Savoir-faire KSB, volume 4

Régulation de pompes / Automatisation de pompes

Régulation de pompes / Automatisation de pompesEdition de janvier 2009

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Editeur :KSB Aktiengesellschaft

Segment de marché :BâtimentD-91253 Pegnitz

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Caractéristiquestechniques

Caractéristiquestechniques

Caractéristiquestechniques

Caractéristiques techniques

Riotronic S

� Q max 3.5 m3/h,1.0 l/s

� H max 6 m

� T de + 20 °C à + 110 °C

Riotronic ECO

� Q max 2.5 m3/h,0.7 l/s

� H max 5 m

� T de + 15 °C à + 110 °C

Riotec

� Q max 60 m3/h, 17 l/s

� H max 10 m

� T de + 20 °C à + 110 °C

Riotec Z

� Q max 90 m3/h, 25 l/s

� H max 10 m

� T de + 20 °C à + 110 °C

Etaline PumpDrive

� Q max 788 m3/h, 219 l/s

� H max 100 m

� T de – 10 °C à + 110 °C

� pd jusqu’à 16 bar

Etaline Z PumpDrive

� Q max 479 m3/h, 133 l/s

� H max 76 m

� T de – 10 °C à + 110 °C

� pd jusqu’à 16 bar

hyatronic mb

� asservissement de 1 à8 pompes, construc-tion modulaire

� 1 ou 2 variateurs defréquence, avec per-mutation

� pour moteurs jusqu’à200 kW (puissancessupérieures, nous con-sulter)

� tension d’alimentation3~ 400 V, 50 Hz

� température ambiantede 0°C à +40 °C

Concepts de régulation KSB

Pompes à régulation intégrée Armoires de commande

et régulation

Rotor noyé Rotor sec

Riotronic S /Riotronic ECO

Riotec / Riotec Z

Caractéristiquestechniques

Rio-Eco

� Q max 60 m3/h, 16,7 l/s

� H max 13 m

� T de – 10 °C à + 110 °C

Rio-Eco Z

� Q max 108 m3/h, 30 l/s

� H max 13 m

� T de – 10 °C à + 110 °C

Rio-Eco /Rio-Eco Z

Etaline PumpDrive /Etaline Z PumpDrive

hyatronic mb

Sommaire Page

1 Notions de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1 Bases hydrauliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1.1 Principe de fonctionnement des pompes . . . . . . . . . . . . . 4

Pompes volumétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Pompes centrifuges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.2 Régulation de débit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Régulation de débit par laminage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Régulation de débit avec un by-pass . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Régulation de débit par cascade de pompes . . . . . . . . . . 8

Régulation de débit par variation de vitesse . . . . . . . . . . 9

Régulation de débit par la combinaison de pompes en parallèle et pompes en vitesse variable . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.3 Calcul des courbes caractéristiques de pompes pourvitesses variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Détermination de la courbe de réseau . . . . . . . . . . . . . . 12

Détermination de la courbe de régulation . . . . . . . . . . . 12

Determination des pompes dans l’exemple . . . . . . . . . . 13

Détermination des courbes de similitude . . . . . . . . . . . . 13

Détermination des courbes de pompe . . . . . . . . . . . . . . 14

Détermination de points intermédiaires et de courbes depompes intermédiaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Addition des courbes caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . 17

Détermination de la puissance absorbée . . . . . . . . . . . . 18

Détermination de la valeur de consigne. . . . . . . . . . . . . 19

1.1.4 Calcul de rentabilité des systèmes de variation de vitesse par variateur de fréquence . . . . . . . . . . . . . . . 20

Influences exercées par le type d’installation . . . . . . . . . 20

Influences exercées par les variations de débit de l’installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Influences exercées par la pompe . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Puissance électrique consommée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Comparaison entre la solution vitesse variable et vitesse fixe pour trois types d’installation . . . . . . . . . . . 22

Etude de rentabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1

1.2 Rappel technique et bases sur la régulation . . . . . . . . . . 28

1.2.1 Définition générale de la régulation. . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.2.2 Rappel des définitions de base en régulation . . . . . . . . . 28

1.2.3 Exemple de définitions pour un système avec pompeen vitesse variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.2.4 Grandeurs de régulation en circuit fermé . . . . . . . . . . . 29

Régulation de la pression différentielle . . . . . . . . . . . . . 29

Régulation de la vitesse en fonction de la température différentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Régulation en fonction de la température de retour . . . 33

Commande ou régulation en fonction de la température de départ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.2.5 Grandeurs de régulation en circuit ouvert . . . . . . . . . . . 35

Régulation de la pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Régulation en fonction du niveau . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Régulation de vitesse en fonction du débit . . . . . . . . . . 37

1.2.6 Compensation des perturbations supplémantaires. . . . . 38

Compensation par le choix de l’emplacement du capteur 38

Compensation par l’intermédiaire d’une grandeur demesure supplémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.3 Notions de base sur le moteur à intelligence embarquée . 42

1.3.1 Moteurs « intelligents » pour l’entraînement de pompes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.3.2 Les avantages de l’intelligence embarquée . . . . . . . . . . . 42

1.3.3 Exigences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.3.4 Fonctions spécifiques aux pompes. . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.3.5 Aspects économiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.4 Notions de base sur les technologies de communication . 45

2 Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.1 Notions générales d’électricité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Types de réseaux électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Dispositifs de protection différentielle . . . . . . . . . . . . . . 50

Mesures de protection dépendant du réseau . . . . . . . . . 50

Température ambiante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Mode de démarrage des moteurs à rotor en court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.1.2 Notions de Compatibilité Electromagnétique (CEM) . . 51

2

Sommaire

2.2 Fonctions de régulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Grandeur de régulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Basculement entre plusieurs consignes. . . . . . . . . . . . . . 53

Optimisation de la courbe de régulation . . . . . . . . . . . . 53

Surveillance des pompes et de l’installation hydraulique en fonctionnement automatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Appareils de détection et de mesure . . . . . . . . . . . . . . . 55

Documentation technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Mise en service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3 Exemple d’étude d’un projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.1 Description de l’installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.2 Calcul de la courbe de réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.3 Etapes suivantes selon le logigramme d’étude . . . . . . . . 59

4 Les avantages de l’automatisation et de la régulation depompes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.1 Augmentation de la sécurité de fonctionnement . . . . . . 66

4.2 Amélioration du comportement en fonctionnement . . . 66

4.3 Amélioration de la qualité des produits. . . . . . . . . . . . . 67

4.4 Réduction des frais d’exploitation. . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.5 Amélioration des informations sur l’installation . . . . . . 67

5 Synoptique des différents concepts d’automatisation. . . 68

5.1 Fonctionnement en parallèle de pompes identiques avec un variateur de fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.2 Fonctionnement en parallèle de pompes identiques avec deux variateurs de fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.3 Fonctionnement en parallèle de pompes de tailledifférente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.4 Autres concepts de régulation proposés par KSB. . . . . . 72

Logigramme des étapes d’étude d’une installation. . . . . 73

3

Sommaire

1Notions de base

1.1Bases hydrauliques

1.1.1Principe de fonctionnementdes pompes

Les pompes ont pour fonctiond’accroître la pression d’un liquide et de générer un débit.Pour assurer cette tâche, différents types de pompes ontété développés dont les plus importants sont les pompes volumétriques et les pompescentrifuges.

Pompes volumétriques :

Elles sont utilisées en premierlieu pour les applications à faible débit et grande hauteur manométrique. Leur principe defonctionnement est basé sur lamodification cyclique des volumes des chambres de travaildélimitées par rapport auxtuyauteries d’aspiration et de refoulement par des éléments deséparation.

Les principaux représentants decette famille sont :

• les pompes à piston

• les pompes volumétriques

• les pompes à membrane

• les pompes à engrenages

• les pompes à vis

• les pompes à cellules semi-rotatives

• les pompes péristaltiques etc.

Toutes ces pompes ont en com-mun que leur débit varie enfonction de la vitesse de rotationou du nombre de cycles alorsque la hauteur manométriqueest indépendante de ces paramè-tres. C’est pourquoi les pompesvolumétriques doivent être pro-tégées contre les pressions exces-sives. La variation du débit n’estpossible que par modification dela vitesse ou du nombre de cy-cles, ou bien en prévoyant desinstallations supplémentaires(by-pass). La courbe caractéris-tique de la pompe indique lacorrélation entre le débit et lahauteur manométrique (pres-sion) pour une vitesse fixe donnée.

Lorsque la vitesse est variable, ledébit varie proportionnellementà celle-ci.

4

1 Notions de base

H [%]

Q [%]Débit

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

120

100

80

60

40

20

0

nmin

0 20 40 60 80 100 120

nmax

Fig. 1 Courbes caractéristiques typiques d’une pompevolumétrique à différentes vitesses

5

1

Pompes centrifuges

Ce sont les pompes centrifugesqui sont utilisées dans la plupartdes applications techniques.Cela s’explique par leurs caractéristiques, à savoir :

• construction robuste

• conception simple

• coûts de fabrication peu élevés

• bon comportement en service

• possibilité de régulation

Le principe de fonctionnementdes pompes centrifuges est basésur un transfert d’énergie obtenupar déviation de l’écoulement. A cela s’ajoute l’effet de la forcecentrifuge dans le cas des rouesradiales.

Contrairement aux pompes volumétriques, la pression maxi-male des pompes centrifuges estlimitée d’emblée par leur principe de fonctionnement.

Des mesures de protection particulières contre les pressionsexcessives sont rarement nécessaires.

Le réglage du débit d’une pompeà vitesse fixe peut être assuré facilement par l’intermédiaire devannes de régulation. Le diagramme ci-dessus (fig. 2)montre la plage de fonctionne-ment admissible d’une pompecentrifuge.

H [%]

Q [%] Débit

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

120

100

80

60

40

20

0 0 20 40 60 80 100 120

Q max

Limite débit m

axi

L

imit

e d

ébit

min

i Fig. 2 Plage de fonctionnement typique d’une pompe centrifuge

avec courbes caractéristiques tracées pour différentesvitesses

Notions de base

1.1.2Régulation de débit

Régulation de débit par laminage

Grâce à l'augmentation despertes de charges dans la vannede régulation la courbe caracté -ristique se redresse. Avec unepompe à vitesse fixe le point defonctionnement remonte sur lacourbe caractéristique vers le dé-bit nul. La pompe délivre alorsune hauteur manométrique plusélevée que celle qui est néces-saire au fonctionnement de l’ins-tallation. La hauteur supplémen-taire ainsi créée est absorbée parla vanne de laminage.

6

1 Notions de base

H [%]

P [%] W

Q [%]

Q [%]

Courbe de pompe Courbe de réseau(débit moyen)

laminage

HMT en excédent

HMT requise

Puissance économisée

Courbe de réseau (plein débit)

160

140

120

100

80

60

40

20

0

120

100

80

60

40

20

0

20

20

40

40

60

60

80

80

100

100

120

B 1

P W1

P W2

B 2

120

Fig. 3 Schéma avec vanne delaminage

Fig. 4 Courbes caractéristiques pompe et puissance absorbée

+ Technique de régulation simple

+ bien adapté aux installationsexploitées la plupart du tempsà plein débit

+ bien adapté aux applications àdurée de fonctionnement faible

+ bien adapté aux pompes àcourbes plates

– mal adapté aux pompes àcourbe pentue (pression tropélevée)

– mauvais rendement aux faiblesdébits

– économies d’énergie faibles encharge partielle

– comportement de régulationdéfavorable quand l’excès deHMT est important

– nécessité d’installer une vannede laminage

– sollicitation mécanique desvannes de régulation

– des bruits hydrauliques peuvent se produire quand lavanne est proche de la ferme-ture (par ex. au niveau desrobinets thermostatiques

Synthèse

Régulation de débit avec un by-pass

La tuyauterie de by-pass est in-stallée parallèlement à la pompe.Le débit fourni par la pompe separtage entre le débit qui vadans l’installation et le débit quipasse par le by-pass. Ce dernierrevient directement ou indirecte-ment à l’aspiration de la pompe(voir fig. 5). En modifiant le dé-bit du by-pass ou la courbe ca-ractéristique de la tuyauterie deby-pass à l’aide de la vanne derégulation, on peut modifier ledébit envoyé dans l’installation.La pompe, quant à elle, travailleen permanence à proximité dumême point de fonctionnement,c’est à dire le point de fonction-nement de l’installation au débitnominal.

7

1

H [%]

P [%] Q [%]

Q [%]

Courbe de pompe Courbe de réseau (débit moyen)

HMT en excédent

HMT requise

Débit utile Débit dans le by-pass

Courbe de réseau(plein débit)

160

140

120

100

80

60

40

20

0

120

100

80

60

40

20

0

20

20

40

40

60

60

80

80

100

100

120

B 1 B 2

120

Puissance absorbée constante

(pas d'économie)

P W1

Fig. 6 Courbes caractéristiques pompe et puissance absorbée

+ pas d’augmentation de la pression pour des débitsmoyens

+ contrairement au laminage, lapression reste constante quelque soit le débit

+ bien adapté aux faibles hauteurs manométriques etdébits élevés

+ à utiliser de préférence auxdébits élevés

– coûts d’installation plus élevés(tuyauterie de by-pass)

– pas de diminution d’énergieabsorbée aux faibles débits

– excès de pression à débit partiel

– bilan énergétique défavorable

Fig. 5 Schéma d’une régulationpar by-pass

Synthèse

Notions de base

Régulation de débit par cascade de pompes

Si des pompes fonctionnent enparallèle comme indiqué dans lafigure 7, leurs débits s’addition-nent.

Pour déterminer graphiquementles courbes caractéristiques dufonctionnement en parallèle, onajoute les débits fournis par lespompes en fonctionnement à différentes hauteurs manomé-triques (entre la HMT à débit nulet la HMT au point d’enclenche-ment). La courbe caractéristiquedu fonctionnement en parallèles’obtient en ajoutant les débitspour la même hauteur manomé-trique. Dans la pratique il fauttenir compte du fait que les per-tes de charges dans l’installationvont augmenter en même tempsque le débit. Le point de fonc-tionnement réel se situera alors à

un niveau de HMT supérieur. Ce qui veut dire que chaque nouvelle pompe mise en service

apportera moins de débit que lapompe précédente mise en ser-vice.

8

1 Notions de base

H [%]

P [%]

Q [%]

Q [%]

Q [%]

Courbe de pompe Courbe de réseau 2(débit moyen)

HMT en excédent

HMT requise

Niveau d'enclenchement

Niveau d'arrêt

Puissance économisée

Courbe de réseau 1(plein débit)

160

140

120

80

60

40

20

0

100

80

60

40

20

0

20

20

20

40

40

40

60

60

60

80

80

80

100

100

100

120

B N

B 2 H A

H E

120

120

Fig. 8 Courbes caractéristiques pompe, puissance absorbée et ren-dement pour une, deux ou trois pompes en parallèle

Fig. 7 Schéma d’une cascade depompes en parallèle

+ Intéressant pour des courbesde réseau plates avec uneHMT statique importante

+ bien adapté pour les débitsmoyens

+ rendement élevé de l’installa-tion

+ faible niveau d’automatisationsi la cascade est pilotée par lapression

+ meilleure sécurité de fonction-nement (plusieurs pompes)

– coûts d’installation plus élevés(tuyauterie, robinetterie, pom-pes, espace requis)

– risque de battement si les pom-pes sont mal dimensionnées

– si les pompes ont des courbesplates il faut prévoir une cascade pilotée par le débit

– mal adapté aux variations importantes de pression àl’aspiration

Synthèse

Régulation de débit par variation de vitesse

Loi hydraulique pour le fonctionnement des pompescentrifuges à vitesse variable

Contrairement aux régulations dedébits décrites précédemment, lavariation de vitesse permet d’adapter en permanence la puissance de la pompe aux besoins de l’installation.

Lorsque le débit augmente de façon linéaire, les pertes de char-ges de l’installation dans le carrédu débit augmentent (voir courbede réseau). Les pompes centrifu-ges ont un comportement simi-laire : lorsque le débit et la vitesseaugmentent de façon linéaire, lahauteur manométrique augmenteavec le carré de la vitesse.

En raison de ces lois hydrau-liques, une faible variation de vitesse permet de couvrir uneplage de fonctionnement impor-tante. Les lois de similitudes per-mettent de déduire les formulessuivantes pour les pompes centrifuges (voir fig. 9) :

Installations réelles

Dans la pratique, il existe denombreuses installations où le dé-bit est régulé à l’aide de vannesde laminage ou de mélange.

Le rôle d’une pompe à vitesse va-riable consiste à répondre aux be-

soins de l’installation avec la vitesse de rotation la plus faible

(et donc un coût énergétique mi-nimal).

Q2 = Q1 · ( ) n2

n1

H2 = H1 · ( )2 n2

n1

Débit

Hauteur

Puissance P2 = P1 · ( )

3 n2

n1

9

1

H [%]

P [%]

Q [%]

Q [%]

HMT requise

Puissance économisée

n = 100 %

n = 100 %

90 %

90 %

80 %

80 %

70 %

70 %

60 %

60 %

50 %

50 %

Courbe de réseau(régime nominal)

160

140

120

100

80

60

40

20

0

100

80

60

40

20

0

20

20

40

40

60

60

80

80

100

100

120

B 1

P 1

B 2

P 2

120

Fig. 9

Notions de base

H [%]

Q [%]

n = 100 %

90 %

80 % 70 %

60 %

Courbe de réseau(plein débit)

Courbe de réseau(débit moyen)

160

140

120

100

80

60

40

20

0 20 40 60 80 100 120

B 1

Fig. 10 Fonctionnement d’une pompe régulée avec différentescourbes de réseau

+ pas de HMT trop élévée

+ démarrage progressif de lapompe raccordée au variateur

+ voir également chapitre 4

+ usure moindre des composantsmécaniques

+ réduction des réactions hy-drauliques (pics de pression...)

+ économies d’énergie

+ limitation des courants de dé-marrage d’où réduction de lacharge du réseau électrique

+ réduction des coûts du cycle devie

– coûts plus élevés de la régula-tion

Synthèse

Régulation de débit par lacombinaison de pompes enparallèle et pompes en vitessevariable

L’utilisation de plusieurs pompesest à préconiser sur des installa-tions soumises à de très fortesvariations de débit et qui doi-vent satisfaire dans le mêmetemps aux conditions suivantes :

• reduction de la puissance absorbée

• réduction des coûts d’installa-tion et d’exploitation

• respect du débit minimum despompes

Le fonctionnement en parallèledes pompes permet une premièreadaptation de la puissance ab-sorbée des pompes aux besoinsde l’installation.

La régulation de la vitesse d’uneou de plusieurs pompes permetd’adapter au mieux la puissanceabsorbée aux besoins de l’instal-la tion.

