa mise en œuvre doit être mûrement réfléchie.
La note d’application AN009 — Fonctionnement de plusieurs moteurs en parallèle sur un seul variateur de fréquence explique comment dimensionner et protéger les moteurs, commuter les moteurs en toute sécurité, gérer le démarrage et le redémarrage, et mettre en œuvre la séquence correcte Arrêt → Désactivation → Connexion → Redémarrage avec le variateur de fréquence Clean Power VFD.
Utilisez-la pour traduire les principes de conception décrits ci-dessus en une installation maîtrisée, documentée et reproductible.
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