Maximiser l'efficacité énergétique avec les variateurs de vitesse – Guide expert (Partie 1)

Dans cet article, Colin Hargis, ingénieur en chef pour Control Techniques, examine la question de l'efficacité énergétique avec les variateurs de vitesse.

Certains lecteurs peuvent savoir qu'une nouvelle réglementation UE est en préparation qui est destinée à contrôler l'efficacité des variateurs et systèmes d'entraînement. La réglementation est encore en consultation donc elle n'a pas encore officiellement de numéro, mais elle peut être identifiée par le mandat CE M/476, et est appelée « Lot 30 » dans le processus de consultation pour la directive Produits Liés à l'Énergie (ErP). La consultation semble bloquée actuellement, mais les normes techniques pour sous-tendre la réglementation existent déjà comme EN 50598-1 et EN 50598-2. L'intention est que les variateurs devront se voir attribuer des classes d'efficacité comme les moteurs industriels, et à un certain stade il est possible que la classe la plus basse soit bannie du marché UE. Les fabricants devront aussi fournir plus de données sur les pertes à charge partielle, pour aider les utilisateurs à évaluer l'efficacité énergétique globale de leur application ou système. Avant que la réglementation elle-même n'entre en vigueur, certains utilisateurs de variateurs peuvent être intéressés d'en apprendre plus sur la réglementation proposée et les classes d'efficacité, pour évaluer si elles sont pertinentes pour l'efficacité énergétique de leur propre produit final ou système. Dans ce blog, nous examinons quelques bases de l'efficacité des systèmes d'entraînement. Dans le prochain, nous examinerons plus en détail certains problèmes découlant des nouvelles normes et de la réglementation proposée.

L'une des principales raisons d'utiliser un variateur de vitesse est de réguler la vitesse d'un moteur pour l'adapter à la demande du processus final qu'il entraîne, afin d'optimiser l'utilisation de l'énergie. Cela est particulièrement précieux lors du déplacement de fluides (gaz et liquides) car la friction visqueuse signifie que la puissance requise pour déplacer le fluide autour d'un circuit varie selon une loi cubique du débit, donc une petite réduction du débit donne une grande réduction de la puissance utilisée. Les méthodes de contrôle telles que registres, vannes et même aubes directrices variables résultent aussi en une perte de puissance inutile. Cette idée est si bien connue qu'il n'y a pas besoin d'en écrire beaucoup plus, il y a de nombreux guides utiles disponibles [ex. références 1 & 2]. Cependant, avec la réglementation à venir à l'esprit, il est utile de revoir quelques principes, principalement pour garder l'effet de la réglementation et des normes en perspective.

Perte d'énergie dans un système d'entraînement

Le diagramme, pas à l'échelle, illustre globalement comment la puissance est consommée dans une application d'entraînement. Il est plus clair de travailler en termes de pertes plutôt que d'efficacités. À chaque étape, il y a une perte de puissance dans le dispositif pertinent, qui est généralement exprimée comme une proportion de son débit assigné.

La puissance perdue émerge sous forme de chaleur, généralement de l'air environnant. Parfois la chaleur peut être mise à bon usage, mais généralement elle doit être considérée comme gaspillée, et elle peut même engendrer des coûts supplémentaires si une ventilation ou un refroidissement supplémentaire de la zone est requis. Les pertes réelles varient grandement à travers diverses applications, mais une répartition typique pour une application de déplacement d'air, fonctionnant à sortie maximale, est donnée dans le Tableau 1. Notez qu'à chaque étape, la perte encourue dans un dispositif est une fonction à la fois de la sortie utile du système et aussi des pertes accumulées de tous les autres dispositifs en aval.

Dans cet exemple, l'efficacité globale est d'environ 56,6 %. La plus grande perte est dans l'actionneur, et le chiffre de perte de 30 % est typique pour un ventilateur déplaçant de l'air. L'air est un fluide difficile à déplacer efficacement, une pompe moderne pourrait avoir des pertes plus proches de 10 %. Toutes les pertes montrées peuvent être réduites par une technologie améliorée, et l'attention portée à l'efficacité énergétique signifie qu'elles tendent toutes à être réduites au fil du temps alors que des conceptions améliorées deviennent rentables ou sont requises par les réglementations.

Notez que la perte du variateur est la plus petite dans la liste, et c'est réaliste dans la grande majorité des applications. La perte de 3 % est plutôt triviale comparée aux autres. Les variateurs modernes ont des pertes très faibles, le principal moteur pour cela étant le désir d'unités physiquement compactes, ce qui signifie que les dispositifs de refroidissement (radiateurs et ventilateurs) doivent être minimisés en taille, donc les pertes aussi doivent être minimisées. Le débit de puissance du variateur inclut toutes les autres pertes, donc la perte principale du variateur de 3 %, basée sur les données du variateur, devient 5,1 % quand elle est exprimée comme proportion de la sortie du système. L'utilisation intelligente du variateur peut souvent permettre des réductions utiles dans les pertes des autres dispositifs, résultant en des économies qui dépassent de loin les pertes dans le variateur. Cependant, nous devons considérer les conditions de fonctionnement réelles plutôt que seulement la condition de charge maximale.

