Brevet FR2029539A1 — publié le 19701023

Il est connu de régler la vitesse de moteurs triphasés par une alimentation à fréquence variable* On fait appel dans ce but à des convertisseurs de fréquence, en particulier à des montages convertisseurs statiques de fréquence à circuit in-5 termédiaire à courant continu, c'èst-à-dire des montages dans lesquels le courant triphasé est d'abord redressé, et puis la tension continue obtenue est convertie dans un second étage, au moyen d'un onduleur autonome, en courant triphasé de la fréquence requise0 Dans ces montages, le moteur, d'une part, et le convertisseur sta-10 tique de fréquence, d'autre part, constituent des éléments d'installation distincts» On connaît, en outre, des montages tels que le moteur et le convertisseur statique forment un tout inséparable. Ces machines, dénommées moteurs à convertisseur statique,dans lesquels les soupapes du convertisseur statique exercent la fonc-15 tion de collecteur, exigent en particulier lorsqu'ils doivent servir de commandes réversibles en grand nombre de soupapes commandées (thyristors), ce qui nécessite un système de commande relativement coûteux pour ces soupapes. La présente invention se propose de réaliser un mo-20 teur à convertisseur statique pour le réglage continu de la vitesse, qui fonctionne avec un nombre moindre de soupapes commandées et un système de commande moins coûteux. Suivant l'invention, ce moteur à convertisseur statique est caractérisé en ce que le stator du moteur porte plusieurs systèmes d'enroulements triphasés ou-25 verts qui sont connectés périodiquement, avec un ordre de phases à permutation cyclique, aux trois phases de chaque système d'enroulement, par l'intermédiaire d'un groupe de soupapes commandé,pour former un point neutre, et en ce que les différents groupes de soupapes sont commandés périodiquement avec une fréquence pilote 30 différente de la fréquence f^ du réseau, de sorte que les points neutres des systèmes triphasés se ferment et se rouvrent périodiquement l'un après l'autre, et qu'il s'établit un champ sta* torique tournant à la fréquence f^ - f^, qui entraîne le rotor» Chaque groupe de soupapes consiste de préférence en 35 un pont triphasé de diodes et en un thyristor court-circuitant le circuit de courant continu de ce pont de diodes„ Afin que le moteur puisse être actionné à flux constant, indépendamment de la fréquence réglée, on subdivise le moteur en deux stators bobinés chacun avec plusieurs systèmes d'enroulement 70 02623 triphasés, ces stators agissant sur un rotor commun, de sorte que les tensions induites par les deux stators s'additionnent dans les conducteurs du rotor. Le rotor commun peut être constitué en rotor à cage, les groupes de soupapes d'un stator sont de préfé-5 rence commandés avec un déphasage vis-à-vis des groupes de soupapes de l'autre stator» Il en résulte une diminution notable du taux d'harmoniques du courant rotorique. Le montage décrit ci-après à titre d'exemple de réalisation se caractérise en ce qu'il exige un nombre de thyristors 10 particulièrement réduit comparativement aux montages connus. 0e montage, qui fonctionne tant en moteur qu'en générateur, avec alimentation en retour du réseau n'exige que 6 thyristors. Le moteur fonctionne en générateur dès que le rotor tourne plus rapidement que le champ tournant du stator. Ceci n'exige aucune commutation 15 dans la commande ou dans le circuit de courant principal. L'inversion du sens de rotation du moteur s'effectue sans dispositions particulières, dès que la fréquence pilote prend une valeur inférieure à celle du réseau. De plus, le fonctionnement de ce montage n'exige aucune puissance réactive de commande, c'est-à-dire qu'à 20 tous les régimes le facteur de puissance du réseau correspond approximativement au facteur, de puissance d'un moteur asynchrone fonctionnant dans les mêmes conditions (même fréquence et même tension). Un exemple de réalisation de l'invention sera décrit 25 ci-après d'une manière détaillée. La figure 1 représente d'une manière schématique la disposition d'une construction à double stator. La figure 2 montre le couplage des enroulements des deux stators du moteur, ainsi que les groupes de soupapes. 