Brevet FR2529965A1 — publié le 19840113

252996; Groupe moto-pompe à réglage de vitesse L'invention concerne un groupe moto-pompe à réglage de vitesse comprenant un moteur électrique et une pompe centrifuge entraînée par ce dernier, dont la vitesse de rotation N est réglable par paliers en fonction de caracté- ristiques de fonctionnement sélectionnées du groupe à l'intérieur d'un diagramme caractéristique dont les limites sont déterminées d'une part par les deux courbes d'étran- glement H(Q) pour les vitesses de rotation maximale et minimale et, d'autre part, par les cobrdonnées hauteur de refoulement H et débit Q. Comme on le sait, le point de fonctionnement d'une installation de pompage coïncide avec le point d'intersec- tion de la courbe caractéristique de l'installation HA(Q) et de la courbe d'étranglement de la pompe H(Q) Des modi- fications de ce point de fonctionnement nécessitent donc une modification de la courbe caractéristique de l'instal- lation, de la courbe caractéristique de la pompe ou des deux courbes. Comme on le sait, la variation de la courbe caracté- ristique de l'installation par la fermeture d'un robinet ou par l'ouverture d'une dérivation entraîne des pertes d'éner- gie En revanche, l'adaptation de la courbe caractéristique de la pompe par variation de la vitesse à l'état de fonc- tionnement désiré de l'installation peut être réalisée presque sans pertes En plus de la consommation d'énergie plus faible, il est bien souvent avantageux que la pompe à réglage de vitesse fournisse seulement la différence de pression nécessaire pour l'installation de telle façon que des bruits d'écoulement peuvent être évités Le constructeur -2d'installations réclame donc un groupe moto-pompe dont la courbe d'étranglement peut être adaptée dans une large mesure avec un bon rendement aux différentes courbes carac- téristiques de l'installation et qui permet, en plus, une installation aussi simple-que possible. C'est pourquoi on a déjà exprimé et discuté à plu- sieurs reprises le désir de disposer de pompes dont les courbes caractéristiques peuvent être placées arbitrairement en essayant autant que possible de faire fonctionner la pompe en dehors du réseau de caractéristiques lequel pour- rait conduire, dans le cas contraire, à des bruits d'écou- lement dans des systèmes remplis d'eau et à un mauvais comportement de réglage. Il existe sur le marché dés pompes conçues en tenant compte de cette considération et dont le moteur triphasé à induit en court-circuit peut tourner avec réglage continu de la vitesse par l'intermédiaire d'un convertisseur de fréquences La pression différentielléïproduite et mesurée par la pompe et le débit volumique également mesuré sont alors comparés avec une courbe caractéristique préprogrammée du groupe et réglés sur cette courbe par l'intermédiaire de la vitesse de rotation Toutefois, compte tenu des dépenses métrologiques, des groupes moto- pompes commandés de ce genre sont très coûteux En outre, leur commande est compli- quée et très sensible du fait des travaux considérables pour l'installation C'est pourquoi ces groupes sont le plus souvent réservés pour les grandes puissances et ils doivent être installés par des spécialistes. La présente invention a pour objet de créer un groupe moto-pompe à réglage de vitesse simple et bon marché dont la courbe caractéristique peut être choisie, en prin- cipe, à volonté Pendant le fonctionnement du groupe, cette courbe caractéristique doit pouvoir être atteinte dans une très large mesure par une commutation par paliers de la vitesse de rotation sans qu'il soit nécessaire de recourir à une métrologie coûteuse. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le groupe motopompe du genre précité est réalisé de 3 - telle façon que sur les courbes d'étranglement H(Q) valables pour les vitesses n const on peut définir respective- ment une section partielle déterminée et qu'une commutation de la vitesse est déclenchée au moment de l'atteinte des caractéristiques de fonctionnement électriques ou hydrau- liques du groupe représentatives pour les valeurs extrêmes des sections partielles de sorte que la vitesse est réduite lorsque, sur une section partielle, la valeur extrême avec la hauteur de refoulement H supérieure et le débit Q in- férieur est atteinte, et qu'elle est augmentée lorsque l'autre valeur extrême avec la hauteur de