Brevet FR2010405A1 — publié le 19700213

-1" 2010405 La présente invention concerne des circuits électriques multiplicateurs de fréquence et s'applique plus particulièrement à des circuits destinés à alimenter des moteurs d'induction du type à cage et rotor. Un avantage important des moteurs d'induction du 5 type à cage ou à cage d'écureuil par rapport aux autres types de moteurs électriques est leur prix peu élevé et leur robustesse, dus principalement à l'absence de tout contact de glissant ou d'enroulement isolé sur le moteur. Ces moteurs sont limités par le fait que la vitesse la plus 10 élevée à laquelle ils peuvent être commandés comme moteur est, dans le cas d'un moteur monophasé bipolaire, sensiblement égalçk la fréquence de la tension alternative appliquée aux enroulements dû stator. La présente invention a principalement pour objet un circuit 15 multiplicateur de fréquence qui peut être utilisé pour augmenter la viteese d'un moteur d'induction par rapport à la fréquence d'alimentation en utilisant un appareil relativement simple. Selon l'un de ses aspects,. l'invention comprend un circuit électrique multiplicateur de fréquence comportant un circuit redres-20 seur à deux alternances destiné à être alimenté par une source de courant alternatif et "à être couplé capacitivement à un circuit de charge pour y appliquer un courant redressé, avec un circuit de dérivation résistant, connecté pour détourner la composante continue du courant redressé du circuit de charge, et la disposition est telle 25 que 'la fréquence du signal de sortie du circuit redresseur correspond à un multiple du signal d'entrée. Selon un autre de ses'aspects, l'invention comprend un circuit redresseur polyphasé destiné à être alimenté par une source polyphasée et dont les sorties sont connectées en parallèle à une charge mono-50 phasée,de façon que la charge soit alimentée successivement par les circuits des phases individuelles, avec un circuit de dérivation résistant, connecté aux bornes de la charge pour détourner la composante continue des courants redressés. En appliquant l'invention à un moteur d'induction, le stator 55 de ce dernier constitue la charge. On se rend compte que dans le cas d'une source monophasée utilisant un redresseur à deux alternances, la fréquence- de la 69 18850 -2- 2010405 tension alternative appliquée à.la charge correspond au double de la fréquence de la source dë courant alternatif du redresseur.- Dans le cas d'une source triphasée» la fréquence de la tension appliquée à la charge correspond à trois fois la fréquence de la 5 source de courant alternatif utilisant des redresseurs de phase à une seule alternance ou des redresseurs à deux alternances ; la tension appliquée à la charge correspond à six fois la fréquence de la source de courant alternatif. De préférence, legtedresseurs sont des redresseurs à l'état 10 solide. Avantageusement, le circuit de dérivation présente une haute inductance de manière à "bloquer la composante alternative du courant redressé. Le circuit de dérivation doit être naturellement résistant et capable de dissiper l'énergie de la composante continue du courant 15 de sortie du redresseur. Selon une autre caractéristique, l'appareil de commande est agencé de façon à faire varier la fréquence du courant de sortie. Dans les cas où la source alimente un moteur d'induction, un tel appareil de commande permet de régler la vitesse du moteur. 20 Selon une forme de réalisation, il est prévu un appareil de commutation par lequel le circuit redresseur à deux alternances peut être transformé à volonté en circuit redresseur à une seule alternance,de façon à diviser en deux la fréquence du courant alternatif de sortie. Une telle commande permettrait naturellement à un 25 moteur de fonctionner à la moitié de sa vitesse. Selon une autre forme de réalisation, on prévoit des moyens pour faire varier les proportions du courant qui circule à travers la charge et le circuit de dérivation. Une telle commande peut être constituée par une résistance variable en série avec la charge ou, 30 selon-une variante,en série avec le circuit de dérivation*- si on le désire, le circuit de dérivation peut comporter une résistance variable. Dans d'autres cas, des résistances variables peuvent être prévues aussi bien dans le circuit de charge que dans le circuit de dérivation et elles peuvent être jumelés. 35 Dans le cas d'un circuit polyphasé, il peut être prévu un dispositif 'de commutation pour transformer un circuit polyphasé en un circuit monophasé. 