Vitesse variable

Meilleure qualité de l'alimentation électrique, diagnostics du système, contrôle de l'humidité, économies d'énergie, régulation précise de la température, moins de bruit, sécurité des processus, plus grand confort.

La technologie de compresseur Inverter offre de nouvelles possibilités pour les systèmes de conditionnement d'air, avant tout en termes d'augmentation de l'efficacité énergétique des bâtiments et de réduction de la consommation d'énergie et des coûts d'exploitation. 

Cette technologie améliore par ailleurs le facteur de puissance, ce qui permet d'obtenir une alimentation électrique de plus grande qualité, de meilleurs diagnostics du système et des protocoles de communication ouverts facilitant l'entretien. 

L'adaptation continue à la demande de refroidissement permet de réaliser davantage d'économies d'énergie et de réguler précisément la température.

Le compresseur adapte la puissance absorbée à la puissance frigorifique. L'unité réagit efficacement aux variations de température et fonctionne à charge partielle, ce qui peut permettre de réduire de plus de 30 % chaque année la facture énergétique, par rapport à un compresseur à vitesse fixe ou à modulation mécanique. La régulation de température stable sécurise les processus de manière optimale et fournit plus de confort. Pour résumer, cette technologie est un gage d'efficacité énergétique pour les bâtiments.

La modulation de la puissance frigorifique atténue les pics de demande de puissance, ce qui contribue également à améliorer la fiabilité du réseau et la qualité de l'alimentation.

La commande de démarrage souple permet d'atteindre un courant d'appel proche de zéro et d'améliorer le taux de rendement énergétique (EER) :

• Le démarrage DOL (Direct-on-line) du compresseur absorbe 5 à 6 fois le courant nominal jusqu'à ce que la vitesse de fonctionnement du compresseur soit atteinte. Un compresseur à vitesse fixe traditionnel dans un système peut effectuer 8 à 12 cycles de démarrage/arrêt, et chaque démarrage requiert un courant élevé de l'alimentation, ce qui entraîne une forte consommation électrique et une tension élevée sur l'alimentation et sur les pièces mécaniques du compresseur.
• La plupart des compresseurs scroll Inverter démarrent graduellement, ce qui permet d'éviter les surtensions de couple. Cela prévient également les contraintes mécaniques importantes sur la machine et réduit ainsi les coûts d'entretien et l'usure. Enfin, un courant d'appel faible contribue à réduire les coûts fixes relatifs aux installations (calcul du courant de crête) et les charges de secours de puissance et de réseau.

Avantages supplémentaires des compresseurs Inverter :

• Grâce à sa meilleure régulation de l'humidité, l'unité convient également aux spas et stations thermales car elle permet d'adapter la puissance frigorifique de l'unité et ainsi de mieux réguler la température d'évaporation.
• Pendant le fonctionnement à charge partielle, ce système fait moins de bruit que les systèmes tout ou rien conventionnels.
  En plus des avantages communs à tous les compresseurs et à la technologie Inverter, Danfoss Commercial Compressors propose des variateurs et compresseurs Inverter présélectionnés, spécialement conçus pour fonctionner ensemble.

Cela s'ajoute à la longue liste d'avantages pour les fabricants, ingénieurs-conseils et utilisateurs finaux en termes de :

• réduction du nombre de composants dans le système ;
• fiabilité accrue et fonctionnement continu ;
• simplicité de mise en œuvre de la technologie ;
• diminution des coûts imputés ;
• réduction du délai de commercialisation.

Figure 1

Consommation d'énergie de systèmes de refroidissement utilisant différentes configurations de compresseur. Indice de consommation moyenne basé sur des simulations pour les compresseurs 10-30TR utilisés dans des applications à faible rapport de pression (sur toit) ; indice 100 = consommation d'énergie du scroll Inverter VZH de Danfoss.

Figure 2

Profil de charge typique dans un bâtiment.
Seul un faible pourcentage des activités d'un bâtiment ont lieu à pleine charge. Les systèmes HVAC sont conçus pour des conditions maximales (partie droite du graphique). Ces conditions ne sont pas celles dans lesquelles l'équipement fonctionne la plupart du temps. Ce graphique représente les données climatiques annuelles typiques et les heures de fonctionnement (% de l'année) pour chaque condition. 

