Efficacité énergétique avec les variateurs de vitesse (Partie 2)

Dans la deuxième partie de cette série de blogs, l'ingénieur en chef de Control Techniques approfondit l'obtention d'une plus grande efficacité énergétique à l'aide de variateurs de vitesse.

Le blog précédent donnait un aperçu de l'efficacité des variateurs et de leurs applications, et de la manière dont ils sont affectés par le modèle de combinaisons de vitesse et de couple dans une application donnée. Nous examinons maintenant comment le règlement européen proposé et ses normes connexes tentent d'améliorer l'efficacité énergétique des applications finales en établissant des normes de performance et de fourniture de données. Cela inclut les nouvelles classes IE proposées pour les lecteurs.

Les normes et la réglementation européenne proposée pour l'efficacité des variateurs

Il existe un ensemble de normes européennes (CENELEC) qui ont été créées comme point de départ pour une éventuelle future réglementation, qui est la norme EN 50598 parties 1 à 3 [1]. Il est probable que celles-ci serviront en temps voulu de base aux normes internationales (CEI), comme celles qui existent pour les moteurs. Le règlement de l'UE utilisera probablement les définitions de classe IE de la norme EN 50598-2.

De cette famille de normes, la partie 3 traite de la conception respectueuse de l'environnement en général, en mettant l'accent sur les matériaux utilisés dans le produit et l'impact environnemental de leur élimination éventuelle. Cela sort du cadre de ce blog. La partie 1 traite de la conception de systèmes complets qui intègrent des moteurs et des variateurs. Il vise à relever le défi des normes de produits qui s'appliquent inévitablement à l'efficacité énergétique de produits spécifiques pris isolément, alors que l'objectif réel est d'essayer d'assurer la meilleure utilisation de l'énergie dans l'application finale, et non les pièces individuelles prises séparément. Il explique les problèmes que nous avons abordés dans le blog précédent, mais de manière plus détaillée, et définit une méthodologie pour évaluer l'efficacité énergétique du système complet en utilisant les données du variateur telles que définies plus en détail dans la partie 2. La partie 1 est destinée à utiliser par les comités techniques travaillant sur l'efficacité énergétique d'applications finales spécifiques. C'est ce qu'on appelle « l'approche étendue du produit » (APE). La partie 1 contient des didacticiels utiles pour les concepteurs de systèmes.

La partie 2 est appelée EN 50598-2 et donne des indicateurs d'efficacité énergétique pour les variateurs, les classes IE, qui sont susceptibles de constituer la base d'une future réglementation. Le règlement [2] s'appliquera à un variateur en tant que produit mis sur le marché dans l'UE. Nous avons vu précédemment que l'impact énergétique d'un disque dépasse de loin sa propre consommation (perte) d'énergie car il peut permettre d'importantes économies d'énergie dans les autres composants d'une application finale. Le règlement ne peut anticiper le large éventail d'applications finales différentes, il visera donc à définir les données que le fabricant du variateur doit fournir à l'acheteur. Ces données forment le "modèle semi-analytique" qui est utilisé pour l'EPA.

Les groupes responsables de la création de la réglementation et de la norme sont bien conscients que le bénéfice énergétique de l'utilisation d'un variateur là où il convient l'emporte de loin sur les pertes, et ils ont cherché à garder la norme simple et pratique. C'est un document assez long, mais une grande partie du matériel est une explication détaillée des sources de pertes et des modèles mathématiques à utiliser. C'est une lecture recommandée si vous souhaitez en savoir plus sur le sujet.

