Brevet FR2003380A1 — publié le 19691107

La présente invention concerne un dispositif électromécanique pour établir la somme algébrique de plusieurs fréquences de rotation d'un signal sortant polyphasé. L'expression "polyphasé" est utilisée pour désigner des signaux 5 ayant au moins deux phases et une fréquence unique, par exemple d'une ligne de distribution triphasée 50 Hz (pouvant aussi être par exemple 60 Hz). Plus particulièrement, le système est destiné principalement à recevoir plusieurs fréquences de rotation et à produire un signal sortant polyphasé égal à la somme algébrique des fréquences de rotation entrantes, et pouvant être utilisé 10 pour commander chaque phase d'une commande électrique produisant l'une des fréquences de rotation additionnée dans le circuit. Le problème de l'établissement de la somme algébrique de deux fréquences de rotation existe dans de nombreuses applications industrielles, et dans certains cas, les fréquences doivent être additionnées avec une grande 15 précision. Par exemple, pour commander la vitesse, le couple et le sens de rotation d'un moteur à induction à courant alternatif, il est nécessaire d'additionner algébriquement une fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur avec une fréquence de rotation variable représentant la fréquence de glissement du moteur. Comme la fréquence de glissement est faible 20 par rapport à la fréquence de rotation, la somme algébrique de ces deux fréquences est seulement légèrement différente de la fréquence de rotation réelle du moteur. Par exemple, dans le cas d'un moteur à induction à courant alternatif bipolaire triphasé classique alimenté à 50 Hz, la fréquence de rotation est de 50 tours par seconde, c'est-à-dire 50 Hz, moins la fréquence 25 de glissement de quelques hertz. Du fait que la fréquence de glissement est seulement de quelques hertz, tout circuit additeur doit fournir un signal sortant précis à une faible fraction d'un hertz pour un réglage précis de la vitesse, du couple et du sens de rotation du moteur. Différents systèmes ont été réalisés pour établir la somme 30 algébrique de deux fréquences de rotation, mais ces systèmes ne sont pas entièrement satisfaisants quand la somme doit être précise. Par exemple des circuits électroniques ont été réalisés pour produire un signal sortant contenant à la fois la somme et la différence de deux fréquences de rotation. Les signaux de somme et de différence sont habituellement séparés ensuite en 35 utilisant des filtres éliminant les parties indésirables du signal. Normalement, cela ne pose pas un problème difficile quand les fréquences de la somme et de la différence sont suffisamment différentes. Cependant, quand la différence des fréquences est faible, par exemple entre une fraction d'hertz et quelques 05476 2 2003380 hertz, il est impossible d'établir des filtres pouvant éliminer le signal non désiré. De plus, le filtrage atténue le signal désiré au point qu'il peut être pratiquement inutilisable. Bien entendu, dans le cas de la commande à moteur à courant alternatif pour lequel la fréquence de glissement 5 peut être seulement de quelques hertz même à pleine charge, les dispositifs électroniques habituels ne peuvent pas fournir une somme algébrique satis--faisante de la fréquence de rotation et de la fréquence de glissement. Des appareils électromécaniques pour l'addition des deux signaux plus voisins de la présente invention ont aussi été étudiés. Ces dispositifs 10 comportent normalement un transformateur tournant différentiel synchrone dont le primaire est entraîné à la vitesse du moteur et dont le secondaire est maintenu stationnaire. Le secondaire du transformateur est habituellement alimenté par une fréquence porteuse à son tour modulée à la fois par le primaire tournant du transformateur et par la fréquence de glissement. Le 15 signal sortant modulé est ensuite utilisé comme signal de commande. Ces systèmes établissent bien la somme algébrique des signaux, mais le signal sortant est un signal monophasé, et bien qu'il soit possible d'utiliser un signal monophasé pour commander un moteur polyphasé, les dispositifs de commande sont compliqués et complexes. 