Brevet FR2223891A1 — publié le 19741025

On sait que si le moteur asynchrone d'induction à cage d'écu- reuil constitue une machine idéale par sa simplicité et sa sûreté de fonctionnement pour entrainer une charge de nature quelconque à une vitesse sensiblement constante, par contre il convient mal dans les applications exigeant des régimes variables avec des cycles de démarrage et de freinage, et dans lesquelles les accélérations et les décélérations doivent être contrôlées pour éviter des phénomènes d'oscillation et autres. Diverses solutions ont été proposées pour améliorer la souplesse d'application du moteur asynchrone. C'est ainsi qu on peut régler la tension sur l'une des phases d'un moteur polyphasé en vue de faire varier la caractéristique de couple en fonction de la vitesse et par conséquent l'accélération lors du démarrage. On a également proposé d'injecter du courant continu dans l'une des phases pour obtenir un couple de freinage par création de courants induits dans le rotor. A l'heure actuelle ces deux procédés sont utilisés successivement dans certaines installations de moteurs asynchrones destinés à des services intermittents et/ou spéciaux nécessitant des accélérations et des décélérations réglables. Le passage entre les deux modes de fonctionnement est alors commandé par un contacteur, mais cela exige un appareillage complexe, encombrant et coûteux. L'invention vise à permettre d'établir un système de commande de démarrage et de freinage pour moteur asynchrone, et notamment pour moteur à cage d'écureuil, qui ne comporte pas les inconvénients ci-dessus. Le système suivant l'invention est notamment remarquable en ce qu'il comprend en combinaison - deux thyristors régulateurs de tension branchés en parallèle entre une phase de réseau et le moteur, mais en sens inverse l'un de l'autre, de manière à permettre d'amener au moteur sur cette phase une fraction réglable de la tension du réseau lors du démarrage - des moyens pour isoler l'une des phases du moteur de la phase correspondante du réseau lors du freinage - des moyens redresseurs aptes, lors du freinage, à relier la phase du moteur isolée du réseau a l'une des phases de ce dernier, de façon à faire circuler dans le moteur une composante de courant unidirectionnel propre à assurer le freinage électrique - et des moyens pour assurer le réglage de la composante continue de freinage. Les moyens redresseurs peuvent-être constitués par une diode ou par un thyristor auxiliaire qui peut alors assurer lui-même le réglage de la composante continue. On peut prévoir d'isoler les thyristors du moteur lors du freinage. Les commutations nécessaires peuvent être effectuées par un contacteur, mais il est également possible d'utiliser uniquement à cet effet des semi-conducteurs convenablement commandés. Le moteur commandé par le système comporte de préférence une cage à résistance ohmique suffisante pour que sa caractéristique couple-vitesse soit une courbe descendante entre la vitesse nulle et la vitesse synchrone. 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 diagramme montrant deux caractéristiques couple-vitesse susceptibles d'être obtenues au moyen du système suivant 1 'invention. Fig. 2 est un schéma général d'une première forme d'exécution de celle-ci. Fig. 3 indique une variante. Fig. 4 est un diagramme représentant quatre caractéristiques couple-vitesse en période de freinage du moteur. Fig. 5 indique une autre variante se rapprochant de celle de fig. 3. Fig. 6 montre le schéma d'une autre forme d'exécution du système suivant l'invention. Fig. 1 montre la caractéristique a couple-vitesse d'un moteur asynchrone à cage d'écureuil utilisé dans un système suivant la présente invention. La résistance ohmique de la cage de ce moteur est plus grande que dans les constructions normales, ceci étant obtenu par tous moyens appropriés (utilisation d'un métal à résistivité supérieure à celle du cuivre ou de l'aluminium, barreaux de la cage prévus de faible section, rotor à double cage, etc...). La courbe a est différente de la courbe caractéristique usuelle en ce sens que la vitesse varie notablement en fonction de la charge, le couple maximum étant reporté en A, à l'origine, alors que dans les moteurs classiques il est situé peu au-dessous de la vitesse synchrone B. Un tel moteur se prête particulièrement bien à des applications telles que la commande des organes de translation d'un pont ou d' une grue. Toutefois il présente l'inconvénient d'un trop fort couple de démarrage. Le système suivant l'invention vise à permettre d'obtenir toutes les caractéristiques désirables entre la courbe a et une courbe telle que b correspondant au maximum de réduction du couple. En d'autres termes le système permet de régler le couple de démarrage entre les valeurs A et C. En outre le système doit permettre d'assurer le freinage de la charge, par exemple pour ramener rapidement à l'arrêt un pont transbordeur ou la flèche d'une grue. Fig. 2 montre le schéma général dVune forme d'exécution de 1' invention. Dans cette figure on a représenté en I, II et III les bornes d'amenée des trois phases d'un réseau triphasé. De la borne I part un conducteur 1 qui aboutit directement à l'entrée d'un interrupteur inverseur 2 dè commande du