Efficacité énergétique avec variateurs de vitesse (Partie 1)

Dans cet article, Colin Hargis, ingénieur en chef chez Control Techniques, se penche sur la question de l'efficacité énergétique des variateurs de vitesse.

Certains lecteurs savent peut-être qu'une nouvelle réglementation européenne est en préparation, destinée à contrôler l'efficacité des entraînements et des systèmes d'entraînement. Le règlement est toujours en consultation, il n'a donc pas encore de numéro officiel, mais il peut être identifié par le mandat CE M/476, et est appelé "Lot 30" dans le cadre du processus de consultation pour la directive sur les produits liés à l'énergie (ErP) . La consultation semble au point mort à l'heure actuelle, mais des normes techniques pour étayer la réglementation existent déjà sous la forme EN 50598-1 et EN 50598-2. L'intention est que les entraînements devront se voir attribuer des classes d'efficacité tout comme les moteurs industriels, et à un moment donné, il est possible que le grade le plus bas soit interdit sur le marché de l'UE. Les fabricants devront également fournir des données supplémentaires sur les pertes à charge partielle, afin d'aider les utilisateurs à évaluer l'efficacité énergétique globale de leur application.

Avant l'entrée en vigueur du règlement lui-même, certains utilisateurs de variateurs peuvent souhaiter en savoir plus sur le règlement proposé et les classes d'efficacité, afin d'évaluer s'ils sont pertinents pour l'efficacité énergétique de leur propre produit ou système final. Dans ce blog, nous examinons certaines des bases de l'efficacité du système d'entraînement. Dans ce qui suit, nous examinerons plus en détail certains problèmes découlant des nouvelles normes et du règlement proposé.

L'une des principales raisons d'utiliser un variateur de vitesse est de réguler la vitesse d'un moteur pour correspondre à la demande du processus final qu'il entraîne, afin d'optimiser la consommation d'énergie. Ceci est particulièrement utile lors du déplacement de fluides (gaz et liquides) car le frottement visqueux signifie que la puissance nécessaire pour déplacer le fluide autour d'un circuit varie comme une loi cubique du débit, de sorte qu'une petite réduction du débit donne une grande réduction de puissance utilisée. Les méthodes de contrôle telles que les amortisseurs, les vannes et même les aubes directrices variables entraînent également une perte de puissance inutile. Cette idée est si bien connue qu'il n'est pas nécessaire d'écrire beaucoup plus à ce sujet, il existe de nombreux guides utiles disponibles [par ex. références 1 &2]. Cependant, compte tenu du règlement à venir, il est utile de revoir quelques principes, principalement pour garder l'effet du règlement et des normes en perspective.

Perte d'énergie dans un système d'entraînement

Le schéma, qui n'est pas à l'échelle, illustre globalement la consommation d'énergie dans une application de variateur. Il est plus clair de travailler en termes de pertes plutôt qu'en termes d'efficacité. À chaque étape, il y a une perte de puissance dans l'appareil concerné, qui est généralement exprimée en proportion de son débit nominal.

La puissance perdue émerge sous forme de chaleur, généralement de l'air ambiant. Parfois, la chaleur peut être utilisée à bon escient, mais elle doit généralement être considérée comme gaspillée et peut même entraîner des coûts supplémentaires si une ventilation ou un refroidissement supplémentaire de la zone est nécessaire. Les pertes réelles varient considérablement d'une application à l'autre, mais une ventilation typique pour une application de déplacement d'air, fonctionnant à la puissance maximale, est donnée dans le tableau 1. Notez qu'à chaque étape, la perte subie dans un appareil est fonction à la fois de la puissance de sortie utile du système ainsi que les pertes cumulées de tous les autres appareils en aval.

Dans cet exemple, le rendement global est d'environ 56,6 %. La perte la plus importante se situe dans l'actionneur, et le chiffre de perte de 30 % est typique pour un ventilateur pour l'air en mouvement. L'air est un fluide difficile à déplacer efficacement, une pompe moderne peut avoir des pertes proches de 10 %. Toutes les pertes indiquées peuvent être réduites par une technologie améliorée, et l'attention portée à l'efficacité énergétique signifie qu'elles ont toutes tendance à être réduites au fil du temps, à mesure que les conceptions améliorées deviennent rentables ou sont requises par la réglementation.

