Brevet FR2606526A1 — publié le 19880513

260.6526 La présente invention concerne d'une manière généra- le la commar Je de moteurs et plus particulièrement i un procédé pour limiter à un niveau de sécurité la puissance de sortie d'un moteur à vitesse variable fonctionnant dans des conditions de charges variables. Les moteurs à vitesse variable sont actuellement utilisés pour diverses applications. On a utilisé jusqu à présent diverses techniques de commande pour faire varier. suivant les besoins. la vitesse de ces moteurs. Une des méthode utilisée consiste à employer ia modulation de iar- geur d'impulsion dans laquelle la tension est commandée en faisant varier la durée et/ou la largeur des impulsions de sortie. La modulation de largeur d'impulsion peut être uti- lisée par exemple avec des commandes à inverseur ou bien encore avec des moteurs commutés électroniquement. Dans i application des commandes de moteur ii est courant de limiter la vitesse du moteur à un niveau de fonc- tionnement de sécurité qui est déterminé par les spécifica- tions particulières du type considéré. Même lorsqu'il se trouve fonctionner à j 'intérieur de cette limite, un moteur ou ses circuits électroniques associés peuvent devenir surchargés si sa puissance de sortie dépasse un certain niveau pour une charge donnée appliqué au moteur. Par exem- pie. iorsqu'un moteur est utilisé pour entraîner un venti lateur assurant la circulation de l'air à partir d'une chau- dière, la vitesse du moteur est commandée de telle façon que la puissance de sortie ne dépasse pas normalement un niveau de sécurité Cependant. lorsqu'un volume élevé de refoulement d'air est exigé dans des conditions sortant de la norme telle que des pressions statiques dépassant 0.0012 bar, les exigences d'un couple plus élevé qui sont asso- ciées. peuvent provoquer un dépassement du niveau de sécuri- té de la puissance de sortie. Ceci peut se produire par exempie lorsque le filtre à air devient encrassé ou bien lorsque la tuyauterie est trop restreinte par suite d un dimensionnement inapproprié ou d'un trop grand nombre de registres fermés. Dans la demande de brevet US No 809 466 déposée le 16 Décembre 1985 par le demandeur est décrite une technique de calibrage d'un moteur à vitesse variable. Une combinaison moteur-ventilateur est testée. en tant que partie de cette technique. afin de déterminer empiriquement la relation entre la vitesse du moteur et le débit volumique d'air four- ni par le ventilateur. Cette relation est utilisée ensuite. en combinaison avec les équations de la loi du ventilateur et un couple de sortie mesuré du moteur afin de calculer la vitesse désirée du moteur permettant d'obtenir un volume d'air refoulé désiré. Cependant un tel moteur et un tel système de commande sont suceptibles de rencontrer le pro- blème mentionné précédemment en ce qui concerne les condi- tions de puissance excessive Par conséquent un but de la présente invention-est de fournir un moyen de protection d'un moteur à vitesse variable pour l'empêcher de dépasser un niveau de sécurité de sa puissance de sortie. Un autre but de la présente invention est de prévoir la commande de la puissance de sortie d'un moteur à vitesse variable auquel une charge exceptionnellement élevée peut être appliquée. Un autre but de la présente invention est d'assurer la commande de la puissance de sortie d'un moteur à vitesse variable sans avoir à utiliser un équipement et un appareil spéciaux. Un autre but de ia présente invention est de fournir un système de commande de moteur amélioré qui soit économi- que à fabriquer et efficace en cours d'utilisation. Ces buts ainsi que d'autres caractéristiques et avantages ressortiront plus clairement de la description qui va suivre faite en référence au dessin annexé. En bref. suivant un premier aspect de l'invention. une combinaison moteur-ventilateur est testé a empirique- ment afin de déterminer la relation entre la vitesse du moteur et le débit volumique d'air On fait ensuite fonc- tionner le moteur à sa puissance maximale dans une gamme de conditions de pression statique tandis que l'on enregistre le débit volumique. la vitesse du moteur et sa puissance de sortie correspondants. On établit une limite maximale de la puissance de sortie et en utilisant les lois du ventilateur. on caicule les vitesses maximales admissibles du moteur dans la gamme des conditions de pression statique. La vitesse effective du moteur est alors limitée à ces vitesses maxi- males admissibles du moteur pendant toutes les périodes du fonctionnement. Suivant un autre aspect de la présente invention on