Source : outil Danfoss HVAC

Le choix du compresseur et du variateur ; la fiabilité et l'efficacité du système dans son ensemble dépendent des compétences du concepteur.

Importance du variateur Inverter : le compresseur et le variateur doivent être compatibles et pouvoir être utilisés pour des applications dédiées. Le variateur module la vitesse du compresseur pour garantir le respect des limites de fonctionnement de ce dernier. Les variateurs de fréquence Inverter doivent utiliser des algorithmes spécialement développés pour le chauffage, la ventilation et le conditionnement d'air (HVAC) ou la réfrigération. Ils assurent que le système fonctionne en respectant les contraintes de l'application. Le variateur peut également gérer d'autres dispositifs tels que des vannes d'injection d'huile ou des compresseurs multiples. À mesure que la vitesse de rotation du compresseur change, la quantité de réfrigérant et d'huile traversant le compresseur augmente ou diminue. Le variateur assure une lubrification optimale du compresseur, quelle que soit sa vitesse.

Compétences des constructeurs pour l'intégration de systèmes Inverter : tous les constructeurs ne sont pas encore prêts à adopter la technologie Inverter, et ce, pour les raisons suivantes :

1. Niveau de compétence et expérience en ingénierie constructeur pour la mise en œuvre de la technologie Inverter. L'expérience solide en mécanique doit être complétée par des compétences en ingénierie électrique, ainsi qu'en développement et programmation de régulateurs.
2. Les compresseurs Inverter changent sans cesse de vitesse pour s'adapter à la charge, rendant le système de gestion d'huile du système plus complexe qu'avec la technologie traditionnelle. La maîtrise du système de gestion d'huile est un point essentiel – lorsqu'un compresseur sans huile n'est pas utilisé - pour lequel l'expérience du fabricant du compresseur fait la différence.
3. L'assistance applications fournie aux constructeurs par le fabricant des compresseurs et variateurs Inverter est essentielle pour l'intégration au système.

Idées fausses sur la technologie à vitesse variable

La technologie Inverter réagit trop lentement aux changements de charge : la plage de vitesse de rampe d'accélération/de décélération de certains scrolls Inverter se situe entre 0,1 s et 3 600 s. Les pertes de l'Inverter à pleine charge sont de 5-10 %. À pleine vitesse, l'Inverter peut perdre 3 % de son efficacité. Le profil de fonctionnement à pleine charge n'étant pas le profil dominant, la perte de consommation globale de l'unité est minime.

La circulation d'huile augmente en cas de fonctionnement à fréquence élevée : le débit de circulation d'huile régulé électroniquement par certains scrolls Inverter peut être inférieur à 3 % à pleine vitesse. Le système de gestion d'huile est plus complexe sur les systèmes à compresseur Inverter. Certains scrolls Inverter régulent la circulation d'huile à basse et haute vitesse, ce qui nécessite d'opérer quelques ajustements de conception.

Les Inverters ne peuvent pas être utilisés lorsque la compatibilité électromagnétique (CEM) est un problème : certaines solutions Inverter offrent 2 niveaux de filtration CEM répondant aux normes européennes les plus strictes en matière d'interférences électromagnétiques.

Éviter le surdimensionnement du système, réduire la facture d'électricité et le courant d'appel ou encore améliorer le confort et les processus : les raisons de choisir la capacité variable ne manquent pas.

Un grand nombre de systèmes de réfrigération et de conditionnement d'air nécessitent des processus fiables qui soient plus efficaces, compacts, écologiques et faciles à installer et entretenir. Les demandes de refroidissement varient grandement tout au long de la journée et de l'année en fonction des conditions ambiantes, de l'occupation et de l'utilisation, de l'éclairage, etc.

