Brevet FR2011222A1 — publié le 19700227

-i- 2011222 L'invention se rapporte en général aux commandes de moteurs, et plus particulièrement à une commande de moteur .pourvue de régulateurs de tension et d'intensité et de .limiteurs de courant réglables. 5 Dans certaines applications de dispositifs d'entraîne ment à moteur courant continu, il existe des pointes momentanées de puissance dans le moteur, lesquelles produisent de sévères baisses de tension dans le réseau de distribution électrique alimentant le moteur. Par exemple, le réseau de distribution alimen 10 tant le moteur d'un monte-charge de mine, à distance, peut se trouver en baisse de tension; et les crêtes ou pointes de puissan ce requises par le moteur d'entraînement du monte-charge peuvent produire de sévères baisses périodiques de tension sur la ligne de courant alternatif» Pour réduire au minimum ces baisses de 15 tension de ligne, les crêtes positives de puissance doivent être réduites, sans réduire le rendement du monte-charge. Antérieurement, ce problème avait été résolu au moyen d'un groupe moteur-générateur à volant, entraîné par un moteur à courant alternatif couplé au réseau de distribution, l'inertie 20 du volant ayant pour fonction d'absorber les crêtes de puissance. Cette solution, toutefois est onéreuse et, naturellement, n'est pas applicable aux entraînements courant continu auxquels la puissance est fournie par des thyristors. D'autres dispositifs utilisaient des régulateurs rotatifs bien connus; cependant ces 25 derniers sont assez lents et donnent une régulation de vitesse inférieure a la valeur optimale. La présente invention a principalement pour objet de réaliser un combinateur limiteur de crêtes de puissance, de fonctionnement plus rapide et de construction meilleur marché 30 que les dispositifs de la technique antérieure. Le dispositif de commande pour moteurs à courant continu, selon l'invention, réduit les crêtes positives de puissance quand le moteur fonction ne en moteur, mais non lorsqu'il fonctionne aux conditions de rétroaction. De la sorte, les crêtes positives de puissance 35 dans le réseau de distribution, produisant les baisses de tension de ligne, sont évitées, mais la puissance de freinage du moteur aux conditions de rétroaction n'est pas amoindrie. Les crêtes 69 20372 -2- 2011222 de puissance en rétroaction ne sont pas habituellement préjudiciables, car la tension de ligne à ce moment a tendance à se maintenir au niveau de tension à vide ou à s1élever légèrement. La présente invention offre également un combinateur 5 limiteur de crêtes de tension dans lequel la limitation de crête modifie la limite d'intensité en fonction de la vitesse du moteur En cas d'utilisation d'un régulateur de tension au lieu d'un régu ^ lateur de vitesse pour régler la vitesse du moteur d'entrâinement la commande limitant les crêtes de puissance modifie la limite 10 d'intensité en fonction de la tension aux bornes du. moteur® La limite d'intensité est réglée à sa valeur maximale aux faibles vitesses d'entraînement, quand la démande appliquée au réseau de distribution est faible, ce qui permet au moteur d'entraînement d'accélérer la charge à sa puissance maximale aux faibles vites-15 ses d'entraînement. La limite d'intensité n'est réduite qu'aux grandes vitesses d'entraînement, ce qui* par suite, réduit la demande de puissance appliquée au réseau de distribution» L'invention réside dans une commande de moteur comprenant un combinateur de vitesse ayant une sortie maximale réglable 20 un combinateur d'intensité, répondant à l'intensité passant- dans ce moteur, couplé à la sortie du combinateur de vitesse, un montage à thyristors couplé à la sortie du combinateur d* intensité1 pour faire varier la tension et l'intensité fournies à ce moteur, un dispositif générateur de signal destiné à produire un signal 25 qui varie en fonction de la vitesse du moteur, un dispositif sensible à ce signal pour créer une tension qui varie proportionnellement a la vitesse seulement après que la vitesse du moteur excède un niveau déterminé, et un dispositif sensible à cette tension pour faire varier la sortie maximale du combinateur de 30 vitesse. Le signal qui varie en fonction de la vitesse du moteur est produit par un tachymètre couplé à l'arbre de ce dernier» Ce signal, sous la forme d'une tension, est comparée avec une tension fixe; et quand la tension produite par le tachymètre excède 35 . la tension fixe, la sortie maximale du combinateur de vitesse est réduite progressivement à mesure de l'accélération de la vitesse du moteur. 