Un groupe électropompe est toujours déterminé en fonction des caractéristiques débit/hauteur nominales à satisfaire. Or, ces données de base sont soumises à des fluctuations qui dépendent des impératifs d’exploitation. Qu’il s’agisse du simple relèvement d’eaux usées collectives dans une bâche, ou de la distribution d’eau d’irrigation depuis un forage, l’hydraulique de la pompe ne se trouve que très rarement à son point de rendement optimal. En pratique, les besoins fluctuent dans le temps et dans des proportions importantes. L’adaptation à la demande peut se réaliser par divers procédés classiques :
- – vannage, lors d’un refoulement sur canalisation ;
- – mise en parallèle de plusieurs groupes ;
- – installation d’un ballon souvent volumineux dans le cas d’une surpression.
Toutefois, ces solutions sont souvent adoptées au détriment du rendement et de la simplicité de l’installation. En effet, le service que peut assurer un groupe électropompe est caractérisé par sa courbe débit/hauteur H = f(Q) à la vitesse nominale. Si l’on fait abstraction de certaines pertes de charge singulières, le point de fonctionnement se situe à l’intersection entre la courbe caractéristique nominale de la pompe et la courbe de pertes de charge du réseau (figure 1).
Si l’on souhaite modifier le débit, il sera nécessaire de modifier la courbe réseau en introduisant des pertes de charge artificielles, de façon à déplacer le point de fonctionnement sur la caractéristique nominale de la pompe Q = f(H). Cette solution présente le gros inconvénient d’offrir un bilan énergétique assez médiocre.
Il existe une solution plus efficace pour modifier les caractéristiques débit/hauteur d’une pompe : la variation de vitesse. En effet, la vitesse variable permet de translater la courbe caractéristique et, par conséquent, de s’adapter au mieux au débit ou à la pression demandés, grâce à une régulation de vitesse, ce qui permet de déplacer le point de fonctionnement sur la courbe réseau (figure 2).
Il existe de nombreux types d’entraînement électrique à vitesse variable : c’est l’une des applications traditionnelles du courant continu. Toutefois, les équipements à courant continu ne conviennent pas dans tous les cas de figure. C’est pourquoi nos groupes électropompes submersibles sont tous équipés de moteurs asynchrones à cage d’écureuil, de conception simple et robuste. Dans ce type de moteur, il était jusqu’alors possible de faire varier la vitesse par des modifications de couplage au stator, mais cela ne permet pas d’obtenir des paliers fixes. Dans certaines configurations, il est possible d’insérer des coupleurs magnétiques à effet de champs, mais ceux-ci ont des plages de variation limitées et provoquent une forte dégradation de l’énergie consommée.
Il reste enfin une solution, certes plus élaborée, mais rendue possible grâce à l’amélioration de la technologie des composants électroniques de puissance : le convertisseur statique de fréquence. Le principe de ce type d’appareil consiste à se substituer au réseau triphasé 50 Hz pour alimenter un moteur asynchrone
à fréquence variable, ce qui permet de moduler la vitesse à volonté.
Le principe du convertisseur de fréquence entièrement statique n’est pas d'origine très récente. Dès le début du siècle, il fit l'objet de brevets et d'études spécifiques ; malheureusement, il était technologiquement impossible de réaliser des équipements de puissance, en raison de l'absence des composants disponibles actuellement. En effet, depuis le début des années 70, la technologie des semi-conducteurs de puissance ne cesse de progresser à un rythme croissant, et nous disposons désormais de thyristors capables de commuter des courants de plusieurs centaines d'ampères. Ceci est primordial car les différentes conceptions de convertisseurs statiques de fréquence reposent toutes sur la commutation forcée de courant dans les enroulements statoriques. La technologie la plus utilisée actuellement est celle du convertisseur autonome à boucle intermédiaire de courant continu : un pont redresseur transforme le courant du réseau triphasé en un courant continu lissé par une inductance ; ce courant est lui-même, par l'intermédiaire d’un pont onduleur, réinjecté dans chaque phase du stator, à une fréquence variable.
Le convertisseur est dit autonome, car il doit pouvoir fonctionner sur une charge ne possédant pas de force électromotrice, ce qui est le cas des moteurs asynchrones, incapables de fournir l'énergie de commutation nécessaire au pont onduleur. C'est en effet la source qui fournit la puissance magnétisante nécessaire à l'établissement du flux dans la machine.
Sur le plan technologique, le pont redresseur est constitué par un pont de Graetz à 6 diodes ou 6 thyristors selon le cas (voir figure 3).