• Le refroidissement de confort peut également nécessiter une régulation stable et précise de la température et de l'humidité, par exemple dans les hôpitaux, l'informatique et les télécommunications, ou encore pour le refroidissement de processus.
• Pour les applications situées par exemple dans des écoles, des restaurants ou encore des bureaux, il est important que le système de refroidissement puisse s'adapter à une large plage de variations de charges quotidiennes.
• Pour les applications relatives aux processus comme la fermentation, les cultures sous serre et les processus industriels, des réglages de température précis sont indispensables pour assurer la qualité de la production.

Trois tendances du marché convergent pour favoriser la création de solutions efficaces et durables : 

• Efficacité énergétique
• Systèmes intelligents
• Impact sur l'environnement

L'efficacité énergétique n'est plus une option. La réglementation sur l'énergie se renforce. Des codes et normes énergétiques de construction voient le jour partout dans le monde et des mesures incitatives en matière d'énergie suscitent un plus grand intérêt. Autre problème mondial : la sécurité énergétique. Comment nous assurer que nous ne manquerons pas un jour d'énergie ?

Les systèmes HVAC et de réfrigération sont normalement conçus pour répondre à la demande maximale, qui ne représente qu'une faible partie du fonctionnement effectif. Un tel surdimensionnement entraîne des pertes d'efficacité, mais aussi des coûts supplémentaires pour l'équipement surdimensionné. Une modulation écoénergétique de la capacité permet d'adapter la puissance frigorifique à la demande de refroidissement, et de répondre ainsi aux exigences de ces applications.

Il existe plusieurs façons de moduler la puissance frigorifique des systèmes de réfrigération ou de chauffage et conditionnement d'air. Voici les techniques courantes les plus connues dans le conditionnement d'air : les cycles de marche/arrêt, la dérivation de gaz chauds, les configurations en parallèle de plusieurs compresseurs, la modulation mécanique (également appelée numérique) et la technologie Inverter. Elles présentent toutes des avantages et des inconvénients.

• Cycles de marche/arrêt : consistent à arrêter le compresseur à vitesse fixe dans des conditions de basse charge ; peuvent entraîner des cycles courts et une réduction de la durée de vie du compresseur. L'efficacité de l'unité est réduite par des cycles de pression et des pertes transitoires. La variation de puissance frigorifique est de 100 % ou 0 %.
• Dérivation de gaz chauds : implique la dérivation d'une quantité de gaz chauds issus du refoulement dans l'aspiration. Le compresseur conserve sa vitesse de fonctionnement, mais, grâce à la dérivation, le débit massique de réfrigérant circulant dans le système est réduit, faisant ainsi baisser la puissance frigorifique. Cela engendre le fonctionnement inutile du compresseur pendant les périodes de fonctionnement de la dérivation. La variation de puissance frigorifique oscille entre 0 et 100 %.
• Configurations en parallèle : plusieurs compresseurs peuvent être installés dans le système pour fournir la puissance frigorifique maximale. Chaque compresseur peut fonctionner séparément ou non pour permettre de moduler la puissance frigorifique de l'unité. La variation de puissance frigorifique est de 0, 33, 66 ou 100 % pour une configuration régulière en trio, ou de 0, 50 ou 100 % pour une configuration en tandem.
• Compresseur à modulation mécanique : cette modulation de capacité mécanique interne est basée sur un processus de compression périodique avec vanne de régulation, les 2 ensembles scroll s'écartant l'un de l'autre pour arrêter la compression pendant un laps de temps donné. Cette méthode fait varier le débit de réfrigérant en modifiant le temps de compression moyen, mais pas la vitesse réelle du moteur. Malgré un excellent taux de variation de débit (de 10 à 100 % de la puissance frigorifique), les scrolls à modulation mécanique présentent une consommation d'énergie élevée due au fonctionnement en continu du moteur.
• Compresseur Inverter : utilise un variateur de fréquence - également appelé variateur Inverter - pour ralentir ou accélérer le moteur faisant tourner le compresseur. Cette méthode fait varier le débit de réfrigérant en modifiant la vitesse du compresseur. Le taux de variation de débit dépend de la configuration et du fabricant du système. Il module de 10 % (selon le modèle de compresseur) à 100 % à pleine capacité avec un seul Inverter.

