AUTOMATISMES ET RÉGULATEURS DES SYSTÈMES DE CLIMATISATION (partie 2/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de ce chapitre, l’élève sera capable de : - expliquer le principe de fonctionnement d’un régulateur de température, de pression ou d’humidité dans un système de climatisation ; - réaliser le câblage et la mise en service d’un régulateur PID sur une unité split ou une centrale de traitement d’air (CTA) ; - diagnostiquer les pannes les plus fréquentes d’un régulateur (capteur défaillant, actionneur bloqué, consigne erronée) et proposer les interventions correctives ; - appliquer les consignes de sécurité électrique et de manipulation des fluides frigorigènes lors des opérations de réglage et de dépannage. **Prérequis** : - notions de base sur les systèmes de climatisation (compresseur, condenseur, évaporateur, détendeur) ; - connaissance des grandeurs physiques (température, pression, débit) et de leurs unités (℃, kPa, m³/h) ; - lecture de schémas électriques simples et de diagrammes de boucle de régulation ; - utilisation d’un multimètre et d’un manomètre de pression. --- ### Introduction contextualisée Au Cameroun, la demande en climatisation s’intensifie dans les secteurs hôtelier, hospitalier et tertiaire, notamment à Douala et Yaoundé où les températures moyennes dépassent 28 ℃ une grande partie de l’année. La performance énergétique d’une installation dépend largement de la qualité de sa régulation : un régulateur mal réglé entraîne des surconsommations pouvant atteindre 30 % et réduit la durée de vie des composants. Les activités d’intégration et de remédiation proposées ici s’inscrivent dans la logique du référentiel MINESEC/IGE, qui privilégie l’approche par compétences : l’élève doit non seulement connaître les théories, mais aussi les mettre en œuvre en atelier ou sur chantier, en respectant les normes de sécurité (NF EN 378, NF EN 12284) et les bonnes pratiques professionnelles. --- ## I. Activité d’intégration N°4 – Mise en place d’un régulateur de température sur un système split ### 1. Notions fondamentales de la régulation Une boucle de régulation comporte quatre éléments : le **capteur** (mesure la grandeur à contrôler), le **comparateur** (calcule l’erreur entre consigne et mesure), le **correcteur** (produit une commande proportionnelle, intégrale et dérivée – PID) et l’**actionneur** (modifie le fonctionnement de l’installation, ici un compresseur ou une vanne motorisée). > **> La loi de commande PID s’expresse :** > **u(t) = Kp·e(t) + Ki·∫e(t)dt + Kd·de(t)/dt** > où *u(t)* est la sortie du correcteur, *e(t)* l’erreur, *Kp*, *Ki*, *Kd* les gains proportionnel, intégral et dérivé. ### 2. Choix du régulateur adapté Pour un split mural de 3,5 kW, on utilise généralement un **thermostat électronique à consigne réglable** comportant une entrée NTC 10 kΩ pour la température d’ambiance et une sortie 0‑10 V pilotant un variateur de fréquence (VFD) sur le compresseur. Ce type de régulateur permet une modulation fine du débit frigorifique et évite les démarrages‑arrêts fréquents. ### 3. Schéma de câblage type | Élément | Borne | Fonction | |---------|-------|----------| | Alimentation 230 V AC | L, N | Alimentation du régulateur | | Capteur NTC | T1, T2 | Mesure température ambiante | | Sortie commande | V+ , V‑ | Signal 0‑10 V vers VFD | | Entrée consigne | C+ , C‑ | Potentiomètre ou interface tactile | | Borne de terre | PE | Protection contre les défauts d’isolement | > **> Toujours vérifier l’isolement entre les parties puissance (230 V) et les parties commande (0‑10 V) avec un mégohmmètre avant mise sous tension.** ### 4. Procédure de mise en service pas à pas 1. **Couper l’alimentation** du groupe extérieur et vérifier l’absence de tension. 2. **Fixer le régulateur** sur le mur intérieur à 1,5 m du sol, loin des sources de chaleur directe. 3. **Réaliser le câblage** selon le tableau ci‑dessus, en utilisant des fils cuivre 1,5 mm² pour l’alimentation et 0,5 mm² pour les signaux. 4. **Effectuer le serrage des borniers** avec un tournevis isolé, contrôler le couple (0,5 Nm). 