Le convertisseur solaire
Grundfos RSI
Le RSI transforme la puissance continue d'un champ photovoltaïque en courant alternatif triphasé pour entraîner une pompe immergée, sans batteries. Il intègre un suivi du point de puissance maximale (MPPT), bénéficie d'un indice de protection IP66, couvre une plage de puissance de 1,5 à 250 kW et peut, selon la configuration, être secouru par le réseau électrique ou un groupe électrogène. Ces caractéristiques constituent les éléments essentiels à prendre en compte pour son dimensionnement.
Un variateur de fréquence taillé pour le soleil
Le convertisseur RSI assure l'interface entre le générateur photovoltaïque et le moteur immergé. Les modules photovoltaïques délivrent une tension continue, variable avec l'irradiation et la température, alors que le moteur nécessite une alimentation triphasée dont la tension et la fréquence doivent être pilotées avec précision. Le RSI réalise cette conversion tout en intégrant un algorithme de suivi du point de puissance maximale (MPPT). Il adapte en permanence la fréquence de sortie, et donc la vitesse de rotation de la pompe, à la puissance instantanément disponible. La pompe fonctionne ainsi sur toute la plage d'ensoleillement, avec un débit qui évolue naturellement en fonction de l'énergie fournie par le champ photovoltaïque.
Basse tension ou haute tension, un choix structurant
Le convertisseur RSI est décliné en deux plages de tension d'entrée, dont le choix conditionne le dimensionnement du générateur photovoltaïque. La version haute tension est destinée aux installations de moyenne et forte puissance, permettant l'utilisation de chaînes de modules à tension élevée. La version basse tension, limitée à une puissance maximale de 15 kW, est conçue pour fonctionner avec des tensions continues plus faibles et des configurations de champ photovoltaïque adaptées.
| 3 × 208-240 V | 3 × 380-440 V | |
|---|---|---|
| Plage de puissance | 1,5 à 15 kW | 2,2 à 250 kW |
| Tension minimale au point de puissance maximale | 230 V | 450 V |
| Tension recommandée | 290 à 336 V | 530 à 615 V |
| Tension d'entrée maximale | 400 V | 800 V |
| Fréquence de sortie | 5 à 160 Hz | 5 à 160 Hz |
| Indice de protection | IP66 | IP54 ou IP66 |
Les tensions minimale MPPT, recommandée et maximale d'entrée définissent les contraintes de dimensionnement du générateur photovoltaïque. La chaîne de modules doit conserver une tension supérieure au seuil minimal de fonctionnement lorsque la température des cellules est élevée, condition pour maintenir le suivi du point de puissance maximale. À l'inverse, sa tension à vide ne doit jamais dépasser la tension d'entrée maximale du convertisseur lors des conditions les plus défavorables, notamment par grand froid, lorsque la tension des modules est maximale. Le dimensionnement doit donc garantir le respect simultané de ces limites afin d'assurer un fonctionnement fiable et continu de l'installation tout au long de l'année.
Le RSI se choisit sur l'intensité du moteur
Le dimensionnement du convertisseur est déterminé par le courant nominal du moteur. À puissance égale, un moteur conçu pour une tension nominale plus faible présente un courant nominal plus élevé. Il est donc fréquent que le convertisseur requis appartienne à une classe de puissance supérieure à celle du moteur afin de couvrir l'intensité demandée dans toutes les conditions de fonctionnement.
| Taille du RSI, gamme 3 × 380-440 V | Courant de sortie nominal | Taille |
|---|---|---|
| 2,2 kW | 5,6 A | A |
| 4 kW | 9,6 A | A |
| 7,5 kW | 16 A | B |
| 15 kW | 31 A | B |
| 22 kW | 46 A | C |
| 37 kW | 72 A | C |
| 55 kW | 105 A | MR7 |
| 110 kW | 205 A | MR8 |
| 250 kW | 460 A | ED |
Le même principe s'applique lors du remplacement ou de la modernisation d'une installation existante : le choix du convertisseur s'effectue à partir des caractéristiques nominales figurant sur la plaque signalétique du moteur, et non de sa seule puissance apparente. L'assistant de mise en service du RSI s'appuie d'ailleurs sur ces paramètres, à savoir la tension nominale, la fréquence, la vitesse de rotation, le courant nominal, le facteur de puissance et la puissance, pour configurer le convertisseur. Afin de simplifier cette étape, il intègre une bibliothèque des principaux moteurs Grundfos, permettant de sélectionner directement le modèle installé.
Ce que le RSI sait entraîner
Le livret technique liste les familles Grundfos compatibles : les pompes immergées SP, les multicellulaires verticales CR, les NB et NK à aspiration axiale, les MTR, les CM et les TP en ligne. Deux conditions seulement : une fréquence nominale de 50 ou 60 Hz, et un moteur capable de fonctionner en 3 × 380 V ou 3 × 220 V.