20 Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N°3.144.594, 3.144.595, 3.144.193 et 3.151.915 décrivent des circuits de commande du type général considéré ci-dessus pour des moteurs. Une commande précise de la vitesse, du couple et du sens de rotation d'un moteur à induction à courant alternatif nécessite de préfé-25 rence un signal de commande ayant le même nombre de phases que le moteur. Avec un signal de commande polyphasé, chaque phase du moteur peut être commandée séparément. Dans un cas typique, un moteur à induction alimenté en courant triphasé 50 Hz peut être équipé d'un changeur de fréquence semiconducteur commandé par un signal polyphasé faisant varier la fréquence du 30 courant alimentant le moteur. La présente invention permet de réaliser un système électromécanique établissant d'une façon précise la somme algébrique polyphasée de plusieurs fréquences de rotation et pouvant être utilisée pour la commande d'un moteur. Plus particulièrement, un système selon l'invention comporte 35 un transducteur de la vitesse du moteur produisant une fréquence proportionnelle à la vitesse du moteur. Ce signal modulé en amplitude, qui est un signal polyphasé, est envoyé à plusieurs primaires d'un transformateur tournant différentiel synchrone. Le primaire du transformateur est entraîné ---'D ORIGINAL ^ . • .. J 69 05476 3 2003380 à une vitesse proportionnelle à" la fréquence de glissement du moteur commandé. Le secondaire stationnaire de ce transformateur est couplé à un circuit démodulateur dans lequel le signal modulé en amplitude est démodulé pour produire un signal polyphasé de commande. 5 Du fait de la rotation du primaire à la fréquence de glissement, le signal polyphasé modulé en amplitude représentant la vitesse réelle du moteur est additionnée algébriquement à la fréquence de glissement, et cette somme est fournie au secondaire. Le primaire peut être entraîné dans un sens ou dans l'autre, de sorte que si le primaire tourne dans le même sens que le 10 champ, la fréquence de glissement est additionnée, tandis que si le primaire tourne en sens opposé à celui du champ la fréquence de glissement est retranchée. Si la fréquence de glissement est réduite, le moteur à induction fonctionne bien entendu en génératrice à induction jusqu'à une réduction de -la vitesse ou une inversion du sens du moteur. 15 Le signal polyphasé de commande peut être utilisé dans un con vertisseur de fréquence semiconducteur. Plus particulièrement, comme le signal de commande a le même nombre de phases que le moteur, les signaux peuvent être utilisés pour une conmande directe du convertisseur de fréquence, tel qu'un " cycloconvertisseur ". Cela supprime la nécessité d'utiliser des dispositifs 20 de commande compliqués pour déphaser le signal de commande, comme c'est le cas quand seul un signal de commande monophasé est disponible. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : 25 - la figure 1 est le schéma général d'un circuit de commande selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, et - la figure 2 est le schéma général et en partie du circuit d'un dispositif pour obtenir la somme algébrique de deux fréquences selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. 30 La figure 1 représente un moteur 10 commandé par un circuit utilisant la somme algébrique de la vitesse de rotation et de la fréquence de glissement du moteur. Le moteur est de préférence un moteur à courant alternatif et celui utilisé sur la figure 1 est un moteur à induction. L'arbre de sortie 11 du moteur est accouplé mécaniquement à un transducteur 35 de vitesse et de direction 12 dont il entraîne par suite directement le rotor. Les enroulements du rotor du transducteur sont excités par un oscillateur de fréquence porteuse 13, de sorte que la rotation du rotor module la fréquence de l'oscillateur en fonction de sa vitesse. Le transducteur de vitesse doit 05476 4 2003380 de préférence avoir le même nombre de pôles que le moteur commandé et un rapport de transmission 1/1 afin que le signal sortant modulé soit une fonction directe de la fréquence de rotation du moteur commandé. Par exemple, si le moteur commandé et le transducteur de vitesse 5 sont tous deux des machines à quatre pôles, la fréquence de rotation est double de la vitesse réelle de rotation du moteur. Un transducteur de vitesse convenable est décrit dans la demande de Brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 593.064 