Brevet FR2240566A1 — publié le 19750307

Les entratnements à vitesse réglable faisant appel à une conversion tension-fréquence nécessitent beaucoup de moyens et sont chers lies entraînements à commande à déphasage a' allumage, de cot plus favorable, ont pour inconvénient que, dans le rotor du moteur asynchrone, des pertes de rotor élevées apparaissent avec l'accroissement du glissement de vitesse ( = vitesse diminuant), ce qui abaisse fortement le rendement et qui par suite des pertes ther miques à évacuer du moteur, conduit à une diminution considérable du taux d'utilisation du type. L'invention se propose comme objet d'éviter les défauts précités et y parvient par-un entrainement à vitesse réglable qui comprend un moteur électrique et un système électronique de commande comprise entre ledit moteur et le réseau d' alimentation, en utilisant un moteur dont le stator crée , à la manière des moteurs induction un champ tournant à la fréquence du réseau et qui, à son tour, agit sur un rotor asymétrique dont les réactances longitudinale et transversale sont différentes et qui est réalisé à faibles pertes de courant (résistance rotorique voisine de zéro ou voisine de l'infini) qui, par réaction sur la résistance statorique, la résistance du réseau d'a- limentation et, le cas échéant, la composante résistance qui y est intercalée, donne naissance à un couple lequel est commandé ou éventuellement réglé par l'intervention d'une voie de régulation de vitesse, en fonction du comportement vitesseZcouple exigé par I'entraînement, par le sys tème électronique de commande agissant sur le flux d'énergie. Belon l'invention , à l'encontre du moteur asynchrone à rotor à cage ou à bagues habituel, on emploie un rotor uni axe. Ce rotor ne possède aucun enroulement rotorique, mais seulement un paquet de tôles avec des espaces interpolaires estampés et, le cas échéant, des barrages de flux intérieur, de manière à obtenir la plus grande dif. 0)o De telles machines asynchrones à rotor uniaxe (R1 ç2 O ou R1 # 0) forment leur couple à l'aide du courant statorique I2 du système inverse provoqué par l'asymétrie du rotor en coopération avec la résistance Rs du circuit statorique La résistance Rs du circuit satorique peut être seulement la résistance R1 de l'enroulement statorique.Mais elle peut aussi etre accrue par une résistance extérieure supplémentaire R qui peut se trouver à une place quelconque, avec possibilité de bon refroidissement, dans le circuit allant du réseau au moteur, en sorte que Rs = R1 + R z lie couple asynchrone , avec la résistance rotorique R1 OC suivant figure la et R1 ~ 0 suivant figure lb est D'après cela, on voit que le couple asynchrone ne dépend que de la résistance R5 du circuit statorique et du carré du courant statorique I2 s du système inverse.La grandeur I2 dépend du degré d'asymétrie, qui est une fonction de = xd/q Ainsi, lors de la formation du couple, aucune perte, fonction du courant, n'apparaît pratiquement dans le rotor du moteur. Ces pertes apparaissent seulement dans l'enroule- ment statorique et, éventuellement, dans la résistance extérieure Rz. Pour la machine à pôle unitaire sans enroulement, on a Zd = jXd et Zq = jXq , si R1 = # . Pour la machine à enroulement rotorique en court-circuit bi- polaire (monophasé) on a avec R1 X Q Zd = jXd et Zq = jX'd . Sans aide supplémentaire, la machine ne peut pas dépasser la demi-valeur de la vitesse synchrone, lie couple asynchrone, en tant que fonction du glissement s, peut en posant v - 2s - 1 s'exprimer de la façon suivante : OÙ K = Xd/Xq, # = Rs/Xq, Ks = (K + 1)/2 et Kd = (K - l)/2 : et l'évolution du couple en fonction de la vite s- se de rotation pour une machine sans perte dans le rotor ,est presque exactement la même que ce qui est prescrit en gé néral pour les machines à rotor en court-circuit spéciales à glissement augmenté, par exemple pour les transmetteurs de couple.Parallèlement, pour les rotors à un axe, on utilise un type de machine plus petit qu'avec une machine asyn chrone normale à glissement augmenté. La caractéristique de couple décroissante,la suppression des pertes rotoriques apparaissant à l'intérieur de la machine et, par-là, la bonne utilisation possible du type, créent les conditions idéales pour un entraînement à vitesse réglable simple. En