Automatisme : Le variateur de vitesse, incontournable pour les

Reportage
Vu chez
STMicroelectronics
Solutions
AUT O M A T I S M E
Le variateur de vitesse,
les économies d’énergie

Le site de Crolles de STMicroelectronics s’est fortement développé ces dernières
années. Le souci d’économiser l’énergie électrique a conduit les responsables techniques du site à généraliser les variateurs de vitesse sur les pompes et ventilateurs
qui alimentent en eau et air les salles blanches de production des composants
électroniques. Siemens a été retenu pour cette application, pour sa capacité à fournir à la fois les variateurs et les moteurs, mais aussi parce qu’il disposait d’une technologie évoluée pour compenser les harmoniques et l’énergie réactive.
L
’environnement semble enfin devenir une valeur sûre. Comme
toujours, des réglementations, des
taxes et des amendes auront été
nécessaires pour emporter l’adhésion de
tous. Mais selon que l’on soit Américain,
Européen, Indien ou Chinois, tout le monde
n’est pas logé à la même enseigne. C’est ainsi
que les responsables des sites industriels
européens estiment qu’ils ne luttent pas à
armes égales avec leurs homologues chinois,
ce qui encouragerait le mouvement des délocalisations… STMicroelectronics, pourtant,
possède plusieurs sites industriels dans le
Sud-Est asiatique…
Qu’importe : dans son
L’essentiel
“décalogue” sur l’en L’expérience acquise lors de
vironnement, la santé
la première tranche (Crolles1)
et la sécurité publié en
a été mise à profit sur la
page d’accueil sur son
deuxième tranche (Crolles2)
site internet et repro Celle-ci a conduit à faire
duit dans des posters
appel au même fournisseur
encadrés sur ses diffé(Siemens) pour les moteurs
rents sites industriels,
et les variateurs, afin de
STMicroelectronics afs’affranchir d’éventuels
firme : « Nous adoptons
problèmes d’accouplement.
les réglementations sur
 Les dernières générations de
l’environnement (…) les
variateurs comportent des
plus sévères dans tous les
dispositifs de compensation
pays dans lesquels nous
d’harmoniques et de
opérons et les appliquons à
redressement du cosinus phi,
chacun de nos sites. Notre
ce qui permet d’obtenir
vision est de devenir une
de la souplesse au niveau de
l’installation électrique.
société qui tend vers un
impact nul de notre acti-
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vité sur l’environnement. » Cette fibre écologique doit-elle probablement beaucoup aux
origines européennes de la société, crée suite
au regroupement en 1987 des activités
semi-conducteurs du Français Thomson
Semiconducteurs et de l’Italien SGS Microelettronica.
Il ne fait aucun doute que la société compte
en tirer quelques avantages. En effet, on peut
également lire dans le décalogue : « Nous
croyons que cet engagement peut nous rendre financièrement plus fort et contribuer à attirer les gens
les plus responsables et les plus compétents pour
qu’ils travaillent avec nous. »
Le site de Crolles fabrique des plaquettes de
200 mm (Crolles1) et 300 mm (Crolles2)
de diamètre, comportant quelques centaines de
composants destinés, entre autres, aux
ordinateurs, téléphones mobiles et périphériques
informatiques.
La culture de l’environnement
Le décalogue fixe les objectifs que doivent
viser les quinze sites de fabrication en matière de réduction de la consommation
d’énergie, de limitation d’utilisation de produits chimiques et de capacités de traitement
des déchets. Pour certains domaines, il est
Crolles, un des plus gros sites du groupe
Fort de ses 4 000 employés, le site STMicroelectronics de Crolles (près de Grenoble)
associe recherche et fabrication de façon très imbriquée, et bénéficie de la collaboration des chercheurs du CEA-LETI et du CNRS.
Le site est un des leaders mondiaux dans le domaine de la recherche technologique
pour les fonctions logiques.
