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Un variateur de vitesse : une approche rentable !

Si, comme moi, vous avez déjà assisté à la fabrication de machines, vous avez peut-être déjà entendu les commentaires suivants :

« C’est bien, mais est-ce qu’on peut la faire fonctionner plus vite ? Puis-je augmenter la production ? »

Ou encore : « Wow, c’est vite, je ne pensais pas que ce serait aussi rapide. Y a-t-il une façon de la ralentir ? »

Il est vrai que la meilleure approche est toujours de bien définir les besoins au moment de la conception, mais parfois c’est à s’en tirer les cheveux. C’est la raison pour laquelle je garde toujours en réserve l’idée d’un variateur de vitesse.

Un variateur de vitesse peu offrir beaucoup plus qu’une simple correction à une lacune de conception. Il arrive fréquemment de concevoir un équipement avec la possibilité d’une vitesse variable afin de pouvoir maximiser sa production et augmenter sa rentabilité. Un variateur nous permet aussi de synchroniser des équipements qui s’enchaînent ou de changer la vitesse pour un procédé variable. Un autre exemple : un ventilateur qui est en opération 24 heures par jour, 7 jours / semaine à plein régime quand le bâtiment n‘est occupé que pour la moitié du temps. Un variateur de vitesse nous permet donc de baisser la vitesse du ventilateur durant les heures d’inoccupation réduisant ainsi de façon importante les coûts énergétiques.

En premier lieu

Comme dans toutes choses, nous avons à notre disposition plusieurs façons de varier la vitesse de notre équipement. Par contre, nous devons premièrement nous poser la question : « Est-ce que l’option de pouvoir varier la vitesse est vraiment nécessaire ? » À l'occasion, nous recevons des demandes de prix pour un système à vitesse variable pour ensuite apprendre que la seule raison que le client le demande, c’est parce qu’il est incertain de la vitesse qu’il désire. Ce dilemme est souvent mieux résolu en utilisant, par exemple, une transmission à chaîne où des pinions de grandeurs différentes pourront être essayés. Une solution simple et à un coût beaucoup moindre qu’un variateur électrique ou mécanique. Par contre, quand une variation de vitesse est jugée nécessaire, nous procéderons à une évaluation des besoins tels que la puissance de la motorisation, la plage de vitesse recherchée et s’il existe une méthode ou un type de variateur préféré.

Petit point technique

La majorité des variateurs de vitesse, que ce soit par voie mécanique ou électrique, n’augmente pas le couple ou « torque » en réduisant la vitesse. Ils fonctionnent sur le principe de « couple constant ». Cette notion est importante à noter, car une technologie variable n’est pas conçue pour remplacer une réduction de vitesse faite par courroie, chaîne ou boîte d’engrenage. En utilisant une réduction de vitesse fixe, nous multiplions et augmentons le couple ou la force, ce qu’un variateur ne fera pas. Une transmission qui possède une réduction de 20 : 1 multiplie le couple de 20 fois. En réduisant la vitesse de 20 fois avec un variateur, le couple demeura inchangé.

Vos choix

Il existe deux grandes familles de variateurs : mécaniques et électriques. Chacun possède des avantages et des désavantages malgré que la dernière décennie fut beaucoup plus favorable au développement des variateurs électriques qui ont vu leurs prix chuter de façon considérable.

Variateurs mécaniques

Dans la famille des variateurs mécaniques, on retrouve plusieurs technologies, mais une seule est encore utilisée régulièrement dans la conception d’équipement : les poulies variables.

Les poulies variables : La poulie variable était une des deux technologies en prédominance avant l’arrivée des variateurs électroniques pour moteur AC ( l’autre étant le moteur DC ). Ces poulies, qui utilisent leur diamètre ajustable pour créer la variation de vitesse, sont encore très communes dans les systèmes de ventilation et les équipements un peu plus âgés. L’importante baisse de prix des variateurs électroniques fait en sorte qu’il est maintenant souvent intéressant de convertir un système de poulies variables à l’électronique. À son mérite, la poulie variable demeure une technologie simple et robuste et peut être favorisée dans une application qui génère des charges difficiles.

