Aux technologies traditionnelles des moteurs à bagues, des systèmes à courant continu, des coupleurs hydrauliques et électromagnétiques, s’ajoutent désormais, grâce au développement de l’électronique industrielle, celles de la variation de vitesse par modulation de fréquence.
Dans le domaine de l’eau, les stations de pompage fonctionnent à des régimes différents liés aux conditions d’utilisation ou d’alimentation : c’est ainsi que la production d’eau potable et le relèvement des eaux usées varient de façon importante au cours d’une journée ; de même, les besoins d’eau pour l’irrigation se modifient au cours de la saison et l’industrie doit également faire face à des impératifs variables de production.
Les solutions adoptées jusqu’à présent, telles que vannages, marche intermittente et multiplication des équipements sont désormais complétées par l’utilisation de systèmes de pompage à vitesse variable.
LE POMPAGE À VITESSE VARIABLE
Dans les applications à base de groupes électropompes volumétriques, les caractéristiques principales devant guider le choix d’un équipement sont de trois sortes :
— le couple de démarrage : l’ensemble rotor et stator comporte une zone de contact à fort coefficient de frottement ; le décollage du mobile implique un couple très supérieur à celui du fonctionnement normal ;
— la gamme de variation de vitesse : dans un groupe électropompe volumétrique, le débit est directement lié à la vitesse de rotation à pression constante ; on peut donc être amené à explorer une zone de variation très large ;
— la puissance de l’ensemble moto-variateur : la puissance utile, qui varie avec le débit, doit être supérieure à celle strictement nécessaire pour vaincre le couple de démarrage.
Elles sont communément traitées en milieu industriel, agro-alimentaire et dans le traitement des eaux résiduaires.
Dans les utilisations basées sur l’emploi de groupes électropompes centrifuges, les caractéristiques déterminantes portent avant tout sur leur type d’utilisation ; on doit en effet distinguer :
- les réseaux à faible perte de charge dont le tracé représentatif est pseudo-linéaire. Dans ce cas, une faible modification de la vitesse de rotation du groupe électropompe entraîne une variation de débit importante (ce cas est courant en irrigation) ;
- les réseaux à forte perte de charge dont le tracé représentatif est parabolique ; dans ce cas, l’optimisation du procédé est obtenue en conservant le fonctionnement du groupe électropompe dans la zone du rendement nominal (figure 1).
Ces particularités montrent l’importance de la détermination de la pompe centrifuge dans un ensemble à variation de vitesse.
LE SYSTÈME DE VARIATION DE VITESSE
Pour obtenir la variation de vitesse d’un groupe électropompe de surface ou submersible comportant un moteur asynchrone, il est nécessaire d’introduire un équipement qui se substitue au réseau d’alimentation électrique, appelé « modulateur de fréquence ». Il est conçu pour délivrer un courant triphasé dont on fera évoluer simultanément la tension de sortie et la fréquence.
Parmi les différents modèles utilisables pour les moteurs asynchrones, nous avons choisi le procédé dénommé « modulation de largeur d’impulsion » ou PWM (Pulse Width Modulation) qui permet d’assurer :
- la réduction du taux d’harmonique (pour limiter les échauffements des bobinages) ;
- la réduction de la consommation de l’énergie réactive (afin de conserver le cosinus phi nominal du moteur) ;
- une adaptation à toute une gamme de moteurs grâce à des commutations en charge.
Son emploi est facilité par la croissance constante de la technologie des semi-conducteurs, laquelle permet de disposer désormais de thyristors de puissance capables de faire transiter des intensités de plusieurs centaines d’ampères.