Le pont onduleur est également constitué par un pont de Graetz à 6 thyristors, comportant en outre un circuit, dit d’extinction, permettant de couper artificiellement la conduction des thyristors (d’où le caractère autonome de l’onduleur).
LA RÉGULATION D’UN GROUPE ÉLECTROPOMPE À VITESSE VARIABLE
Le convertisseur de fréquence permet, indépendamment du contrôle de la fréquence, la régulation des paramètres couple et puissance. Il permet, en effet, un fonctionnement à couple nominal sur toute la plage de fréquence de 0 Hz à f nominale. La puissance sera alors directement proportionnelle à la fréquence (figure 4).
Il est alors nécessaire, dans ces conditions, de maintenir le flux magnétisant à sa valeur nominale afin d’éviter d'une part la saturation, et d’autre part le décrochage. Il est même possible de fonctionner en survitesse, mais à puissance constante ; le couple diminue car on réduit le flux, et le moteur travaille « en défluxé ».
Les possibilités de survitesse sont cependant très limitées dans le domaine du pompage, en raison des caractéristiques centrifuges des hydrauliques.
En effet, le couple résistant évolue suivant le carré de la fréquence, de même que la hauteur de relèvement à débit constant : C = k N², et la puissance en fonction du cube : P = CΩ = C (2πN)² = (2πk) N³.
Il est par conséquent impossible de dépasser la fréquence nominale de plus de 1 ou 2 Hz sans entraîner une surcharge importante du moteur, mais cette surfréquence est en général suffisante pour assurer les recouvrements de caractéristiques entre une pompe à vitesse fixe et une pompe à vitesse variable.
QUELS SONT LES CHOIX TECHNOLOGIQUES À RETENIR DANS L'ASSOCIATION GROUPE ÉLECTROPOMPE/VARIATEUR ?
Il est primordial de bien connaître les différentes techniques en matière de convertisseur afin de pouvoir opter pour les solutions les mieux adaptées. Il existe deux grands types parmi les convertisseurs à boucle intermédiaire de courant continu :
- — les onduleurs dits à « source de courant » dans lesquels la boucle intermédiaire agit comme une source de courant continu ;
— les onduleurs dits à « source de tension » dans lesquels la boucle intermédiaire agit comme une source de tension continue.
Une analyse comparative des deux systèmes nous permettra d'en dégager les avantages ou les faiblesses.
PRINCIPE DE LA BOUCLE INTERMÉDIAIRE DU TYPE SOURCE DE COURANT
On notera en préliminaire que tout moteur asynchrone, pour un courant statorique donné, voit son couple évoluer en fonction de la fréquence rotor et la courbe C = g(f) présente un maximum pour la valeurfrot = fst – Δ fopt (Δ fopt = glissement optimal) (figure 5).
En conséquence, pour fonctionner au couple maximal, il est nécessaire de conserver le glissement à sa valeur optimale (ordre de grandeur 1 Hz). Ainsi, une régulation du courant statorique nous permettra d’obtenir le couple nominal à toutes les fréquences de 0 à 50 Hz. La fréquence de courant injecté au stator serafst = frot + Δ fopt.
Lorsqu’il est possible de mesurer la fréquence rotorique, on en déduit la fréquence à injecter au stator ; dans le cas contraire, la prise d'information est remplacée par la mesure des tensions et courants statoriques d’où sont élaborées, grâce à un calculateur, les
valeurs du flux et de la phase, qui permettent de piloter le courant dans la boucle intermédiaire, ainsi que la fréquence de commutation. Il est alors nécessaire d’adapter les réglages du convertisseur à l’impédance du moteur entraîné.
Le résultat obtenu dans les deux cas est un déplacement de la courbe couple/vitesse sur toute la gamme de fréquences (figure 6).
Sur le plan technologique, ce type de convertisseur comprend (figure 7) :
— une source de courant variable constituée par un pont de Graetz à thyristors et une inductance de lissage ;— un pont onduleur à thyristors qui commute le courant continu dans les enroulements statoriques sous forme de créneaux positifs et négatifs.
On obtient les formes d’ondes suivantes :
— créneaux de courant alternativement positifs et négatifs ;— signal pseudosinusoïdal pour la tension (figure 8).
Les principaux inconvénients de cette technologie résident dans les remarques suivantes :
— le moteur faisant partie intégrante de la boucle de régulation de courant, celui-ci doit être soigneusement dimensionné avec le convertisseur. Il est donc impossible de raccorder plus d'un moteur sur la sortie (à moins de prévoir une adaptation particulière), ni de raccorder différents types de moteurs sans prendre certaines précautions ;— le convertisseur ne supporte pas de retrouver sa sortie à vide, d’où impossibilité de connecter ou déconnecter sans arrêt total ;— la forme du courant est source d’un fort taux d’harmoniques, d’où génération de microcouples parasites au niveau du rotor.
