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Diagnostic en 3D 6 Les robots ABB prennent de la bouteille 23 Le courant continu lève l’ancre 29 Transformateurs « bio » 49 Courants technologiques 2 | 12 Actualités technologiques du Groupe ABB ABB revue
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Diagnostic en 3D 6 Les robots ABB prennent de la bouteille 23Le courant continu lève l’ancre 29 Transformateurs « bio » 49
Courants technologiques
2 |12Actualités technologiques
du Groupe ABB
ABB
revue
2 revue ABB 2|12
Pour relever de nouveaux défis, ABB n’a de cesse de développer son offre de produits et services, d’élargir le champ d’application de ses solutions et d’innover. Ce numéro de la Revue ABB s’inté-resse aux réalisations les plus originales.
Qu’ils croisent au large ou accostent à Houston, 4e port des États-Unis (photo de couverture), de plus en plus de navires sont dotés de sys-tèmes électriques d’ABB, auxquels nous consacrons un article. Avec ses transformateurs, ses appareillages électriques et son système de supervision, ABB équipe également le gigantesque stade de football de Soweto (Afrique du Sud), ouvrage emblématique de la Coupe du Monde 2010.
Sommaire
3Sommaire
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13
18
23
26
29
34
40
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Collaborer avec tact et doigtéUn écran interactif pour prendre les bonnes décisions
Avis d’expertsServicePort : le service ABB à bon port
Tableau de bordUne technologie primée, à l’écoute des usages énergétiques
Le Rouge et le NoirDes robots ABB en habit rouge dans une brasserie allemande
Travail à domicileABB utilise ses propres robots IRB 140 pour produire plus, mieux et moins cher
Le courant continu à la barreABB innove dans l’alimentation et la propulsion électriques des navires
Montée des eauxLes moteurs synchrones ABB au service de l’agriculture irriguée indienne
Distribution : un vent d’écologieLes transformateurs ABB adoptent le métal amorphe pour maximiser les économies d’énergie
Conversion verteAvec BIOTEMP® d’ABB, les transformateurs ne jettent pas d’huile sur le feu !
Transformer
Innover
Robotiser
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revue ABB 2|12 4
Édito
Claes RytoftDirecteur des technologiesABB Ltd.
ticiens . . . : le particulier y trouve aussi son intérêt, comme l’illustre la nouvelle gamme de produits Busch-Jaeger (société du Groupe ABB) et son suivi temps réel des consomma-tions énergétiques de l’habitat.
On dit parfois des robots qu’ils sont le prolongement de l’homme. Si ABB encourage ses clients à s’équiper de ces auxiliaires, il les met aussi à l’ouvrage dans ses propres usines ! Deux articles rendent compte de leur travail tant « à domicile » que chez un maître brasseur.
L’efficacité énergétique est une autre théma-tique de ce numéro : des navires de service aux transformateurs de puissance, en passant par l’irrigation par pompage vertical, ABB est sur tous les fronts pour économiser l’énergie et réduire la pollution.
Je conclurai sur une note plus personnelle : c’est ici ma dernière contribution à la Revue ABB en ma qualité de Directeur des techno logies. Avant de passer le témoin à Prith Banerjee, je tiens à remercier tous nos clients, lecteurs, rédacteurs et auteurs pour le soutien et l’attention accordés au Groupe ABB et à sa publication. Puissent-ils perpétuer le flambeau !
Bonne lecture,
Claes RytoftDirecteur des technologiesABB Ltd.
Chers lecteurs,Le progrès nous permet de réaliser ce qui était impossible auparavant ou d’améliorer l’efficacité de l’existant. La technologie ne cesse de repousser ses limites en termes de vitesse, de précision, de performance et de puissance, tandis que l’ère de l’information s’enrichit de nouveaux concepts et vocables (contrôlabilité, interactivité, hyperconnexion, etc.) pour insuffler plus d’intelligence à nos systèmes et réseaux.
Ce numéro consacre plusieurs articles au partage de l’information, qui ne doit pas être une fin en soi mais un moyen de « faire parler » des données pertinentes, au moment opportun. Les écrans des salles de conduite modernes, par exemple, fourmillent d’élé-ments graphiques et contextuels. Pourtant, les opérateurs ne sont pas les seuls à vouloir disposer de données de production faciles à traiter et à interpréter. Du carreau de l’usine au bureau de la direction, le besoin d’infor-mations en temps réel est primordial pour prévoir, organiser, planifier. En partenariat avec l’Interactive Institute d’Umeå (Suède), ABB a développé une interface résolument collaborative, aussi ergonomique qu’une tablette tactile, qui offre un accès instantané aux données et historiques du site, voire au-delà, des plus globales (indicateurs de performance) aux plus spécifiques (causes de dysfonctionnement, par exemple).
Pour le personnel de maintenance, ce ne sont pas tant les données sur la production mais sur l’outil industriel qui importent. ABB lui destine pour cela ServicePort, une passerelle de télédiagnostic, configurable selon les besoins. Mais cet accès immédiat à l’informa-tion n’est pas réservé aux industriels, énergé-
Techno . . . logique
5Éditorial
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Un écran interactif pour prendre les bonnes décisions
Collaborer avec tact et doigté
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MARTiN OLAUSSON, MAgNUS LARSSON, FReDRik ALFReDSSON –
C’est bien connu, un schéma vaut mieux qu’un long discours pour visualiser instantanément les informations d’un process, pointer leur évolution et les corréler. Lorsque les responsables ou opérateurs de production débattent des difficultés et tâches à accomplir, la repré-sentation graphique des tendances, contraintes d’exploitation et goulets d’étranglement est primordiale pour cerner les priorités et les actions. Mais quel sera demain ce support visuel du dialogue homme-machine ? Pour ABB, il rapatriera automatiquement les données de différentes sources du terrain et reproduira intuitivement, au détail près, les indicateurs clés de performance et la dynamique du pro-cédé. il s’appuiera sur des commentaires, des annotations manus-crites et des croquis à main levée pour faire passer une idée ou avancer une solution. Fini le tandem clavier-souris : l’outil aura l’appa rence et l’ergonomie d’un écran tactile de smartphone, naviga-tion 3D en prime. Pour le site papetier du Suédois SCA, à Obbola, cette nouvelle dimension de l’interface opérateur est devenue réalité, à la faveur du succès remporté par le modèle de démonstration développé par ABB et l’Interactive Institute d’Umeå (Suède).
Collaborer avec tact et doigté
L’outil facilite le suivi intuitif des réactions en chaîne, de l’indicateur problématique à l’origine de la défail-lance, qui peut se trouver dans une partie totalement différente du pro-cédé.
PhotoLa toute dernière version de l’écran interactif d’ABB tourne sur l’iPad.
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à la disponibilité des matières premières et aux arrêts machines. Les opérateurs de conduite et autres collaborateurs se voient également tous les jours (en général, à chaque changement d’équipe) pour faire un point sur le plan de charge. Les données et tendances présentées à l’occasion peuvent être multisources : gestion des stocks, données de produc-tion, compte-rendus, coûts de l’énergie et des matières, décisions de la hié-rarchie ou informations plus générales comme les prévisions météo. Pour être utilisables, elles doivent être compi- lées et visualisées : autant d’étapes ma-nuelles, sources potentielles d’erreurs, qui allongent encore leur délai de traite-ment et leur font perdre leur actualité !
Selon une règle élémentaire du contrôle-commande, pour qu’un système soit réactif, il faut que ses boucles de régula-tion renvoient des données pertinentes dans le plus court délai possible de façon à refléter quasi instantanément l’état du procédé. Certes, cette exigence vaut bien plus pour le pilotage d’un process critique que pour une réunion de direc-tion, mais le principe reste le même.
L’examen minutieux des données dyna-miques du procédé permet aux partici-pants de cerner de plus près la réalité du
On dit souvent d’individus ten-dant vers un objectif commun qu’ils sont « sur la même lon-gueur d’onde ». Cette méta-
phore est toujours d’actualité dans l’en-treprise moderne : en réunion, tous les regards ne se portent-ils pas vers un même support de communication visuel, qu’il soit tableau blanc, chevalet à feuilles ou écran de projection ?
En effet, c’est en analysant les mêmes données qu’un groupe est en mesure d’en tirer les mêmes conclusions. Pour autant, il ne peut y avoir consensus si ces informations ne sont pas assez pré-cises et pertinentes pour nourrir la réflexion des participants. De plus, la collecte des données de production, en amont de ces présentations, reste surtout manuelle : difficile, dans ces condi tions, d’obtenir le détail d’une situation pour en connaître la cause. Sans compter que les données exposées s’avèrent souvent caduques et même erronées, suite à leur saisie ou leur retranscription par l’homme. D’où les risques de malentendus, d’hypothèses incorrectes et de mauvaise planification.
Les responsables de site se réunissent régulièrement pour réagir, par exemple, à l’évolution du carnet de commandes,
Le système peut s’interfacer à une multitude de sources, telles que les données de production temps réel émanant aussi bien de la plate-forme 800xA d’ABB que de logiciels tiers de comptabilité et de gestion des stocks.
1 Une image 3D pour une vision globale et dynamique du site
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terrain. Mieux, la collecte automatique des données leur fournit à ce niveau un bien plus grand nombre de détails qui permettent d’en analyser immédiate-ment les causes sous-jacentes.
De l’idée au produitABB a bénéficié du partenariat avec l’In-teractive Institute d’Umeå et du parrai-nage de ProcessIT Innovations pour développer et mettre en place un démonstrateur de cette nouvelle inter-face opérateur, dans l’unité suédoise du papetier SCA, à Obbola.
L’installation se compose fondamentale-ment d’un grand écran de confé-rence ➔ 5 qui se substitue au traditionnel tableau blanc ou chevalet à feuilles tout en évitant la saisie manuelle des don-nées. Mais son originalité tient davan-tage à la remarquable intuitivité de son interface, qui offre une vue sur toute l’usine et un lien avec le système de
Collaborer avec tact et doigté
2 Affichage de données complémentaires
gestion de l’entre-prise, avec l’ergo-nomie d’un smart- phone tactile.
Le système peut s’interfacer à une multitude de sour- ces, telles que les
données de production temps réel émanant aussi bien de la plate-forme d’automatisation étendue 800xA d’ABB que de logiciels tiers de comptabilité et de gestion des stocks (SAP, par exemple). Et rien n’empêche de l’adapter à bien d’autres sources de données, dont les systèmes et composants de contrôle-commande multiconstructeurs.
Ses fonctionnalités ne s’arrêtent pas à la simple collecte de données. Son grand écran tactile, tel une tablette numérique géante, reproduit le modèle 3D du site, avec bâtiments, équipements et indica-teurs de performance ➔ 1. Des touches explicites et multifonctions, emprun- tées aux smartphones et tablettes, per-mettent la rotation du modèle pour ame-ner divers éléments au premier plan, l’agrandissement de détails et l’affichage de compléments d’information ➔ 2. L’uti-lisateur peut ainsi passer des indicateurs de performance de toute l’usine à ceux
La collecte manuelle des informations allonge leur délai de traitement au point de les rendre caduques.
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performances, aidant les intervenants à décider des premières urgences. À côté des variables directement tirées du pro-cess cohabitent des valeurs fournies par d’autres entrées. Il est également un paramètre auquel SCA accorde beau-coup d’importance : la motivation du personnel. Cette « métrique », régulière-ment surveillée, est traitée et affichée comme un indicateur clé de perfor-mance.
Chaque participant peut ajouter à ces données dynamiques ses propres notes qui restent « épinglées » aux éléments graphiques, indépendamment de leur position à l’écran ; un tapotement de doigt suffit pour les retirer. De même, l’écran peut s’enrichir d’annotations et de croquis manuscrits ➔ 4, comme sur un tableau blanc, pour faciliter la prise de décisions.
Le développement de ce démonstrateur doit beaucoup à l’expérience des utilisa-teurs. La mise en œuvre de chacune de ses caractéristiques a été rigoureuse-ment soupesée pour garantir un parfait équilibre entre fonctionnalité, simplicité et satisfaction d’utilisation.
Ainsi, des méthodes d’étude en phase avec la méthodologie de conception centrée sur l’utilisateur ont permis aux chercheurs de démontrer l’ergonomie et l’attractivité de l’interface.
d’un échelon inférieur pour atteindre chaque variable en pied de machine.
L’affichage de ces données adopte diffé-rents formats, des simples indications chiffrées aux historiques ➔ 3. Un code couleur pointe instantanément les valeurs en cause : un indicateur de performance qui franchit un seuil bas passe d’abord du vert au jaune, puis au rouge s’il pour-suit sa baisse. Ce peut être le cas, par exemple, d’une augmentation de volume des rebuts et rejets, qui peut s’expliquer par de mauvais réglages du procédé sous-jacent. L’outil facilite le suivi intuitif de ces réactions en chaîne, de l’indi-cateur problématique à l’origine de la
défaillance, qui peut se trouver dans une partie totalement différente du procédé. Des analyseurs de tendance permettent de faire la différence entre des fluctua-tions aléatoires et une réelle dérive des
C’est en analysant les mêmes don-nées qu’un groupe est en mesure de partager les mêmes conclu-sions.
3 Zoom sur une plus grande finesse de détail : les décisions peuvent s’appuyer sur des données historiques.
4 La fonction « tableau » permet d’ajouter des notes, pense-bête et croquis.
11Collaborer avec tact et doigté
poste opérateur, aux niveaux de la colla-boration et de la gestion. Il permet égale-ment l’insertion transparente d’autres applications, telles que SAP, et son ouverture à des systèmes de contrôle-commande tiers ou de nouvelles sources d’information.
En affichant des données précises et pertinentes dont il met en évidence les corrélations et causalités, l’écran interac-tif d’ABB rapproche les décideurs de la réalité du terrain.
Martin Olausson
Magnus Larsson
Fredrik Alfredsson
ABB Corporate Research
Västerås (Suède)
ConcrétisationL’installation d’Obbola s’est appuyée sur les récents progrès de l’industrie du jeu vidéo et de l’interactivité 3D. Il appartient à l’équipe de développement d’explorer les technologies performantes d’autres
filières pour les transposer aux futurs produits. Dans cette optique, le labora-toire de recherche ABB planche actuelle-ment sur la prochaine version tournant sur l’iPad d’Apple (photo p. 6–7).
La plate-forme de production et de colla-boration 3D n’en est pas encore au stade de l’industrialisation. Il ne s’agit pour l’instant que d’étudier et de valider sa faisabilité : une étape importante pour explorer et comprendre les forces et faiblesses du concept, au bénéfice des futurs développements.
L’outil vient utilement compléter le sys-tème 800xA en portant sa fonction d’in-tégration, déjà disponible à l’échelon du
SCA accorde beaucoup d’impor-tance à la motiva-tion du personnel qu’il surveille régu-lièrement.
5 L’outil permet d’animer des réunions à l’aide d’informations précises et à jour. L’installation d’Obbola a hérité des récents pro-grès de l’industrie du jeu vidéo et de l’interactivité 3D.