du 9 Novembre 1966. Un transducteur de vitesse de ce type peut être excité par une source d'alimentation de puissance de. 10 10.000 Hz. Bien qu'il soit préférable que le transducteur de vitesse ait le même nombre de pôles que le moteur.) il peut avoir un nombre de pôles différent. Cependant, quand les nombres de pôles sont différents, une transmission à engrenages peut être utilisée pour adapter effectivement le nombre de pôles mécaniquement, ou bien les deux machines peuvent être 15 adaptées par un système électronique. Le transducteur de vitesse fournit le signal polyphasé modulé en amplitude au primaire triphasé 15 d'un "synchro-transformateur différentiel". Par exemple, si le moteur commandé est un moteur triphasé classique, le transducteur de vitesse produit un signal triphasé modulé sur les con-20 ducteurs 14. Le signal modulé est un signal modulé en amplitude, le signal de chaque phase ayant une forme d'onde similaire à celle représentée en 20 sur la figure 1. Bien entendu, les trois phases sont déphasées de 120® électriques. Le primaire du synchro-transformateur différentiel est prévu 25 pour tourner dans les deux sens. Si le primaire est immobile, le synchro-transformateur se comporte en transformateur à rapport 1/1 et la fréquence à la sortie du secondaire 23 est exactement égale à la fréquence de rotation, du transducteur. Si le primaire est entraîné en sens opposé à la rotation du champ du primaire, la fréquence du signal induit dans le secondaire est 30 égale à la fréquence de rotation du signal entrant moins la fréquence de rotation du primaire. De façon similaire, si le primaire tourne dans le même sens q«e le champ du primaire, la fréquence du signal induit dans le secondaire est égale à la fréquence de rotation du signal entrant plus la fréquence de rotation du primaire. Le primaire est entraîné par un moteur 35 synchrone de référence 21 excité par un oscillateur et est couplé mécaniquement au primaire par l'arbre 22. La vitesse du moteur synchrone est réglée manuellement ou automatiquement en modifiant la fréquence de l'oscillateur. Un moteur à courant alternatif peut aussi être utilisé à la place du moteur 69 05476 5 2003380 synchrone, le moteur étant alors réglé par un circuit de commande de vitesse et de direction. La sortie du secondaire 23 du synchro-transformateur différentiel est couplée par les conducteurs 24 à un circuit démodulateur 25. Le circuit 5 démodulateur reçoit aussi une fréquence de référence de l'oscillateur 13 à travers les conducteurs 26 et il peut être un démodulateur classique à diodes produisant un signal sortant égal à la modulation d'amplitude du signal entrant. La figure 2 représente les détails du synchro-transformateur ■^O différentiel et des circuits de commande pour le moteur commandé 10. Les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références sur la figure 2. Le moteur 10 entraîne le transducteur de vitesse 12 pour moduler la fréquence de l'oscillateur et fournir au primaire 15 du synchro-transformateur différentiel un signal polyphasé modulé en ampli-^5 tude. Le primaire du synchro-transformateur différentiel est entraîné par le moteur de référence 21 qui est couplé mécaniquement par l'arbre 22 pour 1'entraînement du primaire. Le primaire et le secondaire du synchro-transformateur différentiel sont tous deux des enroulements triphasés en étoile de la façon représentée. Le moteur de référence 21, s'il est un moteur 20 synchrone, est commandé par un oscillateur 40 commandé par une tension dont la fréquence peut être modifiée manuellement ou automatiquement et d'une façon programmée. Normalement, le moteur de référence entraîne le primaire du synchro-transformateur différentiel à une vitesse égale à la fréquence de glissement du moteur commandé quand celui-ci est à une vitesse constante 25 sélectionnée. Bien entendu, la fréquence de glissement est fonction de la fréquence du courant d'alimentation fourni au moteur commandé. Comme il a été expliqué, le primaire du synchro-transformateur différentiel induit dans le secondaire 23 un signal égal soit à la fréquence de rotation du moteur commandé plus une fréquence de glissement, soit cette fréquence de rotation 30 moins une fréquence de glissement. Le synchro-transformateur différentiel est un circuit triphasé en étoile