Brevet FR2661759A1 — publié le 19911108

La présente invention a trait d'une façon générale les dispositifs de soufflage d'air, et elle concerne plus particulièrement un nouveau procédé de réglage du débit d'air et un dispositif mettant en oeuvre le procédé. Lors de l'installation d'un tel dispositif, par exemple un dispositif de traitement d'air du genre climatiseur, sur le site, il est nécessaire dans la technique connue de procéder à un calibrage du dispositif en fonction de son environnement; plus précisément, il est nécessaire d'étalonner l'appareil en fonction des pertes de charges propres au circuit de distribution et de reprise d'air dans la ou les salles associées au dispositif et le cas échéant en fonction des débits d'air minima et maxima imposés par les exploitants suivant des critères déterminés, notamment des critères d'occupation, de situation, ou encore des critères règlementaires ou de niveau de bruit admissible. Ce calibrage a essentiellement pour objet de déterminer, pour chaque dispositif de traitement dans son environnement définitif, la loi d'évolution du débit effectif en fonction d'un paramètre électrique de l'alimentation du moteur entraînant la soufflante. I1 est bien évident qu'un tel calibrage sur site est fastidieux, car il doit être effectué au moins une fois pour chaque nouveau dispositif installé. Par ailleurs, dès qu'une modification des circuits de distribution ou de reprise d'air est effectuée, il est nécessaire de procéder à un nouveau calibrage du fait de la modification de la perte de charge qui peut en résulter. La technique couramment utilisée pour effectuer un tel calibrage consiste à installer temporairement à la sortie du ventilateur un dispositif de mesure soit du débit d'air effectif (anémomètre ou analogue), soit encore de pression différentielle, permettant de déduire la perte de charge dans le circuit d'air. Ainsi tous les cas, ces solutions connues ont, outre les défauts majeurs exposés plus haut, l'inconvénient de nécessiter des moyens coûteux et relatievement imprécis. En particulier, outre le fait qu'un capteur de pression différentielle est en lui-même coûteux, il est nécessaire de prévoir pour le traitement des signaux très faibles qu'il délivre des circuits électroniques à faible bruit et très grande sensibilité, et donc également coûteux. En outre, ce genre de capteur est fragile, et sujet à l'encrassement ainsi qu'à des dérives dans ses signaux de sortie. Enfin un inconvénient des solutions connues réside dans l'impossibilité de tenir compte du vieillissement et de l'encrassement du dispositif de traitement d'air, susceptible de modifier les pertes de charge et donc le débit, sauf à effectuer de temps à autre un nouveau calibrage qui bien entendu accroît de façon indésirable les coûts d'exploitation. La présente invention vise à pallier ces inconvénients de la technique antérieure et à proposer un dispositif de traitement d'air qui ne nécessite aucun calibrage lors de l'installation sur site, ceci sans que son coût de revient soit sensiblement augmenté. Plus précisément, la présente invention est basée sur l'idée que le moteur électrique d'entraînement du ventilateur est à même à lui seul de fournir à tout instant souhaité des informations permettant de déduire la perte de charge effective dans les circuits de distribution et de reprise associés au dispositif, et donc de commander le moteur en fonction de cette perte de charge pour obtenir le débit souhaité. Ainsi, selon un premier aspect de la présente invention, on propose un procédé de réglage du débit d'air en sortie d'un dispositif de soufflage d'air comprenant au moins un ventilateur entraîné par un moteur électrique et relié à un circuit d'air, et des moyens pour faire varier un paramètre de la tension électrique d'alimentation du moteur en vue de faire varier la vitesse de rotation de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à:: engendrer une information représentative de la vitesse de rotation dudit moteur ou du ventilateur correspondant à une valeur connue dudit paramètre de la tension d'alimentation, déterminer à partir de ladite valeur connue du paramètre de la tension d'alimentation et de ladite information une loi d'évolution du débit en fonction dudit paramètre, choisie parmi une pluralité de telles lois préalablement mémorisées et