Brevet FR2007228A1 — publié le 19700102

i ; . ? Dès que le couple maximal continu d'un moteur ou autre appareil synchrone est dépassé, le décalage des p6les de cet appareil commence. Si l'on ne coupe pas immédiatement la charge, l'appareil se décroche alors du synchronisme, ce gui peut causer ? de très gros dommages à ses enroulements. Par suite, il est -extrêmement désirable de détecter le décalage d'un pôle d'un tel appareil dès qu'il se produit, et de couper le courant alternatif alimentant l'appareil afin d'arrêter celui-ci. Le procédé usuel de détection du décrochage.du synchronisme d'un appareil synchrone consiste à contrôler le courant d'inducteur. Le décalage" d'un pôle produit dans l'appareil de grandes variations de flux qui causent de fortes fluctuations de courant d'inducteur. Lorsque ces fluctuations dépassent une certaine valeur, on arrête l'appareil. Cet agencement, toutefois, 15 présente divers inconvénients. Par exemple, dans le cas d'appareils fonctionnant avec un fort coefficient d'utilisation, tels que les moteurs utilisés sur les grosses pelles mécaniques, le courant d'induit change continuellement et ces changements produisent des perturbations dans le courant d'inducteur de l'appa-20 reil. Il est donc nécessaire de désensibiliser le dispositif détecteur de courant d'inducteur afin que les variations de ce courant ne donnentjpas des indications erronées d'un état de décrochage . De même, dans .le cas des grosses machines synchrones, il 25 est nécessaire d'utiliser des régulateurs de courant d'inducteur pour régler le facteur de puissance ou tension aux bornes du moteur. Il s'ensuit line variation continuelle du courant d'inducteur afin d'essayer de maintenir constante l'une des variables. Oes variations de courant d'inducteur exigent une autre réduc-30 tion de la sensibilité du dispositif de contrôle de décrochage; et il arrive fréquemment que le manque de sensibilité de ce dispositif n'assure qu'une protection très marginale. Enfin,un dispositif de protection contre le décrochage qui repose sur le contrôle du courant d'inducteur est de caractère analogique. Par 35 suite, ce dispositif est susceptible de glissement, ce qui cause encore une autre désensibilisation. La présente invention a en général pour objet de chercher à réaliser un dispositif de protection contre le décrochage des 69 13644 2007228 l appareils synchrones, qui supprime les inconvénients des dispositifs de la technique antérieure tentant de contrôler le courant d'inducteur. A cet égard, les perturbations du courant d'inducteur de l'appareil ne sont pas détectées pour commander 5 le dispositif de protection contre le décrochage selon la présente invention. L'invention a aussi pour objet d'apporter un dispositif de protection contre le décrochage du type décrit, de caractère numérique, et qui produit line première impulsion de commande 10 au moins une fois par cycle d'une source de courant alternatif alimentant un appareil synchrone. La phase de cette première impulsion est comparée avec celle d'une, seconde impulsion produite chaque fois que le-rotor de l'appareil tourne d'un nombre prédéterminé de degrés. Quand l'angle de phase entre ces 15 impulsions augmente jusqu'à une certaine valeur, indiquant un état de surcharge., un circuit de protection fonctionne pour arrêter l'appareil. L'invention a également pour objet d'apporter un dispositif de protection contre le décrochage pour appareil synchrone 20 triphasé, assurant la protection contre les surcharges aux modes de fonctionnement aussi bien en moteur-qu'en réaction. L'invention vise un dispositif de protection contre le décrochage comprenant des moyens pour produire une première impulsion au moins une fois par cycle d'une source de courant al-25 tematif alimentant un appareil synchrone, des moyens couplés au rotor de 1'appareil pour produire une seconde impulsion chaque fois que le, rotor tourne d'un nombre prédéterminé de degrés, et une commande pour produire une troisième impulsion dont la phase est décalée de celle de la première impulsion d'un angle 50 fixe. Les première et seconde impulsions sont appliquées à un bâsculeur pour produire une onde carrée dont les bords avant et arrière coïncident