Brevet FR2091903A1 — publié le 19710121

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de génération de tensions polyphasées à fréquence variable, notamment pour l'asservissement de vitesse d'un moteur asynchrone à champ tournant. Lorsque lton a besoin d'un moteur à vitesse variable, on utilise généralement un moteur à courant continu et à excitation séparée qui, comme on le sait, est celui qui se prête le mieux à un fonctionnement à vitesse variable. Cependant, ce type de moteur présente des défauts inhérents aux moteurs à courant continu, défauts qui sont dûs essentiellement à la présence du collecteur, à savoir, les frottements parasites, les étincelles de commutation, l'usure des balais, etc... De plus, ces moteurs fonctionnent généralement très mal en altitude et leur utilisation en immersion dans l'eau présente de nombreux problèmes d'étanchéité et d'isolement. Les moteurs asynchrones à cage d'écureuil, et plus généralement les moteurs à induit massif mobile dans un champ tournant, ne présentent pas ces inconvénients puisqu'ils sont dépourvus de collecteur. Par contre, ils se prêtent assez mal à un fonctionnement à vitesse variable. En effet, pour faire varier leur vitesse, il est nécessaire de les alimenter avec des tensions polyphasées à fréquence variable, tensions qui sont le plus souvent engendrées au moyen d'onduleurs à fréquence variable. Or, ces onduleurs ne présentent pas actuellement une grande souplesse de fonctionnement. En particulier, leur plage de variation de fréquence est généralement très limitée, ce qui entraîne une limitation correspondante de la plage de variation de vitesse du moteur asservi.De plus, ils ne peuvent pas fonctionner en continu et il est donc impossible d'immobiliser le champ tournant pour arrêter le moteur. En outre, ils ne peuvent pas non plus fonctionner en récupération pour recharger éventuellement, lorsque le moteur devient générateur, les batteries d'accumulateurs qui les alimentent, ni faire face convenablement aux demandes d'énergie réactive qui se traduisent par des échanges alternés d'énergie entre les bobinages fortement inductifs et les sources de tensions sinusoîdales auxquelles ceux-ci sont raccordés. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, pour ce faire, elle a pour objet un procédé de génération de tensions polyphasées à fréquence variable qui se caractérise essentiellement en ce qutil consiste à déclencher un compteur binaire au moyen d'impulsions de commande dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse désirée pour le moteur, afin de produire une information digitale cC représentant à chaque instant le nombre binaire emmagasiné dans le compteur et qui évolue ainsi au rythme de la fréquence des impulsions de commande, à convertir cette information digitale oc en une suite de fonctions trigonométriques de ou (sinus ou cosinus), convenablement déphasées l'une par rapport à l'autre et également exprimées sous forme digitale, à convertir chacune de ces fonctions trigonométriques de sc en une grandeur ana logique représentant une tension, et à amplifier les tensions ainsi obtenues pour les appliquer sélectivement aux différents enroulements statoriques du moteur asynchrone. On conçoit aisément qu'avec un tel procédé, il est possible de faire varier la vitesse du moteur asynchrone sur une plage aussi grande qu'on le désire, compatible naturellement avec les caractéristiques de ce moteur. En effet comme l'information de vitesse est traitée sous forme digitale, il ne peut y avoir aucune limitation de fréquence, ce qui n'est pas le cas en analogique en raison de le présence de circuits accordés. En particulier, si la fréquence des impulsions de commande appliquées sur le compteur devient nulle, c'est-à-dire si l'on cesse d'appliquer ces impulsions, l'information digitale Ot devient constante et égale au nombre figurant à cet instant dans le compteur. Par suite, les fonctions trigonométriques de d deviennent également constantes et le champ tournant engendré s'immobilise; ce qui provoque l'arrêt du moteur. On voit donc qu'avec ce procédé, il est très facile d'obtenir la vitesse nulle, puisqu'il suffit pour cela d'interrompre les impulsions de commande du compteur. Enfin, il va de soi qu'un tel procédé se prête à un fonctionnement en récupération pourvu que les amplificateurs qui attaquent les bobinages soient eux-mêmes réversibles, de façon à réintégrer vers la source d'alimentation la puissance excédentaire résultant du fonctionnement en régime hypersynchrone, lorsque le glissement est négatif. Dans le cas particulier de l'asservissement de vitesse d'un moteur asynchrone diphasé, l'information digitale cE est convertie en deux fonctions tri gonométriques en quadrature qui sont respectivement constituées par sin et cos o( Un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé en ce gu'il comprend, en combinaison, un