correspondant à une pluralitédtpertes de charges différentes dans ledit circuit d'air, faire varier ledit paramètre de la tension d'alimentation suivant ladite loi déterminée de manière à obtenir en sortie un débit égal à un débit de consigne. Des aspects préférés, mais non limitatifs, du procédé de la présente invention sont les suivants: - ledit paramètre consiste en la valeur efficace de la tension d'alimentation du moteur. - ladite information est un signal impulsionnel dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur ou du ventilateur. - ladite pluralité de lois est mémorisée sous la forme d'une pluralité d'ensembles de couples de valeurs. - ladite pluralité de lois est mémorisée sous la forme d'une pluralité d'équations. - l'étape de détermination de la loi d'évolution consiste à déterminer, parmi une pluralité d'identificateurs en association avec lesquels sont mémorisés une pluralité de critères respectifs, l'identificateur dont le critère est satisfait par ledit paramètre de la tension d'alimentation et ladite information, ledit idenficateur déterminant ladite loi d'évolution. - ladite pluralité de lois est mémorisée sous la forme d'une équation unique comportant au moins un paramètre variable, et en ce que l'étape de détermination de la loi d'évolution consiste à calculer le ou lesdits paramètres en fonction de ladite valeur connue du paramètre de la tension d'alimentation et de ladite information. selon un deuxième aspect essentiel, l'invention concerne un dispositif de soufflage d'air, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un ventilateur entraîné par un moteur électrique, des moyens pour faire varier un paramètre de la tension électrique d'alimentation du moteur en vue de faire varier la vitesse de rotation de celui-ci, des moyens de mesure d'une information représentative de la vitesse de rotation du moteur, une mémoire contenant un ensemble de données représentatives d'une pluralité de lois d'évolution du débit effectif du ventilateur en fonction de la valeur dudit paramètre de la tension d'alimentation, et des moyens de traitement pour déterminer, à partir de la connaissance dudit paramètre de la tension d'alimentation et de ladite information à au moins un instant donné, la loi d'évolution qui convient, les moyens pour faire varier ledit paramètre de la tension d'alimentation étant commandés en fonction d'un débit de consigne et de ladite loi déterminée. Des aspects préférés, mais non limitatifs, du dispositif selon la présente invention sont les suivants: - le moteur électrique est un moteur asynchrone, lesdits moyens de variation dudit paramètre comprennent une unité de commande d'angle de conduction, et ledit paramètre est la valeur efficace de la tension d'alimentation du moteur. - lesdits moyens de mesure comprennent un capteur choisi dans le groupe comprenant les capteurs magnétorésistifs, les capteurs à effet Hall et les capteurs optiques. - ladite mémoire est une mémoire morte interchangeable dont les données correspondent à un couple moteur-ventilateur donné. L'invention concerne enfin un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini plus haut, caractérisé en ce qu'il comprend: un ventilateur entraîné par un moteur électrique, des moyens pour faire varier un paramètre de la tension électrique d'alimentation du moteur en vue de faire varier la vitesse de rotation de celui-ci, un capteur pour engendrer l'information représentative de la vitesse de rotation du moteur, une mémoire contenant ladite pluralité de lois d'évolution, et des moyens de traitement pour effectuer l'étape de détermination et pour commander lesdits moyens pour faire varier le paramètre de la tension électrique. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence au dessin annexé, sur lequel la figure 1 est un schéma-bloc d'une partie d'un dispositif de traitement d'air selon la présente invention, les figures 2a à 2c montrent trois diagrammes correspondant à trois environnements théoriques du dispositif, et la figure 3 montre un diagramme illustrant le principe de réglage de débit utilisé conformément à la présente invention. En référence tout d'abord à la figure 1, on a représenté schématiquement et partiellement un dispositif de traitement d'air qui comprend un ventilateur ou autre soufflante 10 entraîné par un moteur électrique asynchrone 12. On a représenté schématiquement un conduit 16 de distribution d'air et un conduit 18 de reprise d'air. I1 est bien connu que la vitesse de rotation à vide (sous charge nulle) d'un moteur asynchrone est déterminée par la fréquence du courant sinusoïdal qui l'alimente. Cette vitesse décroit de façon linéaire à mesure que la charge augmente. Lorsqu'un tel moteur est commandé en vitesse variable, le couple nécessaire à la propulsion de l'air, sous une charge fixée, croît de façon quadratique en fonction du débit en sortie. Cette courbe, déterminant le glissement du moteur, est caractéristique d'un couple moteur/ventilateur donné dans des conditions de perte de charge données. Le principe de base de la présente invention consiste donc à déterminer le glissement du moteur en mesurant la vitesse de rotation absolue du moteur (ou toute autre variable qui est corrélée). Cette mesure, confrontée à la vitesse de rotation nominale, donne le glissement du moteur à un instant donné, lui même représentatif de la perte de charge dans le circuit d'air auquel est relié le ventilateur. L'on comprend qu'il est donc possible à partir de cette information de déterminer une loi unique d'évolution du débit effectif en sortie du ventilateur en fonction par exemple de la valeur efficace de la tension qui alimente le moteur. Ainsi, selon l'invention, on utilise comme élément capteur linéaire le moteur lui-même, dont la vitesse de rotation mesurée pour une tension efficace d'alimentation donnée va permettre de déduire la perte de charge existant en aval du ventilateur, et donc de déterminer une loi d'évolution du débit effectif en fonction de la tension efficace appliquée au moteur. Ainsi le dispositif représenté en figure 1 comprend un capteur de rotation 14 dont la sortie, délivrant par exemple un nombre déterminé d'impulsions électriques par tour accompli par le moteur, est appliquée à une platine de régulation 20. Ce capteur 14 peut être de tout type approprié. Ainsi l'on peut utiliser par exemple un capteur magnéto-résistif, un capteur à effet Hall, un capteur optique, etc... La platine 20 comporte un calculateur 22 associé à une mémoire 24, et un module de variation de vitesse 26. Le calculateur 22 reçoit d'une part la sortie du capteur 14, et d'autre part une valeur de débit de consigne fournie par l'unité de commande du dispositif de traitement d'air, non représentée. La mémoire 24 contient, comme on le verra en détail plus loin, des données représentatives de l'évolution du débit en sortie du ventilateur en fonction de la tension d'alimentation du moteur, pour diverses pertes de charges dans le circuit d'air. Enfin le variateur de vitesse 26, commandé par le calculateur 22, est dans le présent exemple une unité de commande d'angle de conduction, de conception classique, permettant de faire varier à souhait la tension efficace d'alimentation du moteur. En référence aux figures 2a à 2c et à la figure 3, on va maintenant décrire en détail un mode de fonctionnement possible du dispositif décrit ci-dessus. On va d'abord décrire la manière dont ont pu être obtenues les données chargées dans la mémoire 24, ces données étant communes à tout couple moteur/ventilateur de mêmes caractéristiques. Tout d'abord, pour un couple moteur/ventilateur échantillon de type donné, on a fait varier la perte de charge dans le circuit relié à la sortie du ventilateur. Pour chaque perte de charge donnée, on a fait varier la tension efficace d'alimentation du moteur et l'on a mesuré à chaque fois d'une part la vitesse de rotation effective du moteur et d'autre part le débit d'air de Les figures 2a, 2b et 2c montrent les variations de vitesse (traits pleins) et de débit (traits tiretés) obtenues en fonction des variations de la tension efficace, respectivement avec une perte de charge nulle (à vide), une perte de charge moyenne et une forte perte de charge (orifice de sortie presque obturé). On comprend aisément en observant les courbes des figures 2a à 2c que, si l'on connaît à la fois la tension efficace d'alimentation et la vitesse de rotation du moteur, on peut déterminer facilement, uniquement à partir de ces courbes, à quelle perte de charge le ventilateur est exposé. Par exemple, si l'on constate qu'une tension efficace Va induit une vitesse de rotation a, on est dans le cas d'une perte de