Variateur de fréquence : économies sur ventilateur et pompe
Quelqu'un sur votre site propose d'installer un variateur de fréquence (VFD) sur un ventilateur ou une pompe, et le dossier annonce une puissance divisée par deux. Un document japonais appelle le même appareil « inverter » (inbata) et appuie son chiffre sur un tarif en yens et sur une hypothèse de 50 Hz ou de 60 Hz. Avant de reprendre ces chiffres dans une demande d'approbation (le ringi-sho, côté japonais), il faut savoir dans quels cas ils tiennent.
En bref : en théorie, un ventilateur à 80 % de sa vitesse n'absorbe plus que 51,2 % de sa puissance nominale à l'arbre, parce que la puissance suit le cube de la vitesse. Ce chiffre suppose que toute la résistance du réseau vient des frottements. Une hauteur géométrique ou une charge à couple constant réduit le gain, et une machine qui tourne toujours à vitesse nominale peut même consommer plus.
Ce guide explique les différents noms de l'appareil, les lois de similitude, la comparaison avec un registre ou une vanne de laminage, et l'endroit où la hauteur géométrique fait sortir de la loi du cube. Il donne ensuite trois méthodes de calcul des économies, une liste de contrôle et des questions à poser au fournisseur japonais.
Sommaire
- Inbata, « inverter », variateur : un appareil, plusieurs noms
- Lois de similitude : pourquoi la puissance suit le cube de la vitesse
- Variateur ou registre, vanne de laminage : la comparaison
- Hauteur géométrique : là où la loi du cube cesse de s'appliquer
- Où le variateur rapporte, et où il ne rapporte pas
- Calculer les économies d'un variateur : trois méthodes
- Lire les chiffres et les spécifications japonais
- Ce qu'il faut vérifier avant l'installation
- Liste de contrôle : avant de présenter le chiffre
- Questions à poser au fournisseur japonais
- Limites de ce guide
- FAQ
- Sources
Inbata, « inverter », variateur : un appareil, plusieurs noms
Les plans, catalogues et guides d'économie d'énergie japonais appellent cet appareil « inverter » (inbata). En France, on parle de variateur de vitesse, de variateur de fréquence ou de variateur électronique de vitesse (VEV), terme qu'emploient les fiches d'opérations standardisées des certificats d'économies d'énergie (CEE). Au sens strict, le variateur de fréquence est le type de variateur de vitesse le plus courant.
Attention au mot « onduleur » : en français, il désigne le plus souvent une alimentation sans interruption (ASI), ou l'étage de sortie du variateur. Quand un document japonais dit « inverter » à propos d'un moteur, il s'agit bien du variateur. Ce guide emploie « variateur » ou « VFD » dans la suite.
Pourquoi un variateur est nécessaire tient à une formule. La vitesse de synchronisme en tr/min vaut 120 × fréquence ÷ nombre de pôles : un moteur à 4 pôles tourne vers 1 500 tr/min à 50 Hz et vers 1 800 tr/min à 60 Hz. Sur un réseau à fréquence fixe, un moteur asynchrone tourne pratiquement à une seule vitesse.
Un variateur lève cette limite en reconstruisant la tension qu'il envoie au moteur, comme le montre la figure 1.
Le variateur convertit le courant du réseau en courant continu, puis fabrique un courant alternatif à la fréquence voulue et l'envoie au moteur.
À l'intérieur du variateur, le courant alternatif est redressé en courant continu puis lissé par un condensateur. Des interrupteurs à semi-conducteurs créent ensuite un courant alternatif à une autre fréquence et à une autre tension. D'après un document de l'association japonaise des fabricants de matériel électrique (JEMA).
Quand la fréquence baisse, le variateur abaisse la tension dans la même proportion. Cette commande V/f constante maintient le flux magnétique du moteur pendant que la vitesse change. Ce guide traite l'association la plus courante en usine : un moteur asynchrone triphasé et un variateur.
Lois de similitude : pourquoi la puissance suit le cube de la vitesse
Les lois de similitude (sōjisoku dans les documents japonais) décrivent comment un ventilateur ou une pompe centrifuge réagit à un changement de vitesse. Le débit varie comme la vitesse, la pression comme son carré et la puissance à l'arbre comme son cube. La puissance est proportionnelle au débit multiplié par la pression : les puissances 1 et 2 se multiplient en puissance 3.
Pour un passage de la vitesse N1 à la vitesse N2, on obtient les résultats suivants.
