Indissociable des compresseurs, la vitesse variable s’étend aux ventilateurs

Deux technologies existent pour obtenir une vitesse variable : la variation de fréquence pour les moteurs alimentés en courant alternatif, les convertisseurs de fréquence pour les moteurs brushless à courant continu.

Tout commence par le désir croissant d’économiser l’énergie dans l’industrie, comme dans le bâtiment. La plupart des systèmes thermodynamiques en froid, en climatisation, chauffage ou production d’ECS, sont dimensionnés pour couvrir la pointe des besoins. Pourtant, durant parfois plus de 90 % de l’année, les besoins sont réduits et les systèmes fonctionnent à une fraction de leur puissance nominale.

Ajuster la puissance fournie aux besoins

L’idée toute simple consiste donc à moduler la puissance fournie pour l’ajuster au plus près de la demande. La Directive ecoDesign dans sa version 2013-2015, l’arrivée de la variation de fréquence sur les moteurs alimentés en courant alternatif dans les compresseurs, puis la généralisation des moteurs à courant continu et commutation électronique destinés aux ventilateurs, ont pesé dans ce sens.

Les moto-ventilateurs de Ziehl-Abegg sont utilisables aussi bien pour des machines neuves qu’en retrofit sur des installations existantes. À noter aussi que le constructeur propose désormais toujours le couple ventilateur + motorisation EC embarquée et entraînement direct.

Du variateur de vitesse à l’inverter

triels ont commencé par des variateurs de vitesse déportés, avant de migrer progressivement vers des variateurs de vitesse embarqués. Dans le monde de la thermodynamique et du traitement d’air, les marques de variateurs de vitesse déportés les plus connues en Europe sont ABB, Carel, Danfoss, Hitachi, Omron, Parker, Riello ou encore Toshiba-Schneider Electric qui ont uni leurs forces en 2000. Un variateur de vitesse contient en réalité trois appareils :

• le redresseur branché au réseau reçoit la tension triphasée en courant alternatif et la transforme en tension continue,
• un circuit intermédiaire lisse la tension qui sort du redresseur et contrôle celle qui entre dans l’onduleur, le troisième composant,
• l’onduleur alimente le moteur du compresseur à la tension dont il a besoin. C’est lui qui, en variant la fréquence et la tension alimentant le moteur, fait en sorte qu’il tourne plus ou moins vite et donc s’adapte aux besoins de l’installation.

Le format E des variateurs VLT® Danfoss Drives, désormais disponible de 355kW à 560 kW, affiche des dimensions très réduites jusqu´à 73 % plus petites que la génération précédente. Le variateur atteint une efficacité énergétique de 98 % dans toute la plage de puissance.

Dans le cadre des dispositifs d’aide publique à l’amélioration de la performance énergétique, il existe des fiches standardisées de CEE (Certificats d’Economie d’Energie) qui permettent de financer l’ajout d’un variateur de vitesse sur un compresseur frigorifique qui en serait dépourvu. Pour les bâtiments tertiaires, c’est la fiche BAT-TH-112 (système de variation électronique de vitesse sur un moteur asynchrone)  qui est applicable en réfrigération et climatisation. En industrie, il s’agit de la fiche IND-UT-102 (système de variation électronique de vitesse sur un moteur asynchrone qui mentionne expressément les compresseurs frigorifiques.
En climatisation à détente directe et pour les pompes à chaleur, les industriels, initialement les Japonais, ont inventé l’inverter, un variateur de vitesse étroitement intégré au groupe extérieur et pilotant à la fois le compresseur et le ou les ventilateurs. Il n’existe plus aujourd’hui de pompe à chaleur, de groupe de production d’eau glacée ou de groupe à détente directe qui ne soit piloté en variation de vitesse d’une manière ou d’une autre.
En ce qui concerne les compresseurs, la plupart des gammes comportent désormais un variateur embarqué, mais Bitzer, pour ses gammes de compresseurs à piston hermétiques comme les compresseurs Bitzer CKH2 au CO2, propose des variateurs de fréquence externes, dont le Bitzer Varipack.

En octobre 2020, Copeland a introduit la nouvelle gamme de compresseurs YBD Digital Scroll destinés à des applications de moyenne température en réfrigération et conçus pour des réfrigérants A2L à faible GWP : R455A, R454A, R454C and R1234yf

La technologie des moteurs EC brushless (sans balai) est plutôt réservée aux ventilateurs

Le variateur de vitesse avec ses trois composants est rarement utilisé, sauf dans le cas de l’inverter, pour le pilotage des ventilateurs des machines thermodynamiques. Les industriels se tournent plutôt vers des moteurs à courant continu et commutation électronique. Un moteur brushless (sans balai), dit aussi moteur à courant continu à commutation électronique (EC pour Electronic Commutation), ne comporte pas de collecteur : le rotor du moteur est composé d’un ou plusieurs aimants permanents, tandis que le stator est constitué de plusieurs bobinages. Les bobines sont alimentées l’une après l’autre, de façon séquentielle. Ce qui engendre un champ magnétique tournant à la même vitesse que les tensions d’alimentation. L’aimant permanent du rotor s’oriente à tout moment dans le sens de ce champ magnétique. Un moteur brushless est un moteur synchrone : il tourne à la même vitesse que le système de tensions qui l’alimente. Mais à l’inverse d’un moteur synchrone triphasé dont on ajuste la fréquence pour obtenir la vitesse de rotation souhaitée, pour réguler la vitesse d’un moteur brushless, il faut faire varier la tension d’alimentation de chaque bobinage, tout en maintenant une fréquence de commutation adaptée à la fréquence de rotation mesurée du moteur : c’est la commutation électronique (EC).
Ziehl-Abegg et ebm-papst se sont fait une spécialité des ensembles moteur EC régulé-ventilateur pour les groupes de production d’eau glacée, les pompes à chaleur, les condenseurs, les aéroréfrigérants, les tours de réfrigération, et autres CTA. Dans un groupe froid classique, le ou les compresseurs sont pilotés en variation de fréquence, tandis que les ventilateurs, alimentés en courant continu, sont régulés en EC. L’automate du groupe froid se charge d’harmoniser l’ensemble.
On notera enfin que les compresseurs centrifuges Turbocor (Danfoss) sont conçus pour la variation de débit. Ces équipements sur lesquels nous reviendront en début d’année 2021 combinent deux technologies : des moteurs à aimants permanents et des variateurs de fréquence. À suivre donc...

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