L’utilisation d’un groupe de pompage à variation de vitesse implique son asservissement à un ou plusieurs paramètres tels que le débit, la pression, le niveau. Chacun d’eux doit faire l’objet
[Photo : Loi de similitude (Figure 1)]
[Photo : Régulation de débit.]
d'une régulation spécifique ; nous en donnons des exemples ci-après :
- l'asservissement à débit constant est utilisé pour l'alimentation d'ouvrages de traitement des eaux. Les mesures de débit sont effectuées par un débitmètre puis traitées par un comparateur de consigne et un régulateur à bande proportionnelle intégrale et dérivée (figure 2) ;
- l'asservissement à pression constante sert pour l’alimentation de réseaux de distribution d'eau potable et d’irrigation. Les mesures sont assurées par un capteur de pression puis traitées de même par un comparateur de consigne et un régulateur à bande proportionnelle intégrale et dérivée (figure 3) ;
- l'asservissement à niveau constant est employé pour la régulation des eaux résiduaires dans les postes de refoulement, au moyen d'une sonde à ultrasons indépendante de l’effluent, dont les indications sont également prises en charge par un comparateur de consigne et un régulateur à bande proportionnelle intégrale (figure 4).
[Photo : Régulation de pression.]
[Photo : Régulation de niveau.]
L'UTILISATION DE LA VITESSE VARIABLE
La place des équipements à variation de vitesse s’étend chaque jour dans les domaines les plus variés :
— l'industrie chimique et agro-alimentaire, pour la régulation de la production : la variation de vitesse permet ainsi l'alimentation en continu des réserves de jus de cassoulet dans une usine de Castelnaudary ;
— le traitement des eaux résiduaires, par la régulation des débits d'apport et pour le renforcement de capacité des postes existants ;
— la surpression collective et l’adduction d’eau pour la régulation de la pression, permet une meilleure utilisation des appareils sanitaires ;
— l'irrigation, par adaptation aux exigences du réseau des caractéristiques des groupes électropompes. Le développement des dispositifs automatiques d’aspersion conduit à la réalisation de stations de pompage dont les contraintes sont plus astreignantes que celles réalisées jusqu'à présent ;
— la géothermie, où l'on doit ajuster en permanence l'apport calorifique à la demande (débit de la boucle) ; la rentabilité d'une installation géothermale dépend en effet de l’optimisation des différents paramètres thermiques et hydrauliques.
Dans ces divers domaines, nous rencontrons deux configurations types d'équipements à vitesse variable.
Dans le premier, un groupe électropompe entraîné à vitesse variable est commandé soit directement par potentiomètre, soit par une boucle de régulation à partir de capteurs de pression, débit, niveau, etc.
Dans le second, on utilise plusieurs groupes électropompes, entraînés l'un à vitesse variable et les autres à vitesse fixe. À partir d'un générateur de consigne et d'un capteur donnant l'image de la grandeur physique à réguler, l'automatisme électronique assure l’enclenchement en cascade du groupe à vitesse variable puis de ceux à vitesse fixe. Ces configurations sont rencontrées en surpression collective, adduction d’eau, irrigation et traitement des eaux résiduaires.
Compte tenu des variations incessantes des caractéristiques des réseaux, les groupes électropompes sont utilisés très rarement au débit nominal pour lequel ils ont été calculés. Leur entraînement par un moteur à vitesse variable permet l'adaptation des caractéristiques hydrauliques de la pompe aux besoins à satisfaire ; le fonctionnement de celle-ci se situe alors dans la zone de meilleur rendement et sa vitesse est optimale, avec les conséquences suivantes :
- plus grande fiabilité mécanique ; la poussée radiale sur l’impulseur est minimale, les vibrations, les bruits et l'usure sont diminués ;
- souplesse de fonctionnement ; on constate une diminution du nombre de démarrages par rapport aux systèmes traditionnels, avec possibilité de réglage des temps d’accélération des moto-variateurs ;
- asservissement des divers paramètres pression, débit, niveau, etc. réalisé par des ensembles de régulation simples et précis ;
- économie d'énergie par rapport aux systèmes classiques (régulation par vannage, mise en parallèle de plusieurs groupes ou fonctionnement intermittent).
On constate actuellement que la variation de vitesse par modulation de fréquence trouve un large champ d’application dans des domaines spécifiques à forte technicité. Compte tenu de ses avantages intrinsèques, son utilisation s'étend de plus en plus à des applications plus classiques.