- Débit : Q2 = Q1 × (N2/N1)
- Pression : P2 = P1 × (N2/N1)²
- Puissance à l'arbre : L2 = L1 × (N2/N1)³
La figure 2 trace les trois courbes. Le ministère japonais de l'Environnement (MOE) prend le même exemple à 80 % dans sa fiche, et le Département américain de l'Énergie (DOE) le formule ainsi : une baisse de vitesse de 20 % réduit la puissance absorbée d'environ 50 %.
À 80 % de la vitesse, le débit vaut 80 %, la pression 64 % et la puissance à l'arbre 51,2 % de la valeur nominale.
Ces lois supposent la même roue, une masse volumique constante, à peu près le même rendement à chaque point de fonctionnement et une résistance due uniquement aux frottements de la tuyauterie ou de la gaine (résistance nulle à débit nul). Avec une hauteur de relevage fixe ou une contre-pression, la pression ne peut pas baisser autant, et la puissance diminue moins vite que le cube.
La figure 2 montre des courbes idéales. Un wattmètre réel mesure aussi les pertes du moteur et du variateur, et le rendement baisse à faible vitesse : la mesure dépasse donc un peu le calcul. Le DOE note que le rendement du variateur diminue avec la charge, surtout pour les petits variateurs.
Ces pertes comptent moins qu'on ne le craint. Dans un exemple du DOE, un ventilateur d'extraction de 20 hp (environ 15 kW) à mi-vitesse, avec un rendement moteur de 77,8 % et un rendement variateur de 86 %, n'absorbe encore que 2,8 kW au lieu de 16,4 kW.
Charges à couple variable et à couple constant
Les ventilateurs, pompes et soufflantes sont des charges à couple variable : le couple baisse comme le carré de la vitesse, donc la puissance baisse comme le cube. Les documents japonais parlent de nijō teigen toruku, c'est-à-dire de charge à couple quadratique.
Les charges à couple constant se comportent autrement. Le couple reste à peu près le même à toute vitesse, donc la puissance ne baisse que proportionnellement à la vitesse. Convoyeurs, extrudeuses, mélangeurs, pompes volumétriques et compresseurs à vis entrent dans ce groupe, et la loi du cube ne s'y applique pas.
Variateur ou registre, vanne de laminage : la comparaison
Sans variateur, on réduit le plus souvent le débit en fermant un registre (volet de réglage) à la sortie d'un ventilateur, ou une vanne au refoulement d'une pompe. Le moteur continue de tourner presque à pleine vitesse pendant que la résistance ajoutée réduit le débit. L'énergie perdue au passage de la vanne reste comprise dans la puissance que vous payez.
Un variateur abaisse la courbe de la pompe ou du ventilateur lui-même, sans ajouter de résistance. Le guide du DOE affirme que la variation de vitesse est toujours plus efficace qu'une vanne de régulation pour régler un débit. La figure 3 montre l'écart pour un ventilateur centrifuge.
Pour un même débit d'air de 80 %, la puissance à l'arbre vaut 95 % avec un registre et 51 % avec une vitesse réduite.
Valeurs pour un ventilateur centrifuge, telles que supposées dans la fiche du MOE d'après un graphique d'une fiche de données de l'Energy Conservation Center, Japan (ECCJ).
Le registre permet quand même une petite économie, car la puissance à l'arbre d'un ventilateur centrifuge baisse un peu avec le débit. La même fiche de données contient aussi des courbes pour les registres à l'aspiration, les aubes directrices d'entrée et les coupleurs hydrauliques. Le mode de régulation existant change les économies : identifiez-le d'abord.
Ce tableau résume les différences.
| Point de comparaison | Registre ou vanne | Variateur |
|---|---|---|
| Façon de réduire le débit | Résistance ajoutée | Vitesse réduite |
| Vitesse du moteur | Proche de la pleine vitesse | Baisse selon le débit requis |
| Pression | Monte quand on étrangle | Baisse comme le carré de la vitesse |
| Puissance à l'arbre à 80 % de débit d'air (exemple d'un ventilateur centrifuge) | Environ 95 % | Environ 51 % |
| Coût de l'équipement | Faible : registre ou vanne seulement | Variateur et travaux d'installation |
La même comparaison sur la courbe d'une pompe
Une pompe fonctionne là où sa courbe croise la courbe du réseau. Fermer une vanne redresse la courbe du réseau : le point de fonctionnement monte vers la gauche, donc le débit baisse mais la hauteur manométrique (HMT) augmente. Réduire la vitesse abaisse au contraire la courbe de la pompe, si bien que le même débit est fourni sous une HMT bien plus basse.