avec, les première et seconde impulsions. Cette onde carrée de sortie du bâsculeur est alors comparée à la troisième impulsion pour produire un signal de sortie lors-35 que l'onde carrée chevauche la troisième impulsion, ce signal de sortie ayant pour fonction d'arrêter 1'appareil Normalement, l'angle de phase entre les première et seconde impulsions doit être tel que l'onde carrée de sortie du bâsculeur ne coïncide pas avec la troisième ^impulsion dans le dis 69 13644 3 2007228 positif de comparaison. Toutefois, à mesure que la charge augmente et que le rotor prend du retard, l'angle de phase augmente ainsi que la largeur de l'onde carrée de sortie du bâsculeur jusqu'à ce que, au décrochage, l'onde carrée coïncide avec 5 la troisième impulsion, produisant ainsi un signal destiné à arrêter l'appareil. En outre, selon l'invention, le susdit principe peut facilement s'appliquer à un appareil synchrone triphasé pour assurer la protection du fonctionnement aussi bien en moteur qu'en 10 réaction. Dans ce dispositif, une impulsion est produite une fois par cycle de chaque tension de phase, les trois impulsions étant déphasées entre elles. Parmi ces trois impulsions, l'impulsion intermédiaire est alors appliquée à un circuit bâsculeur conjointement à une impulsion fournie par un capteur monté 15 sur le rotor. Lorsgue le rotor prend du retard, l'onde carrée de sortie du circuit bâsculeur augmente dans un sens jusqu'à ce qu'elle coïncide avec l'une des deux autres impulsions produites par les tensions de phases. Inversement, quand le rotor prend de l'avance, par exemple en fonctionnement en réaction, la 20 largeur de l'onde carrée de sortie du bâsculeur augmente dans le sens opposé jusqu'à ce qu'elle coïncide avec l'autre des trois impulsions produites par une tension de phase. La coïncidence de l'onde carrée de sortie du bâsculeur avec l'une ou l'autre de ces deux autres impulsions arrête l'appareil synchro-25 ne. Les susdits objets et autres, ainsi que les caractéristiques de la présente invention ressortiront mieux de la description détaillée qui va suivre en référence aux dessins annexés sur lesquels : 30 - la figure ^ es'fc un diagramme synoptique d'une forme simplifiée de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente les formes d'ondes apparaissant en divers points du. montage de la figure 1 ; - la figure 3 donne les formes d'ondes illustrant l'appli-35 cation de l'invention à un appareil synchrone triphasé pour assurer la protection du fonctionnement aussi bien en moteur qu'en réaction; et - la figure 4- est un schéma de montage d'une autre forme 69 13644 2007228 de réalisation de l'invention, fonctionnant selon les formes d'ondes représentées à la figure 3« En référence aux dessins, et en particulier à la figure 1, le moteur synchrone schématique simplifié représenté comprend 5 un rotor 10 pourvu d'un enroulement 12 auquel"un potentiel courant continu est appliqué; et un stator comprenant deux pôles 14 et 16 pourvus d'enroulements 18 et 20 connectés à une source de potentiel courant alternatif, schématiquement représentés et 22. La sortie de la source 22 est appliquée à un conformateur 10 d'impulsion 24- dont l'onde de sortie courant alternatif est illustré par la forme d'onde A de la figure 2. Le conformateur d'impulsions, qui peut prendre diverses formes "bien connues, produit une impulsion de sortie une fois par cycle du courant alternatif appliqué représenté par la forme d'onde A. La sortie 15 du conformateur d'impulsion apparaît donc sous la forme d'onde B représentée à la figure 2, dans laquelle une impulsion est produite à la crête de chaque demi-cycle positif de l'onde A appliquée par la source 22. Au rotor 10 est fixée une roue 26 portant une dent. Adja-20 cent à la périphérie de la roue 26 est situé un capteur magnétique 28 qui produit une impulsion chaque fois que la dent de la roue 26 passe en regard. On remarquera, toutefois, que l'on peut utiliser une cellule photoélectrique ou autre capteur analogue en remplacement du capteur magnétique 28 représenté. L'impul-25 sion produite par le capteur 28 est appliquée au conformateur d'impulsion 30 dont la sortie apparaît sous la forme d'onde G représentée à la figure 2. On voit