PRINCIPE DE LA BOUCLE INTERMÉDIAIRE DU TYPE « SOURCE DE TENSION »
Le principe de l'alimentation à source de tension est beaucoup plus simple que le principe à source de courant. Il consiste en un fonctionnement à flux magnétisant constant de façon à permettre au moteur de se retrouver dans des conditions analogues au point nominal, mais à une valeur quelconque de la fréquence. Pour rester à flux constant, il suffit de garder le rapport tension/fréquence constant. En effet :
P élect. abs = UI √3 Cos φ = C2πf = kIθ (2πf) (C = kIθ)
d’où φ = √3 U I Cos φ = U (2πf) kI f
Le flux est maintenu constant, sauf aux faibles valeurs de la fréquence où il faut majorer la tension des chutes ohmiques. Ceci nous permet de balayer toute la plage de fréquences de 0 à f nominal, en créant un réseau à fréquence variable.
L'électronique de commande est plus simple que dans le cas de l'onduleur piloté par le courant. Il existe deux types d’onduleurs à source de tension : ceux à source de tension variable et ceux à source de tension fixe type PWM.
a) Technique à boucle de tension intermédiaire variable
L'appareil est constitué d'un pont de Graetz redresseur à thyristors constituant une source de tension variable, filtrée par une inductance et un condensateur. Cette tension continue est commutée sur chaque phase du moteur par l'intermédiaire d'un pont onduleur à thyristors autonome (figure 9). (L'extinction des thyristors est réalisée par des circuits oscillatoires auxiliaires, le moteur asynchrone ne fournissant pas l’énergie de commutation requise).
Inconvénients : nécessité de disposer d'une capacité importante dans la boucle de courant continu intermédiaire, qui doit être chargée et déchargée en fonction des fluctuations de la tension, d’où il résulte une plage de variation et une rapidité de réponse amoindries. De plus, le pont à thyristors, en tant que redresseur, engendre des parasites et des harmoniques sur le réseau d’alimentation (retard de phase à l’amorçage des thyristors).
b) Technique à boucle de tension intermédiaire constante(Technique de la modulation de largeur d’impulsions – PWM)
La conception de l'appareil est basée sur un redresseur à pont de Graetz à diodes constituant une source de tension continue de valeur fixe, filtrée par inductance et condensateur. Un pont onduleur « découpe » des créneaux de tension de largeur variable pour les redistribuer aux trois phases du moteur asynchrone (figure 10).
On obtient ainsi des créneaux alternativement positifs et négatifs, de largeur 120°, espacés par des intervalles de tension nulle de 60° (figure 11).
La variation de fréquence est obtenue par modulation de la largeur de ces alternances. Parallèlement, la valeur moyenne de la tension est modulée grâce à des découpes réalisées sur alternances, ce qui permet de garder un rapport U/f constant.
On réalise une modulation de largeur d’impulsions (Pulse Width Modulation). La forme d’onde résultant du courant injecté au moteur dépend essentiellement de la façon dont sont placés ces créneaux de tension ; en effet, tout front impulsionnel de tension génère des harmoniques de courant dans les enroulements du stator, qui ont pour effet d’engendrer des microcouples pulsatoires venant s’ajouter au couple d’entraînement normal (figure 12).
Ce phénomène est plus particulièrement ressenti aux basses fréquences (< 20 Hz). En particulier, les harmoniques de rangs cinq et sept se conjuguent pour générer des couples pulsatoires de fréquence égale à six fois la fréquence fondamentale ; ceci signifie par exemple que, pour des fréquences de rotation du groupe électropompe situées entre 10 et 20 Hz, un couple pulsatoire de fréquence comprise entre 60 et 120 Hz apparaîtra. Ceci aura pour effet, d'une part d’accroître la puissance calorifique à dissiper dans les bobinages, et d’autre part de risquer une mise en résonance de certaines parties du groupe jusqu’à provoquer la rupture mécanique de certaines pièces. Dans les techniques exposées précédemment (onduleurs à source de courant et onduleurs à source de tension variable), il n’est possible de réduire efficacement ces harmoniques. Par contre, la technique PWM nous permet de réduire notablement ces effets secondaires grâce à un découpage astucieux de la tension continue de base ; en effet, aux faibles fréquences, les créneaux de tension réalisés sur chaque alternance sont distribués suivant une loi sinusoïdale, de façon à assurer une rotation parfaitement régulière. Lorsque la fréquence se situe dans la plage de 20 à 50 Hz, il n’est plus possible de réaliser autant de créneaux en raison des limites imposées par la vitesse de commutation des thyristors. Toutefois, l’effet des harmoniques néfastes disparaît au fur et à mesure de l’accroissement de la fréquence fondamentale, ce qui permet, pour chaque palier de fréquence, de minimiser les taux d’ondulation résiduels et, par voie de conséquence, les pertes calorifiques parasites.
