Brevet FR2664024A1 — publié le 19920103

i Procédé et installation de réglage du débit d'air dans un réseau de conduites L'invention concerne le réglage du débit d'air dans un réseau de conduites et elle est notamment appli- cable au réglage du débit d'air d'aérage dans une mine ou dans un ouvrage souterrain ou industriel. Le débit d'air qui parcourt le réseau est en général maintenu par un ou plusieurs ventilateurs Le débit d'air doit être suffisant pour assurer le confort et la sécurité des ouvriers: il doit notamment être suffisant pour maintenir des qualités physiques et chimiques acceptables de l'air dans le réseau, notamment en diluant les gaz nocifs, en évacuant la poussière et en limitant l'élévation de température Dans la pra- tique, le débit d'air de consigne à maintenir varie beaucoup avec l'activité et doit donc être réglable par commande des ventilateurs. On peut régler le débit d'air maintenu par un ventilateur de plusieurs façons On peut prévoir des ventilateurs à pales à pas variables mais cette solution exige un système mécanique onéreux et conduit à des arrêts à chaque changement de débit Elle ne convient pas lorsque le débit de consigne doit être modifié de façon continue ou fréquemment L'invention utilise le réglage par commande de la vitesse de rotation du ventilateur, qui est plus souple et peut être aisément obtenu en utilisant un ventilateur à moteur asynchrone alimenté par un convertisseur à fréquence variable autorisant une plage de variation étendue. L'invention vise notamment à fournir un procédé et un dispositif de réglage de débit d'air par commande de la fréquence alimentation du moteur d'un ventilateur ou de chaque ventilateur d'aérage d'un réseau de cana- lisations de façon au moins semi-automatique et en optimisant les conditions de fonctionnement, en cas d'emploi de plusieurs ventilateurs. Dans ce but l'invention propose notamment un procédé de réglage de débit d'air dans un réseau de canalisations (tel qu'une mine, un ouvrage souterrain ou industriel) par commande de la vitesse d'au moins un ventilateur rotatif de circulation d'air muni d'un moteur électrique dont la vitesse est fonction de la fréquence fournie par un convertisseur à fréquence réglable, pilotable par une unité centrale de calcul, caractérisé en ce que: (a) on mémorise, dans l'unité centrale de calcul, au moins une courbe caractéristique pression totale-débit pour au moins une vitesse prédéterminée, (b) on mesure au moins la pression totale fournie par le ventilateur et la vitesse de circulation pour un régime établi de fonctionnement et on en déduit, par calcul à l'aide de l'unité centrale, la résistance de la galerie et le débit à un instant courant, (c) on introduit dans l'organe de calcul le débit de consigne à fournir par le ventilateur et on en déduit, par calcul à l'aide de l'unité centrale, la pression totale théorique à fournir par le ventilateur, (d) on détermine, par interpolation entre les courbes caractéristiques mémorisées et déduites par le calcul, la vitesse à donner au ventilateur et on règle le convertisseur à la fréquence correspondante à l'aide de l'unité centrale de calcul, (e) on répète les mesures de pression totale et de vitesse pour déterminer le débit réel obtenu et on corrige éventuellement la fréquence de réglage du convertisseur pour obtenir le débit de consigne requis. La séquence ci-dessus définie est effectuée sous la commande de l'unité centrale de calcul qui, en par- ticulier, saisit les informations nécessaires (pression totale et vitesse) sous forme numérique et commande le convertisseur. L'unité centrale de calcul peut être constituée par un ordinateur personnel et peut être complétée par un micro-automate de commande locale de chaque ventila- teur Le débit de consigne nécessaire peut être introduit manuellement ou être commandé par d'autres paramètres, par exemple la teneur de polluants ou la température dans le réseau de canalisations ou en certains points de ce réseau. L'invention propose également une installation de