Ce qu'une installation RSI comporte vraiment
Une installation complète comprend, outre le convertisseur, plusieurs équipements dont la notice établit la liste. Deux d'entre eux relèvent de la conception et doivent être prévus dès l'étude du projet.
| Élément | Rôle | Statut |
|---|---|---|
| Sectionneur continu | couper le champ photovoltaïque en sécurité | indispensable |
| Protection contre les surtensions continues | protéger l'entrée du convertisseur | indispensable |
| Capteur de marche à sec | entrée dédiée sur le convertisseur | indispensable |
| Filtre sinusoïdal | protéger l'isolation du moteur des pics de tension | selon la tension et la longueur de câble |
| Coffret de regroupement | rassembler les chaînes de modules | selon la taille du champ |
| Capteur de niveau | arrêt sur réservoir plein | en option, entrée prévue |
| Sectionneur alternatif | coupure entre la sortie et le moteur | en option |
Cette contrainte est déterminante pour le choix de la gamme de convertisseurs. Les modèles 3 × 380 à 440 V nécessitent une tension minimale de 450 V au point de puissance maximale, ce qui implique nécessairement une tension à vide supérieure à 400 V. L'installation d'un filtre sinusoïdal est donc systématiquement requise avec cette gamme. À l'inverse, les convertisseurs 3 × 208 à 240 V sont conçus pour fonctionner avec un générateur photovoltaïque dont la tension d'entrée reste inférieure à 400 V, ce qui permet, dans les conditions prévues par le fabricant, de s'affranchir de ce filtre.
Les protections embarquées, et la sonde qui les complète
Le convertisseur RSI intègre un ensemble complet de fonctions de protection destinées à sécuriser le moteur, le convertisseur et le générateur photovoltaïque. Il assure notamment la surveillance des surintensités, des surtensions et sous-tensions, des défauts de mise à la terre, des pertes de phase moteur, des surcharges de courte et de longue durée, du blocage du rotor, du fonctionnement en sous-charge ainsi que de la température interne du convertisseur. Il intègre également une protection spécifique aux applications photovoltaïques : lorsque la puissance fournie par le générateur devient insuffisante pour garantir un fonctionnement stable, le convertisseur interrompt automatiquement l'entraînement de la pompe afin d'éviter les cycles de fonctionnement dégradés.
La mise en service comporte un second réglage déterminant, celui de la fréquence minimale de refoulement. La procédure consiste à démarrer l'installation par temps ensoleillé, à augmenter progressivement la fréquence jusqu'à l'apparition effective du débit, puis à mémoriser cette valeur dans le convertisseur. Ce réglage matérialise le seuil d'amorçage de la pompe, en deçà duquel aucun débit n'est délivré en sortie.
Chaleur et altitude
Deux facteurs de déclassement doivent être pris en compte lors du dimensionnement du convertisseur, en particulier dans les régions chaudes et de haute altitude où les systèmes de pompage solaire sont fréquemment déployés. Jusqu'à une température ambiante de 40 °C, le convertisseur peut délivrer son courant nominal. Au-delà, et jusqu'à 60 °C, le courant de sortie admissible doit être réduit conformément aux spécifications du fabricant. De la même manière, le fonctionnement à pleine charge est garanti jusqu'à une altitude de 1 000 m. Au-delà, un déclassement de 1 % du courant nominal est appliqué par tranche de 100 m, jusqu'à l'altitude maximale de 3 000 m.
Cinq décisions, un seul dimensionnement
Choisir un RSI, c'est choisir simultanément une pompe, un moteur, une taille de convertisseur, une longueur de chaîne de modules et un nombre de chaînes en parallèle. Ces cinq décisions sont liées : la fenêtre de tension impose la longueur de chaîne, la longueur de chaîne impose le pas de puissance du champ, et la pompe fixe le seuil d'amorçage en deçà duquel aucun débit n'est délivré en sortie.
D'où viennent ces informations
- Notice d'installation et de fonctionnement RSI 1,5 à 250 kW, Grundfos : caractéristiques techniques, gammes de tension, tailles et intensités de sortie, rendements du module d'entraînement, assistant de démarrage, codes de défaut, réglage de la fréquence minimale de refoulement.
- Notice RSI AC Drives, Grundfos : types de moteurs pilotés, plages de température ambiante et déclassements, déclassement en altitude, fréquence de commutation.
- Livret technique RSI, convertisseur d'énergie solaire renouvelable pour la commande de pompes 1,5 à 37 kW, Grundfos : description générale, composants de l'installation, familles de pompes compatibles, accessoires.
- Notice d'installation et de fonctionnement SP et SPE, Grundfos : limites de tension et de longueur de câble avec et sans filtre sinusoïdal, capteurs de température sur variateur.