Activité 7 – Variateur de fréquence industriel INDUSTRIE 4.0

Ch02 – Conversion DC/AC | Terminale ICCER | ⏱ 35 min

Dernière mise à jour : 2 juin 2026

Ce que tu vas apprendre :

Comprendre la chaîne AC→DC→AC d'un variateur
Calculer l'économie d'énergie sur une pompe variable
Évaluer l'impact harmonique sur le réseau

🤔 Avant de commencer

Pourquoi 90 % des moteurs industriels modernes sont-ils pilotés par un variateur de fréquence ?

Un moteur asynchrone tourne à vitesse fixe selon la fréquence réseau (1 500 tr/min à 50 Hz). Pour changer sa vitesse : variateur de fréquence (VFD). Il convertit AC fixe en AC à fréquence variable (0-100 Hz). Avantages : modulation continue, démarrage doux (économie 30-50 % de conso), couple optimisé. Conséquence : presque tous les nouveaux équipements industriels (compresseurs, pompes, ventilateurs) sont VFD.

Situation – Tony, technicien automatisme industriel (Cherbourg)

Tony, technicien automatisme chez « Naval AutoTech » à Cherbourg, installe un variateur Schneider Altivar 320 (7,5 kW) sur une pompe de circulation d'une chaudière industrielle. Il vérifie le câblage et calcule les économies vs fonctionnement direct.

📖 Vocabulaire

VFD / VSD: Variable Frequency Drive / Variable Speed Drive. Pilote moteur asynchrone par fréquence variable.
Bus DC: Lien continu entre redresseur (entrée AC) et onduleur (sortie AC variable). Tension 565 V pour entrée 400 V tri.
Loi des affinités (pompes): Puissance ∝ vitesse³. Diviser la vitesse par 2 = puissance divisée par 8. Énorme économie en modulation.

Document 1 — Variateur ATV320 sur pompe

Pompe centrifuge : 7,5 kW à 100 % de vitesse nominale (50 Hz).
Sans variateur : marche/arrêt sur thermostat. Fonctionne 60 % du temps à 100 %.
Avec variateur : module 30-100 % selon besoin. Fonctionne 95 % du temps à vitesse modulée moyenne 65 %.
Heures fonctionnement chaudière : 6 000 h/an.
Loi des affinités : P/P_n = (v/v_n)³.
Tarif élec industriel : 0,15 €/kWh.

Problématique : Quelle économie réalise le variateur, et avec quel ROI ?

Q1 APP

Énergie annuelle SANS variateur (marche/arrêt, P_n × t × taux d'activité).

E_sans = 7,5 × 6 000 × 0,60 = 27 000 kWh/an.

Coût : 27 000 × 0,15 = 4 050 €/an.

Q2 REA

Avec variateur à 65 % vitesse moyenne, puissance ?

P_moy = 7,5 × (0,65)³ = 7,5 × 0,275 = 2,06 kW en moyenne.

Énorme baisse grâce à la loi cubique !

Q3 REA

Énergie annuelle AVEC variateur (taux d'activité 95 %).

E_avec = 2,06 × 6 000 × 0,95 = 11 742 kWh/an.

Coût : 11 742 × 0,15 = 1 761 €/an.

Économie : 4 050 − 1 761 = 2 289 €/an (= 57 %).

Q4 ANA

Investissement variateur ATV320 7,5 kW : 1 200 € + 400 € installation. ROI ?

Investissement : 1 600 €. ROI = 1 600 / 2 289 ≈ 8,4 mois.

Sur 15 ans (durée vie typique) : économie 34 300 € − 1 600 € = 32 700 € net.

Excellent. Standard industriel actuel.

Q5 ANA

Comment fonctionne le variateur ? Décrire la chaîne AC→DC→AC.

Redresseur à 6 diodes (pont de Graetz triphasé) : 400 V AC → 565 V DC ondulés.
Bus DC : condensateur électrolytique de filtrage. Tension lisse 565 V DC.
Onduleur à 6 IGBT : reconvertit DC en AC à fréquence variable 0-100 Hz par modulation PWM (5-15 kHz).
Moteur asynchrone : vitesse proportionnelle à la fréquence appliquée.

Tout est piloté par microcontrôleur qui ajuste en temps réel selon le besoin (pression, T°, débit).

Q6 ANA

Problème : les variateurs génèrent des harmoniques côté réseau. Solutions ?

Harmoniques courant côté réseau : THD-i = 30-40 % sans filtrage (variateur bas de gamme).

Solutions :

Selfs de ligne : inductance en série avec l'entrée du variateur. Réduit THD à 35 %. Coût ~ 100 €.
Filtres harmoniques passifs : LC accordés sur fréquences à filtrer. Réduit à 8-10 %. Coût ~ 500 €.
Variateur à AFE (Active Front End) : redresseur actif. THD < 5 %. Coût + 30-50 %.

Pour installations < 30 kW : selfs suffisent. Au-delà : AFE ou filtre passif obligatoire.

Q7 VAL

Applications du variateur de fréquence dans l'industrie ?

Pompes (eau chaude/froide, fluides industriels) : économie 30-60 %.
Ventilateurs (climatisation, extraction) : économie similaire.
Compresseurs (air comprimé) : Inverter atelier.
Convoyeurs : vitesse adaptable selon production.
Machines-outils (CNC, tour) : variation continue, pas de boîte de vitesses mécanique.
Ascenseurs (modernes) : accélération douce, économie démarrage.

Le variateur est l'équipement industriel le plus rentable des 30 dernières années en efficacité énergétique.

Q8 COM

Rapport de Tony (4 lignes).

Installation ATV320 7,5 kW pompe — Tony (Naval AutoTech Cherbourg)
• Chaîne AC→DC→AC : redresseur + bus DC + onduleur IGBT PWM.
• Économie : 57 % conso énergie (vs marche/arrêt). 2 289 €/an.
• Investissement 1 600 €. ROI 8,4 mois.
• Selfs de ligne incluses pour THD < 35 %. Pas besoin filtre harmonique passif.

✅ Auto-évaluation

Je décris la chaîne AC→DC→AC d'un variateur. J'applique la loi des affinités pour les pompes. Je calcule un ROI variateur.

Bonus — IGBT, technologie clé du variateur

IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor. Inventé en 1979, optimisé années 90. Combine :

Commande par tension (comme MOSFET) : facile à piloter, faible consommation.
Conduction par injection de porteurs (comme transistor bipolaire) : passe beaucoup de courant.

Caractéristiques : tension blocage 600-6 500 V, courant 100-3 000 A, commutation 10-30 kHz. C'est le cheval de bataille de l'électronique de puissance : variateurs, onduleurs PV, traction ferroviaire (TGV), véhicules électriques.

Évolution : SiC (Carbure de Silicium) et GaN (Nitrure de Gallium) supplantent progressivement les IGBT silicium : commutation plus rapide, pertes plus faibles, encombrement réduit. Marché 2030 : 50-50 entre Si et SiC/GaN.

À retenir

Variateur de fréquence : AC fixe → DC → AC variable. Modulation par IGBT PWM.
Loi des affinités pompes : P ∝ v³. Diviser vitesse par 2 = puissance ÷ 8.
Économie typique : 30-60 % vs marche/arrêt. ROI < 1 an industrie.
Standard équipement industriel moderne. Harmoniques à traiter par selfs/filtres.

📚 §7 (Onduleur) + §8 (Chaîne conversion) de la leçon Ch02.