réglage du débit d'air dans un réseau de conduites, comprenant: au moins un ventilateur de circulation d'air muni d'un moteur électrique dont la vitesse est fonction de la fréquence du courant électrique qui lui est fourni; un convertisseur fournissant le courant élec- trique, à fréquence de sortie réglable par un signal de commande appliqué au convertisseur; et des moyens de mesure de la pression totale fournie par le ventilateur et du débit, et éventuellement de la puissance électrique absorbée par le moteur du ventilateur, caractérisée en ce qu'elle comprend également une unité centrale de calcul ayant un processeur; une mémoire prévue pour mémoriser sous forme numérique au moins une courbe caractéristique pression totale-débit, et éventuellement une courbe caractéris- tique puissance-débit, du ventilateur, à au moins une vitesse prédéterminée; des moyens de visualisation desdites courbes; et des moyens de saisie de données, permettant d'affecter une valeur de consigne au débit à faire passer dans le réseau; l'unité centrale de calcul étant prévue pour calculer la résistance de la galerie et le débit qui la parcourt à un instant déterminé, à partir des signaux fournis par les moyens de mesure, et étant prévue pour calculer, à partir des résultats du calcul précédent et de la valeur de consigne du débit, par interpolation, la vitesse à donner au ventilateur et pour commander la fréquence de sortie du convertisseur de façon à atteindre cette vitesse. Des moyens de visualisation, tels qu'un moni- teur, peuvent être utilisés pour faire apparaître également la puissance consommée en fonction du débit et permettre de vérifier que le ventilateur fonctionne dans une zone de rendement acceptable. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réali- sation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la Figure 1 est un synoptique général très simplifié d'une installation à un seul ventilateur; la Figure 2 est un diagramme montrant un réseau de caractéristiques pression totale Ht-débit Q d'un ventilateur qu'on peut considérer comme repré- sentatif, pour plusieurs vitesses no, nl, N 2 (no étant la vitesse nominale); la Figure 3, similaire à la Figure 2, montre le gain de débit obtenu par jumelage en parallèle de deux ventilateurs ayant les mêmes caractéristiques; la Figure 4 est un schéma destiné à faire apparaître un risque de déséquilibre dans les débits, à proximité de la zone de pompage, lorsque deux ventila- teurs sont placés en parallèle; la Figure 5, similaire aux Figures 2 et 3, montre la caractéristique résultant du jumelage en parallèle de deux ventilateurs ayant des caractéris- tiques différentes. On considèrera tout d'abord le cas de l'aérage d'un réseau de conduites, dont seul l'échappement à l'air libre 8 est représenté, à l'aide d'un seul ventilateur 10 placé à l'extrémité d'un puits d'extraction et rejetant l'air à l'atmosphère Pour un tel ventilateur aspirant 10, la charge statique H mesurée à l'amont du ventilateur est égale à la pression totale Ht fournie par le ventilateur, si la section d'entrée est égale à la section de sortie. Si le ventilateur était monté en accélérateur, en un point intermédiaire de la conduite, ce serait la différence des charges statique ou totale entre l'amont et l'aval du ventilateur qui représenterait la pression totale Ht. La charge statique H est mesurable par des moyens tels qu'un capteur 12 ayant une prise d'air orientée orthogonalement au sens de circulation de l'air et munie d'un transducteur Dans le cas, qui sera seul considéré maintenant, d'un réglage à l'aide d'une unité centrale de calcul numérique 14, le capteur 12 doit être muni d'un convertisseur analogique-numérique de sortie ou l'organe de calcul doit être muni d'un convertisseur analogique-numérique d'entrée mettant les données four- nies par le capteur 12 sous forme numérique. Le ventilateur 10 est entraîné par un moteur asynchrone 16 alimenté par un convertisseur de fréquence 18 dont la fréquence de sortie est commandée par l'unité centrale de