Le conditionnement d'air est responsable d'environ 20 % de la consommation électrique annuelle totale d'un pays comme les États-Unis. L'introduction de la technologie de variateur Inverter dans les systèmes de conditionnement d'air et de pompes à chaleur permet de réaliser des économies d'énergie conséquentes grâce à un fonctionnement efficace à charge partielle, et contribue également à améliorer la qualité de l'alimentation secteur. 

Le facteur de puissance est une mesure importante de l'effort requis de la part du fournisseur pour apporter l'électricité au consommateur. 

L'augmentation du facteur de puissance des installations peut avoir un impact direct sur la qualité de l'alimentation électrique. Pour les fournisseurs d'électricité, cela signifie moins de pertes et une meilleure fiabilité de service. Les propriétaires de bâtiments et de maisons bénéficient quant à eux d'équipements plus efficaces avec la possibilité de programmes incitatifs mis en place par le fournisseur local et/ou au niveau national et/ou fédéral. 

Le facteur de puissance est la combinaison du facteur de puissance de déplacement (déplacement de la puissance active et réactive) et du facteur de puissance de distorsion (distorsion de la puissance électrique due aux harmoniques).

Un facteur de puissance proche de 1 signifie :

• pas d'interférence avec les autres équipements installés ;
• pas d'interférence avec le secteur ; 
• réduction des pertes et augmentation du rendement. 

L'utilisation de variateurs Inverter permet une amélioration significative du facteur de puissance puisque le facteur de puissance de déplacement est proche de 1. Le facteur de puissance de distorsion affecte en revanche négativement les transformateurs, le câblage, les fusibles et les coupe-circuit en raison des harmoniques. 

La technologie Inverter de Danfoss présente une faible distorsion et un facteur de puissance élevé (0,98) en raison de la correction d'une inductance CC, tandis que d'autres variateurs de fréquence Inverter ou systèmes modulés mécaniquement peuvent présenter un facteur de puissance pouvant descendre jusqu'à 0,60. 

Autres avantages de la correction de variateur présélectionné dans les solutions Inverter de Danfoss : 

• Augmente la tension immédiate du circuit lorsque cela est nécessaire, ce qui améliore les capacités de fonctionnement à basse tension d'alimentation. 
• Augmente la tension à l'intérieur de l'inducteur CA, et réduit ainsi le courant et les contraintes tout au long de la chaîne de composants de puissance tout en minimisant les coûts. 
• La tension plus élevée des liaisons CC réduit les pertes et le courant du moteur. 
• La correction active du facteur de puissance peut être au choix activée ou désactivée pour une efficacité optimale du système.

Un compresseur Inverter est conçu pour fonctionner avec un entraînement ajustant en continu la vitesse du moteur du compresseur pour répondre aux besoins de refroidissement.

Il peut s'agir de compresseurs à scroll, rotatifs ou à piston, semi-hermétiques, ouverts, à vis, centrifuges ou axiaux. Ce type de compresseur utilise un variateur spécial pour réguler la vitesse du moteur du compresseur (mesurée en tours par seconde, tr/s). Les compresseurs Inverter peuvent fonctionner à différentes vitesses : le compresseur Inverter est spécialement conçu pour fonctionner à des vitesses de moteur différentes, produisant ainsi un débit massique d'huile de réfrigérant et un refroidissement modulés.

Le variateur de fréquence signale les besoins de refroidissement au moteur du compresseur. Le moteur adapte continuellement sa vitesse afin de produire plus ou moins de puissance frigorifique, et de répondre ainsi précisément aux besoins de refroidissement. La combinaison des deux dispositifs (compresseur et variateur) permet de moduler le refroidissement en continu. Le principe de vitesse variable requiert un compresseur très robuste permettant un fonctionnement à pleine vitesse et un système spécial de lubrification de compresseur pour les systèmes à huile. Une excellente gestion d'huile est essentielle pour garantir la durée de vie du compresseur. Le système de gestion d'huile assure une bonne lubrification du scroll réglé à basse vitesse et empêche l'injection d'un excès d'huile dans le circuit lors du fonctionnement à pleine vitesse pour maintenir un taux de circulation d'huile parfait.