Les principaux avantages de la technologie PWM résident, à la fois au niveau du comportement du variateur vis-à-vis du groupe entraîné, mais également vis-à-vis du réseau d’alimentation triphasé.
FACTEUR DE PUISSANCE
Compte tenu de la présence d’un pont de diodes en tant que redresseur, la commutation du courant du secteur s’effectue naturellement, contrairement à la commutation forcée avec retard d’amorçage lors de l’utilisation des thyristors. Il en résulte un très faible déphasage du courant par rapport à la tension et, de ce fait, une énergie réactive consommée pratiquement nulle. Quelles que soient les caractéristiques du moteur alimenté, le facteur de puissance global de l’ensemble convertisseur + groupe électropompe est voisin de 0,96 sur toute la plage de variation. Au niveau de l’exploitation, il s’agit d’un avantage très appréciable :
- — il est inutile de prévoir des batteries de condensateurs pour relèvement du cos φ ;
- — on ne supporte pas de pénalités pour consommation d’énergie réactive sur le réseau.
Il ne s’agit pas du seul avantage du pont de diodes en tant que redresseur ; en effet, les commutations de courant s’effectuant naturellement (c’est-à-dire lors de l’annulation de la tension aux bornes des diodes), le taux des tensions harmoniques générées sur le réseau d’alimentation est relativement faible.
SOUPLESSE D’EXPLOITATION
Dans le cas des convertisseurs à source de courant, il est nécessaire de prévoir l’adaptation précise onduleur-moteur alimenté. Il n’est donc pas possible de changer de type de moteur sans refaire les réglages en conséquence. Au contraire, avec les convertisseurs à source de tension (donc en particulier les appareils type PWM) il n’est pas nécessaire de prévoir avec précision l’adaptation moteur-onduleur, ce qui permet de raccorder différents types de moteurs sur un même appareil. Par ailleurs, il est possible de déconnecter en charge un moteur de la sortie onduleur pour le basculer sur le réseau 50 Hz, par exemple. Il est également possible de connecter et de déconnecter plusieurs moteurs en parallèle sur un même convertisseur, dans les limites du dimensionnement de celui-ci. En définitive, le convertisseur à source de tension type PWM se comporte comme un véritable réseau à fréquence variable, ce qui justifie que nous ayons choisi cette technologie pour les applications au domaine du pompage.
POSSIBILITÉS DE PILOTAGE DE LA VITESSE PAR LE CONVERTISSEUR DE FRÉQUENCE
Le principal intérêt de la vitesse variable réside dans la possibilité d’asservir un paramètre d’exploitation, tel un niveau, un débit ou une pression par exemple. Quel que soit le type de régulation adopté, le principe de l’asservissement reste identique : on dispose d’un potentiomètre pour afficher la valeur de consigne que l’on souhaite maintenir (débit, pression, niveau, etc.) ; une sonde appropriée (débitmètre, pressostat, sonde de niveau) délivre un signal de mesure qui est comparé à la valeur de consigne ; la différence entre la valeur de consigne et la valeur réelle mesurée est alors amplifiée et intégrée par le régulateur qui pilote la fréquence du variateur en conséquence.
TROIS RÉALISATIONS MONTRENT L'INTÉRÊT D'UNE MISE EN ŒUVRE DE LA FRÉQUENCE VARIABLE
1) Stations de pompage et de surpression de Cabannes (13)
L'alimentation en eau d'un périmètre fruitier de 250 ha, équipé d’un système d’arrosage par aspersion, basé sur le principe de la micro-irrigation, justifiait la réalisation de deux stations d’exhaure et de surpression pilotées suivant des techniques de pointe. Le projet initial prévoyait pour la première station, R 1, assurant l’irrigation d'un périmètre de 150 ha, un débit de 270 l/s avec 6 pompes de caractéristiques différentes pour répondre au mieux à la demande ; de plus, il était prévu un ballon de 18 m³ pour assurer une surpression entre 7 et 9 bars.