moteur asynchrone à cage d'écureuil 3, lequel est du type sus-visé. La borne Il est reliée par un conducteur 4 à un contact c1 d'un premier jeu de contacts fixes cl-c2 qui coopèrent avec un contact mobile c3 travaillant à l'ouverture. Le contact c2 est relié par un conducteur 5 à une autre entrée de l'inverseur 2.Quant à la borne III, le conducteur 6 qui en part se divise pour aboutir à deux thyristors thi, th2 montés en parallèle en sens inverse et reliés par un conducteur 7 à la troisième entrée de l'inverseur 2. Le conducteur 7 est en outre relié à une diode redresseuse dl elle-même reliée d'autre part à un contact c4 d'un second jeu de contacts fixes c4-cS coopèrant avec un contact mobile c6 travaillant à la fermeture. Le contact c5 est relié au conducteur S par un conducteur 8. Les deux contacts mobiles c3 et c6 sont solidaires de l'armature 9-d'un contacteur commandé par une bobine 10. Les gâchettes des deux thyristors thl et th2 sont reliées par des conducteurs 11 et 12 à un circuit de contrôle 13 alimenté d'autre part à partir des phases I et II par des conducteurs 14 et 15. Le circuit 13 est du type bien connu qui permet de déclencher chacun des deux thyristors à un instant réglable de la demi-période du courant qui correspond au sens- de conduction du thyristor considéré, les déclenchements individuels de thl et de th2 étant toujours déphasés de 1800 pour éviter toute composante continue. Le réglage du circuit 13 (c'est-à-dire de l'angle de conduction des thyristors) est assuré par un dispositif de commande 16 de tout type approprié à l'installation intéressée et que pour simplifier les explications l'on peut supposer être actionné à la main par un opérateur.Le dispositif 16 est également relié à la bobine 10 par des conducteurs 17 et 18 de manière à assurer la commande de celle ci. Le fonctionnement est le suivant Lorsque le moteur doit fonctionner pour entraîner une charge, la bobine 10 est laissée sans courant de sorte que les contacts cl-c2 sont fermés par c3, tandis que les contacts c4-c5 sont ouverts. La diode dl n'intervient donc pas et le moteur 3 est alimenté en courant triphasé à pleine tension sur ses deux premières phases, tandis que la troisième reçoit une tension dont la valeur dépend du réglage du circuit 13 de commande des thyristors thl et th2. En manoeuvrant convenablement le dispositif de commande 16 l'opérateur peut donc contrôler comme il le désire l'accélération du moteur 3 jusqu'a obtenir la pleine vitesse de celui-ci. A ce moment les thyristors n'affaiblissent plus la valeur efficace de ils conduisent chacun sur la totalité de la demi-période. Lorsqu'il y a lieu de freiner le déplacement de la charge pour le ralentir, ou même pour parvenir à l'arrêt, l'opérateur actionne le dispositif 16 de manière à alimenter la bobine 10. La seconde phase est ainsi coupée entre ci et c2, tandis que la diode dl est branchée entre la sortie des thyristors thi, th2 et le conducteur 5. De ce fait le moteur reçoit sur sa deuxième phase un courant redressé dont l'intensité moyenne peut être réglée en agissant sur le thyristor th2. On obtient ainsi un couple de freinage réglable. Quant au thyristor thi, il n'intervient pas vis-à-vis du courant redressé puisqu'il est monté en sens inverse de la diode dl. Si l'intensité variable qu'il laisse passer vers le moteur constitue une gêne, on peut d'ailleurs prévoir le dispositif de commande 16 pour que pendant la phase de freinage la gâchette de ce thyristor ne reçoive aucun signal de déclenchement. Il est également possible, comme montré en fig. 3, de prévoir sur le conducteur 7 un troisième jeu de contacts fixes c7-c8, normalement fermés par un contact mobile c9 travaillant à l'ouverture. Lors de la phase de freinage le thyristor thl est ainsi "isolé" par rapport à l'inverseur 2 et ne peut intervenir. Le moteur 3 n'agit donc plus qu'en frein électrique parcouru par un courant unidirectionnel circulant entre les phases I et III du réseau (soit donc entre les phases I et II pour un observateur lié au moteur). On notera qutavec le schéma de la fig. 3, lors du freinage, le redressement du courant est assuré à la fois par la diode dl et par le thyristor th2. On peut donc-envisager de supprimer la diode dl en faisant jouer au thyristor le rôle de redresseur commandé par le circuit 16, tandis que thl est mis hors d'action soit par blocage à partir du circuit 16, soit à l'aide d'un dispositif de coupure prévu sur l'un des conducteurs aboutissant à ce thyristor. On a représenté à titre d'exemple en fig. 4 quatre caractéristiques c, d, e et f couple-vitesse susceptibles d'être réalisées pendant une phase de freinage du genre de celle décrite. Il est évident que la plus favorable est la courbe c. On peut l'obtenir en faisant varier la commande du thyristor th2 de manière à réduire le courant "continu" de freinage lorsque le couple tend à augmenter exagérément. On peut d'ailleurs prévoir à cet égard des dispositifs automatiques agissant en fonction de l'intensité du courant ou de manière simplement chronométrique. Fig. 5 représente une variante de la forme d'exécution de fig. 3. La différence d'avec cette figure réside dans le fait que l'en- semble de contacts c7-c8-c9 n'est plus inséré sur le conducteur 7, c'est-à-dire