Notez que la perte de disque est la plus petite de la liste, ce qui est réaliste dans la grande majorité des applications. La perte de 3% est plutôt anodine par rapport aux autres. Les disques modernes ont des pertes très faibles, le principal moteur étant le désir d'unités physiquement compactes, ce qui signifie que la taille des dispositifs de refroidissement (dissipateurs thermiques et ventilateurs) doit être minimisée, de sorte que les pertes doivent également être minimisées. Le débit de puissance du disque inclut toutes les autres pertes, de sorte que la perte principale du disque de 3 %, basée sur les données du disque, devient 5,1 % lorsqu'elle est exprimée en proportion de la sortie du système. L'utilisation intelligente du variateur peut souvent permettre des réductions utiles des pertes des autres appareils, entraînant des économies qui dépassent de loin les pertes dans le variateur. Cependant, nous devons tenir compte des conditions de fonctionnement réelles plutôt que de la condition de charge maximale uniquement.

Contrôle et pertes

Les valeurs de perte typiques décrites ci-dessus sont les valeurs « principales » qui sont données à la charge ou au débit nominal de chaque appareil. Ils sont donc pertinents lorsque le système fonctionne à sa sortie de conception maximale. De nombreux systèmes passent une grande partie de leur vie à fonctionner en dessous de leur charge nominale, car la demande varie mais le système doit être conçu pour le maximum. De plus, les performances sont généralement jugées par la capacité de débit maximale, de sorte que le fournisseur a tendance à surdimensionner les composants pour éviter le risque que le client rejette le système s'il ne parvient pas à fournir la sortie nominale lors des essais d'acceptation. Un système de contrôle est donc nécessaire, avec une méthode de réglage de la sortie. La technique de contrôle appliquée peut affecter considérablement l'efficacité à charge partielle. Par exemple, il est bien connu que les volets d'air et les vannes de régulation provoquent des pertes à charge partielle assez élevées, car ils entraînent une augmentation de la pression au niveau du ventilateur ou de la pompe, ce qui signifie qu'il doit développer plus de puissance que nécessaire au point de livraison. . Le variateur de vitesse évite cette perte supplémentaire.

Les rendements de tous les composants changent avec la charge. Les détails varient considérablement, mais généralement les pertes comportent 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 (par exemple, loi quadratique) qui tend à réduire l'efficacité à pleine charge.

Le résultat est qu'il existe généralement un niveau de rendement optimal, par exemple dans un moteur à induction standard, il s'agit d'environ 80 % de la valeur nominale. À une puissance plus élevée, l'efficacité diminue légèrement. À une puissance inférieure, l'efficacité diminue également, mais la perte de puissance réelle diminue également.

Pertes dans un système d'entraînement électrique à vitesse variable

Après avoir résumé la situation générale, nous pouvons maintenant examiner plus en détail le système d'entraînement électrique, c'est-à-dire le moteur et l'entraînement. 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 des éléments de perte qui varient avec le couple et la vitesse. Le tableau 2 les résume. Pour simplifier, nous supposons que le courant est proportionnel au couple. Il s'agit d'une simplification car elle ignore le courant magnétisant 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, quelle que soit la vitesse, et cela est également vrai de l'étage onduleur du variateur. D'autre part, les pertes dans le redresseur de l'étage d'entrée du variateur sont purement fonction de la puissance délivrée, c'est-à-dire du produit du couple et de la vitesse.

Cette image assez complexe peut être simplifiée lorsqu'un type spécifique de charge est considéré où le couple et la vitesse sont liés. Par exemple, une simple pompe ou un ventilateur qui alimente un processus avec une faible charge statique, de sorte que la pression est principalement une fonction quadratique du débit, donne un couple qui est une fonction quadratique 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 généralement appelés respectivement applications d'entraînement à "couple variable" et "couple fixe".

Aux pertes inhérentes au variateur et au moteur pris séparément, s'ajoutent les pertes qui sont fonction de la combinaison des deux. Les facteurs clés de l'interdépendance sont :

• Induction magnétique en fonctionnement, contrôlée par le variateur et imposée au moteur, affectant les pertes magnétisantes. (Affectant également les pertes résistives pour un couple donné, il existe une densité de flux optimale pour un couple et une vitesse donnés.)
• Commutation PWM, contrôlée par le variateur et entraînant des pertes supplémentaires dans le moteur
• Facteur de puissance du moteur, courant réactif imposé par le moteur entraînant des pertes de courant supplémentaires dans le variateur

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

Dans le prochain blog, nous examinerons de plus près les normes, en particulier la norme EN 50598-2, qui spécifient les classes d'efficacité énergétique des variateurs, et examinerons comment elles gèrent ces exigences. Nous regardons également les fonctions disponibles dans le variateur qui permettent d'optimiser le rendement, et notamment d'optimiser les pertes à charge partielle qui peuvent être plus importantes qu'il n'y paraît au premier abord.

Références

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

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