69 18850 -3- 2010405 Une application importante de l'invention comprend des appareils de chauffage à ventilateur , comme par exemple des sèche-cheveux dans lesquels l'énergie de la composante continue peut être utilement dissipée dans l'appareil de chauffage. 5 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressor- tiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : 10 La figure 1 représente un redresseur en pont monophasé bien connu ; La figure 2 montre graphiquement les courants engendrés dans le redresseur de la figure 1 ; La figure 3 représente un moteur d'induction monophasé alimen-15 té par un circuit multiplicateur de fréquence selon l'invention ; La figure 4 montre une variante du moteur représenté sur la figure 3 ; La figure 5 représente un moteur alimenté par une source triphasée ; 20 La figure 6 montre le circuit triphasé de la figure 5 modifié pour doubler la fréquence, c'est-à-dire pour fournir une fréquence de sortie six fois supérieure à la fréquence de la source d'alimentation; La figure 7 montre le circuit d'alimentation changeur de fréquence qui correspond à celui de la figure 3,mais qui est modifié pour 25 fournir deux fréquences différentes ; La figure 8 montre la forme d'onde de tension qui peut être obtenue avec le montage de la figure 7 ; La figure 9 montre une variante de la figure 7 5 La figure 10 montre une autre variante utilisant un commutateur 30 bipolaire ; La figure 11 correspond à la figure 4 dont le montage est modifié pour fournir deux fréquences de sortie ; La figure 12 représente le montage de la figure 4 modifié pour fournir une tension d'entrée variable et par suite une variation 35 continue de la vitesse d'un moteur d'induction ; La figure 13 montre la façon dont on peut faire varier la vitesse d'un moteur d'induction en faisant varier les proportions 69 18850 -4- 2010405 du courant passant à travers le moteur et le circuit de dérivation ; la figure 14 représente un montage différent de celui de la figure 13 ; La figure 15 montre un montage pour commuter un circuit redres-5 seur à deux alternances triphasée^e l'état triphasé à l'état monophasé ; La figure 16 montre un montage de commutation correspondant pour un circuit redresseur à deux alternances triphasées ; La figure 17 représente un circuit destiné à commuter un 10 circuit redresseur à deux alternances triphasé sur le mode de redressement à une seule alternance triphasée ; et La figure 18 représente un montage destiné à commuter un circuit redresseur à deux alternances triphasées sur lçfaode de redressement à une seule alternance monophasé ; 15 La figure 19 représente un montage dans lequel une source triphasée alimente une charge triphasée ; La figure 20 montre le montage de la figure 19 dans lequel la charge est montée en triangle ; et La figure 21 montre une variante dans laquelle la charge est 20 montée en étoile ; La figure 22 représente un montage montrant la façon dont lsinvention peut être appliquée à un appareil de chauffage à ventilateur en utilisant un moteur de commande en courant alternatif monophasé ; et 25 La figure 23 est une vue analogue, mais montrant un montage dans lequel l'appareil de chauffage à ventilateur est commandé par un moteur à courant alternatif triphasé. La figure 1 représente un circuit redresseur en pont bien connu comprenant quatre redresseurs D1, D2, D3 et D4, le courant 30 alternatif d'entrée étant appliqué à la jonction entre les redresseurs D4 et D1 et à la jonction entre les redresseurs D3 et D2. Le courant continu de sortie est prélevé à la jonction entre D3 et D4 et à la jonction entre D1 et D2. En se référant maintenant aux graphiques représentés sur la 35 figure 2, la forme d'onde A est la source de courant alternatif du redresseur en pontia forme d'onde Best le signal de sortie du redresseur en pont. On peut voir qu'il comprend une composante conti 69 18850 -5- 2010405 nue et une composante alternative. La composante continue C est représentée sur le troisième graphique,tandis que le dernier graphique montre la façon dont la composante alternative D peut être obtenue en soustrayant la forme d'onde C de la forme d'onde B. On 5 ■ voit clairement que la forme d'onde D correspond au double de la fréquence de la forme d'onde A de la source d'alimentation. La figure 3 montre la façon dont on peut utiliser ce circuit redresseur pour doubler la fréquence appliquée à un moteur M. Dans ce cas, le moteur d'induction M est alimenté par la sortie du cir-10 cuit redresseur par l'intermédiaire d'un couplage capacitif C1, tandis qu'un circuit de dérivation R élimine la composante continue du courant appliqué au moteur M. On voit aisément qu'avec ce montage le moteur M est alimenté en courant alternatif