La figure 4 reprend un exemple chiffré de J-Net21, un site japonais de soutien aux petites et moyennes entreprises adossé aux pouvoirs publics. Sa pompe a une hauteur à débit nul égale à 1,4 fois la HMT nominale et une hauteur géométrique égale à 0,3 fois la HMT nominale, et son débit est ramené à la moitié du débit nominal.
À mi-débit, la régulation par vanne fonctionne à une HMT de 1,3 et la régulation par variateur à une HMT de 0,475 (HMT nominale = 1,0).
Schéma tracé avec les conditions de l'exemple J-Net21 : hauteur à débit nul égale à 1,4 fois la HMT nominale, hauteur géométrique égale à 0,3 fois la HMT nominale, débit ramené à la moitié du nominal.
Dans cet exemple, la régulation par vanne exige 65 % de la puissance nominale et la variation de vitesse 24 %, ce que J-Net21 présente comme une économie de 63 %. Ces 63 % sont calculés par rapport au cas laminé, pas par rapport à la puissance nominale. Quand vous lisez un pourcentage d'économie japonais, vérifiez toujours la base de comparaison.
Hauteur géométrique : là où la loi du cube cesse de s'appliquer
La HMT se compose de deux parties. La hauteur géométrique (jitsu-yotei) est la hauteur dont il faut relever le liquide, ou une contre-pression fixe à l'arrivée, tandis que les pertes de charge varient comme le carré du débit. Un circuit fermé de circulation n'a que des pertes de charge, et une résistance due aux seuls frottements est précisément la condition que suppose la loi du cube.
La hauteur géométrique reste la même quel que soit le débit : cette part de la hauteur ne peut pas être réduite. Les ventilateurs rencontrent la même limite quand le bout de la gaine doit maintenir une pression statique fixe.
Le guide du DOE qualifie d'erreur courante, pouvant causer de grands écarts, l'emploi des lois de similitude pour estimer les économies d'un système à hauteur géométrique. La figure 5 chiffre l'écart à mi-débit.
À 50 % de débit, la puissance requise est de 12,5 % avec la loi du cube idéale, d'environ 24 % avec une hauteur géométrique égale à 30 % de la HMT nominale, et de 65 % avec une vanne.
Schéma avec les conditions de l'exemple J-Net21 (hauteur à débit nul 1,4, hauteur géométrique 0,3), le rendement de la pompe étant supposé constant. En pratique, le rendement baisse à bas débit, et la puissance est plus élevée que sur le schéma.
La variation de vitesse reste meilleure que la vanne, mais la courbe s'éloigne beaucoup de la ligne du cube. Selon J-Net21, la régulation par la vitesse donne ses meilleurs résultats quand la hauteur géométrique est faible et le rapport de débit compris entre 30 et 80 % environ. Dans son exemple, l'économie maximale se situe près de 60 % de débit.
Vitesse minimale : la pompe doit encore vaincre la hauteur géométrique
La hauteur à débit nul baisse comme le carré de la vitesse. Quand elle passe sous la hauteur géométrique, la pompe ne peut plus débiter, et sans clapet anti-retour le liquide peut repartir en sens inverse. Une première estimation de cette vitesse minimale est la racine carrée du rapport entre hauteur géométrique et hauteur à débit nul.
Avec la hauteur à débit nul de 1,4 ci-dessus, la vitesse minimale est d'environ 46 % pour une hauteur géométrique de 0,3, et d'environ 65 % pour une hauteur géométrique de 0,6. Ce sont nos calculs, et le minimum réel est plus élevé. Le fournisseur de la pompe doit le fixer à partir des courbes à vitesse réduite et du débit minimal continu.
Dès qu'il y a une hauteur géométrique, le débit baisse aussi plus vite que la vitesse. Dans le même modèle, un demi-débit demande environ 64 % de la vitesse pour une hauteur géométrique de 0,3, et environ 76 % pour 0,6. Ne supposez donc pas que le rapport de débit égale le rapport de vitesse dans ces systèmes.
Pour une alimentation en eau qui exige une grande HMT, le MOE recommande de régler le débit par le séquençage des pompes (daisu seigyo) plutôt que par la vitesse, car la hauteur peut manquer à vitesse réduite. Combiner le séquençage pour le réglage grossier et un variateur pour l'ajustement fin mérite aussi d'être évalué.
Où le variateur rapporte, et où il ne rapporte pas
Trois éléments décident en grande partie du résultat : le type de charge, l'ampleur des variations de débit et la nature de la résistance. Les meilleurs candidats sont les machines à couple variable qui fonctionnent laminées de longues heures contre des pertes de charge pour l'essentiel. La figure 6 classe des équipements courants.
