Entraînements à vitesse variable modernes : booster l'efficacité et la fiabilité des pompes

Ce qui suit est un extrait de mon article récent « Blown Away » pour Water & Wastes Digest. La version complète est disponible en ligne ou dans le numéro d'octobre du magazine.

Les entraînements à vitesse variable (VSD) modernes sont utilisés avec des équipements à déplacement positif depuis plus de 20 ans. La technologie VSD a pris naissance dans les années 1960 pour petits moteurs DC et a évolué pour les gros moteurs à induction. La technologie de modulation de largeur d'impulsion (PWM) utilisant des transistors bipolaires à grille isolée a conduit à des options plus petites, plus économiques et à une utilisation plus large. Les conceptions de moteurs « inverter duty » (VSD duty) ont suivi, ainsi que l'utilisation généralisée de la technologie VSD pour applications à charge variable.

Les soufflantes à lobes à déplacement positif (PD) sont utilisées depuis leur invention en 1856 par les frères Roots. Comme toute machine PD, le débit volumique délivré est grossièrement proportionnel à la vitesse de fonctionnement de la soufflante. La majorité des soufflantes à lobes rotatifs sont à courroie, et la vitesse de fonctionnement de la soufflante est définie par le rapport de taille entre la poulie moteur et la poulie de l'élément soufflante. Pendant des décennies, les soufflantes étaient dimensionnées selon les besoins de l'application, avec les bons rapports de poulies pour les unités à courroie.

La seule façon d'ajuster le débit de sortie d'une machine en fonctionnement était l'utilisation d'une soupape de décharge pour évacuer une partie du débit de refoulement ou le démarrage/arrêt de machines sur la même tuyauterie. Ces méthodes fournissaient un débit de sortie variable pour les applications le nécessitant, incluant l'aération de traitement des eaux usées, la fermentation aérobie, et l'air de refroidissement et combustion. Cependant, cela offrait des économies limitées en efficacité énergétique.

Efficacité VSD

Dans les années 1990, la nouvelle technologie VSD et les conceptions « inverter duty » pour moteurs à induction triphasés ont rendu économique la fourniture de packages à vitesse variable. Au lieu d'utiliser une soupape de décharge ou le démarrage/arrêt, le VSD fait varier directement la fréquence de sortie de la soufflante. La variation de la vitesse de fonctionnement ajuste la courbe pression vs débit, les vitesses plus basses déplaçant moins de volume.

C'est significatif car ralentir la soufflante peut être plus efficace que de décharger de l'air. Une soufflante tournant à vitesse nominale sur VSD comparée à vitesse fixe aura le même débit de sortie et nécessitera une puissance d'entrée plus élevée due aux pertes électriques. Avec les équipements VSD modernes, cette perte est typiquement inférieure à 3 %. Cependant, avec plus de réduction de débit, plus d'énergie peut être économisée. Une soufflante à lobes fonctionnant avec VSD a une réduction de 60 à 70 %, signifiant que le débit minimum est 60 à 70 % inférieur au débit maximum.

Pour une soufflante fonctionnant avec soupape de décharge, elle produit toujours la même quantité de débit dans la soufflante, et une légère diminution potentielle de la pression système est le seul bénéfice énergétique. Par conséquent, un VSD peut offrir presque 60 à 70 % d'économies d'énergie dans un processus nécessitant 60 à 70 % moins de débit que la sortie nominale de la soufflante. Pour toute application avec une demande de débit variable importante, ces économies peuvent facilement rembourser le coût d'investissement du VSD.

La capacité d'augmenter la vitesse de fonctionnement au-delà de la fréquence de base — 60 Hz aux États-Unis — est un avantage VSD supplémentaire. Les équipements plus anciens peuvent être rétrofités avec VSD et un moteur plus grand pour augmenter la performance de sortie. Les coûts d'investissement pour ce retrofit sont considérablement inférieurs à l'achat d'équipement neuf pour un débit légèrement supérieur.

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