calcul 14 qui, dans le cas illustré, com- porte un calculateur 20 et un micro-automate 21 Dans le30 cas d'une installation à plusieurs ventilateurs, chacun d'eux peut être muni d'un micro-automate 21, assurant une régulation séparée, à partir de données fournies par un calculateur central unique 20. Le moteur 16 est muni de capteurs 22 fournissant la vitesse N et la puissance électrique absorbée Pe au calculateur 20, soit sous forme numérique, soit sous forme de signaux pouvant être mis sous forme numérique. Des moyens sont également prévus pour fournir une information représentative du débit d'air Q dans le puits d'extraction 8 On ne peut en effet mesurer directement ce débit L'information représentative peut être la vitesse moyenne V, mesurée à l'aide d'un anémo- mètre à un emplacement o la section de passage est connue et o les vitesses ont une répartition homogène ou bien déterminée Cette solution est cependant peu satisfaisante, car les anémomètres exigent un entretien coûteux En général, la vitesse V et donc le débit sont calculés à partir de la charge dynamique Hd, mesurée à l'aide d'un capteur à sonde 24 La relation entre la vitesse V et la charge dynamique Hd est V = ( 2 Hd/w)1/2 o W est le poids spécifique de l'air. La charge dynamique doit être mesurée à un emplacement o la répartition des vitesses est connue et reproductible, afin que la mesure de débit soit fiable. Si nécessaire, plusieurs sondes peuvent être placées dans une même section. La sonde de mesure de charge peut être un tube de Pitot double classique, fournissant la charge dynamique par différence entre la charge totale et la charge statique. Le réseau de canalisations et les composants de l'installation, en particulier le ventilateur 10 et son moteur d'entraînement 16, présentent une constante de temps de réaction qui doit être prise en compte De plus, des fluctuations sont inévitables L'unité centrale de calcul 14 est en conséquence prévue pour prendre en compte les constantes de temps et éventuelle-35 ment effectuer des moyennes sur des valeurs successives des paramètres d'entrée, obtenus par échantillonnage temporel. Avant de définir le procédé mis en oeuvre par l'invention, il faut rappeler quelques données concer- nant les ventilateurs rotatifs et l'écoulement dans les conduites et définir la terminologie utilisée. La puissance aéraulique Pa nécessaire pour établir un débit d'air Q dans un circuit peut s'écrire: Pa = H* Q 2 ( 1) o H est la perte de charge du circuit (égale à la diffé- rence des charges statiques entre l'entrée et la sortie lorsqu'elles sont de sections égales et donc correspondent à une même vitesse de circulation d'air), Q est le débit. La résistance R du circuit est reliée à la perte de charge H et au débit par la relation R = H/Q 2 ( 2) Les propriétés d'un ventilateur peuvent être définies par un réseau de courbes caractéristiques Le constructeur fournit ces courbes pour des conditions d'étalonnage à une vitesse prédéterminée, généralement la vitesse nominale no, dans les conditions normales de température et de pression Ces courbes expriment la relation entre la charge totale Ht, le débit Q, la puissance Pa et le rendement du ventilateur; dans la plupart des cas, elles donnent un autre paramètre de35 fonctionnement en fonction du débit Q. Pour la mise en oeuvre de l'invention, les courbes les plus importantes sont celles qui expriment la charge totale Ht en fonction du débit Q La Figure 2 montre, en traits épais, la courbe fournie par le constructeur et donnant la charge H en fonction du débit Q pour la vitesse nominale no Elle peut être mémorisée dans une mémoire 26 sous forme échantillonnée. Dans une plage limitée de vitesse, pour laquelle le rendement du ventilateur reste satisfaisant, la pression totale Ht varie proportionnellement au carré de la vitesse n, suivant la relation: Ht = ki*n 2 Ht o k 1 est une constante. Le débit Q et la puissance aéraulique Pa varient elles-mêmes suivant les formules Q = k 2 *n Pa = *n 3 o k 2 et k 3 sont des constantes. On