En ce qui concerne la production, Crolles comprend deux grandes usines : Crolles1
(ouvert en 1992) fabrique les circuits sur des galettes de silicium de 200 mm de
diamètre, contre 300 mm pour Crolles2, opérationnel depuis 2002. La capacité de
production installée est de plus de 7 000 tranches de 200 mm par semaine et
de plus de 2 500 tranches de 300 mm par semaine. Les ateliers de fabrication sont
opérationnels 24 h sur 24 h, et c’est plus de 2 000 techniciens de fabrication
qui se relaient 365 jours par an pour mener à bien l’activité de production.
Avec 500 millions de transistors au cm2, la R&D technologique vise à développer
et à contrôler les procédés afin d’éliminer tout défaut de fabrication, diminuer
la taille des transistors, ceci afin d’améliorer leurs performances tout en réduisant les
coûts de fabrication. Actuellement, STMicroelectronics passe des dimensions de
65 nanomètres à celles de 45 nanomètres et cette nouvelle filière de production est
opérationnelle dès cette année 2008 à Crolles.
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incontournable pour
Le site de
STMicroelectronics
de Crolles est
situé dans la magnifique
vallée du Grésivaudan
entre Grenoble et
Chambéry. La culture
du respect de
l’environnement
s’applique à
l’ensemble des sites
de la société.
d’ores et déjà difficile d’aller plus loin : « L’eau
que nous rejetons dans l’Isère est de la qualité 1B,
classifiée comme une eau de baignade », indique
ainsi David Ferrand, responsable des
“Facilities” à STMicroelectronics Crolles.
Désormais bien ancrée dans les esprits du
personnel de STMicroelectronics, la culture du
respect de l’environnement est systématiquement prise en considération lorsqu’il
s’agit de rénover ou faire évoluer un équipement. Dès l’ouverture de la tranche Crolles2,
les techniciens chargés des “Facilities” (c’està-dire les installations chargées d’approvisionner en énergie, air, gaz, eau et liquides
les unités de process) se sont posé la question de la consommation électrique. Les
pompes et ventilateurs, très importants dans
les usines de semi-conducteurs, ont bien été
au centre de la réflexion. On le sait, l’utilisation de variateurs de vitesse permet de faire
des économies d’énergie par rapport aux
solutions traditionnelles qui consistent à
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faire tourner les équipements à vitesse fixe
et à régler le débit en agissant sur des ventelles (dans le cas des ventilateurs) ou des vannes de régulation (dans le cas des pompes).
STMicroelectronics s’est depuis longtemps converti aux variateurs de vitesse. « Les ventilateurs
et les pompes de Crolles1 (qui a été construit en
1992) étaient déjà équipés de variateurs de vitesse,
la plupart fonctionnant en U/f. Sur Crolles2 (qui
a démarré en 2002), nous avons retenu cette approche mais en tenant compte de l’évolution de ➜
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Principe d’un variateur de vitesse standard
Redresseur
Pré-charge
Bus CC
Onduleur
U2
V2
W2
U1
V1
W1
M
Moteur
Réseau
V, f = variables
U, f = constants
U
U
Vdc
CA - CC
CC - CA
Tension du bus continu : approx. 1,35 x 400V = 540Vcc
ce qui implique une puissance transformateur de 1,4 fois la puissance mécanique
Principe d’un variateur “Active Infeed”
AIM
ALM
MM
Ligne
LCM
M
Moteur
U
U, f = constants
Ex : 3-ph., 400Vca
CA - CC
Udc
CC - CA
Approx. 1,5 x 400 V = 600 Vcc
LCM = Line Connection Module
ALM = Active Line Module
U
V, f = variable
AIM = Active Interface Module
MM = Motor Module
Tension du bus continu : approx. 1,5 x 400V = 600Vcc
ce qui implique une puissance transformateur de 1,1 fois la puissance mécanique
Avantages :
- Tension du bus CC régulée et stable
- Immunité aux fluctuations du réseau
- Courant sinusoïdal dans les 4 quadrants (régimes “moteur” ou “frein”, dans les deux
sens de rotation)
- Renvoi d’harmoniques au réseau très faible
- Compensation de la puissance réactive
Basée sur l’utilisation de transistors de puissance IGBT au lieu des habituels thyristors, la technologie Active Infeed utilisée sur les
pompes et ventilateurs des installations de ST Crolles apporte de nombreux avantages par rapport à la technologie mise en
œuvre dans les variateurs de vitesse classiques. La tension du bus à courant continu étant plus élevée, Active Infeed permet entre
autres, pour une puissance mécanique donnée (développée sur l’arbre du moteur), de réduire la taille du transformateur
électrique placé en amont. Elle élimine également les harmoniques de courant et redresse le cosinus phi, ce qui simplifie la conception
de l’installation électrique et permet de modifier plus facilement la configuration des installations au cours du temps.
