Brevet FR2239804A1 — publié le 19750228

La présente invention se réfère aux systèmes de commande de moteurs électriques à courant continu appelés à fonctionner également en génératrices de freinage. On sait que dans certaines applications, et notamment dans la traction, l'on utilise des moteurs à courant continu auxquels on demande non seulement d'assurer i 'entrainement de la charge, mais encore de freiner son mouvement en renvoyant dans toute la mesure du possible l'énergie ainsi absorbée sur la ligne d'alimentation (freinage par récupération). On connaît déjà des systèmes de commande de tels moteurs, qui comprennent un dispositif hacheur de courant propre à permettre de régler à volonté l'énergie électrique fournie au moteur considéré. Lors du freinage ce dispositif est retiré du circuit qui relie le moteur à la ligne de fanon que l'énergie de récupération puisse etre directement- envoyée à celle-ci, une diode étant toutefois insérée sur le trajet du courant pour éviter toute inversion intempestive de son sens de circulation. D'autre part le dispositif ricit est alors branché dans un circuit dérivé qui court-circuite le moteur de façon périodique de manière à créer à chaque interruption une pointe de tension permettant le passage du courant de récupération indépendamment de la force électromotrice que peut comporter ce moteur fonctionnant en génératrice. Ces systèmes connus fonctionnent de façon satisfaisante, mais ils sont relativement compliqués et exigent un grand nombre de contacts interrupteurs, ainsi qu' une diode en supplément de la diode de décharge habituellement associée-au moteur. L'invention vise à éviter ces inconvénients et à permettre de réaliser un système simplifié susceptible d'assurer les memes ré sultans Conformément à l'invention le dispositif hacheur est directement interposé entre un premier pôle de l'induit et un premier conducteur de ligne, il est prévu des moyens pour relier le second pôle de l'induit soit au deuxième conducteur de ligne pour la marche normale, soit au premier pour le freinage avec court-circuit intermittent, et la diode de décharge est branchée entre le premier pôle de l'induit et le second conducteur de ligne > tandis que d'autres moyens permettent d'inverser la polarité de l'induit lors du freinage. Les moyens propres à relier le second pôle de l'induit au second conducteur de lignesont avantageusement constitués par un contact interruptetir convenablement commandé, tandis que ceux qui relient ce second pôle au premier conducteur de ligne pendant le freinage sont réalisés soit également par un contact intermittent, soit par une diode convenablement orientée pour ne pas laisser passer le courant de marche normale, mais pour permettre au contraire le passage du courant de freinage. Dans le cas usuel d'un moteur à excitation série, l'enroulement inducteur est interposé entre le second pôle de l'induit et les moyens qui relient ce second pôle au second conducteur de ligne, une source d'excitation séparée étant prévue pour alimenter ledit enroulement pendant le freinage. On peut alors avoir avantage à in sérer une résistance-stabilisatrice entre le second pôle de l'in duit et la source d'excitation séparée, les moyens de liaison de ce second pôle avec le premier conducteur de ligne étant branchés de manière telle que- cette résistance se trouve incorporée à la fois au circuit d'excitation et à celui de court-circuit de l'induit et de freinage par récupération. Dans le cas où l'on utilise une source d'excitation séparée 1 inversion de polarité de l'induit peut être réalisée en inver sant cette source elle-même. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 est un schéma montrant un système connu de commande de moteur à courant continu par dispositif hacheur avec freinage en recupération. Fig. 2 est un schéma d'une forme d'exécution de l'inven tion. Fig. 3 à 5 sont des schémas partiels indiquant- des va riantes. Dans le schéma connu de fig. 1 la référence 1 désigne la ligne aérienne ou le rail conducteur dVune voie électrifiée, tandis que 2 correspond aux rails åe roulement qui assurent le retour du cou étant. On supposera que comme à lTordinaire la ligne ou rail 1 cor respond au pôle positif et la voie 2 au pôle négatif. L'installa tion portée par le véhicule comprend