Cet article est le premier d’une série de 9, dédiés au calcul des économies d’énergie issues de l’installation de Variateurs électroniques de Vitesses, dans le cas de mise en mouvement de fluide (pompage, ventilation).

Variateurs électroniques de vitesse, ou variateurs électroniques de fréquences, ou convertisseurs de fréquences, ce sont des termes équivalents. Nous utiliserons souvent « VEV ».

Cette suite d’article a pour objectif d’aller un peu plus loin techniquement dans l’estimation des gains énergétiques de la VEV que ce qui peut être appris au gré des différents forums ou articles sur le sujet. C’est à dire aller un peu plus loin que les lois d’affinités classiques, communément utilisées  et à juste titre (loi cubique entre la puissance et la vitesse ou le débit).

Les articles de cette suite:

  1. Intro
  2. Pris en compte des facteurs indépendants du débit qui affectent la hauteur manométrique.
  3. Les caractéristiques du systèmes qui lient la hauteur manométrique au débit dans une proportion inférieure à celle de la loi carré qui régit les pertes de charge habituelles.
  4. Prise en compte des systèmes de régulation dynamiques en place en plus de la VEV.
  5. Prise en compte de l’impact du changement de régime sur les rendements des ventilateurs et des pompes.
  6. Prise en compte de l’impact du changement de régime sur les rendements des moteurs, notamment pour les petits moteurs, et pour des régimes inférieurs à 35% du régime nominal.
  7. Vérifier si certains équipements de contrôle remplacés par la VEV n’ont pas de meilleurs rendements que ceux communément admis.
  8. Prise en compte du rendement des variateurs.
  9. Mesure réelle de le puissance en pleine charge en plus de la lecture de la plaque signalétique ou la fiche technique.

Pour beaucoup de systèmes de pompage et de ventilation, certains de ces approfondissements ne seront pas pertinents, ou l’effet de ces précisions sera négligeable. Mais il est important de savoir que ces éléments existent, et qu’ils peuvent rendre une estimation totalement fausse.

Ce premier article sert d’introduction et propose les bases de la modélisation.

vieille-pompe

 

Les lois d’affinités :

  • Lorsque la vitesse du fluide augmente, les pertes de charges de l’installation augmentent au carré de ce débit.
  • Le couple que doit fournir le moteur est proportionnel à cette perte de charge. Le couple va augmenter donc au carré de la vitesse du fluide.
  • La puissance est égale au couple multiplié par la vitesse. Par conséquent la puissance va augmenter au cube de la vitesse.

En raison de ces lois, une faible variation de vitesse permet de couvrir une plage de fonctionnement importante.

On en déduit les formules suivantes :

equations-affinité

 

Les courbes standards de charges partielles.

Les lois d’affinité ci-dessus nous donnent la théorie, elles nous disent quelle devrait être la puissance consommée, en fonction du régime de fonctionnement, dans un monde parfait où la régulation permettrait de coller exactement au besoin. Cette courbe théorique suit donc une loi cubique.

Le meilleur système de régulation, d’un point de vue énergétique, sera celui qui colle le plus à cette courbe théorique.

La variation électronique de vitesse, permet de contrôler le régime de fonctionnement d’un moteur en temps réel, en agissant sur la fréquence de son courant d’alimentation, et ainsi de faire travailler ce moteur au plus près du réel besoin du processus industriel en jeu, elle permet donc de s’approcher de cette courbe théorique.

Les puissances consommées des systèmes de pompage et de ventilation, pour divers systèmes de régulation, en fonction du régime de fonctionnement sont disponibles depuis de nombreuses sources. Ci-dessous les courbes de charges partielles des systèmes de régulation les plus communément utilisés :

Courbe-Fonctionnement_ventilateur

 

Courbe-fonctionnement_pompe

Ces courbes de charges partielles ont des limites certaines. Elles ne prennent pas en compte certains paramètres à ne pas négliger.

Il doit tout d’abord être remarqué, que la puissance à plein débit n’est pas la même suivant le type de contrôle utilisé. Le point 100% n’a donc pas la même valeur en kW pour chacun des cas. Par exemple:

  • la puissance consommée par un système moto-pompe, à plein débit avec un variateur électronique de vitesse sur une pompe sera de 3 à 4% supérieure à la puissance consommée par la même pompe à plein débit, sans variateur, du fait de la consommation énergétique du variateur lui-même.
  • La puissance sera supérieure de 5 à 10% dans le cas de variateurs à couplage magnétique.
  • La puissance consommée à plein débit, avec un système de régulation moteur-générateur est bien plus élevée et pourra être supérieure de près de 35% par rapport au même système sans régulation, à plein débit.

Ceci sera vu plus en détail un peu plus loin.

Par ailleurs, la fonction linéaire illustrant la performance du système on-off cycling, ou cycle arrêt-départ, n’est pas tout à fait exacte, car elle considère une relation linéaire entre la puissance moyenne et le débit moyen, mais cette relation linéaire n’est pas vraie à chaque instant. Ce modèle, pratique certes, ne prend pas en compte les courants d’appel. Dans le cas de cycles arrêt-départ très nombreux, la puissance réellement consommée peut alors vraiment dévier de la fonction linéaire utilisée.

Ces courbes et lois sont très pratiques en général, et pertinentes pour beaucoup d’applications, notamment celles proches des conditions standards.

Elles permettent une première estimation, un outil d’aide à la décision quant à la pertinence d’aller plus loin dans l’investigation, en faisant des mesures, des modélisations plus précises et donc plus consommatrices en matière grise et en temps. Dans les articles suivant nous verrons comment aller plus loin dans l’analyse des gains de cette solution très performante mais pas aussi simple qu’il n’y parait qu’est la VEV.