10

1 Notions de base

Débit

Plage de fonctionnement avec une pompe vitesse variable et deux pompes vitesses fixes

Extension de la plage de fonctionnement avec trois pompes en VV

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

Fig. 11

+ Plage de régulation de débitimportante

+ qualité de régulation impor-tante

+ pompe en secours

+ réduction des fréquences dedémarrages

+ usure moindre des composantsmécaniques

+ réduction des pics de pression

+ consommation d’énergie réduite

+ possibilité de permutation dela pompe vitesse variable

– utilisation limitée en cas devariation de la pression d’aspi-ration

– plage de fonctionnement limi -tée en fonctionnement régulé

– frais d’investissement moyens

Variateur

Secteur

Fig. 12 Une pompe régulée

Secteur

Fig. 13 Plusieurs pompesrégulées

Synthèse : une pompe vitesse variable

+ Plage de régulation importanteen terme de débit et de HMT

+ grande variation possible de laplage de consigne (dans la limite des courbes de pompes)

+ qualité de régulation excellente

+ secours optimal (pompes etvariateurs)

+ réduction de la fréquence dedémarrage

+ réduction de l’usure mécanique

+ réduction des pics de pression

+ coûts énergétiques réduits

+ permutation des pompes sansmodification de la qualité derégulation

– frais d’investissement élevés

Synthèse : plusieurs pompes vitesse variable

1.1.3Calcul des courbes caractéristiques de pompespour vitesses variables

A pompe et liquide pompé identiques, les caractéristiquesd’une pompe lors de la variationde la vitesse sont régies par lesformules suivantes :

Formule 1

Formule 2

Formule 3

Dans les chapitres suivants, onprendra pour exemple une in-stallation de deux pompes enparallèle (une pompe vitesse variable et une pompe en vitessefixe) afin d’effectuer la totalitédes calculs concernant les courbes caractéristiques.

Par simplification on admet uncircuit fermé sans pression statique.

En adaptant la méthode décritepar la suite, l’utilisateur pourraégalement déduire les calculspour des installations avec unepompe ou alors pour plus dedeux pompes.

Après avoir compris l’exempleci-dessous, il peut-être utile decalculer quelques installationsafin de bien assimiler les inter -actions entre les courbes depompes et les courbes de réseau.

L’objectif des étapes décrites parla suite est de permettre de tra-cer un diagramme comprenanttoutes les courbes caractéris-tiques importantes.

• courbe de réseau

• courbe de régulation

• courbe de pompe (à vitessenominale)

• courbe de similitude

• courbes de pompe (à vitessesréduites)

• courbes des pompes en paral-lèle

• courbes de puissance absor-bée, en fonctionnement réguléou non régulé, pour unepompe en fonctionnement oudeux pompes en parallèle.

Les résultats ainsi obtenus peuvent servir de base pour uneétude de rentabilité ultérieure.

Pour la poursuite des calcus, ilest nécessaire de trouver une formule permettant d’établir unrapport entre le débit et la hauteur manométrique. En élevant la formule n° 1 au carréon obtient en s’aidant de la formule n° 2 :

Formule 4

d’où la formule n° 5 :

Formule 5

A l’aide de cette formule, onpeut tracer une courbe, partantde l’origine (Q = 0, H = 0) etpassant par un point B2 (H2, Q2). Les valeurs desgrandeurs H2 et Q2 sontconnues puisque la paraboledoit passer par ce point.

H1 et Q1 sont inconnus et serontdésignés par la suite par Hx etQx.

Selon le nombre de points donton a besoin pour tracer la para-bole avec la précision voulue, onprendra le nombre de valeurs dedébit Qx nécessaires. La hauteurmanométrique Hx sera calculéeà l’aide de la formule.

Q1

Q2H1 =

2

H2 ·

Q1

Q2

H1

H2=

2 n1

n2

2

=

n1

n2

P1

P2=

3

n1

n2

H1

H2=

2

n1

n2

Q1

Q2=

11

1Notions de base

Légende :

B: point de fonction-nement

H: hauteur manométriqueQ: débitn: vitesse de rotationP: puissance absorbée à

l’arbre de la pompex: grandeur recherchée

Indices :

N: nominal0: à débit nul1; 2: pompe 1 ; pompes 1 + 2

en parallèle...’: en fonctionnement non

réguléW: valeur de consigneZ: points intermédiaires

Détermination de la courbe deréseau à l’aide de la formule 5

Dans un circuit fermé, la courbede réseau va du point 0 au pointde fonctionnement nominal BN(débit maximum).

Remarque :La courbe de réseau d’un circuitouvert avec pression statiquesera traitée au chapitre 1.2.5.

Détermination de la courbe derégulation

En procédant à une petite modi-fication de la formule, l’originede la parabole est déplacée versla consigne à débit nul (voir fig.55 page 35 et fig. 77 page 62).

Qx / QNHx =2

(HN - HW) · ( )

Qx / 100 %=2

35 % ·( )

+ HW

+ 65 %Hx

Qx / QNHx =2

HN · ( )

Qx / 100 %= 2100 % · ( )Hx

12

1 Notions de base

Qx Hxconnu recherché

25 650 2575 56

110 121

Qx Hxconnu recherché

25 6750 7475 85

H [%]

HMT nominale

Déb

it n

om

inal

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B N

Q [%]

H N

Q N

Courbe de réseau

Fig. 14

H [%]

HMT nominale

H W

Déb

it n

om

inal

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B N

Q [%]

H N

Q N

Courbe de régulation

Fig. 15

La courbe de régulation est unecourbe théorique sur laquelledoit se situer le point de fonc-tionnement.

Elle garantit que du début à lafin de cette courbe (du débitmin. au débit nominal) la pompe

fournit suffisamment de pressionpour couvrir les pertes de chargedans les tuyauteries et les be-soins des utilisations.

La valeur de Hw dépend des fac-teurs suivants :

• comportement en fonction-nement des utilisations

• simultanéité ou non des be-soins des différentes utilisa-tions

• dimensionnement de l’instal-lation

Détermination des pompesdans l’exemple

Le choix se portera sur unepompe capable de fournir lahauteur manométrique nominale(B’2) à la moitié du débit nominal.

De plus, la courbe de la pompedoit avoir un point d’intersec-tion avec la courbe de régulation(B1, max) voir également 1.1.1.

Dans le cas d’une installationavec deux pompes (sans pompede secours), la courbe de lapompe doit couper obligatoire-ment la courbe de réseau (B1, incident) pour éviter toutrisque de surcharge en cas de défaillance d’une pompe.

Détermination de la courbe desimilitude passant par le pointB’2 (Q’B2, H’B2)

Conformément aux lois de simi-litude, le point de fonctionne-ment B’2 se déplace le long de lacourbe de similitude quand ondiminue la vitesse de la pompe.Cette parabole est définie par laformule indiquée ci-dessous. Lepoint de fonctionnement B2 setrouve à l’intersection avec lacourbe de régulation.

Qx / Q'B2Hx =2

HN · ( )

Qx / 50 %=2

100 % ·( )Hx

13

1

Qx Hxconnu recherché

15 925 2535 56

H [%]

HMT nominale

Courbe de réseau(charge nominale)

H W

Déb

it no

min

al

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B’ 2

B 1,max

Q 1,max Q N 2

B 1, incident

Q [%]

H N

Q N

Courbe de régulation

Pompe 1

Fig. 16

H [%]

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B’ 2

Q’ B2

B 2

Q [%]

H’ B2

Q N

Courb

e de s

imili

tude

Fig. 17

Notions de base

Détermination de la courbe desimilitude passant par le pointB’1 (Q’B1, H’B1)

En utilisant la même méthodeque précédemment, on peut déterminer un autre point (B1)sur la courbe de régulation.

Dans de nombreux cas, il est intéressant de choisir pour pointB1 la moitié du débit de lapompe.

Courbe de pompe passant parle point B2 à la vitesse n2

Les valeurs exactes peuvent êtreobtenues par le calcul. Pour uneutilisation courante, les valeurslues sont amplement suffisantes.

Nous lisons :QB2 = 42 %; HB2 = 71 %

En utilisant les formules ci-des-sous, nous pouvons tout d’abordcalculer la vitesse de rotation aupoint de fonctionnement B2 enutilisant le rapport des hauteursmanométriques.

Vitesse de rotation en B2:(QB2 = 42 %, HB2 = 71%)

Dans un deuxième temps, oncalculera la hauteur manomé-trique à débit nul H0,2 pour

cette vitesse de rotation n2.Ainsi, il est possible de tracer lacourbe de pompe à la vitesse n2de manière suffisamment pré-cise.

HMT à Q = 0 et n = n2

= H0 · n2 / nNH0.2

2( )

84 % / 100 %= 2120 % ·( ) = 85 %H0.2

n2 = nN ·HB2

H'B2

n2 = 100 · 71 %100 %

= 84 %

Qx / Q'B1Hx =2

H'B1 · ( )

Qx / 25 %=2

115 % ·( )Hx

14

1 Notions de base

H [%]

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B’ 1

Q’ B1

B 1

Q [%]

H’ B1

Q N

Cour

be d

e sim

ilitu

de

Fig. 18

Qx Hxconnu recherché

10 18,415 41,420 73,625 115,0

H [%]

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B’ 2

B 2

n 2

n N

Q 2

B’ 0

B 0,2

Q [%]

H’ B2

H B2

H 0,2

H 0

Q N

Courbe de pompe

Fig. 19

Courbe de pompe passant parle point B1 à la vitesse n1

La courbe de pompe passant parle point B1 est déterminée en uti-lisant la même méthode que pré-cédemment.

Vitesse en B1:(Q1 = 19 %, H1 = 66 %)

HMT à Q = 0 et n = n1

Addition de courbes de pompes de l’exemple

La courbe caractéristique dufonctionnement en parallèles’obtient en additionnant le débit des courbes caractéris-tiques des deux pompes :

Pompe 1, vitesse fixe avec vitesse nominale nN

Pompe 2, vitesse variable avecvitesse n2

De H0 (HMT à débit nul et à vitesse nominale) à H0,2 , seulela pompe 1 fournira du débit.

La pompe 2 commencera à débi-ter au moment où la pressiondeviendra moins élevée (pointB’4). L’intersection de la courberésultant de l’addition des débitsdes deux pompes avec la courbede régulation se fait en B4 avecune HMT H4.

A cette pression, la pompe 1fournira le débit de Q0 à Z’4 etla pompe 2 le débit de Z’4 à B4.

= H0 · n1 / nNH0.1

2( )

76 % / 100 %= 2120 % ·( ) = 69 %H0.1

n1 = nN ·HB1

H'B1

n1 = 100 · 65 %115 %

= 76 %

15

1

H [%]

Courbede pompe

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B’ 1

B 1

n 1

n N

B’ 0

Q [%]

H’ B1

H B1

H 0.1

H 0

Q N

Fig. 20

H [%]

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B 0,2

Z’ 4 Z’ 4

Z’ 4

Z 4 B 4

Q 0

B 4

B 4 B’ 4

n 2

Q [%]

H 4

H 0,2

H 0

Q N

Pompe 1

Fig. 21

Notions de base

Détermination de points intermédiaires et de courbesde pompes intermédiaires

a) Point de fonctionnement B3

avec point intermédiaire Z3

Etant donné que les points defonctionnement BN et B’4 sontrelativement éloignés, il est né-cessaire de prendre un pointintermédiaire B3 entre les deux.Le point choisi se situe à QB3 =85 % avec la HMT correspon-dante HZ3. Au point de fonc-tionnement B3 la pompe tour-nant à faible vitesse fournit undébit qui est représenté par lesegment compris entre Z’3 et B3.

Pour construire la courbe carac-téristique de la pompe tournant

à vitesse réduite, on reportera cesegment jusqu’à l’origine sur ladroite de HMT HZ3. L’extré-mité de ce segment se trouve enZ3.

Nous lisons pour ce segmentZ3B3 = 26 %.

16

1 Notions de base

H [%]

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

Z’ 3 Z 3 B 3

Q B3

B N

B’ 4

Z’ 3

Z’ 3

B 3

B 3

Q [%]

H Z3

Q N

Fig. 22

H [%]

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B’ 3

Z 3

Z’ 3

B 3

Q Z3

n 3 n N

B’ 0.3

Q [%]

H’ B3

H Z3

H 0,3

H 0

Q N

Fig. 23

Qx Hxconnu recherché

20 5330 120

c) Courbe de pompe passantpar le point B3 (Z3) à la vi-tesse n3

Détermination de la vitesse derotation en n3

H’B3 = 113 % (valeur lue)

(QZ3 = 26 %, HZ3 = 90 %)

Détermination de la HMT à débit nul Q = 0 et n = n3

n3 (valeur calculée)

H0 (valeur lue)

H0.3 = H0 ·n3

nN

H0.3 = 120 % · 89 %100 %

= 95 %

2

2

n3 = nN ·HZ3

H'B3

n3 = 100 · 90 %113 %

= 89 %

b) Détermination de la courbede similitude passant parZ3(QZ3,HZ3)

Pour construire la courbe carac-téristique intermédiaire, il fautdéterminer quelle serait l’imageB’3 du point Z3 sur la courbe àvitesse nominale. Pour cela, fairepasser une courbe de similitudepar le point Z3.

Nous lisons : HZ3 = 90 %.

Qx / QZ3Hx =2

H'Z3 · ( )

Qx / 26 %=2

90 % · ( )Hx

Addition des courbes caracté-ristiques de deux pompes demême taille à vitesse nominale

Par exemple pour une hauteurmanométrique de 100%, on mesurera la longueur du segment de droite entre l’axe desordonnées et l’intersection avecla courbe de la pompe 1.

Ce segment sera reporté vers ladroite à partir de l’intersection.Selon la précision recherchée onpourra déterminer de la mêmefaçon d’autres points de lacourbe caractéristique.

Puissance absorbée par deuxpompes fonctionnant en pa-rallèle à la vitesse nominale

On suppose que la puissance absorbée par une pompe estconnue. On recherche la puis-sance totale absorbée lors d’unfonctionnement en parallèle.Au point BN les deux pompesabsorbent la même puissanceP’2. Cela signifie que deux pom-pes fonctionnant en parallèle absorbent deux fois la puissanceP’2. Ainsi, on peut déterminerles points P’3 x 2 et P’1 x 2.

Pw = puissance sur arbre

17

1

H [%]

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100 Q [%]

L 2

L 1

L 2

L 1

Q N

Pompes 1+2

Fig. 24

H [%]

P [%] w

120

100

80

60

40

20

0

220

180

140

100

60

20

20

20

0

0 0

40

40

60

60

80

80

100

100

B’ 1

B’ 2

B l l,1 B l l,3

B l l,3 B N

P’ x 2 2

P’ x 2 3

P’ x 2 1

P’ 2 P’ 3 P’ 1

Q [%]

Q [%]

Q N

Fig. 25

Notions de base

Puissance absorbée par lapompe 1 en fonctionnementrégulé

A travers les étapes précédentes,on a pu déterminer les vitessesde rotation aux différents pointsde fonctionnement. Connaissantla puissance absorbée en fonc-tionnement non régulé, il estpossible de calculer les puissan-ces absorbées en fonctionnementrégulé.

Puissance absorbée en fonctionnement en parallèle

(pompe 1 à nN, pompe 2 à n = variable)

Aller horizontalement vers lagauche du point B3 jusqu’aupoint Z’3, puis descendre verti-calement jusqu’à P’3. P’3 est lapuissance absorbée par lapompe vitesse fixe.

P3 = P’3 + P3, n3

Pour déterminer la puissance absorbée par la pompe réguléeP3,n3 utilisons la formule 3(page 8), soit

P3,n3 = P'3,nN

·n3

nN

3

Pl,max = Puissance absorbée similaireà un fonctionnement vitesse fixe, la vitesse de rotation étant de 100 % = nN

P2 = P'2 ·n2

nN

P2 = 100 % · 84 %100 %

= 59.3 %

3

3

P1 = P'1 ·n1

nN

P1 = 74 % · 76 %100 %

= 32.5 %

3

3

18

1 Notions de base

H [%]

P [%] w

120

100

80

60

40

20

0

220

180

140

100

60

20

20

20

0

0 0

40

40

60

60

80

80

100

100

B 4

B’ 4 B’ 3

Z’ 4 Z’ 3

Z 3

Z 4

B 4

B 3

n 2

n 3

n 2

n 3 n N

B N

P’ 3

P 3

P 3 ,n3

P’ 3

P 5

P 4

P N P’ 3,nN

P’ 4,nN

Q [%]

Q [%]

Q N

Fig. 27

H [%]

P [%] w

120

100

80

60

40

20

0

220

180

140

100

60

20

20

20

0

0 0

40

40

60

60

80

80

100

100

B’ 1

B’ 2

B 1 B 2

n 2

n N

n 1

B N

P’ 2

P’ 1

P 1

P 2

P I,max

Q [%]

Q [%]

Q N

Fig. 26

Valeur de consigne minimalepour le fonctionnement en parallèle de pompes données

En partant du débit maximumdes pompes (attention à la ré-serve de puissance moteur), il estpossible de calculer la consigneminimale à l’aide de la formulesuivante :

QN2 - Ql,max

2HW,min = HN -

HN - Hl,max

100%2 - 65%2

HW,min =100% -100% - 80%

·100%2

·QN2

HW,min = 65 %

Les autres points peuvent êtredéterminés de la même façon :

P3 = P'3 + P'3,nN ·

n3

nN

3

P3 = 108 % + 80 % ·89 %100 %

3

P3 = 164.4 %

P4 = P'4 + P'4,n2

P4 = P'4 + P'4,nN ·

n4

nN

3

P4 = 112 % + 52 % ·84 %100 %

3

P4 = 143 %

P5 = 2 · PN = 2 · 100 % = 200 %

19

1Notions de base

H [%]

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B N H N

H w,min

H I,max

B I,max

Q [%] Q N Q I,max

Fig. 28

Remarque : puissance absorbéelors de la variation de vitesse :Quand la vitesse varie, les pointsde fonctionnement sont répartissur une parabole du deuxièmedegré au-dessus des différentescourbes du système.

Tant que l’écart avec la vitessenominale demeure inférieur à20 %, le rendement reste à peuprès constant. Pour des écartssupérieurs, le rendement se détériore quelque peu. Commela puissance absorbée par la

pompe varie avec le cube de lavitesse, la légère dégradation durendement est négligeable. Dansl’exemple de calcul, aucune correction de rendement n’a étéeffectuée.

1.1.4Calcul de rentabilité des systèmes de variation continue de la vitesse par variateur de fréquence

Comment prouver l’avantagedes systèmes de régulation depompes ? Pour cela, il est néces-saire de bien connaître l’impor-tance des différents facteurs y

jouant un rôle. Les facteurs déci-sifs pour l’analyse de rentabilitéd’une installation de pompagesont :

1. le type d’installation2. les variations de débit de

l’installation dans le temps3. la pompe4. la puissance électrique

consommée

L’influence de ces facteurs seradéveloppée en détail dans les paragraphes suivants.

20

1 Notions de base

Influences exercées par le typed’installation

Le point de fonctionnementd’une pompe centrifuge se situetoujours à l’intersection entre lacourbe de pompe et la courbe deréseau. Par conséquent, toutesles méthodes de régulationconsistent à influencer, soit lacourbe de la pompe soit lacourbe de réseau.

La courbe de réseau tientcompte de la pression requisedans l’installation en fonctiondu débit.

Cette courbe de réseau est tribu-taire de composantes dyna-miques qui varient avec le carrédu débit (à cause des pertes decharges), par exemple dans lesinstallations de recirculationd’eau (chauffage).