à une fréquence double de celle de la source de courant alternatif alimentant le circuit en 15 pont. Grâce à ce montage, il est possible de faire en sorte que le moteur tourne à des vitesses correspondant au double de la fréquence de la source de courant alternatif, en supposant naturellement que l'enroulement du moteur présente une seule paire de pôles et que des agencements de démarrage convenables, bien connus en pratique, soient 20 prévus. La figure 4 montre une variante du redresseur en pont de la figure 3,dans Haquell^la source monophasée de courant alternatif est appliquée par 1'internédiaire d'un transformateur T présentant un enroulement secondaire à prise centrale qui alimente un redresseur 25 biphasé formé par les redresseurs individuels D5 et D6. La figure 5 représente un moteur d'induction alimenté par une source triphasée. Dans ce montage, chacune des lignes triphasées A, B, C, alimente un côté du moteur par l'intermédiaire d'un redresseur respectif à une seule alternance D7, D8 et D9, tandis que l'autre 30 côté du moteur est connecté à une ligne neutre commune H. La figure 6 représente une variante du montage de la figure 5, dans laquelle les lignes de phase sont connectées à des redresseurs à deux altennances et la ligne neutre commune est supprimée. Ainsi, les redresseurs D7, D8 et D9, sont connectés au côté supérieur de 35 l'enroulement M du moteur par un condensateur 01}tandis que les redresseurs D10, D11 et D12 sont connectés au côté inférieur de l'enroulement M du moteur. Cette disposition permet de faire tourner 69 18850 -6- 2010405 le moteur à six fois la fréquence de la source de courant alternatifs, en supposant naturellement que l'enroulement du stator du moteur présente une seule paire de pôles. On se rend aisément compte que les montages décrits ci-dessus 5 offrent un moyen simple et peu coûteux pour augmenter la vitesse d'un moteur et l'invention est susceptible de nombreuses applications dans des dispositifs d'entraînement à petits moteurs dans lesquels les; frais de dissipation de la chaleur dans la résistance de dérivation sont négligeables,par exemple, dans des appareils de chauffage 10 à ventilateur, des sèche-cheveux, etc. Dans le cas des appareils de chauffage à ventilateur, la chaleur dissipée dans le circuit de dérivation peut être utilement utilisée à des fins de chauffage. Dans certains cas, les redresseurs peuvent être des redresseurs commandéss par exemple des thyristors, qui pourraient être agencés 15 pour permettre un certain degré de réglage de la vitesse. Il est également possible de monter les circuits redresseurs en cascade, mais dans ce cas, le courant de sortie serait considérablement réduit et par suite ne serait utile que pour de très faibles courants de charge. 20 la figure 7 représente un montage correspondant à celui de la figure 3» mais auquel on a ajouté un interrupteur S1. Lorsque l'interrupteur S1 est fermé, le circuit fonctionne normalement comme un circuit redresseur à deux alternances, et la fréquence de sortie correspond au double de la fréquence d'entrée. Oepentant, lorsque 25 l'interrupteur S1 est ouvert, le circuit devient un circuit redresseur à une seule alternance et la fréquence de sortie est identique à la fréquence d'entrée, comme le montre graphiquement la figure 8. La figure 9 représente un autre montage dans lequel un inverseur bipolaire S2 et un redresseur supplémentaire sont ajoutés. Dans 30 la position représentée, dans laquelle l'inverseur est dans sa position supérieure, l'extrémité supérieure du circuit de dérivation R est connectee a la jonction de D1 et de D4 et le circuit agit comme un redresseur à une seule alternance, les fréquences d'entrée et de sortie étant identiques. Cependant, lorsque l'inverseur S2 est amené 35 dans sa position inférieure, le circuit est ramené au mode normal de redressement à deux alternances et la-fréquence de sortie correspond au double-de la fréquence d'entrée. On remarquera que dans la pre 69 1885Q -7- 2010405 mière position, seuls les redresseurs D5 et D3 en séries sont en fonctionnement. La figure 10 représente une variante du montage de la figure 9> dans laquelle un second inverseur bipolaire S3 est ajouté ; cet 5 inverseur est jumelé avec l'inverseur S2 et met le redresseur R3 hors circuit dans la position de redressement à une seule alternance, de sorte que seul le redresseur D5 fonctionne. La figure 11 représente le montage de la .figure 5 modifié par l'addition d'un interrupteur S4. Lorsque l'interrupteur S4 est fermé, 10 le circuit fonctionne normalement pour doubler la fréquence, mais lorsque l'interrupteur S4 est ouvert, la fréquence de sortie est identique à la fréquence d'entrée. La figure 12 représente le montage de la figure 3,dans lequel une résistance variable VR1 est introduite dans le circuit d'entrée. 