Brevet FR2013185A1 — publié le 19700327

L'invention se rapporte à un système de contrôle de la vitesse pour un véhicule propulsé par un moteur linéaire à induction. De tels moteurs comprennent un stator généralement plan ou une paire de stators supportant des enroulements sous la forme d'une rangée de bobines alimentées par un courant 5 alternatif de façon à produire un champ magnétique se propageant le long du stator et un rotor comprenant une bande allongée ou un rail qui est habituellement une pièce fixe. Le rail fixe ou rotor est fait de préférence d'un alliage à haute résistance tel qu'un acier inoxydable ou un alliage d'acier au manganèse. 10 L'utilisation d'un rail réacteur à haute résistance permet de s'assurer qu'un effort de traction élevée est disponible aux faibles vitesses du véhicule. Cet effort de traction varie avec la tension appliquée au moteur. On objet de l'invention est de fournir un système de contrôle effectif de la vitesse pour un véhicule propulsé par un moteur linéaire à 15 induction et employant un rotor de résistance élevée ou rail réacteur. Selon l'invention, le système de contrôle comporte : - des moyens p««r comparer la vitesse requise du véhicule avec la vitesse réelle du véhicule et povr produire un signal d'erreur de vitesse ; - des moyens pour convertir le signal d'erreur en un signal de 20 vitesse requise modifiée, ayant une valeur qui est astreinte à changer à un taux donné, une boucle de contrôle de la vitesse dans laquelle la vitesse réelle est comparée à la vitesse requise modifiée pour produire un nouveau signal d'erreur ; - des moyens pour amplifier le nouveau signal d'erreur et pour le 25 convertir en un signal d'angle d'amorçage ; - un régulateur thyristor alimenté par un courant triphasé, la tension de sortie du régulateur étant appliquée au moteur linéaire ; et - des moyens peur fournir le signal d'angle d'amorçage au régulateur thyristor de façon à faire varier la tension de sortie du régulateur thyristor 30 et de là la vitesse du véhicule de façon à réduire l'erreur de vitesse. Un autre objet de l'invention est également de fournir des moyens peur inverser la poussée du moteur. Selon une des caractéristiques de l'invention, les moyens destinés à inverser la poussée du moteur lorsque le signal d'erreur de vitesse change de 35 polarité comportent des moyens pour inverser la sortie de l'amplificateur, le circuit d'attaque étant conçu de telle sorte que les impulsions d'attaque sont alors supprimées et que le courant à travers le moteur linéaire décroît rapidement, des moyens pour appliquer un signal d'entrée à un circuit logique lorsque le courant dans chacune des trois phases a diminué jusqu'à zéro, le 40 circuit logique étant disposé pour exciter, lors de la réception dudit signal BAD ORIGINAL 69 24317 2 2013185 d'entrée et du signal indiquant que l'erreur de polarité a été modifiée, des eontacteurs en vue d'inverser deux des trois phases de l'entrée du régulateur thyristor et d'exciter en Mime temps une unité de changement qui change la polarité de l'entrée du signal à l'amplificateur permettant ainsi au moteur 5 d'inverser la poussée. Afin que l'invention puisse être facilement mise en application, un mode de réalisation de l'invention sera décrit en détail et à titre d'exemple en se référant au dessin annexé, dans lequel t La figure 1 est une section transversale d'un engin à coussin d'air 10 astreint à être guidé et à se mouvoir le long d'une piste préétablie, la figure 2 est un schéma sous forme de diagramme du système de contrôle de vitesse pour contrôler le moteur linéaire à induction en vue de la propulsion d'un engin à coussin d'air tel que représenté à la figure 1, la figure 3 illustre les caractéristiques du moteur linéaire de 15 l'engin à coussin d'air, la figure 4 montre quelques détails de circuits du régulateur thyristor formant une partie de la figure 2, la figure 5 montre le système de contrôle dans son ensemble pour un moteur linéaire servant à propulser l'engin à coussin d'air, le bloc du 20 contrôle de la vitesse 35 de la figure 5 représentant le schéma entier de la figure 2, la figure 6 est le schéma du circuit 22, figure 2, de l'unité de modification du signal, la figure 7 est un schéma