Cette courbe peut aussi incluredes HMT statiques, comme deshauteurs géométriques, parexemple dans les installations detransfert (surpression).

Dans les installations de recircu-lation (systèmes fermés), lacourbe de réseau, qui n’inclut

pas de valeurs statiques, com-mence à l’origine (H = 0). Pourexclure tout risque de sous-ali-mentation des utilisations, lacourbe de pression requise doitse situer au-dessus de la courbede réseau. Son allure précise dépend du type d’installationconsidéré.

Ainsi, la courbe de régulation,(c’est-à-dire la courbe sur la-quelle le point de fonctionne-ment se déplace), doit au moinscorrespondre à la courbe depression requise ou être supé-rieure à celle-ci.

Influences exercées par les variations de débit de l’installation

Le débit Q d’une pompe centri-fuge peut varier, à l’extrême, en-tre le débit maximal et le débitnul. En indiquant les variationsde débit requis au cours d’uneannée, on obtient un profil decharge annuelle. L’allure de cettecourbe dépend de l’installationconsidérée et peut varier d’uneannée à l’autre.

Le diagramme ci-contre indiquedeux courbes possibles. Le po-tentiel d’économies réalisablesest d’autant plus grand que letemps de fonctionnement estlong et que la surface située sousla courbe est petite.

[h][∆h]

Q [%]

Débit nominal

Débit minimum

Heu

res

de

fo

nct

ion

nem

ent

Arr

êt

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

760

0 20

6400

8760

40 60 80 100 120

Courbe de charge annuelle I

Courbe de charge annuelle II

Fig. 29Profil de charge (exemple) : la pompe est dimensionnée pour fournirle débit nominal mais tout au long de l’année un débit inférieur estsuffisant. Pour réduire la puissance absorbée par la pompe, le système de régulation va adapter automatiquement la vitesse de lapompe au besoin pontuel de l’installation.

Puissance électrique consommée

Dans le chapitre 1.1.3, on aconsidéré la puissance absorbéesur l’arbre de la pompe. Si l’onveut calculer exactement la puissance électrique économisée,il faut encore considérer les deuxpoints suivants :

Puissance électrique absorbée enfonctionnement vitesse fixe (PE, u)

En fonctionnement vitesse fixe, ilfaut ajouter à la puissance absor-bée sur arbre (PW,u) les pertesélectriques dans le moteur.

Puissance électrique absorbée enfonctionnement vitesse variable(PE, g)

La puissance électrique absorbéeen fonctionnement vitesse varia-ble s’obtient en additionnant lapuissance absorbée sur arbre PW,g, les pertes électriques dans le va-riateur de fréquence et les pertesélectriques dans le moteur (lespertes dans le moteur peuventvarier légèrement en fonction dutype de variateur).

Les autres pertes dues au fonc-tionnement vitesse variable sontnégligeables étant donné que, dèsque l’on a une diminution du dé-bit de 5% par rapport au débitnominale, la puissance électriqueabsorbée est inférieure à la puissance absorbée en fonction-nement vitesse fixe (voir fig. 30).

Pratiquement il n’est pas nécessaire de déterminer avecprécision les puissances élec-triques absorbées, il suffit deconsidérer les puissances sur arbre. Cela se justifie par la similitude des pertes électriquesen valeur absolue en fonctionne-ment vitesse fixe et vitesse variable (voir fig. 30).

21

1Notions de base

Influences exercées par lapompe

La pompe influe directement surles économies que l’on peut réaliser grâce à la régulation àtravers les paramètres suivants :allure des courbes caractéris-tiques, taille du moteur installéet conception de la pompe.

La variation de puissance sur

arbre dépend de la pente de lacourbe et de la variation du rendement de la pompe.

De manière générale, on peutdire que plus la courbe caracté-ristique de la pompe est plon-geante, plus la courbe de puis-sance est plate.

La taille du moteur d’un groupede pompe est un autre facteur

d’influence : l’expérience montreque le rapport entre l’investisse-ment et la taille du moteur(€/kW) décroît au fur et à me-sure que la puissance augmente.

Pour les installations multi-pom-pes (dans notre exemple, 2 pom-pes de service), le calcul de ren-tabilité s’effectue de la manièresuivante :

Q [%] 0 20

P [%]

40 60 80 100

120

80

40

0 120

P E

P E,u

P E,g

P W,u

P W,g

Fig. 30Puissance électrique économisée Les surfaces grisées montrent qu’en valeur absolue les pertes élec-triques sont presque identiques entre les solutions vitesse variable etvitesse fixe. Les pertes proportionnellement plus élevées de la pompevitesse variable à plein débit sont réduites pour des débits en chargepartielle.

Légende :

PW = puissance sur arbre

PE = puissance électriqueabsorbée

u = vitesse fixe

g = vitesse variable

∆PE = puissance électriqueéconomisée

Comparaison entre la solutionvitesse variable et vitesse fixepour trois types d’installation

Dans les chapitres suivants, nousallons comparer différents typesd’installation avec et sans sys-tème de régulation vitesse variable à l’aide des pompes :

• de la courbe Q/H

• de la courbe de puissance ab-sorbée

• de la courbe de puissance éco-nomisée

Les systèmes présentés ci-aprèssont des installations de recircu-lation fermée, mais les conclu-

sions s’appliquent égalementaux systèmes ouverts tels que lesinstallations d’adduction d’eauou de relevage.

22

1 Notions de base

1) Installation avec vanne delaminage – solution vitesse variable et vitesse fixe

Courbe Q/H

La valeur de la hauteur mano-métrique nominale, du débit no-minal et de la vitesse nominaleest à chaque fois représentée parla valeur 100%.

Les courbes caractéristiques dela pompe à différentes vitessessont tracées avec un écart de10% de vitesse entre chaquecourbe.

S’agissant d’un système fermé,l’allure de la courbe de réseaudépend des pertes de chargesdans les tuyauteries ainsi que desrésistances variables des appa-reils de l’installation. La varia-tion de la courbe de réseau ad-mise par la pompe est délimitéepar le débit minimal et maximal.

En pratique, la courbe de pres-sion requise se situe au-dessus dela courbe de réseau. La pressionfournie par la pompe doit tou-jours être supérieure à cettecourbe pour assurer une alimen-tation suffisante de toutes lesutilisations. Or, pour des raisonshydrauliques et énergétiques, la

pression de la pompe doit être laplus proche possible de cette limite.

Cela veut dire que la courbe derégulation sur laquelle le pointde fonctionnement (intersectionde la courbe de réseau et lacourbe caractéristique de lapompe pour la vitesse donnée)se déplace, doit approcher leplus possible la courbe de pression requise.

Q [%] 0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

n = 40 %

H [%]

40 60

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

po

mp

e

80 100

120

100

80

40

0 120

Q max

Courbe de réseau (régime nominal)

B N

opt

Courbe de régulation

Pression requise

Limite de fonctio

nnement de la

pompe

Fig. 32

Fig. 31

Courbe d’économies

On reporte maintenant les puissances économisées détermi-nées à travers la courbe de puissance dans la courbe d’éco-nomies. Dans cette représenta-tion les différences de rendement moteur entre fonctionnement vitesse variable et vitesse fixeainsi que le rendement du varia-teur ont été prises en compte.Au débit nominal, les économiessont bien évidemment nullesvoire négatives, mais au fur et àmesure que le débit diminue, elles augmentent de manière significative.

Courbe de puissance absorbée

Comme sur la courbe Q/H, lapuissance absorbée à débit no-minal et à vitesse nominale estreprésentée par la valeur 100%.Comme pour les courbes caractéristiques Q/H, les courbesde puissance absorbée ont été tracées avec un écart de 10 %entre chaque vitesse de rotation.

Quand le point de fonctionne-ment se déplace sur la courbe derégulation du point nominal versun débit plus faible, on peut dé-terminer rapidement la puis-sance absorbée par la pompe.

A chaque intersection de lacourbe de régulation avec unedes courbes caractéristiques dela pompe à la vitesse n%, ontrace une verticale correspon-

dant à cette vitesse dans le dia-gramme puissance. Les diffé-rents points obtenus peuventalors être reliés entre eux pourobtenir la courbe de la puissanceabsorbée dans le cas d’un fonc-tionnement vitesse variable. L’écart entre la courbe de puis-

sance absorbée en fonctionne-ment régulé et la droite indiquel’économie de puissance qui estréalisée grâce à la régulation.

23

1

Q [%] 0 20

P [%] W

40 Puis

san

ce a

bso

rbée

su

r l'a

rbre

de

po

mp

e

Puissance absorbée avec régulation de vitesse

Puissance économiséePuissance absorbée avec vanne de laminage

60 80 100

120

100

80

40

0 120

Fig. 33

Q [%] 0 20

∆P [%] E

40

Eco

no

mie

d

e p

uis

san

ce é

lect

riq

ue

Energie électrique économisée

60 80 100

120

80

40

0 120

Fig. 34

Notions de base

2) Installations à pertes decharges variables munies d’unby-pass avec une soupape dedécharge - solutions vitesse variable et vitesse fixe

24

1

Courbe Q/H

La valeur de hauteur manomé-trique nominale, de débit nomi-nal et de vitesse nominale est àchaque fois représentée par lavaleur 100%. Les courbes carac-téristiques de la pompe sont tracées avec un écart de 10% entre chaque vitesse. Comme ils’agit d’un système fermé, lacourbe de réseau part de l’ori-gine du diagramme Q/H. Lacourbe est une parabole qui doitpasser par le point nominal(100%) en cas de consommationmaximale.

Lorsque le débit utilisé est inférieur, la soupape de décharges’ouvre et laisse passer l’excé-

dent de débit.

Cela signifie que la pompe fonctionne presque toujours à sapleine puissance. En l’absence derégulation de vitesse, la soupape

de décharge limite la montée enpression lorsqu’on remonte surla courbe caractéristique mais lapuissance absorbée ne diminuepas.

Courbe de puissance absorbée

Comme sur la courbe Q/H, lapuissance absorbée au point defonctionnement nominal est re-présentée par la valeur 100%.La plage de fonctionnement restreinte de la pompe due à lasoupape de décharge a pourconséquence directe qu’en l’ab-sence de régulation, la puissanceabsorbée est presque constante.Avec une pompe vitesse variable,le by-pass peut rester fermé, ilfaut simplement s’assurer quel’on ne descend pas sous le débitminimum de la pompe.

On utilisera la même méthodeque dans l’exemple avec lavanne de régulation pour déter-miner la puissance absorbée.A chaque intersection de la

courbe de régulation avec unedes courbes caractéristiques dela pompe à la vitesse n%, ontrace une verticale sur la courbecorrespondant à cette vitessedans la courbe de puissance.Les différents points obtenus peuvent alors être reliés entreeux pour obtenir la courbe de

puissance absorbée dans le casd’un fonctionnement vitesse variable. L’écart entre la courbede puissance absorbée en fonc-tionnement vitesse variable et ladroite horizontale indique l’économie de puissance qui estréalisée grâce à la régulation.

Q [%] 0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

n = 40 %

H [%]

40 60

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

po

mp

e

80 100

120

100

80

40

0 120

Q max

Zone de fonctionnement de lapompe

B N

opt

Courbe de réseau

Courbe de régulation

Pression requise

Limite de fonctionnement d

e la pompe

Fig. 36

Fig. 35

Q [%] 0 20

P [%] W

40 Puis

san

ce a

bso

rbée

su

r l'a

rbre

de

po

mp

e

Puissance absorbée avecrégulation de la vitesse

Puissance économisée

Représentation idéalisée de la puissance absorbée avec soupape de décharge

60 80 100

120

100

80

40

0 120

Fig. 37

Notions de base

Courbe d’économies

Après avoir reporté les puissan-ces économisées déterminéesdans la courbe de puissance surla courbe d’économies, il appa-raît clairement que le potentield’économie de puissance estbeaucoup plus élevé dans les in-stallations munies de soupapesde décharge que dans celles utilisant des vannes de régula-tion.

Q [%] 0 20

∆P [%] E

40 60 80 100

120

80

40

0 120

Eco

no

mie

d

e p

uis

san

ce é

lect

riq

ue

Energie électrique économisée

Fig. 38

25

1Notions de base

3) Installation avec vanne troisvoies - solutions vitesse variable et vitesse fixe

Courbe Q/H

La valeur de hauteur manomé-trique nominale, de débit nomi-nal et de vitesse nominale est àchaque fois représentée par lavaleur 100%. Les courbes carac-téristiques de la pompe à diffé-rentes vitesses sont tracées avecun écart de 10% entre chaquecourbe.

S’agissant d’un système fermé, lacourbe de réseau est une parabolequi part de l’origine du dia-gramme Q/H. Le débit se divise enune partie allant dans l’utilisationet une partie passant dans le by-pass. Chacun de ces débits peutvarier de 0 à 100%, mais leursomme est toujours de 100%.

Cela signifie que la courbe de réseau est toujours constante etque la pompe fonctionne tou-jours au point de débit nominal.Si on fait varier la vitesse de lapompe, le point de fonctionne-ment se déplace vers le bas sur lacourbe de réseau.

Remarque :

Dans ce type d’installation, iln’est pas possible d’utiliser lapression (différentielle) commeseule grandeur à réguler. Dans cecas, il faut réguler en fonction dela différence de température.

Q [%] 0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

n = 40 %

H [%]

40 60

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

po

mp

e

80 100

120

100

80

40

0 120

Q max

Courbe de réseau

B N

opt

Courbe de régulatio

n

Limite de fonctio

nnement de la

pompe

Fig. 40

Fig. 39

Courbe de puissance absorbée

La puissance absorbée au pointde débit nominal est représentéepar la valeur 100%. En absencede régulation de vitesse, la puis-sance absorbée reste constantesur toute la plage de fonctionne-ment.

La puissance absorbée dans lecas de régulation de vitesse estobtenue en reportant les pointsd’intersection avec la courbe derégulation (identique à la courbede réseau dans cet exemple) àdifférentes vitesses. En reliant lesdifférents points, on obtient la

courbe de la puissance absorbéeen cas de fonctionnement vitessevariable.

La puissance économisée varieentre la puissance nominale et lapuissance à vitesse minimum.

Courbe d’économies

L’économie de puissance entrefonctionnement vitesse variableet vitesse fixe apparaît claire-ment dans le diagramme deséconomies. Les économies sontles plus importantes dans ce troisième cas.

Etude de rentabilité

Comparaison entre régulationpar vanne et par variation devitesse

On utilisera pour ce calcul lacourbe Q/H (fig. 43), la courbede puissance (fig. 44), la courbed’économie d’énergie électrique(fig. 45) et la courbe des besoinsannuels de débit (fig. 46). Onsupposera que le prix de l’élec-tricité est de 0,10 €/kWh. Pourfaciliter les calculs, on décou-pera la courbe des besoins an-nuels de débit en tranches de1000 heures dont on détermi-nera le débit moyen. On déter-

minera alors pour le débit moyende chaque tranche l’économied’énergie électrique réalisée.

Dans l’exemple ci-contre, onpeut estimer que pour la tranchede 1000 heures autour de 50%

26

1 Notions de base

Q [%] 0 20

P [%] W

40 60 80 100

120

100

80

40

0 120

Puis

san

ce a

bso

rbée

su

r l'a

rbre

de

po

mp

e

Puissance absorbée avec régulation de la vitesse

Puissance économisée

Représentation idéalisée de la puissance absorbée avec la régulation par vanne trois voies

Fig. 41

Q [%] 0 20

∆P [%] E

40

Eco

no

mie

de

pu

issa

nce

éle

ctri

qu

e

Energie électrique économisée avec régulation de vitesse

60 80 100

120

80

40

0 120

Fig. 42

Q [%] 0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

n = 40 %

H [%]

40 60

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

po

mp

e

80 100

120

100

80

40

0 120

Q max

Courbe de réseau (régime nominal)

B N

opt

Courbe de régulation

Pression requise

Limite de fonctionnement d

e la pompe

Fig. 43

du débit nominal, l’économied’énergie électrique est de 38%.

En multipliant à chaque fois lapuissance électrique moyenneéconomisée par la durée de latranche concernée et le prix dukWh, on trouve l’économie réalisée pour chaque tranche.

En additionnant les économiesréalisées dans les différentestranches, nous obtenons 232 €par an et par kW de puissancenominale absorbée.

Pour faciliter les comparaisons,cet exemple utilise des échellessans dimension. Sur ce modèle,on peut évidemment effectuer cecalcul pour chaque cas particu-lier en utilisant les données exactes.

Pour une puissance absorbée de10 kW en régime nominal, parexemple, on peut réaliser uneéconomie de 2320 € par an.

Calcul de rentabilité

(économie réalisée sur chaquekW de puissance absorbée enmode non régulé)

Remarque : le calcul de rentabilité réaliséci-dessus part de l’hypothèse que le calculdes pertes de charge de l’installation et lasélection de la pompe sont absolumentexacts. Dans la réalité, la pompe est sou-vent surdimensionnée. Dans ce cas, leséconomies réalisées grâce à la régulationsont encore plus importantes.

1) Dans la courbe des économies (fig. 45),on a tenu compte du rendement moteuren fonctionnement vitesse variable et vitesse fixe, et du rendement variateur.Dans la courbe de la répartition annuellede la charge (fig. 46), on a indiqué les besoins de débit dans l’installation aucours d’une année, classés par ordre degrandeur. Plus le temps de fonctionnementest long et plus la surface située au-dessusde la courbe est grande, plus le potentiel d’économies est important.

27

1

Q [%] 0 20

P [%] W

40 60 80 100

120

100

80

40

0 120

Puis

san

ce a

bso

rbée

su

r l'a

rbre

de

po

mp

e

Puissance absorbée avec régulation de vitesse

Puissance économiséePuissance absorbée par la vanne de laminage

Fig. 44

Q [%] 0 20

∆P [%] E

40

Eco

no

mie

de

pu

issa

nce

éle

ctri

qu

e

Energie électrique économisée

60 80 100

120

80

40

0 120

Fig. 45

[h] [∆h]

Q [%]

Débit nominal

Débit minimal

Répartition annuelle en tranche de puissance

Du

rée

de

fo

nct

ion

nem

ent

Arr

êt

1000

100

0 10

00 1

000

1000

100

0 10

00 1

000

760

0 20

6400

8760

40 60 80 100 120

Fig. 46

∆PE B S ∆EEkW h/a €/kWh €/a

(kW) (kW)

0,23 1000 0,10 23,--0,35 1000 0,10 35,--0,38 1000 0,10 38,--0,40 1000 0,10 40,--0,40 1000 0,10 40,--0,40 1000 0,10 40,--0,40 400 0,10 16,--

Σ 232,--

Notions de base

∆PE : énergie électrique économiséeB : durée de fonctionnementS : coût du kW/h∆EE : économie sur facture d’électricité∆EE = ∆PE · B · S

1.2Rappel technique et bases surla régulation vitesse variable

1.2.1Définition

La régulation est une opérationqui consiste à mesurer en perma-nence une grandeur à réguler(par exemple le niveau d’eaudans un réservoir), et à la com-parer à une consigne (dans notrecas le niveau souhaité).