un frotteur 3 (trolley, sabot, etc...) relié à une bobine ou inductance 4 de laquelle part un con ducteur ae ligne 5. Ce dernier aboutit à une diode anti-retour 6 orientée en sens inverse du passage du courant de l vers 2, cette diode étant shuntée par un premier contact interrupteur 7.La diode 6 est reliée par un conducteur 8 à un dispositif hacheur de courant 9-de type connu, susceptible dletre réglé à la volonté du conducteur ou automatiquement, le cas échéant. Le conducteur 10 qui sort du dispositif 9 aboutit à un second contact interrupteur 11, lequel est relié à ltentrée de l'enroulement inducteur série 12 du moteur. De là le courant traverse normalement l'induit 13 de celui-ci et revient par un second conducteur de ligne 14 à la masse constituée par la voie 2. On peut supposer que la référence 15 désigne soit les roues du véhicule, soit un système frotteur propre à relier électriquement ces roues au châssis en évitant le passage du courant par les paliers. Comme à llordinaire I'ensemble 12-13 du moteur est shunté par une diode de décharge 16. Entre les conducteurs 5 et 14 est branché un condensateur 17 qui constitue avec l'inductance 4 un filtre propre à amortir les brusques variations de tension susceptibles dtapparaitre entre eux, notamment par suite du fonctionnement du dispositif 9. En marche normale les contacts 7 et 11 sont fermés, de sorte que le dispositif 9 permet de fournir- au moteur 12-13 une quantité d'énergie variable, réglable à volonté. Il est en outre possible de prévoir un dispositif 18 que des conducteurs 19 et 20 relient aux bornes de l'enroulement 12 pour régler l t effet de celui-ci par dérivation sur des résistances ou au contraire par injection d'un courant supplémentaire en vue de renforcer le champ inducteur. Pour permettre le freinage par récupération, le moteur 12-13 fonctionnant alors en génératrice, on a prévu en premier lieu la diode 6 sus-décrite, qui ne joue aucun rôle en fonctionnement normal, en second lieu un contact interrupteur 21 branché entre lten- trée de l'enroulement 12 (conducteur 19) et un conducteur 22 aboutissant au conducteur 8 sus-décrit, et en troisième lieu un autre contact interrupteur 23 relié d'une part à la sortie 10 du dispos-itif hacheur 9 par un conducteur 24, d t autre part au conducteur de retour ik par un autre conducteur 25. Les deux contacts 16 et 21 sont ouverts en marche normale et ntinterviennent donc pas plus que la -diode 6. Pour réaliser le freinage par recupération, on ouvre 7 et 11, tandis luron ferme~21 et 23. Par 18 on pré-excite 1 t enroulement in inducteur 12 de manière à amorcer le moteur en génératrice série et à lui fixer sa polarité. Quand le dispositif 9 est fermé, la génératrice 12-13 ainsi constituée débite en court-circuit avec une intensité qui augmente rapidement, la diode 6 empchant le court circuit d'intéresser les conducteurs de ligne 5 et 14. Avant que L'intensité n'atteigne une valeur excessive, 9 s'ouvre. Du fait de cette brusque coupure, il apparaît une surtension qui traverse la diode 6 (puisque 7 est maintenant ouvert) pour fournir du courant de récupération à la ligne 1.On règle le freinage par 9. A la limite, si la vitesse est telle que la force électro-motrice de la génératrice 12-13 soit supérieure à celle de la ligne, le réglage peut s'effectuer par 18 qui shunte alors l'enroulement inducteur 12. Bien entendu dans la pratique les détails du schéma de fig. 1 peuvent varier. On peut notamment inverser les éléments, c'est-àdire échanger la ligne positive 1 et la ligne négative constituée par la voie 2, à condition de modifier en conséquence les polarités des constituants. La position respective de 12 et 13 peut être renversée. Mais de quelque manière qu'on le réalise, ce schéma connu exige quatre contacts interrupteurs 7, 11, 21, 23 et une diode supplémentaire 6 en plus de celle 16 associée au moteur. Suivant l'invention (fig. 2) le dispositif hacheur 9 est disposé entre l'induit 13 du moteur et l'un des conducteurs de ligne, savoir le conducteur 14 dans l'exemple représenté, tandis que le contact interrupteur de court-circuit 23 et-les conducteurs 24, 25 qui lui sont associés sont branchés en dérivation sur l'ensemble de cet induit et de ce dispositif. La diode 6 est supprimée avec le contact interrupteur qui lui