donc que pour chaque impulsion de forme d'onde B dérivée de la source de courant alternatif appliquée, la roue 26 produit une impulsion, la phase de 30 cette impulsion, représentée par la forme d'onde C, étant réglée par la position mécanique du capteur, de manière à se situer entre les impulsions de la forme d'onde B. Il s'ensuit donc que le nombre de dents de la roue 26 est déterminé par le nombre de paires de pôles de l'appareil. Dans le cas d'un appareil à 35 trois paires de pôles, la roue 26 doit être pourvue de trois dents également espacées à sa circonférence. Les sorties des conformateurs d'impulsion 24- et 30, constituées par: les formes d'ondes respectives B et G de la figure 2, sont appliquées à un" circuit bâsculeur 32 qui produit une 69 13644 2007228 onde carrée de sortie illustrée par la forme d'onde D à la figure 2, à vide. On remarquera que le bord avant de chaque impulsion d'onde carrée D coïncide avec une impulsion de la forme d'onde B; alors que le bord arrière de chaque impulsion correspond à une impulsion de la forme d'onde G. Avec l'augmentation de la charge appliquée à l'appareil, l'angle de charge augmente, le rotor se trouve donc retardé d'un certain angle 6. Par suite, les impulsions de sortie du conformateur d'impulsions 30 se trouvent maintenant décalées et apparaissent sous la forme d'onde É représentée à la figure 2, selon laquelle elles se trouvent retardées par rapport à celles de la forme d'onde 0, dé l'angle de phase 6. Il s'ensuit que les impulsions d'onde carrée à la sortie du circuit bâsculeur 32 augmentent de largeur ainsi que représenté par la forme d'onde F de la figure 2, selon laquelle la largeur de chaque impulsion se trouve augmentée de l'angle de phase ô. La sortie du conformateur d'impulsions 24 est également appliquée à un circuit de temporisation bien connu 34-, dans lequel les impulsions sont retardées de 300°. Il apparaît donc à la sortie de la ligne de temporisation 34-, la formé d'onde G dans laquelle chaque impulsion est déphasée en arrière de 60° par rapport à une impulsion correspondante de la forme d'onde B. On supposera maintenant que l'angle de charge augmente progressivement ainsi qu'illustré par la forme d'onde H de la figure 2. La première impulsion; d'onde carrée de l'onde H illustre donc un angle de charge d'environ 45°; la seconde impulsion d'onde carrée illustre un angle de charge d'environ 90°; et la troisième impulsion illustre un angle de charge d'environ 120°, angle maximal de charge permis dans le cas de la plupart des appareils synchrones. A ce point , (c'est-à-dire à un angle de charge de 120°), une impulsion de l'onde G coïncide avec une impulsion d'onde carrée de l'onde H. Par suite, en appliquant la sortie du bâsculeur 32 (forme d'onde H) et la sortie de la ligne de temporisation 34- (forme d'onde G) à un circuit ET 36, ce dernier produit une impulsion de sortie illustrée par la forme d'onde I de la figure 2, lorsque l'angle de charge atteint 120°. Cette .impulsion est utilisée pour actionner un circuit bâsculeur 38 afin d'exciter 69 13644 6 2007228 I > un disjoncteur 40 ou quelque autre dispositif similaire pour arrêter l'appareil synchrone. On voit donc que le dispositif de la figure 1 assure la protection contre le décrochage par une mesure ou détection 5 continue de l'angle de charge. Il peut être démontré que dans le cas d'appareils à rotor cylindrique avec amortissement de charge, l'angle de charge peut atteindre 135° après une application "brusque de la charge, sans décrochage. Pour un appareil du type à pôles saillants, cet angle se réduit à environ 120°; 10 et dans le cas d'autres -types .différents d'appareils, il peut être augmenté ou diminué, selon les conditions requises. Le présente dispositif de protection a un fonctionnement numérique, pratiquement inaffecté par les fortes fluctuations du courant d'inducteur. 