5. **Rétablir l’alimentation** et mettre le régulateur en mode « auto ». 6. **Ajuster la consigne** à 22 ℃ (température de confort recommandée pour les bureaux). 7. **Observer la réponse** : le compresseur doit démarrer progressivement, la température ambiante descendre puis se stabiliser autour de la consigne avec un dépassement inférieur à 0,5 ℃. 8. **Réaliser le réglage PID** (si le régulateur le permet) : commencer avec Kp = 2, Ki = 0,1, Kd = 0, puis affiner en fonction de l’oscillation observée. ### 5. Exemple chiffré de réglage PID Supposons que, après mise en service, la température oscille avec une période de 4 min et un amplitude de ±1,2 ℃. On applique la méthode de Ziegler‑Nichols en boucle fermée : - On augmente Kp jusqu’à l’apparition d’une oscillation soutenue : Kp_crit = 4,5. - Période d’oscillation Tc = 4 min. - Alors : Kp = 0,6·Kp_crit = 2,7 ; Ki = 2·Kp/Tc = 2·2,7/4 = 1,35 min⁻¹ ; Kd = Kp·Tc/8 = 2,7·4/8 = 1,35 min. > **> Après ces réglages, l’amplitude chute à ±0,3 ℃ et le temps de stabilisation passe de 6 min à 2,5 min.** ### 6. Normes et sécurité - NF EN 378‑2 : exigences de sécurité pour les systèmes de réfrigération et de pompes à chaleur. - Porter des gants isolants lors du serrage des borniers hors tension. - Vérifier l’absence de fuite de fluide frigorigène avec un détecteur électronique avant toute intervention sur le compresseur. --- ## II. Activité de remédiation N°4 – Diagnostic et dépannage d’un régulateur défaillant dans une centrale de traitement d’air (CTA) ### 1. Contexte de la CTA Une CTA de 12 000 m³/h, installée dans un hôpital de référence, assure le renouvellement d’air et le contrôle de l’humidité relative (HR) entre 45 % et 55 %. Elle comporte : - un **pré‑filtre** et un **filtre HEPA** ; - une **batterie de chauffage** à eau chaude ; - une **batterie de refroidissement** à eau glacée ; - un **humidificateur à vapeur** ; - un **régulateur de pression différentielle** (maintaining a slight positive pressure) ; - un **automate programmable (PLC)** gérant les boucles de température, HR et pression. ### 2. Symptômes fréquents d’un régulateur défaillant | Symptomatique | Cause probable | Vérification initiale | |---------------|----------------|-----------------------| | Température ambiante dépasse consigne de +2 ℃ | Sonde de température décalée ou court‑circuit | Mesurer résistance de la sonde NTC (doit être d’environ 10 kΩ à 25 ℃) | | HR reste basse malgré humidificateur en marche | Capteur HR défaillant ou vanne d’alimentation vapeur bloquée | Vérifier tension de commande de la vanne (0‑10 V) | | Pression différentielle oscille autour de 0 Pa | Régulateur de pression en mode « on/off » au lieu de PID | Examiner les paramètres PID du PLC | | Alarme « defaut capteur » permanente | Alimentation du capteur coupée ou câble sectionné | Tester continuité du câble avec un ohmmètre | ### 3. Méthodologie de diagnostic en 5 étapes 1. **Observation** : noter les valeurs affichées sur l’IHM (Interface Homme‑Machine) et comparer aux consignes. 2. **Isolation** : mettre le régulateur en mode « manuel » pour vérifier si l’actionneur répond directement à une commande forcée. 3. **Mesure** : utiliser un multimètre pour contrôler les grandeurs d’entrée (tension, résistance) et de sortie (signal 0‑10 V, courant 4‑20 mA). 4. **Test de substitution** : remplacer le capteur suspect par un élément connu bon et observer le retour à la normale. 5. **Validation** : remettre en mode automatique, vérifier la stabilité pendant au moins 15 min et consigner les réglages. > **> Toujours travailler sous tension réduite (≤ 24 V) lorsqu’on teste les entrées/sorties analogiques afin d’éviter d’endommager le PLC.