Contrôle et pertes

Les valeurs de perte typiques discutées ci-dessus sont les valeurs « de référence » qui sont données à la charge ou au débit assigné de chaque dispositif. Elles sont donc pertinentes quand le système fonctionne à sa sortie de conception maximale. De nombreux systèmes passent de grandes parties de leur vie à fonctionner en dessous de leur charge assignée, parce que la demande varie mais le système doit être conçu pour le maximum. Aussi, la performance est généralement jugée par la capacité de débit maximal, donc le fournisseur a tendance à surdimensionner les composants pour éviter le risque que le client rejette le système s'il ne livre pas la sortie assignée pendant les essais d'acceptation. Un système de contrôle est donc nécessaire, avec une méthode pour ajuster la sortie. La technique de contrôle appliquée peut affecter l'efficacité à charge partielle beaucoup. Par exemple, il est bien connu que les registres d'air et vannes de régulation causent des pertes à charge partielle assez élevées, parce qu'elles résultent en une hausse de pression au ventilateur ou pompe ce qui signifie qu'il doit développer plus de puissance que nécessaire au point de livraison. Le variateur de vitesse évite cette perte additionnelle.

Les efficacités de tous les composants changent avec la charge. Les détails varient grandement, mais généralement les pertes ont les éléments suivants :

• Une perte fixe qui est indépendante de la sortie. Cela tend à réduire l'efficacité à charge partielle.
• Une perte proportionnelle qui n'affecte pas l'efficacité à charge partielle.
• Une perte croissante (ex. loi carrée) qui tend à réduire l'efficacité à pleine charge.

Le résultat est qu'il y a généralement un niveau de sortie d'efficacité optimum, par exemple dans un moteur asynchrone standard c'est autour de 80 % de l'assignation. À une sortie plus haute, l'efficacité baisse légèrement. À une sortie plus basse, l'efficacité baisse aussi, mais la perte de puissance réelle baisse aussi.

Pertes dans un système d'entraînement électrique à vitesse variable

Ayant résumé la situation générale, nous pouvons maintenant regarder plus en détail le système d'entraînement électrique, c'est-à-dire le moteur et le variateur. La sortie du système est la puissance mécanique à l'arbre du moteur, comprenant le produit du couple et de la vitesse. Le moteur et le variateur ont tous deux des éléments de perte qui varient avec le couple et la vitesse. Le Tableau 2 résume ces éléments. Pour la simplicité, nous supposons que le courant est proportionnel au couple. C'est une simplification car elle ignore le courant d'aimantation du moteur.

Notez que nous devons considérer l'effet de la vitesse et du couple à la fois séparément et combinés. Les pertes résistives dans le moteur sont presque entièrement liées au couple, indépendamment de la vitesse, et c'est aussi vrai pour l'étage onduleur du variateur. D'un autre côté, les pertes dans l'étage d'entrée redresseur du variateur sont purement une fonction du débit de puissance, c'est-à-dire le produit du couple et de la vitesse.

Ce tableau plutôt complexe peut être simplifié quand un type de charge spécifique est considéré où le couple et la vitesse sont liés. Par exemple, une simple pompe ou ventilateur qui alimente un processus avec peu de charge statique, de sorte que la pression est principalement une fonction en loi carrée du débit, donne un couple qui est une fonction en loi carrée de la vitesse. Inversement, un processus tel qu'un système de convoyeur a un couple qui est largement indépendant de la vitesse, mais dépend de la demande sur le convoyeur. Ces deux types de charge sont largement appelés applications d'entraînement « couple variable » et « couple constant » respectivement.

Ainsi que les pertes inhérentes au variateur et au moteur pris séparément, il y a des pertes qui sont une fonction de la combinaison des deux. Les facteurs clés dans l'interdépendance sont :

• Densité de flux magnétique de fonctionnement, contrôlée par le variateur et imposée au moteur, affectant les pertes d'aimantation. (Affectant aussi les pertes résistives pour un couple donné, il y a une densité de flux optimum pour tout couple et vitesse donnés.)
• Commutation MLI (PWM), contrôlée par le variateur et résultant en pertes additionnelles dans le moteur
• Facteur de puissance du moteur, courant réactif imposé par le moteur résultant en pertes de courant additionnelles dans le variateur

Une norme simple pour l'efficacité du variateur ne traiterait que les pertes dans le variateur seul, en utilisant une charge moteur standardisée. Une norme utile doit aborder l'interdépendance et gérer les compromis ; par exemple que la fréquence de commutation MLI choisie doit équilibrer le désir de minimiser les pertes dans le variateur, nécessitant une fréquence plus basse, et le moteur, nécessitant une fréquence plus haute. Elle doit aussi permettre au concepteur d'un système ou machine complet de calculer les pertes dans la machine complète sur sa gamme pratique de conditions de fonctionnement.

Dans le prochain blog, nous examinerons de plus près les normes, particulièrement EN 50598-2, qui spécifient les classes d'efficacité énergétique pour les variateurs, et considérerons comment elles gèrent ces exigences. Nous examinerons aussi les fonctions disponibles dans le variateur qui peuvent optimiser l'efficacité, et en particulier optimiser les pertes à charge partielle qui pourraient être plus importantes qu'elles n'en ont l'air au premier abord.

Références

[1] https://www.carbontrust.com/media/13063/ctg070_variable_speed_drives.pdf

[2] https://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html