refoulement H inférieure et le débit Q supérieur est atteinte On peut tracer une caractéristique de réglage HR(Q) imaginaire présélectionnée arbitrairement pour l'application pratique respective du groupe et coupant les sections partielles de telle façon que lors de l'atteinte des caractéristiques de fonctionnement électriques ou hydrauliques du groupe repré- sentatives pour les valeurs extrêmes dés sections partielles la commutation de la vitesse est déclenchée, la vitesse étant réduite pour une valeur extrême située, dans le réseau de caractéristiques, au-dessus de la caractéristique du groupe, et augmentéeldès l'atteinte d'une valeur extrême située en dessous de cette caractéristique. La caractéristique de réglage prédéterminée H R(Q) coupe donc une série de courbes d'étranglement, chacun de ces points d'intersection étant placé entre les valeurs extrêmes de la section partielle considérée de la courbe d'étranglement, ce qui permet alors d'utiliser les caracté- ristiques de fonctionnement électriques ou hydrauliques qui sont déterminantes pour les valeurs extrêmes pour la commu- tation de la vitesse et d'approcher la caractéristique présélectionnée de l'installation par la juxtaposition des sections partielles de courbes d'étranglement correspondant. à différentes vitesses de rotation. La fig 1 présente une série de courbes d'étrangle- ment H(Q) pour des vitesses constantes n Pour une instal- lationincanée lseltin N 1/n 2, H/H 2 2 2 lation inchangée, les relations Q 1/Q 2 N 1/n 2, H 1/H 2 = N 1 /n 2 _ 4- et P /P n,3/n 3 appelées lois d'affinité sont valables, Qi Q 2 i 2 Q étant le débit, H la hauteur de refoulement, P la puis- sance d'entraînement électrique et N la vitesse de rotation du groupe moto-pompe. Etant donné que dans le diagramme H-Q l'abscisse varie linéairement alors que l'ordonnée varie quadratique ment avec la vitesse n, les points associés des différentes courbes d'étranglement se situent sur des paraboles R 1 à R dont le sommet coïncide avec l'origine des coordonnées. Toutes les intersections d'une telle parabole R avec les courbes d'étranglement H(Q) sont caractérisées par des triangles de vitesse semblables et par des états impulsion- nels identiques De plus, elles présentent presque le même rendement à condition que le rapport entre la vitesse maximale et la vitesse minimale ne soit pas trop grand. Pour tous les points d'intersection d'une parabole avec les les courbes d'étranglement, on obtient de ce fait des valeurs numériques k bien déterminées,-"à savoir Q/n = k Qy H/n 2 k H ou P/n 3 = k P Il en est de même pour les données électriques qui doivent être fixées, lors du fonctionnement du groupe moto-pompe, sur les points d'intersection précités, par exemple pour l'intensité du courant du moteur d'entrai- nement, la tension au condensateur du moteur, la tension_ aux enroulements, etc Comme il a déjà été dit, les paraboles R à R i x divisent toutes les courbes d'étranglement H(Q) en sections partielles déterminées et associent aux extrémités de ces sections partielles des caractéristiques de fonctionnement définies et représentatives pour la parabole considérée de telle façon que le champ caractéristique est recouvert d'un réseau de points définis de manière univoque Chacun de ces points peut être utilisé comme point d'extrémité d'une section partielle à sélectionner, à savoir de telle façon que la vitesse est réduite lorsque, sur une section par- tielle, la valeur extrême avec la hauteur de refoulement H supérieure voire avec le débit Q inférieur est atteinte et qu'elle est augmentée dès l'atteinte, sur la section par- tielle, de l'autre valeur extrême avec la hauteur de refou- lement H inférieure et avec le débit Q supérieur. En traçant une caractéristique de réglage H (Q) R imaginaire présélectionnée arbitrairement pour l'applica- tion pratique respective du groupe et coupant les sections partielles, le processus décrit ci-dessus signifie en d'autres termes que chaque point d'extrémité du réseau situé au-dessus ou à gauche de la caractéristique de réglage peut être utilisé pour l'abaissement de la vitesse et que chaque point d'extrémité placé en dessous ou à droite de la caractéristique de réglage peut être utilisé pour l'augmen- tation de la vitesse. Il sera encore expliqué plus en détail comment il convient de choisir ces points d'extrémité voire de commu- tation En tout cas, les