compteur binaire sur l'entrée duquel sont appliquées les impulsions de commande dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse désirée pour le moteur, un convertisseur de lignes trigonométriques pour convertir l'information digitale cx emmagasinée dans le compteur en sinck et coscR , également exprimés sous forme digitale, et deux convertis seurs digitaux-analogiques pour convertir respectivement sincK et cos > en deux grandeurs analogiques représentant des tensions, chacun de ces convertisseurs étant connecté à l'entrée d'un amplificateur dont la sortie est reliée à l'un des deux enroulements statoriques du moteur asynchrone diphasé. De préférence, le compteur binaire comporte également une entrée de décomptage et constitue ainsi un compteur-décompteur. Grâce à cette-disposition, llinformation emmagasinée dans le compteur peut évoluer dans un sens ou dans- l'autre, selon que les impulsions de commande sont appliquées sur son entrée de comptage ou sur son entrée de décomptage. I1 s'ensuit que l'on peut également obtenir des vitesses négatives, c'est-à-dire inverser le sens de rotation du moteur asynchrone, et ce d'une façon continue en passant par la vitesse nulle qui, comme on l'a vu plus haut, ne constitue pas un point singulier et correspond simplement à l'absence d'impulsions de commande, donc à une immobilisation du champ tournant. On voit par conséquent que le dispositif selon l'invention présente une très grande souplesse de fonctionnement. Dans une forme de réalisation particulière de l'invention, les impulsions de commande du compteur sont également appliquées sur les deux convertisseurs digitaux-analogiques, afin de faire varier l'amplitude des tensions délivrées par ces convertisseurs en fonction de la vitesse du moteur Dans une autre forme de réalisation particulière de l'invention, on peut maintenir constante l'amplitude de ces dernières tensions, mais donner aux amplificateurs qui les exploitent un gain variable en fonction de la pulsation des signaux reçus.Cette variation de gain peut être obtenue automatiquement par interposition, dans l'un ou l'autre des étages de chaque amplificateur, d'un réseau correcteur présentant une courbe de réponse appropriée à la caractéristique de résistance et de réactance du moteur asynchrone ainsi piloté On peut ainsi s'arrangeur pour que l'induction du champ tournant engendré ait une amplitude sensiblement constante et égale à celle qui donne au moteur son couple nominal pour le glissement nominal. Une forme d'exécution de l'invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique est un schéma synoptique d'un dispositif de génération de tensions polyphasées conforme à l'invention, dans son application particulière à l'asservissement de vitesse d'un moteur asynchrone diphasé. Le dispositif représenté sur cette figure comprend tout d'abord un compteur binaire 1 dont l'entrée de comptage 2 est reliée à une borne 3 sur laquelle sont appliquées des impulsions de commande 4. Ce compteur 1 comporte également une entrée de décomptage 5 et constitue donc en fait un compteurdécompteur. Des moyens de commutation appropriés sont d'ailleurs prévus pour relier l'une ou l'autre de ces entrées 2 et 5 à la borne 3, selon le sens de comptage désiré. A la suite du compteur 1 se trouve un convertisseur de lignes trigonométriques 6, conçu pour convertir l'information digitale c , qui sont respectivement constituées par sincK et cosci .Ces deux fonctions sin ez et cos ci sont également exprimées sous forme digitale et elles sont respectivement transformées en grandeurs analogiques au moyen de deux convertisseurs digitaux-analo giques 7 et 8, pour donner des tensions U sin et U cos cX Les convertisseurs digitaux-analogiques 7 et 8 sont connectés aux entrées de deux amplificateurs 9 et 10, et les sorties de ces amplificateurs sont respectivement reliées aux deux enroulements statoriques 11 et 12 d'un moteur asynchrone diphasé classique, comportant un rotor à cage d'écureuil 13 dont on veut faire varier la vitesse de rotation. La borne 3 sur laquelle sont appliquées les impulsions de commande 4 du compteur 1 est en outre facultativement reliée, par l'intermédiaire d'une connexion 14, à une entrée 15 du convertisseur 7 et à une entrée 16 du convertisseur 8, dans un but qui apparaîtra plus clairement par la suite. Le dispositif qui vient d'être décrit fonctionne de la manière suivante Lorsque le compteur binaire 1 reçoit des impulsions de commande telles que 4, par exemple sur son entrée de comptage 2, son contenu augmente d'une unité à chaque impulsion. Ce compteur 1 délivre donc à sa sortie, sous forme parallèle, une information digitale s qui représente à chaque instant le nombre binaire emmagasiné dans le compteur et qui évolue par conséquent au rythme de la fréquence des impulsions de commande 4. L'information digitale CE est ensuite convertie en sin