voit qu'on peut déduire, d'une caractéris- tique nominale à vitesse no, la caractéristique à vitesse N 1 La Figure 2 montre par exemple, en trait fin, Ht(Q) pour la vitesse nl, inférieure à no, obtenue par simple homothétie H 1 = (n 1/no)2 Ho à débit Q égal. Le procédé suivant l'invention est mis en oeuvre automatiquement par l'unité centrale de calcul 14 lorsqu'elle fonctionne en régime de commande Le débit Qc de consigne à fournir est entré dans le calculateur 20, par exemple à l'aide d'un clavier 28 A partir de là, le calculateur détermine la vitesse de consigne appropriée nc et commande le convertisseur 18 en consé- quence. Dans un mode particulier de mise en oeuvre, le calculateur détermine et mémorise préalablement un réseau de courbes Ht(Q) à partir des données fournies par le constructeur Puis, lors de la commande propre- ment dite: à partir de la mesure de la vitesse, il mesure le débit à l'instant courant de mesure, puis, à partir de la pression totale Ht fournie par le ventilateur et du débit, il calcule la résistance Rc du réseau; il calcule la valeur de la pression totale Ht théorique à fournir par le ventilateur 10 pour obtenir le débit Qc; il déduit de Ht, par interpolation entre les courbes caractéristiques mémorisées, la vitesse de consigne nc à donner au ventilateur et règle le conver- tisseur 18 à la fréquence correspondante. La résistance R est calculée par la formule ( 2) ci-dessus pour le point de fonctionnement courant: elle permet à son tour de calculer la caractéristique pression-débit du réseau de canalisations pour un état déterminé du réseau: cette caractéristique est indiquée en tirets sur la Figure 2 pour un cas particulier. Le débit de consigne Qc correspond alors au point C sur le diagramme de la Figure 2 Il reste à rechercher la vitesse N O pour laquelle la caracté- ristique pression totale-débit du ventilateur passe par C et à commander la fréquence du convertisseur en conséquence, en tenant compte du glissement du moteur. Le premier calcul est une simple interpolation entre les points CO et Cl de la Figure 2 Ces points CO et Cl peuvent eux-mêmes être déterminés par interpolation polynominale entre les échantillons mémorisés définissant les caractéristiques pression-débit aux vitesses no et ni. La fréquence f correspondant à la vitesse nc est réglée par le calculateur 20, par l'intermédiaire du micro-automate 21 Dans la pratique, le débit obtenu ne sera souvent pas exactement le débit de consigne Qc recherché Le calculateur 20 détermine alors, à partir des données fournies par les capteurs 12 et 24, le débit réel et la pression totale réelle Il peut à partir de là, par interpolation, réajuster la fréquence jusqu'à obtenir, par approximations successives, le débit souhaité avec la précision nécessaire à l'avance. La caractéristique du réseau de canalisations peut varier en fonction du temps, par exemple par suite de la fermeture de certaines galeries L'unité centrale de calcul 14 peut être programmée pour ré-effectuer le calcul complet à intervalles réguliers, ou pour suivre l'évolution de la caractéristique du réseau par des ajustements successifs; elle peut également être prévue pour intervenir lorsque l'écart de débit dépasse un seuil prédéterminé. Il est préférable d'utiliser, comme grandeurs d'entrée dans le calcul, des moyennes obtenues à partir de plusieurs échantillons successifs, étant donné les variations de vitesse du ventilateur et les fluctuations inévitables du débit d'air. L'unité centrale de calcul 14 peut être prévue pour commander la fréquence du convertisseur 18 en tenant compte de la puissance électrique consommée Pe, qui est reliée au glissement du moteur 22. L'unité centrale de calcul est avantageusement complétée par un organe de visualisation, tel qu'un moniteur de télévision 30, permettant d'afficher les paramètres principaux de fonctionnement et les carac- téristiques effectives du système (montrées en Figure 2), donc de vérifier, d'une part, que les conditions de consigne sont bien remplies, d'autre