données déterminantes pour ces points sont mémorisées en tant que programme de commande de façon à pouvoir s'approcher de la caractéristique de réglage- par l'exploration en dents de scie des sections partielles sur les courbes d'étranglement pour différentes vitesses. L'avantage particulier de cette solution réside dans le fait qu'il n'est plus nécessaire de saisir et d'utiliser pour la commande du groupe les données hydrauliques, par exemple pression différentielle et débit, qui ne peuvent être mesurées qu'avec des appareils coûteux, mais que-l'on utilise les grandeurs électriques beaucoup plus simples à mesurer telles que l'intensité et la tension au condensateur de service, aux enroulement du moteur, etc qui, combinées avec voire rapportées à la vitesse connue- ou mesurée, fournissent alors les signaux de commutation. De plus, il est à noter que la largeur des mailles du réseau précité constitué par les courbes d'étranglement H(Q) et par les paraboles R peut être échelonnée selon une progression arithmétique ou géométrique Dans le second cas, on travaille avec un nombre inférieur de vitesses, et la caractéristique de réglage est toujours approchée avec la même précision en pourcentage. Un autre avantage réside dans le fait que le groupe moto-pompe peut être réuni avec le système de commande nécessaire en un ensemble prêt au montage dont le branche- ment électrique et le montage se font comme pour n'importe quel autre groupe moto-pompe non réglé parce que tous les signaux de commande sont prélevés sur le groupe et traités dans l'unité de commande disposée sur le moteur. Dans le diagramme représenté à la fig 1, la courbe d'étranglement H(Q)1 est associée à la vitesse la plus faible N 1, alors que la courbe d'étranglement H(Q)7 cor- respond à la vitesse la plus élevée N 7 Ces deux courbes délimitent, avec la hauteur de refoulement H comme ordonnée et avec le débit Q comme abscisse, le champ à l'intérieur duquel peuvent se situer les points de fonctionnement de la pompe Pour des raisons pratiques, c'est-à-dire si l'on souhaite, par exemple, un fonctionnement avec un bon rende- ment ou un bon comportement d'aspiration de la pompe, on se bornera cependant à choisir comme limites non pas les axes des coordonnées mais certaines paraboles d'affinité Dans la fig 1, il s'agit là des courbes R 1 et R 9 Pour faciliter la discussion, chaque point d'inter- section d'une parabole d'affinité R avec une courbe d'étran- glement H(Q) est désigné par les numéros des courbes A titre d'exemples, le nombre 97 désigne le point d'intersec- tion de la parabole R 9 et de la courbe d'étranglement H(Q)7 et le nombre 26 désigne le point d'intersection de la parabole R 2 et de la courbe d'étranglement H(Q)6 Le champ d'application pouvant être envisagé pour le groupe moto- pompe considéré est donc un quadrilatère avec les angles 97-17-11-91; il faut alors tenir compte du fait que le groupe peut également fonctionner sur la courbe d'étrangle- ment H(Q)2 jusqu'au débit zéro et sur la courbe d'étrangle- ment jusqu'à la hauteur de refoulement zéro, ce qui est indiqué dans la figure par les flèches partant des points 17 et 92. Or, si le concepteur d'installations prescrit une caractéristique de réglage HR(Q) qui, dans l'exemple repré- senté à la fig 1, doit être une droite passant par les points x et y, cette droite coupe certaines sections par- tielles sur les courbes d'étranglement H(Q) de telle façon que de part et d'autre de la caractéristique de l'installa- tion se trouvent des points d'extrémité sélectionnés des -7- sections partielles, par exemple les points 37 et 57 pour la vitesse N 7, les points d'extrémité 35 et 65 pour la vitesse N 5, etc Au cours du fonctionnement de la pompe, la caractéristique de réglage HR(Q) peut alors être appro- chée en explorant les sections partielles des courbes d'étranglement valables pour différentes vitesses Par ailleurs, il importe peu ici que la caractéristique de l'installation pour le fonctionnement du groupe soit choisie comme limite inférieure ou supérieure ou encore, comme cela est représenté à la figure, comme valeur moyenne, étant donné que, en principe, cette décision est laissée à l'ap- préciation du concepteur d'installations. Pour permettre une meilleure compréhension d'un exemple de réglage, considérons le diagramme représenté à la fig 2 qui reproduit une portion agrandie