Même parmi les ventilateurs et les pompes, le résultat dépend du mode de fonctionnement et de la nature de la résistance.
Économies plus importantes
Économies plus faibles
Une machine qui reste près du débit nominal n'a aucune marge pour ralentir, et les pertes de conversion du variateur s'ajoutent à la facture. C'est pourquoi le MOE suggère de repasser sur l'alimentation directe par le réseau (shōyō dengen) quand une pompe fonctionne à débit nominal. On appelle couramment ce montage un by-pass du variateur, et c'est un électricien ou un bureau d'études qualifié qui doit le concevoir.
Calculer les économies d'un variateur : trois méthodes
Partez de ce que la machine consomme aujourd'hui, pas de sa plaque signalétique. Les moteurs tournent souvent sous leur charge nominale : prendre la puissance nominale en kW comme consommation réelle surestime les économies. J-Net21 applique pour cette raison un taux de charge (fukaritsu) de 90 %, et un relevé de wattmètre vaut mieux encore.
La figure 7 donne le déroulement général. La bonne formule pour l'étape 3 dépend du mode de régulation actuel et de la hauteur géométrique.
Transformez les données relevées sur site en kWh avec le bon rapport de vitesse ou de puissance et le bon rendement, puis appliquez votre tarif.
Avec une hauteur géométrique ou une contre-pression fixe, les économies sont inférieures à ce que prévoit la loi du cube.
Méthode A : vanne grande ouverte, frottements seuls
Utilisez cette méthode quand la vanne ou le registre est déjà grand ouvert, que la hauteur géométrique est proche de zéro et que vous voulez simplement moins de débit.
Nouveaux kWh = kWh actuels × (rapport de vitesse)³ ÷ rendement du variateur
J-Net21 traite le cas d'une pompe d'eau de refroidissement de 37 kW, de rendement 92,5 % (lu ici comme rendement du moteur) et de taux de charge 90 %, qui marche 24 h/24 pendant 310 jours par an. La consommation actuelle est d'environ 267 800 kWh. À 85 % de vitesse et 95 % de rendement du variateur, on obtient 267 800 × 0,85³ ÷ 0,95, soit environ 173 100 kWh.
L'économie est d'environ 94 700 kWh par an, soit environ 35 %. À 22,0 JPY/kWh, J-Net21 l'évalue à environ 2,08 millions de JPY. L'exemple suppose une hauteur géométrique de 0 m : considérez-le comme le meilleur cas.
Méthode B : régulation actuelle par registre ou vanne
La mesure actuelle inclut déjà les pertes de laminage : ne la multipliez donc pas simplement par le cube de la vitesse. Utilisez le rapport entre les deux modes de régulation au même débit, relevé sur une courbe de ventilateur ou une fiche de données.
Nouveaux kWh = kWh actuels × (rapport de puissance à l'arbre avec variateur ÷ rapport de puissance à l'arbre avec laminage) ÷ rendement du variateur
Le MOE modélise un ventilateur d'extraction de 22 kW à 80 % de débit d'air, qui marche 6 480 heures par an, avec un rendement moteur de 95 % et un rendement variateur de 90 %. Il calcule une consommation actuelle de 142 600 kWh. Avec des rapports de puissance à l'arbre de 51 % et 95 %, le résultat est 142 600 × (51 ÷ 95) ÷ 0,90, soit environ 85 000 kWh.
L'économie est d'environ 57 600 kWh par an, soit environ 40 %. Les valeurs de 95 % et 51 % viennent d'un seul graphique, pour un registre sur un ventilateur centrifuge. Les autres modes de régulation ont leurs propres courbes.
Méthode C : système avec hauteur géométrique
Quand il y a une hauteur géométrique, estimez la puissance à partir du débit et de la hauteur plutôt que de la vitesse. Avec hg la part géométrique de la HMT nominale et Q le rapport de débit, la hauteur sur la courbe du réseau vaut hg + (1 − hg) × Q².
Rapport de puissance ≈ Q × (hg + (1 − hg) × Q²), puis division par le rendement du variateur.