69 20372 -3- 2011222 L'invention et . sa mise en oeuvre -ressortiront mieux de la description.en référence aux. dessins- annexés, ,sur lesquels î La Figure 1 est un schéma simplifié d'une...forme illus-. trative de réalisation d'un dispositif de commande de moteur 5 selon l'invention; .. . . La Figure 2 illustre une courbe coupler-vitesse idéale selon la caractéristique de .limitation de. crêtes ïde puissance de . l'invention; . - . :. La Figure 3 est un schéma détaillé du montage., limiteur 10 de prêtes de puissance et de limite-d'intensité de l'invention ; - Les Figures 4 et 5 sont des .diagrammes-de circuits équivalents pour le montage représenté-à la Figure-3, donnés en vue de faciliter l'explication; et. La Figure 6 est un graphique illustrant l'effet de li-15 _ mitation d'intensité du circuit de. .la Figure 3« La Figure 1 représente un dispositif classique. Ward-Leonard comprenant une génératrice 10 à courant-.continu couplée à un moteur d'entraînement 12 à courant alternatif triphasé, lui-même alimenté en énergie par un réseau extérieur de dis-20 tribution,. non-représenté. La génératrice 10 est pourvue d'un enroulement inducteur 14 couplé à un dispositif d'alimentation 16 . à thyristors, l'agencement étant réalisé, de manière que ,-;la sortie de la génératrice 10 soit fonction du champ établi par l'alimentation 16 à thyristors. La sortie de la génératrice 10 est ensuite 25 appliquée a un moteur 18 à courant continu, couplé au moyen d'une transmission mécanique 20 à un .ensemble de monte-charge de mine, portant la référence générale 22. L'ensemble de monte-charge particulièrement représenté' illustre seulement un. type de charge auquel le moteur 18 peut 30 être accouplé. Il comporte une paire de tambours 24?et 26 autour desquels- s'enroulent des câbles 28 et 30, respectivement. Aux câbles 28 et 30 sont suspendues des bennes 32 et 34. pour la remontée ou ia descente dans la mine des -hommes ou du. matériel. Les câbles 28, 30, s'enroulent sur les tambours 24, 26, de telle 35 sorte que lorsque le moteur 18 fait tourner l'arbre 36 sur lequel les tambours sont montés, dans le sens des aiguilles d'une montre, 69 20372 2011222 par exemple, la benne 32 remonte alors que la benne 34 descend. De m#me, la rotation en sens inverse des aiguilles d'une montre de l'arbre 36 fait remonter la benne 34 et descendre la benne 32» On comprendra que le couple applique au moteur 18 5 dépend des poids relatifs des matériaux contenus.dans les bennes 32 et 34. Par exemple, si la benne 32 remontante contient un matériel plus lourd que celui de la benne 34, un couple positif est appliqué à l'arbre 36 par le moteur 18. D'autre part, si le matériel contenu dans la benne 34 est plus lourd que celui de la 10 benne 32, le moteur 18 communiquera à l'arbre un effet de freinage aux conditions de rétroaction. Bien que l'on ait représenté un dispositif Ward-Leonard aux fins d'illustration, on remarquera que l'on pourrait, si on le désire, supprimer la génératrice 10 et entraîner le moteur 18 15 directement au moyen d'une alimentation à thyristors couplé» au réseau principal de distribution et fonctionnant selon les techniques classiques de modulation de phase; c'est-à-dire qu'une alimentation à thyristors couplée directement au moteur 18, au lieu de l'être à l'enroulement inducteur de la génératrice 10, 20 constitue en fait l'équivalent du dispositif Ward-Leonard représenté. Les signaux d'entrée de commande du moteur 18 sont appliqués à la borne d'entrée 38, et ensuite à un génératéur 40 de fonction en rampe, qui convertit une entrée à gradin, par ex-25 emple, en une sortie en rampe. Le signal produit par le générateur 40 est alors appliqué à un combinateur de vitesse 42 ayant une courbe de gain statique représentée par la courbe illustra-tive 44» On voit que le gain statique du circuit croît graduellement dans le sens positif ou négatif, selon la polarité du 30 signal d'entrée, jusqu'à ce qu'un point de saturation soit atteint. En outre, on peut faire varier le point de sàturation vers le haut ou vers le bas, ainsi que représenté, par exemple, par les traits interrompus de la courbe 44 de gain, relative au circuit 42. 