En résumé, selon la norme, le fabricant du variateur devra fournir les éléments suivants :

• Une classe d'efficacité énergétique pour le variateur, dans la plage IE0 à IE2, qui est basée sur la perte à un point de fonctionnement spécifique avec un courant de production de couple nominal et 90 % de la fréquence de sortie nominale. La fréquence de découpage PWM est fixée à 4 kHz pour les puissances jusqu'à 90 kW et 2 kHz au-delà de 90 kW. La « perte de référence » qui définit la classe IE1 de référence dépend de la puissance nominale de l'onduleur, mais pour les puissances nominales comprises entre 5 kW et 75 kW, elle est d'environ 5 % de la puissance de sortie apparente. La perte de classe IE2 est environ la moitié de celle pour IE1.
• Données indiquant la perte de puissance sur une matrice des 9 combinaisons suivantes de courant de production de couple et de fréquence de sortie :

Il est probable que le règlement interdira la vente de disques de classe IE0 dans l'UE et fixera éventuellement un délai pour l'interdiction des disques de classe IE1. La norme contient des dispositions pour d'éventuelles classes futures au-delà d'IE2, mais il y a peu d'avantages à essayer d'aller plus loin.

Le but de la matrice de données requise est de permettre à un utilisateur de prédire la perte d'énergie de son application, en tenant compte de sa caractéristique couple/vitesse spécifique et du schéma de chargement, comme nous l'avons discuté dans le blog précédent et également expliqué dans la norme EN 50598- 1.

Méthodes pratiques pour améliorer l'efficacité énergétique des systèmes d'entraînement

Comprendre le processus complet

Pour optimiser l'efficacité énergétique, l'aspect de loin le plus important d'une application à vitesse contrôlée est de concevoir correctement la fonction de contrôle afin que le processus soit optimisé et que la sortie, quelle qu'elle soit, soit rendue disponible selon les besoins mais sans excès. La principale compétence du concepteur du système d'entraînement est de comprendre suffisamment bien le processus global pour s'assurer que la vitesse et/ou le couple du moteur sont réglés de manière appropriée pour le processus. Vous pouvez voir dans le tableau 1 du blog précédent que, dans cet exemple, les pertes dans le moteur et l'entraînement ne représentent que 20,7 % de la sortie, contre 56 % dans la transmission et l'actionneur. La perte de moteur de 10 % est typique d'un moteur moderne de classe IE3 évalué à environ 7,5 kW, et il est difficile d'améliorer beaucoup cela. La perte de disque est plutôt insignifiante. Cependant, un ingénieur d'entraînement pourrait être en mesure de trouver une opportunité d'améliorer l'ensemble du système. Examinons une nouvelle conception où le moteur et l'actionneur sont appariés de sorte qu'aucune transmission à changement de vitesse n'est nécessaire. Cela peut être rendu possible en utilisant la capacité du variateur pour modifier la vitesse de base du moteur. Dans ce cas, le tableau 1 deviendrait :

L'efficacité est maintenant améliorée de 56,5 % à 67,9 % et la perte réduite de 76,7 % à 47,3 % de la production.

Dans ce cas, nous avons utilisé la capacité du variateur à s'éloigner d'un nombre restreint de vitesses de base déterminé par la fréquence du réseau et le nombre de pôles du moteur. Le variateur dispose également d'une capacité de contrôle programmable afin que les entrées de divers capteurs de processus puissent être utilisées pour aider à optimiser la vitesse pour les conditions de fonctionnement réelles du système. Enfin, le variateur peut également agir pour optimiser l'état de fonctionnement du moteur, en fonction de la charge réelle.

Optimisation du contrôle moteur - densité de flux magnétique

La perte à pleine charge dans un moteur 4 pôles de classe IE3 varie de 14,5 % pour un calibre de 0,75 kW à 3,8 % pour un calibre supérieur à 185 kW. Dans la gamme largement utilisée et énergivore d'environ 5,5 kW à 55 kW, elle est d'environ 6 %. Il ne semble pas y avoir beaucoup de place pour de nouvelles améliorations ici. La majorité de la perte est une perte de cuivre (conducteur) liée au courant de travail, qui ne peut être améliorée par aucune fonction d'entraînement. La meilleure marge d'amélioration à forte charge est d'utiliser un moteur à aimants permanents afin que le facteur de puissance moteur (cos f) soit proche de 1 et donc le courant réduit.