de l'unité logique 30 de la figure 2, et 25 la figure 8 une table logique définissant l'opération de l'unité logique de la figure 7. Dans la figure 1, on a représenté une coupe d'un engin à coussin d'air 10 propulsé par un moteur linéaire et adapté pour parcourir une piste en 11, l'engin étant supporté et guidé le long de la piste par des coussins d'air 30 non représentés. Un tel véhicule est décrit et illustré plus complètement aux brevets britanniques 995127 et 1002588. A l'un des côtés de la piste 11 en for» me de T se trouve monté un rotor en acier an manganèse ou rail de moteur linéaire 12 qui est enveloppé par un moteur linéaire à induction 13. Un dispositif d'alimentation en courant triphasé est prévu pour lé moteur et à 35 cet effet on dispose de trois rails conducteurs 14 fixés à la partie inférieure de la piste 11. Le courant est pris au Moyen des trois balais 15 supportés par les bras de prise 16 du véhicule 10. Le courant est appliqué au moteur par la boîte de commande 17, laquelle contient l'ensemble des circuits de la figure 5. Le dispositif de commande de vitesse du conducteur est représenté 40 schématiquement en 18 mais pourrait naturellement être situé dans la cabine du BAD ORIGINAL 69 24317 3 2013185 conducteur. Ua signal de "vitesse requise Modifiée" est appliqué au dispositif 20, figure 2, ainsi que le signal de la vitesse réelle de façon à produire sur la ligne 21 un signal d'erreur qui est dirigé à travers l'unité Modificatrice 22 5 à un amplificateur opérationnel 23. La sortie de 1'amplificateur 23 est connectée au circuit d'excitation d'attaque 24 du régulateur thyristor 25. Le courant triphasé de fréquence et de tension déterminées est appliqué par le circuit 26 d'inversion de phase au régulateur thyristor 25 dont la sortie est la tension d*alimeatation du moteur qui est appliquée par la ligae 27 au 10 stator du moteur linéaire 28. Le courant du moteur est transmis par le contrôleur de courant 29 à la terre. Le signal produit par le coatrÔleur de courant est appliqué à an circuit logique 30 conçu pour commander l'unité de changement 22 et l'unité d'inversion de phase 26. Le signal d'erreur de vitesse est appliqué le long de la ligne 31 à un comparateur 32 qui détermiae 15 si le signal d'erreur est positif ou négatif et indique cet état au circuit logique 30. Le système impose comme alimentation du système de propulsion du moteur liaéaire aae tension triphasée variable et de fréquence fixe et implique l'utilisation d'an rail de réaction en acier à 11 à 14 % de mangaaèse. La 20 teasion appliquée au moteur est modifiée par le contrôle de l'angle de phase d'une ligne de tension nominale de 3,3 kV triphasée au moyen du régulateur thyristor 25 de la figure 2. La fonction première du système de contrôle est de contrôler la vitesse de l'engin à coussin d'air. Son signal d'entrée est la vitesse requise, 25 laquelle, comme représentée, provient du dispositif de commande du conducteur. Elle pourrait provenir d'un contrôleur automatique qui aurai t été soit programmé pour un parcours particulier ou qui pourrait calculer la vitesse requise en fonction de la distance parcourue sur la piste. Le système de commande est conçu de façon que l'engin à coussin d'air 30 accélère ou freine toujours avec une accélération limitée à une valeur assurant le confort des passagers. La figure 3 représente l'effort de traction en fonction de la caractéristique de la vitesse de l'engin à coussin d'air pour une vitesse constante et pour une accélération de 0,2 g. Le couple du moteur linéaire en 35 fonction des caractéristiques de la vitesse pour trois valeurs de la tension d'alimentation a été porté sur le mime système d'axes. Il est clair que pour accélérer à 0,2 g à la vitesse S-|, il faut alors appliquer les tensions V-j et peur obtenir un mouvement à vitesse constante S-j, la tension d'alimentation requise est V2. Le système de contrôle usure automatiquement l'application 40 des tensions appropriées pour la vitesse et l'accélératioa exigées. BAD ORIGINAL 69 24317 4 2013185 Il est clair, d'après la figure 3, qu'une accélération constante ne correspond pas à un effort de traction constant de sorte que cette condition ne peut être obtenue en limitant l'effort de