Brevet FR2004061A1 — publié le 19691121

L'invention est relative à un dispositif de commande de vitesse de rotation et de tension pour moteur à courant alternatif, notamment à courant triphasé, dans lequel une tension continue réglable, à travers un circuit intermédiaire comportant au moins un con-5 densateur, est appliquée à un onduleur qui comporte au moins deux "branches à chacune deux redresseurs commandés disposés en série et des diodes-shunts associées, à ces redresseurs commandés, la vitesse de rotation du moteur ou la fréquence des impulsions de commande fournies à l'onduleur et la tension appliquée au moteur étant ré-10 glées dans un rapport mutuel prédéterminé. Pour commander la vitesse de rotation du moteur on fait varier la fréquence de la tension appliquée au moteur, c'est-à-dire la fréquence des impulsions de commande appliquées à l'onduleur. Mais une augmentation de cette fréquence entraîne une augmentation de 15 l'inductance du moteur. Pour maintenir la magnétisation du moteur à la valeur correspondante, il est donc nécessaire d'augmenter la tension. Habituellement, on fait en sorte que la tension suive la fréquence selon une loi linéaire. On connaît des montages d'onduleurs dans lesquels une tension 20 alternative est redressée, son amplitude est soumise à régulation, puis enfin filtrée par un circuit intermédiaire se composant d'une inductance-série et d'une capacitance parallèle. Les diodes-shunts servent à écouler les courants qui, par suite des induetaïicss présentes, persistent après blocage des redresseurs commandés. 25 Dans des dispositifs de commande de ce genre, on se heurte ce pendant à l'inconvénient suivant. Lorsque, pour abaisser la vitesse de rotation du moteur, on abaisse la fréquence des impulsions de commande et la tension, fonction de cette fréquence, qui est appliquée au moteur, celui-ci, par suite de son inertie mécanique, ne 50 suit pas immédiatement cet ordre. Au contraire, sa vitesse de rotation ne décroît que lentement. Ceci signifie que le moteur, considéré après le nouveau réglage de fréquence, tourne encore durant un certain temps à une vitesse supérieure au synchronisme et fonctionne donc comme générateur. Ce générateur débite donc, à travers les 55 diodes-shunts, un courant qui parcourt le circuit intermédiaire où il charge le ou les condensateurs. Du fait que le circuit intermédiaire, à la fréquence considérée, était réglé sur une tension inférieure, ce courant peut prendre des valeurs très élevées. La char 69 07305 2 2004061 ge du condensateur conduit donc à des surtensions. Dans ces conditions, les éléments composants de l'onduleur ou du dispositif d'alimentation en tension peuvent être très gravement endommagés. L'invention a pour but de réaliser un dispositif de commande 5 de vitesse de rotation et de tension du genre précité dans lequel le risque de courants de retour et de surtension est essentiellement moindre. Pour résoudre ce problème, conformément à l'invention, on commande la valeur de consigne de la tension continue comme variable 10 indépendante et la fréquence en fonction de la valeur réelle de la tension continue aux bornes du condensateur, c'est-à-dire de l'onduleur# Avec c@ procédé, la vitesse de rotation désirée est fixée à 1' aid© de la tension. Ceci n'entraîne aucun inconvénient pour le fonc-15 tionnement normal, du fait que la valeur réelle de la tension s'adapte à la valeur de consigne fixée et suit donc aussi la fréquence, fonction de la valeur réelle, du réglage de la valeur de consigne de la tension. Au contraire, il en résulte de gros avantages lorsque, en vue de diminuer la vitesse de rotation, on abaisse la valeur 20 de consigne de la tension. Dans ce cas aussi, il est vrai, le moteur fonctionne en générateur. Mais la fréquence des impulsions de commande ne suit pas le réglage de la valeur de consigne, mais reste assujettie à la valeur réelle de la tension, qui est déterminée essentiellement par la tension du générateur. Il en résulte que le gé-25 nérateur, pour la fréquence de la tension alternative qui lui est appliquée, tourne à une vitesse qui n'est que très peu supérieure à la vitesse de synchronisme. Il ne s'écoule donc que de très faibles courants qui peuvent être absorbés sans difficulté par le condensateur du circuit intermédiaire. La vitesse de rotation de la machine 30 électrique diminue donc progressivement par suite de ses pertes propres et de celles de la charge appliquée au moteur. La valeur réelle de la tension et, avec elle, la fréquence suivent la diminution de la vitesse de rotation jusqu'à ce que soit atteinte la valeur de consigne fixée à la tension. 