Variateurs de vitesse : améliorer l'efficacité énergétique – Partie 2

Dans cette deuxième partie de série, l'ingénieur en chef de Control Techniques examine plus en profondeur l'obtention d'une plus grande efficacité énergétique en utilisant des variateurs de vitesse.

Le blog précédent a donné un aperçu de l'efficacité des variateurs et de leurs applications, et comment elles sont affectées par le motif de combinaisons vitesse/couple dans une application donnée. Nous examinons maintenant comment la réglementation UE proposée et ses normes associées tentent d'améliorer l'efficacité énergétique des applications finales en fixant des normes de performance et la fourniture de données. Cela inclut les nouvelles classes IE proposées pour les variateurs.

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

Il existe un ensemble de normes européennes (CENELEC) qui ont été créées comme point de départ pour une future réglementation possible, qui est EN 50598 parties 1 à 3 [1]. Il est probable que celles-ci seront en temps voulu utilisées comme base pour des normes internationales (IEC), comme disponibles pour les moteurs. La réglementation UE utilisera probablement les définitions de classes IE de EN 50598-2.

De cette famille de normes, la partie 3 traite de la conception écoresponsable généralement, avec l'accent sur les matériaux utilisés dans le produit et l'impact environnemental de leur élimination éventuelle. Cela est hors du champ de ce blog. La partie 1 traite de la conception de systèmes complets incorporant moteurs et variateurs. Elle vise à relever le défi pour les normes de produit qui s'appliquent inévitablement à l'efficacité énergétique de produits spécifiques pris isolément, quand le but réel est d'essayer d'assurer la meilleure utilisation de l'énergie dans l'application finale, pas les parties individuelles prises séparément. Elle explique les problèmes que nous avons couverts dans le blog précédent, mais en plus de détail, et expose une méthodologie pour évaluer l'efficacité énergétique du système complet en utilisant les données pour le variateur comme définies plus en détail dans la partie 2. La partie 1 est destinée à être utilisée par les comités techniques travaillant sur l'efficacité énergétique d'applications finales spécifiques. Cela est appelé l'« Approche Produit Étendu » (EPA). La partie 1 contient du matériel tutoriel utile pour les concepteurs de systèmes.

La partie 2 est référencée comme EN 50598-2 et elle donne les indicateurs d'efficacité énergétique pour les variateurs, les classes IE, qui sont susceptibles d'être la base d'une future réglementation. La réglementation [2] s'appliquera à un variateur comme produit mis sur le marché dans l'UE. Nous avons vu précédemment que l'impact énergétique d'un variateur dépasse de loin sa propre consommation d'énergie (perte) car il peut permettre des économies d'énergie majeures dans les autres composants d'une application finale. La réglementation ne peut pas anticiper la large gamme de différentes applications finales, donc elle visera à définir les données que le fabricant de 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 d'utiliser un variateur là où c'est approprié l'emporte de loin sur les pertes, et ils ont visé 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 êtes intéressé à en apprendre plus sur le sujet.

En résumé, selon la norme, le fabricant de variateur devra fournir :

• Une classe d'efficacité énergétique pour le variateur, dans la gamme IE0 à IE2, qui est basée sur la perte à un point de fonctionnement spécifique avec courant produisant le couple assigné et 90 % de la fréquence de sortie assignée. La fréquence de commutation MLI (PWM) est fixée à 4 kHz pour les puissances assignées jusqu'à 90 kW et 2 kHz au-dessus de 90 kW. La « perte de référence » qui définit la classe de base IE1 dépend de l'assignation de l'onduleur, mais pour les assignations dans la gamme 5 kW à 75 kW, elle est d'environ 5 % de la puissance apparente de sortie. La perte de classe IE2 est environ la moitié de celle pour IE1.
• Des données montrant la perte de puissance sur une matrice des 9 combinaisons suivantes de courant produisant le couple et fréquence de sortie :

Il est probable que la réglementation interdira la vente de variateurs classe IE0 dans l'UE, et éventuellement fixera un calendrier pour l'interdiction des variateurs classe IE1. La norme contient des dispositions pour de futures classes possibles au-delà de IE2, mais il y a peu d'avantage 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 leur application, en tenant compte de sa caractéristique couple/vitesse spécifique et de son motif de charge, comme nous en avons discuté dans le blog précédent et aussi expliqué dans EN 50598-1.