Nous avons proposé et réalisé une station équipée de 6 pompes de forage Flygt identiques, type 10 H 10 L 2 A, assurant chacune 45 l/s à 7 bars, et d'un variateur de puissance nominale 75 kW. Un automate gère la mise en marche et l’arrêt des groupes avec des permutations de fonctionnement sur le variateur. La régulation est de type pressostatique et permet de rester en permanence à la consigne de 7 bars, évitant ainsi de monter inutilement à une pression de 9 bars. C’est la pompe à vitesse variable qui assure les variations de débit entre deux tranches correspondant à des pompes à vitesse fixe. Lorsque la pompe à vitesse variable atteint la limite supérieure ou inférieure de sa plage de fonctionnement, un seuil de fréquence permet l'enclenchement ou le déclenchement des pompes à vitesse fixe.
Le bilan de l'opération est intéressant puisqu’il en résulte :
- — une économie d’énergie par asservissement linéaire de la pression : toutes les pompes fonctionnent en permanence à la pression de consigne de 7 bars (au lieu d’osciller inutilement entre 7 et 9 bars) ;
- — l'investissement de base s'est avéré légèrement inférieur à celui d'une solution traditionnelle avec ballon.
Une deuxième station, R 2, a également été réalisée sur le même principe pour desservir un périmètre correspondant à une superficie de 100 ha. Cette station est équipée de 4 groupes de forage identiques et d’un variateur PWM 380/145 de 75 kW utiles.
2) Station d’irrigation de Navacelles (30)
D’une configuration un peu similaire à la précédente, la station est destinée à l’irrigation par aspersion d’un terrain de 50 ha. Il était prévu initialement une installation composée d'une pompe de forage placée dans une cheminée de résurgence, puis d’une pompe de reprise placée en aval d'un bassin tampon de 500 m³.
Notre solution a été de réaliser l’exhaure et la surpression en une seule étape, à l'aide d'une pompe SD 2/5 F de 130 CV pouvant assurer 50 l/s à HMT : 140 m, alimentée par un variateur type PWM 380/210 de 110 kW utiles. La régulation est de type pressostatique et permet de garder en continuité la consigne de pression affichée. Une petite pompe (type 10 T4 BC 10) assure les faibles débits de 0 à 3 m³/h avec l’appui d’un ballon de surpression à membrane de 200 l. Il en est résulté un rendement énergétique amélioré, avec simplification importante de l'installation, d’où un investissement réduit et une amélioration substantielle de l’exploitation (dans la mesure où l'on peut modifier à volonté la consigne de pression désirée en fonction des différentes périodes d’arrosage).
3) Station de relèvement de la ville d’Aubagne (13)
Une ancienne station de relèvement d’eaux usées équipée de deux groupes, et d’un autre en secours du type CP 3126 MT, assurait un débit de 90 l/s ; cette station devant reprendre une zone urbaine supplémentaire, le débit se trouvait porté à 140 l/s.
Nous avons remplacé les pompes existantes par deux nouvelles pompes CP 3201 LT alimentées à partir d'un variateur de 15 kW utiles. La régulation est basée sur le principe d'un asservissement du niveau sur une valeur de consigne fixe. Le débit de la pompe est donc automatiquement modulé en fonction du débit d’arrivée à la station. Nous évitons de la sorte de fonctionner en Tout ou Rien, ce qui aurait entraîné un nombre considérable de démarrages horaires, compte tenu de la faible dimension de la bâche par rapport au débit nominal des pompes. On a ainsi réalisé l’économie d'un nouveau génie civil.
* * *
Nous pouvons dire, en résumé, que les domaines d'application de la fréquence variable au service du pompage sont très divers. En règle générale, lors de l'établissement d'un projet utilisant cette technique, deux critères prédominent :
- — le premier concerne le coût du surinvestissement engendré par le convertisseur de fréquence : est-il vraiment justifié ? La réponse apparaît évidente, dès lors qu’il est possible de simplifier l'installation par rapport à une solution traditionnelle : économie d'un ballon de surpression volumineux, économie au niveau d’un volume de bâche, etc. ; un paramètre qui semble plus difficile à appréhender, mais non moins négligeable, concerne les économies d’énergie réalisées au cours de l’exploitation. Un calcul économique permet, suivant chaque cas, d’obtenir la durée du retour d’investissement ;
- — le second critère, plus technique, est relatif à la bonne adéquation entre le matériel mis en œuvre et le processus d’asservissement imposé par l'exploitation. La réponse se scinde en deux niveaux :
- * pour ce qui concerne l'adaptation pompe-convertisseur de fréquence, nous avons adopté la technologie PWM, compte tenu de tous ses avantages explicités précédemment ;
- * quant à la chaîne de pilotage de la fréquence, elle relève du choix des paramètres d'exploitation le plus judicieux et du choix des capteurs appropriés.