Le tableau applique cette formule. À 50 % de débit, les valeurs pour la vanne et pour hg = 0,3 correspondent à l'exemple J-Net21, qui arrondit 23,8 % à 24 %. Les autres valeurs sont nos calculs avec le même modèle.
| Débit | Régulation par vanne | Variateur, hg = 0 (loi du cube) | Variateur, hg = 0,3 | Variateur, hg = 0,6 |
|---|---|---|---|---|
| 90 % | 96,8 % | 72,9 % | 78,0 % | 83,2 % |
| 80 % | 91,5 % | 51,2 % | 59,8 % | 68,5 % |
| 70 % | 84,3 % | 34,3 % | 45,0 % | 55,7 % |
| 60 % | 75,4 % | 21,6 % | 33,1 % | 44,6 % |
| 50 % | 65,0 % | 12,5 % | 23,8 % | 35,0 % |
Considérez les colonnes « variateur » comme optimistes. Le guide du DOE avertit que, dans les systèmes à forte hauteur géométrique, une petite baisse de vitesse réduit fortement le débit et le rendement de la pompe. Pour un chiffre que vous devrez défendre devant la direction, demandez au fournisseur les courbes de pompe à vitesse réduite, avec le rendement.
Convertir les kWh dans votre monnaie
Gardez les kWh comme résultat principal, car les montants en yens des exemples japonais ne se transposent pas. L'exemple du MOE sur le ventilateur utilise 22,76 JPY/kWh.
Le tableau ci-dessous applique d'autres tarifs aux mêmes 57 600 kWh. Ces tarifs sont des valeurs indicatives, pas des prix de marché : remplacez-les par celui de votre facture.
| Prix du kWh | Économie annuelle sur 57 600 kWh |
|---|---|
| 22,76 JPY (exemple du MOE) | Environ 1,31 million de JPY |
| 0,15 EUR (valeur indicative) | 8 640 EUR |
| 1,20 MAD (valeur indicative) | 69 120 MAD |
| Votre tarif : ____ | 57 600 × votre tarif |
Demandez à votre service financier quel tarif retenir pour la demande. J-Net21 utilise un prix moyen qui inclut la part fixe, mais les charges fixes ne baissent pas forcément au même rythme que les kWh.
Pour le temps de retour simple, divisez le coût installé par l'économie annuelle. Comptez le variateur, l'installation, les éventuelles inductances ou filtres et un éventuel changement de moteur, et prenez ces coûts sur devis.
En France, la pose d'un variateur électronique de vitesse sur un moteur asynchrone peut relever de la fiche d'opération standardisée CEE IND-UT-102. D'après le calculateur de l'ADEME, elle vise un moteur existant dépourvu de variateur ou un moteur neuf d'au plus 3 MW. Vérifiez la version en vigueur et les conditions avec votre installateur avant de signer le devis.
Après l'installation, comparez les kWh mesurés dans les mêmes conditions. L'écart entre l'estimation et la mesure améliorera votre prochaine estimation.
Lire les chiffres et les spécifications japonais
Le Japon fonctionne sur deux fréquences : 50 Hz à l'est, Tokyo comprise, et 60 Hz à l'ouest, Osaka comprise. Un matériel fabriqué au Japon peut donc être prévu pour l'une ou l'autre, et sa fréquence d'origine peut différer de celle de votre usine. En France, comme au Maroc et en Algérie, le réseau est à 50 Hz : vérifiez-le pour votre site.
La loi du cube en fait un vrai sujet. Une machine centrifuge prévue pour 50 Hz et exploitée à 60 Hz tourne 20 % plus vite et demande environ 73 % de puissance à l'arbre en plus (1,2³ = 1,73). Une machine prévue pour 60 Hz et exploitée à 50 Hz tourne environ 17 % plus lentement, avec environ 58 % de la puissance et environ 69 % de la pression.
Confirmez la fréquence nominale avant de comparer des chiffres. Ces rapports sont notre calcul à partir des lois de similitude. Demandez au fournisseur si la machine et le moteur peuvent fonctionner à votre fréquence.
Ce tableau sert de point de départ pour les différences entre pays.
| Lieu | Fréquence du réseau | Référence de départ pour les harmoniques |
|---|---|---|
| Japon | 50 Hz (est), 60 Hz (ouest) | Ligne directrice de 1994 pour les consommateurs raccordés en haute tension, avec le guide technique JEAG 9702 |
| France (Union européenne) | 50 Hz | NF EN 50160 (tension fournie par les réseaux publics), CEI 61000-3-12 (courant harmonique des appareils) ; à confirmer auprès du gestionnaire de réseau |
| Maroc | 50 Hz | À confirmer auprès de votre distributeur |
| Algérie | 50 Hz | À confirmer auprès de votre distributeur |
Ces termes reviennent souvent dans les documents et spécifications japonais d'économie d'énergie.