ee et cos o; c'est-à-dire deux fonctions trigonométriques en quadrature, par le convertisseur de lignes trigonométriques 6. Cette conversion s'effectue en temps réel, ou au moyen d'une opération séquentielle à grande vitesse de résolution, et sous forme digitale. Les deux informations digitales sinA et cos > apparaissant sous forme parallèle à la sortie du convertisseur 6, sont alors transformées en tensions par les deux convertisseurs digitaux-analogiques 7 et 8.Le convertisseur 7 délivre ainsi à sa sortie une tension sinusoidale U sineb , tandis que le convertisseur 8 délivre à sa sortie une tension U cos o( Les deux tensions en quadrature U sinc et U cos oi sont ensuite amplifiées par les deux amplificateurs 9 et 10 avant d'être appliquées aux enroulements statoriques 11 et 12 du moteur asynchrone. Ainsi se trouve créé un champ magnétique tournant permettant d'entraîner le rotor 13 en rotation. En posant = t t, on obtient en effet U sin Vt et U cos uot qui sont les équations bien connues d'un champ tournant diphasé. On sait que la vitesse rotorique d'un moteur asynchrone est sensiblement égale à la vitesse statorique, c'est-à-dire la vitesse du champ tournant, au glissement près. Or, la vitesse du champ tournant engendré dépend essentiellement de CE , donc de la fréquence des impulsions de commande 4 qui font évoluer cette information par l'intermédiaire du compteur binaire 1. Il suffit par conséquent, pour faire varier la vitesse de rotation du moteur asynchrone, de faire varier la fréquence de ces impulsions de commande. I1 existe d'ailleurs une reIation très simple entre la fréquence f des impulsions de commande 4 et la vitesse n du champ tournant, exprimée en tours par seconde.On démontre en effet que si p est le nombre de chiffres significatifs du compteur 1 f= n.2P lorsque le moteur ne comporte qu'une seule paire de pâles. On dispose donc ainsi d'un moyen simple pour asservir la vitesse d'un moteur asynchrone, puisque l'on sait engendrer avec une grande précision des impulsions de fréquence déterminée. La finesse de restitution des tensions sinusoidales recherchées dépend d'ailleurs essentiellement du nombre de chiffres significatifs du compteur binaire 1. Ce nombre pourra par exemple être égal à 7, soit 128 gradins par période.Chaque impulsion de commande 4 fait avancer le contenu du compteur d'une unité et lorsqu'il arrive à 128, le compteur retombe automatiquement à zéro sous l'action de l'impulsion suivante, sans provoquer de discontinuité dans le processus d'élaboration des informations sin et cos 0( Les impulsions de commande 4 du compteur 1 sont également appliquées, par l'intermédiaire de la connexion 14, sur les entrées 15 et 16 des deux convertisseurs digitaux-analogiques 7 et 8, afin de faire varier leur rapport de conversion en fonction de la vitesse du moteur qui, comme on le sait, est proportionnelle à la fréquence f de ces impulsions. I1 est en effet souhaitable que l'amplitude de l'induction magnétique engendrée par le champ tournant soit sensiblement constante et égale à celle qui donne au moteur son couple nominal pour le glissement nominal. On s'arrange donc pour faire varier U en fonction de f, dans les tensions U sing( et U cosoi délivrées par les convertisseurs 7 et 8, de manière que la condition ci-dessus soit réalisée. Naturellement, cette variation de U en fonction de f pourrait également se faire dans les amplificateurs 9 et 10, mais il est plus facile et moins coûteux de travailler à bas niveau et d'utiliser des amplificateurs à gain constant. Comme l'information de vitesse, représentée par l'évolution de > , est élaborée sous forme digitale, on conçoit aisément que le dispositif conforme à l'invention permet de faire varier la vitesse du moteur asynchrone sur une plage aussi grande qu'on le désire, compatible évidemment avec les caractéristiques propres à ce moteur. I1 suffit en effet pour cela d'appliquer sur le compteur 1 des impulsions de commande 4 de fréquence appropriée. Un tel dispositif permet, en particulier, d'obtenir très facilement la vitesse nulle. En effet, si l'on cesse d'appliquer des impulsions de commande sur le compteur, l'information digitale -oW devient constante et égale au contenu du compteur à cet instant. Par suite, les deux tensions en quadrature U sin % et U cos o; , délivrées par les convertisseurs 7 et 8, deviennent également constantes et le champ tournant s'immobilise, ce qui provoque l'arrêt du rotor 13. Ainsi, l'arrêt du moteur s'obtient, non pas par une suppression du champ tournant, mais par une immobilisation de ce champ. I1 est connu qu'un moteur asynchrone sur les enroulements duquel on injecte un courant continu se comporte comme un frein à courants de Foucault. Mais le CílOiX d'une vitesse imposée nulle est réalisé, dans le cas de l'invention, sans aucune source particulire ni aucune commutation, ce qui est avantageux