Technologie des ventilo-convecteurs : Moteurs électriques

En juillet 2021, de nouvelles mesures d'écoconception pour les moteurs électriques et les variateurs de vitesse sont entrées en vigueur dans toute l'Union européenne. Elles introduisent de nouvelles normes pour les moteurs et les variateurs de vitesse visant à améliorer l'efficacité énergétique. 

Les moteurs et les mesures d'écoconception

Les nouvelles règles ont mis à jour les règlements précédents datant de 2009, en élargissant le champ d'application et en reflétant le rythme rapide de l'évolution technologique. Le nouveau règlement inclut les moteurs d'une puissance comprise entre 0,12 kW et 1 000 kW, ainsi que les variateurs de vitesse. Les moteurs et les variateurs doivent afficher leur efficacité à différents points de charge, en termes de vitesse et de couple, afin d'aider les concepteurs et les ingénieurs à optimiser l'efficacité de systèmes entiers.

Les réglementations actualisées permettront de réaliser des économies d'énergie substantielles, la modélisation de la Commission européenne estimant les économies annuelles à environ 110 TWh d'ici à 2030, soit l'équivalent de la consommation d'électricité des Pays-Bas et de 40 millions de tonnes d'émissions de CO2 chaque année.

Dans le domaine du chauffage, de la ventilation et de la climatisation, les mesures d'écoconception s'appliquent aux moteurs alimentant un certain nombre de systèmes, notamment les ventilo-convecteurs. Les moteurs à commutation électronique (EC) remplacent rapidement les moteurs traditionnels à courant alternatif (AC) et à courant continu (DC) en raison de leur efficacité énergétique accrue.

La différence entre les moteurs à courant alternatif, à courant continu et à commutation électronique

Les moteurs à induction à courant alternatif sont alimentés par une tension alternative. Ils utilisent une série de bobines (enroulements en cuivre) dans le champ du stator pour créer un champ électromagnétique rotatif dont l'intensité et la polarité varient.  Une cage d'écureuil dans le champ du rotor est induite par le stator (créant un champ magnétique). Ces deux champs magnétiques interagissent l'un avec l'autre pour faire tourner le rotor.

Les moteurs à courant alternatif sont conçus pour fonctionner à une vitesse unique en un point précis de la courbe de performance (à l'efficacité maximale du moteur). En dehors de ce point, l'efficacité diminue considérablement. En outre, comme les moteurs à courant alternatif induisent du courant sur le rotor, de l'énergie est consommée dans le processus, ce qui affecte encore le rendement. De tous les moteurs, les unités à courant alternatif sont donc les moins efficaces. 

Les moteurs à courant continu sont alimentés par une tension continue. Ils utilisent des aimants permanents dans le rotor et s'appuient sur des balais de carbone et un anneau de commutation pour inverser le sens du courant et la polarité du champ magnétique dans les enroulements du stator. Cela crée des forces d'attraction et de répulsion magnétiques qui font tourner le rotor. 

Étant donné que les moteurs à courant continu utilisent un champ magnétique provenant d'aimants permanents (plutôt que d'induire un courant sur le rotor), ils peuvent être 30 % plus efficaces que les moteurs à courant alternatif. Les moteurs à courant continu peuvent également fonctionner à des vitesses variables et offrir un contrôle plus précis. Cependant, ils peuvent perdre en efficacité en raison d'aspects tels que le frottement des balais et les pertes dues aux courants de Foucault. Les moteurs à courant continu sont également plus susceptibles de tomber en panne et ont une durée de vie plus courte, car les balais peuvent produire des étincelles et s'usent avec le temps.

Les moteurs à courant alternatif ont une commutation électronique plutôt que mécanique. Le moteur combine des tensions alternatives et continues, et réalise une commutation électronique par le biais d'un système électronique intégré. 

Si l'on compare les moteurs à courant alternatif, à courant continu et à commutation électronique, on constate que les moteurs à commutation électronique sont les plus semblables à leurs homologues à courant continu. Les moteurs EC sont essentiellement des moteurs sans balais, à courant continu et à rotor externe, qui combinent les meilleures caractéristiques de leurs rivaux à courant alternatif et à courant continu. Ces moteurs offrent des fonctions supplémentaires telles que le contrôle de la vitesse, le contrôle de la pression, la pression constante et le débit d'air constant. 

De tous les moteurs, les unités EC sont les plus économes en énergie et les plus fiables grâce à leur conception sans balais. Les moteurs EC peuvent également offrir un refroidissement plus précis car ils génèrent moins de chaleur. Cela signifie que la chaleur du moteur est moins absorbée par l'air froid évacué par le ventilo-convecteur.  

Comment fonctionnent les moteurs EC ?