30 La figure 3 représente les tensions à l'arrêt in duites dans le rotor par les deux stators, pour une fréquence fondamentale maximale de la tension. La figure 4 représente les tensions à l'arrêt induites par les deux stators dans le rotor pour une fréquence fonda-35 "mentale rétroréglée. Sur les deux figures 3 et 4 : a - désigne la série d'impulsions pour les thyristors affectés au Stator 11 ; b - tension à 1'arrêt induite provenant du stator 11; 2029539 70 02623 3 2029539 c - série d'impulsions pour les thyristors affectés au stator 12; d - tension à l'arrêt induite provenant du stator 12; e - tension à l'arrêt résultante induite dans le rotor. le moteur à convertisseur statique, représenté d'une 5 manière schématique sur la figure 1, comporte deux stators 11 et 12, dans les alésages desquels tourne un rotor à cage commun 13. Chaque stator porte trois systèmes d'enroulements triphasés distincts, désignés dans le schéma de câblage, figure 2, du moteur à convertisseur de fréquence par 21, 23, 25 pour l'un des stators, 10 et par 22, 24, 26 pour l'autre stator. les phases correspondantes des trois systèmes triphasés sont logées dans les mêmes encoches, ou dans des encoches voisines, du stator, de telle manière que, si les trois systèmes triphasés étaient alimentés en phase en courant triphasé, il s'é-15 tablirait des champs tournant en phase. D'ailleurs, les deux stators sont disposés de telle manière que les champs tournants existant dans les deux stators tournent à la même vitesse et dans le même sens, les extrémités d'enroulements x, y, z, des systèmes triphasés 21, 23, 25'sont 20 connectées en un point neutre à travers des ponts à diodtes triphasés 31» 33, 35, qui comportent chacun un thyristor 41,'43» 45" dans le circuit de courant continu, les débuts u, v, w des systèmes triphasés 21, 23, 25 sont connectés, avec un ordre de phases permuté de façon cyclique, aux trois phases R, S, T du réseau d'ali-25 mentation. Dans les trois systèmes 22, 24, 26 du second stator, les débuts u, v, w des enroulements sont connectés à des ponts de diodes correspondants 32, 34, 36 et à des thyristors 42, 44, 46, tandis que .les extrémités x, y, z de ces enroulements sont connectées, également avec, un ordre de phases permuté de façon cyclique, 30 aux phases R, S, T du réseau, les neutres des trois systèmes 21, 23, 25 se ferment et s'ouvrent périodiquement avec une fréquence f2 différente de la fréquence/du réseau triphasé d'alimentation. Il en résulte dans le stator 11 un champ tournant, qui tourne à la fréquence différentielle f^ - f^ • On obtient un champ tournant 35 analogue dans le stator 12, lorsque les neutres des systèmes 22, 24, 26 s'établissent périodiquement avec la fréquence fg. les systèmes triphasés 21, 23, 25 avec les thyristors 41,43, 45 forment un groupe de commutation, lorsqu'un de ces thyristors s'amorce, le thyristor qui était précédemment conducteur se désamorce ' 70 02623 4 2029539 de façon obligée par suite d'une décharge de condensateur» le dispositif d'extinction pour ce groupe de commutation comporte les condensateurs 51» 53» 55 et le transformateur de commutation 71, qui assure le couplage des trois circuits d'extinction entre 5 eux. Les selfs d'arrêt 61, 63, 65 sont destinées à appliquer au thyristor en cours d'extinction, pendant le temps de désionisation de celui-ci, une tension de blocage négative, afin que ce thyristor puisse atteindre à nouveau son pouvoir de blocage pendant cet intervalle de temps. Le processus de commutation se déroule comme 10 suit: Si l'on considère le thyristor 41 à l'état conducteur, le pont de diodes 31 est court-circuité et le neutre du système triphasé 21 établi. Le condensateur 51 n'est pas chargé à ce moment, tandis que les condensateurs 53 et 55 sont chargés à partir du réseau, à travers les ponts de diodes 33 et 35. Lorsque le thyris-15 tor 43 s'amorce, le condensateur 53 se décharge à travers ce tjiy-ristor et le transformateur de commutation 71. Ce courant de décharge induit dans le circuit d'extinction du thyristor 41 un courant qui traverse le thyristor dans le sens du blocage et charge le condensateur 51 en potentiel positif. Ce courant induit amène 20 le courant de charge dans le thyristor 41 à zéroi et éteint ainsi ce thyristor. Aussitôt