15 Un tel montage peut être utilisé pour faire varier la vitesse d'un moteur d'induction alimenté par le circuit. La figure 13 montre une variante du montage de cette même figure dans laquelle le circuit de dérivation est formé par une résistance variable "VR2, ceci permettant de régler la proportion du courant 20 circulant à travers le circuit de dérivation et .de régler la vitesse d'un moteur d'induction. La figure 14 montre une variante du montage de la figure 13, dans laquelle une résistance variable VR3 est insérée dans le circuit du moteur à la place de la résistance variable VR2. 25 Evidemment, les montages des figures 13 et 14 pourraient être combinés et les deux résistances VR2 et TR3 pourraient être utilisées et,dans ce cas, les deux résistances variables seraient jumelées. La figure 15 correspond à la figure 5 et représente un montage redresseur à une seule alternance biphasé, dans lequel des interrup-30 teurs jumelés S5 et S6 sont ajoutés. Lorsque les interrupteurs sont fermés, le circuit agit normalement et les trois phases sont utilisées cependant, lorsque les interrupteurs sont ouverts# les phases B et C sont hors circuit et le circuit agit comme un circuit monophasé. Dans le cas d'un moteur d'induetion» ceci provoque une réduction de 35 la vitesse au tiers de la vitesse précédente. Le montage de la figure 16 correspond à celui de la figure 6 , auquel est ajouté un interrupteur S7 ; lorsque cet interrupteur est 69 18850 -8- 2010405 fermé, le circuit fonctionne normalement, c'est-à-dire comme un redresseur à deux alternances triphasé multipliant six fois la fréquence, et lorsque l'interrupteur S7 est ouvert, le circuit devient un redresseur à deux alternances monophasé- multipliant 5 deux fois la fréquence. la figure 17 représente une variante du montage de la figure 16,dans laquelle l'interrupteur S7 est remplacé par un interrupteur S8 sur la ligne neutre. lorsque cet interrupteur est dans la position supérieure, le circuit fonctionne normalement, c'est-à-dire comme un 10 redresseur à deux alternances triphasé , et lorsque l'interrupteur est dans la position inférieure, le circuit fonctionne comme un redresseur à une seule alternance monophasé avec une fréquence , correspondant au sixième de celle obtenue avec le montage précédent. La figure 18 représente un autre montage dans lequel deux 15 interrupteurs jumelés S9 et SIQfeont utilisés ; ceci donne le même résultat, c'est-à-dire que lorsque les interrupteurs sont/en position fermée, le circuit fonctionne normalement comme un redresseur à deux alternances triphasé , avec une multiplication de la fréquence par six, cependant, lorsque les interrupteurs sont en position ouverte, 20 le circuit fonctionne comme un redresseur à une seule alternance monophasé , la fréquence de sortie étant identique à la fréquence de la source d'alimentation. On se rend compte que les résistances variables représentées sur les figures 12, 13 et 14 peuvent être utilisées dans l'un quel-25 conque des autres montages utilisant une commutation,pour permettre un réglage supplémentaire de la vitesse dans le cas du circuit alimentant un moteur d'induction. La figure 19 représente un autre montage dans lequel une source triphasée alimente une charge triphasée représentée sous forme du 30 stator d'un moteur d'induction à cage d'écureuil. Chaque circuit de phase individuel comprend un .redresseur à deux alternances et un circuit de dérivation par résistance agencé comme représenté sur la figure 3. On peut prévoir une commutation pour faire varier la vitesse, 35 par exemple, conformément auçfaontages représentés sur les figures 7 et 9» les interrupteurs des phases étant jumelés. 69 18850 2010405 La figure 20 montre une variante du montage de la figure 19 , dans laquelle la charge est montée en triangle, une ligne neutre n'étant pas nécessaire dans ce montage ; et la figure 21 montre la variante dans laquelle la charge est 5 montée en étoile, une ligne neutre étant utilisée dans ce montage. Comme sus-mentionné, l'invention peut s'appliquer à des appareils de chauffage à ventilateur et la figure 22 montre un exemple d'un tel montage dans lequel un circuit redresseur BR, qui peut être l'un quelconque des redresseurs en pont monophasé repré-10 senté sur les figures précédentes du montage triphasé de la figure 5» alimente un moteur monophasé M relié mécaniquement pour entraîner un ventilateur F disposé dans une