Un ventilateur centrifuge de 7,5 kW fonctionnant à plein régime à 3 600 tr/min derrière un registre de refoulement consommera toujours près de 85 % de sa puissance à l'arbre lorsque vous le réduisez à 60 % de débit. L'amortisseur transforme la surpression en chaleur, bruit et vibrations. Remplacez l'amortisseur par un contrôle de vitesse au même point de service et la demande de puissance chute à environ 25 % à 30 %. Ce chiffre unique explique pourquoi les ventilateurs centrifuges à vitesse variable apparaissent dans presque tous les audits énergétiques des usines.
La conclusion d'abord : les économies proviennent rarement de la seule roue. Ils proviennent de la spécification de la turbine, du moteur, de l'entraînement et de la boucle de contrôle dans un seul ensemble, car un ventilateur à vitesse variable qui est assorti sur le papier mais qui ne correspond pas du côté du moteur surchauffera, vibrera ou chassera au cours de la première année. Tout ce qui suit explique pourquoi et ce qu'il faut vérifier avant de passer la commande.
Ce qui compte comme ventilateur centrifuge à vitesse variable
Un ventilateur centrifuge déplace l'air en faisant tourner une turbine à l'intérieur d'un boîtier à volutes. « Vitesse variable » signifie simplement que le débit d'air est ajusté en modifiant le régime de la turbine au lieu de fermer un registre ou une aube d'entrée. Trois formules dominent le marché :
- VFD plus un moteur à induction triphasé. La voie la plus courante à partir d’environ 1 kW. Un moteur bipolaire tourne à 3 600 tr/min à 60 Hz et 3 000 tr/min à 50 Hz ; un moteur à quatre pôles tourne à 1 800 ou 1 500 tr/min. Le taux de réglage pratique est généralement de 30 à 50 % de la vitesse nominale.
- Moteur EC ou BLDC avec électronique intégrée. Le moteur et le variateur sont adaptés en usine, ce qui élimine toute une classe d'erreurs de configuration. Typique dans les petits ventilateurs inférieurs à environ 1 kW.
- Entraînement par courroie avec poulie réglable. Pas d'électronique du tout. La vitesse est ajustée manuellement lors de la mise en service, ce qui est utile pour affiner un système qui fonctionnera ensuite à un point fixe.
L'entraînement direct vous évite le glissement de la courroie, aucun entretien de la courroie et une lecture précise de la vitesse. La transmission par courroie absorbe les charges de choc, tolère les petits désalignements et vous permet de déplacer le point de fonctionnement en modifiant le rapport de poulie. Ni l’un ni l’autre n’est automatiquement meilleur ; le choix suit le cycle de service. Si vous souhaitez un rappel sur la façon dont ces moteurs sont enroulés, refroidis et assemblés, cet aperçu de construction du moteur du ventilateur couvre les fondamentaux.
Lois d’affinité : d’où vient réellement l’énergie
Pour un système fixe, le débit d’air change en proportion directe avec la vitesse, la pression statique avec le carré de la vitesse et la puissance à l’arbre avec le cube de la vitesse. Réduire de moitié la vitesse ne réduit pas de moitié la puissance, mais la réduit à environ un huitième.
| Vitesse (% de la valeur nominale) | Débit d'air (%) | Pression statique (%) | Puissance à l'arbre (%) |
|---|---|---|---|
| 100 | 100 | 100 | 100 |
| 90 | 90 | 81 | 73 |
| 80 | 80 | 64 | 51 |
| 70 | 70 | 49 | 34 |
| 60 | 60 | 36 | 22 |
| 50 | 50 | 25 | 13 |
Les installations réelles s'écartent du cube. La résistance du système, les pertes d'entraînement de 3 % à 6 %, une baisse du rendement du moteur lorsque la charge tombe en dessous d'environ 50 % et un débit d'air minimum requis pour le processus aplatissent la courbe. Les fuites dans les conduits et les turbines surdimensionnées aggravent la situation. Considérez la loi du cube comme un plafond d’épargne et non comme une prévision.