traction du moteur ou par un dispositif aussi simple. Le système de commande comporte par conséquent un 5 dispositif qui limite le taux de changement de la vitesse du signal d'entrée de telle sorte qu'il assure une accélération ou une décélération du véhicule qui a toujours lieu à un niveau spécifié. Ainsi, si une étape de changement de vitesse est appliquée peu? les commandes du conducteur, le moteur est commandé pour accélérer ou pour freiner lentement le véhicule à la vitesse 10 requise. L'opération détaillée du circuit de réaction du contrôle de vitesse est la suivante. La vitesse exigée modifiée est comparée avec la vitesse réelle en 20 et le signal d'erreur de vitesse est alors amplifié par l'amplificateur opérationnel 23. La tension de sortie en résultant est convertie en un angle 15 d'amorçage par le circuit d'amorçage 24 et les impulsions de contrôle en résultant sont transmises au régulateur thyristor 25} celui-ci change la tension appliquée au moteur linéaire 28 de façon à réduire l'erreur. Si le signal d'erreur change de polarité en raison d'une demande de vitesse plus faible ou en raison de forces d'entraînement externes subies par l'engin à coussin d'air 20 telles que le vent ou la pesanteur, la séquence suivante est observée. D'abord, la sortie de l'amplificateur 23 est inversée et le circuit d'attaque 24 est conçu de telle sorte que. les impulsions d'attaque sont supprimées. Le courant & travers le moteur linéaire 28 décroît alors rapidement. Lorsque le courant est tombé à zéro pour chacune des trois phases, le circuit 25 logique 30 reçoit un signal d'entrée. S'il reçoit également un signal du comparateur 32 indiquant que la polarité de l'erreur a changé, il excite alors des contacteurs pour inverser deux des phases d'entrée du régulateur du thyristor 25 et il excite au même moment l'unité de changement 22 qui change la polarité du signal d'entrée à l'amplificateur 23. Le moteur 28 est entraîné de 30 ce fait à produire une poussée inverse. Ce circuit assure la non opération des contacteurs de renversement de phase jusqu'à ce que le courant ait décru à la valeur zéro. De plus, le système de contrôle est amorti de façon qu'il n'existe aucun à-coup résultant d'une phase de modification de la vitesse, de sorte que les contacteurs 35 opèrent seulement lorsque le renversement du couple moteur est requis. Si on le désire, il est possible de se passer de ce système de contrôle et de commander le circuit d'attaque directement à partir du signal du conducteur en fournissant au circuit d'attaque 24 un signal de demande provenant directement de la commande du conducteur. 40 Le régulateur thyristor 25 est représenté en détail figure 4, le 8AP ORIGINAL 69 24317 5 2013135 régulateur étant sur le côté gauche de la figure et la charge sur le côté droit. Le régulateur comprend des thyristors désignés par TH-j, THg» TH3 et des diodes désignées par D-j, Dg, D3 dans les trois modules. Un des modules 5 comprend un thyristor TH-) et une diode D-| shunté par un contacteur SV-| ; le second module, shunté par le contacteur SV2> comprend le thyristor TH2 et une diode D2, et le troisième module, shunté par le contacteur SV3, comprend le thyristor TH3 et la diode D3. . La tension appliquée et par conséquent le courant de charge peuvent 10 être modifiés lentement entre des râleurs de sortie nulle et maximum en faisant varier l'angle d*amorçage des thyristors. La caractéristique de commande dépend du facteur de puissance de charge puisqu'évidemment peur une charge décalée de 90* en arrière, un retard du point d'amorçage du thyristor de 90* entraîne une sortie maximum, tandis que pour une charge complètement résistive, il en 15 résulte une sortie de 50 ï. Puisque le facteur de puissance du moteur linéaire varie avec le glissement, la caractéristique de commande varie d'une façon correspondante. Cependant, puisse le régulateur est compris dans le circuit de contre-réaction du contrôle de vitesse, il en résulte un effet négligeable sur la caractéristique de la boucle de réaction du système dans son ensemble. 