J'entends parler de l'utilisation d'un convertisseur de fréquence avec ma pompe et mon moteur pour un meilleur contrôle du débit au lieu de vannes de régulation. Est-ce que cela en vaut la peine ? Ai-je encore besoin d'une mesure de contrôle du débit en plus d'une vanne d'arrêt ?
1.Points positifs et points négatifs
Je pense qu'un contrôle par convertisseur de fréquence peut offrir une meilleure efficacité, mais une précision de contrôle, un temps de réponse et des performances d'arrêt diminués. Il n'est pas aussi fiable qu'un système de vanne de régulation classique. Si nous avons besoin d'efficacité et de performances, nous pouvons envisager d'utiliser un système de convertisseur de fréquence comme contrôle principal et une vanne (peut-être une vanne à boisseau sphérique) comme contrôle fin. La vanne doit toujours être ouverte à 90 % pour réduire les pertes par étranglement. La vanne peut également être utilisée à des fins d'arrêt pour améliorer le temps de réponse et les performances en matière de fuite.
2.Besoin des deux pour les applications clés
Si le fluide pompé est un fluide critique, un intermédiaire clé du processus de matières premières avec des paramètres de débit qui affectent directement la qualité du produit ou la sécurité du processus, je dirais que le contrôle du débit du fluide via le contrôle du convertisseur de fréquence et une vanne/boucle de régulation de débit est logique (pour la protection de redondance).
À mon avis, les coûts liés à un convertisseur de fréquence sont bien moindres. Nous utilisons des convertisseurs de fréquence pour contrôler un grand nombre de nos processus et ils se sont révélés fiables.
3.Pas pour partout, pour l'instant
Nous avons l'expérience de l'utilisation des onduleurs pour contrôler le débit d'air de combustion des ventilateurs des chaudières FD et des pompes d'alimentation en eau des tours de refroidissement. Ils ont tous bien fonctionné. Nous savons également que l'un de nos clients utilise des convertisseurs de fréquence pour les pompes de puits souterrains sans aucune plainte.
Cependant, nous conseillons d'examiner avec prudence les conditions de plage inférieure pour une application au cas par cas, car la pression de refoulement diminue également plus rapidement que le débit lorsque nous essayons de contrôler le débit. Nous ne nous sentons toujours pas à l'aise et en confiance pour utiliser des convertisseurs de fréquence pour contrôler le débit dans des zones critiques comme les pompes d'alimentation en eau des chaudières.
4.Maintient l'amorçage de la pompe à reflux
Nous sommes très satisfaits des convertisseurs de fréquence qui remplacent les vannes de régulation dans les pompes à reflux. Le contrôle est excellent, une source de fuite est éliminée et, en cas de perturbations, les pompes à reflux ne perdent pas leur amorçage, un facteur de sécurité important. Dans les services de pompage contre des charges plus faibles, une fois le débit établi, le siphonnage peut définir un débit minimum. Si vous devez maintenir des débits plus faibles, vous devez vous contenter de vannes de régulation.
Le remplacement des vannes de régulation par des convertisseurs de fréquence présente d’autres avantages : l’énergie est conservée, le facteur de puissance est amélioré, la conception de la pompe est plus simple, le dimensionnement de la roue est plus uniforme, la durée de vie des joints est plus longue et les petites installations coûtent moins cher.
Les convertisseurs de fréquence ne sont pas aussi robustes que les moteurs électriques en cas de fluctuations de puissance et de coups de foudre. Il est donc souhaitable d'utiliser des transformateurs d'isolement et de revoir la politique de protection. Aucun problème d'harmoniques n'a jamais été porté à notre attention, mais beaucoup a été écrit sur le sujet. Les courtes distances entre les pompes et les convertisseurs de fréquence sont censées minimiser ce problème.
