Brevet FR2138064A1 — publié le 19721229

L'invention est relative à un dispositif de commande électronique destiné à faire varier la vitesse de moteurs électriques polyphasés. Elle a plus particulièrement pour objet un dispositif de commande électronique pour faire varier la vitesse de moteurs électriques polyphasés du type à rotor bobiné, dispositif qui permet de faire varier cette vitesse dans une large gamme à partir d'une valeur voisine de zéro jusqu'à la valeur nominale de la vitesse du moteur. Dans de nombreuses applications des moteurs électriques se pose le problème du réglage de la vitesse en cours d'utilisation. Comme on le saint. jusqu'ici on a obtenu une commande efficace de la vitesse de moteurs à courant continu à l'aide de dispositifs bien connus dans la technique, mais les commandes existantes de moteurs alternatifs, notamment de moteurs tri phases. ne sont pas totalement satisfaisantes et impliquent un grand gaspillage d'énergie. Ce problème est particulièrement aigu avec les moteurs triphasés du type à rotor bobiné. En fait on n'a obtenu qu'une commande relativement limitée de la vitesse de ce type de moteur, essentiellement à partir de l'un ou l'autre de deux genres de dispositifs. Le premier genre de dispositifs utilise un certain nombre de résistances, branchées suivant une disposition parallèle-étoile, chacune d'elles comportant un dispositif interrupteur destiné à s'ouvrir ou se fermer à volonté. Le second genre de dispositifs est une combinaison d'un certain nombre de résistances en parallèle et d'une ou plusieurs réactances saturables formant un agencement en étoile, chacun de ces éléments comportant aussi un contact ou un dispositif interrupteur correspondant destiné à mettre en circuit ou hors circuit l'élément considéré. Dans les deux cas l'ensemble des circuits est relié aux bornes de sortie respectives d'un rotor de moteur triphasé en vue d'assurer une liaison électrique avec celuici et de shunter une partie de l'énergie issue de la puissance mécanique transmise par l'entrefer, c'est-à-dire que la puissance appliquée par le stator au rotor est "extraite" par ces moyens à base de résistances et d'éléments saturables, en vue d'abaisser sa valeur effective et par conséquent de ralentir la rotation du rotor. Comme les techniciens le savent bien, ce genre de commande de vitesse pour moteurs triphasés du type à rotor bobiné pré sente une série d'inconvénients et pos un certain nombre de problèmes, dont quelques-uns sont énumerés ci-après. En premier lieu, la commande exercée sur la vitesse du rotor est effectuée en principe par extraction de la puissance induite dans ce rotor, de manière à la dissiper dans e circuit formé par les résistances extérieures sous forme de chaleur inutilisée. la partie restante de cette puissance produisant une puissance mécanique disponible sur l'arbre du moteur.Un autre inconvénient des dispositifs de commande de la technique antérieure est que leur utilisation ne permet qu'une commande de vitesse partant d'une valeur donnée relativement élevée, par exemple environ 200 t/mina et augmentant à partir de cette valeur par bonds de par exemple 100 t/min. chacun, jusqu'à ce que soit atteinte la valeur nominale du moteur commandé, sans qu'il soit possible d'obtenir des valeurs intermédiaires entre celles données cidessus, du fait que chaque valeur de cette série correspond à la mise hors circuit d'une résistance ou d'un élément saturable, pour abaisser le courant ( de la valeur correspondant à cet élément) qui est soustrait à la puissance mécanique transmise par l'entrefer. En outre la puissance en watts consommée dans le moteur et dans les dispositifs de commande de la technique antérieure est obtenue avec un effet qui augmente le glissement. tandis que la puissance mécanique transmise par l'entrefer est maintenue constante lorsque la vitesse varie, la valeur du courant prélevé sur la ligne d'alimentation du moteur demeurant également constante et la partie restante de la puissance utilisée ou prélevée par le moteur est dissipée sous forme de chaleur, par effet Joule, dans ces moyens de démarrage. Les inconvénients énumérés ci-dessus sont éliminés par l'invention. Par conséquent le but principal de l'invention est de fournir un dispositif de commande pour moteurs à courant alternatif triphasé du type à rotor bobiné, qui permette de commander leur vitesse d'une manière efficace et nouvelle. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif pour la commande de la vitesse de moteurs triphasés du type à rotor bobiné au moyen de dispositifs électroniques d'un genre approprié pour effectuer une action de régulation sur le passage ou la circulation du courant qui traverse le moteur. Un autre but encore de l'invention est de fournir un dis positif du type décrit ci-dessus, au moyen duquel la puissance mécanique transmise par l'entrefer du moteur est abaissée d'une manière efficace1 en vue de ralentir la vitesse de celui-ci. Un autre but encore de l'invention est de fournir un dispositif du type ci-dessus, au moyen duquel une économie de puissance de l'ordre d'environ 90% ou même plus est obtenue quant à la puissance dissipée par effet Joule, par rapport aux dispositifs de commande antérieurs. Un autre but encore de l'invention est de fournir un dispositif du type décrit ci-dessusrau moyen duquel il est possible de n'utiliser que des fractions prédéterminées et présélectionnées de l'onde sinusoidale correspondant au courant induit dans le rotor d'un moteur triphasé. Un autre but encore de l'invention est de fournir un dispositif du type décrit ci-dessus, au moyen duquel on peut obtenir une commande précise et efficace quelle que soit la puissance mdcanique du moteur. Ces buts et d'autres buts et avantages de l'invention apparaitront à partir de la description détaillée ci-dessous, description qui se réfère aux dessins qui l'accompagnent. Ils sont obtenus par la mise en oeuvre d'un circuit de commande relié aux trois phases du rotor, ce circuit étant constitué par un certain nombre d'éléments électroniques du type régulateurs à courant alternatif et fournissant une commande de réglage ou de déclenchement, et en mettant en oeuvre une commande de réglage ou de déclenchement reliée à chacun des organes de commande de ces éléments (grilles1 électrodes ou gâchettes) de manière à les exciter à l'instant approprié et à leur fournir le potentiel désiré, de manière à établir des trajets unidirectionnels de courant, pour le courant commande, entre les phases du rotor, en les court-circuitant progressivement. L'invention est expliquée en détail ci-après, à l'aide d'un de ses modes de réalisation préférentiel, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma de câblage de principe d'un dispositif conforme à l'invention, et - les figures 2, 3 et 4 sont des schémas de liaison correspondant à trois états de fonctionnement, à trois instants différents, au cours de l'application d'un potentiel électrique à l'aide du dispositif conforme à l'invention. Sur la figure 1 on a représenté schématiquement un rotor en étoile de moteur triphasé du type à rotor bobiné, auquel se rapporte l'invention. On peut voir ainsi les bornes de chacune des trois phases de ce moteur, désignées par 1, 2, 3. D'une manière usuelle dans ces moteurs, ces bornes sont reliées à des bagues de glissement ou des organes analogues CG1, CG2 et CG3, en général placés sur l'arbre du rotor. Dans ces conditions une liaison électrique est établie à travers des moyens appropriés. par exemple des balais ou des organes analogues, en vue de faire passer ou de faire circuler un courant en direction de chacune des bornes libres correspondant à chacune des phases 1, 2 et 3 du rotor. A la ligne correspondant à la phase 1, c'est-à-dire celle provenant de la bague CG1. sont reliés électriquement une paire d'organes électroniques ES1, ES3, l'anode de ES1 étant reliée à un point de connexion PC1 et la cathode de ES2 étant reliée à un point de connexion PCU sur la même ligne. Comme on le voit facilement à partir de ce qui précède. ces organes électroniques ESI, ES3 sont montés en sens opposés l'un par rapport à l'autre, de sorte que la cathode de ES1 est reliée à la ligne de phase 2 en PC2, tandis que l'anode de ES3 est reliée à cette ligne en PC2A. Par conséquent les lignes 1 et 2 sont reliées l'une à l'autre pour n'importe quel sens de passage du courant les traversant. D'autre part, la ligne 2 est égalenienX reliée à la ligne 3 au moyen d'une autre paire d'organes électroniques ES2, ES4, placés d'une manière analogue aux organes