20 Chaque module de commutation à thyristor est shunté au moyen de contacteurs rapides SV-j - 3 (figure 4)• Leur fonction est d'abord de protéger les thyristors contre tout court-circuit de charge et deuxièmement de permettre un freinage d'urgence si l'un des régulateurs vient à faire défaut. Le système de commande dans son entier incorporant l'unité de 25 contrôle de la vitesse de la figure 2 est représenté à la figure 5. L'unité de contrôle de la vitesse décrite en se rapportant à la figure 2 et représentée en tant que bloc 35 à la figure 5 est alimentéeen 36 par le signal de vitesse exigée modifiée. La vitesse exigée réelle, transmise du dispositif de commande 18 de la vitesse d'entraînement, est appliquée en 38 à un dispositif différen-30 tiel 38a dont la sertie est connectée à un amplificateur opérationnel 39 et de là à travers un limiteur de sortie 40 à un intégrateur 41 produisant le signal de vitesse requise modifiée en 36. Ce signal est égalaient renvoyé au moyen de la boucle de réaction 42 au dispositif 38a. Supposons que le signal de vitesse exigée transmis au système entier soit soumis à une phase de changement. Le 35 signal d'erreur provoque la saturation de l'amplificateur 39 (qui est un amplificateur à gain élevé) et cette tension de sortie saturée commande l'intégrateur 41 pour intégrer à un taux déterminé. L'amplificateur 39 reste saturé jusqu'à ce que la vitesse exigée modifiée ait atteint la valeur requise lorsque l'intégrateur 41 cesse d'intégrer et que l'engin à coussin d'air 40 fonctionne à une vitesse constante. 3âd ork3jnal ^9 24317 6 2013185 Les dispositions du circuit décrit ea référence au schéma des figures 2 et 5 seront exposées maintenant d'une façon plus détaillée. Si l'on se réfère d'abord à la figure 2t l'unité d'inversion de phase 26 comprend un commutateur rotatif conventionnel tel qu'il est connu pour le renversement du 5 sens de rotation d'un moteur à induction triphasé. Le régulateur thyristor 25 est celui qui a été décrit en se rapportant à la figure 4. L'arrangement de circuit qui s'y trouve représenté est sensiblement semblable à celui décrit dans "Institution of Electrical Engineers Conférence Publication Ko 17, part 1 - Pover Applications of 10 Controllable Semiconductor Devices - 10th, llth fovember 1965" (Publication !• 17 de la Conférence de l'Institut des Ingénieurs Electriciens, partie 1, Applications aux Sources de Puissance de Dispositifs Semiconducteurs Contrôlables des 10 et 11 Novembre 1965). Le moteur linéaire 28 peut être un moteur linéaire tel que celui qui 15 a été décrit au brevet 995.127 ou au brevet 1.002.588. Le contrôleur de courant 29 comporte avantageusement trois transformateurs de courant, l'un connecté en série avec ckacun des enroulements de phase du moteur linéaire 28. Le dispositif 20 peut, dans sa ferme la plus simple, représenter un 20 peint du circuit où les deux signaux d'entrée : "signal de vitesse exigée modifiée" et "signal de vitesse réelle" apparaissent à travers un élément de circuit coamun. L'unité de changement 22 peut prendre la fome représentée à la figure 6. Dans cette figure, le signal du dispositif 20 est représenté coame appa-25 raissant entre deux lignes d'entrée 21a et 21b, qui représentent ensemble la ligne 21 de la figure 2. On coarotateur de changement à deux pôles, représenté par la référence générale 50, est entraîné sur l'un ou l'autre de ses états de commutation au moyen de la bobine électromagnétique 51, ou d'un moyen fonctionnel équivalent, selon qu'un signal "0" ou un signal "1" est appliqué à 30 l'unité logique 30 entre les lignes 30a et 30b. Lorsque le signal "0" apparaît sur les lignes 30a, 30b, les lignes 21a et 22b sont connectées aux lignes 22a et 22b respectivement. Lorsque le signal "1" apparaît sur les lignes 30a et 30b, lesdites connexions sont inversées. L'amplificateur opérationnel 23 est une unité conventionnelle, le 35 circuit d'amorçage 24 est également une unité conventionnelle et peut être tel que celui qui a été décrit au "Silicon Controlled Kectified Handbook-International General Electric Company-Gullwitzer et al" (Redresseur au Siliaum Contrôlé*Manuel de la Compagnie Internationale General Electric -par Gullvitzer.) 40 Le comparateur 32 est un amplificateur opérationnel conventionnel bad original 69 24317 7 2013135 pour comparer les grandeurs des deux entrées. Il comporte deux états de signaux de sortie définis comme états "0" et "1* et peut prendre l'une ou l'autre des valeurs des deux états lorsque le signal d'erreur sur la ligne 21 est supérieur ou inférieur à zéro respectivement. 