était associé en fig. 1. Le contact 21 est également supprimé, tandis que le contact 11 relie directement l'entrée du moteur 12-13 au conducteur de ligne 5. La diode de décharge 16 est conservée, mais elle est branchée sur l'ensemble du moteur et du contact 11.Quant au dispositif 18, s'il renferme toujours des moyens qu'on a schématisés en 26 pour shunter l'enrou- lement 12 par des résistances, la source d'excitation 27 qu'il comporte est prévue réversible et assez puissante pour assurer à elle seule l'alimentation de l'enroulement 12. En marche normale il est fermé et 23 est ouvert. Le moteur fonctionne à la façon classique, comme en fig. 1. Lors du freinage en récupération on ouvre il et l'on ferme 23. Par 27 on excite len- roulement 12, mais en sens inverse de celui de la marche normale. Dans ces conditions la polarité de l'induit 13 s'inverse, son pôle positif qui était en haut en 28 sur le dessin apparaissant alors en bas en 29. Quand le dispositif hacheur 9 se ferme la génératrice que le moteur constitue maintenant est en court-circuit à travers 23, mais ce court-circuit n'intéresse que l'induit 13 et non pas l'enroulement inducteur 12. Par ailleurs l'ouverture de Il isole la partie court-circuitée du conducteur de ligne 5. Lorsque 9 s'ouvre, la surtension positive qui apparaît sur la borne inférieure 29 de l'induit 13 traverse la-diode 16 et est transmise à la ligne 1 sous forme d'énergie récupérée. Là encore à la limite 9 peut rester ouvert, le réglage du freinage steffectuant par 27. On peut considérer, si l'on veut, que lors du freinage le moteur fonctionne en génératrice à excitation séparée. -De toute manière le schéma-de fig. 2 ne comporte plus que deux contacts interrupteurs et aucune diode supplémentaire en sus de la diode de décharge classique 16. Il se trouve donc considérablement simplifié par rapport au schéma connu de fig. 1 et le prix de revient de l'installation correspondante est notablement réduit. Dans la variante de fig. 3 on a inséré une résistance 30 sur le conducteur 20 entre la source 27 et les moyens de shunt 26, le conducteur 24 partant de la jonction de cette résistance et de la source. La présence de cette résistance est intéressante quand la source 27 comporte un temps de réponse relativement long ;- il est en effet facile de vérifier qu'elle intervient pour réduire le courant d'excitation quand celui du court-circuit augmente et inversement, en stabilisant ainsi le fonctionnement. La variante de fig. 4 se distingue de celle de fig. 3 en ce que le contact inférieur 23 a- été remplacé par une diode 31. Il est facile de voir qu'en marche normale cette diode -bloque le passage du courant qui tendrait à circuler entre la sortie de 1 'enroulement 12 et le conducteur de retour 14. Au contraire lors du freinage en raison de l'inversion de la polarité de l'induit 13, la diode 31 permet le libre passage du courant de court-circuit. Bien entendu le remplacement du contact 23 par la diode 31 est indépendant de la présence ou de I absence de la résistance 30. On a remarqué plus haut que pendant le freinage la source 27 joue le rôle de génératrice d'excitation séparée. On peut évidemment songer à utiliser cette source pour assurer ltexcitation du moteur pendant la marche normale. Fig. 5 montre une forme d'exécution dl une telle disposition. Le moteur comporte un enroulement inducteur 32 entièrement indépendant du circuit de son induit 13 > cet enroulement étant alimenté par une source particulière 33. Le schéma reste autrement semblable à celui de fig. 2. Pendant la marche normale, il est fermé et 23 est ouvert , la marche du moteur est réglée soit par le dispositif hacheur- 9, soit par la source d'exci tation 33 convenablement polarisée, soit par les deux. Lors du freinage on ouvre 11, on ferme 23 et l'on inverse la source 33.On retrouve alors le meme fonctionnement qu'en fig. 2. On notera que le schéma de fig. 5 peut comporter la résistance stabilisatrice 30 de fig. 4 si l'on utilise le conducteur 24 pour relier l'un des poles de la source 33 à l'enroulement 32. Là encore le contact 23 peut ëtre remplacé par une diode. Bien entendu les sources 27 et 33 peuvent etre réalisées de toute manière appropriée, par exemple par des génératrices proprement dites ou par des circuits dérivant leur énergie