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

Comprendre le processus complet

Pour optimiser l'efficacité énergétique, de loin l'aspect le plus important d'une application à vitesse contrôlée est de concevoir la fonction de contrôle correctement pour que le processus soit optimisé et la sortie, quelle qu'elle soit, soit disponible comme requis mais sans excès. La compétence principale du concepteur de système d'entraînement est de comprendre le processus global assez bien 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 le variateur ne sont que 20,7 % de la sortie, comparé à 56 % dans la transmission et l'actionneur. La perte moteur de 10 % est typique d'un moteur moderne classe IE3 assigné autour de 7,5 kW, et il est difficile de beaucoup améliorer cela. La perte du variateur est plutôt triviale. Cependant, un ingénieur variateur pourrait être capable de trouver une opportunité d'améliorer le système complet. Regardons une nouvelle conception où le moteur et l'actionneur sont adaptés pour qu'aucune transmission de changement de vitesse ne soit requise. Cela pourrait être rendu possible en utilisant la capacité du variateur à changer 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 sortie.

Dans ce cas, nous avons utilisé la capacité du variateur à s'éloigner d'un nombre restreint de vitesses de base déterminées par la fréquence d'alimentation secteur et le nombre de pôles dans le moteur. Le variateur a aussi une capacité de contrôle programmable pour que les entrées de divers capteurs de processus puissent être utilisées pour aider à optimiser la vitesse pour les conditions réelles de fonctionnement du système. Finalement, le variateur peut aussi agir pour optimiser la condition de fonctionnement du moteur, selon la charge réelle.

Optimiser le contrôle moteur – densité de flux magnétique

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

Il vaut cependant la peine de regarder à nouveau la perte fixe dans le moteur, à cause de la grande classe d'applications où le couple de fonctionnement est souvent bien en dessous de sa valeur assignée. Cela pourrait être dans une application ventilateur ou pompe où la livraison normale est moins que le maximum possible, ou dans une application à couple constant où le couple est généralement moins que le maximum possible. Dans ce cas, la densité de flux magnétique dans le moteur à sa tension de travail est plus élevée que 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 ventilateur qui tourne généralement à 50 % de la vitesse assignée et 25 % du couple assigné. La puissance est donc seulement 12,5 %. La perte fixe magnétique du moteur est de 2 % de l'assignation, ce qui semble trivial. Cependant, c'est en fait 16 % de la consommation de puissance normale. Il serait probablement possible de réduire la tension jusqu'à 50 % sans augmenter le courant significativement, résultant en une perte fixe réduite à environ 4 % de la consommation. La réduction de perte est petite comparée à la puissance assignée, mais elle devient significative comparée à la puissance moyenne réelle de fonctionnement, qui détermine la facture d'électricité du propriétaire.

La méthode traditionnelle pour contrôler la densité de flux magnétique 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. Pourvu que la charge soit vraiment quadratique, c'est-à-dire couple proportionnel au carré de la vitesse, et qu'il n'y a pas de transitoires de couple de charge, cela fonctionne bien.

Pour les applications à couple constant, la fonction Dynamic V/F de Control Techniques est très efficace. Cela fonctionne en adaptant activement la tension au courant moteur. Elle a l'avantage que le flux est affaibli efficacement et automatiquement quand 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 résulte encore en une réaction rapide, le flux est augmenté rapidement pour que le moteur ne cale pas.

Optimiser le contrôle moteur – fréquence de commutation

La commutation MLI (PWM) de l'onduleur entraîne une perte accrue dans le moteur qui est largement indépendante de la charge, c'est-à-dire qu'elle est une perte fixe additionnelle. Plus la fréquence de commutation est haute, plus la perte ajoutée dans le moteur est basse, mais plus la perte de commutation dépendante du courant dans l'onduleur est haute. À pleine charge, la recherche menée dans le développement de EN 50598-2 a montré qu'en dessous de 90 kW, la meilleure efficacité globale du moteur IE3 et du variateur ensemble à charge assignée est donnée quand la fréquence de commutation est d'environ 4 kHz, la courbe étant assez plate. C'est pourquoi la mesure de perte pour la norme est faite à ces fréquences de commutation.

La Figure 1 montre un exemple des pertes dans un petit moteur et son variateur quand la fréquence de commutation varie, à pleine charge (FL) et demi-charge (HL).

La meilleure fréquence de commutation dans cet exemple à pleine charge est d'environ 5 kHz, tandis qu'à demi-charge elle est d'environ 7 kHz, parce que les pertes du variateur à une fréquence donnée sont plus basses à charge partielle. Un variateur qui adapte sa fréquence de commutation au courant moteur peut donner une efficacité à charge partielle améliorée, ce qui peut encore valoir la peine dans une application qui passe beaucoup de temps à charge partielle.

Les variateurs Control Techniques Unidrive M ont une fonction d'adaptation automatique de la fréquence de commutation. Le variateur fonctionne là où c'est possible à la fréquence de commutation la plus haute spécifiée par l'utilisateur, mais la réduit si les pertes du variateur deviennent trop élevées. Cela signifie que la perte de commutation dans le moteur est minimisée sauf si cela entraîne une perte excessive du variateur.