15 Les impulsions de la forme d'onde B de la figure 2, qui représentent la position de l'onde de crête de flux, et les impulsions de la forme d'onde G qui sont déphasées en avant de 300°, sont obtenues de la source 22 de courant alternatif. La crête de l'onde de flux tournant présente de l'intérêt, et l'on 20 peut idémontrer que, chaque fois que l'une des tènsions de phases passe par le zéro dans un appareil synchrone triphasé, il existe une relation, déterminée entre ce point et la position de la crête de l'onde de flux. Par suite, il suffit d'obtenir une impulsion chaque fois que l'une des tensions de phases pas-25 se au zéro. Les.formes d'ondes relatives à un agencement triphasé sont représentées à la figure 3 à laquelle la forme d'onde J illustre le courant alternatif triphasé appliqué, les trois phases étant indiquées d'une façon générale par les chiffres 1, 2, et 30 3* En produisant une impulsion différentiée chaque fois que la phase 1 passe au zéro dans le sens négatif, la forme d'onde K produite correspond à la forme d'onde de flux B de la figure 2. Les -impulsions produites par une roue dentée montée sur le rotor de l'appareil sont représentées par la forme d'onde L et se 35 situent entre celles de la forme d'onde K, à Vide. L'application des formes d'ondes E et L aux côtés opposés d'un circuit bâsculeur produit les formes d'ondes carrées M. ... On peut obtenir des impulsions retardées de 300° par 69 13644 "7~ 2007228 rapport aux impulsions de la forme d'onde K en produisant des impulsions pointues au moment du passage au zéro de la phase 2 dans le sens positif. Ces impulsions sont illustrées par la forme d'onde N à la figure 3. Lorsque l'angle de charge aug- 5 mente de l'angle de phase , l'onde carrée de sortie du "bâsculeur apparaît sous la forme d'onde 0 dans laquelle les impulsions de la forme d'onde N chevauchent les impulsions d'onde carrée de la forme d'onde 0, en produisant ainsi une sortie que. l'on peut utiliser pour arrêter l'appareil synchrone. 10 En inversant la forme d'onde M à la sortie d'un circuit "bâsculeur, on obtient la forme d'onde P. Des impulsions qui sont déphasées en arrière de 60° par rapport à cellesnde la forme d'onde K peuvent être produites chaque fois que la phase 3 passe par le zéro dans le sens positif, produisant ainsi la 15 forme d'onde Q. Alors, aux conditions de réaction, le rotor de l'appareil synchrone est déphasé en avant par rapport à l'onde de flux, faisant avancer ainsi les bords avant des impulsions d'onde carrée de la forme d'onde P. Lorsque les bords avant de ces impulsions de la forme d'onde P avancent d'un angle de pha-20 se £>2, on obtient la forme d'onde E dans laquelle les impulsions d'onde carrée chevauchent celles de la forme d'onde Q, produisant à nouveau une sortie que l'on peut utiliser pour arrêter l'appareil synchrone. Un type de circuit effectuant une action de commande sur 25 un appareil synchrone triphasé dans les conditions illustrées à la figure 3 est représenté à la figure 4. La phase 1 de la forme d'onde J est appliquée par 1'intermédiaire d'un transformateur 42 à un filtre constitué des résistances 44, 45 et d'une capacité 48. Ce filtre élimine toutes les composantes de haute 30 fréquence; et la forme d'onde résultante est appliquée aux bornes d'une diode Zener 50. Lorsque la tension inverse aux bornes de la diode Zener a atteint le seuil de rupture, la diode 50 a ensuite un effet limitatif, produisant une sortie en gradin qui est introduite dans un différentiateur constitué d'une ca-35 pacité 52, d'une résistance 54- et d'une diode 55* Cette sortie différentiée apparaît donc sous la forme d'onde K représentée à la figure 3 et est appliquée à un élément NI 56 d'un circuit bâsculeur 58. 2007228 69,13644 lia sortie d'un capteur magnétique, tel que le capteur 28, est appliquée à la/borne d'entrée 60 et amplifiée flans l'élément NI 62, puis différentiée par le circuit composé d'une capacité 61 , d'une résistance 63 et d'une diode 65. La forme d'onde 5 résultante, représentée par la forme d'onde L" de la figure 3, est appliquée à l'autre dispositif NI 64- dû circuit "bâsculeur 58. La sortie de ce circuit 58 apparaît donc sur le conducteur 66 sous la forme d'onde M représentée à la figure 3 pour 5=0°. La position des impulsions de la forme d'onde L par rapport à 10 celles de la forme d'onde K dépend de l'angle de charge ô de l'appareil synchrone. Aux conditions de réaction, pour ô = ô^°, la sortie de l'élément 64- a la forme d'onde 0. Aux conditions de fonctionnement en moteur, pour ô = ^ gortie de ment 56 a la forme