surtout dans le cas d'un servo-mécanisme de position, qui doit souvent se trouver immobile sur sa position de consigne. De plus, ce dispositif permet également d'obtenir des vitesses négatives, grâce à la présence de l'entrée de décomptage 5 sur le compteur 1. En effet, si par des moyens de commutation appropriés, les impulsions de commande 4 sont appliquées sur l'entrée de comptage 5 au lieu de l'être sur l'entrée de comptage 2, le contenu du compteur 1 évolue dans l'autre sens, c'est-à-dire qu'il diminue d'une unité à chaque impulsion. Par suite, l'information digitale CX évolue également en sens inverse, ce qui provoque l'inversion du champ tournant et par conséquent l'inversion du sens de rotation du moteur asynchrone. Le dispositif conforme à l'invention permet donc de faire varier de fa çon continue la vitesse du moteur asynchrone, depuis les vitesses négatives jusqu'aux vitesses positives, et ce en passant par la vitesse nulle qui, comme on l'a vu plus haut, ne constitue pas un point singulier. Ce dispositif présente par conséquent une trs grande souplesse de fonctionnement. En outre, comme la fonction énergétique, qui se fait au niveau des amplificateurs 9 et 10, est nettement séparée de la fonction information de vitesse, un tel dispositif se prête particulièrement bien à une miniaturisation des organes de génération de signaux sinusoidaux. Le compteur-décompteur, le convertisseur de lignes trigonométriques et les convertisseurs digitaux analogiques permettent en effet une réalisation à base de circuits intégrés très peu dissipatifs, et de mémoires mortes réalisées industriellement en boîtiers trams compacts. Enfin, il va de soi que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui a été représenté et décrit. Le procédé de l'invention pourrait en particulier s'appliquer à un moteur asynchrone autre que le moteur diphasé, par exemple un moteur asynchrone triphasé ou tétraphasé. Cependant, le convertisseur de lignes trigonométriques 6 serait alors beaucoup plus complexe et il faudrait rajouter un convertisseur digital-analogique tel que 7 et un amplificateur tel que 9 par phase, ce qui augmenterait considérablement le coût du dispositif. I1 s'ensuit qu'en pratique, seule l'application au moteur asynchrone diphasé paraît vraiment intéressante. REVENDICATIONS l.-Procédé de génération de tensions polyphasées à fréquence variable, notamment pour l'asservissement de vitesse d'un moteur asynchrone à champ tournant, caractérisé en ce qu'il consiste à déclencher un compteur binaire au moyen d'impulsions de commande dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse désirée pour le moteur, afin de produire une information digitale X représentant à chaque instant le nombre binaire emmagasiné dans le compteur et qui évolue ainsi au rythme de la fréquence des impulsions de commande, à convertir cette information digitale en une suite de fonctions trigonométriques de o( (sinus ou cosinus), convenablement déphasées l'une par rapport à l'autre et également exprimées sous forme digitale, à convertir chacune de ces fonctions trigonométriques de 0 2.- Procédé selon la revendication 1, appliqué au cas particulier de l'asservissement de vitesse d'un moteur asynchrone diphasé, caractérisé en ce que l'information digitale Oc est convertie en deux fonctions trigonométriques en quadrature qui sont respectivement constituées par sin et cos 3.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu?il comprend, en combinaison, un compteur binaire sur trée duquel sont appliquées les impulsions de commande dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse désirée pour le moteur, un convertisseur de lignes trigonométriques pour convertir l'information digitale 0( emmagasinée dans le compteur en sincz et cosg( , également exprimés sous forme digitale, et deux convertisseurs digitaux-analogiques pour convertir respectivement sinO( et cos en deux grandeurs analogiques représentant des tensions, chacun de ces convertisseurs étant connecté à l'entrée d'un amplificateur dont la sortie est reliée à l'un des deux enroulements statoriques du moteur asynchrone diphasé. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le compteur binaire comporte également une entrée de décomptage et constitue ainsi un compteur-décompteur. 5.- Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les impulsions de commande du compteur sont également appliquées sur les deux convertisseurs digitaux-analogiques, afin de faire varier l'amplitude des tensions délivrées par ces convertisseurs en fonction de la vitesse du moteur. 6.- Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le gain de l'amplificateur attaquant chaque bobinage est rendu variable automatiquement en fonction de la fréquence, par insertion d'un réseau correcteur présentant une courbe de réponse appropriée aux caractéristiques résistives et réactives du moteur.