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13Avis d’experts
Or, paradoxalement, plus ces produits excellent dans l’automatisation des pro-cédés, plus la demande de services à valeur ajoutée croît. Et pour cause : les clients allègent leurs effectifs, quand ils ne suppriment pas tout bonnement leurs ingénieurs de production. Pourtant, si la machine se grippe, ils ont encore besoin de l’avis d’un expert ; dans ce cas, c’est souvent vers ABB qu’ils se tournent.
Ce recours à l’expertise ABB est égale-ment dopé par l’essor des économies émergentes, comme le Brésil, la Chine et l’Inde. Si ABB est tout à fait capable de pourvoir à une demande accrue d’équi-pements, quitte à transplanter des usines entières dans ces pays, il lui est difficile d’expatrier ses experts au complet ou d’« exporter » leur savoir-faire acquis de longue date vers les équipes locales novices.
Même si le service client haut de gamme a toujours fait partie des prestations d’ABB, il a souvent été perçu comme
un mal nécessaire pour accompagner a posteriori la complexité des produits. La qualité du service rendu se mesure d’ordinaire à la seule performance du prestataire : fournir un piètre service, c’est s’attirer les foudres du client et même risquer de le perdre. Ainsi, de nombreuses équipes ABB travaillent à créer des produits robustes, moins « consommateurs » de services.
keViN STARR – Quel que soit votre domaine d’activité (production en grande série, distribution alimentaire, etc.), optimum et répétabilité sont la clé du succès. Mais quand il s’agit de service, les choses se compliquent. Le service est affaire d’individus ; au-delà d’une formation systématique, il faut du temps pour devenir expert et, à l’arrivée, l’absence de variabilité n’est pas garantie. L’expertise n’est donc pas reproductible. À cette difficulté s’ajoute le fait que la demande d’ex-perts pour optimiser les systèmes et procédés explose. C’est pourquoi ABB, premier fournisseur de systèmes et solutions d’automatisation industrielle au monde, ne cesse d’étoffer et de diversifier son offre de services, de l’automati-sation de l’analyse à la conception de procédés reproductibles et d’outils de télédiagnostic et télémaintenance efficaces, sûrs et interactifs.
ServicePort : le meilleur du service client par le réseau mondial d’ABB
Avis d’experts
Photo ci-contreServicePort permet de partager à distance les connaissances et le savoir-faire d’ABB, et de capitaliser cette expertise au profit d’un large éventail de systèmes et procédés clients.
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reproduire et d’accélérer leur réutilisa-tion. Ainsi, au lieu de pratiques réservées à une poignée d’experts ou de procédés clients, ces outils d’automatisation du service recueillent et analysent les don-
nées avec une telle efficacité qu’ils sont à la portée d’ingé-nieurs moins expé-rimentés, pour quan- tité de process in-dustriels. En dimi-nuant l’effort de collecte et d’ana-lyse in situ, ils
libèrent du temps pour se concentrer sur la résolution des vraies problématiques sous-jacentes.
De prime abord, ABB n’y voyait pas un créneau prometteur. Son profil d’équipe-mentier le poussait davantage à protéger son parc installé qu’à investir dans l’au-tomatisation des services. Pourtant, le fabuleux succès de son premier outil de service automatisé le fit très vite revoir sa stratégie.
L’offre ABB fut conçue pour répondre directement aux besoins de diagnostic des clients, même si ces derniers n’avaient pas forcément une idée précise de son apport. Nombreux sont en effet les industriels à se polariser sur les pro-blèmes immédiats de leur procédé et leurs remèdes. Mieux vaut pourtant iden-tifier et résoudre la cause du dysfonc-tionnement pour y remédier durable-ment. Nos outils pointus de service
Alors qu’ABB s’efforce de dépêcher les plus chevronnés de ses ingénieurs pro-cess, là où leur intervention est la plus utile ou la plus efficace, ceux-ci ne sont pas assez nombreux pour honorer la
demande. Et quand bien même ils qua-drilleraient toute la planète, ils auraient encore du mal à garantir la régularité et la cohérence de leur prestation tant leur expérience, leur approche et leur métho-dologie varient au gré des probléma-tiques rencontrées.
Automatisation du serviceNos spécialistes du service ont depuis longtemps des méthodes pour recueillir et analyser les informations de diagnos-tic des clients. Reste que ces méthodes sont très efficaces si elles sont maniées par des mains expertes ! Certaines sont documentées et servent à former les ingénieurs. Toutefois, si leur utilisation n’est que ponctuelle ou épisodique, il faut souvent réapprendre la méthode à chaque nouvelle mission. Pour capitali-ser cette expertise, ABB a commencé, il y a quelques années, à éditer des logi-ciels qui automatisent certaines de ces méthodes afin de les simplifier, de les
La demande de services experts ABB est dopée par le boom des économies émer-gentes.
1 Les outils de service automatisés d’ABB peuvent bénéficier à une multitude de filières, comme l’industrie du papier.
Plus les produits d’automa-tismes ABB excellent, plus la demande en services pointus et diversifiés croît.
15Avis d’experts
– MD Analyzer : analyse automatisée des paramètres sens machine (d’où l’abréviation MD pour Machine Direction) ;
– CD Analyzer : analyse automatisée des paramètres sens travers (Cross Direction) ;
– AGP500 : analyse automatisée des données de l’instrumentation en bord de chaîne (Acquisition of Gauging Process data), qui mesure les paramètres process automatiquement contrôlables ;
– DL300 : consignation de données (Data Logger) lors de transitions d’état (changements de qualité, par exemple) associées à des événe-ments discrets. L’outil mémorise au fil de l’eau des données dans un tampon de façon à disposer, sur apparition d’un événement discret, des données importantes, avant et après événement, pour analyser en meilleure connaissance de cause la source du problème.
Ces outils surveillent les paramètres du procédé et identifient automatiquement et très vite les événements et situations qui nécessitent une intervention. Par le passé, il aurait fallu recourir à de grands spécialistes process pour recueillir, pas-ser au crible et analyser des masses de données avant de conclure aux mêmes résultats.
Paradoxalement, si ces outils évitent de mobiliser longtemps ces compé-tences sur le site client, ils obligent
en contrepartie à y déployer encore plus d’experts pour mener l’analyse. Un besoin décuplé par l’essor des écono-mies émer gentes. De plus, une fois
le problème résolu, il arrive souvent que le client en redemande ! Pour continuer à lui donner satisfaction, il fallait encore innover.
Service commandéNos spécialistes se déplaçaient habituel-lement avec les outils de service auto-matisés et le matériel de connexion propre à ABB pour accélérer la collecte des données. Pourtant, en laissant ce matériel chez le client, ils auraient pu consulter, analyser et régler le problème à distance, plus rapidement et à moindre
automatisé mettent en évidence l’origine du problème pour que nos experts puissent l’éradiquer ➔ 1.
Une panoplie d’outilsLes progrès d’ABB dans l’optimisation des systèmes et procédés doivent beau-coup à la réussite de son premier outil de service automatisé et de ses nombreux successeurs.
Ils ont pour principale fonction de col-lecter rapidement et méthodiquement les données de conduite du process et de les analyser pour produire les indica-teurs clés de la performance qui permet-tront de tirer des conclusions. Ces outils
formalisent et automatisent des métho-dologies moins structurées, et per-mettent à des ingénieurs plus ou moins expérimentés de disposer et d’analyser des données pertinentes : c’est là une avancée majeure pour garantir la repro-ductibilité.
Le premier développement d’ABB dans ce sens, axé sur les difficultés d’un pro-cédé client au sein d’une filière et d’une région données, déboucha sur une offre d’outils multimétiers et multisites. Citons, notamment pour l’industrie papetière :
Les outils acquiè- rent rapidement, à intervalles réguliers, les données du contrôle-commande et les analysent pour produire des indicateurs clés de performance.
Les experts, pas assez nombreux pour satisfaire la demande croissante !
2 ServicePort invente l’« expertise reproductible ».
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Après des premiers tests concluants et un très bon accueil du marché, le déve-loppement des services d’optimisation à distance, clés de la répétabilité, pouvait commencer. Le produit livrable, com-posé du matériel de connexion et de collecte, devait simplifier l’accès aux données et le raccordement par le client. Ce matériel devant être foncièrement portable pour faciliter son raccordement à divers procédés, en différentes parties d’un site, la version client intègre une station d’accueil. Pour apporter un maxi-mum de souplesse à la collecte et à l’analyse tant à distance que locale des données, on décida d’intégrer les outils de service automatisés à Service-Port ➔ 3.
Un carton chez les papetiersL’usine de carton pour caisses 100 % recyclé de U.S. Corrugated (Cowpens, Caroline du Sud) est l’un des complexes papetiers les plus écologiques au monde : elle recycle et réutilise intégrale-ment ses eaux de fabrication, épargnant les cours d’eau et les égouts de la loca-lité. Maintes fois primée pour son res-pect de l’environnement, elle évite éga-lement les nuisances olfactives de l’industrie papetière en utilisant du gaz naturel et de l’électricité pour produire la vapeur nécessaire au séchage du carton.
U.S. Corrugated a automatisé ses pro-cédés de production avec le système de contrôle-commande distribué d’ABB qu’il vient de renforcer par des systèmes avancés ABB de contrôle qualité des produits. Après installation, le papetier a consulté ABB pour savoir comment diminuer son budget service tout en
continuant à opti-miser ses perfor-mances opération-nelles. Séduit par sa modularité, sa souplesse et ses fonctions d’optimi-sation, U.S. Cor-rugated a choisi ServicePort pour la sécurité de ses télédiagnostics.
Une version beta a permis aux spécialistes ABB d’assurer une surveillance et un diagnostic effi-caces, selon les besoins, en se connec-tant à distance : c’était autant d’écono-
tiné à faciliter le raccordement au pro-cédé et à accélérer la collecte des don-nées faisait déjà partie de la « mallette à outils » des experts process d’ABB. Seule différence : il n’avait pas vocation à rester sur le site client. Lorsque l’on comprit que l’idéal pour le client était de laisser ce matériel sur place pour
ensuite récupérer et analyser les don-nées à distance, les premiers essais sur site de ce qui allait devenir ServicePort furent menés.
coût, et intervenir plus souvent, à inter-valles réguliers, selon les besoins.
Les clients ont d’abord accueilli l’idée avec prudence, jugeant risquée la connexion distante à leurs systèmes. Au demeurant, le matériel de connexion ABB était déjà relié au procédé du client sur son site. L’interface distante est en effet conçue uniquement pour s’y rac-corder et en rapatrier les données, sans être directement couplée au process ; les données du client sont sauves et sécuri-sées à sa convenance.
Cette approche a permis de réaliser à peu de frais encore plus d’analyses et de diagnostics du procédé, au bénéfice des clients comme d’ABB : les clients dépensent moins pour obtenir davan-tage tandis qu’ABB est en mesure de servir encore plus de clients sans sur-charger ses experts.
C’est dans ce contexte qu’est né Ser vicePort ➔ 2. Ce matériel unique des-
Atout maître de ServicePort : l’optimisation permanente, rapide et facile des procédés clients par des experts confir-més d’ABB, dans le monde entier.
3 ServicePort, mallette à outils du spécialiste du diagnostic
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Une première offre sera bientôt officielle-ment lancée, après acceptation des bre-vets, les versions beta fonctionnant déjà sur plusieurs sites clients.
Clients et ABB satisfaitsDu point de vue du client, ServicePort a le grand avantage de diffuser l’expertise d’ABB, en tout lieu et en un temps record, pour optimiser facilement ses systèmes et procédés. Pour ABB, c’est l’assurance de satisfaire des clients de plus en plus demandeurs de ce type de services.
ServicePort modifie également les rela-tions entre client et ABB : il facilite la consultation, l’évaluation et l’acquisition d’un vaste « bouquet » de services que les clients peuvent ne jamais avoir utili-sés auparavant. Sa capacité à collecter et à analyser les données process de systèmes concurrents élargit la panoplie d’options proposées aux clients et ren-force les atouts d’ABB dans la prestation de services. La disponibilité et la richesse de cette offre maximisent le cycle de vie des automatismes ABB et des procédés client, au bénéfice des deux parties.
kevin Starr
ABB Process Automation LifeCycle Services
Westerville, Ohio (États-Unis)
misé en temps, en déplacement et en coût pour le papetier américain !
ABB a également aidé l’usine de Cow-pens à gagner en qualité en réduisant considérablement la variabilité de sa pro-duction : l’écart-type 2 Sigma du gram-mage moyen du papier est inférieur à 0,5, celui de l’humidité, inférieur à 2. Ce haut niveau de qualité a quasiment fait disparaître les réclamations clients et augmenté la production et les bénéfices du site.
DéploiementÀ l’instar de nombreux produits aboutis, ServicePort trouve constamment de nou-velles applications. Partant du constat que chaque système de contrôle-comman de ABB vendu associait un PC et des outils de configuration, on réalisa qu’il était possible, pour un surcoût modique, d’intégrer ces outils dans ServicePort, ce qui facilite grandement l’installation et la mise en service au démarrage, puis l’optimisation à distance du système et du procédé en exploi-tation.
D’autres applications sont envisagées. ServicePort est parfois assimilé à la « box » d’une installation TV : un seul flux de données entre dans l’appareil pour se diviser ensuite en de multiples « canaux de diffusion ». Et ABB de créer de nou-velles « chaînes » de contenu : – Configuration du système– Maintenance préventive et corrective– Programmes d’entretien– Suivi des commandes en fabrication– Gestion et commande des pièces
détachées– Optimisation du système– Optimisation du procédé– Surveillance et suivi d’état– Notification d’événements– Support client
Avis d’experts
Pour les clients, le téléservice multi-plie les analyses et diagnostics du process, à moindres frais.
Ces outils sont au service des ingénieurs moins expérimentés pour faciliter et accélérer le diagnostic.
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MiCHAeL WASiLeTSCHkO – il va de soi qu’un individu pleinement conscient des enjeux énergétiques et soucieux de sa consommation améliore son comportement et ses usages. Le moindre progrès dans ce sens, multiplié par le nombre de personnes concernées, peut avoir des effets bénéfiques notables sur la préservation des ressour-ces naturelles et la réduction des gaz à effet de serre. Pourtant, qui peut chiffrer exactement sa consommation quotidienne d’eau, de gaz, de fioul ou d’électricité ? Très peu d’entre nous, tant il est difficile d’obtenir et de rassembler ces informations utiles. De nouveaux produits Busch-Jaeger, baptisés Busch-EnergyControl®, Busch-EnergyDisplay® et Busch-ComfortPanel®, ainsi que la passe-relle de données multi-énergies et multi-fluides MUC-C (Multi-Utility-Communication Controller) renseignent en temps réel sur le profil de consommation de chacun pour mieux maîtriser son budget énergie.
Une technologie primée, à l’écoute des usages énergétiques
Tableau de bord
19Tableau de bord
mission de chaque énergéticien ➔ 1, elle communique par courant porteur en ligne, liaison radio et réseau de télépho-nie mobile. Son paramétrage sur site est fonction des conditions locales (nombre de compteurs, par exemple) pour coller parfaitement aux exigences du client.