conduite D d'alimentation en gaz. La sortie du circuit redresseur est connectée à la fois au moteur et à un appareil de chauffage H qui constitue le circuit de 15 dérivation décrit plus haut et qui se trouve dans la conduite D, de -façon à chauffer le gaz passant à travers elle. De cette façon, la chaleur dégagée dans l'appareil de chauffage H est utilement dissipée. Dans certains cas, une quantité de chaleur supplémentaire peut être nécessaire et un appareil de chauffage supplémentaire H', chauffé 20 directement par la source d'alimentation, peut être alors prévu dans la conduite. La figure 23 représente un montage correspondant utilisant un moteur triphasé, le circuit redresseur BR' pouvant être, dans ce montage, l'un quelconque des circuits triphasés décrits plus haut. 25 Dans ce montage, on a représenté trois dispositifs de chauffage H1, H2 et H3 qui constituent des circuits de dérivation pour les phases respectives. Les dispositifs de chauffage sont représentés comme étant montés en étoile et ils pourraient être naturellement montés en triangle ou "bien les phases pourraient être maintenues 30 dans des circuits séparés. Comme dans le montage de là figure 22, un dispositif de chauffage supplémentaire H' alimenté directement par le secteur, peut être prévu,si une quantité supplémentaire de chaleur est nécessaire. Evidemment, les circuits pourraient être modifiés pour obtenir six 35" phases, si cela était nécessaire. Un appareil comme celui représenté sur les figures 22 et 23 peut être utilisé à diverses fins? par exemple dans des appareils 69 18850 -10' 2010405 de chauffage de l'air ambiant pour des systèmes de chauffage industriels ou domestiques, dans des sèche-cheveux à'ventilateur et des séchoirs pour habits,ainsi que dans d'autres applications dans lesquelles un courant de gaz chaud est nécessaire. 69 18850 -11- 2010405 BEVEKDICATIOI1S 1. Circuit multiplicateur de fréquence comprenant un circuit redresseur alimenté en courant alternatif et alimentant un circuit de charge, caractérisé en ce que le circuit redresseur est soit un 5 circuit redresseur à deux alternances couplé par un condensateur à la charge, soit un circuit redresseur polyphasé dont les phases sont couplées par condensateur en parallèle à la charge, et en ce qu'un ou plusieurs circuits de dérivation sont connectés à la sortie pour éliminer ^composante continue du courant redressé appliqué 10 à la charge, de façon que la charge soit alimentée en courant alternatif à une fréquence qui est un multiple de celle du courant d'entrée du circuit redresseur,, 2. Circuit multiplicateur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge est un moteur d'induction du type à 3 5 cage qui est commandé à une plus grande vitesse. 3. Circuit multiplicateur de fréquence selon la revendication 1, /est j. dans lequel la charge/ un. moteur entraînant un ventilateur pour refouler un gaz, circuit caractérisé en ce que le ou les circuits de dérivation constituent un dispositif de chauffage du courant d'air. 20 4. Circuit multiplicateur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit redresseur est un circuit polyphasé à une seule alternance dont les phases sont couplées par condensateur en parallèle à une charge monophasée,de façon que la fréquence du courant de charge corresponde à lsytréquence d'entrée multipliée par 15 le nombre de phases. 5. Circuit multiplicateur de fréquence selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit redresseur est un redresseur polyphasé à deux alternancss alimentant une charge monophasée,de façon à obtenir un facteur de multiplication de fréquence 0 égal à deux fois le nombres des phases. 6. Circuit multiplicateur de fréquence selon l'une des revendications 1, 2 et 3» caractérisé en ce que le redresseur est un circuit polyphasé à deux alternances et en ce que la charge présente un nombre équivalent de phases, et en ce qu'un circuit de dérivation est prévu 5 pour chaque phase. 7. Circuit multiplicateur de fréquence selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit redresseur est un 69 18850 -12- 2010405 circuit polyphasé, caractérisé en ce qu'il est prévu une commutation, de façon à pouvoir changer lé circuit redresseur polyphasé en un circuit monophasé pour régler la vitesse du moteur. 8. Circuit multiplicateur de fréquence selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit redresseur est un circuit redresseur à deux alternances, caractérisé en ce qu'il est prévu une commutation pour permettre de transformer le circuit redresseur à deux alternances en un circuit redresseur à une seule alternance pour régler la vitesse du moteur.