Le contrôle est excellent tant que le siphonnage est évité et que la pression d'aspiration ne dépasse jamais la pression de refoulement. Si c'est le cas, le contrôle est perdu. Pour cette raison, nous utilisons des convertisseurs de fréquence pour contrôler les pompes à reflux, mais pas les pompes de fond ou de transfert de cuve.
Les convertisseurs de fréquence représentent une telle amélioration que nous ne prendrions plus de vanne de régulation de reflux si on nous en donnait.
5.Maintient les points de consigne de pression
Pour le système que j'ai décrit, aucune vanne de régulation n'est utilisée, à l'exception des vannes d'arrêt. L'un des principaux avantages de l'utilisation d'un convertisseur de fréquence est que la puissance consommée par la pompe est généralement inférieure pour une unité fonctionnant à vitesse réduite, par rapport à une vitesse de fonctionnement de 60 Hz avec une vanne de régulation. Une vanne de régulation de débit transforme une grande quantité d'énergie en chaleur perdue. Le coût supplémentaire d'un convertisseur de fréquence est souvent récupéré en très peu de temps grâce aux coûts d'énergie réduits et au fonctionnement simplifié.
6.Cela peut coûter plus cher, mais cela en vaut la peine
Un convertisseur de fréquence pour contrôler le débit peut nécessiter plus de capital qu'une vanne de régulation et un moteur normal sur votre pompe. Cependant, il permet d'économiser de l'énergie au lieu de brûler l'énergie de la pompe à travers la vanne de régulation. De plus, une vanne de régulation et ses problèmes associés de fuite et de tige collante sont éliminés. Les pièces de commande sont toutes électroniques et ne sont pas mouillées, à l'exception de la pompe. Ceci est particulièrement important lors de la manipulation de matériaux corrosifs. De plus, comme l'usure est liée à une puissance de vitesse plus élevée, les roulements et le joint d'un convertisseur de fréquence de pompe à une vitesse inférieure à sa vitesse normale devraient durer plus longtemps.
Bien entendu, rien n'est gratuit. Il y a des considérations de sécurité à prendre en compte pour votre processus particulier. Le prix à payer est qu'il n'y a pas d'arrêt d'urgence. En cas de panne de courant, la pompe arrête de pomper. Vous devrez peut-être automatiser une vanne de blocage si vous avez besoin d'un arrêt positif.
7.Attention aux harmoniques
Il y a un autre facteur à prendre en compte. Si une installation envisage de remplacer plusieurs circuits de convertisseurs de fréquence CA de grande taille, le système de distribution électrique doit être évalué pour les effets néfastes possibles d'une distorsion harmonique trop importante. Les convertisseurs de fréquence sont connus pour provoquer des changements dans la forme d'onde sinusoïdale en raison de la façon dont l'électronique de puissance consomme le courant, et ces changements (distorsions) sont connus pour se produire dans des multiples entiers de la fréquence électrique (ou harmoniques). Dans un système triphasé typique, si les phases sont équilibrées, il n'y a pas (ou peu) de charge de courant sur le neutre. L'ajout de circuits d'éclairage et de convertisseurs de fréquence électroniques ajoute une distorsion harmonique qui, si l'impédance du système est suffisamment élevée et la puissance suffisamment déformée, peut affecter d'autres équipements, en particulier les équipements électroniques, y compris les systèmes informatiques, les instruments électroniques et même les convertisseurs de fréquence eux-mêmes. On sait que la rétroaction due aux harmoniques peut s'additionner sur le neutre, provoquant un courant important là où il ne devrait pas y en avoir, et des problèmes sont parfois observés, tels que des disjoncteurs qui se déclenchent lorsque la consommation d'énergie mesurée ne dépasse pas leur point de consigne, des pannes prématurées du moteur et des effets transitoires qui peuvent être très difficiles à résoudre. Le coût secondaire des filtres et autres appareils pour nettoyer l'alimentation des équipements sensibles à la distorsion sur le même système d'alimentation que les convertisseurs de fréquence peut devoir être pris en compte, en particulier si la consommation d'énergie du ou des convertisseurs de fréquence représente un pourcentage important de l'utilisation totale.
