Brevet FR2608229A1 — publié le 19880617

Groupe de pompage pour liquides et gaz. La présente invention concerne un groupe de pompage pour le refoulement de liquides ou de gaz, com- prenant une pompe et un moteur électrique entraînant la pompe, la vitesse et/ou le couple de ce moteur électri- que pouvant être modifiés au moyen d'un convertisseur de fréquence statique. Les pompes sont les machines les plus courantes dans l'industrie. Dans la littérature technique, les pompes hydrauliques ainsi que les ventilateurs et les soufflantes travaillant avec de faibles rapports de pression sont considérés comme des "pompes". Lors de la conception de la machine, il n'est donc pas nécessaire de tenir compte de la compressibilité du fluide à pomper. La pompe à déplacement positif ou "pompe volumé- trique" et la pompe à impulsion de fluide suivent toutes deux des lois de similitude connues, c'est-à-dire que pour la pompe à déplacement positif on sait que P=n.D3, et pour la pompe à impulsion de fluide on sait que 3 5 P=n3.D5, P étant la puissance, n la vitesse de rotation et D la dimension caractéristique de l'élément de trans- fert d'énergie de la machine. On voit que la puissance d'une pompe à déplacement positif augmente linéairement avec la vitesse de rotation, tandis que la puissance d'une pompe à impulsion de fluide augmente comme la puissance trois de la vitesse de rotation. Dans ce qui suit, on se réfère à des pompes à impulsion de fluide, bien que l'invention concerne également les deux types de machines mentionnés ci-dessus. Les lois de similitu- de illustrent l'effet de la vitesse sur la puissance hydraulique de la machine concernée. Par conséquent, il est très avantageux, en ce qui concerne les dimensions, le poids, le prix et souvent le rendement d'un groupe de pompage, d'utiliser une pompe à des vitesses élevées. Lorsqu'on entraîne une pompe au moyen d'un moteur électrique, la vitesse de la pompe dépend dans la plupart des cas directement de la fréquence du cir- cuit d'alimentation. C'est la raison pour laquelle on emploie de plus en plus des convertisseurs de fréquence. Un tel convertisseur présente d'autres avantages. Il permet, par exemple, le fonctionnement simultané de groupes structurellement identiques à des vitesses différentes, pour l'exécution de tâches différentes, tout en réduisant en même temps le stock de pièces de rechange. En outre, l'utilisateur n'est plus obligé de calculer exactement la courbe caractéristique du groupe, à l'avance, puisque les conditions requises du groupe sont satisfaites, sensiblement sans pertes, par choix de la vitesse correcte. Enfin, il est possible de pomper des produits différents dans le même système, sans modi- fier le groupe, par simple réglage de la vitesse. Cela est souvent nécessaire dans les usines chimiques. Une condition préalable pour bénéficier de ces avantages est l'installation de convertisseurs de fré- quence. Les convertisseurs connus doivent être installés séparément du groupe de pompage, car ils sont volumineux et coûteux. Le prix d'un convertisseur de fréquence aug- mente généralement beaucoup le prix d'un groupe de pom- page, en particulier dans la gamme des faibles puissan- ces. Un autre inconvénient des convertisseurs connus réside dans les interférences avec l'environnement, dues aux champs électromagnétiques engendrés par le câble en- tre un convertisseur de fréquence et un groupe de pompa- ge. Cela peut être évité seulement au moyen d'un blinda- ge important, ce qui nuit encore à la mobilité du groupe de pompage. La présente invention a pour objet un groupe de pompage à commande de fréquence, en particulier pour des puissances petites et moyennes, ledit groupe étant peu coûteux et donc d'application universelle, de façon à bénéficier des avantages précités dans une large gamme d'applications. En outre, les gains de matière et d'éner- gie dans de tels groupes de pompage réduisent la charge sur l'environnement. Conformément à l'invention, les objectifs et avantages précités sont obtenus par un groupe de pompage comportant un convertisseur de fréquence miniaturisé au moyen de circuits fortement intégrés, placé à l'inté- rieur ou sur le groupe de pompage et constituant un en- semble structurel avec ledit groupe de pompage, la cha- leur dégagée par le convertisseur