détermine toujours en utilisants les lois du ventilateur. des vitesses de référence. en fonction des vitesses du moteur et du débit volumique, dans la gamme des conditions de charge statique. Ces vitesses de référence sont ensuite reliées aux vitesses maximales admissibles du moteur afin d'obtenir une équation représentative dans laquelle la vi- tesse maximale admissible du moteur est exprimée en fonc- tion des vitesses de référence Un microprocesseur utilise alors l'équation pour calculer la vitesse maximale admis- sible du moteur pour les conditions de charge statique exis- tantes et pour limiter la vitesse effective du moteur à ces valeurs. On décrira ci après,è titre d'exemple non limitatif. une forme d'exécution de la présente invention.en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en perspective. avec arra- chement partiel. d'une chaudière dans laquelle sont instai lés un moteur et un système de commande suivant l'inven- tion. La figure 2 est un schéma synoptique de la partie du moteur et de la commande de la présente invention. La figure 3 est un schéma synoptique illustrant le procédé de commande d'un moteur suivant l'invention. La figure 4 est un diagramme illustrant la façon dont les conditions de fonctionnement du moteur sont comman- dées suivant l'invention. Si on se réfère maintenant à la figure 1, on voit que cette figure représente un système de commande d'un moteur, indiqué dans son ensemble par la référence 10 ie- quel est appliqué à une chaudière 11 conformément à la con- ception de la présente invention. La chaudière Il comporte une armoire 12 qui loge, dans sa partie inférieure, une soufflante 13. un moteur 14 pour l'entraînement de cette soufflante 13 et un appareil de commande 16 qui est connec- té électriquement au moteur et à d'autres dispositifs afin d'assurer la commande et la coordination nécessaires entre les divers éléments constitutif du système. L'une des fonc- tions assumées par l'appareil de commande 16 consiste à commander la vitesse du moteur 14 de telle façon que la soufflante 13 fournisse le débit voiumique d'air désiré à travers la chaudière. La chaudière 11 comporte un orifice d'entrée d'air 17 qui laisse entrer l'air externe pour la combussion. et un brûleur (non représenté) o le mélange air-combustible est brûlé. Les gaz de combustion chauds produits sont ensuite aspirés à travers un échangeur de chaleur primaire 18 et un échanqeur de chaleur de condensation 19, les gaz d'échappe- ment s'écoulant ensuite à l'extérieur par un orifice d'échappement 21. En même temps l'air froid du bâtiment est mis en circulation en direction de la chaudière, par la soufflante 13, et il est ensuite soufflé vers le haut à travers l'orifice 22 de refoulement du ventilateur puis à travers les surfaces externes de l'échangeur de chaleur de condensation 19 et de l'échangeur de chaleur primaire 18 o il est chauffé sur son passage, pour parvenir au conduit 23 assurant sa distribution dans tout le bâtiment. En plus de la commande du moteur 14 de la soufflan- te. l'appareil de commande 16 intervient pour réguler et coordonner le fonctionnement d'un ventilateur aspirant. l'écoulement du combustible en direction des brûleurs et des dispositifs d'allumage pilote et primaire. Sur la figure 2 est représentée une illustration schématique de la commande à microprocesseur 16 avec ses interconnexions électriques avec le moteur 14 du ventilateur et les autres dispositifs qu'il dirige. Typiquement les dispositifs d'allumage 24 comportent un pilote qui, après avoir été testé. émet un signal en direction de la commande à microprocesseur 16 laquelle ouvre alors les vannes de combustible 27 afin d'en- voyer du combustible aux brûleurs. Pour pouvoir fournir le mélange d'air approprié aux brûleurs, la commande à micro- processeur 16 met également en marche le moteur 27 afin d'entraîner le ventilateur aspirant 28, lequel amène alors l'air à s'écouler à partir de l'orifice d'entrée d'air 17 vers et dans le brûleur, pour se mélanger avec le combus- tible suivant les proportions désirées. Après que l'allumage a eu lieu dans les brûleurs et que les gaz d'échappement chauds ont été aspirés vers et dans les échangeur de chaleur afin de chauffer leurs surfaces externes, la commande h microprocesseur 16 met en marche le moteur de ventilateur 14 afin d'entrainer le ventilateur 13 assurant la mise en cir- culation de l'air chaud à travers le bâtiment. Lorsque le bâtiment a été chauffé jusqu'à une température fixée par le réglage du thermostat 29. un signal est alors émis en direc- tion de la commande à microprocesseur 16 afin de