DC/AC et retour : qu'est-ce qui fera tourner l'usine à l'avenir ?
Épisode 3
Tendance à l'augmentation de la tension DC dans l'industrie
Depuis des décennies, la grande majorité des gens vivent avec une tension alternative (AC). Mais depuis quelques années, l’industrie s’oriente de plus en plus vers la tension continue (DC). Les premières entreprises convertissent leurs lignes de production ou leurs cellules robotisées au DC. Pourquoi ? Parce que la tension continue promet des avantages économiques, permet d’économiser de l’énergie et fait de l’usine un prosommateur, c’est-à-dire un producteur et un consommateur d’énergie.
Jochen Clemens de Danfoss Drives connaît bien le monde du courant continu, car de nombreux navires sont déjà entièrement alimentés en courant continu. Il se bat encore au quotidien contre les impuretés des réseaux et met en œuvre la technologie de filtrage dans les installations industrielles. Mais le professeur Holger Borcherding de l’université technique OWL signale qu’une solution à ce problème existe déjà : La stabilité du réseau gagne également à l’utilisation de la tension continue dans l’industrie. Pourquoi ? Vous trouverez les réponses dans l’épisode 3 de Drehmoment – Der Antriebspodcast.
Le principe du "réseau CC"
Lorsque l’on discute lors de tables rondes et dans les cercles professionnels des réseaux à tension continue (DC) dans l’industrie, Jochen Clemens de Danfoss Drives ne peut s’empêcher de sourire un peu. "Les constructeurs navals ont déjà quelques longueurs d’avance sur l’industrie. Dans le domaine de la marine, les réseaux CC sont très répandus", explique l’ingénieur. Mais les réseaux DC sont déjà partiellement utilisés aujourd’hui dans la production : "Il existe déjà des applications robotiques et des servos qui sont alimentés par une tension DC", explique Clemens.
"Dans les réseaux dits "Common DC", tous les appareils utilisent un réseau commun de tension continue. Le réseau classique à tension alternative (AC), les générateurs ou les installations photovoltaïques l’alimentent en énergie électrique. Les convertisseurs AC/DCla tension alternative est convertie en tension continue. Cela permet de créer un réseau de courant continu stable avec un niveau de tension constant", explique Clemens. Le nombre de consommateurs raccordés est alors indifférent. Les convertisseurs DC/AC alimentent lesmachines électriques. En outre, des micro-réseaux sont créés à partir du réseau CC commun, qui forment à leur tour différents réseaux de bord, par exemple dans les systèmes marins.
Les systèmes de batteries peuvent également être chargés et déchargés sur le réseau à tension continue via des convertisseurs DC/DC. Ils stockent l’énergie électrique et peuvent remplacer les générateurs de secours en cas d’urgence. "Cela permet de réaliser des économies considérables en termes d’espace d’installation – c’est-à-dire plus de place – ce qui est un argument très convaincant sur un bateau", sait Clemens par expérience. Le réseau CC garantit ainsi un échange et un retour d’énergie constants, ce qui permet de se passer de résistances de freinage ou d’unités de retour d’énergie supplémentaires.
Pas à pas vers plus de tension DC dans l'industrie
Pas à pas, l’industrie découvre actuellement ces avantages de la tension continue. Et les arguments semblent convaincants : avec la tension DC, les filtres d’harmoniques sont supprimés, la qualité du réseau augmente, les redresseurs classiques appartiennent au passé, les pertes de conversion pourraient être réduites et les systèmes d’entraînement deviennent plus compacts. La flexibilité d’utilisation des convertisseurs DC est également énorme. "Nous assisterons à l’avenir à un simple échange d’énergie vers des accumulateurs et l’usine deviendra un prosommateur", souligne le professeur Holger Borcherding de la TH OWL. Sa vision : l’usine tire de l’énergie du réseau électrique alternatif externe, qui est transformée une fois pour toutes. En interne, les machines, les moteurs et les accumulateurs utilisent un réseau CC. Cela permet de réduire les pannes de réseau et d’économiser de l’énergie. Holger Borcherding mène des recherches sur le sujet depuis des années.