du réseau de caractéristiques de la fig 1 L'installation est conçue, par exemple, pour un débit Qx et une hauteur de refoulement H Pour le régime de charge partielle, les points de x fonctionnement doivent s'orienter par rapport à la caracté- ristique de réglage HR(Q) qui a été choisie ici en tant que valeur moyenne De plus, on considère qu'il s'agit, dans le cas de l'installation en question, d'un système de chauffage central à eau chaude avec des soupapes thermosta- tiques sur les radiateurs. Le point de fonctionnement x calculé pour la puis- sance maximale se situe sur la courbe d'étranglement H(Q)7 entre les paraboles d'affinité R 3 et R 4 En cas de ferme- ture de certaines de ces soupapes thermostatiques, la pres- sion différentielle voire la hauteur de refoulement H augmente et le point de fonctionnement x se déplace en direction du point du réseau 47. La question de savoir si la vitesse N 7 peut être réduite lorsque le point de commutation 47 est atteint est réglée par une condition de stabilité Une oscillation du groupe n'est pas possible si, lors de la réduction de la vitesse de ni à ni 11 le débit Q est inférieur au débit Q 1 lors de l'augmentation de la vitesse de ni 1 à ni. -8- I-l ressort de la fig -2 que le débit au point 47 est égal au débit au point 36 qui est prévu comme point d'aug- mentation de vitesse Pour remplir la condition précitée Qi C Qi 19 on choisit comme point d'augmentation de vitesse le point de réseau immédiatement supérieur 57 Dans ce cas, Qi l'augmentation de la vitesse. Il est facile à comprendre que les écarts entre les points de fonctionnement réels et les valeurs désirées située sur la caractéristique H R(Q) sont d'autant plus faibles-que les mailles du réseau sont plus serrées, c'est- à-dire que les points sélectionnés pour les commutations sont plus proches de la caractéristique de réglage imagi- naire Toutefois, dans de nombreuses installations la précision exigée n'est pas très élevée, ce qui permet de se contenter d'un petit nombre de vitesses et de paraboles d'affinité Il en est ainsi, par exemple, pour les instal- lations de chauffage central à eau chaude Ici, une appro- ximation grossière est suffisante parce que, dans la même installation, la même puissance calorifique peut être obtenue avec un courant d'eau plus important et une diffé- rence de température plus faible entre le conduit d'alimen- tation et le retour de l'eau de chauffage ou inversement. Dans ce cas, il importe uniquement que la pression diffé- rentielle fournie par la pompe soit assez grande pour garantir une distribution d'eau suffisante dans le système et pour éviter à tous les régimes l'apparition de valeurs provoquant des bruits d'écoulement dans la robinetterie. Ci-après il est expliqué comment'les différents points marquant les extrémités des sections partielles -possibles peuvent être trouvés et fixés Les courbes d'étran- glement H(Q) pour des vitesses déterminées ni = const sont enregistrées de la manière habituelle au banc d'essai pour un type de pompe donné En plus de la hauteur de refoule- ment H et du débit Q, on mesure alors également toutes les grandeurs électriques qui doivent être utilisées ultérieure- ment pour la commutation de la vitesse En ce qui concerne ces grandeurs, il s'agit, par exemple, de la consommation de courant du moteur, de la tension appliquée au condensa- teur du moteur ou aussi d'autres valeurs qui varient avec la vitesse Par ailleurs, il est également possible de retenir pour cet usage des grandeurs caractéristiques de service telles que la pression différentielle sur la pompe. En inscrivantdans le même diagramme des courbes d'étranglement des paraboles d'affinité prédéterminées arbitrairement, il est possible d'associer à chaque point d'intersection d'une courbe d'étranglement avec une parabole d'affinité des données électriques en plus des valeurs H et Q. Les points d'intersection forment un réseau et reçoivent des numéros d'ordre déterminés, par exemple ceux indiqués dans la fig 1 Les données électriques associées aux points constituent la base de tous les programmes de commande possibles et elles sont mémorisées Il est alors possible d'associer arbitrairement à chaque point l'instruc- tion pour l'augmentation de la vitesse aussi bien que l'instruction pour la réduction de la vitesse. Par ailleurs, il y aura essentiellement deux possi- bilités pour