Il convient cependant de se pencher à nouveau sur les pertes fixes dans le moteur, du fait de la large classe d'applications où le couple de fonctionnement est souvent bien inférieur à sa valeur nominale. Cela peut être dans une application de ventilateur ou de pompe où le débit normal est inférieur au maximum possible, ou dans une application à couple constant où le couple est généralement inférieur au maximum possible. Dans ce cas, la densité de flux magnétique dans le moteur à sa tension de fonctionnement est supérieure à ce qui est nécessaire pour atteindre le couple requis, et la perte fixe dans l'acier magnétique pourrait être réduite en réduisant la tension d'alimentation et donc la densité de flux.

Pour avoir une idée approximative des possibilités, prenons par exemple une application de ventilateur qui fonctionne généralement à 50 % de vitesse nominale et 25 % de couple nominal. La puissance n'est donc que de 12,5 %. La perte fixe magnétique du moteur est de 2 % de la valeur nominale, ce qui semble être trivial. Cependant, cela représente en fait 16% de la consommation électrique normale. Il serait probablement possible de réduire la tension jusqu'à 50% sans augmenter le courant de manière significative, ce qui se traduirait par une perte fixe réduite à environ 4% de la consommation. La réduction des pertes est faible par rapport à la puissance nominale, mais elle devient significative par rapport à la puissance de fonctionnement moyenne réelle, qui détermine la facture d'électricité du propriétaire.

La méthode traditionnelle de contrôle de la densité de flux du moteur dans une application à couple variable est le mode V/F quadratique, où le rapport V/F détermine la densité de flux du moteur. À condition que la charge soit véritablement quadratique, c'est-à-dire que le couple soit proportionnel au carré de la vitesse, et qu'il n'y ait pas de transitoires de couple de charge, cela fonctionne bien.

Pour les applications à couple constant, la fonction Control Techniques Dynamic V/F est très efficace. Cela fonctionne en adaptant activement la tension au courant du moteur. Il présente l'avantage que le flux est affaibli de manière efficace et automatique lorsque le couple de charge est réduit, sans aucune hypothèse sur la caractéristique couple/vitesse de la charge. Cependant, une augmentation soudaine du couple de charge entraîne toujours une réaction rapide, le flux est augmenté rapidement de sorte que le moteur ne risque pas de caler.

Optimisation de la commande moteur – fréquence de découpage

La commutation PWM de l'entraînement de l'onduleur entraîne une perte accrue dans le moteur qui est largement indépendante de la charge, c'est-à-dire qu'il s'agit d'une perte fixe supplémentaire. Plus la fréquence de commutation est élevée, plus la perte ajoutée dans le moteur est faible, mais plus la perte de commutation dépendante du courant est élevée dans le variateur. A pleine charge, les recherches menées dans le cadre de l'élaboration de la norme EN 50598-2 ont montré qu'en dessous de 90 kW, le meilleur rendement global du moteur IE3 et du variateur ensemble à charge nominale est obtenu lorsque la fréquence de découpage est d'environ 4 kHz, la courbe étant assez peu profond. C'est pourquoi la mesure de perte pour la norme est faite à ces fréquences de découpage.

La figure 1 montre un exemple des pertes dans un petit moteur et son entraînement lorsque la fréquence de commutation varie, à la fois à pleine charge (FL) et à mi-charge (HL).

La meilleure fréquence de commutation dans cet exemple à pleine charge est d'environ 5 kHz, tandis qu'à mi-charge elle est d'environ 7 kHz, car les pertes du variateur à une fréquence donnée sont plus faibles à charge partielle. Un variateur qui adapte sa fréquence de découpage au courant du moteur peut améliorer le rendement à charge partielle, ce qui peut également être intéressant dans une application qui passe une grande partie de son temps à charge partielle.

Control Techniques Les variateurs Unidrive M disposent d'une fonction d'adaptation automatique de la fréquence de découpage. Le variateur fonctionne dans la mesure du possible à la fréquence de découpage la plus élevée spécifiée par l'utilisateur, mais la réduit si les pertes du variateur deviennent trop importantes. Cela signifie que la perte de commutation dans le moteur est minimisée à moins que cela n'entraîne une perte d'entraînement excessive.