Le principe du 'convertisseur de fréquence
Tension DS dans l’industrie, les réseaux dits DC, sont de plus en plus utilisés. Une grande partie de l’approvisionnement en électricité continue toutefois de passer par des réseaux classiques de courant alternatif, qui alimentent différents niveaux de tension via des transformateurs.
Les moteurs qui nécessitent une vitesse constante peuvent être directement raccordés au réseau alternatif. Dans la plupart des applications industrielles, la vitesse doit être adaptée à la situation. Pour cela, on utilise des variateurs de fréquence. Votre avantage : vous adaptez en permanence le régime du moteur aux besoins du moment, ce qui permet au final d’augmenter l’efficacité et de réaliser des économies d’énergie. Le variateur de fréquence est alimenté par une tension alternative. Il la convertit d’abord en une tension continue via un redresseur, qui est à son tour convertie en une tension alternative à fréquence et tension variables via un onduleur en aval, ce qui permet de modifier électroniquement la vitesse d’un moteur triphasé.
Si le moteur triphasé fonctionne en mode freinage, par exemple en mode descente pour une grue, le flux d’énergie change. "Cependant, un variateur de fréquence avec un redresseur classique ne peut pas réinjecter cette énergie dans le réseau", explique Jochen Clemens, "car le redresseur à diodes ne permet le flux d’énergie que dans un seul sens". Cela pourrait changer à l’avenir : lorsqu’un moteur ralentit, l’énergie produite pourrait être utilisée directement dans le réseau CC commun pour accélérer un autre moteur. De plus, si le redresseur n’est plus nécessaire dans le variateur de fréquence, les concepteurs gagnent de la place et l’électronique de puissance se rapproche du moteur. Les perturbations du réseau dues aux convertisseurs et aux filtres harmoniques supplémentaires pourraient également appartenir au passé.
En tête de l'agenda : compenser les harmoniques
Jochen Clemens s’y connaît particulièrement bien en compatibilité électromagnétique (CEM) et en technologie de filtrage. "La régulation des moteurs à l’aide de convertisseurs permet d’améliorer sans cesse l’efficacité et la performance des systèmes sur le réseau AC classique. Mais qui dit plus d’appareils dit aussi plus de perturbations. Mot-clé : les harmoniques. La qualité de la tension du réseau se dégrade si l’on n’en tient pas compte". Jochen Clemens et ses collègues misent donc sur la technologie de filtrage pour minimiser les répercussions sur le réseau. "Nous parvenons à faire en sorte que le courant de réseau du redresseur fonctionne à nouveau de manière aussi sinusoïdale que possible. Nous n’arrivons pas à 100 pour cent, ce qui n’est d’ailleurs pas judicieux du point de vue économique, mais c’est suffisant pour une bonne qualité de réseau".
En plus des variateurs de fréquence, des technologies de filtrage sont utilisées pour réduire la rétroaction du réseau à un "niveau sain". Des technologies de filtrage passives et actives sont utilisées à cet effet. Il est également possible d’utiliser des convertisseurs de fréquence étendus qui, en raison de leur structure électrique, émettent d’emblée nettement moins de réactions dans le réseau. Il s’agit notamment des variateurs avec la technologie Active Front-End, des Low Harmonic Drives ou des convertisseurs, avec une alimentation à impulsions plus élevées.
Si les applications DC augmentent, les répercussions sur le réseau diminueront également, prédit Holger Borcherding. Il en est sûr : la tension continue va s’établir – dans les voitures électriques et aussi dans les usines. "Je le verrai dans ma vie professionnelle", affirme le scientifique avec conviction. "Ce n’est pas l’œuvre du siècle. Dans 20 ans, l’alimentation en tension continue représentera un pourcentage à deux chiffres plus élevé dans le secteur industriel".
La boucle est bouclée avec l ‘épisode 7 de Drehmoment – Der Antriebspodcast. Dans cet épisode, il est question d’énergie verte pour l’industrie, de projets on-grid et off-grid, de la compensation des pics de charge avec des accumulateurs et d’informations autour de la capacité des accumulateurs à batterie actuels. Les convertisseurs de fréquence constituent le lien entre le stockage sur batterie et le réseau électrique. Cela en fait, avec le stockage lui-même, le composant le plus important du projet d’hybridation. Écoutez !