charge moyenne tel qu'illustré sur la figure 2b. (Bien entendu, pour obtenir une précision satisfaisante, les essais décrits ci-dessus sont effectués pour un nombre de pertes de charge différentes suffisamment grand). Des données déduites d'un nombre suffisamment grand de courbes du type de celles des figures 2a à 2c sont alors mémorisées de façon permanente dans la mémoire 24 associée au calculateur 22, par exemple dans une mémoire morte programmable. On a ainsi réalisé une fois pour toutes, comme on le verra plus loin, le paramétrage du dispositif de traitement d'air. Dans un premier exemple de réalisation, cette mémorisation peut consister à identifier individuellement les différentes pertes de charge PCi pour lesquelles les mesures ont été effectuées, et à associer dans la mémoire, en association avec chacune des différentes valeurs PCi, une pluralité de couples de valeurs (tension efficace, vitesse) correspondant à des courbes du type des courbes en traits pleins illustrées sur les figures 2a à 2c. Dans ce cas, on mémorise également, en association avec chaque niveau de perte de charge PCi, un ensemble de couples de valeurs (tension efficace, débit) correspondant à des courbes du type de celles en traits tiretés sur les figures 2a à 2c). I1 faut noter ici que ces mesures permettent de paramétrer en une seule fois tous les couples moteur/ventilateur d'un type donné. Ainsi, pour une fabrication en grande série de dispositifs utilisant tous le même type de moteur et le même type de ventilateur, ces mesures préalables n'auront à être effectuées qu'une seule fois et seront valables pour tous les dispositifs de la série. On va maintenant décrire, en se référant également à la figure 3, le fonctionnement du dispositif une fois installé sur le site et équipé de ses diverses gaines de distribution et de reprise d'air. A intervalles réguliers, le calculateur 22 lit une valeur de vitesse de rotation fournie par le capteur 14 et, simultanément ou pratiquement simultanément, lit la valeur de la tension efficace appliquée au moteur. A partir des données mémorisées dans la mémoire 24, le calculateur 22 peut alors déterminer le niveau de perte de charge PCi (figure 3) actuellement causé par le circuit de distribution et de reprise d'air. La connaissance de PCi permet alors, en fonction d'un débit de consigne Dc appliqué à la platine de régulation, de déterminer, à nouveau par consultation des données contenues dans la mémoire 24, la tension efficace Vx requise pour obtenir effectivement ce débit en sortie. Dans le cas décrit ici où les diverses courbes sont représentées en mémoire par une pluralité de couples de valeurs pour chaque valeur de PCi, on peut faire appel si nécessaire aux techniques classiques d'interpolation pour atteindre la précision requise. Dès que la perte de charge dans le circuit varie (par exemple dès que le circuit d'air est modifié, suite à une nouvelle configuration des salles auxquelles est affecté le dispositif de traitement d'air, alors une nouvelle confrontation de la vitesse de rotation mesurée et de la tension efficace d'alimentation correspondante avec les données mémorisées permet d'intégrer instantanément ce changement. Ainsi, dans l'exemple cidessus, un nouvel identificateur de perte de charge PCi' est déterminé, ce qui va déterminer à son tour une nouvelle loi d'évolution du débit en fonction de la tension efficace appliquée au moteur.Ainsi le dispositif de la présente invention peut être qualifié d'autoadaptatif en ce que, sans aucune intervention ou réglage, il s'adapte de lui-même en temps réel à son environnement, pour assurer que le débit d'air effectif à sa sortie soit toujours identique, aux tolérances près, au débit de consigne. Bien entendu, le dispositif s'adapte de la même manière aux variations de pertes de charge résultant de l'encrassement ou du vieillissement du circuit d'air, sans qu'il soit nécessaire d'intervenir. Une autre solution pour mémoriser les données dans la mémoire peut consister à déterminer et à mémoriser des équations de courbes s'approchant au mieux des courbes caractéristiques obtenues expérimentalement. Ainsi, en association avec un identificateur PCi peuvent être mémorisées une première courbe de la vitesse en fonction de la tension efficace, et une seconde courbe du débit en fonction de la tension