Ventilateur centrifuge à aubes arrière et choix du moteur : la courbe de puissance non surchargeante

Sur un ventilateur centrifuge à aubes inclinées vers l'arrière, la puissance sur l'arbre monte jusqu'à un maximum quand le débit augmente, puis redescend. Un moteur choisi pour la puissance maximale de la courbe ne sera donc pas surchargé à vitesse constante, même si l'on retire la gaine, ouvre le registre ou change le filtre. On parle de courbe de puissance non surchargeante : c'est ce qui rend le choix du moteur le plus prévisible parmi les ventilateurs centrifuges.

Ci-dessous, nous calculons point par point la courbe d'un ventilateur à aubes arrière à entraînement direct, montrons où se situe la puissance maximale, dans quels cas cette garantie ne tient plus (vitesse plus élevée, air froid et dense) et l'effet du variateur. Vous pouvez choisir un moteur adapté parmi les 120 modèles de notre boutique en ligne ; pour les informations générales, voir notre page Moteurs de ventilateur.

Qu'est-ce qu'un ventilateur radial à aubes arrière et où l'utilise-t-on ?

Le ventilateur à aubes arrière est une roue centrifuge (radiale) dont les aubes sont inclinées à l'opposé du sens de rotation. Par rapport à une roue à aubes avant, elle compte moins d'aubes (en général 8 à 12), plus longues et plus lourdes [1]. L'aube peut être une tôle plane, une tôle cintrée ou un profil aérodynamique ; les trois appartiennent à la même famille. « Aubes arrière » désigne un type d'aube : le principe de fonctionnement est centrifuge, et l'enveloppe peut être une volute ou être absente.

Applications : centrales de traitement d'air, caissons d'extraction, extraction industrielle en aval du filtre, air de procédé et air de combustion demandant une pression moyenne à élevée en air propre ou filtré. La roue à aubes arrière sans enveloppe est la base des ventilateurs plug (plenum) ; une roue à aubes avant est instable sans volute et ne convient pas à cet usage [1]. L'air chargé de poussières collantes ou de matière relève des ventilateurs à aubes radiales droites, pas de la roue à aubes arrière.

Courbe de puissance non surchargeante : où se trouve le maximum ?

Avec une aube inclinée vers l'arrière, l'air quitte la roue à une vitesse absolue inférieure à la vitesse périphérique ; l'essentiel de l'énergie se transforme en pression entre les aubes. Quand le débit augmente, la pression baisse et, au-delà d'un certain point, le produit débit × pression diminue ; la puissance sur l'arbre suit. Un document de fabricant indique qu'un moteur choisi pour la puissance maximale ne sera pas surchargé à vitesse de ventilateur constante, malgré les variations de résistance du réseau ou de débit [1] ; un autre qualifie la courbe de puissance de cette roue de non surchargeante [2].

Pour l'exemple, nous avons utilisé une courbe simplifiée : ventilateur à aubes arrière simple ouïe, roue montée directement sur l'arbre du moteur, diamètre 560 mm, 1450 tr/min (vitesse périphérique d'environ 42,5 m/s). Le point de conception est de 10 800 m³/h sous 898 Pa ; un rendement de ventilateur de 0,74 a été supposé en ce point : P_arbre = Q·Δp / η_vent = 3,0 × 898 / 0,74 ≈ 3 640 W.

Le débit passe de 7 200 à 18 610 m³/h, soit plus de 2,5 fois, sans que la puissance sur l'arbre ne dépasse jamais 3,72 kW. Gaine retirée, elle est même inférieure à celle du point de conception. Le débit libre de ce ventilateur est d'environ 23 070 m³/h ; le point de conception en représente 47 %. Un document de fabricant recommande une sélection entre 40 et 85 % du débit libre pour un fonctionnement silencieux et efficace [1].

Rôle du moteur dans ce ventilateur et partage des responsabilités

Deux dispositions sont courantes sur les ventilateurs à aubes arrière. En entraînement direct, la roue est montée sur l'arbre du moteur ; celui-ci supporte par ses roulements le poids de la roue et l'effort de balourd. Dans un ventilateur plug, le moteur se trouve généralement derrière le côté aspiration, près du flux d'air à l'intérieur du caisson. Avec courroie ou accouplement, le moteur est hors de la volute et la roue tourne sur son propre arbre à paliers. Dans tous les cas, le moteur est un moteur asynchrone triphasé standard qui fournit la puissance et la vitesse demandées ; il n'existe pas de type de moteur distinct appelé « moteur de ventilateur à aubes arrière ».

Le choix du ventilateur, de sa courbe, de sa roue et de son enveloppe appartient au fabricant du ventilateur ou à l'ingénieur qui conçoit l'installation. Notre rôle est de fournir le bon moteur pour la puissance sur l'arbre, la vitesse, le montage et les conditions ambiantes qui en découlent. Certains ventilateurs plug sont livrés avec un moteur intégré à aimants permanents ou EC ; DRG ne vend pas ces moteurs et leur remplacement doit alors être vu avec le fabricant du ventilateur.