partant de l'influence exercée sur a caractéristique vitesse/couple par des résistances supplémentaires placées dans le circuit extérieur du rotor, pour le moteur à rotor à bagues à courant triphasé classi que, on obtient un effet analogue dans la machine asynchro ne uniaxe par un changement similaire de Rs = R1 + Rz La modification de Rz sreffectue opportunément ici par l'utilisation plus moderne, de la technique électronique En présence d'entrainements de très petite puissance, Rz peut être une combinaison de transistors commandables au sein de leur plage de courbes caractéristiques ; pour de plus grondes puissances, R peut être une combinaison de résistances qui en technique dite "chopper" ou en technique de découpage, sont plus ou moins insérées dans le circuit statorique entre l'enroulement moteur et la ligne de réseau, par des thyristors ou des triacs.Mais pour des paramètres-machine non modifiés et R5 constant, on peut aussi, par d'autres voies, parvenir à influencer la caractéristique vitesse de rotation/couple de l'entraSnemente Par simplification, les équations 2 et 5 peuvent se réduire à 2n où V = 2s - 1 = 1 - n0 Pour une vitesse donnée n Pour un numérateur constant de l'équation précédente, le couple asynchrone est alors Na IVU52 SiX dans un entrainement à vitesse réglable, le couple résistant est- par exemple quadruplé, la vitesse de consigne prescrite n peut etre maintenue constante en doublant la tension d'alimentation U8 du stator. Cette adaptation de la tension d'alimentation du stator au couple résistant se fait le plus simplement au moyen de la commande à déphasage d'allumage bien connue en insérant des thyristors ou des triacs antiparallèles. De même, une adaptation de U5 par des résistance s chutrices variables R serait possible. Ces deux moyens par commande à déphasage d'allumage ou par résistance chutrices modifiées par voie électronique, conduisant à des influences comparables sur la caractéristique vitesse/couple. Elles se différencient surtout dans leur formulation mathémati que et dans leur mise en oeuvre. lia caractéristique commune c' est qu'entre le moteur i avec rotor 2 asymétrique (R1ÇeS ou Rl /r O) et le réseau d'alimentation,se trouve une commande électronique 3, qui intervient pour commander-ou régler le débit d'énergie entre le moteur et le réseau (figure 2). Pour une véritable régulation de vitesse,un générateur tachymétrique est normalement nécessaire pour la saisie de la valeur effective de la vitesse.Avec l'entraSne- ment selon l'invention, le rotor asymétrique module la fréquence du courant alternatif d'alimentation proportionnel~ lement à sa vitesse effective.-Par un filtrage de cette sous-oscillation, en comparaison de la fréquence du réseau, on peut - en se passant de tachymètre incorporé coûteux déterminer directement la valeur effective de la vitesse de lientrainement et l'exploiter dans le circuit de régulation de la vitesse. Le moteur à pôles saillants et à rapport le le plus grand possible a besoin, comme toutes les ma- chines à réluctance, d'un courant réactif relativement élevé- Celui-ci charge, d'une part, le bilan thermique de la machine , comprime-donc la possibilité d'utilisation thermique d'un type de moteur donné et, réduit d'autre part le couple maximal- accessible l'insertion de condensateurs série 4 suivant la figure 3, s'est avérée être un moyen efficace pour remédier à cet inconvénient, les valeurs des condensateurs étant ici opportunément choisies pour que i compense la composante transversale de réactance iq du moteur. La réalisation asymétrique du rotor peut conduire à des difficultés dans le cas d'entraînements à faibles moments d'inertie ou lors d'exigences élevées concernant les pulsations de couple. Un remède y est apporté par la disposition suivant la figure 4. Si, en effet,les rotors asymétriques de deux machines asynchrones 5 et 6 de types identiques sont placés sur un arbre commun avec un décalage électrique de 900 l'un par rapport à l'autre,les courants statoriques communs Is sont alors symétriques dans toutes les trois phases et le couple à capter à l'extrémité de 1' arbre extérieur , est un couple asynchrone uniforme. lies courants de fréquence étrangère ne circulent qu'entre les deux machines et le couple pulsatoire ne sollicite que la