35 D'une façon purement théorique, on pourrait aussi éliminer 1* augmentation gênante de la tension, consécutive à la charge du condensateur du circuit intermédiaire, en donnant au condensateur une capacité d'une importance correspondante. Mais un tel condensateur 69 07305 2004061 serait volumineux et cher. Dans un perfectionnement de l'invention, on peut, au contraire, se contenter de condensateurs de faibles volumes et bon marché, si la régulation de tension s'effectue de manière telle que des impulsions, dont la largeur est fonction de la 5 valeur de consigne de tension fixée, soient déduites d'une tension continue constante au moyen d'un interrupteur électronique et filtrées au moyen du circuit intermédiaire, la fréquence' des impulsions étant égale à au moins dix fois, de préférence vingt fois, celle du réseau. Pour le filtrage de ces impulsions de fréquence relative-10 ment élevée, il suffit de petits condensateurs, mais, sans la relation fonctionnelle établie conformément à l'invention, ces condensateurs entraîneraient l'application de surtensions très élevées à l'entrée de l'onduleur* Comme régulateur de fréquence, il est recommandé d'utiliser un 15 montage dans lequel la tension aux bornes de l'onduleur commande un transistor par l'intermédiaire duquel se charge un condensateur qui agit sur un multivibrateur à transistor unijonction qui produit des impulsions. De cette manière, on obtient une relation directement linéaire entre la fréquence et la valeur réelle de la tension. 20 L'invention est expliquée plus en détail ci-dessous, à l'aide d'un exemple préféré de réalisation, en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est.un diagramme qui représente la tension en fonction de la fréquence et le couple du moteur en fonction de sa 25 vitesse de rotation avec les montages considérés ici ; - la figure 2 représente les variations, en fonction du temps, de la fréquence, de la tension et du courant, avec les dispositifs de commande connus ; - la figure 3 représente les variations, en fonction du temps, 30 de la fréquence, de la tension et du courant, avec le dispositif de commande conforme à l'invention ; - la figure 4 est un schéma de principe d'un mode de réalisation du dispositif de commande conforme à l'invention ; - la figure 5 représente un mode de réalisation de l'interrup-35 teur électronique du régulateur de tension ; - la figure 6 illustre une séquence des impulsions délivrées par l'interrupteur électronique et - la figure 7 enfin représente un exemple de réalisation du ré 69 07305 + 2004061 gulateur de fréquence. Dans le diagramme de la figure 1, on a désigné par 1 la caractéristique traduisant la linéarité recherchée entre la tension U à l'entrée de l'onduleur et la fréquence f des impulsions de commanâu 5 appliquées à l'onduleur. Les courbes 2 et 3 représentent le couple Md en fonction de la vitesse de rotation n d'un moteur asynchrone entraîné par le dispositif. Pour chaque vitesse de rotation, le point de fonctionnement est donné par le point d'intersection avec une caractéristique 4 dépendant de la charge à entraîner. Si on a-10 baisse la fréquence de f^ à f^, le moteur commence par conserver encore sa vitesse de rotation de départ. Il fonctionne donc, comme le montre la branche de courbe 31» relativement à la nouvelle fréquence fg, dans la région d'hypersynchronisme, c'est-à-dire comme générateur. Aux fréquences f^ et fg correspondent respectivement les 15 tensions et U2. Sur la figure 2 on a représenté en fonction du temps t un tel processus de commutation (les fréquences f, tensions réelles et intensités I étant portées en ordonnées. A l'instant t^, la fréquence est abaissée de f^ à fg (courbe 5). Le courant I, suivant la 20 courbe 6, passe dans la région correspondant au fonctionnement en générateur. Le courant de ce générateur charge alors le condensateur du circuit intermédiaire, de sorte que la tension à l'entrée de l'onduleur, croît fortement, comme le montre la courbe 7, avant de descendre à la valeur TJg correappndant à la valeur fg. 25 Sur la figure 3, qui est tracée avec les mêmes coordonnées qta.o la fig. 2, conformément à l'invention, c'est n'est pas la fréquence f, mais la valeur de consigne U qui, à l'instant tn, est déplacée S X le long de la ligne 8, de la valeur de tension U.