efficace. Alternativement, on peut utiliser un nombre d'équations de courbes limité, ces équations comportant des paramètres variables; et ce sont ces paramètres qui sont alors mémorisés en regard des identificateurs respectifs PCi. Selon une autre variante, le calculateur peut effectuer les opérations suivantes: - à partir de la tension efficace et de la vitesse de rotation correspondante, calculer au moins un paramètre intermédiaire à l'aide d'une première équation mémorisée, - introduire le ou lesdits paramètres intermédiaires dans une seconde équation mémorisée, donnant le débit en fonction de la tension efficace, - utiliser ladite seconde équation, une fois paramétrée, comme loi de variation effective du débit en fonction de la tension efficace pour commander le moteur avec la tension efficace requise en fonction du débit de consigne. Selon une autre variante encore, l'étape finale consistant à ajuster la tension efficace appliquée au moteur pour obtenir le débit de consigne peut consister non pas à lire directement sur la courbe considérée la valeur requise pour la tension efficace en fonction du débit de consigne, mais à lire, sur une courbe différente, la vitesse de rotation requise en fonction du débit de consigne. L'on fait alors varier la tension efficace, en lisant simultanément sur le capteur 14 la vitesse de rotation effective, jusqu'à ce que la vitesse de rotation requise soit atteinte. Les avantages de la présente invention sont nombreux: - Le coût d'un système de régulation selon l'invention, incluant le capteur de rotation et la partie électronique (calculateur et mémoire), est extrêmement réduit (typiquement quelques dizaines de francs). - I1 n1 existe aucun risque de dérive dans le temps, et en particulier aucune erreur dans la mesure de la vitesse de rotation. - Aucun processus de calibrage n'est nécessaire lors de l'installation du dispositif sur le site, celuici étant auto-adaptatif. - Aucune mesure de débit n'étant nécessaire en fonctionnement normal, aucune incertitude inhérente à ce type de mesure n'est rencontrée. - la fabrication en grande série est parfaitement maîtrisée, aucun réglage n'étant nécesssaire. A cet égard, les mémoires contenant les données représentatives du comportement de différents couples moteur/ventilateur donnés peuvent être constituées physiquement par des mémoires mortes en circuit intégré, et il suffit lors de la fabrication de mettre en place le circuit intégré dont les données correspondent au couple moteur/ventilateur effectivement utilisé. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite cidessus et représentée sur les dessins, mais l'homme de 11 art saura y apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. En particulier, l'homme de l'art saura faire les adaptations nécessaires pour utiliser l'invention avec des moteurs de type différent, et notamment avec des moteurs à courant continu ou à effet Hall, ou encore avec des commandes de vitesse de type différent, par exemple avec une commande par variation de fréquence d'alimentation à l'aide d'un convertisseur. Par ailleurs, l'invention s'applique avantageusement dans toute installation dans laquelle un moteur électrique entraînant un ventilateur ou soufflante doit être commandée de manière à obtenir en sortie un débit réel donné, en tenant compte des pertes de charges qui peuvent varier dans les gaines reliées au ventilateur. I1 peut s'agir en particulier, mais non limitativement, d'un module de traitement d'air tel qu'il fait l'objet du brevet français No. 87 09630 au nom de la Demanderesse, ou encore de toute installation de chauffage, climatisation, d'aération, de séchage, etc... En outre, le fait que la présente invention fasse appel a un capteur de vitesse de rotation permet, pratiquement sans surcoût, au calculateur de remplir également diverses fonctions de sécurité, et notamment de détecter si la vitesse de rotation du moteur ne descend pas en deçà d'un seuil donné, risquant de détériorer ses enroulements. REVENDICATIONS 1. Procédé de réglage du débit d'air en sortie d'un dispositif de soufflage d'air comprenant au moins un ventilateur entraîné par un moteur électrique et relié à un circuit d'air, et des moyens pour faire varier un paramètre de la tension électrique d'alimentation du moteur en vue de faire varier la vitesse de rotation