que le thyristor 41 est bloqué, l'impulsion de courant induite continue à affluer vers le condensateur 51 à travers le pont de diodes 31 et la self d'arrêt 61, et à recharger ce condensateur. Il se produit à travers la self'd'arrêt 61 une 25 chute de tension, qui se manifeste à travers le thyristor désamorcé comme une tension de blocage. A la fin de la commutation, le thyristor 43 est traversé par le courant de charge total. Ainsi, le système triphasé 23 est donc conducteur et générateur de champ tournant. La commutation du courant sur le système triphasé 25 30 s'effectue d'une manière similaire, il en est de même pour la commutation du système triphasé 25 sur le système 21. Les systèmes triphasés 22, 24, 26 du stator 12 forment un second groupe de commutation, indépendant du premier. La commutation du courant d'un système triphasé au suivant s'effectue à l'aide des condensateurs 35'd'extinction 52, 54, 56 et du transformateur de commutation 72, de la même manière qu'elle est effectuée pour le groupe de commutation supérieur. Dans ce groupe de commutation 62, 64, 66 désignent les selfs d'arrêt . Les deux groupes de commutation sont déphasés l'un par rapport à l'autre, de sorte qu'ils ne commutent 70 02623 5 2029539 pas simultanément. La tension induite par les systèmes triphasés 21 , 25, 25, lorsque le rotor du moteur à convertisseur statique est arrêté, possède l'allure représentée à la partie supérieure de la figure 3 (suivant les axes u, b). Le graphique de la tension, 5 dessiné pour une fréquence de commande fg = 2.f^ se compose de fragments de tension des trois phases S, S, T du réseau. Oe graphi que correspond à la tension induite dans le rotor par les enroulements de moteur u-x des systèmes 21, 23, 25- ^es enroulements de moteur v-y induisent dans le rotor une tension analogue, déphasée 10 à 120° , et les enroulements de moteur w-z, une tension analogue déphasée à 240° « L'ordre de succession et la fréquence avec lesquels les thyristors sont amorcés sont représentés en haut de la figure 3 par les chiffres 41, 43» 45, qui correspondent à la désignation des thyristors. La figure 3, suivant les axes u,d représen 15 te la tension induite dans le rotor à l'arrêt par les enroulements de moteur u-x des systèmes 22, 24, 26. Ï1 ressort de la figure 3 suivant la ligne c, que la position de phase des impulsions de commande, pour les thyristors 42, 44, 4b, est décalée par rapport aux impulsions de commande pour les thyristors 41, 43, 45. Par 20 conséquent, la tension induite (axes u,d) possède une forme légère ment différente de celle représentée suivant les axes u,b, mais la même position de phase. La partie inférieure de la figure 3 £axes u, e) représente la tension à l'arrêt induite du rotor et résultant de la superposition des tensions (u,b) et (u,d). Oette 25 tension est déterminante pour le courant rotorique, et donc pour le couple du moteur. Pour adapter la tension induite à la fréquence, ou pour obtenir un flux statorique indépendant de la fréquence on commande les thyristors de telle manière que des thyristors de la figure 2 appartenant à des systèmes, opposés l'un à l'autre 30 des deux stators, sont passagèrement conducteurs en même temps, soit, par exemple, les thyristors 41 et 44 sont simultanément conducteurs, ensuite les thyristors 43 et- 47 sont simultanément conducteurs, puis, les thyristors 45 et 42 sont simultanément conducteurs. La figure 4 représente suivant les axes a et c la série 35 d'impulsions de commande requise à cet effet pour les deux groupes de commutation, tandis que la figure 4, suivant les axes de coordonnées u,b, et u,d représente les tensions à 1 'arr.