La passerelle MUC-C fonctionne indiffé-remment avec les nouveaux afficheurs Busch-EnergyControl et Busch-Energy-Display ou le panneau de commande Busch-ComfortPanel, maintes fois primé pour son design novateur. Quatre confi-gurations peuvent être réalisées, cha-cune assurant la transparence des relevés et la migration vers toutes les possibilités de gestion moderne de l’énergie.
Plein écran Compact, l’afficheur Busch-EnergyDis-play se loge dans n’importe quel boîtier encastré classique et se marie avec la quasi-totalité des gammes d’interrup-teurs Busch-Jaeger. Son écran rétro-éclairé de 3,81 cm affiche toutes les consommations énergétiques de l’habi-tat avec, pour peu que le fournisseur assure ce service, le prix et les factures estimatives ➔ 2. Les tarifs les plus avan-tageux sont signalés en vert, et les plus chers, en rouge. Busch-EnergyDisplay peut aussi faire office de commutateur ou de variateur de lumière.
Assorti à la gamme d’interrupteurs Busch-Jaeger, l’afficheur s’adapte par-
L’électricité d’origine renouvelable a connu ces dernières années une forte croissance que tous les indicateurs de la filière annoncent
durable. Cette dynamique appelle des changements aussi bien structurels que comportementaux : plus question de consommer à l’aveuglette, sans se sou-cier de la quantité d’énergie utilisée, de la période et du tarif. Or qui peut dire aujourd’hui combien il a dépensé en eau, gaz, fioul ou électricité, en heures creuses ou pleines . . ., quand on sait la difficulté à obtenir le détail de ses consommations.
La nouvelle gamme de produits Busch-EnergyControl, Busch-EnergyDisplay, Busch-ComfortPanel et MUC-C change la donne.
Modernité et confortLe bon vieux compteur bleu a vécu. L’heure est aux boîtiers électroniques communicants qui font le décompte des consommations, les télétransmettent au distributeur pour établir les factures et les affichent dans le bâtiment pour consultation et gestion.
La passerelle MUC-C, modulaire et encli-quetable sur profilé DIN, peut agréger toutes les consommations (électricité, gaz, eau, chauffage). Proposée en quatre variantes adaptées au mode de trans-
1 La passerelle de données multi-énergies et multi-fluides MUC-C est à l’interface du fournisseur d’énergie et de l’usager.
Qui peut chiffrer le détail de sa consommation d’énergie ?
Photo p. 18 Tout commander du bout des doigts : l’écran tactile TFT haute résolution (largeur 22,86 cm) de Busch-ComfortPanel est à la fois tableau de bord énergétique, interface d’accès à Internet et console de loisirs.
faitement aux équipements et aménage-ments particuliers. Sa touche à bascule, semblable à celle de l’appareil Busch- DigitalRadio®, du thermostat d’ambiance et de la commande de stores/volets à programmateur horaire Busch-Timer®, est gage d’ergonomie.
Des consommateurs au courantL’écran de 8,89 cm de la commande Busch-EnergyControl affiche clairement les usages énergétiques sous forme de graphiques et de courbes ➔ 3. Un coup d’œil suffit pour visualiser, par exemple, l’évolution de la consommation réelle d’électricité dans le bâtiment. Relevés, coûts et estimations (si ce service est assuré par le fournisseur) peuvent s’affi-cher pour tous les grands types d’éner-gie. Les valeurs actuelles apparaissent en couleur.
20 revue ABB 2|12
Il est alors possible de réagir immédiate-ment à des tarifs de consommation éle-vés, par exemple en coupant certaines charges : un délestage qui peut aussi être automatique. De plus, les fonctions sur l’écran tactile permettent d’éteindre par une seule touche plusieurs consom-mateurs en même temps, notamment quand vous quittez les lieux. La commande Busch-EnergyControl tient dans un boîtier encastré ordinaire : pratique en rénovation !
Le numérique à tous les étagesLe panneau Busch-ComfortPanel décloi-sonne les automatismes du bâtiment, les loisirs domestiques et la communication sur IP pour ouvrir de nouvelles perspec-tives de confort et de qualité de vie à l’utilisateur. L’appareil n’est plus confiné aux fonctions traditionnelles de la domo-tique et de l’immotique ; il devient centre d’info-divertissement tout en offrant la panoplie complète de fonctions qui garantissent la parfaite lisibilité des usages énergétiques.
Son écran couleur haute résolution de 22,86 cm permet une présentation claire des données de comptage sous forme de graphiques et de courbes. D’un coup d’œil, vous pouvez suivre la consomma-tion électrique du bâtiment. Tout comme Busch-EnergyControl, l’écran de Busch-ComfortPanel affiche pour toutes les grandes catégories d’énergie les index, coûts et, dans le cas de l’électricité, les estimations tarifaires et l’évolution de la consommation réelle. Il est également possible de réagir en direct à une hausse de ces valeurs.
Busch-ComfortPanel centralise aussi les fonctions d’info-divertissement et de com- munication IP. Non content de piloter les automatismes du bâtiment, le panneau de commande est aussi une plate-forme multimédia, très simple d’emploi, qui permet tout à la fois de consulter sur Inter net les prévisions météo, la Bourse et ses courriels, d’écouter sa musique préférée sur le lecteur MP3 interne ou la radio sur le Web par le haut-parleur intégré ou des enceintes externes, ou encore de visionner des clips. La connexion à Internet se fait par réseau local câblé ou sans fil. La téléphonie sur
IP n’est pas en reste, de même que la communication avec d’autres panneaux Busch-ComfortPanel® par visiophone, grâce à la caméra vidéo intégrée qui sur-veille la pièce . . . et même bébé !
Commande à distanceLes transmissions sans fil avec Busch-ComfortPanel passent par un serveur de réseau virtuel VNC (Virtual Network
2 Busch-energyDisplay affiche en temps réel les consommations énergétiques de l’habitation, leur coût et leur facturation estimative (si ce service est assuré par le fournisseur).
Les tarifs heures pleines/heures creuses sont signalés en rouge/vert.
Avec son système de navigation intuitif par couleur, Busch-ComfortPanel a obtenu le premier prix Red Dot Award en 2008.
21Tableau de bord
Computing). Un mobile, un portable ou une tablette peuvent servir de télé-commande ; toutes les fonctions du panneau sont alors pilotées par l’inter-face habituelle. La totalité des smart-phones et PC compatibles VNC, dotés d’un port Ethernet, font l’affaire.
Boîte de PandoreChacune des multiples fonctions offertes par Busch-ComfortPanel est personnali-sable. Cela vaut pour toute la panoplie d’automatismes de l’habitat « intelli-gent », du chauffage et de la climatisation au report d’alarmes et de messages de défaut, en passant par la régulation de l’éclairage et la commande des stores. Le plan du logement, complété de synoptiques de chaque pièce indiquant les interrupteurs en service, peut s’affi-cher sur l’écran tactile, de même que les signaux des caméras extérieures de vidéosurveillance, par exemple.
Un plébiscite haut en couleurL’innovation de Busch-ComfortPanel n’est pas que technique : son système de navigation intuitif par couleur lui a valu le premier prix du prestigieux concours
mondial de design Red Dot Award en 2008. Chaque fonction de confort (éclai-rage, occultation, chauffage et scénari-sation d’ambiance, par exemple) a sa couleur, qui obéit à une symbolique uni-versellement comprise : le jaune du soleil pour l’éclairage, la chaleur de l’orange pour le chauffage, le bleu de l’azur pour la commande des stores et volets, le pourpre festif pour les jeux de lumière.
Cette nouvelle gamme de produits sensi-bilise l’usager à la maîtrise de l’énergie avec des outils de suivi et de pilotage de sa consommation qui réduisent les dépenses et le bilan carbone de l’habita-tion.
Michael Wasiletschko
Busch-Jaeger Elektro GmbH,
Société du Groupe ABB
Lüdenscheid (Allemagne)
3 Sur son écran de 8,89 cm, Busch-energyControl affiche toutes les informations utiles sur les consommations énergétiques du logement. Plus question
de consommer à l’aveuglette sans se soucier de la quantité d’énergie utilisée, de la période et du tarif.
22 revue ABB 2|12
23
ANDReAS SCHWADeReR – La Forêt-Noire est réputée pour ses paysages de toute beauté, ses eaux limpides et ses stations climatiques. Cette région d’Allemagne possède également une longue tradition du travail de précision, comme en témoigne son industrie horlogère. Dextérité et précision sont des qualités partagées par les robots ABB. C’est donc en toute logique que la brasserie Rothaus (« Maison rouge ») qui produit la célèbre bière Tannenzäpfle emploie quatre robots ABB à des tâches de manutention et de conditionnement.
Des robots ABB en habit rouge dans une brasserie allemande
Le Rouge et le Noir
Photo ci-contre Un des deux robots IRB 6640 chargés de la manipulation des tonnelets
Le Rouge et le Noir
de tradition n’empêchent pas la célèbre brasserie d’exploiter les technologies les plus modernes, notamment quatre robots ABB qui manipulent les tonnelets et les caisses de bouteilles de bière.
Comme pour un pas de deux, les robots exécutent avec délicatesse des mouve-ments d’une grande précision. Un pre-mier robot ABB se penche doucement pour saisir fermement « par la taille » un tonnelet en acier inoxydable. Après une rotation de 90 °, il le dépose soigneuse-ment dans la zone de conditionnement.
E n Forêt-Noire, la brasserie Rothaus ➔ 1, fondée en 1791, produit une bière-culte pour les amateurs allemands. Ses
bouteilles, coiffées d’une collerette d’alu-minium (stalione) et dont l’étiquette représente une jeune femme en costume traditionnel, sont connues dans toute l’Allemagne et au-delà. Plus de 200 ans
24 revue ABB 2|12
« Ils sont d’une fiabilité à toute épreuve et nécessitent peu de maintenance, explique Robert Jäger, en charge de l’opération de remplissage. Comparés
au système précédent à portique, ils occupent également beaucoup moins de place. »
Pendant de nombreuses années, les tonnelets étaient transférés manuelle-ment ; par la suite, un ingénieux système à portique fut utilisé. Aujourd’hui, deux robots IRB 6640 ➔ 2 d’ABB exécutent cette tâche avec une régularité de métronome. La variante Foundry Plus 2 du robot est parfaitement adaptée aux conditions qui prévalent au sein de la brasserie. Un robot transfère le tonnelet vide à nettoyer d’une palette en bois sur un convoyeur. Une dizaine de minutes plus tard, son alter ego récupère le tonnelet propre et rempli de bière (photo p. 22–23). Les deux « comparses » portent l’habit rouge RAL 3000 imposé à tout ce qui bouge au sein de la brasserie.
Conditionnement en packs de 6 bouteillesLes tonnelets ne représentent que 10 % de la production de Rothaus ; le reste est
vendu dans les célèbres bouteilles dont un huitième est conditionné en pack. Pour cette opération égale-ment, les robots ABB sont des assistants précieux. Depuis 2005, une
machine automatisée reconditionne les 24 bouteilles d’un casier en 4 packs de 6. Le bras de l’IRB 6640 transfère à
1 Brasserie Rothaus
La brasserie Rothaus, située au-dessus du village pittoresque de Grafenhausen, fut fondée en 1791 par les moines du monastère de Saint- Blasien. Nécessitant beaucoup d’eau et d’énergie, le procédé de fabrication de la bière bénéficie des abondantes ressources en eau et en bois de la Forêt-Noire. Après dissolution du monastère, le Grand-Duché de Bade en devint propriétaire en 1806. Rothaus est aujourd’hui Brasserie d’État du Bade-Wurtemberg. Sur l’étiquette de sa bouteille de bière Tannenzäpfle, inchangée depuis les années 1960, la jeune femme en tenue traditionnelle stylisée est surnommée « Birgit Kraft », déformation locale de Bier gibt Kraft (« la bière donne de la force »).
Avec une production annuelle de 840 000 hectolitres, Rothaus est une des plus impor-tantes brasseries de la région.
2 Robot iRB 6640
Puissance et polyvalence Proposé en plusieurs longueurs de bras et capacités de charge, l’IRB 6640 a la particularité de pouvoir effectuer un mouvement de flexion arrière complet qui étend sa zone de travail tout en permettant de l’insérer dans les lignes de production exiguës. Ses domaines d’application types incluent la manuten-tion, le service de machine et le soudage par points. Le robot est également disponible en différentes exécutions pour environnements contraignants comme les fonderies ou les salles blanches (variantes Foundry Plus 2, Foundry Prime 2 et Clean Room).
Capacité de charge Avec une capacité de charge maximale de 235 kg, l’IRB 6640 est adapté à la manutention de pièces lourdes. Il s’inscrit également dans la tradition des robots ABB en affichant une inertie exceptionnelle qui lui permet de manipuler aussi des pièces de grandes dimensions. La résistance aux collisions est une autre propriété appréciée des robots ABB.
Simplicité de maintenance La maintenance du robot est considérablement facilitée par de larges ouvertures pour chariots élévateurs et un espace important dans son embase.
Suivi de trajectoire plus performant L’IRB 6640 tire profit de la deuxième génération des logiciels de suivi de trajectoire à grande vitesse TrueMove™ et QuickMove™. Les mou- vements très précis du robot réduisent les temps de programmation et améliorent la qualité des produits. Ces logiciels supervisent également les charges internes du robot, limitant les risques de surcharge et prolongeant sa durée de vie.
Sécurités passives Parmi ces sécurités, citons l’identi fication de la charge, les butées mécaniques mobiles, les interrupteurs de position électroniques et une structure rigide en acier.
Le robot IRB 6640 sert une machine qui reconditionne les 24 bouteilles d’un casier en 4 packs de 6.
25
l’occasion de fêter la réussite du projet en débouchant une bouteille . . . de bière !
Andreas Schwaderer
ABB Corporate Communications
Mannheim (Allemagne)
toute vitesse la charge de 142 kg sur un convoyeur ➔ 3.
Pour des raisons de sécurité, les casiers à bière sont attachés par huit pendant leur transport. Il revient au quatrième robot, un petit IRB 140 ➔ 4, de détacher le lien de sécurité. Si, comparé aux trois autres, le robot IRB 140 semble très frêle, il n’en est pas moins très efficace.
Le chef de projet Ralf Krieger exprime sa satisfaction : « Comme les robots de manutention des tonnelets, ces deux robots ont également été mis en service très rapidement ». Pour l’équipe ABB,
Le Rouge et le Noir
Un robot IRB 6640 transfère les tonne-lets vides à nettoyer sur un convoyeur. En bout de chaîne, son alter ego récu-père les tonnelets propres et remplis de bière.