de fréquence étant évacuée par le fluide pompé ou à pomper par le groupe de pompage, ledit fluide agissant comme évacuateur de chaleur. La puissance d'un tel groupe et les pertes d'énergie évacuées sous forme de chaleur dégagée augmen- tent comme la puissance trois des dimensions linéaires du groupe. La surface pour évacuer la chaleur engendrée à l'ambiance augmente seulement comme le carré des di- mensions linéaires du groupe. Par conséquent, tout objet engendrant de la chaleur avec une puissance déterminée doit avoir une dimension minimale définie. D'une part, cette dimension dépend de la différence de température entre la source de chaleur de l'objet et l'évacuateur, c'està-dire l'ambiance ou le fluide de refroidissement, et d'autre part de la grandeur de la résistance thermique du chemin de transfert de chaleur. Plus la résistance thermique est faible, plus les dimensions du groupe sont petites. Cette explication est importante pour la compré- hension de la base théorique de l'invention. La techno- logie électronique permet de réaliser des groupes de très petites dimensions, si la température de fonction- nement admissible n'est pas dépassée. On peut respecter la limite de température, lorsqu'on réduit les dimen- sions du groupe, si on trouve des évacuateurs à faible température et si on augmente le coefficient de trans- mission thermique pour la surface évacuant la chaleur engendrée. L'installation d'un convertisseur de fréquence dans ou sur un groupe de pompage permet d'utiliser le fluide pompé ou à pomper comme évacuateur, d'une manière simple. Dans les convertisseurs de fréquence connus, installés séparément, la chaleur dégagée est évacuée dans l'air ambiant par convexion libre, tandis que les pertes de chaleur peuvent maintenant être évacuées par convexion forcée, par exemple au moyen d'un écoulement de fluide turbulent. Avec de l'eau de refroidissement, le cofficient de transmission de chaleur est de deux à trois ordres de grandeur supérieur aux coefficients de transmission de chaleur dans le cas d'une convexion libre. Il est souvent avantageux d'installer le conver- tisseur de fréquence dans un conduit de contournement ou de dérivation de la pompe, au lieu de l'installer entièrement ou partiellement dans le passage du fluide, en particulier dans le cas de pompage de fluides chauds. On peut utiliser l'écoulement dans le conduit de contour- nement comme fluide de refroidissement et évacuateur pour le convertisseur de fréquence, après évacuation de cha- leur à l'ambiance. Pour un service difficile, on place le conver- tisseur de fréquence entre la pompe et le moteur élec- trique. Afin d'améliorer l'évacuation de chaleur, on effectue un refroidissement canalisé, au moyen d'un ventilateur ou de l'accouplement entre le moteur et la pompe, constituant un rotor. On peut également raccor- der le convertisseur de fréquence à un système de re- froidissement séparé. Une autre possibilité pour réduire la résistance thermique et améliorer la dissipation de chaleur consis- te, par exemple, à construire le convertisseur de fré- quence, son enveloppe et l'espace libre de l'enveloppe, d'une manière spéciale. Ainsi, l'enveloppe du convertis- seur de fréquence est une capsule résistant à la pres- sion et étanche par rapport à l'ambiance et contenant au moins en partie un remplissage ou garnissage servant de conducteur de chaleur pour la chaleur engendrée qui est évacuée à la surface de la capsule. Si on prévoit une forte pression extérieure, le remplissage peut sta- biliser la forme de la capsule, tandis que la paroi de la capsule est prévue relativement mince afin d'assurer une bonne transmission de la chaleur. Généralement, le remplissage est une matière diélectrique, telle qu'une matière solide versable ou un liquide. Le remplissage peut également être un mélange d'une matière solide versable et d'un Iiquide, ce der- nier remplissant une partie de l'espace entre les parti- cules solides pour constituer un système de colonne thermique, d'une manière telle que le liquide se vapo- rise à l'endroit o se produit le dégagement de chaleur et que la vapeur se condense sur la surface intérieure de la capsule tout en libérant la chaleur de condensa- tion. Le condensat peut alors revenir à la zone o se produit le dégagement de chaleur. Le signal de sortie de certains types de convertisseurs de fréquence est modifié par des éléments de circuit de commande. Ces éléments de circuit ne sont pas facilement accessibles dans des convertisseurs de fréquence encapsulés. Par conséquent, lesdits éléments doivent être actionnés indirectement de l'extérieur de la paroi de la capsule, de façon mécanique ou électro- magnétique. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront aux hommes de l'art à la lumière de la description de ses modes préférés de réalisation, non limitatifs, représentés sur les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue de côté avec coupe par- tielle d'un groupe à pompe centrifuge verticale multi- étages, la figure 2 est une coupe axiale à travers un groupe de pompage à moteur immergé, la figure 3 est une vue en coupe partielle d'une pompe centrifuge, et la figure 4 est une coupe du convertisseur de fréquence. On se reporte à la figure 1. L'eau à refouler pénètre dans un stator 2 d'une pompe par une tubulure d'aspiration 1, elle circule à travers les étages de pompage 3 d'une pompe 4, lesdits étages comportant des rotors, et elle sort de la pompe par une tubulure de refoulement 6 prévue dans une partie supérieure 5 de la pompe. Un moteur 7 d'entraînement de la pompe est rac- cordé à la partie supérieure 5 de la pompe par une pièce de raccordement 8. Les bouts d'arbre du moteur et de la pompe, ainsi que l'accouplement de la pièce de raccorde- ment 8, sont capotés et ne sont donc pas visibles. Dans ce mode de réalisation, un convertisseur de fréquence 9 miniaturisé au moyen de circuits forte- ment intégrés est placé dans le stator 2 de la pompe. Une partie de la surface du convertisseur se trouve dans le passage de l'eau qui entre dans la pompe 4 par la tubulure d'aspiration 1. Le convertisseur de fréquen- ce évacue une partie de sa chaleur dégagée dans l'eau, à travers une paroi 10. La figure 1 illustre également une autre possi- bilité de montage d'un convertisseur de fréquence 9a, représenté en pointillé. Dans ce mode de réalisation, le convertisseur de fréquence est placé dans un conduit de contournement de deux étages de pompage 3 et il est refroidi par un écoulement partiel de l'eau refoulée par la pompe. Dans ce cas, l'eau dérivée par le conduit de dérivation circule dans des canaux de refroidissement (non représentés), prévus dans le convertisseur de fré- quence, et elle revient à la pompe 4 après avoir absor- bé la chaleur dégagée par le convertisseur de fréquence. La figure 2 représente un autre agencement du convertisseur de fréquence dans le conduit de dériva- tion. Le groupe de pompage en ligne représenté sur la figure 2 est bien connu et il n'est pas nécessaire de le décrire davantage. Un corps 11 d'une pompe mono- étage comporte habituellement des trous 14 et 15 ména- gés dans une tubulure d'aspiration 12 et dans une tubu- lure de refoulement 13, respectivement, pour mesurer la différence de pression. Si une liaison 16, comportant de préférence des ailettes de refroidissement 17 dans une zone prédéterminée, est établie du trou 15 jusqu'au convertisseur de fréquence 9b et si une autre liaison 18 revient au trou 14, le convertisseur de fréquence se trouve dans une canalisation de contournement de la pompe. Dans ce cas, le convertisseur de fréquence est également refroidi par le fluide pendant le pompage d'eau chaude, puisque l'écoulement partiel dans la cana- lisation de contournement évacue la plus grande partie de sa chaleur à l'ambiance, par l'intermédiaire de la liaison 16 et des ailettes de refroidissement 17. La température du fluide est ainsi suffisamment abaissée pour qu'on puisse l'utiliser comme fluide de refroidis- sement du convertisseur de fréquence. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le convertisseur de fréquence 9c est placé entre le moteur et la pompe 4. Un accouplement 19 en forme de rotor, ou un autre rotor installé séparément (non représenté), assure le refroidissement du conver- tisseur de fréquence. Si les dimensions extérieures du convertisseur de fréquence correspondent aux dimensions extérieures des chambres étagées 3, on peut également disposer le convertisseur de fréquence 9d entre deux étages de pom- page 3, dans le passage du fluide, comme représenté sur la figure 3. Avec des fluides très chauds, il est avanta- geux d'utiliser un refroidissement canalisé du conver- tisseur de fréquence, comme représenté sur la figure 2. On supprime les liaisons 16 et 18 et on obture les trous 14 et 15. On raccorde le convertisseur de fréquen- ce 9b à un circuit de refroidissement extérieur, par l'intermédiaire de deux liaisons 20 et 21 (représentées en pointillé). Le convertisseur est alimenté en fluide de refroidissement qui circule dans les canaux de refroi- dissement du convertisseur de fréquence et absorbe la chaleur dégagée, la chaleur étant évacuée par la liaison 21. La figure 4 représente, en coupe, un autre mode de réalisation d'un convertisseur de fréquence 9. Celui- ci comprend une capsule étanche au liquide, constituée de deux parties 22 et 23 et contenant un remplissage ou garnissage 24 de matière solide versable qui stabilise la forme de la capsule. L'équipement électronique 26 du convertisseur de fréquence, placé sur le fond 23 de la capsule sur un support 25, est entouré par le remplissage solide 24 et par un liquide 27, de sorte que le conver- tisseur de fréquence fonctionne comme un système à colonne thermique. Dans la partie inférieure de la cap- sule, le liquide remplit l'espace entre les particules du solide et il se vaporise lorsque le dégagement de chaleur est suffisamment grand. La vapeur s'élève entre les particules du solide et se condense finalement sur une paroi 22 de la capsule. Le condensat revient à la partie inférieure de la capsule. De façon connue, le signal de sortie du conver- tisseur de fréquence peut être modifié par des éléments de circuit de commande. Ces éléments de circuit 28 ne sont plus accessibles de l'extérieur, du fait de l'en- capsulage du convertisseur de fréquence. Ils doivent donc être actionnés de l'extérieur, à travers la paroi 22 de la capsule, mécaniquement ou électromagnétiquement. Le convertisseur de fréquence peut, par exemple, être actionné mécaniquement par déformation de la paroi rela- tivement mince de la capsule, au moyen d'un outil, à l'endroit o se trouvent les éléments de circuit 28, de manière à déclencher les opérations électroniques cor- respondantes. On peut également actionner les contacts des éléments de circuit au moyen d'un électroaimant, de façon à régler le signal de sortie désiré du convertis- seur de fréquence. En outre, il est avantageux d'équiper le conver- tisseur de fréquence avec des contacts à broche 29, con- nectés à l'entrée et à la sortie du convertisseur de fréquence d'un côté et, de l'autre côté, embrochables sur des contacts complémentaires de manière à établir une connexion avec le circuit d'alimentation, les enrou- lements de stator et les capteurs extérieurs. L'installation du convertisseur de fréquence à l'intérieur de la pompe ou du moteur procure un blinda- ge suffisant par rapport à l'environnement. Comme autre conséquence, les liaisons habituellement longues et non blindées avec des convertisseurs de fréquence exté- rieurs, installés à distance du groupe de pompage, de- viennent inutiles. Le convertisseur de fréquence est miniaturisé au moyen de circuits fortement intégrés, des transistors à commande de champ étant avantageusement utilisés dans le circuit de sortie du convertisseur de fréquence. En particulier, on peut obtenir une dimension minimale du convertisseur de fréquence par évacuation efficace de la chaleur dégagée, conformément à la description ci- dessus. Il faut noter qu'il n'est pas nécessaire d'ins- taller toutes les parties du convertisseur de fréquence à l'intérieur de la capsule. Le condensateur 30 du cir- cuit intermédiaire du convertisseur de fréquence, repré- senté à l'intérieur de la capsule sur la figure 4, peut également être placé à l'extérieur de la capsule comme représenté sur la figure 2. Il en est de même pour l'inductance du circuit intermédiaire, si le convertis- seur de fréquence fonctionne en accumulation de courant et non en accumulation de tension. Un agencement exté- rieur du circuit intermédiaire procure une miniaturisa- tion supplémentaire du convertisseur de fréquence. Les transformateurs appelés directs, fonctionnant sans cir- cuits intermédiaires, sont également englobés dans l'expression "convertisseur de fréquence" de la présente invention. La valeur de fonctionnement déterminée