Les autres : Toute une série de technologies mécaniques fut mise sur le marché il y a déjà plus de 50 ans, tels les variateurs hydrauliques, à billes, disques ou chaîne qui sont souvent des merveilles de conception et fabrication. Malheureusement, leur niveau de sophistication mécanique résulte en des coûts de fabrication élevée et ils se font rapidement remplacer par des technologies plus récentes qui sont plus abordables.

Variateurs électriques

Ce type de variateur fonctionne en changeant la vitesse de notre unité motrice. Deux technologies prédominent : le variateur CA ( Courant Alternatif ) et le variateur CD ( Courant Direct ).

Contrôle CD : Ce type de contrôle convertit notre courant alternatif que l’on reçoit d’Hydro-Québec et le convertit en courant direct tel que l’on retrouve avec une batterie. La variation est accomplie en utilisant un moteur CD qui change de vitesse dépendamment du voltage qui lui est fourni. Un moteur qui tourne à 1800 rpm avec une alimentation de 90 volts en CD aura une vitesse de 900 rpm à 45 volts. Il s’agit d’une technologie de longue date qui est encore beaucoup utilisée quand une simple variation est nécessaire avec des moteurs de 3 HP ou moins. Au-delà de 3 HP, le coût élevé du moteur fait en sorte qu’un variateur CA ( ci-dessous ) devrait être considéré. Cette technologie a l’avantage d’être très facile à utiliser et est très fiable. Elle est aussi capable d’accommoder une vitesse très basse sans considération spéciale pour le refroidissement du moteur avec une plage de vitesse pouvant facilement atteindre les 10 à 20 pour 1.

Contrôle CA : Aussi connu sous le nom de « variateur de fréquence », ce type de contrôle varie la vitesse d’un moteur CA triphasé en changeant la fréquence du courant qui lui est alimenté. La vitesse d’un moteur CA dépend directement de la fréquence de son alimentation. En Amérique, la fréquence de notre alimentation est de 60 hertz, alors un moteur CA triphasé alimenté à 30 hertz tournera à la moitié de sa vitesse nominale. Les développements qu’a subis ce type de contrôle durant la dernière décennie ont mené à une chute importante des prix. De plus, sa technologie qui nécessite qu’un simple moteur tri-phasé peu dispendieux et sans entretien lui accorde de gros avantages qui font en sorte qu’il prédomine maintenant le groupe de variateurs pour moteur de plus de 3 HP. Par contre, un variateur de fréquence de base peut difficilement maintenir le couple au moteur en dessous de 20 % de sa vitesse nominale. C’est la raison pour laquelle les fabricants de ce type de contrôle ont développé un variateur de fréquence plus sophistiqué qui peut maintenir leur couple à très basse vitesse. Ces contrôles, connus sous le nom de contrôle vectoriel à boucle fermée et contrôle vectoriel à boucle ouverte, utilisent une technologie qui maximise l’application du champ magnétique et de son courant au moteur. Résultat : un contrôle vectoriel à boucle fermée peut maintenir le couple au moteur à 0 rpm. Un des seuls désavantages qui demeurent à cette technologie est aussi un de ses atouts. La base digitale de ce contrôle lui permet d’intégrer toute une série de paramètres qui peuvent être modifiés par l’opérateur : accélération, décélération, exponentielle, linéaire, limite de courant, limite thermique, surcharge de démarrage, etc. Un petit paramètre changé par erreur et plusieurs heures pourront être nécessaires à faire repartir l’équipement.

En conclusion

Comme dans plusieurs de mes chroniques, je recommande la consultation. En évaluant bien vos besoins, nous serons en mesure de vous dire qu’elle sera la meilleure approche pour varier la vitesse de votre équipement. Qui sait, peut-être pouvez-vous doubler votre production en ne changeant qu’un simple pinion à chaîne ?

Vous pouvez joindre Ken Yamasaki, conseiller technique chez
General Bearing Service au (514) 527-4513 ou par courriel : ken@gbs.ca