4 Le petit iRB 140 aide son grand frère, l’iRB 6640.
3 Un robot iRB 6640 assiste la machine de conditionnement.
26 revue ABB 2|12
DAViD MARSHALL – Aujourd’hui, l’automatisation industrielle est très loin de ce que Charlie Chaplin avait imaginé dans son film de 1936 « Les temps modernes » où l’ouvrier devait tenir les cadences infernales de la machine. en 1974, ABB sortait le premier robot tout électrique à commande électronique. Depuis, les robots industriels ont investi l’industrie manufactu-rière et fait progresser la productivité et la sécurité. Avec un parc installé mondial de plus de 200 000 robots, le groupe est un leader du secteur. Convaincu des vertus de l’exem-plarité, ABB ne se contente pas de vendre des robots aux industriels ; il les fait également travailler dans ses propres usines. Pour preuve, ses robots iRB 140 participent à la fabrication des doubles prises électriques au sein de l’usine tchèque ABB elektro-Praga.
ABB utilise ses propres robots IRB 140 pour produire plus, mieux et moins cher
Travail à domicile
26
27Travail à domicile
Technologie adaptableL’IRB 140 a déjà eu l’occasion de prou-ver sa flexibilité au sein de l’usine. En effet, pour résoudre des problèmes d’alimentation en composants sur une ligne d’assemblage d’interrupteurs, un robot de ce type doté d’un système de vision avait été installé. Une solution comparable avait été mise en œuvre pour alimenter de manière fiable une ligne d’assemblage en petits cadres métalliques. L’utilisation d’un seul robot avait alors permis d’augmenter de 15 % la productivité de la ligne.
L’adaptabilité de l’IRB 140 est une des raisons de son succès. Sa simplicité d’utilisation en est une autre : une fois le logiciel configuré, quelques heures suf-fisent à former les opérateurs.
La mécanique des robots IRB 140 est protégée IP67, simplifiant leur intégration dans différentes applications.
David Marshall
ABB Robotics
Milton Keynes (Royaume-Uni)
Photo ci-contre L’IRB 140 au travail : un seul opérateur et trois robots 6 axes produisent 8500 prises électriques en 8 heures.
confère la souplesse d’une véritable pro-duction à la commande.
La ligne intègre trois caméras numé-riques, solution idéale pour les appli-cations de robotique avec système de vision, notamment l’assemblage à grande vitesse ou le contrôle de semi-conduc-teurs. Ces caméras, qui fonctionnent avec le logiciel Vision Pro de Cognex, permettent la coordination des axes des robots et la saisie/dépose de compo-sants à chaque étape du processus d’assemblage.
gains de productivitéLes trois robots travaillent en 2 × 8 avec un seul opérateur. Le temps de cycle de 2,3 s leur permet d’assembler 8500 prises électriques en 8 heures. Aupara-vant, chaque équipe nécessitait jusqu’à neuf personnes assemblant chacune 950 prises.
Les robots IRB 140 sont pilotés par des systèmes très élaborés pour la program-mation d’une multitude de tâches. Un nombre quasiment illimité de contrôles visuels de tous types peut être effectué au cours d’un cycle en modifiant simple-ment les paramètres du robot et les pro-grammes de l’automate.
Tout dysfonctionnement ou interruption de production est affiché sur l’écran de l’opérateur, ainsi que la nature du pro-blème et son emplacement exact. Les temps improductifs sont ainsi réduits au strict minimum.
A cquise par le Groupe en 1993, l’entreprise ABB Elektro- Praga est spécialisée dans le câblage de disjoncteurs et interrup-
teurs basse tension, de prises de courant et de commandes. Pour améliorer la qualité de ses produits, booster sa productivité et réduire ses coûts, l’usine ABB de Jablonec nad Nisou en Répu-blique tchèque a installé une nouvelle ligne d’assemblage de sa gamme Tango de doubles prises de courant. Elle est notamment équipée de trois robots industriels ABB d’une capacité de charge de 6 kg.
Petit prodigeL’IRB 140 ➔ 1, 2 est un robot compact dont les mouvements sont pilotés par une armoire de commande haute per-formance. Offrant des accélérations rapides et une capacité de charge éle-vée, chaque robot 6 axes de la ligne d’assemblage allie vitesse, précision et puissance, et affiche l’un des temps de cycle les plus courts (0,77 seconde) de sa catégorie.
À l’avenir, l’usine prévoit d’assembler au moins quatre autres gammes de pro-duits. À peine 10 minutes suffisent pour un changement de production et jusqu’à 30 variantes de produit peuvent être fabriquées par semaine, ce qui lui
27
1 Robot iRB 140 2 Variante Foundry Plus
– Capacité de charge de 6 kg, volume de travail sphérique de 810 mm (rotation de 360°), accélérations rapides et large zone de travail ;
– Suspension multi-angle pour une intégration souple, simple et économique ;
– Armoire de commande IRC5 ;– Deux interfaces Ethernet pour le suivi de
fabrication, l’accès aux données de produc- tion et le réglage des programmes par PC ;
– Langage de programmation ouvert et configuration utilisateur pour l’enrichisse-ment fonctionnel ;
– Bras protégé IP67 ;– Détection de collision (option) avec rétraction
complète du bras ; fiabilité et sécurité ;– Suivi de trajectoire et du positionnement
précis, vitesses accrues avec les logiciels TrueMoveTM et QuickMoveTM de deuxième génération.
28 revue ABB 2|12
29Le courant continu à la barre
Malgré certains avantages, comme la diminution des pertes totales et l’atténua-tion des problèmes d’harmoniques, la distribution CC a toujours soulevé des difficultés liées, au premier chef, à l’obten-
Pour concevoir son nouveau sys-tème, ABB s’est intéressé à la chaîne complète de distribution et de conversion de l’énergie
électrique à bord des navires, comparant les atouts respectifs de l’alternatif et du continu.
Un réseau de bord en continu se doit de respecter deux critères fondamentaux de la distribution traditionnelle en alternatif : protéger le personnel et les équipements en cas de défaillance, garantir la sélecti-vité1 pour maintenir la sécurité d’exploita-tion en présence d’un défaut.
JAN-FReDRik HANSeN, JOHN OLAV LiNDTJøRN, TOR ARNe MykLeBUST, kLAUS
VANSkA – Une chaise Le Corbusier, une maison Frank Lloyd Wright, un Mac Apple séduisent par leur ligne épurée, leur élégance et leur modernité. Partant de l’existant, leurs créateurs ont radicalement innové. ABB a fait de même pour son réseau de bord en courant continu (CC), créant un système unique de distribution et de propulsion électriques d’une souplesse inégalée. Le réseau, qui fédère les différents bus CC du navire, permet d’éliminer les tableaux électriques principaux en courant alternatif (CA), les redresseurs et les transformateurs de convertisseurs distribués. Ce réseau de bord 1 000 VCC fait cohabiter le meilleur des matériels et systèmes CA et CC, respecte toutes les obligations en matière de sélectivité et de protection des équipements, et est compatible avec toute application électrique marine jusqu’à 20 MW. Pour couronner le tout, il améliore jusqu’à 20 % le rende-ment énergétique du navire et réduit jusqu’à 30 % le volume et la masse des ensembles électriques.
ABB innove dans l’alimentation et la propulsion électriques des navires
Le courant continu à la barre
Photo ci-contreLes navires de service à l’offshore, comme ici le MT 6022, sont les candidats idéaux pour la distribution en courant continu.
Note1 Élimination d’un défaut survenant en un point
quelconque du réseau uniquement par la protection la plus proche.
30 revue ABB 2|12
moyenne plus de 80 % de la puissance installée. Décrit en termes simples, le réseau de bord CC d’ABB est un système multi-entraînement distribué dont on a supprimé les redresseurs ➔ 1.
Le nouveau système mutualise les diffé-rents bus CC d’un navire et distribue la puissance électrique sur un seul réseau 1 000 VCC. Ce concept permet de faire l’économie des tableaux principaux en CA, des redresseurs et des transforma-teurs de convertisseurs distribués ➔ 2. Toute l’énergie électrique produite est injectée, soit directement, soit par le biais d’un redresseur, sur un bus CC qui distri-bue lui-même l’électricité aux différents consommateurs du navire. Chaque consommateur principal est ensuite ali-menté par un onduleur distinct. Lorsqu’une distribution CA s’avère nécessaire pour alimenter en électricité de bonne qualité des circuits plus sensibles (230 V pour les servitudes ², par exemple) des convertis-seurs autonomes développés par ABB sont utilisés. D’autres convertisseurs de stockage d’énergie (batteries ou super-condensateurs) servant à stabiliser l’ali-mentation peuvent être ajoutés au réseau continu.
ABB a adapté son système pour réutiliser la plupart des équipements éprouvés aujourd’hui exploités par les navires
tion d’une sélectivité totale et d’une pro-tection des équipements comparables à celles de la distribution CA. Les courants alternatifs sont, par nature, plus faciles à interrompre du fait de leur passage à zéro à chaque demi-cycle. Certes, des disjonc-teurs CC existent mais ils sont plus comple-xes, plus volumineux et plus coûteux que les disjoncteurs CA comparables.
ABB a résolu ces difficultés en rompant avec les plans de protection traditionnels où la sélectivité est obtenue par un ensem-ble de disjoncteurs coordonnés, pré- férant exploiter les possibilités offertes par l’électronique de puissance du réseau de bord CC.
Distribution électrique et configurationsDans les systèmes de propulsion électrique traditionnels, les entraînements à fréquence variable représentent en
1 Agencement comparé d’un système électrique en continu (CC) et en alternatif (CA) à bord d’un navire
Le nouveau système mutualise les différents bus CC d’un navire et distribue la puis-sance électrique sur un seul réseau 1 000 VCC.
Note2 Consommateurs de bord ne faisant pas partie
du système de propulsion électrique (éclairage, climatisation, informatique, épuration de l’eau, radiocommunications, etc.).
1a Réseau de distribution CC 1b Réseau CA traditionnel
31Le courant continu à la barre
dant des dispositifs de commutation commandables, les courants de défaut peuvent être interrompus beaucoup plus rapidement qu’avec les traditionnels disjoncteurs et leurs relais de protection associés.
En cas de défaut grave dans un module, les fusibles assurent la protection et le sectionnement des modules onduleurs tout comme pour les convertisseurs de fréquence basse tension (BT) actuels. De plus, les circuits d’entrée isolent les modules onduleurs du bus CC principal et contrôlent intégralement l’inversion de puissance à la fois en régime dégradé et en fonctionnement normal (freinage de l’hélice, par exemple). Autrement dit, les défauts survenant dans un seul consom-mateur n’affectent pas les autres consom-mateurs raccordés au réseau de distribu-tion CC principal. Si des défauts très graves se produisent dans le bus CC distribué, le système est protégé des courants de défaut de générateur par un redresseur à thyristors qui protège égale-ment le générateur. Des interrupteurs-sectionneurs sont montés dans chaque branche de circuit afin d’isoler automati-quement les parties en défaut du système sain.
En étroite collaboration avec Det Norske Veritas, organisme international de classi-fication et de gestion des risques mari-times, ABB a validé la conformité de son concept de réseau de bord CC aux règles et réglementations en vigueur. Les cou-rants de défaut pouvant être contrôlés
modernes à propulsion électrique, no tam-ment les alternateurs, les modules ondu-leurs et les moteurs CA.
Le réseau de bord CC peut être confi-guré de différentes manières. Dans une configuration centralisée, tous les mo-dules convertisseurs sont logés dans une ou plusieurs lignes d’armoires occu-pant l’espace dégagé par les tableaux principaux ➔ 3. Dans une configuration distribuée, l’emplacement idéal des différents convertisseurs varie selon les contraintes d’exploitation ou l’architec-ture du navire ➔ 4. Les redresseurs peuvent être intégrés à leurs alternateurs ou montés dans des armoires. Le nou-veau plan de protection induit une réduc-tion considérable du volume des consti-tuants que la réglementation maritime impose d’installer dans le local du tableau principal. L’architecte naval béné-ficie ainsi d’une plus grande liberté de conception du système électrique selon le type de navire, augmentant ses fonc-tionnalités et sa valeur.
Protection et sécuritéL’absence de tableau principal, de dis-joncteurs CA et de relais de protection oblige à définir un nouveau plan de pro-tection conforme aux exigences régle-mentaires en matière de sélectivité et de sécurité des équipements. Pour ce faire, le réseau de bord CC est protégé par un ensemble de fusibles, d’interrupteurs-sectionneurs et de semi-conducteurs de puissance blocables. Tous les équipe-ments de production d’énergie possé-
Le réseau de bord CC est protégé par un ensemble de fusibles, d’interrupteurs- sectionneurs et de semi-conducteurs de puissance blocables.
2 Transformation d’un système électrique CA en CC
Réseau de distribution
Réseau de distribution
G G CF SE
M M M M
G G G G
M M M M
Tableau690 VCAà 60 Hz
Réseau îloté en CCRéseau îloté en CA Réseau de distribution1000 VCC
32 revue ABB 2|12
En éliminant les volumineux transforma-teurs de convertisseurs et tableaux prin-cipaux indispensables aux systèmes tra-ditionnels en CA, le réseau de bord CC réduit également l’encombrement des équipements électriques ➔ 7. On dispose ainsi de plus d’espace et de souplesse pour l’implantation des constituants du système à bord du navire. De surcroît, le système simplifie l’intégration d’autres sources d’énergie en CC (panneaux solaires, piles à combustible ou batteries) aux systèmes électriques CC du navire, ouvrant la voie à des économies supplé-mentaires.
Cette réduction de poids et de volume varie selon le type de navire et l’applica-tion. À titre d’exemple, citons un navire ravitailleur de plates-formes où le rem-placement de la solution CA tradition-nelle par un réseau de bord CC en confi-guration distribuée a permis d’alléger l’équipement électrique de 25 %, pas-sant de 115 à 86 tonnes.
Navires à positionnement dynamiqueDu fait de leur consommation énergé-tique variable, les navires releveurs d’ancres et autres bâtiments de service à l’offshore sont des candidats tout dési-gnés pour les réseaux de bord CC ➔ 8. Le nouveau concept contribue à ré-soudre le délicat problème du rendement énergétique lors des manœuvres avec positionnement dynamique (PD). En ef-fet, les navires PD sont souvent obligés de faire fonctionner plusieurs groupes Diesel en parallèle pour des raisons de redondance. Les moteurs Diesel raccor-dés tournent ainsi la plupart du temps à
très rapidement (10 à 20 ms), on réduit considérablement leurs niveaux par rap-port aux circuits de protection CA tradi-tionnels où les défauts peuvent durer jusqu’à 1 s. Ce plan de protection à faible énergie, conjugué à la nouvelle souplesse de conception des générateurs, permet d’utiliser le réseau de bord CC pour des puissances installées jusqu’à 20 MW.
efficacité énergétique et gain de placeLe concept ABB de distribution CC ne se contente pas de réutiliser des équipe-ments éprouvés comme les alternateurs et les moteurs CA ; il s’accompagne d’une hausse de rendement de ceux-ci car le système n’est plus calé sur la fréquence de 60 Hz, la plus courante dans le domaine maritime (même si n’im-porte quel générateur 60 Hz peut encore être utilisé). Cette nouvelle liberté de commande, indépendante de chaque consommateur, ouvre de nombreuses possibilités d’optimisation de la consom-mation de carburant.