par le circuit de sortie du convertisseur de fréquence peut également être réglée par des signaux internes ou ex- ternes. Pour cela, le convertisseur de fréquence compor- te des capteurs internes, tels que des capteurs réagis- sant au courant, à la tension ou à la température, ou des capteurs externes et des servo-éléments, tous raccordés à la commande du convertisseur de fréquence. De tels facteurs externes peuvent réagir, par exemple, à la pression, au débit volumique et à la température du groupe de pompage. Les servoéléments extérieurs sont, par exemple, des éléments de temporisation qui arrêtent et mettent en service certains modes de fonctionnement du convertisseur de fréquence pendant des durées pré- déterminées. REVENDICATIONS 1. Groupe de pompage pour le refoulement de liquides ou de gaz, comprenant une pompe et un moteur électrique d'entraînement de la pompe, la vitesse et/ou le couple dudit moteur électrique pouvant être réglés au moyen d'un convertisseur de fréquence statique, ca- ractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (9), miniaturisé au moyen de circuits fortement intégrés (26), est placé à l'intérieur du groupe de pompage (4, 7) ou sur celui-ci, de manière à constituer un ensemble struc- turel avec ledit groupe de pompage, et en ce que la cha- leur dégagée par le convertisseur de fréquence est éva- cuée par le fluide pompé ou à pomper par le groupe de pompage, ce fluide servant d'évacuateur de chaleur. 2. Groupe de pompage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (9) est au moins partiellement placé dans le chemin du- dit fluide. 3. Groupe de pompage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (9) est raccordé à un conduit de contournement (16, 17, 18) de la pompe (4), pour évacuer la chaleur dégagée. 4. Groupe de pompage suivant l'une des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (9c) est placé entre la pompe (4) et le moteur électrique (7) et est soumis à un refroidissement canalisé, au moyen d'un ventilateur (19). 5. Groupe de pompage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'accouplement entre l'arbre de la pompe et l'arbre du moteur est sous la forme d'un rotor (19). 6. Groupe de pompage suivant l'une des revendi- cations 1 ou 2, comprenant plusieurs étages de pompe, caractérisé en ce que les dimensions extérieures du con- vertisseur de fréquence (9d) correspondent aux dimen- sions extérieures des chambres étagées (3) de la pompe. 7. Groupe de pompage suivant l'une des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que le chaleur dégagée par le convertisseur de fréquence (9b) est évacuée par un circuit de refroidissement séparé (20, 21). 8. Groupe de pompage suivant l'une des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que l'enveloppe du con- vertisseur de fréquence est une capsule (22, 23) résis- - tant à la pression et étanche par rapport à l'ambiance - et contenant au moins partiellement un remplissage (24, 27) qui agit comme conducteur thermique pour évacuer la chaleur dégagée à la surface de la capsule. 9. Groupe de pompage suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le remplissage (24, 27) stabi- lise la forme de la capsule (22, 23). 10. Groupe de pompage suivant l'une des revendi- cations 8 ou 9, caractérisé en ce que le remplissage est une matière solide versable. 11. Groupe de pompage suivant l'une des revendi- cations 8 ou 9, caractérisé en ce que le remplissage est un liquide. 12. Groupe de pompage suivant l'une des revendi- cations 8 ou 9, caractérisé en ce que le remplissage (24, 27) comprend un solide versable et un liquide, ce dernier remplissant une partie de l'espace entre les particules solides de manière à former un système de colonne thermique tel que le liquide se vaporise a l'en- droit o se produit le dégagement de chaleur et que la vapeur se condense sur la surface intérieure de la cap- sule tout en libérant la chaleur de condensation. 13. Groupe de pompage suivant l'une des revendi- cations 8 à 12, dans lequel le signal de sortie du con- vertisseur de fréquence peut être modifié par des élé- ments de circuit de commande, caractérisé en ce que les éléments de circuit (28) sont actionnables indirectement de l'extérieur, à travers la paroi (22) de la capsule, mécaniquement ou électromagnétiquement.