Lors de cette comparaison, si ontrouve un écart entre la consigneet la valeur mesurée de la

grandeur de régulation, unemodification de la grandeur decommande (dans notre cas lavitesse de rotation de la pompe)aura lieu automatiquement afinde corriger cet écart. Cetteopération par principe boucléeest appelée régulation en bouclefermée.

28

1

Régulateur

Z

Entrée consigne

Capteur de niveau

Fig. 47

1.2.2Rappel des définitions de baseen régulation

Commande

C’est une action dans un systèmeà travers laquelle une ouplusieurs grandeurs appeléesgrandeurs d’entrée sont utiliséespour influencer d’autresgrandeurs appelées grandeurs desortie selon une loi définie dansle système - système en boucleouverte.

Grandeur de régulation x

C’est la grandeur qui doit êtremaintenue constante.

Consigne XS

Consigne dans le cas d’une régulation à consigne fixe. C’estune donnée constante.

Grandeur de commande y

Grandeur utilisée pour influer demanière volontaire la grandeurde régulation (par exemple lavitesse de rotation).

Grandeur perturbatrice z

Grandeur faisant varier lagrandeur de régulation demanière incontrôlée (par exemple variation de débit).

Système de contrôle S

Partie de l’installation danslaquelle la grandeur de régula-tion doit être maintenue con-stante (tous les éléments entrel’appareil de commande et lepoint de mesure, par exempleentre le signal de vitesse du régu-lateur pour le variateur et lepoint de mesure du capteur).

Valeur mesurée x

Valeur instantanée de lagrandeur de régulation (par ex.pression différentielle mesuréepar le capteur).

Grandeur de référence w

Consigne variable (par exemplepilotée par la température extérieure, le débit ou un pro-gramme horaire).

Ecart de régulationxw = x - w

Ecart entre la grandeur de régu-lation et la grandeur de référence(de la consigne).

Position du capteur

Endroit de l’installation où lagrandeur de régulation estmesurée.

Organe de commande

Appareil faisant varier lagrandeur de commande (par exemple pompe, vanne).

Actionneur

Appareil actionnant l’organe decommande (par exemple moteurélectrique, variateur defréquence).

Capteur

Transforme la mesure de lagrandeur de régulation en un signal électrique (par ex. 0/4 - 20 mA ou 0/2 - 10 V).

Notions de base

1.2.4Grandeurs de régulation en circuit fermé

Régulation de la pression différentielle

Quand le débit est variable, lapression différentielle est labonne grandeur de régulation.Dans des tuyaux remplis d’eau,les variations de pression setransmettent à la vitesse de1000 m/s, elles sont doncmesurées de manière quasi immédiate.

La pompe peut ainsi réagir rapi-dement aux différentes variationsde débit en modifiant instantané-ment sa vitesse de rotation.

Dans un circuit fermé, le rôle dela pompe est de vaincre lespertes de charge.

Il n’est donc pas nécessaire detenir compte des hauteursgéométriques ou des pressionsstatiques.

L’influence de ces paramètres estéliminée en utilisant la pression

différentielle.

A la fig. 49, une vanne de régu-lation fait chuter le débit de

100% à 80%. Avec la pompe envitesse fixe, le point de fonc -tionnement passe de B I à B II.

29

1Notions de base

Z 1 Z 2

Prise depression

Echangeur de chaleur

Ligne de contrôle

X 4 - 20 mA

Y :0-10 V

1

Y

5 - 50 Hz 2

Capteur mesurant la pression

différentielleRécepteur(résistance

hydraulique variable =

perturbation)

Régulateur(X ) W s

Variateur de fréquence

1 2

Signal

Fig. 48

Q [%] 0 20

H [%]

40 60 80 100

120

100

80

60

40

0 120

Courbe de réseau

Courbe de régulation A

Courbe de pompe

Courbe de régulation B

B I

B II ∆X A

∆X B

B A

A B

B B n 1

n 2

n N

RécepteurPompe

Générateur de chaleur/

de froid

p

Fig. 49

1.2.3Exemple des définitions pourun système avec pompevitesse variable

Si le capteur est placé sur lapompe, la courbe de régulationest une horizontale représentéepar la courbe de régulation A(voir chapitre 1.2.6).

Dans notre exemple, cela signifiequ’une augmentation de pression∆XA est constatée, compenséepar une réduction de vitesse denN à n1 ; le nouveau point defonctionnement se trouve alorsen BA.

Si les courbes des pompes sonttrès plates (par exemple point defonctionnement sur la partiegauche de la courbe) il est possi-ble que la différence de pression∆XA ne soit pas suffisante pourpermettre une régulation correcte.

Il est utile d’observer les recom-mandations suivantes :

1. Le point de fonctionnementdoit se situer dans le tiers leplus à droite de la courbe dela pompe.

2. Utiliser des pompes ayant descourbes plus pentues.

3. Eloigner le capteur de lapompe.

4. Utiliser une grandeur deréférence en plus de la pression différentielle, par exemple le débit (ou la tem-pérature extérieure dans uneinstallation de chauffage).

Les recommandations 3 et 4vont conduire à une courbe derégulation de forme quadratique,comme par exemple la courbe B.Dans l’exemple, l’écart de pres-sion prend alors la valeur ∆XB.Avec la pompe régulée, le pointde fonctionnement se situe en BBà une vitesse n2. Pour plus de dé-tails, se reporter à la page 31"Emplacement du capteur".

Même avec des pompes àcourbes très plates, avec un débitde 80% du débit nominal(courbe de régulation B) il exis-tera un écart supplémentaire(∆XB - ∆XA) qui rend une régu-lation (à vitesse n2) possible.

De plus les recommandations3 et 4 ont les effets positifs supplémentaires suivants :

• La vitesse n2 est nettement inférieure à la vitesse nN et n1.

• L’excédent de pression différentielle devant être supprimé dans les robinets, estdiminué.

• La puissance absorbée chutede manière plus importante.

Domaines d’emploi :

Circuits à débit variable(variation du débit par des récepteurs), par exemple :

• système bitube avec robinetsthermostatiques,

• circuit primaire d’alimentationde stations de chauffage urbain,

• installations de climatisa-tion/ventilation.

Attention :

Ne pas utiliser dans des circuitsà débit constant, par exemple :

• installation de chauffagemonotube,

• circuit secondaire sans vannede régulation dans lequel lapompe se situe après unevanne 3 voies en mélange.

30

1 Notions de base

Dans le domaine de la régulationde vitesse de pompes dechauffage en fonction de la pression différentielle, on distingue généralement lesmodes de régulation à ∆p constant et à ∆p variable.

Mode de régulation à ∆p constant

Sur toute la plage de fonctionne -ment admissible de la pompe, lesystème électronique régule lapression différentielle fourniepar la pompe à une valeur con-stante correspondant à la valeurde consigne programmée HS .

Domaine d’emploi :

Systèmes bitubes utilisant desrobinets thermostatiques à pou-voir de correction élevé dans lesanciennes installations gravi-taires, installations largement dimensionnées (pertes de chargedans la tuyauterie faibles com-paré aux pertes de charge dansles robinets thermostatiques).

Plancher chauffant avec régula-tion de température pièce parpièce.

Mode de régulation à ∆p variable

Le système électronique faitvarier de manière linéaire lapression différentielle fourniepar la pompe. La consigne depression différentielle est abaissée automatiquementlorsque le débit diminue. Il estainsi possible de réduire encorela consommation énergétique.

Domaine d’emploi :

Systèmes bitubes utilisant desrobinets thermostatiques à faiblepouvoir de correction, par exemple dans les installations dimensionnées de manière à cou-vrir tout juste la demande (pertesde charge dans les tuyauteriessemblables aux pertes de chargedans les robinets thermosta-tiques, installations avec tuyau-terie de distribution très longue).

Mode de régulation optimal :

Pression différentielle constanteà l’endroit le plus critique del’installation, c’est-à-dire là où lapression différentielle est la plusfaible (difficilement réalisable).

Autre possibilité simple :

Pression différentielle constante(∆p-constant) sur la pompe.

Problème :

Si des bruits d’écoulement apparaissent à faible débit enmode ∆p-constant, il estpréférable de choisir le mode ∆p-variable.

∆p-variable offre l’avantaged’une zone de régulation élargieavec un potentiel d’économiessupplémentaire.

Attention :

Risque de sous-alimentation enmode ∆p-variable.

31

1

Q

H

H max

H min

H s

∆p-c

∆p-v1 2 / H s

Fig. 50 Modes de régulation ∆p constant et ∆p variable

Notions de base

Régulation de la vitesse enfonction de la température différentielle (∆T)

La régulation de vitesse de lapompe en fonction de la tem-pérature différentielle dépend dela puissance calorifique ab-sorbée. Elle ne dépend donc pasdu point de fonctionnement dela pompe.

Ce mode de régulation sera utilisé normalement quand lacourbe de réseau ne varie pas(utilisations à débit constant).

L’écart de température entre ledépart et le retour est fonctionde la demande calorifique del’installation.

Ce qui implique pour la régula-tion de vitesse de la pompe :

• La pompe fonctionne à vitessemaximale uniquement quandla demande calorifique estmaximale.

• La vitesse, le débit et donc lapuissance absorbée de lapompe sont réduits automa-tiquement lorsque le différen-tiel de température diminue.

En raison du temps que met lefluide caloporteur à parcourir lecircuit, il arrive que le temps deréaction soit relativement long.Dans ce cas, la régulation n’estpas parfaite.

En utilisant des grandeurs de référence supplémentairescomme la température extérieurepour la pression différentielle, ilest possible d’avoir de meilleursrésultats.

Domaines d’emploi :

Utilisation dans des circuits àdébit pratiquement constant et àtempérature de départ constanteou variable, par exemple :

• circuits primaires– circuit en décharge– circuit en injection– collecteurs avec faibles pertes

de charge• circuits secondaires

– circuit en mélange et circuiten injection (sans laminagecôté récepteur)

Attention :

Ne pas utiliser dans des installations de circulation (parex. chauffage) à débit variable.

Si on limite le débit à l’aide devannes, le liquide caloporteur serefroidit car il met plus de tempspour parcourir le circuit.

L’écart de température plus important qui en résulte va entraîner une augmentation de lavitesse de la pompe et va donc à l’encontre du résultat re -cherché. En effet la diminutionde débit est synonyme d’unepuissance calorifique moindre etdonc d’un débit, d’une hauteurmanométrique et d’une vitesseplus faibles.

32

1 Notions de base

T R

T V

p

Q [%] 0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

n = 40 %

H [%]

40 60

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

po

mp

e

80 100

120

100

80

40

0 120

Q max B N

opt

Courbe de régulatio

n

Limite de fonctionnement d

e la pompe

Courbe de réseau

RécepteurPompe

Générateur de chaleur/de froid

Fig. 51

Régulation de la vitesse enfonction de la température deretour (TR)

Généralement ce type de régula-tion est utilisé dans les installa-tions de chauffage ou de climati-sation caractérisées par une température de départ constanteet des échangeurs à pertes decharges fixes. La température deretour doit être variable en fonction de la charge.

Pour les installations de climati-sation, le sens d’action du régu-lateur doit être inversé : ainsiplus la température de retour estfaible plus la vitesse de rotationde la pompe est faible, et plus latempérature de retour est élevéeplus la vitesse de la pompe estélevée.

Ainsi dans le cas de débit moyen,on arrive à ajuster précisement ledébit. De plus, avec une tem-pérature plus basse, les pertescalorifiques dans la boucle de retour sont diminuées. Ainsi àl’aide de cette technique il estpossible de tirer les meilleursavantages des installations dechauffage modernes avecchaudières de condensation.

Domaines d’emploi :

Bien adapté aux installationssans organe de réglage de débitet avec température de départconstante.

Attention

• Un débit minimum doit êtregaranti pour assurer un fonctionnement correct (voir fig. 2).

• Les limites de fonctionnementdes générateurs de chaleur oude froid doivent être respec-tées.

33

1

Température extérieure basse�

Demande de calories élevée�

Température de retour basse�

Vitesse de rotation élevée�

Débit élevé

Température extérieure élevée�

Demande de calories faible�

Température de retour élevée�

Vitesse de rotation faible�

Débit faible�

Puissance consommée faible

T R

p

Q [%] 0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

n = 40 %

H [%]

40 60

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

po

mp

e

80 100

120

100

80

40

0 120

Q max

Courbe de réseau

B N

opt

Courbe de régulatio

n

Limite de fonctionnement d

e la pompe

RecepteurPompe

Générateur de chaleur/

de froid

Dans les installations dechauffage, les lois suivantes sontvalides :

Notions de base

Commande ou régulation de lavitesse en fonction de la tem-pérature de départ (Tv)

La commande en fonction de latempérature de départ est uti liséeprincipalement dans les installa-tions de chauffage à débit con-stant. Elle convient à presque

tous les types d’installations. Lacondition pour utiliser ce type decommande est la régulation de latempérature de départ en fonc-tion de la température extérieurepar une régulation automatiqueen mélange ou un brûleur modu-lant dans une chaudière bassetempérature. La température de

départ est ainsi ajustée aux be-soins de l’installation. La vitessede rotation des pompes et lapuissance fournie varient enfonction de la température dedépart de la façon suivante :

34

1 Notions de base

En marge du fonctionnementdécrit précédemment, dans certains cas la température dedépart doit être maintenue constante.

Ce type de régulation peut-êtrerencontré par exemple dans lesinstallations de récupération dechaleur.

Dans ce cas le but est de main-tenir une température de départconstante quelque soit la quan-tité de calories fournies.

Ainsi plus l’offre calorifique estimportante, plus la vitesse de rotation augmente, celle-cidiminue lorsque l’offre calori-fique diminue.

Domaines d’emploi :

Toutes les installations dont latempérature de départ est pilotéeen fonction de la demande.

La régulation du débit de lapompe en fonction de la tem-pérature de départ complète

cette fonction de régulation.

En particulier lors de débitmoyen, on obtient une plusgrande ouverture du robinet derégulation ce qui conduit à uneplus grande stabilité de la bouclede régulation en température.

Attention

Un débit minimum doit être con-servé pour garantir un fonction-nement correct (voir fig. 2).

Température extérieure basse�

Température de départ élevée�

Demande calorifique élevée�

Vitesse de rotation pompeélevée

Température extérieure élevée�

Température de départ basse�

Demande calorifique faible�

Vitesse de rotation faible�

Puissance consommée faible T min

n min

n max

T max Température départ

Droite de commande

Vit

esse

de

ro

tati

on

Fig. 53

Courbe de réseau

T A

T V

T V

p

Q [%] 0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

n = 40 %

H [%]

40 60

Hau

teu

r m

ano

mét

riq

ue

po

mp

e

80 100

120

100

80

40

0 120

Q max B N

opt

Courbe de régulatio

n

Limite de fonctio

nnement de la

pompe

Régulateur

RécepteurPompe

Générateur de chaleur/

de froid

Fig. 54

1.2.5Grandeurs de régulation en cir-cuit ouvert

Régulation de la pression

La régulation de pression estbien adaptée aux circuits ouvertsà débit variable.

Les variations de débit sontgénérées par des soutirages variables aux différents points d’utilisation.

Le rôle de la pompe à vitessevariable est de fournir une pression résiduelle suffisante auxdifférents points d’utilisations.En raison des variations de débitles pertes de charge dans lestuyauteries sont variables.

Si le capteur est placé sur lapompe, la courbe de régulationest alors une droite horizontale.La caractéristique d’une régula-tion performante est que la pression fournie par la pompecouvre au plus juste la demandeinstantanée.

Ce résultat peut-être obtenu parle choix judicieux de l’emplace-ment du capteur loin de lapompe et près de l’utilisation oupar l’utilisation d’un système derégulation intelligent (courbe derégulation B).

Domaines d’emploi :

• Alimentation en eaueau potablesurpressionprotection incendie

• Process industriels

• Circuits de refroidissement

Attention

Lors de la sélection de la pompeet du système de régulation, ilfaut tenir compte des influencesexercées par la pression d’aspiration (variable ou non) etdes différences de hauteur géo -métrique ou contre-pressions.

35

1

Min.

p

Q

Hauteurmanométrique nominale

Débit nominal

Point de fonctionnement nominal

Courbe de régulation A

Courbe de régulation B

HN

QN

BN

HFL

HFL Pression résiduelle (pression souhaitée à l'utilisation)Hgeo Hauteur géométrique (entre les niveaux d'eau)Hdyn Hauteur manométrique dynamique (pertes de charge)Hstat Hauteur manométrique statique (part de HMT indépendante de Q)

Hstat

Hdyn

Hgeo

Courbe de réseau

Fig. 55

Notions de base

Régulation en fonction duniveau

Quand le niveau de liquide dansun réservoir doit être maintenuconstant, on choisira en généralle niveau comme grandeur derégulation.

Le niveau de liquide varie enfonction des variations du débitd’arrivée ou du débit soutiré.

Quand le niveau du liquidemonte au-dessus du niveau deconsigne, ceci implique l’augmentation du débit de lapompe ; dans le cas contraire ladiminution du niveau du liquideentraine l’abaissement de lavitesse de rotation de la pompe.

La pression fournie par lapompe doit pouvoir compenserau plus juste la hauteurgéométrique et les pertes decharges dans la tuyauterie.

Dans le cas d’une hauteurgéométrique constante et d’unetuyauterie à section constante,on obtient une courbe caractéris-tique de forme parabolique.

La courbe monte en fonction del’augmentation des pertes decharges au fur et à mesure que ledébit augmente.

La consigne HMT résulte duniveau de liquide à maintenirconstant dans le réservoir.

Domaines d’emploi :

par exemple :

• installations de traitement deseaux usées

• installations d’eau de refroidissement

• process industriels

Lors de la définition de l’installa-tion et des pompes, il faut tenircompte des effets combinés et del’interaction entre les paramètressuivants :

débit d’arrivée, débit évacué,volume utile du réservoir, taillede pompe, rapidité de régula-tion.

Attention :

En plus du capteur transmettantle signal au système de régula-tion, il faut munir le réservoird’une protection contre le débordement et d’un dispositifassu rant le maintien d’un niveauminimum.

Ces dispositifs de protection de-vront toujours être indépendantsdu capteur de la régulation (parex. interrupteurs à flotteur sé-parés dans le cas le plus simple).

En cas de risque de colmatage oud’erreurs d’utilisation, il estrecommandé de surveiller aussile débit de la pompe.

Quand plusieurs pompes separtagent le débit total (pompesd’appoint), il faut être parti -culièrement attentif au principede fonctionnement du systèmede régulation.

36

1 Notions de base

Min.

H set

H stat

Q = var. Inl

H stat

h

Q [%] 0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

H [%]

40 60 80 100

120

100

80

40

0 120 Q N

H N

Courbe de régulation = courbe de réseau (const.)

opt

Fig. 56 Installation de relevage

Régulation de vitesse en fonction du débit

L’objectif de ce type de régula-tion est de maintenir le débit àune valeur de consigne. Les per-turbations telles que les varia-tions de la pression d’aspirationou des pertes de charge (par ex.dues au colmatage de filtres)doivent être compensées. Lacourbe caractéristique (courbede régulation) doit être unedroite verticale dans le dia-gramme Q/H.