La consommation énergétique des moteurs marins à combustion tournant à vitesse fixe est optimale dans une plage d’exploitation très étroite, en général autour de 85 % de la charge nominale. Leur commande en vitesse variable abaisse notablement cette plage jusqu’à 50 %, selon le moteur ➔ 5. Même à des charges inférieures, leur rendement demeure très supérieur à celui des moteurs traditionnels équivalents tour-nant à vitesse fixe. Pour un navire de service à l’offshore, les économies de fioul peuvent atteindre 20 % ➔ 6.
3 Réseau de bord CC : configuration centralisée
Bus CA
Bus CC Bus CC
Bus CA
G G G
M M
G
4 Réseau de bord CC : configuration distribuée
Bus CA Bus CA
Bus CC
Bus CC
Bus CC
Bus CC
G G G
MM
G
33Le courant continu à la barre
propulsion présenterait un danger pour le navire, les installations et le personnel, la centrale électrique est divisée en deux parties ou plus pour une redondance accrue du réseau électrique. Ainsi, le navire peut conserver sa position même en cas de défaillance d’une partie de la centrale. Or ce mode de fonctionnement ne tire pas tout le potentiel de la propul-sion électrique car il est impossible d’op-timiser le régime des moteurs. Le rende-ment énergétique est donc souvent sacrifié au profit de la sécurité. Avec un réseau de bord CC, ce rendement est supérieur car la vitesse du moteur peut être ajustée et optimisée en fonction de la charge sans avoir à modifier le nombre de générateurs en ligne.
des régimes relativement faibles, là où précisément le rendement énergétique est très inférieur à celui obtenu à 85 – 90 % de charge, par exemple.
Le système PD utilise l’appareil propulsif (propulseurs ou propulsion principale, ou les deux) pour maintenir une position géographique (à quelques mètres près) et un cap (pour minimiser l’impact du vent, du courant et de la houle sur la coque du navire). On y a parfois recours pour des travaux à côté d’un navire de forage ou des opérations de charge-ment/déchargement à proximité d’instal-lations (plate-forme, par ex.). Par très gros temps ou lors d’interventions critiques où la perte de puissance de
Jan-Fredrik Hansen
John Olav Lindtjørn
ABB Process Automation, Marine Systems
Billingstad (Norvège)
Tor Arne Myklebust
ABB Process Automation, Marine Systems
Ålesund (Norvège)
klaus Vanska
ABB Process Automation, Marine and Cranes
Helsinki (Finlande)
Lecture complémentaireHansen, J.-F., Lindtjørn, J., O., Vanska, K., « Onboard DC grid for enhanced DP operation in ships », Dynamic Positioning Conference, Houston (Texas), États-Unis, octobre 2011.
6 Courbe de consommation spécifique de fioul en fonction de la charge des moteurs commandés en vitesse variable
D’autres analyses menées en collaboration avec un constructeur indépendant de moteurs, sur une gamme de moteurs moyenne vitesse souvent utilisée pour les centrales électriques des navires ravitailleurs, montrent une baisse de consommation de plus de 20 % à faibles charges.
Con
som
mat
ion
spéc
ifiq
ue e
n fio
ul (g
/kW
h)
Charge (% MCR)
150
170
190
210
230
250
270
0 20 40 60 80 100 120
Vitesse fixe
Vitesse variable (régime maxi)
Vitesse variable (régime limité)
5 Consommation de fioul en fonction du couple appliqué et de la vitesse de rotation d’un petit moteur d’essai
Réalisés à l’université d’Helsinki, ces essais montrent que la consommation de ce type de moteur peut être maintenue à son minimum au moins jusqu’à 50 % de charge.
Cou
ple
(%)
Con
som
mat
ion
spéc
ifiq
ue e
n fio
ul (g
/kW
h)
Vitesse de rotation (tr/min)
30
40
50
60
70
80
90
100
Fonctionnement à fréquence variable (réseau de bord CC)
Fonctionnement à fréquence fixe (réseau CA traditionnel)
820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000
212
210
208
206
204
202
200
198
196
7 Avantages du réseau de bord en CC
– Liberté d’agencement accrue des équipements électriques ;– Maintenance allégée des moteurs par une exploitation plus efficace ;– Dynamique et manœuvrabilité renforcées ;– Espace dégagé pour la cargaison grâce à un équipement électrique moins encombrant et une plus grande liberté d’agencement ;– Plate-forme évolutive simplifiant les adaptations et les changements de source d’énergie) ;– Économies de fioul (jusqu’à 20 %).
8 Nouvelle commande
ABB fournira la totalité des équipements
(systèmes d’alimentation, de propulsion et
d’automatisation) du réseau de bord en CC
d’un nouveau navire ravitailleur de plates-
formes pétrolières, construit par les chantiers
navals Klevan de Ulsteinvik en Norvège et
propriété de Myklebusthaug Management.
Long de 93 m pour 4800 tpl, ce navire de
service conçu par le Norvégien Marin Teknikk
sera livré début 2013. Il comprend 5 groupes
Diesel à vitesse variable (4 de 2240 kW
et 1 de 920 kW), 2 appareils propulsifs
principaux de 2200 kW et 3 propulseurs pour
le positionnement dynamique.
34 revue ABB 2|12
JARi LiNDSTRÖM, TAPiO RAUHALA, MAgNUS ReJSTRÖM – L’inde, économie agricole, manque cruellement d’eau. Pour exploiter les terres hautes et les régions arides, le pays pratique l’irrigation par pompage vertical en prélevant de grandes quantités d’eau des lacs ou rivières. Acheminée ensuite par canaux, l’eau transforme la vie des populations rurales. Les moteurs synchrones sont particulière-ment bien adaptés à ce type d’application. en effet, ces machines puissantes, capables de tourner à faible vitesse, affichent un rende-ment élevé à vitesse constante et peuvent vaincre le couple résistant d’une pompe au démarrage. Pour différents projets d’irrigation en inde, ABB a fourni plus de 20 moteurs synchrones de construction spéciale pour des puissances de 4 à 30 MW et des débits de pom-page de 10 à 25 m3/s.
Les moteurs synchrones ABB au service de l’agriculture irriguée indienne
Montée des eaux
35Montée des eaux
ABB a conçu et fourni plus de 20 moteurs synchrones de 4 à 30 MW pour des projets indiens d’irrigation par pompage vertical.
notamment la hauteur de charge (dis-tance verticale d’aspiration de la colonne d’eau) et le volume à pomper (m3/s).
Phase de démarrageSelon les caractéristiques du réseau électrique, les moteurs sont démarrés soit directement, soit par un conver-tisseur de fréquence. Pour entraîner des pompes, les moteurs doivent être capables de vaincre leur couple résistant sur toute la courbe d’accélération. À vitesse nulle, la charge peut atteindre 20 % de sa valeur maximale, selon le type de pompe. Au démarrage, le couple de charge augmente de manière expo-nentielle jusqu’à 100 % de sa valeur, véri-table tour de force pour un moteur démarré directement sur le réseau et qui atteint sa vitesse maximale en 3 à 6 s. Le réseau électrique doit impérativement offrir une tenue aux courts-circuits suffi-sante et le moteur être conçu pour résis-ter à l’échauffement et aux forts courants qui parcourent son rotor. Dans les appli-cations de pompage de grands volumes d’eau, ce démarrage direct est souvent
vertical ➔ 1. Ces machines furent déve-loppées en collaboration avec un impor-tant constructeur de pompes, également chargé de la fourniture, de l’installation et de la mise en service des groupes de pompage.
Augmenter le volumeDans ce type d’application, la pompe tourne généralement à vitesse constante ; apte à fonctionner à puissance élevée et faible vitesse, le moteur synchrone constitue la solution la plus écono-mique ➔ 2. Superposés, le moteur et la roue sont accouplés par une bride bou-lonnée ➔ 3. Pour les calculs, l’ensemble moteur-pompe forme donc un seul système, ce qui a une incidence sur la conception mécanique, notamment les dimensions de la ligne d’arbre et le positionnement des paliers.
Fabriqués sur cahier des charges, les moteurs conçus spécialement pour les projets indiens sont alimentés en 11 kV à 50 Hz. Les caractéristiques électriques de chaque moteur dépendent du projet final,
L ’agriculture absorbe plus de 70 % de l’eau douce consom-mée dans le monde [1]. La diver-sité géographique de l’Inde
oblige le pays à recourir à l’irrigation par pompage vertical pour maintenir sa pro-duction agricole.
Ce mode d’irrigation met en œuvre des groupes de pompage (3 à 10 pompes et leur moteur), un éventuel bassin-réservoir et des pompes de surpression si l’écoule-ment gravitaire est insuffisant. Ces instal-lations permettent d’irriguer de grandes surfaces agricoles, avec des débits proches de 700 m3/s sur des distances de 300 km et des dénivelés de 60 m.
ABB a conçu et fourni plus de 20 moteurs synchrones de 4 à 30 MW pour des projets indiens d’irrigation par pompage
Photo Les moteurs synchrones à haut rendement d’ABB contribuent à l’accroissement des rendements agricoles et des revenus des populations du 4e plus grand État indien, l’Andhar Pradesh.
36 revue ABB 2|12
aux applications de pompage. Par contre, la forte réduction des contraintes électromécaniques au démarrage est une très bonne nouvelle ! En effet, en limitant l’appel de courant à 50–60 % du courant nominal, le démarrage à fréquence variable évite les creux de tension dommageables pour le moteur et susceptibles de perturber le réseau.
De surcroît, il procure des avantages à la fois techniques et économiques car il per-met de sélectionner un moteur de taille inférieure, donc moins cher à l’achat. Ce dernier consomme moins d’énergie et ne doit pas être surdimensionné par rapport à un moteur fonctionnant à vitesse constante.
excitationPour autant, le système d’excitation d’un moteur démarré par un convertisseur de fréquence est un peu plus compliqué. Pour fournir le courant d’excitation au rotor, des bagues collectrices sont mon-tées sur l’arbre moteur et accessibles par des capots amovibles. Ces bagues, ainsi que le moyeu ou la bride de fixation, sont généralement en acier et forment un jeu complet. Des jeux de bagues en laiton de même que des jeux à bride fendue sont disponibles sur demande. Le jeu de bagues est doté de broches de raccordement en laiton pour le montage.
Outre le réglage de tension et l’alimenta-tion, le système d’excitation assure éga-lement la protection du moteur. Lorsque ce dernier tourne à vitesse constante,
remplacé par un démarrage à fréquence variable ➔ 4. Le moteur démarre et accé-lère progressivement jusqu’à sa vitesse maximale à l’aide d’un convertisseur de fréquence ; il n’est couplé au réseau qu’une fois la vitesse de synchronisme atteinte. Ce convertisseur se compose d’un appareillage de coupure et de commutation, de transformateurs et d’un onduleur commuté par la charge.
Dès que le moteur est en synchronisme avec le réseau, le convertisseur de fré-quence est shunté et le groupe de pom-page tourne à vitesse constante. Le temps de démarrage d’une minute envi-ron, beaucoup plus long qu’en démar-rage direct, ne pose pas de problème
1 Moteur synchrone à arbre vertical AMZ d’ABB
Le moteur démarre et accélère progres- sivement jusqu’à sa vitesse maxi-male à l’aide d’un convertisseur de fréquence, et n’est couplé au réseau qu’une fois la vitesse de synchro-nisme atteinte.
2 Caractéristiques techniques des moteurs
Type : Moteurs synchrones pour applications de pompage vertical
Années de construction : 2008–2011
Projets : Irrigation en Inde
Référence : AMZ
Tension : 11 kV
Fréquence : 50 Hz
Puissance : 4 à 30 kW
Vitesse : 300 à 600 tr/min
Nombre de pôles : 10 à 20
Hauteurs d’axe : 1 250 à 2 500 mm
Protection : IP54 et IP55
Refroidissement : Air-eau
37
de grande longueur. Celle-ci pouvant atteindre 10 m, il y a un risque accru de résonance entre la vitesse de fonction-
nement et les fréquences latérales. De fortes vibrations peuvent apparaître dans le système, entraînant une détérioration par fatigue et raccourcissant la durée de vie de l’arbre et des paliers. Ce problème est résolu en adaptant le diamètre et la longueur de l’arbre, ou en positionnant les paliers pour séparer en toute sécurité les fréquences d’exploitation des fré-quences latérales ➔ 5.
l’excitation réagit aux variations des conditions d’exploitation (ouverture d’une vanne, par exemple) et ramène le facteur de puissance à la valeur désirée, réta-blissant ainsi la sta-bilité fonctionnelle.
Arbres et paliersL’exécution méca-nique des moteurs synchrones pour le pompage vertical varie selon le cahier des charges du projet. Les principales variables sont la vitesse et la puissance requises par la pompe, ainsi que le type de pompe. On en déduit les dimensions de l’arbre et la position des paliers.
Rappelons que l’ensemble moteur-pompe forme un seul et même système. Les arbres étant à accouplements rigides, les contraintes sont calculées comme s’il s’agissait d’une ligne d’arbre unique
Montée des eaux
Apte à fonctionner à puissance élevée et faible vitesse, le moteur synchrone constitue la solu-tion la plus éco-nomique pour les projets d’irrigation par pompage verti-cal où la pompe tourne générale-ment à vitesse constante.
Les moteurs synchrones pour applications de pompage vertical sont économiques et fiables.
3 Le moteur du groupe de pompage vertical se trouve au-dessus de la roue.
Palier radial
Bagues collectrices
Échangeur air-eau
Moteur synchrone
Roulement axial
Système de lubrification des paliers
Palier radial
Roue
38 revue ABB 2|12
bobines sont immobilisées par calage et ficelage au niveau des têtes.
Depuis 30 ans, ABB utilise le système d’isolation MCI (Micadur® Compact In-dustry) avec le procédé d’imprégnation sous vide et pression. Les enroulements MCI exigent très peu d’entretien ; il suffit en général d’éviter que la présence d’humidité ou d’impuretés ne pénalise le refroidissement du bobinage lorsque le moteur ne tourne pas.
La partie centrale du rotor, de même classe d’isolation que le stator, est nor-malement serrée sur l’arbre. Les pôles rotoriques bobinés sont généralement fabriqués à partir de tôles d’acier lami-nées de 2 mm, le pressage étant réalisé par des barres d’acier soudées sur les plaques d’extrémité. La structure polaire est intégrée ou les pôles sont fixés, par le haut ou par le bas, sur l’arbre ou sur la partie centrale du rotor au moyen de boulons ou de queues d’aronde. Les pôles sont souvent dotés d’un enroule-ment amortisseur adapté à l’application.
