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Jean BONAL : Ancien directeur scientifique de Jeumont-Schneider Industries - Professeur associé au CNAM (Conservatoire national des arts et métiers)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Dans les installations industrielles, les fonctions de compression de pompage et de ventilation consomment une part importante de l’énergie électrique utilisée, sensiblement 45 % du bilan énergétique électrique global. Il est donc nécessaire de chercher à optimiser cette consommation dans ces types de domaine.
Les intérêts économiques et techniques de l’utilisation d’un entraînement électrique à vitesse variable des moteurs associés sont nombreux.
Dans un entraînement de ce type, on ne fait pas varier la vitesse du moteur et de la machine entraînée par action sur les pertes d’énergie dans le circuit électrique d’alimentation, dans le moteur ou dans la charge mais on convertit l’énergie électrique fournie au moteur pour que celui-ci fournisse avec le minimum de pertes les caractéristiques mécaniques demandées par le process. Outre les économies d’énergie, cette technique offre des avantages supplémentaires qui peuvent être déterminants dans le dimensionnement d’une installation.
Pour ce qui concerne le réseau d’alimentation, nous pouvons citer :
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la suppression des fortes surintensités du courant appelé par le moteur alternatif au démarrage ;
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la diminution de la puissance du système d’alimentation.
Pour ce qui concerne le moteur, la technique d’entraînement à vitesse variable permet d’allonger sa durée de vie grâce à la diminution des contraintes qui lui sont appliquées.
Pour ce qui concerne la charge entraînée, nous pouvons citer la possibilité de régler le couple et la vitesse en tout point du plan effort-vitesse. Cet avantage provient des qualités de souplesse, de flexibilité, de précision et de rapidité attachées aux régulations du système.
Equiper une pompe, un ventilateur, un compresseur d’un dispositif de variation continue de la vitesse d’entraînement est une méthode idéale pour modifier les caractéristiqes débit-pression en conservant un bon rendement dans la quasi-totalité de la plage de fonctionnement de la machine entraînée (pompe, ventilateur ou compresseur), les performances des régulateurs du système de conversion de l’énergie permettant en effet de s’adapter de manière optimale aux conditions d’exploitation imposées par le process.
Avant de montrer tous les avantages que l’on peut tirer de la production de la force motrice électrique à vitesse variable pour les entraînements des machines qui mettent en mouvement des fluides, il convient de classer les différentes solutions électriques envisageables pour ces types d’installation.
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7. Applications au transfert de fluides et à la compression de gaz
Le domaine en objet concerne les deux tiers des applications des moteurs électriques utilisés dans l’industrie et environ les trois quarts de ces applications fonctionnent en régime variable, ce qui les prédispose à utiliser des entraînements électriques à vitesse variable plutôt que des entraînements à vitesse fixe.
7.1 Pompes centrifuges
Près de 90 % des pompes utilisées dans l’industrie sont des pompes centrifuges ou axiales. Ce sont des turbomachines réceptrices qui transmettent au fluide qui les traverse l’énergie mécanique disponible sur l’arbre et la transforme en énergie potentielle (hauteur ou pression). Le travail des forces exercées sur le fluide entraîne une augmentation de l’énergie cinétique et de la pression statique. La très large gamme de puissance de ces pompes et la très grande variété de leurs utilisations expliquent qu’elles se présentent sous de nombreuses variantes.
L’hydraulicien exprime généralement les capacités de refoulement à vitesse constante de ses pompes par des caractéristiques « hauteur-débit » (ou pression-débit) dont les silhouettes varient selon certains critères hydrauliques.
Les réseaux hydrauliques sont constitués par des ensembles de conduites qui provoquent des pertes d’énergie, par frottement par exemple, appelées « pertes de charge » et qui sont caractéristiques des conduites. On peut rencontrer ainsi un certain nombre de cas types de réseaux :
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à pression constante ;
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peu résistant (faibles pertes de charge) ;
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très résistant (fortes pertes de charge) ;
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de surpression ;
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à débit constant.
La figure 10 exprime sur un diagramme pression-débit H(Q) les caractéristiques donnant l’allure des pertes de charge pour chacun des réseaux type ci-dessus.
Le principal problème à résoudre dans les réseaux de distribution est d’assurer la fourniture du débit en fonction de la demande dans les meilleures conditions économiques.
Si nous considérons la caractéristique H(Q) d’une pompe et celle du réseau (figure 11), on constate que pour tout débit inférieur au débit maximal qui est le débit nominal
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