➜ la technologie : désormais, pratiquement tous les
variateurs sont de type VCF (contrôle vectoriel de
flux) et nous faisons appel à des moteurs à haut
rendement », résume Charly Burgaud, responsable “Facilities Electricity” du site de
Crolles2. Les moteurs à haut rendement (des
EFF1 de Siemens) coûtent environ 20 % plus
cher à l’achat, mais pour un moteur, le coût
de possession, c’est-à-dire essentiellement
l’énergie qu’il consomme, compte autant
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que le prix d’achat. A Crolles, le surinvestissement est amorti en moins d’un an. Cela
confirme, comme le précise le décalogue
déjà évoqué, que l’écologie n’est pas antinomique de la rentabilité…
Variateur et moteur, un couple
fusionnel
Le progrès est perpétuel : Crolles2 a été
conçu en s’appuyant sur l’expérience de
Crolles1, et la mise à niveau de Crolles1 est
faite en prenant en compte les retours d’expérience de Crolles2… Ces retours d’expérience ont conduit STMicroelectronics à revoir
sa politique en matière de variation de vitesse. Sur Crolles1, se souvient Charly
Burgaud, « nous avions eu des expériences malheureuses au niveau des couples variateurs/moteurs.
Pour éviter par avance de nouvelles déconvenues sur
Crolles2, nous avons décidé que les variateurs et les
moteurs seraient de la même marque. Ceci nous a
conduits à retenir Siemens, qui avait une offre répondant bien à nos attentes ». Mais ce n’est pas
pour autant que l’on peut tout se permettre
en matière d’association variateur/moteur.
Par exemple, pour un point de fonctionnement donné, selon que l’on prend un moteur à quatre ou six pôles, le courant absorbé
n’est pas le même et le variateur à utiliser
sera donc différent. Autre exemple : sur les
dernières générations de variateurs, les transistors IGBT ont remplacé les traditionnels
thyristors, ce qui se traduit par des variations
de tension (dv/dt) beaucoup plus rapides et
des tensions crête plus importantes ; les moteurs utilisés doivent être conçus (en termes
d’isolement) pour les supporter.
STMicroelectronics a choisi d’associer chez un
même fournisseur le couple variateur et moteur, en maintenant le principe de “multiple
sourcing”. Mais, la plupart du temps, les variateurs et les moteurs ne sont pas achetés
chez le même fournisseur, ni au même endroit. Par exemple, sur des installations plus
récentes du site, bon nombre de moteurs ont
été achetés par les fournisseurs de ventilateurs ou de pompes, et livrés intégrés sur ces
équipements. Les variateurs ont par contre
été fournis par la société chargée de l’ingénierie en automatismes. « Les choses se sont bien
passées car les fournisseurs de ventilateurs et pompes
nous avaient bien informés sur les caractéristiques
des moteurs utilisés et leur point de fonctionnement,
ce qui facilitait le choix et le paramétrage des variateurs associés », commente Charly
Burgaud.