précédents, et en sens contraire l'un de l'autre. La cathode de ES2 est reliée à la cathode de ESI en PC2 et son anode est reliée à la ligne 3 en PC3. Inversement 11 anode de l'élément ES4 est reliée au mêse point de connexion PC2A que l'anode de l'élément ES3.Par con-séquent, les deux éléments ES1 et ES3, qui relient les lignes de phases 1 et 2 et les éléments ES1 et ES2, ainsi que ES3 et ES4 sont montés en sens opposés les uns par rapport aux autres, pour pouvoir établir un trajet de passage pour n'importe quel sens de circulation du courant au cours des divers modes de circulation de courant dans le circuit. Ces modes vont être exposés en détail ci-dessous en se référant aux figures 2. 3 et 4. Un conducteur relié à l'électrode de commande (grille. porte ou gachette) de chacun des organes électroniques ESI à ES4 utilisés dans le circuit conforme à l'invention est relié électriquement à chacune des bornes A, B, C. D d'un circuit de déclenchement ou d'une commande de réglage Mc, représenté schématiquement par un rectangle.Ce circuit de déclenchement ou commande de réglage. a pour but d'exciter l'électrode de commande de chacun des éléments électroniques ES1 à ES4 de telle manière que, sous l'action de cette excitation. l'organe électronique correspondant soit actionné et qu'un courant puisse circuler dans la direction appropriée > ce courant étant mis en circulation (avec une intensité et pendant une durée commandés avec précision) par une tension ou polarisation de signe convenable par rapport à la cathode de cet organe électronique. Comme le verra imcédiatement tout spécialiste. le circuit de réglage MC peut être de n'importe quel genre connu. à la seule condition que celui-ci puisse assurer les fonctions précisées ici. Le but du circuit de commande décrit ci-dessus est d'état blir une mise en court-circuit progressive des trois phases du rotor, permettant ainsi aux courants précédemment choisis et commandés avec précision par les organes électroniques ES1 à ES4 de circuler à travers le circuit dans la direction et pen- dant la durée fixées par les fonctionnements conjoints des organes électroniques et de la commande de réglage MC, ainsi qu'on 1 'a mentionné précédemment. Sur la figure 2 par exemple. on a représenté schématiquement un premier état d'un circuit conforme à l'invention. Dans cet état, la phase 2 est polarisée négativement, c'est-à-dire que le courant s'écoule de la bague CG2 reliée à cette phase, par le conducteur correspondant. suivant la direction représentée par la flèche.Lorsqu'il atteint le point de connexion PC2 ce courant tend à suivre les conducteurs reliant les organes électroniques ES1 et ES2 à cette ligne ; mais. du fait de la liaison établie entre ces éléments ES1 et ES2 et aussi du fait de l'excitation de la grille ou de l'électrode de commande des divers éléments. le courant commandé traverse ces éléments en direction respectivement des points de connexion PC1 et PC3 et. dans ces conditions. ainsi qu'on l'a indiqué par des flèches en en direction respectivement des bagues CGî et CG3 > d'où il parvient aux phases 1 et 3 du rotor. Du fait du montage en sens opposé des organes ES3 et ES4, ce courant ne peut les tra verser et, par conséquent, l'effet de court-circuit ne s'établira qu'à travers les éléments ES1 et ES2. Sur la figure 2 on suppose que de la bague CG1, reliée à la phase 1 du rotor, un courant s'écoule suivant la direction de la flèche. en direction du point de connexion PC1 d'où il tend à s'écouler en suivant le conducteur reliant l'organe ES1. Du fait que ce dernier est placé de telle manière qu'il ne permet la circulation d'un courant commandé que dans le sens inverse, ce courant ne peut le traverser et par conséquent. va continuer son chemin jusqu'au point de connexion suivant PC1A, d'où il s'écoulera en direction de l'organe ES3, jusqu'au point de connexion PC2A relié directement à la bague CG2 > reliée à son tour à la phase 2 > suivant la flèche (+). Du fait que la phase 3 est aussi polarisée positivement à ce moment il doit aussi dtre relié à la phase 1. Cet état est obtenu par le conducteur raccordant l'organe ES2 au point PC2, qui est déjà excité par le circuit de réglage. moyennant quoi le courant commandé. arrive au point PC3 etX en suivant la direction de la flèche (+) > arrive à la bague CG3. Le courant. dans ce cas, ne peut s'écouler de la phase 2 à la phase 3 a travers l'organe ES4 > du fait que ce dernier est polarisé en inverse et ne permet le passage de courant que dans le sens opposé Enfin on distingue sur la figure 4. un état dans lequel la phase 3 est polarisée négativement. ctest-à-dire qu'un courant s'écoulera de cette phase. à travers la bague CG3, suivant la direction de la flèche (-), jusqu'au point PC3. En ce point le courant ne peut traverser l'organe ES2 qui lui est relié, du fait que cet organe est polarisé en inverse et ne peut être traversé que par un courant de sens contraire. Mais lorsque ce courant atteint PC3A il parviendra à la phase 2 en traversant l'or- gane ES4 qui > à cet instant, est excité par la commande de reglage MC. De là ce courant parvient au paint PC2A. De là le courant ne peut ti;versoe l'éleût E53 du fait que celui-ci est polarisé en inverse. mais suivra le conducteur pour arriver au point PC2, ou il se divise pour suivre deux trajets ; l'un de ces trajets suit le même conducteur en direction de la bague CG2 et l'autre trajet traverse l'organe ES1 qui, lorsqu'il est excité par la commande de réglage MC laisse passer ce courant commandé en direction du point PC1 puis de la bague CG1 reliée à la phase 1 du rotor. De ce qui précède il résulte que pour les trois états de polarisation du circuit conforme à 1'invention, il s'établira un court-circuit progressif pour les trois phases du rotor d'un moteur triphasé. Comme il est évident à tout technicien. un conducteur C de chaque organe électronique ESI à ES4 > relié à l'électrode de commande de cet organe. sera relié à la borne correspondante du circuit de déclenchement ou de réglage MC, comme le montre la figure 1. Les organes électroniques pour la régulation de la circulation du courant. désignés par ES1, ES2, ES3 et ES4, sont constitués de préférence par des thyristors ou des thyratrons. suivant qu'on utilise des dispositifs à semi-conducteurs ou des tubes à vide ; tout autre genre d'élément d'organe électronique peut btre utilisé à condition qu'il permette le réglage en courant alternatif. Bien que le présent brevet ne soit nullement lié à la validité d'une théorie particulière de fonctionnement on va expliquer ci-dessous la manière dont fonctionne probablement le dispositif conforme à l'invention pour la commande de vitesse d'un moteur triphasé. Ainsi qu'on l'a exposé ci-dessus les dispositifs de la technique antérieure commandaient la vitesse en augmentant la résistance du circuit du rotor ; ceci peut s'expliquer au moyen de l'équation bien connue fournissant la puissance mécanique traversant l'entrefer. c'est-à-dire la puissance transmise du stator au rotor. =R 12 P I2 (1) dans laquelle : P - puissance mécanique traversant l'entrefer R = résistance de l'enroulement du rotor S - glissement et Ir= courant induit dans le rotor. Les systèmes de la technique antérieure se basent sur cette équation. pour commander la variation de vitesse et uti R lisent une variation du rapport SR X en ajoutant une résistance extérieure Re à la résistance propre R du rotor.Pour la variation de vitesse la valeur de S est remplacée à chaque instant > par une valeur particulière S' > ce qui fournit le rapport R + Re Si (2) Selon ce mode d'obtentlon de a variation de vitesse d'un moteur, appartenant à la te@@@@que antérreure. la puissance mécanique traversant ''entrefer e'e twàmdire la puissance mécanique transmise du stator au rotor est maintenue constante lors de la variation de vitesse et, d'une manière analogue, la valeur de 11 (courant de ligne) demeure à la valeur ccrrespondant à la vitesse maximale. Pour maintenir la validité de l'équation (1), lorsqu'on augmente la résistance totale RT du circuit du rotor (RT = R + Re), la valeur de S' peut et doit augmenter d'une manière correspondante et, par conséquent, les pertes Joule RT T augmentent et cette énergie est dissipée sous forme de chaleur. Au contraire, avec l'invention, pour commander la variation de vitesse. en utilisant la même équation (1) on peut voir qu'on passe d'une puissance mécanique "constante" à une puissance mécanique "variable" traversant l'entrefer ce qui est démontré ci-dessous. Puisque R demeure toujours constant, on ne peut