Domaines d’emploi :

• Installations de traitementd’eau

• Installations de refroidissement

• Mélange

• Traitement des eaux usées

Attention :

Lors de la sélection de la pompeet du système de régulation, ilfaut tenir compte des influencesexercées par la pression d’aspira-tion (variable ou non) et des dif-férences de hauteur géo métriqueou contre-pressions.

Les capteurs de débit doiventêtre choisis en fonction de la nature du liquide et des condi-tions de l’installation.

37

1

Q [%] 0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

H [%]

40 60 100

120

100

80

40

0 120 Q set

H stat

Courbe de régulation

Niveau d'eau hiver

Niveau d'eau été

Courbe de réseau été

Courbe de réseau hiver

Q Installation

de traitement

Fig. 57 Installation de traitement d’eau

Notions de base

1.2.6Compensation des pertubationssupplémentaires

La régulation a pour tâche degérer le process de manière opti-male. Pour cela, les influences

des grandeurs perturbatricesdoivent être compensées. Dansles deux exemples suivants, laperturbation principale est con-stituée par les variations de la résistance hydraulique des utili-sations. Ces variations de débit

entrainent une évolution despertes de charges dans la tuyau-terie.

Nous proposerons par la suitedeux moyens pour réduire l’effetde ces perturbations.

38

1 Notions de base

Compensation par le choix del’emplacement du capteur

Si l’on prend l’exemple d’un cir-cuit de chauffage, il est possiblede montrer l’influence du choixde l’emplacement du capteur surle comportement d’une installa-tion à régulation de vitesse enfonction de la pression différen-tielle ou de la pression.

L’emplacement du capteur a uneinfluence importante sur la qualité de la régulation et lescoûts de fonctionnement de l’in-stallation. Si le capteur différen-tiel est situé à proximité immé -diate de la pompe, la pressiondifférentielle fournie est tropélevée dans les cas où le débit estinférieur à 100% ce qui impliqueune surconsommation d’énergie.

Il est possible d’avoir demeilleures conditions de régula-tion lorsque le capteur est installé loin de la pompe sur leréseau d’alimentation.

Constitution du système

Deux utilisations se partagentchacune la moitié du débit nomi-nal. Celles-ci sont alimentées parune pompe dimensionnée pour assurer le point de fonction-nement nominal. Les données dudiagramme Q/H sont indiquéessans unité et se rapportent auxdonnées de calcul.

Le débit et la hauteur mano mé -trique nominale sont représentéeschacune par une valeur de 100%.

Le capteur de pression ou depression differentielle est situéselon les cas :

– près de la pompe : capteur situéentre la bride d’aspiration et labride de refoulement (emplace-ment I)– près de l’utilisation : capteursitué entre le collecteur de départet le collecteur de retour (em-placement II)Dans les circuit ouverts (par ex.installation d’adduction d’eau), ilest nécessaire de mesurer la pres-sion au lieu de la pression dif-férentielle. Dans ce cas aussi lecapteur peut être situé près de lapompe au refoulement ou près durécepteur.

Capteuremplacement I

Capteur emplacement II

P

V S

Q = 100 % H = 100 %

N

N H = 40 % V,P - V

H = 40 % V,S - P’

Q = 50 % H = 20 %

1

V,1

Q = 50 % H = 20 %

2

V,2

P’

Collecteur départ Collecteur retour

Dp

p=100 % p = 20 %

Dp

2

1

H = 20 set

Q [%] 0 20

H [%]

40 60 80 100

120

100

80

40

0 120

B N

n N

Courbe de réseau

Courbe de régulation I

Débit nul, non régulé

Excédent de pression

Débit nul, régulé I

Débit nul, régulé II

Débit nominal, I/II

Courbe de régulation II

Fig. 58 Influence de l’emplacement du capteur sur une régulationpar la pression / pression différentielle

Légende des indices :

N = nominal

V = collecteur de départ

P = pompe

S = collecteur de retour

P-V = tuyauterie entrepompe et collecteurdépart

S-P = tuyauterie entre col-lecteur retour etpompe

Courbe de réseau

Les pertes de charge dans lestuyauteries sont reportées dansle diagramme Q/H en fonctiondu débit. Les pertes de chargeaugmentent avec le carré dudébit, ainsi on obtient lescourbes paraboliques dans le diagramme Q/H.

Dans la figure 59, les circuitsd’utilisation sont en parallèle desorte que les débits à pressionidentique s’additionnent. On ob-tient ainsi la courbe débit-hau-teur résultante des deux utilisa-tions.

Dans la figure 60, les circuitsd’utilisation sont en série. Celasignifie que les pertes de charge àdébit identique s’additionnent.

La courbe de réseau définitives’obtient par addition de lacourbe débit-hauteur totale despertes de charge dans les utilisa-tions avec les pertes de chargedans le circuit principal.

Evolution de la pression requise

Emplacement du capteur II

Entre les collecteurs de départ etde retour, il doit exister une dif-férence de pression telle que lesutilisations soient toujours ali-mentées de manière satisfaisante.

En fonction du type d’utilisation,on peut rencontrer différentessituations de charge. Par exem-ple, les deux récepteurs peuventévoluer indépendamment l’un del’autre entre 0 et 100%.

Pour assurer en permanence unepression suffisante à l’utilisation,il est nécessaire d’avoir au mini-mum la pression nominale desutilisations (ici la HMT) entreles collecteurs de départ et de re-tour. Si les deux utilisations sont

fermées (Q/QN = 0), il n’y aurapas de débit et donc pas depertes de charge.

La pompe fonctionne à unevitesse réduite suffisante pour assurer la consigne prédéfinie(HMT).

L’ouverture d’un seul des récep-teurs crée un débit dans latuyauterie principale et donc despertes de charge.

Afin d’arriver à maintenir laconsigne, la pompe doit aug-menter sa vitesse et délivrer plusde pression. Puisque les pertes decharge varient avec le carré dudébit, la courbe de régulation IIva suivre une parabole.

La pression délivrée est ajustéeen permanence pour vaincre lespertes de charge engendrées par

la vitesse du fluide.

Cela ressort clairement du dia-gramme de pression. Le différen-tiel de pression entre le collec -teur de départ et le collec teur deretour est constant (fig. 58).

Sur toute la longueur de latuyauterie principale qui conduità la pompe elle augmente defaçon continue en fonction dudébit, jusqu’à atteindre le débitnominal à la hauteurmanométrique nominale.

La régulation de la pompe (enfonction de la pression / pressiondifférentielle) est optimalelorsque la courbe de régulationcorrespond à la courbe de pression requise ou est situéejuste au-dessus d’elle.

39

1

2 1

Q

H

Q’ 1

Q 1

, R 2 + R 2 R 1 R 1

Q’ 2

Q 2

1 2

Q

H

H 1

H’ 1

R 2

+ R 2

R 1

R 1

H 2

H’ 2

Fig. 59 Couplage en parallèle Fig. 60 Couplage en série

Notions de base

Emplacement du capteur I (sur la pompe)

Si la pression différentielle estmesurée sur la pompe, la valeurde consigne doit être réglée surla hauteur manométrique nomi-nale.

Cela veut dire que dans le dia-gramme Q/H, la pression fourniepar la pompe sera constante sur

toute la plage de débit (courbede régulation I horizontale).

Ainsi on constate particulière-ment que pour de faibles débits,la pompe fournit une pressionsupérieure à celle requise.

Dans le diagramme de pression,la pression relevée sur la pompereste constante, celle-ci décroitsur toute la longueur de la

tuyauterie principale comme ledébit.

On voit clairement que, malgréla régulation, la pression au col-lecteur de départ est trop élevéepour un débit moyen. Cette pres-sion trop élevée peut avoir desconséquences négatives surl’utili sation. Dans tous les cas, ily a surconsommation d’énergie.

40

1 Notions de base

Compensation par l’intermédi-aire d’une grandeur de mesuresupplémentaire (débit)

Pour des raisons diverses, il n’estpas toujours possible de mesurerla pression loin de la pompe etprès de l’utilisation la plus défa-vorisée.

Cela est particulièrement vraipour le chauffage urbain où lesdistances entre pompes et utilisa-tion sont très importantes, oubien dans les installationsdécrites dans les figures 61 et 62.

Il est possible d’obtenir un résultat identique en utilisantconjointement une mesure depression et de débit située auvoisinage de la pompe.

L’objectif de ce dispositif estd’obtenir une courbe de régula-tion quadratique (voir fig. 58courbe de régulation II,).

Régulateur

(4 ... 20 mA)

Variateur de fréquence

Capteurde débit

Capteur de pression différentielle p

Dép

art

Ret

ourGénérateur de chaleur/

de froid

Fig. 61 Schéma d’une installation de chauffage

Domaines d’emploi :

• utilisé en rénovation, lorsqueles données de l’installation nesont pas connues

• en cas de sous-alimentation àdifférents régimes de débit(courbe de régulation variable)

• en cas de transmission du signal capteur sur une longuedistance

Attention :

Les systèmes de régulation modernes sont capables d’opti-miser automatiquement lacourbe de régulation.

Pour ce faire, ils ont besoin deconnaître :

• la hauteur manométriquenominale

• le débit nominal

• la pression requise à l’utilisa-tion.

Ce type de régulation peut également être obtenu sansmesure directe du débit.

41

1

Débit Pression

Régulateur

Variateur defréquence

Capteur de débit

Fig. 62 Schéma d’un système de transfert (circuit ouvert)

Notions de base

1.3Notions de base sur le moteurà intelligence embarquée

1.3.1Moteurs « intelligents » pourl’entraînement de pompes

Il s’agit d’un système compactconstitué d’un moteur électrique,d’un variateur de fréquence etd’un micro-contrôleur assurantla commande et la régulation. Lafig. 63 montre le schéma d’un telmoteur et de son process.

42

1 Notions de base

Micro-contrôleur / régulateur

Unité de commande

VariateurMoteurProcesstechnologique

Mesure des données

du process

Consigne de la GTC

Eléments intégrés dans le moteur

Réseau électrique

Fig. 63 Moteur à intelligence embarquée et process

1.3.2Les avantages de l’intelligenceembarquée

L’intégration du variateur defréquence dans le moteur ap-porte de nombreux avantages :

• Facilité de mise en service, lesparamètres du moteur et duvariateur étant préréglés enusine.

• Des câbles très courts entre le variateur de fréquence et le

moteur, d’où réduction de lasollicitation électrique du moteur et moins de problèmesde compatibilité électromagné-tique.

• La régulation étant intégrée,une armoire électrique séparéen’est pas nécessaire.

• Frais d’installation réduits

comparé aux solutions conven-tionnelles.

• Taux d’erreurs de câblage sen-siblement réduit.

• Filtre CEM intégré dans le mo-teur

• Protection de la pompe et pro-tection du moteur intégrées

1.3.3Exigences

Les exigences auxquelles les moteurs à intelligence embar-quée doivent répondre sont lessuivantes :

• transfert économique de fluides adapté aux besoinsgrâce à la variation de lavitesse

• fiabilité et disponibilité élevées

• interchangeabilité mécaniqueavec les moteurs normalisésIEC

• compatibilité électromagné-tique

• adaptation facile aux condi-tions spécifiques de l’applica-tion grâce à la possibilité deparamétrage sur site

• commande extrêmement facile,directement sur le moteur oupar télécommande

• fonctions intégrées de protec-tion moteur et de diagnosticdes erreurs

• fonctions de régulation spéci-fiquement dédiées aux pompes

• interfaces de communicationpar bus de terrain (poste decontrôle, GTC…)

• Intelligence décentralisée

Par intelligence décentralisée, onentend la capacité du moteur às’adapter aux exigences variablesdu process. Le moteur doit pou-voir s’auto surveiller, surveiller lapompe, communiquer avec sonenvironnement au besoin, agir etréagir de façon autonome.

1.3.4Fonctions spécifiques auxpompes

Parmi les fonctions importantesque les moteurs à intelligenceembarquée doivent assurer, oncitera, outre le fonctionnementrégulé et non régulé, la fonctionde compensation dynamique despertes de charge, la fonctiond’auto-apprentissage, l’arrêt àdébit minimum, la protectionmanque d’eau.

• En fonctionnement régulationde pression, la fonction decompensation dynamique despertes de charge permet decompenser les pertes de chargedans les tuyauteries au cas oùle capteur est installé près de lapompe afin d’assurer une pression constante pour l’utilisation.

• La fonction d’auto-appren -tissage permet d’enregistrer lacourbe de puissance vanne fermée à toutes les fréquencesafin de pouvoir assurer la pro-tection contre le manqued’eau.

• Grâce à la fonction d’arrêt àdébit minimum, le moteur estarrêté en fonctionnementrégulé quand le débit devientinférieur à une valeur mini-mum paramétrable. Cettefonction permet de réduire laconsommation d’énergie etl’usure de la pompe. Le moteurest remis en marche automa-tiquement dès que la demandeaugmente à nouveau.

• Lorsque la fonction de protec-tion manque d’eau est activée,le moteur s’arrête et se met endéfaut dès que la courbe depuissance enregistrée n’est plusatteinte suite à un manqued’eau ou un fonctionnement àvide. La pompe (garniture mé-canique) est ainsi protégée.

D’une manière générale, un mo-teur à variateur intégré peut êtreutilisé en tant que moteur seul,en régulation vitesse variable ounon, ou bien en fonctionnementmaître-esclave.

En fonctionnement maître-es-clave, plusieurs moteurs peuventfonctionner en parallèle. En casde défaillance, la fonction dumaître peut être reprise par unautre moteur.

L’échange des données nécessaires passe pour cela parun bus interne. Une armoire derégulation externe n’est pasnécessaire pour assurer cettefonction. La fig. 64 montre leschéma d’une installation dechauffage régulée en fonction dela pression différentielle, celle-cifonctionne en utilisant plusieursmoteurs suivant le principemaitre-esclave.

43

1

p +

p - Générateur de chaleur

Moteur "esclave"

Récepteur

Capteur de pression différentielle

Consigne (interne / externe)

Moteur "maître"

Moteurs supplémentaires

Fig. 64 Pompes équipées de moteur à variateur intégré en fonction-nement maître-esclave

Notions de base

1.3.5Aspects économiques / Réduction des coûts du cyclede vie

Le coût d’investissement plusélevé d’un moteur “intelligent” àvariateur de fréquence intégré(comme n’importe quel autremoteur à vitesse variable) estamorti au bout de quelques années grâce aux économiesd’énergies réalisées.

Le moteur “intelligent” à variateur de fréquence intégréoffre aussi d’autres potentiels d’économies.

Nous ne citerons que les plus importants :

• frais d’installation et de miseen service minimisés

• encombrement réduit

• réalisation d’économies d’énergie supplémentairesgrâce à l’arrêt à débit minimum

• temps d’immobilisation de l’in-stallation supprimés grâce aufonctionnement en parallèledes pompes

A travers tous les potentiels d’économie et toutes les possi-bililitées qu’offre une solutionmoderne comme le moteur à“intelligence embarquée”, il apparaît clairement que cedernier présente de gros avan-tages en termes de coût de cyclede vie comparé aux solutionsconventionnelles.

44

1 Notions de base

1.4Notions de base sur les tech-nologies de communication

• Dans les grands bâtiments etimmeubles sont souvent installés des systèmes de gestion technique centralisée(GTC).

• Les systèmes GTC répartissentl’intelligence entre les installa-tions et process, d’un côté, etl’équipement technique du bâ-timent de l’autre.

• Les systèmes GTC permettentune communication ouverteentre les systèmes d’automati-sation et de pilotage.

Plusieurs secteurs d’activité in-terviennent dans l’équipementtechnique du bâtiment, à savoir :

• chauffage

• sanitaire (alimentation et évacuation)

• climatisation/ventilation

• installation électrique

• équipement de mesure, com-mande et régulation

Les tâches à accomplir sont mul-tiples, par exemple :

• gestion de fonctionnement

• contrôle et surveillance

• automatisation de l’installation

• gestion d’énergie

• gestion d’entretien et de répa-ration

• archivage des données

• analyse d’exploitation

Seule une planification généralefaisant intervenir tous lessecteurs d’activités permet deréaliser des systèmes de GTCsatisfaisant aux attentes de l’exploitant.

45

1Notions de base

Transmission en parallèle desdonnées (solution convention-nelle)

Transmission simultanée des in-formations à travers un nombreimportant de fils en parallèle.

Transmission en série des données (solution nouvelle)

Transmission des informationspar l’intermédiaire de deux fils.Les informations sont transmisesen série sous forme de signauxnumériques.

Transmission en parallèle des données (ancien)

Transmission en série des données (nouveau)

E R

E : Emetteur R : Récepteur

Fig. 65 Transmission des données en parallèle et en série

Modèle des niveaux d’automatisation

En automatisation, on se sert engénéral du modèle des niveauxsuperposés pour définir la com-munication. La transmission ver-ticale des données passe par dessystèmes de bus normalisés dits"ouverts".

Paramètres utiles provenant despompes:• marche/arrêt• valeurs de consigne/valeurs

instantanées• vitesse de rotation• messages d’état de fonction-

nement• messages de défaut

Bus utilisés en fonction desniveaux

46

1 Notions de base

Niveau de gestion

Stations d'exploitation, imprimantes, systèmes GTC, systèmes informatiques généraux

Stations d'automatisation, par ex. automatesprogrammables

Pompes, capteurs, ventilateurs etc.

Niveau d'automatisation

Niveau de terrain

Fig. 66 Modèle des niveaux superposés

Niveau Fonction Bus utilisés fréquemment

Niveau de gestion • Gestion de l’information pour le système entier • BACnet• Surveillance de l’installation • FND • Paramétrage de programmes• Sauvegarde des données• Comptabilisation

Niveau • Fonctions de base et de traitement • BACnetd’automatisation • Intégration des terminaux d’émission et de réception • World FIB (France)

• Pilotage de processus de régulation complexes • PROFIBUS• EIB on Automation Net

Niveau de terrain • Commande et régulation spécifique à l’application • BATIbus • Mesure et première analyse des valeurs mesurées • EIB Konnex• Signalisation d’alarme • EHS• Signalisation d’événements • LON

Exemple : Bus LONTalk

maître esclave esclave

Communication verticale

Communication horizontale : communication maître-esclave

via interface LON,commande/régulation, surveillance

via bus de terrain interne

Fig. 67 Schéma de communication pour une installation multi-pompes

Structure typique de communication dans une installation multi-pompes

2Notions sur l’automatisationd’installations et recommanda-tions pour l’étude

L’étude des systèmes de com-mande et régulation comprend ladéfinition des besoins de l’instal-lation, la conception de l’instal-lation et des principes de planifi-cation à suivre lors de la réalisa-tion.

La phase d’étude constitue unephase de coopération intensiveentre le donneur d’ordre, son in-génieur consultant et le contrac-tant.

Les conditions de l’installationrésultent des conditions am-biantes (site d’installation, con-ditions climatiques locales, fac-teurs d’influence de l’environ-nement), du réseau électrique(tension réseau, puissance decourt-circuit et régime de neutre), de la fréquence des cycles de pompage, de ladisponibilité requise, des exi-gences de sécurité auxquelles lesystème doit répondre et desconditions de fonctionnementspécifiques.