part, que le ventilateur fonctionne dans des zones de ces il caractéristiques o le rendement est acceptable. L'invention est également utilisable pour commander plusieurs ventilateurs équipant un même réseau de canalisations, par exemple un même quartier de mine. Ces ventilateurs sont généralement placés en série ou en parallèle et le mode de conduite change suivant le cas. Lorsque les deux ventilateurs sont montés en série, les pressions totales qu'ils fournissent s'ajoutent, mais le débit reste limité à la valeur la plus faible parmi celles que peuvent donner les deux ventilateurs Un tel jumelage en série n'a d'intérêt que pour les réseaux présentant une résistance élevée. Lorsque deux ventilateurs sont montés en parallèle, les débits fournis par les ventilateurs s'ajoutent mais la pression totale est inchangée Un tel jumelage en parallèle n'est intéressant que dans le cas de réseaux exigeant un débit élevé ou très variable (les faibles débits pouvant être obtenus en arrêtant un ventilateur), dont la résistance est relativement faible La Figure 3 montre, à titre d'exemple, le gain AQ de débit que l'on peut obtenir en mettant en paral- lèle deux ventilateurs ayant la même caractéristique pression-débit 32 La courbe 34 montre la caractéris- tique équivalente à l'ensemble des deux ventilateurs. Lorsque plusieurs ventilateurs sont placés en parallèle et ont des caractéristiques identiques, la commande ne se différencie pas fondamentalement de celle déjà décrite, si ce n'est qu' il faut vérifier que le point de fonctionnement de chacun d'eux est tel que, pour la pression de fonctionnement requise, il n'existe qu'un seul débit possible Dans une bande de débits comprise entre les deux points à la tangente horizontale délimitant la zone de pompage, il existe trois possi- bilités d'obtention d'un débit déterminé Dans le cas de deux ventilateurs en parallèle, la Figure 4 montre qu'un premier ventilateur peut se placer sur le point corres- pondant au débit Q 3, tandis que l'autre ventilateur, décrivant sa courbe caractéristique à partir d'un débit nul, s'arrête au premier point correspondant à la pression motrice fournie par l'autre ventilateur, c'est-à-dire à Q 1. Un mode simple de commande consiste alors à donner aux deux ventilateurs la même vitesse Une solution plus complexe et plus avantageuse consiste à faire apparaître, sur les moyens de visualisation 30, l'état actuel de fonctionnement du système, sous forme des courbes caractéristiques courantes de tous les ventilateurs identiques en parallèle, susceptibles de fonctionner à des vitesses différentes, pour en déduire une courbe caractéristique moyenne Le débit total et la résistance équivalente du système étant alors connus, on peut déterminer si un changement de débit est néces- saire Si le débit courant est différent du débit de consigne, une méthode simple consiste à répartir les variations de débit de façon uniforme entre tous les ventilateurs: cette répartition peut être effectuée par l'unité centrale de calcul. La situation est un peu plus complexe dans le cas de ventilateurs ayant des courbes caractéristiques différentes, telles que celles données en 32, et 322 sur la Figure 5 On peut néanmoins déterminer les diffé- rentes vitesses à leur donner en traçant les caractéris- tiques passant toutes par le point de fonctionnement choisi Les deux ventilateurs fonctionnent alors de façon à fournir la même pression totale Ht, mais fournissent des débits différents Il peut être alors utile de mémoriser, dans l'unité centrale de calcul 14, des zones de risque de pompage sous forme de plages de fonctionnement exclues. REVENDICATIONS 1 Procédé de réglage de débit d'air dans un réseau de conduites, tel qu'une mine, un ouvrage souterrain ou industriel, par commande de la vitesse d'au moins un ventilateur rotatif ( 10) de circulation d'air muni d'un moteur électrique ( 16) dont la vitesse est fonction de la fréquence fournie par un convertisseur à fréquence réglable pilotable par une unité centrale de calcul, caractérisé en