En pompage vertical, le mode de refroi-dissement des moteurs doit être adapté à leur installation fréquente en local fermé. L’évacuation de la chaleur se fait par circulation d’air de refroidissement dans les parties actives des moteurs et par échangeurs air-eau. Ainsi, la tempé-rature au voisinage du moteur reste admissible, contribuant à créer des
Les deux arbres (moteur et pompe) sont en acier massif forgé et supportés par deux paliers-guide et un palier de butée pour les efforts axiaux. Tous les paliers sont lisses. Conçus spécialement pour un arbre vertical, ils comportent un sys-tème de circulation d’huile et de refroi-dissement. Les efforts axiaux vont de 300 à 1100 kN et les efforts radiaux sont relativement faibles. Les paliers à coussi-nets ont été préférés aux paliers à roule-ments pour leur tenue aux efforts axiaux élevés.
Structure du moteurLes moteurs synchrones ABB à carcasse autoporteuse sont adaptés à leur envi-ronnement d’exploitation. La carcasse du stator en acier rigide résiste aux vibrations induites par la machine entraî-née. Le circuit magnétique est un empi-lage de tôles d’acier spécial à faibles pertes, laminées et isolées sur les deux faces au moyen d’un revêtement inorga-nique thermostable. Des canaux radiaux garantissent un refroidissement homo-gène et efficace du stator.
Le bobinage stator en barres cuivre de section rectangulaire est isolé par plu-sieurs couches de ruban micacé avec support en verre. La classe thermique de tous les matériaux, y compris celle de la résine d’imprégnation sous vide et pres-sion, est supérieure à la classe F (155 ̊C). Après insertion dans les encoches cor-respondantes et avant imprégnation, les
4 Le démarrage par convertisseur de fréquence est le plus courantLes moteurs syn-chrones ABB à carcasse auto-porteuse sont adaptés à leur environnement d’exploitation.
Convertisseur de fréquence statique LCI d’ABB
MS3
Réseau électrique
Commande en fréquence variable du moteur
Moteur ABB
39
ajustant le facteur de puissance du moteur en exploitation.
ABB est un fournisseur important du marché des moteurs synchrones de fortes puissances. Bénéficiant des ressources mondiales du Groupe, nous proposons une palette de services efficaces et fiables à nos clients de tous les secteurs d’activité – industrie, marine, offshore et énergie – et pour un certain nombre d’applications spéciales. Au vu du nombre croissant de projets d’irrigation par pom-page vertical dans des régions souffrant d’un déficit hydrique, ABB promet ces moteurs à un bel avenir.
Jari Lindström
Tapio Rauhala
Magnus Rejström
ABB Oy, Motors and Generators
Helsinki (Finlande)
Bibliographie[1] The United Nations World Water Development
Report 3 (WWDR 3), Water in a Changing World, 2009.
conditions d’exploitation satisfaisantes dans le local. Les moteurs eux-mêmes sont en protection IP54 ou IP55, selon ces conditions.
Une solution efficaceEn termes de consommation énergé-tique, de maintenance et de dépenses
d’investissement, les moteurs syn-chrones pour applications de pompage vertical sont économiques et fiables. Leurs faibles pertes se traduisent par un haut rendement et le facteur de puis-sance du réseau peut être corrigé en
Montée des eaux
Ces projets per-mettent d’irriguer de grandes sur-faces agricoles, avec des débits proches de 700 m3/s sur des distances de 300 km et des dénivelés de 60 m.
5 Étude de déformation de l’arbre
5a Les fréquences latérales non amorties les plus faibles sont 8,6 Hz et 10 Hz, et les réponses amorties maximales 9,6 Hz et 11,4 Hz. Les fréquences latérales de l’arbre étant proches de la vitesse de fonctionnement, cette conception n’est pas satisfaisante. L’arbre du rotor doit être plus rigide et l’arbre du groupe de pompage plus court.
5b Les fréquences latérales non amorties les plus faibles sont 13,3 Hz et 13,4 Hz, et les réponses amorties maximales 14,8 Hz et 15,3 Hz. La différence de près de 20 % avec la vitesse d’emballement de 12,5 Hz (750 tr/min) constitue une marge satisfaisante.
0.0056129 Max0.00498940.0043658 0.0037423 0.0031187 0.0024951 0.0018716 0.0012480.00062445 8.8713e-7 Min
5.7909e-5 Max5.151e-54.5111e-5 3.8712e-5 3.2312e-5 2.5913e-5 1.9514e-5 1.3115e-56.7156e-6 3.1636e-7 Min
0.000
1.500
3.000
4.500
6.000 (m) 0.000
1.250
2.500
3.750
5.000 (m)
40 revue ABB 2|12
Les transformateurs en métal amorphe d’ABB maximisent les économies d’énergie
V. R. V. RAMANAN, MARTiN CARLeN – Démographie galopante, boulimie énergétique . . . Notre planète a plus que jamais besoin de produits écoperformants et de réseaux électriques fiables. Sous l’impulsion d’initiatives aussi bien locales que mondiales, les programmes d’économies d’énergie et les exigences d’efficacité visent aujourd’hui la réduction des émissions de CO2. L’immense parc de transformateurs installés dans le monde, rouage essentiel de la distribution électrique, est respon-sable de pertes chiffrées à environ 2 à 3 % de la production d’énergie totale, soit quelque 25 gigawatts (gW). Or chaque gW épargné pourrait représenter 5 millions de tonnes de CO2 en moins par an. Leader mondial du domaine, ABB a développé des transformateurs immergés dans l’huile et secs, dont le noyau en métal amorphe réduit les pertes à vide jusqu’à 70 % par rapport à la tôle électrique traditionnelle.
Distribution : un vent d’écologie
Photo ci-contre Les transformateurs de distribution à noyau en métal amorphe qui équipent les éoliennes du parc Horns Rev I, au large du Danemark, réduisent considérablement les pertes à vide.
41Distribution : un vent d’écologie
42 revue ABB 2|12
mateurs de distribution. Grâce à ses excellentes caractéristiques magnétiques et à une production économique, c’est le matériau qui, depuis son apparition au milieu des années 1980, a le plus fait pro-gresser les transformateurs de la seconde moitié du XXe siècle.
Une fois solidifié, le métal amorphe est transformé en rubans métalliques d’épaisseur limitée à environ 25 µm. Le circuit magnétique est ensuite construit selon la technique du bobinage. Utilisé depuis plus de 20 ans dans les transfor-mateurs immer gés, le noyau amorphe s’invite aujourd’hui dans les transforma-teurs secs.
Réduction importante des pertes à vide
Le métal amorphe a pour particularité de réduire les pertes fer jusqu’à 70 % par rapport aux meilleures nuances d’acier à grains orientés. Le noyau d’un transfor-
mateur est le siège de deux grands types de pertes à vide : par hystéré-sis et par courants de Foucault. Les premières reflètent la facilité d’aiman-tation du matériau dès que le trans-formateur est sous tension ; les secon- des sont dues aux courants internes
générés dans le matériau. En l’absence de structure cristalline, l’acier amorphe est plus facile à aimanter que l’acier magnétique, ce qui aplanit la courbe d’hystérésis. De même, sa faible épais-seur et sa résistivité élevée de 130 µΩ/cm-1 (contre 50 µΩ/cm-1 pour l’acier à grains
L es nouvelles technologies de noyau amorphe sont au cœur de l’offre ABB de transforma-teurs de distribution éco-éner-
gétiques et écologiques. Deux types de transformateur sont proposés :– à noyau amorphe immergé dans
l’huile minérale ou dans l’huile végétale biodégradable (BIOTEMP) ;
– de type sec, ultraperformants (gamme EcoDry).
Ces transformateurs n’ont pas qu’un intérêt technico-économique ; ils sont également avantageux pour l’environne-ment.
Fort potentiel du métal amorpheL’alliage utilisé par ABB est un mélange de fer, de bore et de silicium (Fe-B-Si), produit par solidification très rapide du métal en fusion [1]. Contrairement à la tôle de silicium à grains orientés (alliage Fe-Si), l’acier amorphe n’a pas de struc-
ture cristalline ➔ 1 ; pour qu’il ne cristallise pas et conserve sa structure atomique désordonnée, surtout en phase liquide, il faut le refroidir à une vitesse de l’ordre du million de degrés Kelvin (K) par seconde. Les plus gros contingents de métal amorphe se retrouvent dans le noyau des transfor-
Des essais ont démontré la très grande stabilité opéra-tionnelle du métal amorphe et sa résistance à plus de 1000 ans de fonctionnement du transformateur à sa température de service.
Présent depuis plus de 20 ans dans les transfor-mateurs immergés, le noyau amorphe s’invite aujourd’hui dans les transfor-mateurs sec.
1 Structure irrégulière du métal amorphe (gauche) et structure ordonnée de l’acier à grains orientés (droite)
43
bore. D’où une induction théorique infé-rieure et, par conséquent, une section de noyau souvent plus importante qui augmente la taille des enroulements et l’encombrement du transformateur dans son ensemble.
Nuisance sonore
Le niveau sonore des transformateurs amorphes est de 3 à 5 dB supérieur à celui de leurs homologues à tôles magnétiques. Les techniques visant à les
rendre moins bruyants sont un axe prio-ritaire de la recherche ABB. Ce bruit s’explique par une caractéristique intrin-sèque du matériau constitutif du noyau : la « magnétostriction ». Le changement de sens d’aimantation, sous un champ magnétique, déforme le matériau et génère du bruit. Dans les aciers à grains orientés, les axes cristallins d’aimanta-tion facile sont bien alignés entre les grains. Ce n’est pas le cas du métal amorphe car les contraintes de trempe ne sont jamais totalement réduites par le recuit. Dans un transformateur amorphe en fonctionnement, la rotation de l’aimantation doit donc être plus éle-
orientés) diminuent les pertes liées aux courants de Foucault.
Optimisation de la production
Pour limiter ces pertes, le métal amorphe est exposé à une température proche de la température de Curie du matériau (668 K) pendant un temps donné, en pré-sence d’un champ magnétique externe. Cette opération de recuit est une étape clé de l’élaboration du métal amorphe.
L’anisotropie magnétique d’un matériau ferromagnétique mesure sa facilité d’aimantation, à partir d’une direction donnée. La structure cristalline des aciers à grains orientés définit principale-ment cette anisotropie avec des axes de facile aimantation. L’orientation aléatoire des atomes de métal amorphe empêche cette anisotropie « magnétocristalline ». On peut toutefois lui induire une ani-sotropie magnétique pour définir les directions dans lesquelles l’aimantation s’établit aisément. Le refroidissement très rapide ou « hypertrempe » du métal amorphe crée de fortes contraintes qui induisent cette anisotropie. Le recuit a pour effet de réduire ces tensions inter-nes et l’application d’un champ magné-tique externe de 1000 A/m introduit dans le matériau un axe privilégié d’aimanta-tion, dans la longueur du ruban. Néan-moins, le recuit a le défaut de fragiliser le métal amorphe ductile, ce qui oblige à multiplier les précautions de mani-pulation lors des étapes de traitement suivantes.
induction plus faible
Autre inconvénient du métal amorphe : une induction de saturation moindre (1,56 T contre 2,1 T pour les aciers à grains orientés), liée à la présence de
Distribution : un vent d’écologie
Point fort du métal amorphe : jusqu’à 70 % de réduction des pertes fer par rapport aux meil-leures nuances d’acier à grains orientés.
2 Rendement comparé des transformateurs de distribution répondant aux exigences minimales du ministère américain de l’Énergie (DOe) et des transformateurs amorphes
2a Transformateurs triphasés immergés dans l’huile 2b Transformateurs triphasés de type sec
15 1530 3045 4575 75
112,
5
112,
5
150
150
225
225
300
300
500
500
750
750
1000
1000
1500
1500
2000
2000
2500
2500
Puissance (kVA) Puissance (kVA)
Ren
dem
ent
(%) à
50
% d
e ch
arge
Ren
dem
ent
(%) à
50
% d
e ch
arge
98 98
99 99
100 100
97 97
Transfo. immergé à noyau amorphe
Transfo. immergé conforme DOE
Transfo. sec à noyau amorphe (isolement au choc : 46–96 kV)
Transfo. sec conforme DOE
44 revue ABB 2|12
Ces économies sont donc considé-rables, même si la technologie amorphe ne remplace qu’une partie du parc de transformateurs de distribution. Elles permettent de reporter ou d’annuler les plans de montée en charge de la production pour faire face à l’augmenta-tion constante de la demande. Les béné-fices environnementaux découlant de la réduction des émissions de gaz nocifs et de l’empreinte carbone sont clairs, tout comme les avantages économiques et sociaux tirés des économies d’énergie et de coût. Et la société y trouve aussi son compte ! Ces conclusions [3] valent pour tous les grands pays de la planète ➔ 3. Avec une taxe carbone de 25 dollars la tonne de CO2, le total atteint 2,5 milliards de dollars par an.
Transformateurs écolosLe vaste portefeuille de transformateurs de distribution ABB « verts » permet aux clients de sélectionner le produit répon-dant le mieux à leurs besoins. Plusieurs critères de choix entrent en ligne de compte.
Pertes
Tous les transformateurs subissent des pertes à vide (notées P0 ), dans le noyau, et des pertes en charge (Pk ), princi-palement dans les enroulements. Les premières, toujours présentes, sont constantes en régime normal, tandis que les secondes n’apparaissent qu’en exploitation et varient avec la courbe de charge ➔ 4. Les pertes à vide du trans-formateur amorphe d’ABB ne repré-sentent que 30 % de celles d’un transfor-mateur standard ➔ 5. L’utilisation d’un noyau en métal amorphe pour un trans-formateur de 1000 kVA pourrait éviter sur 20 ans l’émission de 140 000 t de CO2, soit la combustion de 60 t de pétrole.
vée, ce qui se traduit par une déforma-tion et un bruit plus importants.
Stabilité durable
Dans les années 1990, des essais de vieillissement effectués sur de petites bobines protégées de l’oxygène per-mirent de démontrer la très grande stabilité du métal amorphe dans le temps et sa résistance à plus de 1000 ans de fonctionnement du transformateur à sa température de service [2]. Depuis, la composition de l’alliage a très peu changé et les développements ont surtout porté sur l’optimisation des méthodes de fabrication. Pour garantir la stabilité du matériau actuel et étudier l’influence de l’air ambiant, ABB a de nouveau effectué des mesures de vieillis-sement accéléré à haute température (490 K) sur un noyau grandeur réel, pen-dant plus de 200 jours. Les résultats confirmèrent la stabilité des pertes sur la durée de vie du transformateur.
Diagnostic énergétiqueLes courbes en ➔ 2 confrontent le rende-ment de transformateurs à noyau amorphe aux exigences minimales du ministère américain de l’Énergie (DOE), sur une large gamme de puissances. L’améliora-tion de l’efficacité énergétique est très nette. Un rapide calcul permet de mesu-rer tout le potentiel d’économies lié au déploiement du transformateur amorphe qui, rappelons-le, diminue les pertes à vide de quelque 70 %. Prenons l’exemple des États-Unis : si ces pertes énergé-tiques représentent environ 1 % de toute la production électrique (1,4 TW), leur réduction par la mise en œuvre de noyaux amorphes permet d’économiser de l’ordre de 85 milliards de kWh par an !