A cause de coûts d’investisse-ment et de fonctionnement, lanécessité de toute mesure à pren-dre doit également être consi -dérée sous l’aspect économique.

Les systèmes actuels d’automati-sation de pompes sont basés surun standard qui s’adapte facile-ment à des exigences pluspoussées grace aux moyens deCAO modernes.

Lors de l’étude d’une installationde pompage, il est intéressant deconsidérer plusieurs paramètres :par exemple les coûts d’in-vestissement et d’exploitation, lasécurité d’utilisation (appareilsde secours), les conditions duprocess, le fonctionnementsouhaité, etc.

Pour l’étude il est possible deprocéder dans l’ordre suivant :

a) choix de la répartition dudébit sur une ou plusieurspompes

b) choix du fonctionnement avecun ou plusieurs variateurs

c) choix du fonctionnement avecou sans pompe de secours

d) sélection de la (des) pompe(s)

e) détermination de la puissancesur arbre

f) détermination de la puissancemoteur requise

a) Répartition du débit sur uneou plusieurs pompes

La partie la plus importante descoûts d’un système de régulationest constituée par le variateur defréquence.

La répartition du débit surplusieurs pompes permet une réduction sensible du coût d’investissement tout en conser-vant un confort de régulationpresque similaire.

Dans ce type d’installation, levariateur régule la vitesse d’uneseule pompe. Les autres pompesfonctionnent en vitesse fixe :elles sont enclenchées et arrêtéesen fonction de la demande dedébit.

Comme les pompes sont installées dans un même système hydraulique, la pression est régiepar la pompe régulée.

Le point de fonctionnement sedéplace sur la courbe de régula-tion.

b) choix du fonctionnement avecun ou plusieurs variateurs

Il est possible de prévoirplusieurs pompes équipées chacune de leur variateur dans lecas où cela est nécessaire.

Ce type d’installation permetd’accroitre la sécurité de fonc-tionnement et de maitriser cer-taines conditions d’installationsdifficiles.

c) choix du fonctionnement avecou sans pompe de secours

Dans le cas de la courbe de régu-lation de la fig. 77, une pompeseule fournit 75% du débit nominal.

Dans ce cas, il n’est pas né -cessaire de prévoir une pompe desecours supplémentaire (entroisième pompe) sauf pour lesinstallations dans lesquelles ledébit maximal doit être fournien permanence (par ex. alimen-tation en eau de process).

d) Sélection de la (ou des)pompe(s)

Le débit nominal requis QN peutêtre fourni par une ou plusieurspompes fonctionnant en parallèle. Lors de la sélection despompes, il est important de s’assurer que les courbes depompes en question aient une intersection commune avec lacourbe de régulation.

Pratiquement, la prise en comptede marges de sécurité trop importantes dans le calcul despertes de charge peut conduire àce que les courbes de pompessoient situées hors de la zone defonctionnement admissible.

47

2Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

e) détermination de la puissancesur arbre

Pour déterminer la puissance surarbre requise de la pompe, onpourra utiliser le diagramme depuissance fig. 77.

Du point de débit maximum dela pompe (point d’intersection dela courbe de régulation avec la

courbe de pompe à vitessemaxi.), on trace une verticale descendante jusqu’à trouver uneintersection avec la courbe depuissance. On obtient ainsi lapuissance sur arbre requise.

f) détermination de la puissancemoteur requise

La puissance nominale requise

du moteur (P2) devra être ma-jorée d’une marge de sécurité de5 à 10 % pour tenir compte destolérances des courbes de pompeet de réseau ainsi que des pertesde puissance dues au fonction-nement sur variateur.

48

2 Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

2.1Notions générales d’électricité

Types de réseaux électriques :

Réseau TN-C :

Le neutre du transformateurHT/BT est directement relié à laterre. Les enveloppes des ap-pareils électriques raccordés (ar-moires électriques, moteurs etc.)sont connectées au point neutrepar un conducteur neutre et unconducteur de protection PENconfondus.

Réseau TN-S :

Idem ci-dessus, mais le conduc-teur de protection PE et le con-ducteur neutre N sont séparés.

Réseau TT (répandu en France) :

Le neutre du transformateurHT/BT est directement relié à laterre. Les enveloppes des ap-pareils électriques sont reliées àdes prises de terre individuelles,indépendantes de la mise à laterre du générateur de tension.

L1

L2

L3

PEN

RB

Fig. 68 Réseau TN-C

L1

L2

L3 N

PE

R B

Fig. 69 Réseau TN-S

L1

L2

L3N

R A RB

Fig. 70a Réseau TT

49

2Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

Le régime IT :

– Le neutre est isolé de la terreou impédant (1ère lettre I)

– Les masses sont intercon -nectées et reliées à la terre (2ème

lettre T) par un conducteur PEdistinct du conducteur Neutre

– Le déclenchement au premierdéfaut d’isolement n’est pasobligatoire car le courant de premier défaut n’est ni dan-gereux ni perturbateur. Cela permet d’assurer une meilleurecontinuité de service.

– La signalisation du premierd’isolement est obligatoire, cedéfaut doit être recherché etéliminé à l’aide du ContrôleurPermanent d’Isolement installéentre Neutre et Terre

– Le déclenchement au deuxième défaut est obligatoirepar les dispositifs de protectioncontre les surintensités, la vérifi-cation des déclenchements au2ème défaut doit être assurée.

Utilisation avec un variateur defréquence :

A cause de la continuité de service due à l’absence de déclenchement au premier défaut, il circule de fortes tensions dans le circuitphase/masse. Ceci peut provo-quer la mise en défaut ou la destruction du variateur.

Pour éviter ce problème nousavons plusieurs solutions :

– Retirer ou débrancher le filtreRFI, la liaison avec la terre estalors éliminée, ainsi que lerisque de perturbation ou de destruction du variateur. Dansce cas-là, le surpresseur n’estalors plus compatible avec lesnormes CEM (le variateur devient perturbateur en émettantdes parasites sur l’installation)

– Changer le régime de Neutreen amont du surpresseur, ce quipermet de garder la conformitédu surpresseur aux normesCEM

– Monter un variateur defréquence muni d’un filtre RFIcompatible avec les régimes IT,ceci permettant de rester aussien conformité avec les normesCEM.

L1

L2

L3N

PE

RB

CPI

Fig. 70b Réseau IT

50

2 Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

Dispositifs de protection différentielle

La fonction des disjoncteurs différentiels est d’assurer unecoupure omnipolaire des appareils électriques en 0,2 s encas de défaut d’isolement.

Ces disjoncteurs existent pourdifférentes valeurs de courantsde défauts.

Les disjoncteurs 30 mA sontadaptés à la protection des per-sonnes. Les disjoncteurs différen-tiels ayant des courants de déclenchement supérieurs sont leplus souvent utilisés pour la protection contre les courants dedéfaut à la terre.

Les appareils à base de re-dresseur de courant (par ex :variateurs de fréquence) quiprésentent un risque d’appari-tion de courants de fuite conti-nus ne doivent pas être installésen aval d’un disjoncteur différen-tiel.

Pour ces cas-là il est nécessaired’utiliser un disjoncteur différen-tiel adapté.

Mesures de protection dépendant du réseau

Les mesures de protectiondépendant du réseau utilisent unconducteur de protection (PE).

Ce conducteur est relié auxmasses des appareils électriques.

Le conducteur de protection et leconducteur PEN sont recon-naissables à leur couleurVert/Jaune.

Lorsqu’un défaut survient, lesmesures de protection dépendantdu réseau assurent la coupurepar l’intermédiaire du dispositifde protection contre les surinten-sités installé en amont ou, pour

les réseaux IT par un message dedéfaut.

Température ambiante

En se basant sur les normes etréglements en vigueur et en simplifiant, nous pouvons classerles installations dans les catégories suivantes :

• Appareils et installations deventilation utilisés lorsque latempérature ambiante admissi-ble est supérieure à la tempéra-ture extérieure (maximale).

• Appareils et installations de re-froidissement servant exclu-sivement à l’évacuation descalories, utilisés lorsque latempérature ambiante admissi-ble est égale ou inférieure à latempérature extérieure (maxi-male).

• Appareils et installations declimatisation de locaux. Ilssont utilisés pour l’évacuationdes calories et en même tempspour le maintien des condi-tions climatiques à respecterdans un local (température,humidité relative, qualité del’air etc.)

Mode de démarrage des moteurs à rotor en court-circuit

Les moteurs à rotor en court-cir-cuit ont un courant de démar-rage élevé. Dans l’optique d’ex-clure des fluctuations de tensiongênantes, les compagnies de dis-tribution d’électricité imposentdes méthodes de démarrage spé-cifiques pour les moteurs depuissance élevée. En ce qui con-cerne les moteurs triphasés, enAllemagne, ces mesures sontprises pour les puissancessupérieures à 4 kW.

Démarrage étoile-triangle

Lors du démarrage en couplageétoile, le courant et le couple dedémarrage des moteurs triphaséscorrespondent à un tiers desvaleurs en couplage triangle. Cemode de démarrage est le plusrépandu. (A noter qu’il est moinsbien adapté dans le cas d’un cou-ple résistant élevé et d’un mo-ment de giration faible, en raisonde la chute de vitesse sensible quise produit au moment de la com-mutation, à cause de la tempori-sation entre les modes étoile ettriangle).

Démarrage progressif électronique

Les démarreurs progressifs élec-troniques assurent le démarrageen douceur des moteurs asyn-chrones triphasés. Cette tech-nologie consiste à doser la ten-sion (réglage du courant par re-dressement à l’entrée des phases)pour modifier de façon volon-taire l’intensité au démarrage etdonc le couple initial de démar-rage.

On distingue les types suivants :

• Démarreurs progressifs avectemps de démarrage réglable(limitation de courant unique-ment possible en augmentantle temps de démarrage).

• Démarreurs progressifs aveccourant de démarrage maxi-mum réglable (le temps de dé-marrage est automatique),ajusté à travers l’équilibre entre le couple moteur et lecouple en charge).

• Démarreurs progressifs avecréglages combinés du temps dedémarrage et du courant maxi-mum de démarrage.

2.1.2Notions de ComptabilitéElectromagnétique (CEM)

La compatibilité électromagné-tique (CEM) est l'aptitude d'unappareil électrique ou électron-ique à fonctionner dans son en-vironnement électromagnétiquede façon satisfaisante sans polluer lui-même les appareilsprésents dans son environ-nement.

La compatibilité doit être assurée dans les deux sens :

• en émission : niveau de pertur-bation rejeté par l'appareil surson environnement

• en immunité : bon fonction-nement de l'appareil lorsqu'ilest soumis à des perturbationsélectromagnétiques.

Ces perturbations peuvent êtrede deux types :

• perturbation conduite :amenée ou rejetée sur lecâblage extérieur de l'appareil

• perturbation rayonnée : perturbation sous forme dechamps magnétiques.

Afin de limiter les effets des per-turbations électromagnétiques ilest souvent nécessaire d'utiliserles mesures suivantes :

• utilisation de câbles blindés

• selfs du/dt

• filtre de sortie LC

2.2Fonctions de régulation

Un capteur monté sur l’installa-tion transmet la valeur mesuréeau régulateur. Celui-ci compareen permanence la valeur mesuréeavec la valeur de consigne et cor-rige les écarts éventuels demanière continue.

Le sens d’action du régulateurdoit être paramétré en fonctionde l’application. C’est pour cetteraison qu’il est important des’assurer que l’on peut régler lesens de son action :

Sens d’action :

1. positif :

la vitesse est abaissée lorsque lavaleur mesurée devientsupérieure à la consigne (par exemple : régulation de pression)

2. négatif :

la vitesse est augmentée lorsquela valeur mesurée devientsupérieure à la consigne (par exemple : régulation de niveau)

Grandeur de régulation [consigne]

• pression [bar]

• pression différentielle [bar]

• débit [m3/h]

• niveau [m]

• pression différentielle pilotéepar la température extérieure[bar]

• pression différentielle pilotéepar le débit [bar]

• pression différentielle pilotéepar une fonction de débit in-terne (seulement possible avecune pompe en service) [bar]

• température [°C]

• température différentielle [K]

• température influencée par lapression différentielle [°C]

• température différentielle in-fluencée par la pression dif-férentielle [K]

• variation de la vitesse en fonc-tion d’un signal reçu d’unrégulateur externe

51

2Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

52

2

Choix de la grandeur de régu-lation

L’objectif est de trouver unegrandeur de régulation qui permet d’adapter la vitesse derotation de la pompe aux besoins de l’installation.

La régulation a pour fonction depallier les besoins de l’installa-tion et d’éliminer autant quepossible les conséquences négatives des perturbations (par exemple : montées en pressionindésirables).

Pour ce faire, le capteur quimesure la grandeur de régulationdoit être le plus proche possiblede la naissance des perturbations(par exemple : le plus proche del’utilisation).

Dans la pratique, cette situationpeut rarement être obtenue àcause des problèmes suivants :

a) distance importante entre lerégulateur et l’emplacementreprésentatif du capteur.

b) systèmes à embranchementsmultiples où les endroits lesplus perturbés peuventchanger ou alors ne sont pastrès représentatifs de l’utilisa-tion.

Il existe des solutions éprouvéespour maîtriser ces problèmes(voir page suivante).

Définir la grandeur de régulation

Grandeur de régulation choisie :

. . . . . . . . . . . . . . . . .

oui

non

(ouvert)

non

(constante)

oui

Grandeurs de régulation possibles

Grandeurs de régulation possibles :

Grandeurs de régulation possibles :

pression différentielle. . . . . . . . . . . . .

températureniveau. . . . . . . . . . . . .

température- température de départ- température de retour- température différentielle- . . . . . . . . . . . . . . . .

Circuit fermé

Courbe de réseau variable

Fig. 71

Les deux critères principaux pour choisir une grandeur de régulationsont résumés dans les deux questions suivantes :

1. S’agit-il d’un circuit fermé ou d’un circuit ouvert ?

2. La courbe de réseau est-elle variable ou constante, autrement dit y a-t-il un débit constant ou variable dans l’installation ? Les réponses à ces deux questions permettent de vous guider dansle choix de la grandeur de régulation la mieux adaptée.

Dans les circuits ouverts, les grandeurs de régulation les plusfréquemment utilisées sont

- la pression

- le niveau

- le débit.

Pour les circuits fermés, ce sont

- la pression différentielle

- la température.

Nous développerons ci-après les différentes grandeurs de régulationplus en détail.

Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

Basculement entre plusieursconsignes

Les installations peu exigeantesen ce qui concerne la grandeurde régulation utilisent souventune régulation à consigne fixe.Ces installations simples peuventelles aussi connaître des varia-tions importantes de charge.Dans ces cas-là, le basculemententre deux consignes est une solution simple pour l’adaptionaux besoin de l’installation.

Le basculement d’une consigne à une autre peut être déclenchéde la manière suivante :

– sélection manuelle

– signal en provenance duprocess (capteur de seuil)

– programmation horaire

Optimisation de la courbe derégulation par :

• grandeur interne (uniquementpossible avec une seule pompeen service) – dépendante linéairement– dépendante quadratique-

ment

• entrée externe– dépendante linéairement– dépendante quadratique-

ment (adaption de la fonc-tion en fonction du débit) :cette solution nécessite undébitmètre.

L’objectif de cette fonction d’optimisation est de réduire lapuissance de la pompe de débitautant que possible tout en con-tinuant à satisfaire suffisammenttous les besoins de l’installation.Pour cela il faut respecter leslimites hydrauliques de la pompetout en exploitant l’ensemble dela zone de fonctionnement.

Régulation avec adaptation de laconsigne :

Outre la grandeur de régulation,d’autres paramètres agissant surl’entrée de régulation peuvent intervenir dans la régulation dusystème.

Cette méthode permet d’adapterfacilement la courbe de régula-tion aux besoins de l’installation(c’est-à-dire à la courbe deréseau) et d’éviter de manière fiable les trop importantes pressions (notamment à chargeréduite) et les pressions insuffi -santes (à charge maximale).

Commutation entre plusieursjeux de paramètres

Basculement vers le deuxièmejeu de paramètres :

Pour affiner l’adaptation de lacourbe de régulation aux besoinsde l’installation, on peut faireappel à un deuxième régulateurdont les paramètres sont pro-grammables individuellement.Cette méthode permet de réagiraux variations des conditions del’installation.

53

2

0 20

n = 100 %

n = 90 %

n = 80 %

n = 70 %

n = 60 %

n = 50 %

40 60 H

aute

ur

man

om

étri

qu

e [

%]

80 100

120

100

80

40

0

quadratique

constant (abaissé)

linéaire

Charge maximaleDébit [%]

opt

Fig. 72 Le choix de la courbe de régulation la mieux adaptéedépend de l’évolution de la demande dans l’installation

Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

54

2 Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

Surveillance des pompes et del’installation hydraulique enfonctionnement automatique

Il est important de prévoir, dèsla phase d’étude et de concep-tion, un concept de sécuritéadapté à l’installation dans sonensemble. Celui-ci a pour fonc-tion de limiter l’apparition d’in-cidents et d’éviter autant quepossible les immobilisations del’installation. Les unités fonc-tionnelles défaillantes sont arrêtées et remplacées par desgroupes de secours (si ils existent) ou par des fonctionsd’urgence. Les fonctions les plusimportantes pour la surveillancedes seuils électriques et hydrauliques sont développéesdans les paragraphes suivants.

Protection contre les surintensités

La protection contre les sur-charges thermiques est la protec-tion de base d’un moteur élec-trique couplé directement auréseau.

Pour cela on utilise un dispositifde surveillance de l’intensité dumoteur. Cela peut être un relaisthermique associé à des fusiblespour la protection contre lescourt-circuits ou un disjoncteurmagnétothermique qui assure laprotection contre les court-cir-cuits à travers sa partie magné-tique et contre les surchargesthermiques à travers sa partiethermique.

Un relais thermique ou un dis-joncteur installés en aval d’un variateur de fréquence ne déclencheront pas car le varia-teur limite le courant à unevaleur inférieure au courant dedéclenchement.

Dans le pire des cas, il peut arriver qu’un moteur bloqué soitalimenté en courant nominal etsurchauffe en l’absence de refroidissement.

Protection intégrale du moteur

Il est possible d’atteindre unniveau de sécurité plus élevé enmesurant la température directe-ment dans le moteur à protéger.

Des sondes de température àthermistances intégrées (PTC)dans le bobinage du moteur sur-veillent directement la tempéra-ture du bobinage. Dès que latempérature de déclenchementde la thermistance est atteinte, sarésistance augmente fortementprovoquant ainsi la coupure ducourant. La protection du mo-teur par klixon ou par d’autrestypes de contrôleur de tempéra-ture à bilame est moins répan-due. Si l’on veut mesurer la tem-pérature de façon continue, onpeut utiliser une sonde PT 100.