fraction d'arbre comprise entre les deux rotors. lies présentes réalisations ont été expliquées à l'aide de machines alimentées en courant triphasé. I1 est bien connu, qu'au moyen de résistances (moteur à phases auxiliaires à résistance), de condensateurs (moteur à condensateur), d'inductances ou avec des montages électroniques déphaseurs pour l'alimentation d'un moteur asynchrone depuis le réseau monophasé, on peut amener aux deux ou trois faisceaux d'enroulement des courants déphasés entre eux, de manière qu'un champ tournant prenne naissance. Ainsi les présentes réalisations sont en principe également par analogie valablesour des egntrainements à vitesse réglable ayant un autre nombre de phases que m = 3 En tenant compte de la possibilité de compensation de Xq par un choix judicieux de 1c et ainsi que l'augmentation du couple comme, aussi de l'influence exercée sur la caractéristique du couple par une R adaptée à l'intérieur de R5, on peut ajouter aux particularités qu'apporte le rotor asymétrique sans perte de courant, une large gamme de couplages asymétriques des faisceaux d'enroulement de moteur qui, en association avec tous les éléments, permettent une adaptation favorable du comportement vitesse/couple de tout I'entraînement aux conditions d'entrainement posées. R E V E N D I C A T I O N S la Entratnement à vitesse réglable, comprenant un moteur électrique et un système électronique de commande intercalé entre celui-ci et le réseau d'alimentation caractérisé par l'emploi d'un moteur dont le stator crée à la- manière des moteurs à induction un champ tournant à la fréquence du réseau et qui, à son tour; agit sur un rotor asymétrique dont les réactances longitudinale et transversale sont différentes et qui est réalisé à faibles pertes de courant (résist-ance rotorique voisine de zéro ou voisine de l'infini), qui par réaction sur la résistance statorique, la résistance du réseau d'alimentation et, le cas échéant, la composante-résistance qui y est intercalée, donne naissance à un couple1 lequel est commande ou éventuellement régd par l'intervention d'une voie de régulation de vitesse en.fonction du comportement vitesse/couple exigé par l'entrntnement, par le système électronique dè commande agissant sur le flux d'énergie. 20 EntraSnement suivant -la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor se compose d'un paquet de tales avec des espaces interpolaires estampés (pôles seuls, sans enroulement). 3. intratnement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor présente un enroulement avec court-circuit bipolaire. 4. intratnement suivant l'une quelconque dés revendications 1 à3, caractérisé par le fait que pour déterminer la vitesse de rotation effective de l'entraine- ment, les sous-oscillations proportionnelles à la vitesse et produites par le rotor asymétrique sont directement fil- tré-es dans le courant d1 alimentation et exploitées dans le circuit de régulation. 5. EntraSnement suivant ltune quelconque des revendications I à 4, caractérisé par le fait que pour améliorer le bilnn couple et pertes du moteur d'entraine- ment à rotor asymétrique, des condensateurs série sont montés en amont du moteur. 6. EntraSnement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par l'emploi de deux moteurs asynchrones semblables dont les rotors asymétriques sont disposés sur le même arbre commun avec un décalage électrique de 900 de leurs axes de référence. 7. EntraSnement suivant l'une Quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que pour l'alimentation du moteur, on peut employer des réseaux d'un nombre de phases quelconque (m = 1, 2, 3), toutefois, pour un réseau de moins de trois phases, le déphasage des courants des faisceaux d'enroulements nécessaire à la formation du champ tournant du stator, se fait à l'aide de moyens de déphasage connus tels que condensateurs, résistances, inductances ou de montages électroniques déphaseurs et, à cet effet notamment la disposition des condensateurs et, le cas échéant, des résistances effectives est choisie de telle sortie, qu'un champ tournant à bonne évolution prenne naissance et que - à l'aide de condensateurs série et de résistances-la caractéristique vitesse, couple de l'ensemble d'entraînement soit adaptée de manière optimale aux exigences formulées.