Automatisme : Le variateur de vitesse, incontournable pour les
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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- 52 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. MESURES 802 - FÉVRIER 2008 - www.mesures.com Solutions Reportage Vu chez STMicroelectronics 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 MESURES 802 - FÉVRIER 2008 - www.mesures.com 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 ➜ 53 Reportage Vu chez STMicroelectronics Solutions 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 54 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 MESURES 802 - FÉVRIER 2008 - www.mesures.com Solutions Reportage Vu chez STMicroelectronics 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. MESURES 802 - FÉVRIER 2008 - www.mesures.com 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 ➜ 55 Reportage Vu chez STMicroelectronics Solutions 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. 56 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 MESURES 802 - FÉVRIER 2008 - www.mesures.com