Dans d’autres applications, les moteurs et les
variateurs sont commandés par la même
société. Tout dépend en fait comment la société responsable de l’installation découpe
ses lots. Se pose alors la question de savoir
s’il est préférable que l’équipementier en
ventilateurs ou pompes monte le moteur ou
s’il délègue cette tâche à l’ingénierie chargée
de développer l’automatisme de l’installation. Pour Charly Burgaud, le choix dépend
de la puissance de l’équipement. Pour une
pompe ou un ventilateur standard, en général de petite ou moyenne puissance, il vaut
mieux que le fournisseur de l’équipement
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Les process de fabrication sont très exigeants en termes de qualité de l’air.
se charge d’intégrer le moteur. Pour les équipements de forte puissance, par contre, les
problèmes à traiter sont plus complexes, les
interfaces mécaniques prennent plus d’importance et la meilleure solution est de fournir la réalisation de l’intégration à l’ingénierie chargée de l’automatisme.
Un variateur complet
par équipement
Les variateurs de vitesse, on le sait, comportent trois sous-ensembles : un redresseur, un
bus à courant continu et un onduleur. Dans
certaines applications, souvent pour des raisons de coût, les industriels choisissent de
placer un gros redresseur en tête de l’installation et de connecter des variateurs simpli-
fiés (ne comportant que l’onduleur) sur le
bus à courant continu. Ce n’était pas envisageable à Crolles car il fallait impérativement
assurer la continuité de service. Il va sans dire
que l’immobilisation (pour cause de panne
ou de maintenance) du redresseur entraînerait ipso facto la mise hors service de plusieurs
variateurs, et donc de trop nombreuses
pompes et ventilateurs. Impensable, car pour
la fabrication, les variations de pression et de
qualité de l’air des salles blanches ne sont pas
tolérables. Ce n’est pas la seule raison, explique Charly Burgaud : « En effet, le type de charge
ne pousse pas à utiliser une alimentation à courant
continu commun. Chez nous, avec les pompes, tous
les entraînements sont de type moteur, aucun entraînement ne renvoie de l’énergie sur le bus à courant
Un des principaux acteurs du semi-conducteur
Réalisant presque 10 milliards de dollars de chiffre d’affaires, avec un effectif de
50 000 personnes, 16 unités de R&D, 39 centres de conception, 15 sites de production
et 78 bureaux de vente dans 36 pays, STMicroelectronics fait partie de l’élite des
fabricants de semi-conducteurs et se situe dans le peloton groupé (dans lequel on
trouve aussi Texas Instruments, Renesas, Toshiba et Infineon) qui suit les deux
locomotives Intel (trois fois plus gros) et Samsung (deux fois plus gros).
STMicroelectronics propose les gammes de semi-conducteurs les plus diversifiées.
Son portefeuille comprend aussi bien des circuits pour applications spécifiques
(environ 54 % du chiffre d’affaires) incorporant beaucoup de propriété intellectuelle
que des circuits multisegment, qui vont des composants discrets aux microcontrôleurs. Les composants standards et les mémoires flash représentent respectivement 31 % et 14 % du chiffre d’affaires.
Les ventes de STMicroelectronics se répartissent de manière équilibrée entre les cinq
grands secteurs en forte croissance de l’industrie des semi-conducteurs :
les télécommunications (35 %), l’électronique grand public (17 %), les périphériques
informatiques (16 %), l’automobile (16 %) et les applications industrielles (16 %).
Signalons enfin que STMicroelectronics a annoncé un partenariat avec Intel et le
fonds d’investissement Francisco Partners dans le domaine des mémoires Flash.
Une société commune, baptisée Numonyx, va être créée au premier trimestre 2008.
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continu, contrairement aux entraînements tels que
les enrouleuses-dérouleuses ou les équipements de
levage, par exemple, que l’on rencontre sur certains
sites industriels. Les ventilateurs de la centrale de
traitement d’air (extraction d’air), qui tournent en
permanence et qui ne sont pas arrêtés plus de deux
fois par an, fonctionnent pratiquement toujours en
mode “moteur”, et qui peuvent fonctionner en mode
“frein”. » Pour la petite histoire,
STMicroelectronics a constaté, même si ce
n’était pas le but recherché au départ, que
l’installation de la nouvelle génération de
variateurs de Siemens en quatre quadrants lui
avait permis d’améliorer la dynamique de la
régulation des installations HVAC (ventilation/climatisation) des salles blanches : il est
en effet possible de contrôler l’accélération
et la décélération, et de faire par exemple des
basculements de ventilateurs à la volée, chose
qui n’aurait pas été envisageable s’il n’y avait
pas de possibilité de contrôle de la rampe de
descente.