modifier que 1r ' ce qui est assuré par le dispositif de commande confor me à l'invention. Ainsi le rapport I2 /S' est modifié du fait r que lorsque le courant est diminué, le glissement est augmenté et le rapport I2 /S' prend des valeurs inférieures, en fonction r de la diminution de vitesse. Dans ces conditions si ce rapport est diminué et si R demeure constant, la puissance mécanique traversant l'entrefer diminue aussi, ce qui réduit la vitesse En d'autres termes, avec le dispositif de commande conforme à l'invention il n'y a pas d'augmentation de l'effet Joule qui constitue un gaspillage d'énergie ; au contraire la ligne d'alimentation fournit moins d'énergie lorsque la vitesse diminue. Ce moindre appel d'énergie par le moteur est obtenu par l'emploi d'une partie seulement de la totalité des alternances du courant, sans la moindre action sur son amplitude, comme c'est le cas avec les dispositifs de commande de la technique antérieure qui utilisent la totalité des alternances avec toutefois une perte notable de puissance par effet Joule. Par conséquent, en commandant au moyen de la commande de réglage MC l'amplitude de la fraction d'alternance qui peut traverser la liaison de court-circuit conforme à l'invention. la vitesse du moteur se trouve également commandée, laquelle commande peut cotre effectuée en commançant avec une valeur de démarrage atteignant à peu près 56 de la vitesse nominale du moteur, aussi bien en suivant une augmentation jeune diminution progressive, en passant d'une valeur quelconque à une autre valeur quelconque dans la gamme de vitesse mentionnée ci-dessus. 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 d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande électronique destiné à faire varier la vitesse de moteurs triphasés du type à rotor bobiné > caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'organes électroniques réglant la circulation du courant alternatif induit dans le rotor du moteur, ces organes étant électriquement reliés les uns aux autres de manière à établir un trajet unidirectionnel en vue de faire circuler à travers ce trajet une intensité commandée de courant suivant cette direction en fonction du sens du courant induit dans le rotor, ces-organes assurant l'établissement d'un court-circuit progressif pour les trois phases du rotor, mais juste pour ladite intensité commandée de courant les traversant. 2. Dispositif de commande électronique destiné à faire varier la vitesse de moteurs triphasés du type à rotor bobiné, selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce qu'une électrode de commande de chacun des organes électroniques réglant la circulation du courant est reliée à une commande de déclenchement destinée à l'exciter, de manière à faire circuler ladite intensité commandée de courant dans le sens approprié, en fonction du sens du courant, de manière à établir la liaison de courtcircuit. 3. Dispositif de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le potentiel appliqué à l'électrode de commande de chacun des organes électroniques est commandé en grandeur et en durée d'application au moyen du dispositif de commande de déclenchement, en vue de ne permettre que le passage d'une fraction prédéterminée des alternances de courant à travers lesdits organes électroniques. 4. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant induit dans le rotor du moteur est modifié sans autmentation ou diminution appréciable de la résistance totale du circuit du rotor de façon à réduire la dissipation d'énergie sous forme de chaleurt par effet Joule. 5. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes > caractérisé en ce que chacun des organes électroniques est constitué par un thyristor coopérant avec des organes électroniques ou électriques équivalents. 6. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 4. caractérisé en ce que chacun des organes électroniques est constitué par un thyratron coopérant avec d'autres organes électriques ou électroniques équivalents. 7. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que les liaisons électriques entre le rotor bobiné du moteur et les éléments électroniques sont effectuées au moyen de dispositifs à contacts tournants tels que des bagues. portés par l'arbre du rotor associés à des balais.