du conducteur de ligne 5. Il doit d'ailleurs etre entendu que la description qui précède n'a été donnee qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les details d'exécution décrits par tous autres équivalents. Tout d'abord comme dans le cas du schéma classique de fig. 1, il est possible d'échanger la ligne 1 et la voie 2, ceest-à-dire les polarités d'alimentation en inversant celles des constituants.On notera d'autre part que lors du freinage, au lieu d'inverser la source 27 ou 33, on pourrait inverser soit l'enroulement excitateur 12 ou 32, soit l'induit 13,ce qui bien souvent ne compliquerait pas lsinstal- lation étant donné qu'unie telle inversion doit effitre prévue pour permettre la marche en arrière du véhicule ou autre. Le contact d'alimentation 11 pourrait etre disposé entre lsenroulement 12 et l'induit 13, mais en ayant alors soin de relier le conducteur de court-circuit 24 à la borne 28 de induit (ce qui éliminerait évidemment la possibilité d'insertion d'une résistance- stabilisante unique telle que 30) Au lieu de contacts mécaniques on pourrait utiliser des composants interrupteurs statiques du genre thyristor ou autre. R E V E N D I C A T I O N S 1. Système de commande de moteurs électriques à courant continu appelés à fonctionner éventuellement en génératrices de freinage par récupération, du genre comportant un dispositif hacheur propre à -couper de façon intermittente le circuit du moteur et une diode de décharge permettant le passage de lextra-courant de rupture de celui-ci, caractérisé en ce que le dispositif hacheur (9) est directement interposé entre un premier pole (29) de induit (13) et un premier conducteur de ligne (14), en ce qu'il est prévu des moyens (fls 23, 31) pour relier le second pâle (28) de induit soit au deuxième conducteur de ligne (5) pour la marche normale, soit au premier (14) pour le freinage avec court-circuit intermittent, et en ce que la diode de décharge -(16) est branchée entre le premier pôle de l'induit et le deuxième conducteur de ligne, tandis que d'autres moyens (18) permettent d'inverser la polarité de l'induit lors du freinage. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens propres à relier le second pôle (28) de l'induit (13) au deuxième conducteur de ligne (5) sont constitués par un contact interrupteur (11) convenablement commandé. 3. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens propres à relier le second pôle (28) de l'induit (-13) au premier conducteur de ligne (14) sont constitués par un contact interrupteur (23) convenablement commandé. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens propres à relier le second pôle (28) de l'induit (13) au premier conducteur de ligne (14) sont constitués par une diode (31) convenablement orientée pour ne pas laisser passer le courant de marche normale, mais pour permettre au contraire le passage du courant de freinage. 5. Système suivant 1' une quelconque des revendications qui précèdent, du genre dans lequel le moteur est à excitation série, caractérisé en ce que l7enroulement inducteur (12) est interposé entre le second pôle (28) de l'induit (13) et les moyens (11) qui relient ce second pôle au second conducteur de ligne (5), une source d'excitation séparée (27) étant prévue pour alimenter cet enroulement pendant le freinage. 6. Sys-tème suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu' il est prévu une résistance stabilisatrice (30) entre le second pôle (28) de l'induit (13) et la source d'excitation séparée C27), les moyens (23, 31) de liaison de ce second pôle avec le premier conducteur de ligne (14) étant branchés de manière telle que cette résistance se trouve incorporée à la fois au circuit d'excitation et à celui de court-circuit de l'induit et de freinage en récupération. 7. Système suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que les moyens propres à inverser la polarité de l'induit (13) sont constitués par la source d'excitation séparée (27) qui alimente l'enroulement inducteur série (12) du moteur pendant le freinage. 8. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moteur est du type connu en soi connu à excitation séparée, l'inversion de la polarité de l'induit (13) étant obtenue par inversion de la source (33) qui alimente son enroulement inducteur