| Romaji | Français |
|---|---|
| shō-ene | Économie d'énergie |
| jiku-dōryoku | Puissance à l'arbre |
| kaitensū seigyo | Régulation par variation de vitesse |
| jitsu-yotei / zen-yotei | Hauteur géométrique / HMT |
| fūryō | Débit d'air |
| shōyō dengen | Alimentation directe par le réseau |
| kōchōha | Harmoniques |
Moteurs Top Runner, IE3 et réglage de la fréquence
Depuis avril 2015, le Japon impose à la plupart des moteurs asynchrones triphasés industriels la norme Top Runner, que l'Agence internationale de l'énergie (AIE) décrit comme équivalente au niveau IE3. En Europe, le règlement (UE) 2019/1781 fait de l'IE3 le niveau général pour les moteurs asynchrones basse tension mis sur le marché, avec l'IE4 pour certaines puissances. Il s'applique aussi aux variateurs. Ne traitez pas ces appellations comme identiques : lisez le rendement sur la fiche technique, et vérifiez les exigences locales au Maroc et en Algérie.
L'association japonaise des équipementiers de semi-conducteurs (SEAJ) note que ces moteurs glissent moins et tournent un peu plus vite. Elle recommande de vérifier ou de modifier les réglages de tout variateur associé. La puissance augmente avec le cube de la vitesse, et le même raisonnement vaut en principe quand on remplace un ancien moteur IE1 ou IE2 par un IE3 (c'est notre déduction). Quand un moteur est remplacé en même temps qu'un variateur est ajouté, faites revoir le réglage de fréquence par le fournisseur ou par un ingénieur qualifié.
Ce qu'il faut vérifier avant l'installation
Un variateur ne se rentabilise pas automatiquement. Sur la mauvaise machine, il peut provoquer un débit insuffisant, une surchauffe du moteur ou des vibrations. Passez les contrôles dans cet ordre : données d'exploitation, limites du process, limites du moteur et de la mécanique, puis réseau électrique.
Données d'exploitation et limites du process
Relevez pendant une semaine à un mois la position du registre ou de la vanne, la variation du débit et de la pression, et les heures de marche. Une machine qui reste presque grande ouverte offre peu d'économies. Le guide du DOE suggère un diagramme de durée (duration diagram), qui indique les heures annuelles passées à chaque débit : on calcule chaque condition de fonctionnement puis on additionne.
Confirmez ensuite le débit et la pression minimaux dont le process a besoin. La pression baisse comme le carré de la vitesse : le MOE rappelle qu'à 90 % de débit, la pression de refoulement diminue de 19 %. La pression exigée en bout de réseau fixe donc une limite à la baisse de vitesse.
Vitesse minimale, refroidissement et vibrations
La plupart des moteurs asynchrones se refroidissent avec un ventilateur monté sur l'arbre : de longues marches à basse vitesse réduisent donc l'air de refroidissement. Demandez au fabricant la plage de vitesse admise en continu et la nécessité d'un ventilateur de refroidissement séparé.
La vitesse variable augmente aussi le risque de tomber sur une résonance de la structure dans la plage de fonctionnement. Beaucoup de variateurs savent sauter une bande de fréquence : vérifiez les vibrations et le bruit à la mise en service.
Les ventilateurs présentent en outre un risque de fonctionnement instable, comme le pompage (surging), dans certaines plages de vitesse.
Isolation du moteur et emplacement du variateur
D'après le guide du DOE, les variateurs conviennent à la plupart des moteurs existants sur des réseaux 400 V. Ce n'est en général pas le cas au-delà de 440 V, par exemple aux États-Unis, où des moteurs à isolation renforcée sont souvent nécessaires. Les câbles longs peuvent élever la tension aux bornes du moteur, et les gros moteurs peuvent subir des dommages aux roulements dus à la tension d'arbre.
Une norme utile à citer pour poser la question : la CEI TS 60034-25:2022, guide pour les machines alimentées par convertisseur. Vérifiez aussi l'emplacement du variateur. L'électronique supporte mal les ambiances corrosives et humides, et le guide du DOE précise qu'exploiter un variateur en atmosphère potentiellement explosive n'est en général pas possible : en zone ATEX, demandez l'avis du fournisseur.
Harmoniques et réseau électrique
La charge du condensateur de lissage déforme le courant d'entrée, ce qui crée des harmoniques aux multiples entiers de la fréquence du réseau. Au Japon, la ligne directrice de 1994 pour les consommateurs raccordés en haute ou très haute tension s'applique, avec le guide JEAG 9702, et les catalogues japonais de variateurs donnent un coefficient de conversion pour le calcul. Les remèdes incluent des inductances alternatives ou continues et des convertisseurs à modulation de largeur d'impulsion.
