Grundfos SPE + RSI :
le pompage solaire à vitesse variable
Un ensemble Grundfos SPE piloté par un convertisseur RSI a sa propre logique de dimensionnement : un seuil d'amorçage, un débit minimal continu et trois accessoires indispensables. Voici son fonctionnement, chiffres à l'appui, et la méthode pour le dimensionner.
Une hydraulique, un moteur à aimants, un convertisseur
Un système SPE est constitué de trois composants spécifiquement conçus pour fonctionner de manière intégrée. La partie hydraulique repose sur les pompes immergées de la gamme SP, reconnues depuis de nombreuses années pour leur fiabilité et leurs performances. L'entraînement est assuré par un moteur synchrone à aimants permanents MS6000P, de conception quatre pôles, pouvant atteindre une vitesse maximale de 3 000 tr/min à 100 Hz, alimenté en triphasé 3 × 350 V. L'ensemble est piloté par le variateur RSI, qui convertit directement l'énergie en courant continu issue du champ photovoltaïque en alimentation triphasée et adapte en continu la vitesse de rotation du moteur en fonction de la puissance solaire disponible, afin d'optimiser le fonctionnement de la pompe sur toute la plage d'ensoleillement.
Le rendement constitue le principal avantage du moteur à aimants permanents. L'absence de courants induits au rotor limite l'échauffement du moteur et réduit la quantité de chaleur transmise au liquide pompé, deux facteurs qui conditionnent directement la durée de vie de l'ensemble immergé. Grundfos annonce un gain de 8 à 10 points de rendement par rapport à un moteur asynchrone de puissance équivalente, et publie le détail de ces valeurs à 50, 75 et 100 % de charge.
Le seuil d'amorçage, ou pourquoi une pompe peut tourner sans donner d'eau
Une pompe centrifuge ne développe une hauteur manométrique utile qu'à partir d'une vitesse de rotation minimale. En dessous de ce seuil, bien que le moteur entraîne la roue hydraulique et consomme de l'énergie, la hauteur générée reste insuffisante pour vaincre la charge statique du circuit : aucun débit n'est alors délivré en sortie. Les lois d'affinité des pompes centrifuges, publiées notamment par Grundfos dans sa documentation technique, permettent de déterminer cette vitesse critique à partir de laquelle l'eau commence effectivement à être refoulée.
La hauteur à débit nul est le sommet de la courbe débit-hauteur, à pleine vitesse. Une pompe qui monte à 189 m à débit nul et travaille à 75 m s'amorce à √(75/189), soit 63 % de sa vitesse. En deçà de cette vitesse, la pompe consomme de l'énergie sans délivrer de débit, tandis qu'au-delà le débit croît rapidement avec la vitesse de rotation. Plus ce rapport est faible, plus la plage horaire durant laquelle la pompe fonctionne s'étend sur la journée.
Une SPE 77-9 à 75 mètres
Prenons un exemple : 75 mètres de hauteur manométrique totale, avec un objectif de débit de l'ordre de 100 m³/h. La SPE 77-9 répond à ce point : neuf étages, moteur de 37 kW, hauteur à débit nul de 189 mètres. Elle s'amorce à 63 % de sa vitesse : la pompe démarre tôt le matin et s'arrête tard le soir. Voici sa journée, pour un champ photovoltaïque de 47 kWc et un rendement de système de 0,80.
| Ensoleillement | Puissance à l'entrée du convertisseur | Débit | Ce qui se passe |
|---|---|---|---|
| 150 W/m² | 5,6 kW | 0 m³/h | sous le seuil : la pompe ne débite pas |
| 197 W/m² | 7,3 kW | amorçage | l'eau commence à monter |
| 300 W/m² | 11,2 kW | 32 m³/h | déjà un tiers du débit maximal |
| 500 W/m² | 18,7 kW | 61 m³/h | régime de milieu de matinée |
| 700 W/m² | 26,1 kW | 80 m³/h | |
| 900 W/m² | 33,6 kW | 95 m³/h | |
| 1 000 W/m² | 37,3 kW | 101 m³/h | pleine vitesse, le convertisseur bride |
Une fenêtre de 5 pour 1 correspond à une plage de fonctionnement étendue. Sur une pompe dont le rapport hauteur sur hauteur à débit nul serait de 0,85, l'amorçage monterait à 92 % de la vitesse et la fenêtre tomberait à 1,3 pour 1 : la même installation ne travaillerait plus qu'aux heures pleines. C'est le premier point que le dimensionnement doit vérifier, avant même la puissance du champ photovoltaïque.