de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à:: engendrer une information représentative de la vitesse de rotation dudit moteur ou du ventilateur, correspondant à une valeur connue dudit paramètre de la tension d'alimentation, déterminer à partir de ladite valeur connue du paramètre de la tension d'alimentation et de ladite information une loi d'évolution du débit en fonction dudit paramètre, choisie parmi une pluralité de telles lois préalablement mémorisées et correspondant à une pluralitéctepertes de charges différentes dans ledit circuit d'air, faire varier ledit paramètre de la tension d'alimentation suivant ladite loi déterminée de manière à obtenir en sortie un débit égal à un débit de consigne. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit paramètre consiste en la valeur efficace de la tension d'alimentation du moteur. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite information est un signal impulsionnel dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur ou du ventilateur. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite pluralité de lois est mémorisée sous la forme d'une pluralité d'ensembles de couples de valeurs. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite pluralité de lois est mémorisée sous la forme d'une pluralité d'équations. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la loi d'évolution consiste à déterminer, parmi une pluralité d'identificateurs en association avec lesquels sont mémorisés une pluralité de critères respectifs, l'identificateur dont le critère est satisfait par ledit paramètre de la tension d'alimentation et ladite information, ledit idenficateur déterminant ladite loi d'évolution. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite pluralité de lois est mémorisée sous la forme d'une équation unique comportant au moins un paramètre variable, et en ce que l'étape de détermination de la loi d'évolution consiste à calculer le ou lesdits paramètres en fonction de ladite valeur connue du paramètre de la tension d'alimentation et de ladite information. 8. Dispositif de soufflage d'air, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un ventilateur (10) entraîné par un moteur électrique (12), des moyens (26) pour faire varier un paramètre de la tension électrique d'alimentation du moteur en vue de faire varier la vitesse de rotation de celui-ci, des moyens (14) de mesure d'une information représentative de la vitesse de rotation du moteur, une mémoire (24) contenant un ensemble de données représentatives d'une pluralité de lois d'évolution du débit effectif du ventilateur en fonction de la valeur dudit paramètre de la tension d'alimentation, et des moyens de traitement (22) pour déterminer, à partir de la connaissance dudit paramètre de la tension d'alimentation et de ladite information à au moins un instant donné, la loi d'évolution qui convient, les moyens pour faire varier ledit paramètre de la tension d'alimentation étant commandés en fonction d'un débit de consigne et de ladite loi déterminée. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moteur électrique (12) est un moteur asynchrone, en ce que lesdits moyens (26) de variation dudit paramètre comprennent une unité de commande d'angle de conduction, et en ce que ledit paramètre est la valeur efficace (Veff) de la tension d'alimentation du moteur. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure comprennent un capteur (14) choisi dans le groupe comprenant les capteurs magnéto-résistifs, les capteurs à effet Hall et les capteurs optiques. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que ladite mémoire (24) est une mémoire morte interchangeable dont les données correspondent à un couple moteur-ventilateur donné. 12. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend: un ventilateur (10) entraîné par un moteur électrique (12), des moyens (26) pour faire varier un paramètre de la tension électrique d'alimentation du moteur en vue de faire varier la vitesse de rotation de celui-ci, un capteur (14) pour engendrer l'information représentative de la vitesse de rotation du moteur, une mémoire (24) contenant ladite pluralité de lois d'évolution, et des moyens de traitement (22) pour effectuer l'étape de détermination et pour commander lesdits moyens pour faire varier le paramètre de la tension électrique.