désexciter, d'une manière séquentielle et commandée, les vannes de com bustible 26. les dispositifs d'allumage 24. le moteur de ventilateur 27 et le moteur de ventilateur 14. Le moteur 14 est du type à vitesse variable si bien que sa vitesse peut être commandée de manière à maintenir le débit d'air désiré pour une élévation de température parti- culière de l'air ou une charge de refroidissement désirée. Un tel moteur est un moteur à commutation électronique qui est fourni dans le commerce par la société General Electric sous le numéro de spécification 5SME39HGH69IT. Cependant on comprendra que d'autres combinaisons de moteur à vitesse variable et de commande, telles que, par exemple, une quelconque combinaison d'un moteur à courant alternatif et d'un inverseur. pourraient être utilisées dans la mise en oeuvre de l'invention. De même, bien que la présente inven- tion soit présentement décrite comme étant appliquée à un moteur entraînant un ventilateur soufflant de chaudière. on comprendra que l'invention peut être également utilisée dans le cas d'autres applications à charge variable. Si on se réfère maintenant à la figure 3, on voit que cette figure représente les diverses étapes du procédé suivant l'invention, la séquence particulière illustrée étant donnée à titre d'exemple et ne devant pas nécessaire- ment être exécutée dans l'ordre représenté. En outre, bien que l'on reconnaîtra que certaines des étapes sont énoncées en termes spécifiques, on comprendra que leurs fonctions peuvent être assumées par d'autres moyens particuliers. tout en demeurant dans le cadre de la présente invention. Sur la figure 3 les étapes représentées par les différents blocs sont les suivantes: Etape A: déterminer la relation travail fourni/vitesse du moteur; Etape B déterminer les travaux fournis et les puissances de sortie et les vitesses du moteur à la puissance maximale, dans la gamme des conditions de charges; Etape C établir la limite de la puissance de sortie; Etape D déterminer les vitesses maximales correspondantes du moteur dans la gamme; Etape E obtenir des vitesses de référence en fonction des vitesses du moteur et du travail fourni dans la gamme; Etape F obtenir l'équation exprimant le.s vitesses maxi maies du moteur en fonction des vitesses de référence; Etape G * limiter les vitesses du moteur aux vitesses maxi- maies de ce moteur. Afin d'établir le débit de sortie du ventilateur 13 lorsque le moteur se trouve fonctionner dans des conditions de puissance maximale. des tests de laboratoires ont été réalisés avec le moteur précité entrainant une roue de souf- flante Morrison fabriquée par la société Morrison Products Inc. de Cleveland, Ohio et disponible dans le commerce sous la référence 10-7DD03-42007-0. Ces tests de laboratoire ont été nécessaires pour déterminer, pour l'ensemble moteur-soufflante. le débit d'air de la soufflante (CFM) et les puissances de sortie (HP) et les vitesses (RP) du moteur fonctionnant dans les conditions de puissance maximale dans une certaine gamme de conditions de charge. Il convient de mentionner ici que la présente inv; ntion peut être utilisée dans des applications à vitesse variable autres que l'entraînement de ventila-- teurs. auxquels cas les mesures devant être faites ne con- cernent pas le débit d'air (CFM) mais d'autres formes de travail fourni. Par conséquent. lorsqu'on utilise la vaieur (CFM) présentement, cette valeur devra être interprétée au sens strict comme concernant uniquement l'application à l'ensemble de la soufflante décrit, mais dans un sens plus large comme signifiant le travail fourni par un système quelconque commandé par la présente invention. Pour obtenir les valeurs désirées mentionnées ci- dessus, l'ensemble est entraîné à la puissance maximale dans des conditions telles que la pression statique varie de 0.00025 à 0,00175 bar. Les résultats sont énoncés dans le tableau ci-dessous; TABLEAU 1 Pression Puissance Vitesse Test Statique RPM CFM (bar) HP(watts) (tours/mn) (1/s) 0,00025 421 924 667 0.00050 431 958 651,4 0,00075 439 992 633.9 0,001 447 1026 615,5 0,00125 457 1059 599 0.00150 465 1091 586,2 0.00175 475 1128 573 26065Z6 Puisque c'est dans des conditions de charge élevée (c'est- à-dire une vitesse RPM élevée du moteur dans des conditions de pression statique élevée) que la limite de puissance peut être dépassée, il est nécessaire de choisir un point du modèle associé qui représente la limite de la puissance de sortie du moteur. Une analyse des données du tableau i mon- tre qu'une limite de puissance sûre pour la combinaison particulière moteur/soufflante mentionnée