Modélisation électrique d’une VMC double flux et optimisation de sa commande pour améliorer l’efficacité énergétique

1. Modélisation électrique d’une VMC double flux et optimisation de sa commande pour améliorer l’efficacité énergétique Présenté par DANG Hoang Anh Sous la direction et l’encadrement de Frédéric WURTZ, Benoît DELINCHANT, Sana GAALOUL

2. Introduction • Problématiques du bâtiment : • Gros consommateur de l’électricité. • Augmentation de l’utilisation de la Ventilation Mécanique Contrôlée (VMC) qui tourne 24h/24h 64% Consommation d’électricité en France 2005 (TWh) • Objectifs du stage : Contribuer à l’amélioration des performances énergétiques du bâtiment • Modéliser la partie électrique de la VMC dans la plate-forme PREDIS • Optimiser son fonctionnement suivant la consigne

3. Plan de la présentation • Ventilation dans le bâtiment • Naturelle et mécanique contrôlée (simple et double flux) • VMC double flux de PREDIS • Modélisation de la partie électrique d’une VMC double flux • Moteur Asynchrone à cage • Variateur de vitesse • Optimisation du contrôle de la ventilation • Lois de commandes disponibles dans le variateur • Loi de commande optimale • Conclusions et perspectives

4. Ventilation dans le bâtiment

5. Ventilation naturelle • La circulation de l’air est induite par le tirage thermique et les pressions du vent • Installation simple et moins coûteuse • Les normes de sécurité et de conditionnement d’air ne sont pas assurées

6. Ventilation mécanique contrôlée (VMC) • VMC simple flux : • L’air vicié est extrait des pièces techniques par de bouches d’extraction reliées au ventilateur • Traite les problèmes de la ventilation naturelle • Ne peut pas empêcher les pertes caloriques dans le processus de climatisation

7. Ventilation mécanique contrôlée (VMC) • VMC double flux : • L’extraction de l’air vicié et l’injection de l’air neuf sont contrôlées par deux ventilateurs. • Permet de récupérer de 60 à 65% des déperditions caloriques dues au renouvellement d’air • Les normes sont assurées mieux que la VMC simple flux

8. Plateforme Habitat Tertiaire PREDIS : Supervision

9. Consigne de vitesse de rotation Variateur de vitesse SCHNEIDER ALTIVAR 21 H075N4 V1 Mesure de débit Ventilateur Extérieur Intérieur V2 MAS Siemens – 1LA7080-2AA10-Z 0.75kW Filtre Échangeur rotatif Batterie chaude Consigne de vitesse de rotation PREDIS : VMC double flux

10. Modélisation de la partie électrique de la VMC pour le calcul des pertes et du rendement

11. Modèle de calcul des rendements de la partie électrique Vb Ωr Modèle de la partie électrique fb ηm Ωconsig ηep Cré • Hypothèses : • Les modèles développés seront en régime permanent • La précision des modèles devra être de l’ordre de quelques % (négliger les pertes faibles)

12. Ωr Vm Loi de commande V/f MAS ηm Ωconsig fm cosφm Im Cré Vb EP ηep fb Décomposition des modèles de calcul des rendements Puissance 750W

13. IS RS IR RR X Iµ Rµ Xµ RR(1-g)/g VS Modélisation du moteur asynchrone VS : Tension appliquée au stator RS : Résistance du bobinage statorique IS : Courant statorique Rµ : Résistance présentative des pertes de fer Xµ : Réactance magnétisante du moteur RR : Résistance équivalente du rotor ramenée au stator X : Réactance regroupée équivalente du moteur ramenée au stator IR : Courant rotorique ramené au stator g : Glissement IDENTIFICATION

14. Courbes caractéristiques

15. Modélisation des pertes du circuit de EP • Hypothèses de modélisation : • La tension DC du circuit intermédiaire est parfaitement filtrée • La tension et le courant de sortie du variateur de vitesse sont sinusoïdaux • Le rapport cyclique est une fonction sinusoïdale

16. Modélisation des pertes du circuit de EP • Après calcul, on trouve que les pertes du redresseur et du circuit intermédiaire (1,8 W) sont plus faibles que celles de l’onduleur (70 W), elles sont donc négligeables. • L’onduleur considéré est un onduleur de tension triphasé, commandé en MLI intersective. • Chaque interrupteur se compose d’un IGBT et d’une diode anti-parallèle. • Les pertes de ces composants sont séparées en 2 types de pertes : pertes en conduction et pertes en commutation. E

17. Modélisation des pertes du circuit de EP • Pertes en conduction : • Pertes de l’IGBT : • Pertes de la diode anti-parallèle : • Pertes en commutation : • Elles se divisent en pertes à l’ouverture et à la fermeture. Pour calculer les pertes en commutation, on détermine l’énergie de commutation, multipliée par la fréquence • Énergie de commutation de l’IGBT : • Énergie de commutation de la diode anti-parallèle :

18. Pertes calculées au fonctionnement nominal du moteur • fh = 0.8 kHz • Pertes en conduction : • Diode antiparallèle : 0,18 W • IGBT : 0,57 W • Pertes en commutation : • Diode antiparallèle : 0,29 W • IGBT : 0,5 W • Pertes totales (6 interrupteurs) : 10,34 W (A) (s) • fh = 12 kHz (Variateur PREDIS) • Pertes en conduction : • Diode antiparallèle : 0,13 W • IGBT : 0,55 W • Pertes en commutation : • Diode antiparallèle : 3,88 W • IGBT : 7,01 W • Pertes totales (6 interrupteurs) : 69 W (A) (s)

19. Optimisation du fonctionnement de la partie électrique

20. Modélisation des lois de commande existantes Commande V/f constant Commande V/f couple variable Identification à partirde mesures sur le variateur

21. Théorie : Identification : Détermination du couple de charge Mesures de couples fournies par le variateur de vitesse Courbe identifiée

22. Détermination de la loi de commande optimale Algorithme d’optimisation de la commande :

23. Loi de commande optimale obtenue Solutions optimales calculées Courbe approximative

24. Comparaison des lois de commande

25. Comparaison des performances des lois de commande • Performances globales (MAS + EP) en fonction de la vitesse de rotation : (à 50% de la charge nominale) Pertes minimales Zone de gain maximale Rendement de la partie électrique Puissance absorbée totale

26. Comparaison des performances des lois de commande • Performances du moteur en fonction de la vitesse de rotation : Rendement du moteur (%) Pertes du moteur (W)

27. Comparaison des performances des lois de commande Rendement du variateur (%) Pertes du variateur (W) Performances du variateur en fonction de la vitesse de rotation :

28. Cycle de fonctionnement de la VMC Débits possibles VMC : 0 -> 1500 m3/h Valeur moyenne à 600 m3/h Débit d’air (en m3/h) mesuré sur la VMC PREDIS, pour une journée typique

29. Ces résultats multipliés par le nombre de VMC installées en France et dans le Monde… Énergie consommée sur le cycle de fonctionnement

30. Conclusions et perspectives • Optimisation de la loi de commande : • Le mode de commande optimal permet un gain intéressant (~14%) mais nécessite un paramétrage complexe. • Perspectives : réaliser automatiquement cette configuration. • Perspectives : modélisation de la VMC et du bâtiment • VMC : Coupler l’électrique avec la thermique (échangeur rotatif, batterie chaude). • Bâtiment : coupler les équipements (VMC, ordinateurs, …) et usagers, avec la thermique du bâtiment (Thèse Sana GAALOUL) • Optimisation énergétique globale (ex : choisir la consigne de débit de la VMC optimale)

31. MERCI DE VOTRE ATTENTION