Comparaison des options d'entraînement et de moteur
La plage de vitesse que vous pouvez réellement utiliser dépend autant du moteur et de l'entraînement que de la roue. Le tableau ci-dessous compare les dispositions les plus courantes en matière de ventilation, de refroidissement et d'air de traitement.
| Disposition | Plage de vitesse pratique | Efficacité à charge partielle | Utilisation typique | Attention à |
|---|---|---|---|---|
| VFD avec moteur à induction | 100 % jusqu'à 30-50 % | Élevé, moins 3 à 6 % de perte de disque | 1 kW et plus, industriel et commercial | Isolation du variateur, courants d'arbre, harmoniques, longueur du câble moteur |
| EC ou BLDC avec variateur intégré | 100 % jusqu'à 20-30 % | Plus élevé dans les petites tailles | Petits ventilateurs, unités compactes | Réparation limitée sur le terrain ; généralement remplacé, pas rembobiné |
| Entraînement par courroie, poulie réglable | 100 % jusqu'à 60-70 %, manuel | Faible, perte de courroie de 2 à 5 % | Ventilation simple, rénovations | Réglage manuel uniquement, usure courroie, alignement |
| Vitesse fixe avec registre ou aubes d'admission | 100% seulement | Mauvais à charge partielle | Systèmes existants en attente de mise à niveau | Énergie gaspillée sous forme de chaleur, bruit plus élevé, pas de véritable réduction |
Détails du moteur qui décident si le ventilateur survit
La puissance nominale et la taille du cadre constituent la partie la plus simple de la spécification. Ce sont les détails qui différencient un ventilateur qui fonctionne pendant une décennie de celui qui est retiré tous les 18 mois.
Petit moteur de ventilateur à vitesse et fréquence variable YYK-60 1. Petite taille, grand volume d'air, vitesse de fréquence variable, petit moteur de ventilateur YYK-60 est de petite taille. Il s'agit d'une pale de ventilateur vortex optimisée avec une haute performance... Voir le produit → - Vitesse minimale continue. Un moteur entièrement fermé et refroidi par ventilateur se refroidit lui-même grâce à un ventilateur sur l'arbre. En dessous d'environ 30 à 40 % de la vitesse nominale, le ventilateur ne déplace plus suffisamment d'air à travers le cadre, de sorte que la température de l'enroulement augmente même si la charge a baissé. Demandez la vitesse continue minimale, pas seulement la vitesse nominale.
- Classe d'isolation et élévation de température. L'isolation de classe F avec une élévation de température de classe B est une référence industrielle courante. Dans un plafond chaud ou une unité de toit, cette marge est ce qui maintient le bobinage en vie en août.
- Roulements. Les roulements à billes avec une durée de vie L10 adéquate à la charge radiale réelle, correctement préchargés et blindés, se comportent bien mieux que l'option disponible la moins chère. Les paliers lisses conviennent à un service continu à basse vitesse mais ne doivent jamais fonctionner à sec.
- Tolérances d’arbre et de montage. Le diamètre d'extension de l'arbre, la taille de la rainure de clavette et le faux-rond total indiqué sont importants lorsque la roue est boulonnée directement à l'arbre. Un voile excessif se manifeste par une vibration une fois par tour qu'aucun équilibrage ne pourra corriger.
- Taux de service de l'onduleur. Un moteur entraînant un VFD doit être conçu pour cela : une isolation des enroulements conçue pour une commutation rapide et un plan d'atténuation du courant de roulement pour les châssis plus grands.
Avant de commander, envoyez quatre numéros au fournisseur : le point de service en débit d'air et en pression statique, la température ambiante, l'altitude si elle est supérieure à 1 000 m et le mode de contrôle que vous comptez utiliser. Cet ensemble de quatre évite la plupart des problèmes de non-concordance qui apparaissent après la mise en service.
Problèmes qui apparaissent après la mise en service
La plupart des plaintes sur le terrain concernant les ventilateurs à vitesse variable ne sont pas du tout des problèmes de turbine. Ils se regroupent autour de cinq causes profondes, dont une seule est mécanique.
Figure 2 : Répartition des problèmes typiques de mise en service et de la première année signalés sur les installations de surpresseurs à vitesse variable.
Les solutions pratiques ne sont pas glamour. Définissez une fréquence plancher au lieu de laisser le variateur évoluer vers 15 Hz. Programmez une bande sautée autour de n'importe quelle vitesse qui produit un pic de résonance. Donnez à la boucle PID un temps de rampe réaliste afin que le ventilateur ne poursuive pas chaque petit scintillement de pression. Gardez les câbles moteur courts ou installez un filtre du/dt ou sinusoïdal lorsqu'ils ne le sont pas.