ci-dessus serait de 457 watts, qui correspond à une vitesse RPM de 1059 tours/mn et un débit CFM de 599 1/s. En utilisant les données du tableau 1, il est ensui- te nécessaire de calculer. aux diverses pressions statiques, une vitesse de moteur de référence équivalente (RPMref) qui apparaîtrait pendant une mesure de "descente" telle qu'ef- fectuée conformément à la demande de brevet US No809466 dont il a été question précédemment et ainsi qu'il est illustré dans l'équation cidessous qui a été obtenue empiriquement en faisant fonctionner l'ensemble précité du moteur et de la roue de soufflante pour obtenir la relation entre la vitesse du moteur et le débit du ventilateur: CFMref [ 865,893 (0,74539 x RPMrefi x 0.472 (Eq. 1) dans laquelle CFMref est le débit volumique d'air de référence exprimé en litres par seconde et RPMref est la vitesse de référence du moteur en tours par minute. En utilisant la relation empirique énoncée dans l'équation 1 et l'équation suivante de la loi du ventila- teur- RPM = CFM (Eq.2) RPMref CFMref on trouve qu'une vitesse de référence du moteur RPMref est égale à: RPMref = 865,893 x RPM (Eq.3) CFM + (0,74539 x RPII) En utilisant les valeurs RPM et CFM du tableau 1, l'équation 3 est utilisée pour obtenir les valeurs RPMref, ainsi qu'il est indiqué dans la colonne 2 du tableau 2, lesquelles sont utilisées en tant que références pour la détermination des conditions de charge du système, afin d'obtenir la valeur RPM admissible maximale correspondante (RPM457). Ces va- leurs, telles que montrées dans la colonne 3 du tableau 2, sont obtenues en utilisant l'équation suivante de la loi du ventilateur: (RPM457)3: HP max (Eq.4) RPM HP ce qui donne: 1/3 RPM457 = RPM x (HPmAx) HP dans laquelle RPM457 est la vitesse du moteur à laquelle la puissance d'entrée est de 457 watts, HPmax est égal 457 watts et RPM et HP sont les valeurs respectives du tableau 1. TABLEAU 2 Pression RPMref RPM457 Statique (Eq.3) (Eq.5) (bar) 0,00025 380,7 949,6 0,00050 396,1 976,9 0.00075 412,5 1005,4 0,001 429,4 1033,6 0,00125 445,5 1059,0 0.00150 459,6 1084,7 0,00175 475,3 1113,6 Ainsi, en limitant la vitesse du moteur à la vaieur indiquée RPM457 correspondant à la condition de fonctionnement parti- culière du système, la puissance de sortie du moteur peut être limitée à 457 watts afin de protéger ainsi le moteur et ses composants électroniques à l'égard de tout dommage qui pourrait sans cela intervenir. Une-telle application n'exige aucun moyen pour détecter la condition de pression statique mais au contraire elle utilise la valeur calculée RPMref qui a été obtenue suivant la technique de "descente". Puis- que ces valeurs sont des valeurs discrètes entre lesquelles il est nécessaire d'effectuer une interpolation, une rela- tion empirique est établie pour assurer la commande dans une gamme continue de valeurs RPMref. En supposant une relation linéaire (y = mx + b) entre RPMref et RPMmax, et en dési- gnant RPM457 comme étant RPMmax on obtient l'équation sui- vante RPMmax = 297,18 + (1.715 x RPMref) (Eq.6) En appliquant l'équation 6 la valeur RPMref est obtenue au début de chaque cycle de chauffage lorsque l'on met en oeuvre la technique d'étalonnage énoncée dans la demande de brevet USNo 809 466 dont il a été-question pré- cédemment. Ainsi, lorsque le système passe par une mesure de "descente" de la charge du système et calcule ia valeur désirée RPM afin d'obtenir la valeur désirée CFM du débit d'air, il peut maintenant comparer la valeur désirée RPM et la limiter à RPMmax afin d'empêcher le moteur d'être sur- chargé. En outre, chaque fois que la valeur désirée RPM est supérieure à RPMmax, il peut être désirable d'amener un certain type de signal de défaut à être affiché. afin d'in- diquer ainsi qu'il existe une condition de charge qui est en train d'amener la caractéristique de limitation de la puis- sance à être mise en jeu. L'opérateur peut alors effectuer un contrôle de différentes choses telles que des filtres colmatés ou des registres fermés, afin de supprimer la con- dition de charge excessive. 