35 Les entrées appliquées au combinateur de vitesse 42 sont la tension de commande en rampe apparaissant sur le conducteur 46, et une tension de rétroaction apparaissant sur le 69 20372 -5- 2011222 conducteur 48 et représentant la vitesse du moteur. La tension appliquée au conducteur 48 est produite par une génératrice tachymètre 50 couplée au moyen d'un réducteur 52 à l'arbre du moteur 18. Lorsque les tensions apparaissant sur les conducteurs 5 46 et 48 ne s'annulent pas, le combinateur de vitesse 42 intègre la différence et sa sortie augmente jusqu'à ce que la limite de saturation soit atteinte, soit dans le sens positif soit dans le sens négatif. Quand la vitesse du moteur d'entraînement correspond au signal de référence de vitesse apparaissant à la borne 46, 10 le combinateur de vitesse quitte la saturation et établit pour la boucle d'intensité un signal de référence d'intensité qui correspond à l'intensité demandée par la charge d'entraînement. Ces limites de saturation du combinateur de vitesse sont, elles-mêmes, réglées par un limiteur d'intensité 54 couplé à la sortie d'un 15 limiteur de crêtes de puissance 56 répondant à la tension de sortie du tachymètre 50 d'une manière dont la description va suivre. La sortie du combinateur de vitesse 42, apparaissant sur le conducteur 58, constitue une entrée appliquée à un combi-natéur d'intensité 60. L'autre entrée appliquée à ce dernier, 20 apparaissant sur le conducteur 62, est une intensité de rétroaction fournie par un transducteur d'intensité 64. L'entrée appliquée au transducteur 64 est elle-même constituée par une tension développée aux bornes d'une résistance 66 intercaléê dans le circuit entre la génératrice 10 et le moteur 18. Quand les 25 deux entrées apparaissant sur les conducteurs 58 et 62 ne s'annulent pas, le copbinateur d'intensité 60 intègre la différence et sa sortie modifie le champ de la génératrice 10 ainsi que le courant fourni au moteur 18 jusqu'à annulation de la différence. L'intensité du moteur correspond donc ainsi à celle indiquée par 30 le combinateur de vitesse 42. L'intensité ne peut donc pas dépasser la sortie du combinateur de vitesse, laquelle est limitée par la saturation. Lorsque le combinateur de vitesse est à saturation, sa sortie est constante ainsi par suite que l'intensité de régulation. 35 La courbe idéale couple-vitesse du moteur 18 est repré sentée à la Figure 2„ On supposera que dans le quadrant 1, par exemple, le moteur 18 tourne dans le sens des aiguilles d'une 69 20372 -6- 2011222 montre. Dans ce cas, un couple positif est fourni au moteur qui fonctionne alors en moteur. Toutefois, à mesure que la vitesse du moteur augmente au-delà d'un niveau déterminé S^, le couple maximal (c'est-à-dire l'intensité passant dans le moteur) est 5 graduellement réduit afin d'éliminer ainsi les crêtes indésirables de puissance en question.. Dans le quadrant II, le moteur tourne toujours dans le sens des aiguilles d'une montre, mais le couple est négatif, de sorte que le moteur fonctionne aux conditions de rétroaction. Afin d'assurer le maximum de freinage 10 dans ces conditions, il n'existe théoriquement pas de modification de la limite d'intensité dans ce second quadrant» Maintenant, quand le moteur fonctionne dans le troisième et le quatrième quadrant, son sens de rotation s'inverse. Dans le troisième quadrant, le moteur fonctionne en moteur, et la mo-15 dification de limite d'intensité en fonction de la vitesse est utilisée ainsi que le montre la Figure 2; alors que dans le quatrième quadrant, le moteur fonctionne à nouveau en rétroaction, et aucune modification de limite d'intensité n'est utilisée. Dans ce dernier cas, la limite d'intensité est une valeur cons-20 tante ainsi que représenté dans les second et quatrième quadrants à la Figure 2» Le limiteur 56 de crêtes de puissance et le limiteur 54 d'intensité sont représentés en détail à la Figure 3. La sortie de la génératrice tachymètre 50 est appliquée au moyen d'une 25 résistance RQ à l'entrée d'un amplificateur opérationnel 62 pourvu d'un circuit de rétroaction comprenant une résistance R^. La sortie de l'amplificateur 62 est appliquée au moyen d'une diode Zener 64 et du rhéostat Pg a une source de +24 voltffio De même, la sortie de cet amplificateur 62 est appliquée' au moyen d'une 30 diode Zener 66 et du rhéostat P^ à une source de -24 volts. La prise mobile du rhéostat P2 est connectée par l'intermédiaire d'une résistance variable P^ et d'une diode 68 au point de jonction des résistances R et R, divisant la tension. Une extrémité S 0 de la résistance R& est mise à la terre ainsi que représenté ; 35 alors qu'une extrémité de la résistance R^ est connectée à une source de +24 volts. De manière similaire, la prise mobile du rhéostat P^ 69 20372 -7- 2011222 est connectée au moyen d'une résistance variable et d*une diode 70 au point de jonction des résistances R et R, de divi- c a sion de tension montées dans le limiteur 54 d'intensité» Une extrémité de la résistance R est mise à la terre; alors quftine 5 extrémité de la résistance R^ est connectée à une source de —24 volts<> On peut faire varier la valeur effective des résistances Pj et Pg au moyen des prises mobiles 72 et 74, ce que l'on comprendra facilement. On supposera que le signal fourni par la génératrice 10 tachymètre 50 est positif quand le moteur tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, et fonctionne dans le quadrant I de la Figure 2* Dans ces conditions, la sortie de l'amplificateur opérationnel est négative et le courant passe par la diode Zener 64, en sens inverse, à la source de +24 volts. Par suite, la diode 15 Zener fait fonction de source de tension constante analogue à une batterie. D1autre part, si la sortie de la génératrice tachymètre 50 est négative, la sortie de l'amplificateur 62 est positive, de sorte que la diode Zener 66 et le rhéostat P^ entrent en jeu. 20 Un circuit équivalent des circuits 54 et 56 est repré senté à la Figure 4 à laquelle les résistances R^ R2 sont égales à la valeur totale de la résistance Pg représentée à la Figure 3„ En outre, la tension Vz indique la source de tens-ion constante constituée par la diode Zener 64; alors que la tension V est 25 égale à ï Rf V R o g pression dans laquelle Vg est la tension de sortie de la génératrice tachymètre 50. 30 On peut encore réduire le circuit équivalent de la Figure 4 en celui représenté à la Figure 5, à laquelle, dans le limiteur 56 de puissance de crête, en regardant du point Vp : (D 2 35 (2) R1R2 Rx + vzz «2 «2 69 20372 -8- 2011222 (3) (4) V B V *2 24Z R, 15 Dans le circuit 54 limiteur d'intensité, en regardant du point Vcl» peut exprimer R et Vc par : 10 (5) (6) R V. R, R b a R + R, a b 24R R + R, a b D'après le circuit équivalent de la Figure 5 on voit qu'aucun courant I ne passera dans le circuit avant que la somme des tensions V + V soit supérieure à la somme des tensions V- + V. . 3. C ZZ D Jusqu'à cette occurence, (c'est-à-dire + Vc supérieure à Vzz + V^) aucun courant ne passe dans le circuit, et la limitation de crêtes de puissance est sans effet. Toutefois, quand la vitesse du moteur augmente au point auquel l'intensité I passe dans le circuit, la tension V^ est réduite par la chute de tension aux bornes de la résistance R. C'est-à-dire : 20 25 (7) (8) (9) (10) cL V cL V cL V cL - V 30 Pour un jeu donné de réglages de potentiomètres, le saul terme de l'Equation (10) qui varie est V"s. Par suite, V ^ apparaissant au point de jonction des résistances R, et R à la 0 3 Figure 3, soit le réglage de limite d'intensité, varie proportionnellement à V apparaissant à la sortie de l'amplificateur opéra- cl 69 20372 -9- 2011222 tionnel 62 ainsi que représenté à la Figure 6. On peut modifier la pente de la courbe de la Figure 6 en réglant à la fois Z et P^; toutefois la modification de P^ a un effet beaucoup plus marqué. On voit donc que la sortie de la génératrice tachymè-5 tre, V , est comparée avec une tension fixe (c'est-à-dire 3 + Vzz - V ) et lorsque la sortie du tachymètre excède la tension fixe, la sortie maximale de combinateur de vitesse de la Figure 1 se trouve réduite. On règle la vitesse d'entraîne ment à laquelle commence la réduction des limites d'intensité en 10 faisant varier la tension de la Figure 5, variation obtenue par le réglage du potentiomètre P^ de la Figure 3. En référence à nouveau à la Figure 3, le signal en rampe apparaissant sur le conducteur 46 est appliqué au combinateur de vitesse 42 qui comprend un amplificateur opérationnel 76 15 pourvu d'un céseau de rétroaction intégrateur comportant une capacité 78, une résistance 79 et un montage limiteur 80. Quand le moteur tourne dans un sens, la tension apparaissant au point de jonction des résistances R& et Rb est appliquée au limiteur pour limiter la sortie de l'amplificateur opérationnel 76 du 20 combinateur de vitesse 42, appliquée au combinateur d'intensité 60 selon la courbe vitesse-couple représentée à la figure 2. Aux conditions de rétroaction (c'est-à-dire quand le moteur fonctionne dans les quadrants II et IV) les signaux sont encore appliqués au limiteur 80 par le circuit 54; toutefois ils sont 25 sans effet sur la commande du moteur puisque le courant passant dans ce dernier s'est inversé aux conditions de rétroaction. Le