Les moteurs EC sont composés des éléments suivants :

• Rotor
• Aimants permanents
• Système de roulement
• Stator
• Enroulements
• Électronique de commutation
• Capteurs à effet Hall 
• Boîtier
• Connexions au réseau et à la commande

Les moteurs EC sont alimentés par une tension alternative, qui est convertie en tension continue par un collecteur. Cette conversion est importante car la tension continue offre un meilleur rendement énergétique que la tension alternative et permet de faire varier la vitesse. Conçu comme un moteur à courant continu sans balais, le stator (partie fixe du moteur) est plus grand que dans les moteurs à courant continu pour permettre l'ajout d'une électronique de commutation comprenant un circuit imprimé (PCB) et un redresseur, qui convertit la tension du courant alternatif en courant continu.

Les moteurs électriques utilisent des aimants permanents et des enroulements électriques pour créer un champ magnétique. L'électronique de commutation dirige des quantités spécifiques de courant électrique, dans certaines directions, à travers chacun des enroulements, en fonction de la position du moteur, du sens de rotation et du point de consigne de la vitesse. Ce processus est parfaitement synchronisé pour développer des pôles magnétiques dans le stator, qui interagissent ensuite avec les aimants permanents du rotor. 

En fonction de la vitesse de ventilation requise, les aimants appropriés sont attirés, dans l'ordre, par les pôles magnétiques du stator. Tous les enroulements du stator ne sont pas chargés avec la même polarité - pour générer du mouvement, certains enroulements du stator seront chargés positivement, d'autres négativement. Cela crée des forces d'attraction et de répulsion magnétiques qui font tourner le rotor au couple optimal. Un moteur qui fonctionne à son couple idéal (à toutes les vitesses) fonctionne à son efficacité maximale.

Grâce au rôle joué par les circuits électriques pour varier parfaitement l'application du courant, on obtient une surveillance et un contrôle très précis. Cela signifie non seulement que les ventilateurs EC peuvent fonctionner à des vitesses variables, mais aussi qu'ils restent très efficaces même lorsqu'ils ne tournent qu'à 20 % de leur vitesse maximale. 

En outre, bien que les moteurs EC aient un stator plus grand que les moteurs DC, ils n'ont pas besoin de balais de carbone ni de collecteur. Cela signifie que, dans l'ensemble, l'unité EC est plus petite et moins sujette aux pannes dues à l'usure.

Quelle quantité d'énergie les moteurs EC permettent-ils d'économiser ?

Les moteurs EC sont très efficaces sur le plan énergétique, avec des rendements supérieurs à 90 % à 100 % de leur capacité. Même lorsqu'ils fonctionnent à des vitesses variables, les moteurs EC sont plus performants que leurs homologues à courant alternatif et à courant continu, ce qui en fait un excellent choix pour les ventilo-convecteurs.

En outre, les moteurs EC peuvent être installés ultérieurement pour accroître l'efficacité des systèmes existants. Dans les ventilo-convecteurs équipés de moteurs EC et remis en service pour atteindre un fonctionnement optimal, des améliorations réelles de l'efficacité ont été constatées dans une fourchette de 46 à 82 % à basse vitesse et de 52 à 80 % à haute vitesse.

Avantages des moteurs EC

Les moteurs EC présentent un certain nombre d'avantages, notamment 

• Rendement énergétique élevé
• Longue durée de vie
• Moins sujets à l'usure (technologie sans balais)
• Haut degré de surveillance et de contrôle du système
• Vitesse entièrement variable
• Fonctions supplémentaires telles que le contrôle de la pression et du débit d'air
• Génère moins de chaleur - refroidissement plus précis
• Plus grande flexibilité
• Taille réduite
• Moins de bruit
• Durée de vie des roulements plus longue 
• Peut être installé dans n'importe quel type de ventilo-convecteur
• Peuvent être mis à niveau pour améliorer la performance énergétique des systèmes existants
• Peuvent être moins chers à installer que les moteurs à courant continu, car ils ne nécessitent pas l'installation de technologies supplémentaires telles que le contrôle du transformateur, le convertisseur de fréquence ou le contrôle de l'angle de phase.

Comment choisir des ventilo-convecteurs économes en énergie

Chez Eurovent Certita Certification, nous certifions les performances d'un certain nombre de ventilo-convecteurs utilisant des moteurs à courant alternatif. La certification permet de comparer des produits vérifiés de manière indépendante, car les produits certifiés

• Ont leurs performances évaluées selon les mêmes critères et les résultats sont exprimés dans la même unité de mesure, quel que soit le pays où les produits sont fabriqués ou commercialisés
• Voient leurs performances vérifiées par un organisme accrédité impartial, indépendant et compétent
• Sont conformes aux normes
• Fonctionneront conformément aux spécifications énoncées par le fabricant.

Consultez et comparez les ventilo-convecteurs et d'autres produits HVAC dans notre répertoire de produits certifiés. 

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