Pas de contrainte pour
l’installation électrique
L’industrie du semi-conducteur est une des
plus dynamiques qui soit, avec un renouvellement incessant des produits, mais aussi
avec des fortes variations des plans de charge.
A Crolles, comme ailleurs, les équipements
annexes à la production (les “utilities” et le
‘‘pôle process’’) doivent être adaptés en ➜
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L’alimentation en air des salles blanches joue un rôle capital dans la fabrication des semiconducteurs. Les ventilateurs sont équipés de variateurs de vitesse qui permettent de contrôler très
précisément la qualité de l’air.
➜ permanence pour répondre à la demande. Une des conséquences est qu’il est
difficile de dimensionner les équipements
en alimentation en énergie électrique. « Il y
On voit ici les armoires des variateurs de vitesse de Siemens, équipées de la technologie Active
Infeed, qui assurent notamment une compensation des harmoniques et une compensation du
cosinus phi.
a la taille des transformateurs, bien sûr, mais aussi
celle des équipements de compensation des harmoniques et des équipements de rephasage (de façon à
ramener le cosinus phi proche de 1, ce qui réduit les
Extraits du “décalogue”
STMicroelectronics a édité, il y a une dizaine d’années, un “décalogue” fixant ses
objectifs en matière de santé, sécurité et environnement.
Ce document est publié en bonne place sur les sites industriels et sur le site internet
du groupe. Voici quelques extraits visant plus particulièrement le domaine de
l’environnement.
Energie :
Réduire la consommation totale d’énergie (kWh par unité de production) d’au moins
5 % par an, à travers l’optimisation des procédés de fabrication et de distribution
d’énergie, des mesures d’économie et une conception optimisée des bâtiments.
Eau :
Réduire les prélèvements d’eau (mètres cubes par unité de production) d’au moins
5 % par an, grâce à des mesures de préservation, d’optimisation des procédés,
de réutilisation et de recyclage.
Emissions de CO2 :
Réduire les émissions totales de CO2 liées à notre consommation d’énergie (tonnes
de CO2 par unité de production) d’au moins 5 % par an.
Déchets :
Réduire les consommations des produits chimiques et les rejets, réduire la production des déchets, réutiliser ou recycler au moins 95 % des déchets.
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pertes d’énergie et ne grève pas la facture d’électricité). Pour éviter d’avoir à se préoccuper de ces problèmes, les variateurs que nous installons désormais
sont équipés de la technologie Active Infeed de
Siemens, qui filtre les harmoniques générés par l’entraînement et assure aussi un redressement du cosinus phi », explique Charly Burgaud.
Le variateur filtre les harmoniques générés
par l’entraînement avec un THDI (taux de
distorsion harmonique) inférieur à 3 % et
le mode de fonctionnement en régulation
de cosinus phi permet de réguler la puissance réactive. La combinaison du faible taux
d’harmonique et du cosinus phi évite le
surdimensionnement des transformateurs et
réduit l’investissement à ce niveau (lorsque
l’on avait affaire aux premières générations
de variateurs, le surdimensionnement en
puissance pouvait aller jusqu’à 40 %).
La technologie Active Infeed présente un
autre intérêt, qui se situe au niveau du bus à
courant continu : la tension continue générée atteint 1,5 fois la valeur efficace de la
tension d’alimentation du variateur, contre
1,35 fois pour un variateur classique. Ceci
apporte plusieurs avantages, notamment
celui de disposer d’une réserve de puissance
au niveau du moteur et une meilleure immunité aux creux de tension.
Jean-François Peyrucat
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