2U06526 Si on se réfère maintenant à la figure 4, on voit que cette figure illustre les principes dont il a été ques- tion ci-dessus sous la forme d'un diagramme des performances d'une soufflante. La droite A est une droite de puissance maximale représentant les valeurs du tableau 1 lorsque le système fonctionne dans les conditions de puissance maxi- male. La droite B est une droite de puissance constante représentant les valeurs de la colonne 3 du tableau 2, lors- que le système fonctionne avec un niveau de puissance de sortie constante de 330 watts (c'est-è-dire avec une puis- sance d'entrée de 457 watts). L'utilisation de l'équation 6 permet de reconnaître le point d'intersection de ces deux droites et, lorsque la valeur RPM désirée est inférieure à la valeur RPMmax, le système est autorisé à fonctionner dans les limites de la droite A. Par contre si la valeur désirée RPM est supérieure à la valeur RPMmax, le système est alors au contraire amené à fonctionner suivant la droite B. On comprendra que le procédé et l'appareil de com- mande suivant l'invention peuvent être utilisés pour com- mander n'importe quel moteur à vitesse variable succeptibie d'être soumis à des conditions de charge variable. Ainsi la description précédente de l'invention, telle qu'elle est appliquée à une soufflante d'une chaudière, a été fournie uniquement afin de présenter une illustration plus complète de l'invention et de son application et ne doit pas être considérée comme limitée à cette application ou à cette forme d'exécution particulière. REVENDICATIONS 1.- Procédé de commande de la puissance de sortie d'un moteur à vitesse variable fonctionnant dans des condi- tions de charge variable caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) déterminer empiriquement la relation entre la vitesse du moteur (14) et le travail fourni; b) le moteur fonctionnant dans des conditions de puissance maximale dans une gamme de conditions de charge variable, déterminer empiriquement les travaux fournis et les vitesses et puissances de sortie correspondantes du moteur; c) établir une limite de puissance de sortie particulière pour le moteur; d) déterminer les vitesses admissibles maximales du moteur correspondant à ladite limite de la puissance de sortie, dans la gamme des conditions de charge variable; et e) limiter les vitesses effectives du moteur aux vitesses admissibles maximales du moteur tandis qu'il fonctionne dans la gamme des conditions de charge variable. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le moteur à vitesse variable (14) est accouplé de manière à entraîner un ventilateur (13) et le travail four- ni est constitué par le volume d'air déplacé pendant une période de temps. 3.- Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce que les conditions de charge variable sont exprimées en termes de pression statique. 4.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) déterminer des vitesses de référence exprimées en fonc- tion des vitesses du moteur et du travail fourni dans ladite gamme des conditions de charge variable et b) utiliser ces vitesses de référence pour limiter les vi- tesses effectives du moteur. 5.- Procédé suivant la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes additionnelles consistant à: a) relier les vitesses de référence aux vitesses admissibles maximales du moteur et établir une équation qui exprime la vitesse admissible maximale du moteur en fonction de ladite vitesse de référence; et b) utiliser cette équation pour limiter la vitesse effective du moteur (14). 6.- Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce que l'équation est une équation linéaire "la mieux appropriée". 7.- Procédé pour limiter la puissance de sortie d'un moteur à vitesse variable appliqué à l'entraînement d'un ventilateur caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - a) déterminer empiriquement le débit volumique d'un ventila- teur en fonction de la vitesse du moteur; b) déterminer empiriquement, pour différentes conditions de pression statique du ventilateur, avec le moteur fonction- nant dans des conditions de puissance maximale, le débit volumique du ventilateur et les vitesses et puissances de sortie correspondantes du moteur; c) établir une limite particulière de la puissance de sortie du moteur; d) en utilisant la relation. suivant la loi du ventila- teur, entre la vitesse du moteur et la puissance de sortie, déterminer les vitesses maximales du moteur correspondant à ladite limite de la puissance de sortie pour chacune des diverses conditions de pression statique; e) en utilisant la relation obtenue dans l'étape (a) en employant la relation de la loi du ventilateur entre la vitesse et le débit volumique, déterminer les vitesses de référence pour chacune des différentes conditions de pres- sion statique; f) en utilisant les valeurs obtenues au cours des étapes (d) et (e), établir une équation linéaire "la mieux appro- priée" pour exprimer les vitesses admissibles maximales du moteur en fonction des vitesses de référence; et g) limiter les vitesses du moteur aux vitesses admissibles maximales du moteur trouvées au cours de l'étape (f).