** ### 4. Exemple de dépannage : sonde de température HS - **Symptôme** : l’IHM indique 35 ℃ alors que la température réelle mesurée au thermomètre à mercure est de 24 ℃. - **Étape 1** : on mesure la résistance de la sonde NTC aux bornes T1‑T2 : on obtient 0 Ω (court‑circuit). - **Étape 2** : on débranche la sonde et on mesure la résistance du câble seul : 0,2 Ω (acceptable). - **Étape 3** : on remplace la sonde par une NTC 10 kΩ neuve, on rebranche et on relève désormais 24,3 ℃ sur l’IHM. - **Étape 4** : on remet le régulateur en automatique, on constate que la température se stabilise à 22 ℃ avec un dépassement de ±0,2 ℃. - **Conclusion** : la sonde était défaillante (court‑circuit interne). ### 5. Procédure de remise en service après remplacement 1. **Couper l’alimentation** du PLC et de la CTA. 2. **Déposer le régulateur défectueux** suivant les consignes du fabricant (vis de fixation, connecteurs). 3. **Installer le nouveau régulateur** ou le nouveau capteur, en respectant le repérage des fils (code couleur). 4. **Effectuer un test de continuité** et d’isolement avant remise sous tension. 5. **Rétablir l’alimentation**, lancer l’auto‑test du PLC. 6. **Recharger les paramètres de régulation** (consignes, gains PID) depuis la sauvegarde ou les reprogrammer selon la fiche de réglage. 7. **Surveiller le fonctionnement** pendant 30 min, noter les écarts et ajuster si nécessaire. ### 6. Normes et précautions spécifiques - NF EN 12284‑1 : règles de conception et d’essai des échangeurs de chaleur à eau utilisés en CTA. - Porter un masque anti‑poussière lors du remplacement des filtres HEPA. - Vérifier l’étanchéité des raccordements frigorifiques avec un détecteur de fuites avant de remettre le système sous pression. - Consigner toute intervention dans le registre de maintenance (date, opération, pièces remplacées, technicien). --- ## Synthèse du chapitre - **Boucle de régulation** : capteur → comparateur → correcteur (PID) → actionneur. - **Régulateur de température split** : thermostat électronique NTC + sortie 0‑10 V vers VFD ; procédure de câblage, mise en service et réglage PID (exemple chiffré). - **Régulateur de CTA** : PLC gérant température, HR, pression ; diagnostic basé sur observation, mesure, substitution. - **Exemple de dépannage** : sonde de température HS détectée par mesure de résistance, remplacée, rétablissement du fonctionnement. - **Sécurité** : isolement puissance/commande, port d’EPI, vérification d’isolement, respect NF EN 378 et NF EN 12284. - **Maintenance** : consigner chaque intervention, sauvegarder les paramètres du PLC, tester les capteurs périodiquement. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **PID** | Régulateur proportionnel‑intégral‑dérivé, loi de commande u(t)=Kp·e+Ki·∫e dt+Kd·de/dt. | | **NTC** | Thermistance à coefficient de température négatif, résistance diminue quand la température augmente. | | **VFD** | Variateur de fréquence, dispositif qui fait varier la vitesse d’un moteur électrique en modifiant la fréquence de l’alimentation. | | **CTA** | Centrale de traitement d’air, installation qui filtre, chauffe, refroidit et humidifie l’air d’un local. | | **HR** | Humidité relative, rapport entre la pression de vapeur d’eau réelle et la pression de vapeur d’eau saturante à même température, exprimé en %. | | **PLC** | Automate programmable logique, contrôleur industriel programmable en langage ladder ou texte structuré. | | **Consigne** | Valeur de référence que le régulateur doit maintenir (ex. 22 ℃ pour la température ambiante). | | **Gain proportionnel (Kp)** | Coefficient qui multiplie l’erreur instantanée dans la loi PID ; influence la rapidité de réponse. | | **Gain intégral (Ki)** | Coefficient qui multiplie l’intégrale de l’erreur ; élimine l’erreur statique. | | **Gain dérivé (Kd)** | Coefficient qui multiplie la dérivée de l’erreur ; amortit les oscillations. | | **Borne de terre (PE)** | Conducteur de protection relié à la masse pour éviter les chocs électriques. | | **Détecteur de fuites** | Instrument qui signale la présence de fluide frigorigène dans l’air (souvent à base de diode chauffée). | | **IHM** | Interface Homme‑Machine, écran ou clavier permettant à l’opérateur de visualiser et modifier les paramètres. | | **EPI** | Équipement de protection individuelle (gants isolants, lunettes, masque). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Réglage d’un régulateur PID sur un split **Consigne** : Un split de 4 kW est équipé d’un régulateur permettant de modifier Kp, Ki et Kd. Après mise en service, la température ambiante oscille entre 20,5 ℃ et 23,5 ℃ avec une période de 5 min. Déterminer les valeurs de Kp, Ki et Kd à appliquer selon la méthode de Ziegler‑Nichols en boucle fermée. **Corrigé** 1. On augmente Kp jusqu’à l’apparition d’une oscillation soutenue : on obtient Kp_crit = 5,0. 2. Période d’oscillation mesurée Tc = 5 min. 3. Application des formules Ziegler‑Nichols : - Kp = 0,6·Kp_crit = 0,6·5,0 = 3,0 - Ki = 2·Kp/Tc = 2·3,0/5 = 1,2 min⁻¹ - Kd = Kp·Tc/8 = 3,0·5/8 = 1,875 min 4. On règle le régulateur avec Kp = 3,0, Ki = 1,2 min⁻¹, Kd = 1,875 min. 5. Vérification : l’amplitude chute à ±0,4 ℃ et le temps de stabilisation passe de 6 min à 2,2 min. ### Exercice 2 – Diagnostic d’une vanne de vapeur bloquée dans une CTA **Consigne** : Dans une CTA hospitalière, l’humidité relative reste à 30 % alors que la consigne est 50 %. L’humidificateur à vapeur est en marche, mais aucune montée d’humidité n’est observée. Proposer une démarche de diagnostic et indiquer la vérification clé permettant de confirmer que la vanne d’alimentation vapeur est bloquée en position fermée. **Corrigé** 1. **Observation** : l’IHM indique que la consigne HR est 50 % et la mesure réelle est 30 %. Le statut de l’humidificateur affiche « ON ». 2. **Isolation** : on passe l’humidificateur en mode « manuel » et on force l’ouverture de la vanne à 100 % (signal 10 V). 3. **Mesure** : on mesure la température du tuyau vapeur en aval de la vanne avec un thermocouple ; on constate qu’elle reste à la température ambiante (≈ 24 ℃) alors qu’en fonctionnement normal elle devrait dépasser 100 ℃. 4. **Vérification clé** : on mesure la continuité électrique de la bobine de la vanne avec un ohmmètre ; on obtient une résistance infinie (circuit ouvert), indiquant que la bobine est coupée ou que le relais de commande ne ferme pas le circuit. 5. **Conclusion** : la vanne est bloquée fermée (bobine défectueuse ou alimentation interrompue). 6. **Intervention** : remplacer la bobine ou le relais, rétablir l’alimentation 24 V, remettre en mode automatique et vérifier que l’HR remonte à 50 % en moins de 10 min. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de sécurité / bonne pratique | |----|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | **Oublier de couper l’alimentation avant de travailler sur le régulateur** | Risque de choc électrique, détérioration du composant | Toujours isoler le circuit (disjoncteur) et vérifier l’absence de tension avec un voltmètre avant toute manipulation. | | 2 | **Confondre les borniers d’alimentation (230 V) et ceux de commande (0‑10 V)** | Court‑circuit, grillage du régulateur ou du VFD | Respecter le code couleur des fils (rouge/noir pour puissance, bleu/blanc pour commande) et consulter le schéma de câblage du fabricant. | | 3 | **Ne pas vérifier l’isolement entre les parties puissance et commande** | Retour de tension sur les entrées analogiques, endommagement du PLC | Utiliser un mégohmmètre (500 V) pour mesurer l’isolement ; valeur minimale acceptée : 1 MΩ. | | 4 | **Régler les gains PID à des valeurs excessivement élevées** | Oscillations importantes, usure prématurée du compresseur ou des vannes | Appliquer la méthode de Ziegler‑Nichols ou suivre les valeurs préconisées par le fabricant ; effectuer des essais en mode « manuel » avant de passer en automatique. | | 5 | **Ne pas remplacer un filtre HEPA saturé avant intervention sur la CTA** | Débit d’air réduit, surcharge du ventilateur, risque de contamination | Vérifier l’état des filtres selon le planning de maintenance ; porter un masque FFP2 lors du remplacement. | | 6 | **Ignorer les consignes de manipulation des fluides frigorigènes** | Fuites, exposition à des substances toxiques, non‑conformité réglementaire | Utiliser uniquement du matériel certifié (detecteur de fuites, récupérateur), travailler dans un endroit ventilé, et enregistrer toute intervention dans le registre de fluides. | --- *Fin du cours.*