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Choisir le moteur à la puissance maximale et trois cas où la garantie tombe

L'entraînement direct n'a pas de perte de transmission ; puissance moteur = P_arbre maximale + réserve. Dans l'exemple, le maximum est de 3,72 kW : un moteur de 4 kW suffit, le DRG-112M-4, 1450 tr/min, 7,95 A sous 400 V. La réserve est d'environ 7,5 % ; le moteur étant choisi au maximum de la courbe, il est inutile d'ajouter une marge pour un cas « porte ouverte » comme sur les ventilateurs à aubes avant. La garantie ne tombe que dans ces trois cas :

• Hausse de vitesse : la garantie ne vaut qu'à vitesse constante [1]. Dépasser 50 Hz avec un variateur ou monter une poulie plus grande augmente la puissance maximale comme le cube de la vitesse.
• Air froid et dense : la puissance est proportionnelle à la masse volumique de l'air. Si la courbe est donnée pour 20 °C, un ventilateur aspirant de l'air extérieur à −10 °C voit la masse volumique augmenter d'environ 1,11 fois et la puissance maximale passer de 3,72 kW à environ 4,14 kW. Le moteur de 4 kW dépasse alors sa limite : choisir 5,5 kW (DRG-132S-4) ou limiter la vitesse aux démarrages à froid.
• Autre roue ou autre angle d'aube : une roue modifiée donne une nouvelle courbe ; l'ancienne puissance maximale n'est plus valable.

Pour situer le marché : un catalogue de fabricant liste sa série à aubes arrière simple ouïe jusqu'à 2 800 Pa et 40 kW de puissance sur l'arbre, sa série double ouïe jusqu'à 3 700 Pa et 160 kW, et sa série plug à aubes arrière jusqu'à 2 800 Pa et 80 kW [3]. Un autre document indique que cette roue s'emploie jusqu'à 20 pouces de colonne d'eau (environ 5 000 Pa) [1]. La puissance de votre propre ventilateur se calcule à partir du diamètre, du débit, de la pression, de la vitesse, de la résistance du réseau, de la température de l'air et des pertes de transmission ; pour un calcul rapide, utilisez le calculateur de puissance pompe et ventilateur.

Vitesse, vitesse périphérique, équilibrage et variateur

Pour produire la même pression, une roue à aubes arrière demande une vitesse périphérique plus élevée qu'une roue à aubes avant [1]. La roue de 560 mm de l'exemple tourne à environ 42,5 m/s à 1450 tr/min. C'est pourquoi on rencontre souvent 4 pôles (classe 1500 tr/min) et, sur les petits diamètres, 2 pôles (classe 3000 tr/min) ; le DRG-112M-2 tourne à 2905 tr/min, le DRG-132S1-2 à 2930 tr/min.

Le nombre de pôles découle du diamètre de la roue et de sa vitesse maximale admissible ; il ne se change pas librement côté moteur. Entraîner la même roue de 560 mm avec un moteur 2 pôles multiplie la vitesse par environ 2,02 ; la puissance est multipliée par environ 8,25 (de 3,72 kW à environ 30,7 kW) et la vitesse périphérique atteint environ 86 m/s. Cela peut dépasser la limite de résistance de la roue ; on ne le fait pas sans l'accord du fabricant du ventilateur.

La vitesse périphérique élevée rend l'équilibrage critique. En entraînement direct, l'ajustement roue–arbre (arbre de 28 mm et clavette de 8 mm sur la carcasse 112M), le jeu de clavette et l'équilibrage de la roue avec le moteur déterminent les vibrations. Les charges radiale et axiale que le poids de la roue impose aux roulements du moteur se vérifient avec les données du fabricant du ventilateur ; le roulement de la carcasse 112M est un 6206-ZZ-C3. La forme de montage dépend de la disposition : sur les ventilateurs plug, le plus souvent B3 sur socle ou bride B5 sur le châssis, V1 sur les ventilateurs verticaux ; le type exact est pris sur le plan du fabricant du ventilateur.

Fonctionnement sur variateur : réglage du débit et énergie

Le ventilateur à aubes arrière accepte tous les modes de régulation [2], mais l'économie d'énergie vient surtout de la variation de vitesse. Selon les lois de similitude, à 80 % de la vitesse le ventilateur d'exemple fournit 8 640 m³/h sous 575 Pa, et la puissance sur l'arbre passe de 3,64 kW à environ 1,86 kW. Obtenir le même débit en étranglant au registre ne réduit pas autant la puissance. Calcul détaillé dans notre article sur les lois de similitude.