^ à la valeur U2. Il en résulte que le courant du moteur se déplace encore le long de 30 la courbe 9» jusqu'à la région correspondant à son fonctionnement en générateur, région dans laquelle cependant le courant du générateur est essentiellement inférieur à ce qu'il est dans le cas de 1s, figure 2, car la fréquence des impulsions de commande de l'onduleœ a conservé, presque sans variation, sa valeur de départ. Cette fré-35 quence est commandée par la valeur réelle de la tension à l'en-\r trée de l'onduleur, qui^ selon la décroissance de vitesse de rotation de la machine électrique, décroît suivant la courbe 10. En coiî séquence, on obtient la variation de fréquence, entre les valeurs:' 69 07305 2004061 et fg» traduite par la courbe 11. A l'instant t^, le nouvel état recherché est alors atteint. L'intervalle de temps entre t^ et t^ dépend de la vitesse à laquelle la machine fournit de l'énergie, c'est-à-dire de ses pertes propres et de celles de la charge qui 5 y est raccordée. La figure 4 représente un montage dans lequel les phases R,S et T d'un réseau triphasé alimentent un redresseur 12 aux deux bornes de sortie 13, 14 duquel on dispose d'une tension continue constante. Celle-ci est appliquée à un régulateur de tension 15, monté 10 en série, qui comporte une résistance de réglage 16, alimentée par batterie et munie d'une prise 17, destinée à fixer la valeur de consigne ; à la sortie du régulateur de tension 15, la tension de sortie du redresseur 12 est appliquée à un diviseur de tension comportant des résistances 18 et 19 sur le point de connexion 20 desquel-15 les on prélève la valeur réelle de la tension. La pièce constitutive principale du régulateur de tension 15 est un interrupteur électronique, qui ne laisse passer la tension continue constante que de manière intermittente sous forme d'impulsions, comme on le décrira plus en détail ci-après. Après le régulateur de tension est monté 20 un circuit intermédiaire, composé d'une inductance-série 21 et d'une capacitance parallèle 22, qui, à partir des impulsions passant à travers l'interrupteur électronique, élaborent une valeur moyenne filtrée de la tension. La valeur réelle de la tension à la sortie de ce circuit in-25 termédiaire est appliquée, à travers une impédance de court-circuit 23, à un onduleur triphasé qui comporte un pont. >.cLe six redresseurs 611 pSrft.l.J. 6X6 commandés 24, sur lesquels sont; montées/ six diodes-shunts 25 de polarités opposées. Les trois conducteurs de sortie U,V,W alimentent un moteur asynchrone triphasé 26. L'onduleur comporte en outre un 30 circuit de blocage 27 commun à tous les redresseurs commandés. Le schéma de l'onduleur n'a été esquissé qu'à titre illustratif ; il peut être de n'importe quelle autre conception, par exemple comporter des circuits de blocage individuels au lieu d'un circuit déblocage commun, des condensateurs de commutation, etc... 35 A la même tension IL est appliqué un ensemble série composé d* une résistance 28 et d'un régulateur de fréquence 29. Celui-ci fournit des impulsions à un appareil de commande 30 qui alimente le circuit de blocage 27 en impulsions de fréquence sextuple de celle que 69 07305 6 2004061 l'on désire dans le réseau triphasé U,V,W et qui applique des impulsions d'amorçage aux redresseurs commandés 24, aux instants où ils doivent être conducteurs* Le régulateur de tension 15 peut par exemple être construit 5 selon le montage illustré par la figure 5» Dans le conducteur 13 est monté un redresseur commandé 31. En parallèle sur celui-ci sont branchés une diode 32, un redresseur commandé de blocage 33 et un ensemble-série composé d'une bobine de commutation de charge 34 et d'un condensateur de commutation 35. Entre le redresseur de blocage 10 33 et la diode 32 est encore disposée une autre diode 36. En fonction de la tension appliquée à travers la prise 17, un appareil de commande 37 fournit des impulsions d'amorçage aux deux redresseurs commandés 31 et 33. Le condensateur 35 se charge, lorsque le redresseur 31 est bloqué, à la tension continue fournie par le rêdree-15 seur 12. Si le redresseur 31 reçoit une impulsion d'amorçage, ilde-vient conducteur. Cet état est stable et se conserve jusqu'à ce que le redresseur 33 reçoive une impulsion d'amorçage. Dès que ce redresseur devient conducteur, le condensateur 35 se charge en s ens contraire à travers la bobine de commutation de charge 34 et produit 20 une tension de polarité opposée qui agit sur le redresseur 31 et le bloque. En même temps, le redresseur d'extinction 33 est également bloqué. Le condensateur 35 peut alors se recharger à nouveau en sens contraire à travers les redresseurs 36 et 32 et éventuellement recevoir un certain complément de charge venant du redresseur 12, de 25 sorte qu'il est à nouveau prêt à remplir