Applications : refroidissement, ventilation et traitement de l'air
Dans les refroidisseurs par évaporation et les refroidisseurs d'air, le ventilateur et la pompe de circulation d'eau partagent une même tâche : déplacer un grand volume d'air à basse pression statique tout en maintenant un bruit suffisamment faible pour une chambre ou un bureau. Faire fonctionner le ventilateur à vitesse réduite la nuit ou par temps doux réduit à la fois la facture d'électricité et le bruit, c'est pourquoi les entraînements à fréquence variable sont devenus la norme sur les plus grandes unités de refroidissement.
Moteur de refroidisseur d'air à conversion de fréquence YYK-250 Moteur de refroidisseur d'air, coque en aluminium YYK-250 Voir le produit → La même logique s’applique aux purificateurs d’air industriels et à la ventilation générale : le filtre se charge, la résistance du système augmente et un ventilateur à vitesse fixe déplace simplement moins d’air. Une unité à vitesse contrôlée maintient le débit d'air stable en augmentant le régime lorsque le filtre s'obstrue, puis revient à basse vitesse une fois le filtre remplacé. Il s’agit là d’un avantage en matière de contrôle, et pas seulement d’un avantage énergétique.
Air de séchage et de traitement : couple constant à basse vitesse
Les lignes de séchage et de refroidissement nécessitent souvent un débit d'air modéré et stable sur un cycle de service long plutôt qu'un pic élevé. Ici, le moteur est sélectionné pour un fonctionnement continu à vitesse partielle, avec la marge thermique nécessaire pour survivre des heures à 40 Hz dans une enceinte chaude. Un moteur de ventilateur moyenne pression associé à un entraînement donne à l'opérateur de ligne un seul bouton pour le débit d'air, tandis que le processus reste à l'intérieur de sa courbe de séchage au lieu d'être allumé et éteint.
Refroidissement et séchage Moteur de ventilateur moyen YYK-60 Présentation du produit : Voir le produit → Deux habitudes de spécification s'avèrent payantes dans ce type de tâche : dimensionner le moteur pour la pire des conditions ambiantes plutôt que pour l'état de la plaque signalétique, et confirmer l'intervalle de lubrification des roulements pour la plage de vitesse réelle, car un moteur silencieux à 60 Hz peut développer un gémissement à 35 Hz si les roulements sont marginaux.
Foire aux questions
Chaque surpresseur centrifuge bénéficie-t-il d'une vitesse variable ?
Non. Si le système fonctionne réellement à son point de conception toutes les heures de l'année, un ventilateur à vitesse fixe correctement dimensionné avec un moteur à haut rendement peut être la solution la moins chère et la plus simple. La vitesse variable est rentable là où le point de fonctionnement se déplace : fonctionnement à charge partielle, reculs nocturnes, chargement des filtres ou changements météorologiques saisonniers.
À quelle température puis-je faire fonctionner le ventilateur avant que le moteur ne devienne un problème ?
Pour un moteur TEFC auto-refroidi, prévoyez 30 à 40 % de la vitesse nominale comme plancher de travail et confirmez ce chiffre auprès du fournisseur du moteur. En dessous, soit acceptez une valeur nominale continue réduite, soit spécifiez une ventilation forcée.
Un VFD peut-il être ajouté à un moteur de ventilateur existant ?
Parfois. Les moteurs plus anciens peuvent manquer d'isolation pour l'onduleur, et les longs câbles moteur peuvent créer des pointes de tension et des courants de roulement. Les options habituelles sont un filtre du/dt, un filtre sinus ou simplement le remplacement du moteur par une unité équipée d'un variateur. Faites le calcul avant de vous engager dans la rénovation.
Quelle quantité d’énergie vais-je réellement économiser ?
Cela dépend du nombre d'heures que vous passez à charge partielle. Une chute de 100 % à 80 % de la vitesse équivaut en théorie à environ 49 % de la puissance de l'arbre et généralement entre 35 % et 45 % en pratique une fois prises en compte les pertes d'entraînement et le rendement du moteur.
Obtenir la bonne spécification du premier coup
Un ventilateur centrifuge à vitesse variable est une décision système. Choisissez la turbine pour le point de fonctionnement, le moteur pour la vitesse la plus lente à laquelle elle fonctionnera réellement, l'entraînement du moteur et la boucle de contrôle pour le processus. Alignez ces quatre éléments et les économies d’énergie deviennent un sous-produit d’une bonne ingénierie plutôt qu’une promesse figurant sur une fiche technique.
Si vous disposez déjà du point de service (débit d'air, pression statique, mode ambiant et de contrôle), envoyez-le via notre page de contact et nous pouvons l'associer à un châssis de moteur qui résiste à une vitesse partielle, pas seulement à la vitesse nominale.
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