8.Harmoniques et surchauffe
Le convertisseur de fréquence est fiable et économe en énergie. Vous devez vous assurer que votre câblage et votre moteur sont compatibles VF (les tensions peuvent être plus élevées et les harmoniques peuvent avoir un impact sur la durée de vie du moteur). De plus, si la vitesse prévue est trop faible, le refroidissement du moteur peut poser problème (le ventilateur tourne trop lentement pour déplacer suffisamment d'air), de sorte que le déplacement de l'air auxiliaire peut poser problème, en particulier sur les moteurs plus gros.
Dans l’ensemble, nous avons constaté que l’utilisation de convertisseurs de fréquence pour le contrôle du débit ou de la pression était très efficace et qu’ils permettaient d’économiser de l’argent à la fois sur les coûts d’énergie et sur la maintenance.
9.Attention aux faibles débits
Une solution de convertisseurs de fréquence n'est pas différente du contrôle de la vitesse d'une turbine à vapeur afin de réguler le débit d'un compresseur. Cela devient de plus en plus courant, avec les progrès de l'électronique et la disponibilité accrue des convertisseurs de fréquence et des moteurs pour ce service. Choses à savoir :
1) Le convertisseur de fréquence peut avoir une vitesse minimale, ne vous attendez donc pas à ce qu'il contrôle bien les débits extrêmement faibles.
2) Les pompes à arbre long (en particulier les pompes verticales) peuvent avoir une fréquence naturelle (critique) à laquelle le convertisseur de fréquence pourrait permettre à la pompe de fonctionner. Cela entraînera un certain nombre de problèmes de fiabilité de ces pompes.
3) Si un joint à double gaz est utilisé, il a une vitesse minimale à laquelle il doit fonctionner pour que les faces du joint se soulèvent. Cette vitesse minimale dépendra de la taille et de la conception du joint, mais sera de l'ordre de quelques centaines de tr/min.
10.De nombreux avantages avec le convertisseur de fréquence
Le choix d'utiliser une vanne de régulation ou un convertisseur de fréquence CA dépend en grande partie du produit, du type de pompe et de l'ensemble du schéma de tuyauterie. Les avantages du convertisseur de fréquence sont les économies d'énergie, la maintenance, l'information (retour d'information) et la flexibilité de contrôle future, si le reste du système change. Certains évoqueront également des économies de coûts, mais cela peut bien dépendre du dimensionnement, etc.
En règle générale, je préfère l'approche du convertisseur de fréquence aux vannes de régulation, mais elles ont des limites telles que les conditions ambiantes, etc., qui doivent être prises en compte. Dans la plupart des cas, j'estime que cela en vaut vraiment la peine et que vous ne devriez pas avoir besoin d'une autre méthode de contrôle du débit, à moins que vous n'alimentiez un système à boucle à plusieurs tuyaux, comme de l'eau réfrigérée vers plusieurs unités CVC ou échangeurs de chaleur, etc. Si vous envisagez d'utiliser un convertisseur de fréquence dans un endroit éloigné, cela peut être un avantage car la plupart seront en mesure de fournir le contrôle PID localisé pour des performances en boucle fermée sans avoir à acheter d'autres équipements de contrôle ou de longs câbles à partir d'un PLC.
11.Emplacement, emplacement
Nous utilisons autant que possible des convertisseurs de fréquence pour contrôler le débit. Une pompe qui pompe contre une vanne use les deux. Assurez-vous que le moteur est destiné à un fonctionnement avec variateur et installez le convertisseur de fréquence dans un endroit « agréable ». Les entrées de conduits ou les conduits CVC ne sont pas des endroits agréables. Nous avons entre 100 et 200 convertisseurs de fréquence installés et nous passons des semaines sans problème de convertisseur de fréquence. Les convertisseurs de fréquence sont intelligents et certains peuvent être visualisés ou téléchargés à partir de n'importe quel ordinateur connecté à un réseau Ethernet. Ils peuvent agir comme des E/S distantes et donner le pourcentage de charge et le Hz, et être démarrés et arrêtés avec seulement un câble de communication à partir d'un PLC, ce qui réduit les coûts d'installation. Ils sont dotés d'une protection intégrée contre le calage et la surcharge.