• Le courant de sortie du variateur doit couvrir le courant de plaque du moteur sous 400 V (7,95 A dans l'exemple).
• Maintenir la fréquence maximale à 50 Hz ; au-delà, la puissance maximale et la vitesse périphérique augmentent.
• Sur une charge de ventilateur, le couple baisse à basse vitesse : un moteur autoventilé suffit en général ; surveiller la température en cas de longue marche à très basse vitesse.
• Si l'ensemble roue–moteur présente une vitesse de résonance dans la plage, la sauter sur le variateur.

Liste de contrôle avant commande et correspondance DRG

• Courbe du ventilateur : point de conception et puissance maximale sur l'arbre.
• Vitesse du ventilateur, diamètre de roue et vitesse maximale admissible de la roue.
• Température minimale de l'air aspiré (démarrage à froid).
• Transmission : directe, accouplement ou courroie ; alésage du moyeu et clavette.
• Forme de montage du moteur et données de charge des roulements.
• Variateur prévu ? Plage de fréquence ?
• Moteur intégré EC ou à aimants permanents ? Si oui, voir avec le fabricant du ventilateur.

Gamme DRG : carcasses aluminium de 0,25 à 11 kW, fonte de 0,55 à 355 kW ; 1000/1500/3000 tr/min ; triphasé 230/400 V ou 400/690 V ; montage B3/B5/B14/B35 sur note de commande. Toute puissance de ventilateur à aubes arrière du marché n'est pas un produit DRG ; déterminez la valeur à partir de la puissance maximale de votre ventilateur. Pour le mode de démarrage des grandes roues à lancement long, voir l'outil Méthodes de démarrage et étoile-triangle, et pour le choix général sur les ventilateurs industriels notre article moteur de ventilateur et d'extracteur industriel. DRG Motor est fabricant, fournisseur et vendeur de moteurs électriques. Les moteurs DRG MOTOR sont garantis 2 ans à compter de la date de livraison contre les défauts de matériau et de fabrication (certificat de garantie).

Moteurs DRG pour ventilateurs à aubes vers l'arrière

• DRG-112M-2 – 4 kW – 2905 tr/min – 112M fonte
• DRG-112M-4 – 4 kW – 1450 tr/min – 112M fonte
• DRG-132S1-2 – 5,5 kW – 2930 tr/min – 132S fonte
• DRG-132S-4 – 5,5 kW – 1460 tr/min – 132S fonte
• DRG-132M-4 – 7,5 kW – 1460 tr/min – 132M fonte
• DRG-160M-4 – 11 kW – 1465 tr/min – 160M fonte

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Ventilateur à aubes vers l'arrière : questions fréquentes

Pourquoi le moteur n'est-il pas surchargé sur un ventilateur à aubes arrière ?

Parce que la puissance sur l'arbre passe par un maximum avec le débit puis redescend. Si le moteur est choisi pour ce maximum, la charge ne dépasse pas sa puissance à vitesse constante, quel que soit le débit. Dans l'exemple, le débit varie de plus de 2,5 fois sans que la puissance ne dépasse 3,72 kW.

Quelle vitesse pour le moteur d'un ventilateur à aubes arrière ?

Celle indiquée par le fabricant du ventilateur. Sur les diamètres moyens et grands, 4 pôles (1450–1470 tr/min) sont courants ; sur les petits, 2 pôles (2905–2955 tr/min). Changer de polarité modifie la puissance comme le cube de la vitesse.

Peut-on faire tourner un ventilateur à aubes arrière au-dessus de 50 Hz ?

Seulement si le fabricant du ventilateur l'autorise pour la roue et si le moteur supporte la nouvelle puissance maximale. Dans l'exemple, une hausse de vitesse de 10 % porte le maximum à environ 4,95 kW ; un moteur de 4 kW ne le supporte pas.

Un ventilateur plug est-il à aubes arrière ou à aubes avant ?

Les ventilateurs plug (plenum) sont construits avec des roues à aubes arrière ou à profil aérodynamique. La roue à aubes avant dépend de sa volute et devient instable sans elle.

Envoyez-nous la courbe du ventilateur ou la plaque de l'ancien moteur : nous confirmerons ensemble le modèle DRG adapté à la puissance maximale. Téléphone +90 (542) 666 11 11, e-mail [email protected], page contact. Pour tous les modèles et les prix actuels : Acheter un moteur électrique en ligne.

Sources

1. Aerovent – Fan Performance Characteristics of Centrifugal Fans (FE-2400) – courbe de puissance non surchargeante de la roue à aubes arrière, choix du moteur à la puissance maximale, plage de sélection et limite de pression
2. Greenheck – Product Application Guide: Fan Applications (FA/126-08) – courbe de puissance non surchargeante du ventilateur à aubes arrière et usage en air propre
3. Comefri – Global Product List – limites de pression et de puissance des séries à aubes arrière simple/double ouïe et plug