En France, confirmez avec votre gestionnaire de réseau et votre électricien quelles limites s'appliquent à votre site et à quel point de mesure. Faites examiner ces points par un électricien habilité (selon la NF C 18-510), car les harmoniques touchent aussi les condensateurs de compensation du facteur de puissance.
Liste de contrôle : avant de présenter le chiffre
Utilisez cette liste pour examiner une proposition de variateur, qu'elle vienne de vous ou d'un fournisseur.
- Type de charge : ventilateur ou pompe centrifuge à couple variable, pas une machine à couple constant
- Régulation actuelle : registre de sortie, registre d'aspiration, aubes directrices, vanne ou grande ouverture
- Base de comparaison : kW ou kWh mesurés, pas les kW de la plaque signalétique
- Profil de débit : heures par an à chaque débit, d'après des données relevées
- Hauteur géométrique : part de la HMT nominale, et méthode de calcul correspondante (A, B ou C)
- Limites du process : débit minimal, pression minimale et hauteur requise en bout de réseau
- Rendement : rendement du variateur et du moteur à la charge partielle réelle, pas seulement à pleine charge
- Fréquence nominale : 50 Hz ou 60 Hz pour la machine, le moteur et votre usine
- Moteur : adapté à l'alimentation par variateur, refroidissement à basse vitesse et protection des roulements sur les gros moteurs
- Électrique : étude des harmoniques, condensateurs, longueur de câble et emplacement du variateur
- Argent : votre prix du kWh, le coût total installé et le temps de retour simple
- Vérification : un plan pour comparer les kWh mesurés avant et après
Questions à poser au fournisseur japonais
Si l'équipement ou le chiffre d'économies vient du Japon, envoyez ces questions tôt. Elles sont rédigées pour être copiées dans un e-mail.
- Quelle est la fréquence nominale de la machine et du moteur ? Merci d'envoyer les courbes de performance à 50 Hz et à 60 Hz.
- Merci d'envoyer les courbes de performance à vitesse réduite, avec le rendement et le débit minimal continu.
- Quelle plage de vitesse est admise en continu ? Un refroidissement séparé du moteur est-il nécessaire à basse vitesse ?
- Le moteur est-il prévu pour l'alimentation par variateur ? Selon quelle norme (par exemple CEI TS 60034-25) ?
- Quel est le rendement du variateur en charge partielle ? Le variateur intègre-t-il une inductance alternative ou continue ? Quelles données sur les harmoniques pouvez-vous fournir ?
- Quelles plages de vitesse faut-il éviter à cause d'une résonance ou d'un fonctionnement instable ?
- Votre chiffre d'économie d'énergie : quels sont le mode de régulation de référence, la hauteur géométrique, le rendement du variateur, les heures de marche et le prix de l'électricité ?
- Une modification par ajout d'un variateur affecte-t-elle la garantie de cette machine ?
Limites de ce guide
Lisez ces réserves avant de reprendre un chiffre de ce guide dans un dossier.
- Les exemples chiffrés viennent de guides publics japonais et reposent sur des valeurs supposées. Ce ne sont ni des résultats mesurés ni des garanties.
- La méthode C suppose un rendement de pompe constant. Les économies réelles sont plus faibles quand le rendement baisse à bas débit.
- Les calculs de vitesse minimale sont des premières estimations. Les courbes du fournisseur priment.
- Les pompes volumétriques, les compresseurs et les autres machines à couple constant demandent une autre analyse.
- Les références sur les harmoniques et sur les moteurs sont résumées d'après des sources secondaires ou de mémoire. Confirmez-les sur les textes en vigueur et auprès de votre gestionnaire de réseau.
- Les prix de l'électricité, les tarifs et les aides varient selon le pays et le site, et ce guide ne les couvre pas, hormis la mention de la fiche CEE.
FAQ
Combien d'énergie un variateur économise-t-il sur un ventilateur ou une pompe ?
Aucun pourcentage ne vaut pour tous les cas. Les exemples publics japonais donnent environ 40 % pour un ventilateur de 22 kW passé de la régulation par registre à un variateur au même débit d'air de 80 %, et environ 35 % pour une pompe de 37 kW à 85 % de vitesse. Votre résultat dépend du mode de régulation actuel, du profil de débit et de la hauteur géométrique.
Les lois de similitude s'appliquent-elles quand une pompe a une hauteur géométrique ?
Pas pour les économies du système. Elles décrivent toujours le déplacement de la courbe de la pompe avec la vitesse, mais la courbe du réseau ne part plus de zéro, donc le débit ne suit plus la vitesse. À 50 % de débit dans l'exemple J-Net21, la puissance est d'environ 24 % de la valeur nominale, et non les 12,5 % que prédit la loi du cube.