classique et le transformateur 31 est utilisé pour convertir la connexion en étoile en un système à quatre fils à neutre à la masse. Plus particulièrement, le secondaire est couplé au primaire 32 du transformateur 31 35 en connexion triangle et le secondaire du transformateur 31 est connecté en système à quatre fils classiques à neutre à la masse. Le transformateur 31, en plus de la conversion de la sortie à trois fils du synchro-transformateur différentiel en une sortie à quatre fils à neutre à la masse, amplifie aussi la tension de sortie du synchro-transformateur différentiel. La sortie du 40 transformateur est connectée au circuit démodulateur 25 qui reçoit aussi la ■3AD ORIGINAL 69 05476 6 2003380 fréquence de l'oscillateur par les conducteurs 26. Comme il a été indiqué ci-dessus, le démodulateur peut être un circuit démodulateur classique à diodes produisant un signal sortant triphasé sur les conducteurs 30. Le signal sortant triphasé est la modulation en amplitude du signal entrant 5 dont la fréquence est proportionnelle à la fréquence de rotation du moteur commandé plus ou moins une fréquence de glissement. De plus, des diodes sont de préférence- placées à la sortie du démodulateur pour qu'il puisse fournir à la fois les demi-périodes positives et les demi-périodes négatives de la fréquence à la sortie. La fréquence de sortie démodulée 10 est envoyée à travers les conducteurs 30 à un changeur de fréquence 34. Le changeur de fréquence peut être un convertisseur semiconducteur comportant plusieurs redresseurs commandés au silicium pour fournir la fréquence sortante synthétisée. Dans ce cas, les signaux sortants du démodulateur peuvent être utilisés pour commander les circuits de -déclenchement des 15 redresseurs co:naandés au silicium. Le changeur de fréquence est alimenté par une source à fréquence constante 35 (non représentée), cette fréquence étant supérieure à la fréquence la plus élevée devant être founie par le ch0.3e.tr de fréquence 34. Le changeur de fréquence est connecté par les conducteurs 31 au moteur commandé 10. 20 La vitesse et le sens de rotation du moteur de référence 21 peuvent être commandés par réglage de son alimentation. Ce résultat peut être obtenu en utilisant un dispositif de commande 36 pouvant Être un dispositif de commande programmée ou un dispositif de commande manuelle pour commander l'oscillateur à commande par une tension 40. 25 Le circuit additeur décrit ci-dessus peut être utilisé en com binaison avec un système de commande pour obtenir n'importe quelle réponse vitesse-couple désirée du moteur commandé, dans les limites de sa capacité. Un système de commande peut être utilisé pour engendrer un signal de commande de vitesse programmée et pour comparer ce signal de 30 commande à la vitesse instantanée du moteur commandé pour engendrer un signal d'erreur. Ce signal d'erreur est utilisé pour corriger la vitesse du moteur commandé. Dans le système selon la présente invention, le signal d'erreur est utilisé pour commander la vitesse et le sens du moteur de référence 21 qui entraîne le primaire du synchro-transformateur différentiel. 35 La description qui précède du système de commande selon la présente invention concerne la commande -d'un moteur à courant alternatif-mais cependant, l'invention peut aussi être utilisée pour un moteur à courant continu. Dans le cas dfun moteur à courant continu, les fréquencés produites par le circuit • 69 05476 7 2003380 démodulateur sont utilisées pour commander une alimentation en courant à tension variable. Le dispositif d'alimentation à tension variable peut être un dispositif d'alimentation semiconducteur comportant des redresseurs commandés au silicium dont les cycles de déclenchement sont commandés ifJafr-5 les fréquences de sortie du démodulateur. Le système de commandé décrit ci-dessus par rapport aux figures 1 et 2 produit un signal de commande polyphasé dont la fréquence est à la fréquence de rotation d'un moteur plus ou moins une fréquence de glissement additionnée algébriquement par le moteur de 10 référence 21. La commande du moteur de référence ajuste la fréquence de glissement et la vitesse de la direction du moteur commandé est modifiée de façon correspondante parce que la variation de la fréquence ou de la séquence des phases a lieu dans sa source