l'application ou l'utilisation pratique de la solution selon l'invention La première possibilité consiste en ce que le constructeur programme préalablement et de manière fixe certaines sections partielles sur les courbes d'étranglement qui sont caractéristiques et utiles pour des applications souvent répétées du groupe moto-pompe considé- ré Dans la technique du chauffage, on s'orientera ainsi par raaport à une série de sections partielles pour laquelle des bruits d'écoulement sont improbables dans le champ d'action sélectionné mais qui garantit néanmoins une dis- tribution uniforme de l'eau dans le système de chauffage. On donnera donc au groupe une "caractéristique négative" qui correspond approximativement à la caractéristique de réglage H (Q) voire à la droite xy indiquée dans les figures. -o 10 -2529965 La pente et la position de plusieurs caractéristiques xy utilisables avec les sections partielles associées peuvent être prédéterminées différemment pour un type de pompe de telle façon qu'un seul groupe moto-pompe représente, en principe, toute une gamme de pompes avec des caractéris- tiques différentes Le chauffagiste doit alors choisir parmi les caractéristiques respectives celle qui convient pour son cas d'application. Une autre possibilité consiste à laisser le choix des sections partielles au chauffagiste lui-meme Pour cela, il est cependant nécessaire de pouvoir sélectionner les différents points dans le réseau de caractéristiques, par exemple par l'intermédiaire d'un clavier Compte tenu de la condition de stabilité mentionnée, il faut alors également déterminer les points d'extrémité sélectionnés des sections partielles auxquels la vitesse doit être réduite ou augmentée. il 2529965 Re v e N d i c a t i on s 1 Groupe moto-pompe à réglage de vitesse compre- nant un moteur électrique et une pompe centrifuge entraînée par ce dernier, dont la vitesse de rotation N est réglable par paliers en fonction des caractéristiques de fonctionne- ment sélectionnées du groupe à l'intérieur d'un diagramme caractéristique dont les limites sont déterminées d'une part par les deux-courbes d'étranglement H(Q) pour les vitesses de rotation maximale et minimale et, d'autre part, par les coordonnées hauteur de refoulement H et débit Q, c a r ac t é ri sé en c e q u e respectivement une section partielle définie peut être déterminée sur les-courbes d'étranglement H(Q) valables pour' les vitesses n const. et qu'une commutation de la vitesse est déclenchée dès que les caractéristiques de fonctionnement électriques ou hydrauliques du groupe qui sont représentatives pour les valeurs extrêmes des sections partielies sont atteinte, la vitesse étant réduite lorsque, sur une section partielle, la valeur extrême avec la hauteur de refoulement H supé- rieure et le débit Q inférieur est atteinte, et augmentée lorsque, sur la section partielle correspondante, l'autre valeur extrême avec la hauteur de refoulement H inférieure et le débit Q-supérieur est atteinte. 2 Groupe moto-pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une caractéristique de-réglage HR(Q) imaginaire présélectionnée arbitrairement pour l'applica- tion respective du groupe peut être tracée de façon à couper les sections partielles et que la commutation de la vitesse est déclenchée dès-que les caractéristiques de fonctionnement hydrauliques ou électriques du groupe qui sont représentatives pour les valeurs extrêmes des sections partielles sont atteintes, la vitesse étant réduite pour une valeur extrême située, dans le réseau de caractéris- tiques, au-dessus de la caractéristique de réglage, et augmentée dès l'atteinte d'une valeur extrême située en dessous de la caractéristique de réglage. -12 _ 2529965 3 Groupe moto-pompe selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que tous les points d'ex- trémité possibles des sections partielles se situent sur des paraboles d'affinité Rx qui divisent le réseau des courbes d'étranglement H(Q) en sections partielles. 4 Groupe moto-pompe selon l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que les points d'extrémité sur les courbes d'étranglement HIQ)i qui provoquent la réduction de la vitesse se situent, dans le réseau de caractéristiques, à gauche des points d'extrémité sur la courbe d'étranglement H(Q) pour la vitesse immédiatement inférieure de telle façon que la relation Q toujours valable.