Protection contre le manqued’eau

Cette fonction consiste à sur-veiller la présence d’un débitsuffisant nécessaire à éviter tousdommages aux pompes. Pourcela, diverses techniques demesure peuvent être mises enœuvre. Lorsque la valeurmesurée tombe en dessous d’unseuil prédéfini, l’installation estcomplètement arrêtée et lemanque d’eau est signalé. Enfonction des critères de sécurité àres pecter, la remise en route del’installation peut être automa-tique ou manuelle. Mais danstous les cas, la signalisation dumanque d’eau devra être enre -gistrée pour le personnel de ser -vice.

Contrôle de débit

La protection des pompes contreun échauffement excessif en casde fonctionnement à débit nulest réalisée au moyen d’un con-trôleur de débit. Celui-ci neréagit pas lorsque la valeur in-stantanée tombe passagèrementau-dessous du seuil (par ex. pen-dant les phases de démarrage etd’arrêt) parce que ces manquesde débit momentanés ne portentpas atteinte aux pompes.

En tenant compte de l’objectifprincipal du concept de sécurité,à savoir maintenir l’installationen fonctionnement le pluslongtemps possible, on peutopter entre plusieurs types deréactions selon les exigences.Bien entendu, la protection despersonnes a toujours priorité surtoutes les fonctions d’urgence etde protection du matériel.

Appareils de détection et demesure

Une attention particulière doitêtre accordée à la sélection desappareils de détection et demesure (capteurs). La fiabilité dechaque système d’automatisationest intimement liée à la fonctioncorrecte des capteurs.

L’efficacité de chaque systèmed’automatisation est particulière-ment liée au fonctionnement correcte des capteurs. Si l’utilisa-tion de capteurs donne satis -faction dans une installationfonctionnant dans des conditionsparticulières, il est préférabled’utiliser le même type de cap-teur dans des installations simi-laires à réaliser.

En l’absence d’expériences enmatière de capteurs, il est utileque le fournisseur du systèmed’automatisation livre égalementles capteurs nécessaires afin deréduire les problèmes de fonc-tionnement et de garantie.

D’une manière générale, la sélec-tion et le montage des capteursdoivent être réalisés en tenantcompte des critères etparamètres suivants :

• pression de service nominale,

• surpression admissible,

• limites de température (tem-pérature ambiante, tempéra-ture du liquide pompé),

• énergie fournie par le capteurlui-même ou par une alimenta-tion secteur extérieure,

• transmission électrique des signaux,

• type et longueur maximale ducâble de transmission des signaux (nombre des conduc-teurs, section, blindage),

• transmission optique des signaux en cas de conditionsd’utilisation particulières, parex. longue distance (1 km), environnement très parasité,protection anti-déflagrante.

L’emplacement du capteur doitêtre choisi de manière à exclureque les mesures soient fausséespar :

• des turbulences,

• des poches d’air,

• des dépôts ou l’encrassement.

Pression différentielle (pres-sion)

Méthodes de mesure fréquentes :

• Pont de mesure piézorésistifsur membrane cristalline

• mesure inductive de déplace-ment d’une membrane mé-tallique

Pour les capteurs de pression, ilest important d’assurer que lasomme de la pression maximalemesurée et de la pression sta-tique du système ne dépasse pasla pression maximale admissible.

En cas de température élevée duliquide, la tuyauterie de mesuredoit être suffisamment longuepour permettre au fluide de re-froidir. Les prises des capteursdoivent être réalisées de manièreà éviter la pénétration de dépôtsdans la conduite de mesure (parex. sur le côté de la tuyauterie).

Mesure du débit

Méthodes de mesure fréquentes :

• par débitmètre électromagné-tique

• par débitmètre à ultrasons

A noter :

La partie électronique comprenden général deux parties, le con-vertisseur avec sa tête de mesureet l’appareil d’analyse.

Ces méthodes de mesure nécessi-tent une vitesse d’écoulementminimum. C’est pourquoi il n’estpas possible de réaliser desmesures continues jusqu’au débitnul. Lors de la sélection dudébitmètre, il faut tenir comptedes limites minimum et maxi-mum de débit.

Les débitmètres installés ont souvent un diamètre nominal inférieur à celui de la tuyauterie(avantages : coût réduit, vitessed’écoulement plus importante).La position d’installation dudébitmètre doit être choisie demanière à éviter la formation depoches d’air ou de turbulencesdans la tuyauterie de mesure.Pour les débitmètres électro -magnétiques, une conductivitéminimum du fluide doit être assurée. Les dépôts conducteursdans la zone de mesure (par ex.magnétite dans les installationsde recirculation) peuvent fausserle résultat des mesures.

La méthode de mesure par ultrasons est sensible à laprésence de corps solides dans lefluide véhiculé.

55

2Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

56

2

Contrôle d’écoulement

Méthodes de mesure fréquentes :

• détection calorimétrique

• contrôleur de débit à palette

A noter :

Les contrôleurs de débit sontutilisés le plus souvent en tantque détecteur de seuil pour lasurveillance et la commande(protection manque d’eau, détec-tion de débit mini.).

Le contrôleur de débit à palette,de conception plus simple, estplus sensible à la présence decorps solides dans le fluide etaux à-coups hydrauliques.

Détection de niveau

Méthodes de mesure fréquentes :

• capteur capacitif de niveau

• pression hydrostatique

A noter :

Les capteurs de niveau fonction-nant selon le principe capacitifconviennent seulement aux flu-ides satisfaisant à certaines con-ditions (constante diélectriqueélevée, conductivité faible).

Ils sont sensibles aux dépôts surles électrodes. Pour les liquidesfortement contaminés, la mesurede la pression hydrostatiqueselon le principe d’injection d’airest une méthode largementéprouvée.

Sondes de température

Principe de mesure :

changement de la résistance enfonction de la température

A noter :

Les sondes immergées dans lefluide ont des temps de réactionrelativement longs (réactionlente aux changements de tem-pérature).

En sélectionnant la sonde, tenircompte de l’épaisseur des matériaux isolants du tuyau(longueur du palpeur).

Documentation technique

Le coût et la complexité de l’in-stallation sont d’une importancedécisive pour le contenu et l’é-tendue de la documentationtechnique à fournir. En règlegénérale, la documentation stan-dard suffit pour les petites instal-lations et les installations stan-dardisées par le constructeur.

Pour les installations spécifiquespersonnalisées selon les besoinsdu client et pour les grands pro-jets, il convient de fournir un de-scriptif. Lors de l’étude et laplanification des grands projetsnotamment, il est souvent néces-saire de réaliser la documenta-tion au fur et à mesure de l’a-vancement de la planification etréalisation du projet.

En ce qui concerne la définitiondu calendrier de réalisation, ilfaut observer non seulement lesdélais de livraison des construc-teurs, mais également les phasesde validation par le donneurd’ordre.

Montage

• L’assemblage (électrique et mé-canique) des armoires élec-triques mises en place est réa -lisé sur site.

• Le branchement et la pose descâbles et conducteurs pour l’al-imentation, les moteurs, lescapteurs et le raccordement àla GTC sont réalisés sur site.

L’assemblage des différents com-posants, dans l’objectif d’en faireune installation en état de fonc-tionnement, doit être planifiéavec soin vu les nombreux inter-médiaires. La liste suivantedonne les travaux électriquesprincipaux.

L’assemblage (électrique et mé-canique) des armoires électriquesmises en place sur le chantier estréalisé :

sur site– par le soumissionnaire de la

partie électrique– voir offre du soumissionnaire

Les branchements électriques àréaliser sont les suivants :

Type NombreSectionCâble d’ali-mentation …… …… ……Câble moteur …… …… ……Câblecapteur …… …… ……

Branchement des câbles dansl’armoire électrique

• alimentationnombre conducteurs

• câble moteurnombre conducteurs

• câble capteurnombre conducteurs

• …………………………………

Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

57

2Branchement des câbles

• au moteurnombre conducteurs ……

• aux capteursnombre conducteurs ……

• ............................

La pose des câbles est réalisée

– sur site

– par le soumissionnaire

Fourniture et pose des câblesdans des chemins de câblesprévus sur site

• alimentation

• câble moteur

• câble capteur

Fourniture et pose de câbles élec-triques, y compris le matériel demontage et de fixation nécessaire

• voir offre du soumissionaire dela partie électrique

Mise en service

La première mise en service comprend la vérification des raccordements hydrauliques etélectriques, le contrôle du fonc-tionnement ainsi que l’élabora-tion du procès-verbal de récep-tion.

L’installation doit pouvoir permettre la vérification de l’installation sur toute sa plage etde tous les états de fonction-nement.

Estimation du temps d’interven-tion :

……………………………………

• Frais facturés selon les condi-tions de montage et d’installa-tion KSB

• Les frais sont compris dans leprix de l’offre.

Tout dépassement de temps du àdes circonstances non impu -tables à KSB sera facturé en sus,conformément aux conditions demontage et d'installation KSB.

Les frais supplémentaires pourl’hébergement, les déplacementsjournaliers et les indemnités dedéplacement sont facturés auréel.

Mise en route élargie

Essais de fonctionnement, in-struction du personnel et optimi-sation.

Essais de fonctionnement detoutes les armoires électriques, ycompris le contrôle de tous lesdispositifs de verrouillage et pro-tection.

La réalisation des essais de ré-ception requis et l’instruction dupersonnel de l’utilisateur sontégalement comprises dans cetteoffre élargie. L’utilisateur devratenir compte du fait que la miseen route et les essais de fonction-nement ne pourront pas être ef-fectués immédiatement après lafin des travaux de montage etque dans certains cas, tous lescontrôles et essais de fonction-nement ne pourront pas s’en-chaîner les uns aux autres.

Les frais sont facturés en fonc-tion de la durée de l’interventionet les dépenses réelles conformé-ment aux conditions de montageet d’installation KSB.

Formation du personnel deservice

Les installations complexes oudevant satisfaire à des exigencesélevées en terme de disponibiliténécessitent un personnel utilisa-teur bien formé. Pour assurer unfonctionnement fiable de l’instal-lation, la formation devra portersur les points suivants :

déroulement et différentesphases du process, utilisation etcommande du système, réactionsaux incidents, détection et sup-pression des anomalies de fonc-tionnement. Cette formation atoujours lieu après la mise enroute et la réception de l’installa-tion.

Notions sur l’automatisation d’installations et recommandations pour l’étude

58

3 Exemple d’étude d’un projet

3Exemple d’étude d’un projet

3.1Description de l’installation

Vingt-six sous-stations de trans-fert de chaleur sont raccordées àun réseau de chauffage urbain.La pression différentielle requiseaux points de transfert est 18 m.Les sous-stations de chauffageurbain sont raccordées par l’in-termédiaire d’échangeurs dechaleur. L’adaptation de la puis-sance dans le circuit primaire estréalisée en fonction des condi-tions climatiques au moyend’une vanne de réglage. Leréseau de chauffage urbain estdimensionné pour une tempéra-ture de départ de 130 °C et unetempérature de retour de 80 °C.Pour la réhabilitation envisagéedu réseau, il faut tenir compted’une puissance calorifiquemaxi male de 47 MW. Avec les

valeurs maximales de puissancecalorifique et d’écart de tempéra-ture, on obtient un débit de 861m3/h.

Les pertes de charge dans lestuyauteries calculées pour cedébit sont de 24 m jusqu’à lasous-station la plus éloignée.

Compte tenu de la pression différentielle (HW) de 18 m requise aux sous-stations de

transfert et des pertes de chargemax. (HT) de 24 m, les pompesdoivent fournir une hauteurmano métrique (HN) de 42 m.

Chaudière

Fig. 73 : Schéma d’installation

3.2Calcul de la courbe de réseau

(voir aussi fig. 14 page 9)

Lorsque le débit nominal (QN) etles pertes de charge (HT) sontconnus, on peut construire lacourbe de réseau.

Qx / QNHx =2

HT · ( )

Qx / 861 m3/h= 2100 % · ( )Hx

H [m]

Q [m /h] 3 250

50

42 40

30 25

18

10 5

430,5Q = N/2 Q = N

H = N

H = w

500

Courbe de réseau (charge maximale)

750 861

1000

Fig. 74 Courbe de réseau

donné recherché

Qx [m3/h] Hx [m]250 2500 8.1750 18.2861 24

3.3Etapes suivantes selon le logi-gramme d’étude

(voir page 61)

59

3

�

Déterminer la grandeur de régulation

Circuit fermé

Récepteurs aveccomportement de laminage

variable

Grandeurs de régulation envisageables :

– pression différentielle– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Grandeur de régulation choisie :– pression différentielle

Calcul de la courbe de régulation(voir 1.1.3)

Explications détaillées voir page 41

« Circuit fermé » :installation de chauffage en circuit fermé

Adaptation de la puissance dans les sous-stations de chauffage urbain en fonction de la température de départ pilotée par la température extérieure dans le circuit d’utilisation

Vu que le comportement des utilisations terminales détermine la résistance de l’installation, la pression différentielle est la grandeurde régulation qui convient.

Courbe de régulation ou courbe de pression requise

H [m]

Q [m /h] 3 250

50

42 40

30 25

18

10 5

430, 5Q = N/2 Q = N

H = N

H = w

500 750 861

1000

Fig. 75

Exemple d’étude d’un projet

Hx = (HN - HW) · (Qx / QN)2 + HW

= (42 m - 18 m) · (Qx / 861 m3/h)2 + 18 mHx

donné recherché

Qx [m3/h] Hx [m]0 18

250 20500 26,1750 36,2861 42

60

3 Exemple d’étude d’un projet

En raison des longues distances typiques pour les systèmes dechauffage urbain, il n’est pas possible de mesurer la pression différen-tielle au point le plus défavorisé, c’est-à-dire à l’endroit où la pressiondifférentielle est la plus basse (coût élevé).

Etant donné que le débit doit être mesuré en vue du comptage d’énergie, on en profite pour mesurer également la pression différen-tielle à la chaufferie. Grâce à la fonction d’adaptation de la consigneen fonction du débit dont sont équipés les systèmes de régulationmodernes KSB (voir page 32), les résultats ainsi obtenus sontsensible ment les mêmes que ceux de la mesure de la pression différen-tielle au point le plus défavorisé.

Vu les caractéristiques et la courbe de charge typique (fonction-nement fréquent à débit réduit), il est préférable de répartir le débittotal sur deux pompes.

Par mesure de sécurité, une troisième pompe de taille identique est installée (puissance des pompes : 3 x 50 %). Bien entendu, la pompede secours est entièrement prise en compte dans le concept d’auto -matisation (commutation en cas d’incident, permutation des pom-pes).

Charge maximale (calcul d’une installation neuve)

Le débit nominal est réparti sur deux pompes identiques. Ce débitnominal QN (voir fig. 76) implique une hauteur manométrique nominale HN. Chaque pompe doit être capable de fournir la hauteurmanométrique nominale HN à débit moitié (1/2 · QN).

Charge partielle

En régime de charge partielle, les points de fonctionnement de lapompe régulée doivent être situés sur la courbe de régulation. Cettedernière est déterminée de manière à assurer au moins la pressionrequise. Pour un fonctionnement fiable de la pompe, il est importantd’assurer que la courbe caractéristique de la pompe (à vitesse nomi-nale) ait un point d’intersection avec la courbe de régulation (pointB1,max dans le diagramme ci-dessous). �

�

Déterminer l’emplacementdu capteur

Emplacementdu capteur

Répartition du débit sur une ouplusieurs pompes

Avec / sans pompe de secours

Sélection des pompes

Sur la pompeavec

adaptation dela consigne

Surla

pompe

Dansl’installa-

tion

Emplacement choisi :sur la pompe avec adaptation de

la consigne

La prochaine étape consiste àdéterminer l’évolution de lapression différentielle requise.

Pour garantir l’alimentationsuffisante de toutes les sous-sta-tions de transfert de chaleur, unepression différentielle minimumde 18 m doit être disponible.Même pour le débit mini ≅ 0 m3/h, cette pression mini-

mum HW ≅ 18 m doit êtrefournie. Au fur et à mesure quele débit augmente, les pertes decharge s’ajoutent à cette valeur(se reporter à la courbe deréseau).

A l’aide d’une petite extensionde la formule de calcul, l’originede la parabole est déplacée à lahauteur de la consigne.

Il ressort des aspects développés ci-dessus pour le régime à chargepartielle que la pompe de reférence fonctionnant seule absorbe sapuissance maximale (Pw,max) dans le point B1,max. Cette valeurpeut être lue dans le diagramme de la pompe ou calculée à l’aide de laformule puissance.

Attention !

La puissance maximale à l’arbre de la pompe de charge normale estsupérieure à la puissance à QN2.

La puissance du moteur doit être au moins égale à la puissance maxisur arbre de la pompe (Pw,max) plus une marge de sécurité. Lamarge de sécurité doit compenser les tolérances des courbes carac-téristiques et les pertes dues au variateur de fréquence. Dans leprésent exemple, la marge de sécurité prise en compte est 5 %. Lavaleur de la marge de sécurité recommandée peut varier en fonctiondu type de variateur et de la taille.

Détermination de la puissance moteur :valeur lue dans le diagramme puissance : Pw, max = 78,2 kWmarge de sécurité 5% = 3,9 kWpuissance requise P2 = 82,1 kWtaille normalisée suivante = 90 kW

Tous les résultats importants de l’étude ont été rassemblés dans la fig-ure 77. Cette étape marque la fin de la sélection hydraulique despompes et de la définition du comportement en fonctionnementrégulé.

61

3

�

�

Déterminer la puissance requisedu moteur

Déterminer la puissance sur arbre

H [%]

H W

120

100

80

60

40

20

0 20 0 40 60 80 100

B I,N

B N B I,max

Q I,max Q N/2

Courbe de régulation

Q [%]

H N

Q N

Pompe 1

Fig. 76 Diagramme Q/H, représentation schématique

Exemple d’étude d’un projet

62

3 Exemple d’étude d’un projet

L’étude ne serait pas complète si l’on omettait de considérer tous lesautres paramètres et exigences qui figurent dans la documentationd’appel d’offres des composants de l’installation. Ce sont,

pour la pompe : • la nature du liquide pompé• les matériaux• la température• la pression etc...

pour le système • l’équipement électriquede régulation : • l’exécution mécanique etc.

• le raccordement à la gestion technique centralisée

Exigences particulières • dispositifs de sécurité à satisfaire : – arrêt d’urgence

– protection contre les surpressionsdangereuses

– alimentation de secours etc...• conditions du process

– démarrage par programme horaire– qualité de régulation (tolérances)– possibilité d’intervention manuelle

etc...

�

�

Exigences spécifiques

H [m]

P [kW]

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

2,2

2,0

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0.2

0,2

0.4

0,4

0.6

0,6

0.8

0,8

1.0

1,0

1.2

1,2

1.3

1,3

1.4

1,4

1.6

1,6

Courbe de régulationn ~ 100 %

n ~ 90 %

n ~ 80 %

n ~ 70 %

n ~ 60 %

Fonctionnement en parallèle P1 + 2(n )N

P1 + 2

P1

Puissance absorbée en fonctionnement régulé

Fonctionnement

à débit réduit

1.8

1,8

2.0

2,0

2.2

2,2

2.4

2,4

2.6

2,6

0

0

250 500 750 1000

Q/Q opt

Q/Q opt

Q [m /h] 3

P/P opt

P W,max

Economieréalisée

H/H opt

Q max

P1(n ) N

42 40

30 25

18

10 5

H = N

H = w

opt

430.5 Q = N/2 Q = N 861

Fonctionnement

à débit réduit

Fig. 77 Diagramme Q/H et courbe de puissance

La régulation automatique de pompes permet d’assurer à tout moment le fonctionnement requis d’une installation technique (enfonction de la consommation, par exemple). L’installation doit êtrecapable de s’auto-surveiller, d’éviter les états de fonctionnement critiques et de se maintenir dans un état sûr en cas d’incident.