êt induites par les deux stators dans le rotor. La figure 4 représente suivant les axes u,e la tension à l'arrêt résultante, laquelle présente 70 02623 6 2029539 des discontinuités de tension comparativement à celle représentée sur la figure 3 (axes u, e) et, par conséquent, possède une moindre amplitude de la fréquence fondamentale» En décalant les impulsions de commande représentées par de petits traits sur les 5 lignes a et c de la figure 4, par rapport aux impulsions de commande représentées par de grands traits, on peut modifier de façon continue les "brèches de tension, et donc aussi l'amplitude d'onde fondamentale, et les adapter à la fréquence du moteur. La fréquence du moteur peut être réglée jusqu'à zéro 10 d'une manière continue. Lorsque la fréquence du moteur est nulle, les thyristors doivent être commandés avec la fréquence fg = f^ . La fréquence du moteur peut être portée de zéro jusqu'au-dessus de la fréquence du réseau, de sorte que le moteur peut aussi fonctionner avec des vitesses supérieures à sa vitesse de synchronis-15 me de 50 Hz. Lorsque la frésuence de commande choisie f2 est inférieure à la fréquence d'alimentation f^ du réseau, les deux champs tournants statoriques changent leur sens de rotation pendant la transition f^ = f^ , et le moteur tourne en sens inverse. L'ehtrai-nement et le freinage du moteur s'opèrent par l'entremise des 20 mêmes thyristors, sans nécessité de moyens de commande spéciaux» Lorsqu'on abaisse la fréquence du moteur, par modification de la fréquence de commande fg , au point que les champs tournants statoriques du moteur tournent plus lentèment que le rotor, il se produit automatiquement une alimentation en retour du réseau tri-25 phase, et le moteur est freiné. Ce freinage peut s'exercer jusqu' à l'arrêt. Lorsqu'on élève ensuite la fréquence de commande au point que les champs statoriques tournent plus rapidement que le rotor, ce dernier est à nouveau entraîné. Dans l'exemple de réalisation décrit, les neutres 30 des systèmes sont formés par des ponts de diodes et des thyristors prévus dans le circuit de courant continu de ces ponts. Cette solution est particulièrement simple, parce qu'elle exige seulement 6 thyristors, de sorte que la dépense en moyens de commande demeure réduite. On peut cependant concevoir d'autres combinaisons de 35 thyristors ou de ceux-ci avec des diodes, pour former les neutres des systèmes. D'ailleurs, le nombre des systèmes triphasés par stator n'est pas nécessairement fixé à trois. Des solutions comportant seulement deux systèmes ou plus de trois systèmes sont également concevables. 70 02623 7 2029539 Dans une réalisation pratique, les diodes et les thyristors peuvent être incorporés à la carcasse du moteur ou être montésséparément de celui-ci, suivant que l'on préfère une construction ramassée ou une bonne accessibilité. 70 02623 8 2029539 E_S_V;_E_5_D_I_0_A_T_I_0_H_S 1Moteur à convertisseur statique pour le réglage continu de la vitesse caractérisé en ce que le stator du moteur porte plusieurs systèmes d'enroulements triphasés ouverts qui sont connectés, avec un ordre de phases à permutation cyclique, 5 aux trois phases du réseau d'alimentation, les extrémités des enroulements des trois phases de chaque système d'enroulement étant connectées périodiquement, par l'intermédiaire d'un groupe de soupapes commandé, pour former un point neutre; et en ce que les différents groupes de soupapes sont commandés périodiquement avec 10 une fréquence de commande f2 , différente de la fréquence f^ du réseau, de sorte que les neutres des systèmes triphasés se ferment et se roulrrent successivement et périodiquement, de ce fait, un champ tournant statorique se formant , lequel tourne à la fréquence ±2 - e_tî entraîne le rotor, 15 20- Moteur à convertisseur statique suivant la re vendication 1 caractérisé en ce que chaque groupe de soupapes se compose d'un pont triphasé de diodes et d'un thyristor court-cir-cuitant le circuit de courant continu de ce pont de diodes. 3.- Moteur à convertisseur statique suivant la reven-20 dication 1 caractérisé en ce que le moteur comporte deux stators bobinés chacun avec plusieurs systèmes triphasés, stators qui agissent sur un rotor commun, de sorte que les tensions induites par les deux stators s'additionnent dans les conducteurs du rotor. 4.- Moteur à convertisseur statique suivant la re-25 vendication 3 caractérisé en ce que le rotor commun est un rotor à cage, 5»- Moteur à convertisseur statique suivant la revendication 3 caractérisé en ce que les groupes de soupapes du second stator sont commandés avec la même fréquence que les groupes 30 de soupapes du premier stator, mais avec un déphasage. 6.- Moteur à convertisseur statique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les groupes de soupapes sont logés dans la carcasse du moteur»