Un variateur économise-t-il de l'énergie sur un ventilateur qui tourne toujours à pleine vitesse ?
Non. Sans marge pour réduire la vitesse, les pertes de conversion du variateur augmentent la consommation. Le MOE suggère de faire fonctionner une pompe à débit nominal en alimentation directe par le réseau, une modification que votre électricien doit concevoir.
Combien le variateur lui-même consomme-t-il ?
Les exemples publics japonais retiennent un rendement de variateur de 90 à 95 %. Le DOE note que le rendement baisse avec la charge, surtout pour les petits variateurs : demandez donc au fournisseur les valeurs en charge partielle.
Faut-il choisir un variateur ou le séquençage des pompes ?
Un variateur convient aux systèmes à faible hauteur géométrique, où l'essentiel de la résistance vient des frottements. Pour une grande HMT, comme l'alimentation en eau d'un niveau élevé, le MOE recommande le séquençage. Utiliser le séquençage pour le réglage grossier et un variateur pour l'ajustement fin est aussi une option.
Sources
- Lois de similitude des ventilateurs, comparaison avec le registre et exemple du ventilateur de 22 kW : ministère japonais de l'Environnement, « Introduction de ventilateurs d'extraction à débit variable » (en japonais), d'après une fiche de données de l'ECCJ
- Débit, pression et puissance des pompes ; hauteur géométrique ; séquençage ; alimentation directe à débit nominal : ministère japonais de l'Environnement, « Optimisation du débit et de la pression des pompes d'alimentation et d'évacuation d'eau » (en japonais)
- Régulation par vanne et exemple de la pompe d'eau de refroidissement de 37 kW : J-Net21, réglage de la vitesse des pompes et soufflantes, partie 2 (en japonais)
- Pompe avec hauteur géométrique, exemple chiffré et plage d'efficacité : J-Net21, pourquoi un variateur économise peu sur une pompe à grande hauteur géométrique (en japonais)
- Hauteur géométrique et pertes de charge, erreurs sur les lois de similitude, résonance, isolation du moteur et diagrammes de durée : DOE américain, Hydraulic Institute et Europump, « Variable Speed Pumping: A Guide to Successful Applications, Executive Summary » (en anglais)
- Charges à couple variable et constant, rendement du variateur en charge partielle et exemple de 20 hp : DOE américain, Motor Systems Tip Sheet n° 11, « Adjustable Speed Drive Part-Load Efficiency » (en anglais)
- Charges à couple variable : Mitsubishi Electric, série FREQROL-F800 (en japonais)
- Moteurs Top Runner et réglages du variateur : Semiconductor Equipment Association of Japan, rendement des moteurs (en japonais)
- Exigence IE3 du Japon : Agence internationale de l'énergie, « Minimum Energy Efficiency of Motors » (en anglais)
- Exigences d'écoconception des moteurs et variateurs dans l'Union européenne : règlement (UE) 2019/1781, EUR-Lex
- Fiche d'opération standardisée CEE IND-UT-102 : ADEME, calculateur CEE
- Ligne directrice japonaise sur les harmoniques, JEAG 9702 et inductances : Association japonaise des fabricants de matériel électrique (JEMA), limitation des harmoniques des variateurs et servovariateurs, avril 2022 (en japonais)
- CEI TS 60034-25:2022 : IEC Webstore
- Vitesse minimale et hauteur géométrique : Pump Industry Magazine, « Pump Curves 16: How Low Can You Go? » (en anglais)
- Limite 50/60 Hz au Japon : KEK, « Japanese Electricity » (en anglais)
Article original en japonaisCe guide est adapté d’un article de MONOSCOPE écrit pour les lecteurs au Japon : インバータで省エネになる仕組み｜ファン・ポンプの回転数と電力の3乗則
À propos de la rédaction
Rédaction de MONOSCOPEFOUNDER & EDITORUne dizaine d’années chez un fabricant d’équipements industriels et dans une société d’ingénierie d’usines, à la proposition, à la conception et à la mise en service d’équipements, puis un passage au marketing numérique. Aujourd’hui, conseil web auprès de fabricants B2B pour les aider à expliquer clairement leurs produits et leurs technologies. Titulaire des licences nationales japonaises d’Energy Manager et d’ingénieur électricien en chef de troisième classe.
Un blog d’ingénierie tenu depuis 2017 (plus de 500 articles) et une chaîne YouTube en japonais d’environ 20 000 abonnés. Chaque guide est rédigé du point de vue de l’atelier japonais et vérifié au regard des normes citées.