Ce que le RSI impose au champ photovoltaïque
Le RSI se décline en deux gammes de tension, et ce choix engage l'ensemble du générateur photovoltaïque puisqu'il détermine l'architecture des chaînes de modules. La gamme 3 × 380-440 V couvre de 2,2 à 250 kW, tandis que la gamme 3 × 208-240 V s'étend jusqu'à 15 kW et fonctionne à des tensions continues plus basses.
| Gamme du convertisseur | Tension MPP minimale | Tension MPP recommandée | Tension d'entrée maximale | Puissance |
|---|---|---|---|---|
| 3 × 380-440 V | 450 V | 530 à 615 V | 800 V | 2,2 à 250 kW |
| 3 × 208-240 V | 230 V | 290 à 336 V | 400 V | 1,5 à 15 kW |
Deux règles de dimensionnement du câblage en découlent. La chaîne doit rester au-dessus de 450 volts au point de puissance maximale même par forte chaleur, quand la tension des modules s'effondre, et sous 800 volts en circuit ouvert par grand froid, quand elle culmine. La bande conseillée entre les deux a une raison physique : il faut assez de tension continue pour que le convertisseur restitue la pleine tension du moteur à sa fréquence nominale.
Les trois indispensables
Trois équipements accompagnent l'ensemble et protègent le moteur dans la durée : le filtre sinusoïdal, le manchon d'écoulement et la sonde de température.
Le filtre sinusoïdal
Un variateur ne délivre pas une sinusoïde mais une succession d'impulsions, et les pics de tension qui en résultent fatiguent l'isolation des enroulements, d'autant plus que le câble de descente est long. La notice des pompes SP fixe des limites nettes : pour un moteur MS6000 alimenté par un convertisseur solaire, sans filtre, la tension continue du champ en circuit ouvert est limitée à 400 volts et le câble non blindé à 300 mètres ; avec un filtre sinusoïdal, ces limites passent à 800 volts et 500 mètres.
La gamme 3 × 380-440 V requiert une tension minimale de 450 volts au point de puissance maximale, et par conséquent une tension en circuit ouvert plus élevée encore, si bien qu'elle ne peut en aucun cas respecter la limite de 400 volts. Sur cette gamme, le filtre sinusoïdal est obligatoire. La gamme 3 × 208-240 V, dont l'entrée est plafonnée à 400 volts, est conçue pour s'en passer.
Sur un moteur à 3 000 tr/min alimenté en 100 Hz, le filtre se choisit sur la colonne 100 Hz du catalogue. Le courant admissible d'un filtre est environ un quart plus faible à 100 Hz qu'à 50 Hz : un moteur qui tire 85,6 A à 100 Hz réclame un filtre donné pour environ 112 A à 50 Hz.
Le manchon d'écoulement
Un moteur immergé se refroidit par l'eau qui le longe ; Grundfos demande une vitesse d'au moins 0,15 m/s le long du moteur, et donne la formule pour la vérifier :
Dans un forage large, l'eau ralentit autour du moteur et le refroidit moins. Le manchon, un simple tube placé autour du moteur, rétablit la vitesse d'écoulement ; Grundfos le recommande aussi en présence de sable.
Sur la SPE 77-9 de l'exemple, il devient utile au-delà d'environ 190 mm de diamètre de forage ; le seuil dépend de la pompe.
La sonde de température
Les moteurs immergés Grundfos peuvent recevoir un capteur de température intégré, et le livret technique indique sans ambiguïté que ces capteurs sont incompatibles avec un variateur de fréquence. Un fusible interne au transmetteur fond dès la mise sous variateur et le capteur est définitivement perdu. Grundfos recommande d'installer à la place une sonde Pt100 ou Pt1000 externe.
La sonde externe est la seule protection thermique de l'ensemble. Le convertisseur protège le moteur contre la surcharge électrique ; la température, elle, repose entièrement sur la sonde : la notice précise que le convertisseur ne la mesure pas.
