Grundfos SPE + RSI :
le pompage solaire à vitesse variable
Un ensemble Grundfos SPE associé à un convertisseur RSI doit respecter un seuil de refoulement, un débit minimal continu et des conditions électriques précises. Cette fiche présente l'architecture, les limites de fonctionnement et les équipements à prévoir à partir de la documentation Grundfos.
Composition d'un ensemble SPE + RSI
Un système SPE associe trois composants conçus pour fonctionner ensemble. La partie hydraulique reprend les pompes immergées de la gamme SP. L'entraînement est assuré par un moteur synchrone à aimants permanents MS6000P, à quatre pôles, alimenté en triphasé 3 × 350 V et pilotable jusqu'à 3 000 tr/min à 100 Hz. Le convertisseur RSI transforme le courant continu du champ photovoltaïque en alimentation triphasée et adapte la fréquence de sortie à la puissance disponible. Pour les puissances et les points de fonctionnement situés hors du domaine SPE, la gamme SP utilise une motorisation asynchrone : le comparatif SP ou SPE présente les différences entre les deux architectures.
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 de refoulement à vitesse variable
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 publiées par Grundfos permettent d'estimer cette vitesse minimale de refoulement, désignée comme « seuil d'amorçage » dans l'étude LE LAB.
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
L'exemple porte sur une hauteur manométrique totale de 75 mètres et un débit voisin de 100 m³/h. La SPE 77-9 comporte neuf étages, un moteur de 37 kW et une hauteur à débit nul de 189 mètres. Le seuil théorique de refoulement se situe à 63 % de la vitesse nominale. Le tableau présente les points de fonctionnement obtenus avec un champ photovoltaïque de 47 kWc et un rendement global de système fixé à 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 indique une plage de puissance exploitable étendue. Avec un rapport entre hauteur de service et hauteur à débit nul de 0,85, le seuil atteindrait 92 % de la vitesse et la fenêtre tomberait à 1,3 pour 1. La vérification de ce seuil complète donc le contrôle de puissance du champ photovoltaïque : une puissance crête suffisante ne garantit pas, à elle seule, une plage de fonctionnement utile.
Contraintes électriques du 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.
Équipements nécessaires à l'installation
Le filtre sinusoïdal, le manchon d'écoulement et la sonde de température répondent à trois risques distincts : les contraintes électriques du câble moteur, le refroidissement de l'ensemble immergé et la surveillance thermique du moteur.
Le filtre sinusoïdal
Un variateur ne délivre pas une sinusoïde mais une succession d'impulsions, et les pics de tension qui en résultent sollicitent l'isolation des enroulements, d'autant plus que le câble moteur est long. Pour les pompes SP, la notice fixe sans filtre une limite de 400 V continus et une longueur maximale de câble de 100 m avec un moteur MS4000, ou de 300 m avec un MS6000. Avec un filtre sinusoïdal, les limites publiées passent à 800 V continus et 500 m de câble.
Pour une SPE, le filtre sinusoïdal est obligatoire. Pour une SP, il est obligatoire en 400 V ; en 230 V, le constructeur admet un fonctionnement sans filtre jusqu'à 100 m de câble pour les moteurs concernés. Les ensembles dimensionnés par LE LAB l'intègrent systématiquement, y compris en 230 V, afin de protéger le moteur et d'uniformiser la composition des kits.
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, la vitesse de l'eau autour du moteur peut devenir insuffisante. Un manchon dimensionné autour de la pompe canalise l'écoulement le long du moteur et rétablit la vitesse de refroidissement requise. Grundfos le recommande également dans certaines installations exposées au 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 surveillance de la température du moteur repose sur la sonde externe. Le convertisseur assure séparément les protections électriques, notamment contre les surcharges, mais la notice précise qu'il ne mesure pas directement la température du moteur.
La plage de fonctionnement à respecter
Le dimensionnement doit vérifier que le point de fonctionnement reste dans le domaine autorisé de la pompe et du moteur, en tenant compte des conditions du site et des limites publiées par le fabricant.
| 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 |
| Fréquence en continu | 55 à 100 Hz (120 Hz admis selon moteur) | sous 55 Hz, la marche continue est interdite : paliers et refroidissement |
| 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 |
Conversion d'une installation SP existante au solaire
Le RSI pilote également les moteurs asynchrones des pompes immergées SP. Une installation existante peut ainsi recevoir une alimentation photovoltaïque tout en conservant son hydraulique, sous réserve de vérifier le moteur, le câble, les accessoires, le point de fonctionnement et la compatibilité avec le convertisseur retenu.
| SP + RSI (moteur asynchrone) | SPE + RSI (aimants permanents) | |
|---|---|---|
| Rendement moteur | de l'ordre de 82 % | 92,2 % à pleine charge |
| Rendement à charge partielle | rarement publié | 91,5 % 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 | obligatoire en 400 V ; en 230 V, admis sans filtre par le constructeur jusqu'à 100 m de câble ; systématique dans les ensembles LE LAB | obligatoire |
| Cas d'usage | solarisation d'une pompe déjà installée | installation neuve, recherche du meilleur rendement |
À champ photovoltaïque et point hydraulique comparables, le meilleur rendement du moteur à aimants permanents laisse davantage de puissance disponible à l'arbre. Selon le seuil de refoulement et le profil solaire du site, cet avantage peut élargir la plage de fonctionnement et augmenter le volume journalier produit.
Contrôles réalisés dans LE LAB
L'étude vérifie le seuil de refoulement, le débit minimal continu, la plage de fréquence autorisée et la compatibilité électrique du champ photovoltaïque avec le convertisseur. Elle contrôle également les tensions de chaîne aux températures de référence du site. La production mensuelle est présentée après validation de ces conditions de fonctionnement.
Lorsque plusieurs architectures sont compatibles, l'étude permet de distinguer les différences de pompe, de champ photovoltaïque, de contrôleur et d'accessoires. Le choix final doit également intégrer les contraintes de mise en œuvre, d'exploitation et de maintenance propres au site.
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.