Le principe de fonctionnement général et les interactions entre les différents composants et groupes sont exposés dans le descriptif del’installation.

Le devis type définit les données de l’installation et les caractéris-tiques de fonctionnement et de performance requises. Le devis typecomprend en outre une spécification technique exacte des appareilset composants utilisés et, le cas échéant, indique les conditions com-merciales souhaitées.

Pour l’analyse de la rentabilité, la puissance électrique absorbée pardeux pompes non régulées est comparée à la puissance absorbée enfonctionnement régulé. Dans ce dernier cas, une pompe régulée as-sure les besoins normaux tandis que la pompe d’appoint, nonrégulée, démarre en cas de débit important. Le réseau de chauffageurbain de notre exemple comprend des utilisations terminales àcharge variable.

Le calcul de rentabilité est développé en détail au chapitre 1.1.4.Vous y trouverez également la méthode de détermination des courbesde pompe à vitesse variable.

Méthode :

A l’aide du diagramme Q/H et de la courbe de régulation, on trace lescourbes de puissance absorbée en fonctionnement régulé (fig. 78).

Dans notre exemple, il est utile de procéder aux simplifications suivantes :

• La puissance à l’arbre économisée PW est supposée être égale à lapuissance réelle économisée.

• Les différences existantes au niveau des limites de démarrage etd’arrêt de la pompe d’appoint en fonctionnement régulé et nonrégulé ne sont pas prises en considération.

• A l’aide du profil de charge, on attribue les tranches d’heures defonctionnement annuelles et, dans le diagramme puissance, leséconomies de puissance absorbée correspondantes, à des régimes decharge définis. Un profil de charge standardisé est compris dans lesconditions d’agrément du label écologique « Blauer Engel » (angebleu) pour les circulateurs de chauffage (RAL-UZ105).

63

3

�

�

Exemple d’étude d’un projet

Descriptif de l’installationDevis types

Calcul de rentabilité

64

3 Exemple d’étude d’un projet

H [m]

P [kW]

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

n ~ 100 %

n ~ 90 %

n ~ 80 %

n ~ 70 %

n ~ 60 %

P1 + 2

P1

250

250

500

500

750

750

1000

1000

Q [m /h]3

Q [m /h]3

P W,max

Q max

P1(n ) N

42 40

30 25

18

10 5 0

H = N

H = w

opt

430.5

430,5

Q = N/2

Q = N/2

Q = N

Q = N

861

861

[∆h]

Q [%]

Débit nominal

Débit minimum

Courbe de charge annuelle

Du

rée

de

fon

ctio

nn

emen

tA

rrêt

1000

100

0 10

00 1

000

1000

100

0 10

00 1

000

760

0 20

6400 h

8760 h

40 60 80 100 120

Fonctionnement

à débit réduit

Fonctionnement

à débit réduit

Puissance absorbée en fonctionnement régulé

Economieréalisée

Courbe de régulation

Fonctionnement en parallèle P1 + 2(n )N

Fig. 78 Courbes d’analyse de la rentabilité

�

�

65

3Exemple d’étude d’un projet

Les résultats du calcul de rentabilité sont résumés dans le tableau“calcul de rentabilité” ci-dessous. Pour la détermination de la duréed’amortissement de l’investissement, il faut également prendre encompte les facteurs suivants :

• installation neuve ou réhabilitation d’une installation ancienne• niveau d’équipement de l’armoire électrique• méthodes de calcul spécifiques aux entreprises• prix du kW/h plus frais annexes

La durée d’amortissement estimée est comprise entre 1,8 et 2,9 ans enfonction des facteurs d’influence.

Légende :∆PE : énergie électrique économiséeB : durée de fonctionnementh/a : heures par anS : coût du kW/h∆EE : économie sur facture d’électricité∆EE = ∆PE · B · S

∆PE B S ∆EEkW h/a €/kWh €/a

19 1000 0,10 1.900,--15 1000 0,10 1.500,--21 1000 0,10 2.100,--26 1000 0,10 2.600,--26 1000 0,10 2.600,--28 1000 0,10 2.800,--

25,5 400 0,10 1.020,--

Σ 14.520,--

Calcul de rentabilité

�

Résultat :

Dans les conditions supposéesplus haut, on peut s’attendreà des économies annuelles del’ordre de 14 500 € réalisées

sur la facture d’électricité.

La durée d’amortissement del’investissement est compriseentre 1,8 et 2,9 ans en fonc-tion des facteurs d’influence.

66

4 Les avantages de l’automatisation et de la régulation de pompes

4Les avantages de l’automati sationet de la régulation de pompes

4.1Augmentation de la sécurité defonctionnement

a) Protection • permutation des pompes pouréquilibrer la durée de fonction-nement

• assurer un débit minimum auxpompes

• surveillance de la plage de fonc-tionnement des pompes pouréviter les états de fonction-nement non autorisés

Avantage :• La disponibilité de l’installation

est augmentée.

b) Permutation automatique en cas d’incident

• Permutation sur– pompe de secours– variateur de secours– alimentation réseau

Avantage :• La continuité du fonctionnement

de l’installation est assurée.

c) Surveillance • surveillance des seuils :– manque d’eau– température– grandeur de régulation

• arrêt de l’installation

Avantage :• L’installation est protégée contre

les dommages majeurs.

4.2Amélioration du comportementen fonctionnement

a) Maintien des paramètres duprocess à un niveau constant

par ex.• pression différentielle dans les

réseaux de chauffage urbain• pression dans les installations

de surpression• niveau de liquide dans les

stations d’épuration• débit dans les stations de

traitement de l’eau

Avantage :• Optimisation des process, d’où

maintien d’une qualité élevéeconstante

b) Diminution des coups de bélier

• dans les installations d’adduction d’eau

Avantage :• Sécurité de fonctionnement ac-

crue• Réduction des vibrations, bruits

et destructions de matériel

c) Réduction de la fréquence descycles

• dans les installations d’adduction d’eau

Avantage :• Suppression des battements

d) Réduction des bruits d’écoule-ment

• dans les robinets thermosta-tiques

Avantage :• Meilleur confort

67

4Les avantages de l’automatisation et de la régulation de pompes

4.3Amélioration de la qualité des produitsa) Machines-outils • maintien d’une pression constante

dans les systèmes de lubrification• réduction de l’apport de calories dans

le lubrifiant

Avantage :• Meilleure précision dimension-

nelle des pièces

b) Trains de laminoir • adaptation des débits et pressions aux buses de pulvérisation

Avantage :• Meilleure qualité des produits de

coulée continue4.4Réduction des frais d’exploitation / réduction des coûts de cycle de vie (LCC)a) Optimisation efficace en

fonction de la demande• adaptation de la puissance absorbée

par la pompe au profil de charge del’installation

Avantage :• Frais d’investissement réduits• Economies réalisées sur la facture

d’électricitéb) Réduction de la consom-

mation d’énergie en cas de• pompe surdimensionnée• installation caractérisée par de longues

périodes de faible consommation• puissance moteur élevée

Avantage :• Economies réalisées sur la facture

d’électricité

c) Réduction de l’usure descomposants de l’installation

• robinets de réglage, tuyauteries etpompes

Avantage :• Réduction des frais d’entretien

d) Réduction des pertes énergétiques dans l’installation

• Dans le réseau de chauffage urbain, la soupape de décharge n’entre enfonction que rarement, d’où réductiondes pertes thermiques vers le sol.

Avantage :• Economies réalisées sur le coût

de combustible

e) Adaptation du débit en cas de carence d’eau, par abaissement de la valeur de consigne

Avantage :• Permet de ménager les réserves

d’eau.

4.5Amélioration des informations sur l’installationa) Caractéristiques de

fonctionnement des pompes

• détection• attribution• analyse• affichage

Avantage :• Détection des points faibles• Mise à disposition d’informations

sur le déroulement du process• Optimisation de l’installation• Nouvelles expériences utiles pour

l’étude d’installations futuresb) Informations sur le

process• analyse des informations fournies

par capteur• enregistrement des valeurs mesurées,

données d’incidents etc.• statistiques des données de fonction-

nement• détection et diagnostic d’erreurs• détection de tendances

Avantage :• Réduction des frais d’inspection

et d’entretien• Détection précoce de dysfonc-

tionnements

c) Transmission de donnéespar bus

• démarrage/arrêt• valeur de consigne/valeur mesurée• défauts• états de fonctionnement

Avantage :• plus d’informations• transmission facilitée• traitement facilité

68

5 Synoptique des différents concepts d’automatisation

5Synoptique des différents con-cepts d’automatisation

Parmi les différents conceptsd’asservissement et de régulationélectriques et hydrauliques, ilconvient de choisir la solution lamieux adaptée en fonction desexigences et des conditions del’installation à respecter. L’éven-tail des solutions est large, allantd’une pompe régulée à plusieurspompes de taille identique oudifférente avec un ou plusieursvariateurs de fréquence.

Sur le plan hydraulique, unfonctionnement en parallèle ouun fonctionnement en série despompes peut être envisagé, ouencore une combinaison desdeux.

Les figures 79 et 80 ci-contredonnent un aperçu des solutionsles plus fréquentes. Quelques in-stallations de pompes en fonc-tionnement parallèle sontdécrites brièvement aux pagessuivantes.

non régulé régulé

1variateur

2variateurs

plus de deux

variateurs

Fig. 79 Schéma d’installation « Fonctionnement en parallèle de pom-pes centrifuges »

P1,2

H 1,2

H 2

Q max,2

Q max,1,2

Q max,1,2

Q max,1 H 1,2

H 1

P2

P2

P1,2

P1

P1

non régulé régulé

1variateur

2variateurs

Fig. 80 Schéma d’installation « Fonctionnement en série de pompescentrifuges »

5.1Fonctionnement en parallèlede pompes identiques avec unvariateur de fréquence(une pompe régulée en alter-nance)

La répartition du débit surplusieurs pompes de taille iden-tique permet :

• d’adapter de manière efficacela puissance absorbée aux be-soins de l’installation

• d’avoir une conception simplesur le plan

– électrique

– hydraulique

– de l’asservissement

Chaque pompe peut être directement alimentée par unréseau 50 Hz ou être régulée parle variateur de fréquence, d’où :

• sécurité de fonctionnement

• équilibrage de la durée defonctionnement grâce à la per-mutation de la pompe régulée

• les pompes d’appoint nonrégulées permettent d’aug-menter le débit à moindre frais

• courbe de régulation stablemême dans le cas de fonction-nement en parallèle avec despompes non régulées puisquela pression de refoulement del’installation de pompagedépend de la pression fourniepar la pompe régulée.

Au fur et à mesure que le re-foulement de la pompe baisse(par réduction de la vitesse) lapuissance requise à l’arbre, elleaussi, baisse de manière impor-tante. Ce phénomène se produitégalement après le démarrage depompes d’appoint.

69

5

M5 M4 M3 M2

Consigne

Secteur

Process

Capteur

Modules d'automatisation

Modules de puissance

Pompes

Variateur

Capteur de pression

M1

Fig. 81 Fonctionnement en parallèle de pompes centrifuges

H [%]

P [%]

120

100

80

60

40

20

0

240

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

0,2

0,2

0,4

0,4

0,6

0,6

0,8

0,8

1,0

1,0

1,2

1,2

1,3

1,3

1,4

1,4

1,6

1,6

Courbe de régulationn ~ 100 %

n ~ 90 %

n ~ 80 %

n ~ 70 %

n ~ 60 %

Fonctionnement en parallèle P1 + 2(n )N

P1 + 2

P1

1,8

1,8

2,0

2,0

2,2

2,2

2,4

2,4

2,6

2,6

0

0

Q/Q opt

Q/Q opt

Q max

P1(n ) N

opt

Fonctionnement régulé

Fonctionnement

à débit réduit

Economieréalisée

Fonctionnement

à débit réduit

Fig. 82 Diagramme de puissance pour le fonctionnement en parallèle depompes

Synoptique des différents concepts d’automatisation

5.2Fonctionnement en parallèlede pompes identiques avecdeux variateurs de fréquence (deux pompes régulées en al-ternance)

Répartition du débit surplusieurs pompes de taille iden-tique. Chacune des pompes peutêtre régulée par l’un ou l’autredes variateurs de fréquence oubien être alimentée directementpar le réseau 50 Hz.

Il en résulte

• une sécurité de fonction-nement élevée,

• la limitation du courant de dé-marrage des pompes régulées,ne dépassant pas le courantnominal,

• une permutation des pompesen douceur sur le plan élec-trique et hydraulique.

La régulation de deux pompesau moyen de deux variateurs defréquence apporte des avantageshydrauliques évidents dont lesprincipaux sont :

• l’élargissement de la zone derégulation

• courbe de fonctionnementQmax P1 multipliée par deuxpour Qmax P1+P2

• démarrage et arrêt progressifsdes pompes régulées et comportement sensiblementamorti des pompes nonrégulées.

La mise en œuvre de deux varia-teurs permet de réaliser deséconomies supplémentaires com-paré au fonctionnement avec unseul variateur. Cela tient en pre-mier lieu :

• à la plus grande zone de régu-lation qui permet par exempleune meilleure exploitation dela pression d’aspiration,

• au meilleur rendement à débitréduit (à partir de deux pom-pes en service)

70

5 Synoptique des différents concepts d’automatisation

M5 M4 M3 M2

Variateur I

M1

Consigne

Secteur

Process

Capteur

Régulation

Modules de puissance

Pompes

Capteur de pression

Commande

Variateur II

Fig. 83 Fonctionnement en parallèle de pompes centrifuges

1.2 1.1 1.0

0,8

0.4

0

2.4

2.2

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1,0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0.2

0.2

0.4

0.4

0.6

0.6

0.8

0.8

1.0

1.0

1.2

1.2

1.3

1.3

1.4

1.4

1.6

1.6

P1 + 2(n ) N

P1 + 2

P1

P1 - 3(n ) N

P1 + 2

P1 + 2

1.8

1.8

2.0

2.0

2.2

2.2

2.4

2.4

2.6

2.6

0

0

Q/Q opt

Q/Q opt

Q max

Q max

H/H opt

P/P opt

P1(n ) N P1(n )limite

P1

Courbe de réseau

Fonctionnement réguléFonctio

nnement

à débit réduit

Puissance économisée

Fonctionnement

à débit réduit

Fonctionnement régulé

Fig. 84 Diagramme de puissance pour le fonctionnement en parallèle depompes

5.3 Fonctionnement en paral-lèle de pompes de taille dif-férente(3 pompes de charge princi-pale dont une régulée et uneou deux pompes de charge ré-duite dont une régulée)

Répartition du débit sur unepompe de charge réduite etplusieurs pompes de chargeprincipale. Ce type d’installationest bien adapté aux fortes varia-tions de débit. Il peut s’agir devariations saisonnières aussibien que de variations dans unrythme journalier.

Une pompe de secours de tailleidentique à la pompe de débitréduit peut être prévue pourcelle-ci. Si l’installation ne doitpas satisfaire à des exigences desécurité particulières, la pompede secours n’est pas obligatoire.En cas de défaillance de lapompe de charge réduite, lespompes principales assurent ledébit.

La plage de charge réduite estnormalement couverte par unepompe de petite taille. Cela per-met

• d’obtenir un meilleur rende-ment,

• de garantir un débit minimumaux pompes principales,

• de réduire la fréquence de dé-marrage à faible charge.

71

5

M5 M4 M3 M2

Process

VariateurI

FI II

M1

Consigne

Secteur

Capteur

Régulation

Modules de puissance

Pompes

Capteur de pression

Commande

Fig. 85 Schéma d’installation« Fonctionnement en parallèle de pompes centrifuges »

H [%]

P [%]

120

100

80

60

40

20

0

240

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

0,2

0,2

0,4

0,4

0,6

0,6

0,8

0,8

1,0

1,0

1,2

1,2

1,3

1,3

1,4

1,4

1,6

1,6

Courbe de réseau

Pompe de charge réduite

n ~ 100 %

n ~ 90 %

n ~ 80 %

Fonctionnement en parallèle P1 + 2(n )N

P1 + 2

1,8

1,8

2,0

2,0

2,2

2,2

2,4

2,4

2,6

2,6

0

0

Q/Q opt

Q/Q opt

Pompe de charge réduite régulée

Fon

ctio

nn

em

en

t ré

gu

lé

Q max

P1(n ) N

opt

P1

Fonctionnement régulé

Fonctionnement

à débit réduit

Economieréalisée

Fonctionnement

à débit réduit

Fig. 86 Diagramme de puissance pour le fonctionnement en parallèle depompes

Synoptique des différents concepts d’automatisation

72

5 Synoptique des différents concepts d’automatisation

5.4Autres concepts de régulationproposés par KSB

Une qualité de régulation opti-male est obtenue lorsque chaquegroupe électro-pompe est régulépar son "propre" variateur.Cette solution a cependant l’in-convénient d’être plus coûteuseet plus encombrante. Pour cer-taines applications (par ex.chauffage urbain avec deuxpompes de départ et deux pom-pes de retour), c’est la solutionla plus avantageuse.

M4 M2 M3

Secteur

Variateurs

M1

P1 P3 P2 P4

Fig. 87 Un variateur de fréquence est associé à chacune des pompes.

73

oui

Définir la grandeur de régulation

Circuit fermé

récepteurs avec comportement de laminage variable

récepteurs avec comportement de laminage variable

non (ouvert)

Pression différentielle. . . . . . . . . . . . . . . . .

Pression . . . . . . . . . . . . . . . . .

Grandeurs de régulation possibles

Température– température de départ– température de retour– température différentielle– . . . . . . . . . . . . . . . .

TempératureNiveau. . . . . . . . . . . . . . . .

Grandeur de régulation choisie :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Déterminer l'emplacement du capteur

Emplacement capteur

près du

générateur

sur la pompe avec

adaptation de la consigne

près du

récepteur

Grandeur de régulation choisie :

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Déterminer l'emplacement du capteur

Emplacement capteur

dans le

réservoir

près du

générateur

prèsde

l'utilisation

Grandeur de régulation choisie :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Déterminer l'emplacement du capteur

Emplacementcapteur

surla

pompe

sur la pompe avec

adaptation de la consigne

dans l'installation

Emplacement choisi :

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Répartition du débit sur une ou plusieurs pompes

avec / sans pompe de secours

Sélection des pompes

Déterminer la puissance à l'arbre

Déterminer la puissance moteur requiseExigences particulières

Descriptif de l'installationDevis types

Calcul de rentabilité

oui oui

non (constante) non (constante)

Niveau Température

Grandeurs de régulation possibles

Grandeurs de régulation possibles

Grandeurs de régulation possibles

Logigramme des étapesd’étude d’une installation

74

75

76

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