d'alimentation. La vitesse de rotation du moteur commandé est convertie en un signal modulé en amplitude ayant le même 15 nombre de phases que le moteur. Comme il a été expliqué, ce résultat peut être obtenu en utilisant un transducteur de vitesse ayant le mime nombre de pôles que le moteur commandé et un rapport de transmission 1/1 et en 4 excitant le champ du rotor du transducteur avec un signal de 10 Hz. Dans le cas d'une alimentation de puissance triphasée, le signal sortant du 20 transducteur de vitesse est ainsi un signal triphasé modulé en amplitude dont la fréquence est proportionnelle à la fréquence de rotation du moteur. Le signal sortant du transducteur est envoyé au primaire ou rotor triphasé du synchro-transformateur différentiel. La rotation du primaire est commandée par un moteur de référence qui est commandé manuellement ou automatiquement. 25 La direction et la vitesse de rotation du primaire du synchro-transformateur différentiel dépendent de la direction et de la vitesse de fonctionnement du moteur commandé. Par exemple, pour maintenir la vitesse et le couple du moteur commandé au niveau de fonctionnement au moment considéré, le primaire doit être entraîné dans un sens pour que le 30 signal modulé en amplitude à cette vitesse soit égal à la fréquence de glissement du moteur commandé. De façon similaire, pour augmenter la vitesse ou le couple du moteur, le primaire doit être entraîné dans le même sens à une vitesse supérieure à la fréquence de glissement du moteur à l'instant considéré. De même, pour réduire la vitesse et le couple du moteur, le 35 primaire doit être entraîné en rotation plus lentement ou dans le sens contraire. Le signal sortant du synchro-transformateur différentiel est envoyé à un circuit démodulateur qui produit un signal de commande triphasé. Le signal de commande du circuit démodulateur peut être utilisé pour commander 69 05476 8 2003380 le dispositif d'alimentation du moteur commandé. Comme le circuit démodulateur produit un signal ayant le même nombre de phases que le moteur commandé, chaque phase du signal, peut être utilisée pour commander une phase du courant d'alimentation pour le moteur commandé. One commande pra-5 tiquement directe peut ainsi être obtenue!entre le circuit d'addition algé- brique selon l'invention et le système de commande. Cela supprime la nécessité de circuits compliqués de commutation et de traitement logique, pour régler le courant fourni au moteur commandé. De plus, le dispositif de commande 36 constitue par l'intermédiaire des circuits de commande un dispositif simple 10 permettant la commande continue et précise de la direction et du couple d'un moteur commandé, tel qu'un moteur d'entraînement. Comme la commande de la vitesse est effectuée par la commande du moteur de référence 21 qui entraîne le primaire du synchro-transformateur différentiel, ce moteur peut être relativement petit parce 15 qu'il n'est pas affecté par les conditions de couple du moteur commandé. En variante, si le moteur de référence est un moteur à courant continu, le dispositif de commande de ce moteur peut être une résistance variable avec un dispositif permettant d'inverser le sens du courant vers le moteur. La source de tension 35 peut être une source de tension 20 triphasée haute fréquence plus une source d'alimentation à 50 Hz (ou 60 Hz). Une alimentation en courant alternatif à 400 Hz permet l'utilisation d'une plage de vitesses plus importante parce que le convertisseur de fréquence doit engendrer une fréquence inférieure à la fréquence de la source. En variante, le changeur de fréquence triphasé peut être constitué par des 25 convertisseurs semiconducteurs de courant continu en courant alternatif dont les fréquences de sortie sont commandées par le signal polyphasé de la somme pour permettre d'engendrer directement n'importe quelle fréquence désirée pour le moteur commandé au lieu de l'établir à partir d'une fréquence existante. 30 Le freinage dynamique du moteur commandé peut être plus efficace en utilisant le signal de commande triphasé qu'en utilisant un dispositif à commutateur. De ce fait, le système de commande selon l'invention est supérieur aux systèmes antérieurs, en particulier pour une commande précise de la vitesse. 