en aval de l'ensemble des deux thyristors thl-th2 par rapport au moteur sur la phase III, mais bien en amont du thyristor thi de manière à isoler celui-ci du réseau lorsque la bobine 10 du contacteur est excitée. On comprend que le fonctionnement reste le même que dans le cas de fig. 3, à cette seule différence que le thyristor thi, entièrement isolé, n'a pas à être commandé d'une façon quelconque par le circuit de contrôle.On notera en outre que la troisième phase du moteur reste reliée à la phase III du réseau à travers le transistor th2 et reçoit donc un certain courant unidirectionnel par l'intermédiaire de celui-ci agissant en redresseur commandé. Fig. 6 montre une forme d'exécution ne comportant plus de contacts mécaniques. Si l'on compare le schéma de cettefigure avec celui de fig. 2, on constate que l'ensemble des contacts c, c2, c3 est remplacé par deux thyristors th3, th4, montés en parallèle, mais en sens inverse l'un de l'autre entre les conducteurs 4 et 5, les gâchettes de ces thyristors étant commandées à travers des conducteurs 19, 20 à partir du circuit 13 convenablement prévu à cet effet. On conçoit que le dispositif de commande 16 puisse être agencé de manière que ces deux thyristors soient ou bien conducteurs en permanence à chaque demi-période, ou bien au contraire bloqués en permanence.La diode dl de la fig. 2. a d'autre part été remplacée par un thyristor th5 qu'on peut bloquer quand on le dé- sire, à partir du circuit 13 et du dispositif 16 par un conducteur 21, ce qui correspond à l'ouverture de l'ensemble c4, c5, c6 de fig. 2. On conçoit qu'il serait encore possible de monter sur le conducteur 7 un ensemble de deux thyristors semblables à ltensemble th3-th4 sus-décrit et destiné à réaliser l'équivalent de l'ensem- ble de contacts c7-c8-c9 du schéma de la fig. 3. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. Ainsi par exemple dans les puissances élevées, le moteur à rotor à cage peut être remplacé par un moteur à rotor bobiné aux bornes duquel on a relié des résistances de valeur convenable pour obtenir la caractéristique souhaitée. Ces résistances sont branchées directement aux bornes de l'enroulement sans passer par un jeu de bagues et de balais. Ce dernier dispositif permet une meilleure dissipation des pertes rotoriques. R E V E N D I C A T I O N S 1. Système de commande de démarrage et de freinage d'un moteur asynchrone d'induction et notamment d'un moteur à cage d'écureuil, caractérisé en ce qu il comprend en combinaison - deux thyristors régulateurs de tension branchés en parallèle entre une phase du réseau et le moteur, mais en sens inverse l'un de l'autre, de manière à permettre d'amener au moteur sur cette phase une fraction réglable de la tension du réseau lors du démarrage ; - des moyens pour isoler l'une des phases du moteur de la phase correspondante du réseau lors du freinage ;; - des moyens redresseurs aptes, lors du freinage, à relier la phase du moteur isolée du réseau à l'une des phases de ce dernier de façon à faire circuler dans le moteur une composante de courant unidirectionnel propre à assurer le freinage électrique - et des moyens pour assurer le réglage de cette composante de courant assurant le freinage. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens redresseurs sont constitués par un dispositif de diode interposé lors du freinage entre la phase du moteur isolée du réseau et le c8té des deux thyristors régulateurs de tension opposé à ce réseau, celui de ces thyristors qui est orienté dans le même sens que le dispositif de diode jouant le rôle des moyens régulateurs de la composante de courant unidirectionnel de freinage. 3. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens redresseurs sont constitués par un thyristor auxiliaire interposé entre la phase du moteur isolée du réseau et le côté des deux thyristors régulateurs de tension opposé à ce réseau. 4. Système suivant 11 une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour isoler les thyristors de la phase correspondante du moteur. 5. Système suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens redresseurs et les moyens régulateurs de la composante de courant unidirectionnel de réglage sont constitués par l'un des deux thyristors l'autre étant mis hors d'action. 6. Système suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qutil comprend un contacteur cpmmandant en sens inverse un premier jeu de contacts propres à constituer les moyens pour isoler du réseau l'une des phases du moteur et un second jeu de contacts propres à relier cette phase du moteur aux moyens redresseurs; 7. Système suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le contacteur comprend un troisième jeu de contacts propres à isoler le moteur des thyristors régulateurs de tension. 8. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens pour isoler l'une des phases du moteur de la phase correspondante du réseau sont constitués par deux thyristors montés en parallèle en sens inverse l'un de l'autre. 9. Système suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que le moteur comporte une cage à résistance ohmique suffisante pour que sa caractéristique couple-vitesse soit une courbe descendante entre la vitesse nulle et la vitesse synchrone.