signal de limite d'intensité en rétroaction est la tension apparaissant aux bornes de la résistance R£ de la Figure 3, et cette tension de signal ne varie pas en fonction de la vitesse du 30 moteur quand celui-ci tourne dans le sens des aiguilles d'une montre car'la tension de l'amplificateur opérationnel 62, maintenant négative, bloque alors tout passage de courant dans la diode 70o 20372 -10- 2011222 REVENDICATIONS 1» Commande de moteur comprenant un combinateur de vitesse ayant une sortie maximale réglable, un combinateur d'intensité répondant à l'intensité passant dans ce moteur, couplé 5 à la sortie du combinateur de vitesse, un montage à thyristors couplé à la sortie du combinateur d'intensité pour faire varier la tension et l'intensité appliquée à ce moteur, un dispositif pour produire un signal qui varie en fonction de la vitesse du moteur, un dispositif répondant à ce signal pour créer une ten-10 sion qui varie proportionnellement à la vitesse seulement après que la vitesse du moteur excède un niveau déterminé, et un dispositif répondant à cette tension pour faire varier la sortie maximale en combinateur de vitesse,, 2. Commande de moteur selon revendication 1 caractéri-15 sée par le fait que le dispositif produisant le signal est constitué par une génératrice tachymètre couplée à l'arbre de ce moteur» 3. Commande de moteur selon revendication 1 ou 2 caractérisée par le fait que le dispositif qui en réponse à ce signal 20 produit une tension variant proportionnellement à la vitesse comprend des moyens destinés à comparer ce signal avec une tension fixe pour produire cette tension proportionnelle à la vitesse seulement lorsque le signal excède cette tension fixe» 4« Commande de moteur selon revendication 1, 2 ou 3, 25 caractérisée par le fait que le dispositif qui en réponse au signal produit une tension variant proportionnellement à la vitesse comprend un amplificateur opérationnel dont l'entrée est couplée à ce générateur de signal, une diode Zener, et un rhéostat reliant la sortie de cet amplificateur à une source de potentiel, un di-30 viseur de tension, l'agencement étant pourvu de moyens comprenant un dispositif à courant unidirectionnel pour connécter une prise mobile de ce rhéostat à un point situé sur ce diviseur de tension, et des moyens pour dériver cette tension qui varie proportionnel-. lement à la vitesse, de ce point situé sur le diviseur de tension. 35 50 Commande de moteur selon revendication 4 caractéri sée par le fait que les moyens connectant une prise mobile de ce rhéostat à un point de ce diviseur de tension comprennent une BAD ORIGINAL 69 20372 -ii- 2011222 résistance variable permettant de faire varier la sortie maximale du combinateur de vitesse. 6« Commande de moteur selon revendication 4 ou 5, comprenant une seconde diode Zener Et un second rhéostat connec— 5 tant la sortie de cet amplificateur opérationnel a une source de potentiel, un second diviseur de tension, des moyens comprenant un second dispositif a courant unidirectionnel connectant une prise mobile de ce second rhéostat à un point de ce second diviseur de tension, et des moyens pour dériver une tension qui va-10 rie proportionnellement à la vitesse de ce point du second diviseur de tension ainsi que du premier diviseur de tension. 7.^ Commande de moteur selon revendication 6, caractérisas par le fait que ces dispositifs à courant unidirectionnel sont montés avec la polarité voulue pour conduire le courant en sens 15 opposés. 8. Commande de moteur selon revendication 6 ou 7, caractérisée par le fait que la première diode Zener et le premier rhéostat connectent la sortie de cet amplificateur opérationnel à une source de potentiel d'une polarité, et que la seconde 20 diode Zener et le second rhéostat connectent la sortie de cet amplificateur opérationnel à une source de potentiel de la polarité opposée. 9» Commande de moteur selon revendication 8 caractérisée par le fait que le premier diviseur de tension est connecté 25 entre une source de potentiel de référence et cette source de potentiel d'une première polarité, et que le second diviseur de tension est connecté entre ce point de potentiel de référence et la source de potentiel de polarité opposée. 10. Commande de môteur selon revendication 9 caracté-30 risée par le fait que l'anode de la première diode Zener est connectée à la sortie de cet amplificateur opérationnel^ la cathode de la seconde diode Zener étant connectée a la sortie de cet amplificateur. bad ofhgjnal