35 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 69 05476 9 2003380 REVENDICATIONS 1 - Un. circuit d'addition algébrique électromécanique produisant un signal sortant polyphasé représentant la somme de plusieurs fréquences de rotation, caractérisé par une source de signal de fréquence-porteuse, 5 un transducteur comportant un rotor et un stator dont le rotor est connecté à la source de fréquence porteuse et est entraîné mécaniquement à l'une des fréquences de rotation à additionner, et un synchro-transformateur différentiel tournant comportant un primaire tournant et un secondaire stationnaire, le primaire étant connecté électriquement au stator du transducteur et étant 10 entraîné mécaniquement à 11 autre fréquence de rotation devant être additionnée afin qu'un signal sortant induit dans le secondaire" du sjmchro-transjÊormâtèur différentiel soit la somme algébrique des fréquences de rotation. 2 - Le circuit d'addition algébrique électromécanique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le transducteur et le synchro-trans- 15 formateur différentiel comportent plusieurs enroulements pour la production de signaux polyphasés. 3 - Le circuit d'addition algébrique électromécanique selon la revendication 2 caractérisé en ce que les enroulements sont triphasés. 4 - Le circuit addition algébrique électromécanique selon la 20 revendication 2, caractérisé en ce que la source de fréquence porteuse est un oscillateur de fréquence porteuse et le secondaire du synchro-transformateur différentiel est connecté à un démodulateur connecté aussi à l'oscillateur de fréquence porteuse. 5 - Le circuit d'addition algébrique électromécanique selon la 25 revendication 4, caractérisé par un transformateur connecté entre le secondaire du synchro-transformateur différentiel et le démodulateur pour élever la tension du signal sortant et pour établir une sortie polyphasée à neutre à la masse pour le signal polyphasé. 6 - Le circuit d'addition algébrique électromécanique selon la 30 revendication 4, caractérisé en ce que le transducteur est entraîné par le moteur commandé, le primaire du synchro-transformateur différentiel est entraîné par un moteur de référence à vitesse commandée et le signal sortant du démodulateur est utilisé pour commander la source d'alimentation en courant pour le moteur commandé. 35 7 - Un appareil de commande pour commander la vitesse, le sens de rotation et le couple d'un moteur électrique, caractérisé par une source de fréquence porteuse, un transducteur ayant un rotor et un stator, le rotor étant excité par la source de fréquence porteuse et étant entraîné par le -—y bad original 69 05476 10 2003380 moteur électrique commandé, un synchro-transformateur différentiel ayant un primaire tournant et un secondaire stationnaire, le primaire étant excité par le signal induit dans l'enroulement du stator du transducteur, un moteur à vitesse réglable couplé mécaniquement au primaire du synchro-transformateur 5 différentiel pour accorder celui-ci, un dispositif de commande pour commander la vitesse et le sens de rotation du moteur réglable, et un changeur de fréquence pour recevoir les signaux sortants induits dans le secondaire du synchro-transformateur différentiel et pouvant être commandé pour faire varier la fréquence du courant d'alimentation du moteur électrique en réponse 10 aux signaux sortants pour commander la vitesse, le sens de rotation et le couple du moteur électrique commandé. 3 - L'appareil de commande selon la revendication 7, caractérisé par un démodulateur recevant le signal de la source de fréquence porteuse et connecté entre le secondaire du synchro-transformateur différentiel et 15 le changeur de fréquence afin que celui-ci reçoive le signal démodulé. 9 - L'appareil de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que le transducteur comporte le même nombre de pôles que le moteur électrique commandé et dont le rotor est entraîné avec un rapport 1/1. 10 - L'appareil de commande selon la revendication 9, caractérisé 20 en ce que le moteur électrique conmandé est un moteur à induction polyphasé. 11 - L'appareil de commande selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moteur réglable est un moteur synchrone et le dispositif de commande comprend un oscillateur commandé pour changer la vitesse ou le sens de rotation du moteur synchrone. 8AD ORIGINAL