Selon l'Agence américaine d'information sur l'énergie (EIA), plus de 30 % de la consommation électrique nationale est utilisée pour alimenter les systèmes de CVC (chauffage, ventilation et climatisation) et de réfrigération ; une part importante de cette énergie est destinée aux ventilateurs de ces systèmes. ebm-papst, fabricant de ventilateurs, moteurs et entraînements pour ces applications et d'autres usages courants, développe des unités de transfert d'air économes en énergie, contribuant à garder nos espaces de vie, nos aliments et nos boissons au frais, tout en réduisant le gaspillage énergétique et les factures d'électricité. L'accent mis par l'entreprise sur les GreenTech et la durabilité imprègne aussi bien ses gammes de produits que sa philosophie d'entreprise.

Engineering.com s'est entretenu avec des ingénieurs d'ebm-papst, qui ont présenté un aperçu de la technologie qui rend leurs ventilateurs efficaces, abordables, personnalisables et respectueux de l'écosystème.

Moteurs

Il y a plus d'un siècle, deux inventeurs avaient des idées différentes sur la manière dont l'électricité pourrait alimenter le monde. Thomas Edison voulait vendre des ampoules à incandescence ; il privilégiait les générateurs et moteurs à courant continu (DC). Son rival, Nikola Tesla, inventa le moteur à induction, qui fonctionne en courant alternatif (AC). Chaque type de moteur a ses avantages et ses inconvénients.

Les moteurs DC sont très efficaces à toutes les vitesses et leur vitesse est facile à faire varier, mais en raison de l'utilisation de balais et de collecteurs, ils ont tendance à avoir une durée de vie courte. Les moteurs à induction AC n'utilisent pas de balais, ce qui les rend plus durables et plus économiques. Jusqu'à récemment, les moteurs AC ne fonctionnaient qu'à une seule vitesse (fonction de la fréquence du secteur), mais les variateurs de fréquence modernes (VFD) permettent désormais aux moteurs AC de fonctionner à plusieurs vitesses, bien qu'ils soient peu efficaces dans la plage basse.

Le meilleur des deux mondes est le moteur DC sans balais, qui utilise une commande électronique à la place des balais et du collecteur, permettant aux moteurs de fonctionner efficacement à plusieurs vitesses tout en réduisant l'usure due au frottement des moteurs à balais. Comme ils remplacent les balais et les collecteurs par de l'électronique, on les appelle souvent moteurs à commutation électronique, ou ECM. En réalité, les ECM sont des moteurs DC sans balais, mais alors que les moteurs DC sans balais classiques fonctionnent strictement en courant continu, les ECM intègrent un circuit de conversion AC-DC, ce qui leur permet de fonctionner directement sur la tension secteur AC.

Deux ingénieurs d'ebm-papst établissent une comparaison entre les moteurs AC et les moteurs EC :

 

Comme les moteurs ebm-papst acceptent des entrées AC, les ingénieurs peuvent facilement les intégrer à des conceptions qui utilisaient auparavant des ventilateurs AC. En effet, leurs dimensions sont identiques, ce qui les rend adaptés en remplacement direct. Ils fabriquent également des ventilateurs à entrées DC pour de nouvelles gammes de produits,alimentés par des sources 24 VDC compatibles avec les systèmes d'éclairage LED utilisés dans de nombreuses vitrines réfrigérées. Qu'ils soient AC ou DC, ces ventilateurs sont respectueux de l'environnement, aussi bien à la fabrication qu'à l'utilisation.

Technologie de ventilation GreenTech         

ebm-papst s'engage à rendre chaque nouveau produit meilleur que ses prédécesseurs en matière d'économie et d'écologie. Ainsi, l'entreprise fabrique des ventilateurs qui intègrent le moteur, l'électronique de commande et les pales en une seule unité, ce qui réduit la quantité de matériaux et d'énergie utilisés lors de la production. Selon ebm-papst, "une combinaison d'éléments métalliques et plastiques dans les roues axiales et centrifuges les rend particulièrement légères et offre un potentiel de conception aérodynamique optimale, aboutissant à un niveau d'efficacité énergétique jusqu'alors inégalé – associé à une acoustique améliorée." 

En fonction des données fournies par le capteur de température externe de chaque ventilateur, le contrôleur peut augmenter ou diminuer la vitesse de chaque ventilateur afin d'assurer un refroidissement homogène sur plusieurs zones. Le résultat net de ventilateurs à vitesse variable contrôlés individuellement est une baisse significative de la consommation d'énergie.

Les ventilateurs de l'entreprise dépassent les exigences de la directive européenne ErP relative aux produits liés à l'énergie, grâce à une combinaison de pratiques de fabrication durables et d'une efficacité accrue.

Électronique intégrée GreenTech     

Un ventilateur GreenTech peut intégrer une correction du facteur de puissance, un filtrage EMI, une protection contre les surcharges thermiques,  une limitation de courant, une détection des défauts de tension secteur et de phase,  un commutateur électronique, un circuit de démarrage progressif du moteur, ainsi qu'une connexion RS-485 Modbus offrant une interface de programmation et une intégration dans des systèmes multi-ventilateurs.