L’utilisation d’un noyau en métal amorphe pour un transformateur de 1000 kVA pourrait éviter 140 000 t de CO2 (l’équivalent de 60 t de pétrole) sur 20 ans.
3 Potentiel d’économies d’énergie et impact sur les émissions de CO2 des transformateurs amorphes [3]
Pays Pertes Économies Baisse annuelle des
annuelles annuelles émissions de CO2
(TWh) (TWh) (millions de tonnes)
États-Unis 141 84 60
Union européenne (à 25) 55 22 9
Japon 44 31 12
Chine 33 18 13
inde 6 3 3
Australie 6 3 3
Total 285 161 100
45
Un écobilan pour durer
ABB a réalisé une analyse du cycle de vie (ACV) sur les transformateurs à noyau amorphe et leurs concurrents à tôle magnétique. L’ACV compare l’impact potentiel de différents types de produits ou systèmes sur l’environnement tout au long de leur cycle de vie (fabrication,
exploitation, fin de vie), au regard de plusieurs critères écologiques fon-damentaux.
Il en ressort claire-ment que l’em-preinte écologique d’un transforma-teur amorphe à
haut rendement est bien inférieure à celle d’un transformateur standard ➔ 6. Ce moindre impact s’explique surtout par les avantages du noyau en métal amorphe en exploitation et ses faibles pertes à vide.
ApplicationsLa mise en œuvre de transformateurs à noyau amorphe peut grandement influer sur la con som mation d’énergie dans bon nombre d’applications, comme la distri-bution électrique et la production d’élec-tricité éolienne et photovoltaïque.
Réseaux publics de distribution
Ici, c’est la réduction des pertes à vide qui prime car la charge moyenne d’un transformateur de distribution est géné-ralement faible. Les transformateurs amorphes sont tout désignés pour cette application : quoique plus chers à l’achat, ils s’avèrent souvent le meilleur choix en termes de coût de possession, comme l’illustre la figure ➔ 7 pour des transfor-mateurs de 1000 kVA présentant les
Évaluation économique
Le choix d’un transformateur fait interve-nir différentes composantes de coût : prix d’achat, coût de cycle de vie, frais de structure supplémentaires, etc. Le coût total de possession « TOC » (Total Ownership Cost) tient compte des pertes à vide et des pertes en charge qui sont
« capita lisées » à l’aide de valeurs expri-mées en unité monétaire par watt sui-vant, entre autres, le prix de l’électricité, le coût de l’énergie relatif à ces pertes et l’utilisation du transformateur. Les valeurs retenues par la plupart des distri-buteurs d’électricité vont de 5 à 10 dollars/W pour P0 et de 1 à 2 dollars/W pour Pk. Le coût de possession est représenté par la formule suivante :
TOC = CT + (CP0 · P0 ) + (CPK · PK )
avec CT = prix du transformateur, CP0 = valeur de capitalisation des pertes à vide, CPk = valeur de capitalisation des pertes dues à la charge.
Les transformateurs amorphes sont a priori plus onéreux à l’achat mais ils n’en constituent pas moins la solution la plus économique à l’usage ➔ 7.
Distribution : un vent d’écologie
L’empreinte écologique d’un transformateur amorphe à haut rendement est nettement inférieure à celle d’un transfor-mateur standard.
5 Comparaison des pertes à vide de transformateurs immergés/secs stand ards et de leurs équivalents à noyau amorphe (1000 kVA)
Pertes à vide (W)
0 500 1000 1500 2000
Transformateur sec standard
Transformateur immergé standard
Transformateur sec amorphe
Transformateur immergé amorphe
4 Pertes à vide et pertes en charge d’un transformateur sec classique de 630 kVA
À vide En charge
0 20 40 60 80 100Charge (%)
Per
tes
(W)
4000
5000
6000
7000
8000
3000
2000
1000
0
46 revue ABB 2|12
la journée, la saison et la météo. La nuit, il consomme les pertes à vide que l’exploitant doit payer, sauf s’il est déconnecté du réseau. Le transforma-teur sec EcoDry convient parfaitement à ce type d’application.
Un modèle simple de calcul des béné-fices se fonde sur un certain nombre de jours d’ensoleillement par an, un nombre d’heures par jour à 95 % de charge et un nombre d’heures à 15 % (matin et soir). Les autres jours de l’année sont présumés nuageux, avec un rendement de la centrale PV de 15 % toute la journée durant. Ces conditions donnent un ren-dement spécifique annuel exprimé en kilo -wattheures par kilowatt crête (kWh/kWc). Exemple : 240 jours ensoleillés, à raison
de 6 heures à 95 % de charge et de 4 heures à 15 %, dégagent un rende-ment spécifique de 1700 kWh/kWc.
Si l’on considère que l’écart de prix entre le transfor-mateur standard
(faible coût d’achat mais pertes élevées) et EcoDry est un surcoût d’achat, on obtient le calcul du retour sur investisse-ment en ➔ 8, sur la base d’un prix de l’électricité de 8 cD/kWh et d’un revenu de 28 cD/kWh.
pertes à vide de ➔ 5 et des valeurs de capitalisation CP0 de 10 dollars/W et CPK de 2 dollars/W. L’écart se creuse encore si les transformateurs secs ont besoin d’être refroidis activement ou si l’on tient compte de la taxe carbone.
Éolien
Les éoliennes ne produisant que de façon intermittente, sur de courtes pério-des de la journée, il faut donc minimiser les pertes à vide. Là encore, l’avantage est aux transformateurs amorphes, compte tenu de leur coût de possession.
Photovoltaïque et ecoDry
Pour promouvoir l’électricité photovol-taïque (PV), de nombreux pays ont instauré des tarifs d’achat préférentiels :
26 cD/kWh en Allemagne, 32 cD/kWh en Espagne, pour une centrale PV auto-nome démarrée en 2010. Le producteur a donc intérêt à tirer le maximum de son installation en optimisant le rendement et en minimisant les pertes. Un transfor-mateur de centrale PV fonctionne à des charges très variables, selon l’heure de
La technologie amorphe d’ABB pour les transfor-mateurs de distri-bution immergés et secs marque un progrès consi-dérable sur la voie de l’efficacité énergétique.
Dans nombre d’applications, la mise en œuvre de trans-formateurs amorphes peut grandement influer sur la consommation d’énergie.
6 Bilan écologique
6a Comparaison de l’impact relatif sur l’environnement d’un transformateur sec standard et d’un transformateur amorphe ecoDry, à 20 % de charge
6b Comparaison de l’impact relatif sur l’environnement d’un transformateur immergé standard à faibles pertes et d’un transformateur amorphe, en fonction de la charge
Sec standard EcoDrybasic Immergé à noyau amorphe
Immergé standard à faibles pertes
Impact relatif sur l’environnement (%)
0 20 40 60 80 100 0 20 30 40 50
Potentiel de réchauffementmondial (kg équiv. CO2)
Potentiel d’acidification(kg. équiv. SO2)
Potentiel d’eutrophisation (kg. équiv. phosphates)
Toxicité pour l’homme (kg équiv. DCB)
Potentiel de destructiond’ozone (kg équiv. R11)
Potentiel photochimiquede formation d’ozone
(kg équiv. éthylène)
Charge du transformateur (%)
Impa
ct r
elat
if su
r l’e
nviro
nnem
ent
(%)
80
100
60
40
20
0
47Distribution : un vent d’écologie
V. R. V. Ramanan
ABB Corporate Research, Power Technologies
Raleigh, Caroline du Nord (États-Unis)
Martin Carlen
ABB Power Products, Transformers
Baden-Dättwil (Suisse)
Bibliographie[1] Ramanan, V. R. V., « Metallic glasses in distri-
bution transformer applications: An update », Journal of Materials Engineering, vol. 13, n° 2, p. 119–127, 1991.
[2] Ramanan, V. R. V., Liebermann, H. H., « Aging of glassy transformer core alloys and the activation energy spectrum model », Journal of Applied Physics, 73(10), 5366, 1993.
[3] European Copper Institute, Targosz, R., (Ed.), The Potential for Global Energy Savings from High Efficiency Distribution Transformers, février 2005.
Optimum éco-énergétiqueLa technologie amorphe d’ABB appli-quée aux transformateurs de distribution immergés et secs constitue un important progrès vers l’amélioration de l’efficacité énergétique. Les clients peuvent décider d’opter pour un transformateur amorphe sans s’encombrer de nouveaux critères ; performance énergétique, pérennité et compétitivité en font la solution de choix. Pour en savoir plus sur l’huile isolante BIOTEMP® d’ABB, lire « Conversion verte », p. 48.
7 Comparaison du coût de possession d’un transformateur standard et d’un transformateur à noyau amorphe
7a Transformateurs immergés de 1 000 kVA 7b Transformateurs secs de 1 000 kVA
Capitalisation des pertes Cout d’acquisition Capitalisation des pertes Cout d’acquisition
CP0 = 10 USD/W ; CPK = 2 USD/W CP0 = 10 USD/W ; CPK = 2 USD/W
0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200
Standard
Métal amorphe
Standard
EcoDry
Coûts relatifs (%) Coûts relatifs (%)
8 Retour sur investissement du surcoût d’un transformateur ecoDry à haut rendement dans une installation photovoltaïque
Connexion nocturne Déconnexion nocturne
600 900 1200 1500 1800 2100 2400Production PV annuelle (kWh/kWc)
48 revue ABB 2|12
49
Reste qu’un incendie de transformateur peut avoir de graves conséquences. En cause : la haute inflammabilité du diélectrique liquide des appareils de type immer gé, qui favorise la combus-tion permanente et le dégagement de fumées toxiques pour l’homme et les organismes vivants. En cas de fuite de la cuve, la perte et l’épandage du diélectrique polluent les sols et l’eau, et peuvent détériorer les équipements voisins, avec le risque évident, pour l’entreprise, de perdre de l’argent et sa réputation.
La solution ? Un diélectrique rapidement biodégradable, à point de feu élevé : BIOTEMP d’ABB.
F ort heureusement, les incen- dies de transformateurs sont rarissimes et la probabilité de panne est extrêmement faible.
Un constat corroboré par le parc de transformateurs de 765 kV d’un grand fournisseur d’électricité américain, avec un taux de défaillances annuel de 1,21 % [1] sur 20 ans, dont seulement 0,14 déclenche un incendie.
geORge FRiMPONg, STePHANe PAge, kJeLL CARRANDeR, DON CHeRRy – Chaque année, un certain nombre de pannes de transformateurs dégénèrent en incendie, qui peut durer des heures ou des jours, selon l’inflammabilité du liquide diélec-trique. Le feu, la fumée et la fuite de diélectrique constituent une menace non seulement pour la population, la faune et la flore mais aussi pour les équipements au voisinage de l’appareil. Sans compter les répercussions sur la renommée et le bilan financier des entreprises impliquées. il n’est donc pas surprenant que la filière électrique se tourne de plus en plus vers les transformateurs minimisant ce risque. ABB utilise à cette fin BiOTeMP®, un ester naturel hautement oléique à point de feu élevé dont le risque de déclenchement et de propagation d’incendie est nettement inférieur à celui de l’huile minérale communément employée dans les transforma-teurs. Voyons les propriétés et caractéristiques qui font d’un transformateur rempli d’huile BiOTeMP l’un des plus sûrs du marché.
L’huile végétale BIOTEMP® d’ABB diminue les risques d’incendie et d’écotoxicité des transformateurs
Conversion verte
Conversion verte
Photo ci-contre Qui s’attendrait à trouver de l’huile de tournesol ou de carthame dans les transformateurs haute tension modernes, comme ce poste compact mobile de 138 kV qui alimente en énergie quelque 50 000 Brésiliens ? Ce sont pourtant ces produits « bio » qui contribuent à faire des transformateurs immergés dans l’huile BIOTEMP d’ABB les plus sûrs du marché !
50 revue ABB 2|12
Voyons à présent comment prend feu un transformateur et quelles propriétés de BIOTEMP contribuent à l’éteindre.
Comportement au feuLe feu est la conjonction de trois élé-ments, symbolisés par le triangle « com-bustible (matériau capable de brûler), comburant (oxygène pour alimenter la combustion), énergie d’activation (source de chaleur pour amorcer la combus-tion) ». Dans un transformateur immergé, l’huile diélectrique est le combustible. Si l’appareil est hermétique, il ne contient qu’une faible quantité d’oxygène dissous dans l’huile. S’il est de type respirant, l’huile peut certes se saturer d’air mais la quantité d’oxygène dans l’huile, même maximale (environ 30 000 parties par million), est là encore totalement dis-soute. Dans les deux cas, il n’y a donc pas d’oxygène « libre » pour entretenir le feu dans le transformateur. D’où la faible probabilité d’incendie.
Un défaut de faible impédance dans un transformateur crée un arc électrique qui peut porter la température de l’huile à plusieurs milliers de degrés Celsius. En
Composition et biodégradabilitéBIOTEMP est un ester végétal obtenu à partir de graines de tournesol ou de car-thame [2]. Sa structure moléculaire pré-sente trois longues chaînes d’acides gras liées à une chaîne principale de glycérol. Le pouvoir oléique de BIOTEMP tient à sa forte teneur en acides gras qui le composent à plus de 75 %. Son point de feu supérieur à 300 °C le place au rang des diélectriques « moins inflam-mables » et lui vaut l’agrément de la société d’assurance FM Global (spécia-liste mondial des risques industriels) et des laboratoires UL (organisme indépen-dant d’essai et de certification de la sécurité des produits). BIOTEMP appar-tient à la catégorie K2 de la norme internationale CEI 61100 de « classifica-tion des isolants liquides selon le point de feu et le pouvoir calorifique inférieur ».
BIOTEMP est par nature rapidement bio-dégradable. L’écoulement du fluide n’a donc pas besoin d’être traité comme un déchet dangereux, ce qui évite les coûts d’élimination et les éventuelles amendes réglementaires.
2 essai de comportement à l’arc sous haute énergie
2a Cellule d’essai 2b géométrie des électrodes
BIOTEMP est une huile ester végétale obtenue à partir de graines de tournesol ou de carthame.
1 Tenue au feu
Huile minérale BiOTeMP Avantages
BiOTeMP
Point d’éclair (°C) 148 314 +
Point de feu (°C) 160 347 +
Point d’auto-inflammation (°C) 204 >400 +
Pouvoir calorifique inférieur (MJ/kg) ≥42 37 +
51
est encore présente, la combustion s’amorce. À ce stade, l’extension ou l’auto-extinction du feu dépend avant tout de la quantité de chaleur dégagée par le liquide.