5 Le circuit logique 30 est représenté en détail à la figure 8 et comporte dans une disposition en série une porte ET 52, un inverseur 53, une porte ET 54 et un inverseur 55. L'une des entrées de la porte ET 52 est pourvue d'un comparateur 32 et l'autre entrée est pourvue d'un comparateur 56. Le comparateur 56 compare l'entrée analogue du contrôleur de courant 29 avec 10 la référence "0" et fournit les signaux de sortie "0" ou "1" lorsque le signal d'entrée du contrôleur 29 est respectivement positif ou négatif. L'unité logique fournit un signal de sortie "0" ou "1" vers l'unité de changement 22 selon les valeurs du tableau logique de la figure 8. Si l'on se réfère maintenant à la figure 5, le dispositif 38a est 15 dans sa forme la plus simple, un point de circuit auquel le signal de "vitesse requise" et le signal de réaction sur la ligne 42 apparaissent à travers un élément de circuit commun. L'amplificateur opérationnel 39 est une unité conventionnelle. Le limiteur de sortie 40 commande le niveau de saturation de l'amplificateur 20 opérationnel 41 en utilisant par exemple une diode de Zener dans la ligne de réaction. L'intégrateur 41 comprend un amplificateur opérationnel conventionnel pourvu d'une réaction capacitive. On peut noter que le système décrit ici évite le fonctionnement 25 inutile des contacteurs d'inversion de phase. A titre d'exemple^ supposons que l'engin sur coussin d'air circulant à sa vitesse maximum se trouve dans l'obligation de freiner. Il se peut qu'initialement le bobinage fournisse une action de freinage totale. Dans ce cas, le signal d'erreur n'est pas inversé et les contacteurs d'inversion de phase ne sont pas mis en opération. 30 Le système décrit ci-dessus fournirait un contrôle de la vitesse à n'importe quelle vitesse même si les forces extérieures agissant sur l'engin à coussin d'air étaient dans une direction permettant de l'entraîner par exemple dans le sens de sa vitesse avec un vent arrière de 50 km/h. La méthode de contrôle du moteur linéaire en fêdsant varier la tension en conjonction avec 35 le rail réacteur en acier au manganèse impliquerait un fonctionnement du moteur avec un fort glissement aux faibles vitesses du véhicule. Il s'ensuit un facteur de puissance plus bas que si le contrôle de la fréquence avait été utilisé, mais puisque le moteur possède un entrefer important en raison des considérations mécaniques, l'effet serait amoindri en partie par le faible 40 facteur de puissance engendré de toute façon par l'importance du jeu. Le BAD 0RK3INAL 69 24317 contrôle de la tension possède l'avantage que les thyristors sont naturellement commutés. Des thyristors à commutation rapide ne sont pas requis et le circuit est très simple, entraînant une sécurité et un coût minimum. Le poids peut être aussi maintenu à un minimum puisque aucun composant ou enroulement magnétique 5 n'est employé. 2013135 BAD ORIGINAL 24317 9 2013135 REVENDICATIONS 1. Système de contrôle de vitesse pour un véhicule propulsé au moyen d'un moteur à induction linéaire et comportant des moyens pour définir la vitesse requise du véhicule comportant : 5 - des moyens pour comparer la vitesse exigée du véhicule avec la vitesse réelle du véhicule et pour produire un signal d'erreur de vitesse ; - des moyens pour convertir le signal d'erreur en un signal de "vitesse requise modifiée", ce signal ayant une valeur qui est astreinte à changer à un taux déterminé, une boucle de contrôle de la vitesse dans laquelle 10 la vitesse réelle est comparée à la "vitesse requise modifiée" pour produire un second signal d'erreur ; - des moyens pour amplifier ledit second signal d'erreur et pour le convertir en un signal d'angle d'amorçage ; - un régulateur thyristor alimenté par un courant alternatif triphasé, 15 la tension de sortie du régulateur thyristor étant appliquée au moteur linéaire, et - des moyens pour appliquer le signal d'angle d'amorçage au régulateur thyristor de façon à faire varier la tension de sortie du régulateur du thyristor et de là à faire varier la vitesse du véhicule de telle manière que 20 l'erreur de vitesse soit réduite. 