son rôle. L'appareil de commande 37 fournit des impulsions d'amorçage au redresseur 31 à des intervalles de temps a réguliers, de sorte que les impulsions de tension passant à travers le conducteur 13 ont une fréquence prédéterminée. Mais les impulsions d'amorçage au re-30 dresseur 33 sont fournies à intervalles successifs b,c_ ,d,e variables en fonction de la tension désirée après l'impulsion d'amorçage mentionnée en premier lieu, de sorte que les impulsions de tension obtenues peuvent avoir des largeurs différentes comme on le voit sur la figure 6 (où le temps t a été porté en abscisse et la tension 35 U en ordonnée). Le circuit intermédiaire de filtrage 21,22 est di-mensionné pour la fréquence de répétition de ces impulsions, par exemple 1 000 Hz, de sorte qu'à la sortie du circuit intermédiaire, on peut recueillir une tension constituant la valeur moyenne des 69 07305 2004041 impulsions. L'appareil de commande 37 peut par exemple être réalisé suivant le montage décrit dans le brevet français PV 183 088 du 31 décembre 1968. La figure 7 représente un mode de réalisation du régulateur de 5 fréquence 29. A son entrée 38 est appliquée une tension proportionnelle à la valeur réelle de la tension. Elle est appliquée à la base d'un transistor 39 dans le cireuit de collecteur duquel est monté un condensateur 40. Celui-ci se charge à une vitesse qui est directement proportionnelle à la tension à l'entrée 38. La tension 10 du condensateur est appliquée à un transistor unijonction 41 dont la base 1 est raccordée, par l'intermédiaire d'un transformateur 42, à une sortie 43 allant à l'appareil de commande 30. Dès que la tension aux bornes du condensateur 40 atteint une certaine valeur de seuil, ce condensateur se décharge à travers le transistor unijonc-15 tion 41» celui-ci fournissant alors une impulsion. La séquence d* impulsions apparaissant à la sortie 43 est donc proportionnelle à la tension appliquée à l'entrée 38. Cette séquence d'impulsions est traitée dans l'appareil de commande 30 de la manière exigée par la commande de l'onduleur. Un exemple de construction de l'appareil de 20 commande est donné par le brevet français PV 183086 du 31 décembre 1968. Le schéma de la figure 4 montre nettement que la fréquence est commandée par la valeur réelle de la tension à l'entrée de l'onduleur. C'est donc une variable dépendante. La variable indépendan-25 te, pour la variation de la vitesse de rotation du moteur, est la valeur de consigne de la tension, laquelle est fixée à l'aide de la prise 17» Il n'est naturellement pas rigoureusement nécessaire que la fréquence et la tension soient reliées par une loi linéaire. En ou-30 tre, il peut souvent être judicieux d'agir sur la fréquence non seulement en fonction de la tension mais encore en fonction du courant du moteur. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes 35 d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 69 07305 8 2004061 REVEKDI CATIOSS 1. Dispositif de commande de vitesse de rotation et de tensioa pour moteur à courant alternatiff notamment à courant triphasé, dans lequel une tension continue réglable, à travers un circuit in-5 termédiaire comportant au moins un condensateur, est appliquée à un onduleur qui comporte au moins deux branches à chacune deux redresseurs commandés disposés en série et des diodes-shunts associées à ces redresseurs commandés, la vitesse de rotation du moteur ou la fréquence des impulsions de commande fournies à l'onduleur et la 10 tension appliquée au moteur étant réglées dans un rapport mutuel prédéterminé, caractérisé en ce qu'on commande la valeur de consigne de la tension continue comme variable indépendante et la fréquence en fonction de la valeur réelle de la tension continue aux bornes du condensateur, c'est-à-dire de l'onduleur. 15 2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractéri sé en ce que la régulation de tension s'effectue de manière telle que des impulsions, dont la largeur est fonction de la valeur de consigne de tension fixée, soient déduites d'une tension continue constante au moyen d'un interrupteur électronique et filtrées au 20 moyen du circuit intermédiaire, la fréquence des impulsions étant égale à au moins dix fois, de préférence vingt fois, celle du réseau. 3. Dispositif de commande selon la revendication 1 ou 2, carac*f térisé par un régulateur de fréquence dans lequel la tension aux 25 bornes de l'onduleur commande un transistor, par l'intermédiaire duquel se charge un condensateur, qui agit sur un multivibrateur à transistor unijonction qui produit des impulsions.