d'onde E. La sortie de l'autre côté du cir-^ cuit "bâsculeur apparaît sur le conducteur 68 sous la forme d'onde P, pour 6=0°. La forme d'onde M apparaissant sur le conducteur 66 est appliquée à un élément NI 70. La phase 2 de la forme d'onde J représentée à la figure 3, est appliquée par l'intermédiaire d'un transformateur 72 à un filtre, une diode Zener et 20 un différentiateur, tous désignés par les mêmes chiffres de référence que ceux utilisés pour la désignation des éléments correspondants couplés au transformateur 4-2. La diode Zener 50 produit une sortie en gradin, la sortie du différentiateur produit une impulsion quand la phase 2 de la forme d'onde J passe au zéro 25 dans le sens positif, ainsi que représenté à la figure 3, et les impulsions résultantes sont inversées dans l'inverseur 74- pour produire la forme d'onde N apparaissant sur le conducteur 76. Cette forme d'onde N est également appliquée au circuit NI 70. En ignorant, pour le moment, les signaux apparaissant sur 30 le conducteur 78, on voit que le montage décrit jusqu'ici correspond à celui représenté à la figure 1, pour le mode de fonctionnement en réaction. Aux conditions de réaction,quand le flux est déphasé en arrière de 5° par rapport au rotor, la forme d'onde de sortie de 35 l'élément 64- du circuit "bâsculeur 58 est celle représentée par la forme d'onde 0 de la figure 3. En cas de coïncidence de l'impulsion dans les formes d'ondes N et 0, le circuit NI 70 produit une impulsion de sortie qui est utilisée pour actionner un second 13644 2007228 circuit bâsculeur 80 comprenant deux éléments NI interconnectés, 82 et 84; et cette sortie du circuit 80, en l'accurence de son déclenchement, est utilisée pour actionner un relais 86 gui arrête l'appareil synchrone quand l'angle de charge excède l'angle , soit 120°. la phase 3 de la forme d'onde J est appliquée, par l'intermédiaire d'un transformateur 88, à un filtre, une diode Zener et un différentiateur, encore désignés par les mêmes chiffres de référence que ceux utilisés dans le cas des éléments couplés au transformateur 42. lies impulsions résultantes, après inversion dans l'inverseur 90, apparaissent sous la forme d'onde Q représentée à la figure 3, laquelle est appliquée au moyen d'un conducteur 91 à l'élément NI ^2 en même temps que la forme d'onde P apparaissant sur le conducteur 68. Aux conditions de fonctionnement en moteur, et en supposant que le rotor est déphasé en arrière de l'angle ôg Par rapport à l'onde de flux, ainsi que représenté par la forme d'onde E de la figure 3, l'élément NI 92 produit une sortie, ignorant tous signaux apparaissant sur le conducteur 94-. Cette sortie est alors utilisée pour déclencher le circuit "bâsculeur 96 comprenant les éléments NI interconnectés 98 et 100; et la sortie de ce circuit 96 est utilisée pour, actionner un relais 102 qui, de même que le relais 86, peut être utilisé pour arrêter l'appareil synchrone. Le signal apparaissant sur.le conducteur 78 est dérivé de la sortie du "bâsculeur 96; et celui apparaissant sur le conducteur 94- est dérivé de la sortie du circuit "bâsculeur 80. De cette manière, quand le circuit 80 se déclenche, le signal apparaissant sur le conducteur 94- met hors d'activité l'élément NI 92; et de même, lorsque le bâsculeur 96 se déclenche, le signal apparaissant sur le conducteur 78 met hors d'activité le circuit NI 70. Bien que l'on ait décrit et. représenté certaines formes particulières de réalisation, les techniciens peuvent apporter à celles-ci pour leur adaptation à certaines conditions requises, diverses modifications de forme et d'agencement des parties qui restent dans la portée de l'invention. 2007228 6913644 BEVENDICATI OIS 1.- Dispositif de protection contre le décrochage d'un appareil synchrone pourvu d'un rotor et d'un statorf dispositif comprenant des moyens pour produire une première impulsion au 5 moins une fois par cycle de courant alternatif d'alimentation de cet appareil, . des moyens couplés à ce rotor pour produire une seconde impulsion chaque fois que le rotor tourne d'un nombre prédéterminé de degrés, des moyens pour produire une troisième impulsion déphasée d'un, angle de phase fixe, par rapport 10 à la première impulsion, des moyens qui, en réponse à ces première et seconde impulsions, produisent un signal à onde carrée dont les "bords avant et arrière coïncident avec ces première et seconde impulsions, des moyens pour comparer ce signal à onde carrée avec la troisième impulsion pour produire un signal de 15 sortie de commande lorsque l'onde carrée de signal chevauche cette troisième impulsion, et des moyens pour-arrêter l'appareil synchrone en réponse à ce signal de "sortie de commande. 