Des paramètres à risqueLe danger d’incendie est évalué à partir de caractéristiques d’inflamma bi-
lité (points d’éclair, de feu, d’auto- inflammation) et de combustion (débit calorifique). Pré-cisons que c’est le dégagement de vapeurs inflam-mables qui fait
office de combustible, non le liquide lui-même. Le point d’éclair (ou d’inflammabilité) est la température à partir de laquelle un liquide émet assez de vapeurs pour former avec l’air ambiant un mélange gazeux qui s’enflamme à l’approche d’une flamme ou d’une étincelle, par exemple, sans que la combustion s’entretienne forcément d’elle-même.
temps normal, la protection du transfor-mateur contre les fortes intensités inter-rompt le courant de défaut et seul un tout petit volume d’huile à proximité de l’arc monte en température. Toutefois, le mauvais fonctionnement de cette pro-tection peut provoquer un incendie : l’arc électrique vaporise alors l’huile et produit une assez grande quantité de gaz combus-
tibles dont une partie se dissout dans l’huile, le restant s’évacuant dans le matelas gazeux.
Selon la gravité du défaut, la concentra-tion croissante de gaz provoque une forte hausse de pression qui fait éclater la cuve : l’huile chaude et des gaz combus-tibles s’échappent, laissant place à un air riche en oxygène. Si le volume d’huile vaporisé est dans les limites d’explosivité du liquide et si une source de chaleur
Conversion verte
Quoique rarissi-mes, les incendies de transformateur peuvent avoir des conséquences dramatiques.
Même quand l’huile est saturée d’oxygène, l’absence d’oxygène « libre » empêche la combustion du transformateur.
3 Total des gaz produits lors d’essais de défaut d’arc sous haute énergie
3a gaz dissous dans l’huile 3b gaz dissous en partie haute de la cellule
Énergie d’arc (MJ)
Gaz
com
bust
ible
s di
ssou
s (p
pm)
100 000
80 000
60 000
40 000
20 000
00 1 2 3 4 5
Énergie d’arc (MJ)
Qua
ntité
tot
ale
de g
az c
ombu
stib
les
(ppm
)
100 000
80 000
60 000
40 000
20 000
00 1 2 3 4 5
Huile minérale
BIOTEMP
Huile minérale
BIOTEMP
4 Pression maximale générée lors d’un défaut d’arc à haute énergie
Énergie d’arc (MJ)
Pre
ssio
n m
axi (
bar
)
25
30
20
15
10
5
00 1 2 3 4 5
Huile minérale
BIOTEMP
52 revue ABB 2|12
indépendant dans l’ester BIOTEMP et une huile minérale classique. On utilisa pour cela une cellule d’acier en T comportant un matelas d’azote de 30 à 35 l ➔ 2 et trois électrodes distantes de 40 mm, immergées dans chaque diélectrique.
On procéda à des essais de court-circuit triphasé de durée variable en alternatif, à 12 kV et 5,5 kAeff, pour simuler différentes énergies d’arc. À l’issue de chaque test, environ 1 l de gaz prélevé entre la surface du diélectrique et le haut de la cellule et 40 ml d’huile furent échantillonnés et analysés.
Si BIOTEMP ne contenait qu’environ 25 à 50 % des combustibles dissous de l’huile minérale, la quantité totale de gaz en partie haute de la cellule était simi-laire, à des pressions comparables ➔ 3. La mesure de pression maximale fut même légèrement supérieure dans le cas de BIOTEMP ➔ 4. Conclusion : la pres-sion générée par les deux diélectriques à l’essai est identique.
explosivitéUn autre laboratoire indépendant mesura les limites inférieure et supérieure d’explo-sivité de BIOTEMP et d’une huile minérale ordinaire, selon la méthode normalisée ASTM E 918. À l’aide d’un septum, on injecta un échantillon de diélectrique dans une cuve d’essai préparée pour l’occa-sion, auquel on ajouta de l’air jusqu’à
Dès qu’un matériau prend feu, le débit calorifique (quantité de chaleur dégagée par unité de temps) détermine la capacité de l’incendie à se propager plus ou moins facilement : un débit calorifique constant ou croissant a pour effet d’entretenir le feu, et un débit décroissant, de l’étouffer au bout d’un certain temps.
Les vapeurs produites par différents fluides diélectriques forment dans l’air un mélange d’éléments inflammables ou explosifs dont la plus ou moins forte concentration donne une plage et des limites inférieure/supérieure d’inflamma-bilité ou d’explosivité. Plus la limite infé-rieure d’explosivité (LIE) est haute, plus le liquide doit émettre de vapeurs pour que s’amorce et s’entretienne la combustion.
Quand on compare les principales carac-téristiques « feu » de l’huile minérale tradi-tionnelle et de l’ester végétal BIOTEMP, les résultats sont clairement favorables à ce dernier ➔ 1. Des essais effectués pour évaluer les risques d’incendie et d’explo-sion ont mis en évidence les différentes valeurs de montée en pression, de limites d’explosivité et de débit calorifique des deux types de diélectrique.
Hausse de pression résultant d’un arc interneAu total, 10 essais multicycles de compor-tement à l’arc sous haute énergie (1 à 4 MJ) furent réalisés par un laboratoire
Le point de feu (ou d’inflammation) est la température la plus basse à laquelle le mélange de vapeurs-oxygène s’en-flamme au contact d’une source de cha-leur et continue à brûler pendant une période donnée ; il est supérieur de quelques degrés au point d’éclair ➔ 1. Une substance est d’autant moins inflam mable que ses points d’éclair et de feu sont élevés.
Le point d’auto-inflammation est la tem-pérature minimale à laquelle un matériau s’enflamme spontanément, la combus-tion s’entretenant d’elle-même, même en l’absence de flamme ou d’étincelle. Un liquide dont la température se main-tient au-dessus du point de feu alimente en continu l’incendie en combustible.
S’il suffit de 0,6 % d’huile minérale vaporisée dans le mélange air/com-bustible pour ris-quer l’explosion, il en faut 9 % avec BIOTEMP, à 200 °C de plus.
6 essai de défaut d’arc sous haute énergie
6a Huile minérale 6b BiOTeMP
5 Limites d’explosivité des vapeurs de BiOTeMP et de l’huile minérale
Diélectrique liquide Température d’essai Lie LSe
Huile minérale 200 °C 0,6 % vol. 4,8 % vol.
BIOTEMP 350–400 °C > 9,0 % vol. ND*
* Cette mesure n’a pas pu être effectuée car elle nécessitait une température plus élevée pour augmenter le volume de combustible, alors même que la température d’essai était déjà trop proche du point d’auto-inflammation de BIOTEMP.
53
la pression de test requise (14,7 psi). Les essais d’inflammation furent réalisés avec un arc haute tension constant (10 kV, 0,25 mA). On fit varier la concentration du mélange d’un essai à l’autre jusqu’à déterminer les limites d’explosivité de
l’échantillon. Les résultats mirent en évidence l’existence d’une atmosphère explosive quand plus de 0,6 % du mélange air/combustible est constitué d’huile minérale vaporisée ➔ 5 ; dans le cas de BIOTEMP, il faut non seulement un volume beaucoup plus élevé (> 9 %) mais aussi une température supérieure d’environ 200 °C pour qu’il y ait risque
Conversion verte
L’échantillon BIOTEMP s’éteint de lui-même en quelques secondes.
Avec BIOTEMP, le couvercle explose mais seule une petite quantité d’huile carbonisée et vaporisée s’échappe, évitant l’incendie.
7 installation de mesure de débit calorifique
7a Échantillon d’huile minérale au point d’inflam- mation (gauche) et en combustion (droite)
7b Échantillon de BiOTeMP au point d’inflamma-tion (gauche) et après auto-extinction (droite)
d’explosion. Il en ressort un net avantage de BIOTEMP sur l’huile minérale.
La nature explosive de l’huile minérale, comparée à BIOTEMP, fut démontrée sur des cuves de transformateurs immergés
sur poteau dans lesquelles on fit cir-culer un courant de 8000 A, pendant 3 cycles. Résultat : avec l’huile miné-rale, le couvercle saute et prend feu au contact de l’huile chaude avec l’air ➔ 6 ; avec BIO-
TEMP, il s’ouvre mais ne s’enflamme pas, malgré de petites fuites d’huile carboni-sée et vaporisée.
Dégagement de chaleurLe débit calorifique fut également testé par le même laboratoire indépendant, selon une méthode adaptée de la norme ASTM 1354 : des échantillons de diélec-
Temps après début d’incendie
Déb
it ca
lorif
ique
moy
en (k
W/m
3 )
500
400
300
200
100
0Maxi 60 180 300
Temps après début d’incendie
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Huile minérale
BIOTEMP
Huile minérale
BIOTEMP
8a Maintien de la source de chaleur 8b Suppression de la source de chaleur
8 Mesures de débit calorifique
54 revue ABB 2|12
trique sont placés dans un bol céramique et exposés à une source thermique de 25 kW/m2. Lorsque des vapeurs se for-ment, le diélectrique est soumis à une source d’inflammation jusqu’à ce qu’il prenne feu.
Deux scénarios sont étudiés : dans le pre-mier, on garde la configuration d’essai après inflammation ; dans le second, on supprime l’apport de chaleur et on retire l’échantillon pour simuler un déclenche-ment du disjoncteur-sectionneur ➔ 7.
Dans le premier cas, on constate que les débits calorifiques moyens des deux dié-lectriques augmentent dans le temps ; cela tient au fait que l’incendie est ali-menté par les substances volatiles de la source de chaleur qui maintient la tem-pérature de l’huile au-dessus du point de feu. Dans le second, après retrait de la source thermique, on observe que le débit calorifique maximal de BIOTEMP (48 kW/m2) est 8 fois moins élevé que celui de l’huile minérale (397 kW/m2) ➔ 8. Pour cette dernière, les valeurs maximale et moyenne du débit calorifique sont identiques à celles du premier cas. À l’inverse, l’échantillon BIOTEMP voit baisser son débit calorifique, puis finit par s’éteindre de lui-même après quelques secondes de combustion.
Plusieurs autres paramètres furent mesu-rés, tels que le délai d’inflammation, le délai d’extinction des flammes, le débit calorifique maxi et le taux de production de fumée ➔ 9. Lorsque la source de cha-leur est maintenue, BIOTEMP met environ 12 fois plus de temps à s’enflammer (724 s) que l’huile minérale (58 s), confir-mant ainsi sa grande résistance au feu. La combustion de BIOTEMP présente un taux de production de fumée et donc de pollution inférieur de moitié à celui de la combustion de l’huile minérale. Après suppression de la source de chaleur, le
BIOTEMP produit 31 fois moins de fumée que l’huile minérale.
délai d’inflammation de BIOTEMP (723 s) est là encore environ 12 fois plus long que celui de l’huile minérale (57 s). Dans ces conditions d’essai, BIOTEMP dégage 31 fois moins de fumée que l’huile minérale.
Un futur bien huiléBIOTEMP répond bien aux exigences du marché qui plébiscite les transforma-teurs à diélectrique liquide résistant au feu. Si les risques d’ouverture ou d’écla-tement de la cuve sont les mêmes pour les deux catégories d’huile, BIOTEMP réduit considérablement le risque de départ et de propagation de feu, tout en affichant de remarquables propriétés d’autoextinguibilité. Autant d’atouts qui font des appareils remplis de BIOTEMP les transformateurs parmi les plus sûrs du marché.
george Frimpong
ABB Power Products, Transformers
Raleigh, Caroline du Nord (États-Unis)
Stephane Page
ABB Power Products, Transformers
Genève (Suisse)
kjell Carrander
ABB Power Products, Transformers
Ludvika (Suède)
Don Cherry
ABB Power Products, Transformers
South Boston, Virginie (États-Unis)
Bibliographie[1] Foata, M., Power Transformer Fire Risk
Assessment, Paper A2.33, Symposium CIGRÉ, Sydney (Australie), 2008.
[2] Oommen, T. V., Claiborne, C. C., Biodegradable Insulating Fluid from High Oleic Vegetable Oils, CIGRÉ, 15–302, Paris, 1998.
9 Paramètres de débit calorifique
Maintien de la source de chaleur Suppression de la source de chaleur
Diélectrique Délai Délai Production Délai Délai Production
liquide d’inflam- d’extinc- de fumée d’inflam- d’extinc- de fumée
mation (s) tion (s) (m2/s) mation (s) tion (s) (m2/s)
Huile minérale 58 1027 0,0547 57 1160 0,0495
BIOTEMP 724 1762 0,0253 723 731 0,0016
55Dans le numéro 3 |12
Pour la plupart de nos lecteurs, l’évocation d’ABB renvoie immanquablement aux métiers de l’énergie et de l’automation, très rarement à l’industrie du logiciel. C’est là une perception trompeuse, de plus en plus battue en brèche par le poids croissant du logiciel dans les produits et services ABB.
À commencer par l’électronique : nombre de produits comme les variateurs de vitesse, les compteurs et les dispositifs de protection embarquent des logiciels qui leur confèrent fonctionna-lité et flexibilité. Au niveau système, le logiciel est au centre du contrôle-commande et des automatismes. Il permet à une multitude d’équipements individuels de coopérer et d’échanger des données en temps réel, confirmant la règle du « tout plus que la somme de ses parties ». Au-delà des capteurs et actionneurs, ces systèmes intègrent des dispositifs de contrôle-commande pour coordonner l’ensemble, souvent à grand renfort d’algo-rithmes perfectionnés. Et au sommet du contrôle-commande, ABB crée également des solutions logicielles autonomes pour optimiser les procédés industriels.
Plus généralement, notre troisième édition de l’année s’intéres-sera à l’importance du logiciel dans le contrôle qualité des développements informatiques et la cybersécurité des procédés et systèmes industriels.
Le logiciel, omniprésentDans le numéro 3|12
Rédaction
Claes RytoftChief Technology OfficerGroup R&D and Technology
Clarissa HallerHead of Corporate Communications
Ron PopperHead of Corporate Responsibility
eero JaaskelaHead of Group Account Management
Andreas MoglestueChief Editor, ABB [email protected]
ÉditionLa Revue ABB est publiée par la direction R&D and Technology du Groupe ABB.
ABB Technology Ltd.ABB Review/REVAffolternstrasse 44CH-8050 ZurichSuisse
La Revue ABB paraît quatre fois par an en anglais, français, allemand, espagnol, chinois et russe. Elle est diffusée gratuitement à tous ceux et celles qui s’intéressent à la technologie et à la stratégie d’ABB. Pour vous abonner, contactez votre correspondant ABB ou directement la Rédaction.
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Édition et droits d’auteur ©2012ABB Technology Ltd. Zurich (Suisse)
impressionVorarlberger Verlagsanstalt GmbHAT-6850 Dornbirn (Autriche)
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Traduction françaiseDominique [email protected]
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ISSN : 1013-3119
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Accroître l’efficacité énergétique de 25 % ?
Absolument.
Une solution complète d’ABB en matière d’énergie et d’automation a permis à la plus importante raffinerie d’Europe d’accroître son efficacité énergétique de 25 %, rehaussant du même coup sa productivité. Grâce à ses activités de recherche et développement axées sur l’amélioration de la performance et la préservation des ressources, ABB travaille sans relâche en vue d’économiser énergie et argent, et de protéger l’environnement. www.abb.com/energyefficiency