La plage de fonctionnement à respecter
Le dimensionnement doit garantir que la pompe fonctionne en permanence dans son domaine d'utilisation, quelles que soient les conditions climatiques et les contraintes du site.
| Limite | Valeur | Pourquoi |
|---|---|---|
| Débit minimal continu | 0,1 × le débit nominal | en dessous, l'eau ne circule plus assez pour refroidir le moteur |
| Débit maximal continu | 1,3 × le débit nominal | risque de poussée axiale inversée et de cavitation |
| Marche vanne fermée | 30 secondes au maximum | le liquide s'échauffe localement |
| Survitesse | déconseillée | le fabricant déconseille de dépasser la fréquence nominale |
| Rampes d'accélération | 3 secondes au maximum | protection des paliers lisses et de la garniture |
| Nombre de démarrages | 120 par heure, 360 par jour | utile à vérifier sur un site à passages nuageux fréquents |
Solariser une pompe SP déjà en place
Le RSI pilote également les moteurs asynchrones classiques équipant les pompes immergées de la gamme SP. Une pompe déjà installée dans un forage peut ainsi être convertie au fonctionnement solaire sans modification de l'hydraulique, en conservant le même convertisseur et la même méthode de dimensionnement.
| SP + RSI (moteur asynchrone) | SPE + RSI (aimants permanents) | |
|---|---|---|
| Rendement moteur | de l'ordre de 82 % | 92,4 % à pleine charge |
| Rendement à charge partielle | rarement publié | 90,6 % à mi-charge |
| Vitesse nominale | 2 900 tr/min à 50 Hz | 3 000 tr/min à 100 Hz |
| Branchement direct sur réseau | possible | impossible, variateur obligatoire |
| Filtre sinusoïdal en gamme 400 V | obligatoire | systématiquement inclus |
| Cas d'usage | solarisation d'une pompe déjà installée | installation neuve, recherche du meilleur rendement |
À champ photovoltaïque égal, le moteur à aimants permanents dispose de plus de puissance à l'arbre : il s'amorce plus tôt dans la matinée et délivre un volume d'eau supérieur sur l'ensemble de la journée. Un écart de dix points de rendement se traduit ainsi directement par un volume produit plus important.
Ce que LE LAB fait de tout cela
Le dimensionnement d'un système de pompage à vitesse variable débute par la détermination du seuil d'amorçage hydraulique. Il convient en premier lieu de vérifier que ce seuil permet de disposer d'une plage de fonctionnement exploitable dans les conditions réelles d'ensoleillement. Il faut ensuite s'assurer que le débit requis demeure supérieur au débit minimal de fonctionnement continu de la pompe, puis contrôler que le générateur photovoltaïque respecte la fenêtre de tension admissible par le convertisseur, aussi bien à la tension maximale par basses températures qu'à la tension minimale par fortes chaleurs. Ce n'est qu'après la validation de ces conditions de fonctionnement que l'évaluation de la production d'eau, mois par mois, peut être réalisée.
Lors du dimensionnement, LE LAB compare systématiquement les ensembles SPE associés à un convertisseur RSI aux solutions de pompage à contrôleur intégré. Lorsque plusieurs architectures permettent d'atteindre le point de fonctionnement requis, l'application propose en priorité la solution la plus simple, afin de limiter la complexité de l'installation, de réduire les coûts et de faciliter la mise en œuvre ainsi que la maintenance.
D'où viennent ces chiffres
- Livret technique SPE 3 000 tr/min, Grundfos : description de la gamme, moteurs MS6000P, rendements et facteurs de puissance, sélection des filtres sinusoïdaux, conditions de fonctionnement, lois d'affinité, diamètres de forage recommandés.
- Notice d'installation et de fonctionnement SP et SPE, Grundfos : fonctionnement avec convertisseur de fréquence, limites de tension et de longueur de câble avec et sans filtre, vitesse d'écoulement minimale le long du moteur, capteurs de température.
- Notice d'installation et de fonctionnement RSI 1,5 à 250 kW, Grundfos : tensions au point de puissance maximale, tension d'entrée maximale, plage de fréquence, tailles et intensités de sortie, réglage de la fréquence minimale de refoulement, codes de défaut.
- Notice RSI AC Drives, Grundfos : caractéristiques techniques du convertisseur, types de moteurs pilotés, plages de température et déclassements.
- Courbes débit-hauteur et courbes de puissance des fiches produit Grundfos Product Centre pour la pompe citée en exemple.
Chiffres et contraintes relevés dans la documentation officielle Grundfos, versions en vigueur à la date de publication ; la notice du fabricant reste la référence. Une page éditée par SINES, distributeur officiel Grundfos.