Les entreprises charbonnières sont d'importantes consommatrices d'électricité, dont la consommation représente une part importante des coûts de production. Des études indiquent que des équipements tels que les ventilateurs, les pompes à eau, les compresseurs, les treuils et les systèmes d'évacuation des gaz consomment plus de 40 % de l'électricité totale utilisée dans les mines de charbon. Le développement de la technologie des variateurs de fréquence (VFD) permet de résoudre efficacement des problèmes tels que le manque de flexibilité des processus de contrôle, la faible réactivité en temps réel et le faible niveau d'automatisation.

1. Principes et avantages en matière d'économie d'énergie de la technologie VFD

(1) Principes de la régulation de vitesse VFD

La régulation de vitesse à fréquence variable CA est une technologie relativement récente apparue ces dernières décennies. Reconnue comme l'une des méthodes de régulation de vitesse les plus prometteuses, elle offre des performances supérieures, des économies d'énergie significatives et une large applicabilité à tous les secteurs d'activité.

La technologie VFD intègre la microélectronique, l'électronique de puissance et les systèmes de contrôle moteur. Son principe fondamental consiste à convertir une tension alternative à fréquence fixe en tension continue via un redresseur, puis à utiliser un onduleur pour la retransformer en courant alternatif à fréquence et tension réglables afin d'entraîner le moteur. Cela permet une régulation de vitesse fluide et continue, sans pertes par glissement supplémentaires, ce qui lui confère un rendement élevé.

En combinant des systèmes à courant fort et faible avec une intégration électromécanique, la technologie VFD ajuste dynamiquement la vitesse du moteur en fonction de la charge, permettant une accélération ou une décélération automatique et fluide. Elle améliore ainsi considérablement l'efficacité énergétique tout en maintenant des performances élevées.

(2) Avantages de la technologie VFD en matière d'économie d'énergie

Grâce aux progrès de l'électronique, de l'informatique, de l'automatisation et des systèmes de puissance élevée, la technologie des variateurs de fréquence pour moteurs à courant alternatif a connu des avancées révolutionnaires. Elle est devenue un outil essentiel pour les économies d'énergie, la protection de l'environnement et le progrès technologique.

Grâce à ses économies d'énergie notables (généralement de 20 à 60 % pour les charges fluides) et à ses performances de contrôle supérieures, la technologie VFD est de plus en plus adoptée dans les mines de charbon. Des convertisseurs de fréquence haute capacité, multifonctionnels et extrêmement fiables sont désormais largement utilisés, réduisant considérablement la consommation d'énergie.

Le principe d'économie d'énergie du contrôle VFD comprend :

Démarrage progressif et régulation de vitesse en douceur, évitant les courants d'appel élevés.

Facteur de puissance amélioré, réduisant les pertes de puissance réactive.

Couple de sortie constant inférieur à la fréquence de base**, avec une consommation d'énergie variant proportionnellement à la vitesse.

2. Applications pratiques dans l'exploitation du charbon : étude de cas sur les convoyeurs à bande

(1) Défis en matière d'économie d'énergie dans les convoyeurs à bande

Les convoyeurs à bande sont essentiels au transport du charbon, notamment pour les opérations à haut rendement, sur de longues distances et avec de lourdes charges. Cependant, les systèmes d'entraînement traditionnels sont confrontés à des problèmes tels que :

Courant de démarrage élevé** (6 à 7 fois le courant nominal), risquant de griller le moteur et de provoquer des chutes de tension.

Choc mécanique et usure dus à une accélération/décélération soudaine.

Répartition de puissance inefficace dans les entraînements multimoteurs, entraînant des charges déséquilibrées.

Les solutions conventionnelles telles que les accouplements hydrauliques ou le démarrage par résistance du rotor souffrent toujours de surtensions élevées, de génération de chaleur et de problèmes de maintenance.

(2) Applications VFD dans les convoyeurs à bande

Un système de contrôle basé sur un variateur de fréquence pour convoyeurs à bande comprend :

Unité de détection : transformateurs de courant, capteurs de vitesse et balances à bande pour surveiller la charge et la vitesse en temps réel.

Unité de contrôle (PLC) : traite les signaux pour permettre le démarrage/arrêt progressif, l'équilibrage de la charge et la protection contre les défauts (par exemple, rupture de courroie, glissement, surchauffe).

Unité d'exécution (VFD) : ajuste la vitesse du moteur avec précision, garantissant un fonctionnement fluide et une optimisation énergétique.

Principaux avantages après la modernisation du variateur de fréquence :

Le démarrage/arrêt progressif élimine les contraintes mécaniques, prolongeant ainsi la durée de vie de l'équipement.

Facteur de puissance ≥ 0,9, réduisant les pertes de puissance réactive.

Efficacité supérieure de 5 à 10 % par rapport aux raccords hydrauliques.

Réglage automatique de la vitesse en fonction de la charge, réduisant ainsi le gaspillage d'énergie.

Le freinage régénératif (dans les variateurs de fréquence à 4 quadrants) réduit encore davantage la consommation d'énergie.

Coûts de maintenance réduits en éliminant les problèmes de couplage hydraulique.

3. Conclusion

La technologie VFD s'est avérée très efficace dans l'exploitation du charbon, permettant des économies d'énergie substantielles et des améliorations opérationnelles. Grâce aux progrès constants de l'électronique de puissance, son rôle dans l'amélioration de l'efficacité et de la durabilité des opérations minières continuera de croître, générant des avantages économiques encore plus importants.