2. Système de contrôle de vitesse tel que revendiqué à la revendication 1 comportant des moyens peur renverser la poussée du moteur lorsque le signal d'erreur de vitesse change de polarité et comportant t - des moyens pour inverser la sortie de l'amplificateur, le circuit 25 d'attaque étant conçu de telle sorte que les impulsions de commande soient alors supprimées et que le courant à travers le moteur linéaire décroisse rapidement ; - des moyens pour alimenter un circuit logique par un signal d'entrée lorsque le courant dans chacune des trois phases diminue jusqu'à la valeur 30 zéro, le circuit logique étant disposé de façon à exciter des contacteurs, lors de la réception dadit signal d'entrée et d'un signal indiquant que l'erreur de polarité a été modifiée, afin d'inverser deux des trois phases de l'entrée au régulateur thyristor et en même temps afin d'exciter l'unité de changement qui inverse la polarité de l'entrée du signal à l'amplificateur, 35 entraînant ainsi le moteur à inverser sa force de poussée. 3. Système de contrôle de vitesse pour un véhicule propulsé par un moteur à induction linéaire triphasé dans lequel le moteur linéaire à induction est contrôlé par un régulateur thyristor triphasé commandé au moyen d'un circuit d'amorçage commandé par un signal d'entrée, ledit système de contrôle 40 de vitesse emportant un dispositif commandé par le conducteur pour engendrer BAD ORIGINAL 69 24517 10 2013135 iin signal de vitesse exigée, un arrangement de circuit comportant un moyen amplificateur, un moyen limiteur de sortie, ma moyen d'intégration et un moyen de réaction pour engendrer un signal de vitesse exigée modifiée, des moyens recevant ledit signal de vitesse exigée modifiée ainsi qu'un signal représenta-5 tif de la vitesse réelle du véhicule et engendrant un second signal d'erreur, un comparateur pour déterminer le signe du second signal d'erreur et pour fournir un signal de sortie fonction du résultat de la comparaison, un contrôleur de courant pour fournir un signal représentatif du courant s'écoulant dans chacun des trois enroulements de phase dudit moteur linéaire à induction 10 triphasé, un arrangement de circuit logique fournissant un premier signal de sortie ou fournissant un second signal de sortie seulement lorsque ledit second signal d'erreur et ledit signal du dispositif contrôleur de courant sont tous les deux négatifs, une uni té de modification pour l'alimentation dudit second signal d'erreur audit circuit d'amorçage au moyen d'un amplificateur, 15 ladite unité de changement étant adaptée pour inverser le signe dudit second signal d'erreur lorsque le circuit logique fournit ledit second signal de sortie et des moyens d'inversion de phase pour inverser le sens d'excitation dudit moteur linéaire lorsque le circuit logique fournit ledit second signal de sortie. 20 4. Système de contrôle de vitesse tel que revendiqué à la revendica tion 3 dans lequel l'arrangement de circuit comporte un premier amplificateur opérationnel à saturation variable, alimentant un intégrateur comportant un second amplificateur opérationnel à circuit de réaction capacitif, une réaction négative étant appliquée de la sortie de l'intégrateur h l'entrée du premier 25 amplificateur opérationnel. 5. Système de contrôle de vitesse tel que revendiqué à la revendication 4 dans lequel le premier amplificateur opérationnel comporte une diode de Zener dans son circuit de réaction. 6. Système de contrôle de vitesse tel que revendiqué à la revendica-30 tion 3 dans lequel ladite unité de changement comporte un commutateur à double pôle d'inversion pour commuter alternativement les états desdits premier et second signaux de sortie dudit arrangement de circuit logique. 7. Système de contrôle de vitesse tel que revendiqué à la revendication 3 dans lequel ledit arrangement de circuit logique comporte une première 35 porte ET, un premier inverseur, une seconde porte ET et un second inverseur arrangés en série, une première entrée à ladite première porte ET à partir dudit comparateur et une seconde entrée du second comparateur adaptée pour répondre au signe du signal provenant du contrôleur de courant. BAD ORIGINAL