2.- Dispositif de protection selon revendication 1, caractérisé par le fait que la troisième impulsion est déphasée en 20 avant par rapport à la première, et que la. seconde impulsion coïncide avec l'onde carrée de signal pour produire ce signal de sortie de commande destiné à arrêter l'appareil synchrone. 3.- Dispositif de protection selon revendication 2, caractérisé par le fait que le signal de sortie de commande fonction- 25 ne quand le rotor est déphasé en arrière d'un angle de phase prédéterminé par rapport au courant alternatif d'alimentation. 4.- Dispositif de protection selon revendication 2, caractérisé par le fait que le signal de sortie de commande arrête l'appareil synchrone quand le rotor est déphasé en avant d'un 30 angle déterminé de phase par rapport au courant alternatif d'alimentation dans le mode de fonctionnement en réaction de l'appareil. 5.- Dispositif de protection selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ces première et 35 troisième impulsions sont dérivées du courant alternatif d'alimentation et sont en synchronisme avec celui-ci. 6.- Dispositif de protection selon revendication 5» caractérisé par le fait que la première impulsion se produit à la crê 2007228 69 13644 te de l'onde de courant alternatif d'alimentation de l'appareil synchrone. 7.- Dispositif de protection selon l'une ou l'autre des précédentes revendications, caractérisé par le fait que la 5 seconde impulsion est produite par une source d'impulsions associée au rotor. 8.- Dispositif de protection selon revendication 7j caractérisé par le fait que cette source d'impulsion est un capteur magnétique. 10 9.- Dispositif de protection selon l'une ou l'autre des précédentes revendications, caractérisé par le fait que l'appareil synchrone est du type triphasé alimenté par les trois phases d'une source de courant alternatif, le dispositif étant pourvu de moyens couplés à l'une de ces phases pour produire 15 une première impulsion au passage à zéro de cette phase, et de moyens couplés à une autre de ces phases pour produire cette troisième impulsion au passage à zéro de cette autre phase. 10.- Dispositif de protection selon revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens produisant ces première 20 et troisième impulsions comprennent une diode Zener aux "bornes de laquelle est appliquée une phase de ce courant triphasé d'alimentation, et qu'un différentiateur est couplé à la sortie de cette diode Zener. 11.- Dispositif de protection selon revendication 9 ou 10, 25 caractérisé par le fait que cette première impulsion est produite quand la phase qui lui est associée passe l'axe de zéro dans le sens négatif alors que la troisième impulsion est produite quand la phase qui lui est associée passe l'axe du zéro dans le sens positif, de sorte que ces première et troisième impul-30 sions sont séparées d'un angle de phase de 60°. 12.- Dispositif de protection selon revendication 9, 10 ou 11, caractérisé par le fait que le dispositif est pourvu de moyens couplés à la troisième phase de ce courant triphasé pour produire une quatrième impulsion au passage à zéro de cette 35 troisième phase; de moyens pour comparer l'onde carrée de signal avec la quatrième impulsion pour produire un second signal de sortie de commande en cas de coïncidence de ces deux dernières, et de moyens qui, en réponse à ce second signal de 2007228 13644 sortie de commande arrête l'appareil synchrone. 13.- Dispositif de protection selon revendication 12, caractérisé par le fait que l'onde carrée de signal coïncide avec la troisième impulsion, dans le mode de fonctionnement en moteur de l'appareil synchrone, alors que l'onde carrée de signal coïncide avec la quatrième impulsion dans le mode de fonctionnement en réaction.