ce que: (a) on mémorise, dans l'unité centrale de calcul ( 14), au moins une courbe caractéristique pression totale-débit pour au moins une vitesse prédéterminée, (b) on mesure au moins la pression totale (Ht) fournie par le ventilateur et la vitesse de circulation pour un régime établi de fonctionnement et on en déduit, par calcul à l'aide de l'unité centrale, le débit à un instant courant et la résistance du réseau, (c) on introduit dans l'organe de calcul le débit de consigne à fournir par le ventilateur ( 10) et on en déduit, par calcul à l'aide de l'unité centrale ( 14), la pression totale théorique à fournir par le ventilateur ( 10), (d) on détermine, par interpolation entre les courbes caractéristiques mémorisées et déduites par le calcul, la vitesse à donner au ventilateur et on règle le convertisseur ( 18) à la fréquence correspondante à l'aide de l'unité centrale de calcul, (e) on répète les mesures de pression totale et de vitesse pour déterminer le débit réel obtenu et on corrige éventuellement la fréquence de réglage du convertisseur pour obtenir le débit de consigne requis. 2 Installation de réglage du débit d'air dans un réseau de canalisations, comprenant: au moins un ventilateur ( 10) de circulation d'air muni d'un moteur électrique ( 16) dont la vitesse est fonction de la fréquence du courant électrique qui lui est fourni; un convertisseur ( 18) fournissant le courant, à fréquence de sortie réglable par un signal de commande appliqué au convertisseur; et des moyens ( 12, 22) de mesure de la pression totale fournie par le ventilateur, du débit dans le réseau et éventuellement de la puissance électrique (Pe) absorbée par le moteur du ventilateur, caractérisée en ce qu'elle comprend également une unité centrale de calcul ( 14) ayant: un processeur ou calculateur ( 20); une mémoire ( 26) prévue pour mémoriser sous forme numérique au moins une courbe caractéristique pression totale-débit, et éventuellement une courbe caractéristique puissance-débit du ventilateur, à au moins une vitesse prédéterminée; des moyens ( 30) de visualisation desdites courbes; et des moyens de saisie de données, permettant d'affecter une valeur de consigne (Qc) au débit à faire passer dans le réseau, l'unité centrale de calcul ( 14) étant prévue pour calculer la résistance (R) du réseau et le débit (Q) qui la parcourt à un instant déterminé, à partir des signaux fournis par les moyens de mesure, et étant prévue pour calculer, à partir des résultats du calcul précédent et de la valeur de consigne du débit, par interpolation, la vitesse à donner au ventilateur et pour commander le convertisseur de façon à atteindre cette vitesse, éventuellement en plusieurs ajustements successifs. 3 Installation selon la revendication 2, carac- térisée en ce que lesdits moyens de mesure comportent des convertisseurs analogique-numérique fournissant des échantillons numérisés à l'unité centrale. 4 Installation selon la revendication 3, carac- térisée en ce que l'unité centrale ( 14) est prévue pour prendre en compte les valeurs moyennes de la pression totale et du débit. 5 Installation selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que les moyens de mesure du débit comportent des moyens de mesure de la charge dynamique dans la conduite, à partir de laquelle l'unité centrale détermine le débit. 6 Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de visualisation permettant de faire apparaître les courbes caractéristiques courantes en fonction du débit. 7 Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que l'unité centrale est prévue pour effectuer une comparaison entre le débit de consigne et le débit courant et réajuster la vitesse du ventilateur à intervalles réguliers ou lorsque l'écart de débits dépasse un seuil prédéterminé. 8 Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 à plusieurs ventilateurs montés en parallèle, caractérisée en ce que l'unité centrale est prévue pour répartir également le débit de consigne et les variations de ce débit entre les ventilateurs.