Le ventilateur dispose également d'un régulateur PI programmable qui permet aux ingénieurs d'ajuster les coefficients proportionnel et intégral, bien que les ingénieurs d'ebm-papst indiquent que la plupart de leurs clients trouvent que les valeurs par défaut préprogrammées fonctionnent bien.

Des capteurs supplémentaires mesurent la vitesse du ventilateur, la tension, le courant et la communication sur le bus, ce qui permet au contrôleur principal de surveiller l'état du ventilateur, de détecter les défauts et d'alerter un technicien si nécessaire. Les systèmes CVC peuvent modifier la vitesse du ventilateur en fonction de l'heure de la journée, de l'occupation des locaux, des conditions environnementales et de pratiquement toute autre variable traçable.

Surveillance à distance avec des ventilateurs ECM connectés à l'IoT

Surveiller les équipements au niveau de la machine, c'est de l'histoire ancienne. Grâce à l'Internet des  objets (IoT), les appareils peuvent être observés et contrôlés depuis n'importe où. Dans le cadre de  l' initiative GreenIntelligence , ebm-papst intègre la technologie IoT et une interface Modbus à ses ventilateurs, leur permettant d'être intégrés à un système de gestion technique du bâtiment  (GTB) dans le cadre de programmes complets de gestion de l'énergie et de maintenance des machines.

La surveillance et le contrôle à distance peuvent se faire de deux manières :

1) via le logiciel de commande EC d'ebm-papst sur un ordinateur hôte équipé d'un convertisseur d'interface, et,

2) via des contrôleurs^tiers compatibles. (Une liste des contrôleurs approuvés est disponible ici.)

Chacune de ces interfaces permet à un responsable des installations d'observer des paramètres tels que les heures de fonctionnement, la vitesse du ventilateur, le courant, la tension, la consommation d'énergie, les opérations d'urgence, la température du moteur, de l'électronique et du circuit de puissance, le mode de fonctionnement (régulation de température ou de pression/débit d'air), la consigne, la rétroaction de température et les signaux d'alarme. Différents adaptateurs RS485 tels que Bluetooth, USB ou Ethernet peuvent être utilisés pour établir la connexion entre les ventilateurs et les smartphones, ordinateurs portables ou réseaux informatiques.

 

Grâce à divers capteurs intégrés, un ventilateur IoT peut détecter une défaillance et envoyer un code d'erreur à un technicien, minimisant ainsi les temps d'arrêt. Bien sûr, mieux vaut éviter une défaillance que la détecter , c'est pourquoi le système GTB peut également suivre le nombre d'heures de fonctionnement du ventilateur,ce qui facilite la maintenance préventive. Mieux encore, les capteurs peuvent détecter des conditions susceptibles de provoquer une défaillance dans un avenir proche, facilitant ainsi la maintenance prédictive.

Conception avec des ventilateurs ECM/IoT

J'ai demandé à un ingénieur d'ebm-papst de me présenter le processus de conception du système de ventilation pour une unité de réfrigération commerciale. Pour un ventilateur d'évaporateur ou de condenseur dans cette application, un ingénieur établirait d'abord les paramètres de conception suivants :

• Point(s) de fonctionnement du système - débit d'air et pression statique
• Contraintes physiques
• Environnement – températures ambiantes minimale et maximale, poussière/humidité/projections d'eau, etc.
• Tension d'alimentation, monophasée ou triphasée, limite de puissance
• Contrôle de vitesse/direction (vitesse unique, 2 vitesses, vitesse variable, fonctionnement inversé)
• Exigences de surveillance (vitesse, codes d'erreur, puissance absorbée, heures de fonctionnement, températures du moteur/de l'électronique)
• Un contrôleur principal est-il nécessaire ? Si oui, de quel type ?

Ces informations permettent aux ingénieurs de déterminer :

• Type de ventilateur – axial, diagonal ou centrifuge
• Taille du ventilateur
• Taille du moteur
• Options de puissance du moteur
• Moteur AC ou EC
• Options EC nécessaires (les options disponibles dépendent de la taille du moteur)
• Le contrôleur principal est-il compatible avec les ventilateurs ebm-papst ?

 

Les ingénieurs de terrain d'ebm-papst travaillent avec les ingénieurs applicatifs du client pour concevoir une configuration optimale de ventilateurs qui équilibre performance, coût et efficacité.

À mesure que les domaines des énergies renouvelables et de la durabilité continuent de se développer, nous constatons que être écologique et économiser de l'argent ne sont plus des concepts mutuellement exclusifs. Des dispositifs économes en énergie tels que les ampoules LED, l'électronique basse consommation et les ventilateurs efficaces démontrent que les produits ayant du sens sur le plan écologique en ont également sur le plan économique, et c'est une leçon qui rapporte vraiment !

En savoir plus sur les ventilateurs GreenTech EC d'ebm-papst.