12.C'est mieux que d'acheter de l'acier inoxydable
Une turbine à vapeur ou un convertisseur de fréquence/moteur fonctionnera très bien pour le contrôle du débit. Les applications aux pompes centrifuges et aux pompes volumétriques peuvent être réussies. Étant donné que la puissance requise pour une pompe centrifuge varie avec le cube du régime, la surchauffe à bas régime (diminution des performances du ventilateur de refroidissement) n'est généralement pas un problème. Nous incluons généralement une limite basse sur la vitesse pour éviter la surchauffe du moteur qui pourrait se produire si la pompe fonctionne près des conditions de calage. Les charges à couple constant doivent être évaluées plus soigneusement. Pour les moteurs 480 V de taille modeste, le coût d'installation d'un convertisseur de fréquence est généralement inférieur au coût d'une vanne de régulation lorsque des vannes en acier inoxydable sont nécessaires. Si la pompe (et non le convertisseur de fréquence) se trouve dans une zone à risque d'explosion, faites très attention au chauffage et assurez-vous que les exigences du NEC ou du code applicable sont respectées.
13.À l'époque
Permettez-moi de faire référence à une technique vieille de 50 ans que j'ai utilisée et qui a donné d'excellents résultats pour le contrôle du débit d'alimentation des grands filtres. Elle consistait en un convertisseur de fréquence américain avec un opérateur d'air à débit contrôlé répondant à partir d'un débitmètre magnétique. Le convertisseur de fréquence était constitué d'un moteur à vitesse constante entraînant deux poulies à vitesse variable positionnées par l'opérateur pneumatique. C'était brut et simple, mais cela faisait un excellent travail. Certes, la précision n'était pas aussi exigeante qu'un système de contrôle de moteur électronique à semi-conducteurs, mais c'était le bon vieux temps.
Dans l'industrie du papier, on utilisait autrefois des moteurs à courant continu actionnés par des tubes Thyratron pour contrôler la vitesse des enrouleurs de papier, dont le diamètre du rouleau changeait constamment alors que l'alimentation en feuilles était constante. Bien entendu, les thyratrons sont désormais remplacés par des signaux de sortie électroniques à semi-conducteurs. Eux aussi fonctionnaient très bien.
Ah, ce bon vieux temps où la simplicité prévalait.
14.Fonctionne très bien. Moins d'argent
Le gros avantage du contrôle du débit avec un convertisseur de fréquence au lieu d’une vanne de régulation n’est pas un meilleur contrôle, mais des économies d’énergie car vous n’utilisez que la puissance dont vous avez besoin au lieu de brûler l’excédent à travers la vanne.
15.Nous le faisons sans convertisseurs de fréquence
Notre procédé consiste à utiliser un produit chimique qui cristallise facilement lorsque la température est réduite ou lorsque le débit est limité. Nous avons essayé des vannes de régulation, mais la restriction dans le tuyau a provoqué davantage de cristallisation et a rendu le contrôle très peu fiable ou incontrôlable. La solution a été d'utiliser les mêmes pompes que nous utilisions pour fournir une pression constante, mais maintenant pour réguler la pression à laquelle elles fonctionnent, contrôlant ainsi le débit. La configuration finale pour le contrôle des liquides a très bien fonctionné dans un système basé sur PLC. Un actionneur électromagnétique contrôle la pression à laquelle les pompes à membrane pneumatiques pompent le liquide à travers le système et un débitmètre magnétique non intrusif surveille le débit.
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