Brevet FR2266976A1 — publié le 19751031

La présente invention se rapporte à une installation de commande utilisant un modulateur de puissance pour fournir une puissance alternative réglable à un moteur a induction polyphasé, et qui peut comprendre un agencement de freinage dynamique. On règle la vitesse d'un moteur à induction en faisant varier la tension appliquée à l'enroulement de stator (primaire). Une technique d'application d'une tension polyphasée ajustable utilise un modulateur de puissance à thyristors comprenant des thyristors montés en parallèle inverse dans chaque phase de l'alimentation alternative. Un thyristor a la possibilité de bloquer à la fois les tensions directe et inverse et, lorsqu'il est polarisé dans le sens direct (anode positive par rapport à la cathode), il passe à l'état conducteur si sa gâchette reçoit un signal positif. Une fois qu'il est passé à l'état conducteur, le thyristor continue à conduire, jusqu'à ce quelatension qui lui est appliquée inverse ou que le coursant qui le parcourt tombe audessous d'une valeur minimale, appelée courant de maintien. Les commandes de mouvement à inversion de sens de marche du type à thyristors de l'art antérieur nécessitent 10 thyristors. Le réglage de phase des impulsions de déclenchement détermine 11 ordre d'amorgage desthyristors, six thyristors seu lement recevant des impulsions de déclenchement à un instant quelconque. Quatre thyristors ne servent qu'à la rotation en sens direct, quatre thyristors ne servent qu'à la rotation en sens inverse, tandis que deux thyristors servent pour les deux sens, ctest-à-dire pour la rotation dans le sens direct et dans le sens inverse. Dans les agencements antérieurs, on ajoute un convertisseur à courant continu au modulateur à dix thyristors, et on le branche pour produire un courant de freinage continu. La présente invention elimine la nécessité de ce convertisseur à courant continu séparé en fournissant une installation de commande qui coopère avec quatre thyristors présélectionnés pour envoyer un courant unidirectionnel dansl'enroulement de stator, pour effectuer le freinage-dynamique. L'élimination du convertisseur à courant continu séparé procure une réduction évidente du prix de revient, accompagnée d'une augmentation de fiabilité. La présente invention se rapporte à une installation de commande destinée à être utilisée avec un modulateur de puissance pour appliquer une puissance alternative réglable à un enroulement de stator d'un moteur à induction polyphasé, ce modulateur de puissance comportant des thyristors montés en parallèle inverse dans chaque phase. On prévoit des moyens pour engendrer des impulsions de déclenchement devant être appliquées à quatre thyristors prédéterminés. Des moyens logiques de mode de commutation détectent le moment où la vitesse prescrite du moteur nt est inférieur à n, vitesse de rotation instantanée du moteur à induction, et lorsque cela se produit, ils envoient un signal d'autorisation aux moyens de génération des impulsions de déclenchement.L'intensité du courant de freinage continu instantané io circulant dans une phase dudit enroulement de stator est détectée. Des moyens sont agencés pour recevoir et comparer le courant de freinage instantané io à un courant de référence iM prédéterminé, et pour envoyer un signal de commande continu aux moyens de génération des impulsions de déclenchement. Un signal de tension de synchronisation en phase avec la tension de phase aux bornes des autres thyristors prédéterminés est également appliqué aux moyens générateurs d'impulsions de déclenchement. Lorsque les moyens de génération des impulsions de déclenchement reçoivent ledit signal d'autorisation, des impulsions de déclenchement, fonction de la tension de commande continue et de la tension de synchronisation, sont appliquées aux thyristors prédéterminés pour envoyer un courant unidirectionnel dans ledit enroulement de stator, de façon à effectuer un freinage dynami que. La figure 1 représente schématiquement un mode d'exécution d'une installation de commande reliée à un modulateur de puissance pour envoyer un courant de freinage dynamique continu à l'enroulement de stator d'un moteur à induction polyphasé La figure 2 est un graphique représentant une impulsion de déclenchement typique provenant d'un générateur d'impulsions de déclenchement, déphasée par rapport à la tension de secteur aux bornes d'un thyristor (redresseur au silicium commandé ou SCR) la figure 3 est un schéma montrant les thyristors présélectionnés du modulateur de puissance, montés en pont redresseur; la figure 4 représente une série de formes d'onde utilisées pour expliquer le fonctionnement de 1'invention. En se référant à présent à la figure i, un moteur induction triphasé à cage d'écureuil désigné oar la référence générale 10 comporte des bobinages inducteurs de stator désignés par les références 12, 14 et 16. Une source d'alimentation triphasée envoie trois tensions sinusoIdales aux bobinages 12, 14 et 16 par l'intermédiaire d'un modulateur de puissance à thyristors désigné par la référence générale 18. Le modulateur à thyristors 18 comprend dix thyristors (redresseurs au silicium commandés) montés en parallèle inverse dans chaque phase, l'ordre d T amorgage des thyristors étant commandé par des impulsions à phases réglées appliquées au gâchettes respectives. Dans l'exemple d'exécution représenté à la figure 1, les six thyristors suivants coopèrent pour produire la rotation dans le sens direct : 1F, 4F, 2F, SF, 3FR, 6FR. En ce qui concerne la rotation dans le sens inverse, ce sont les six thyristors suivants qui coopèrent : 1R, 4R, 2R, 5R, 3FR, 6FR. Il y a lieu de noter que le symbole F désigne le sens direct (initiale du mot anglais forward), le symbole R le sens inverse (initiale du mot anglais reverse), tandis que FR indique que le thyristor est utilisé à la fois pour la rotation dans le sens direct et la rotation dans le sens inverse. Sur le dessin, la référence G désigne la g chette d'un thyristor (SCR), tandis que la lettre K désigne la cathode. Dans la mise en oeuvre pratique de l'invention, pendant le freinage dynamique, les thyristors suivants sont amorcés 1F, 2F, 4R, 5R. En outre, pour faciliter la compréhension de ltinven- tion, les gâchettes et cathodes des thyristors de freinage sont désignées par les'références numériques 3 à 10, comme ltindique la figure 1 (ainsi que la figure 3). Les commandes statiques de mouvement.à inversion de marche du type représenté à la figure I utilisent normalement une boucle de régulation de vitesse qui commande le déphasage Ck du signal de déclenchement pour produire les tensions de stator nécessaires pour maintenir la vitesse lorsque les conditions'de charge varient. Un générateur tachymétrique 20 est relié au rotor du moteur à induction 10 pour engendrer un signal n qui est fonction de la vitesse instantanée du moteur 10. Le signal n est appliqué à un régulateur de vitesse 22 et à un sélecteur logique * de mode de commutation 24. Un signal de référence n qui est la tension analogique correspondant à la vitesse désirée est appliqué au régulateur de vitesse 22, et au sélecteur logique de mode de commutation 24.Dans le régulateur de vitesse 22, une compa * + raison a lieu entre n et n et un signal de commande - Vc est délivré, ce signal étant fonction de la différence des amplitudes respectives d'entrée. Le signal de commande * Vc est appliqué au générateur d'impulsions de sens direct 26, au générateur dtimpulsionssde sens inverse 28 et au sélecteur logique de mode de commutation 24. Un régulateur d'intensité (amplificateur opérationnel) 30 détecte l'intensité de courant continu io dans le bobinage de stator du moteur à induction 10 au moyen d'un transducteur 32 et ce courant détecté io est comparé à un courant de référence i obtenu à partir du sélecteur logique de mode de commutation 24. La différence en i* et i est appliquée à un générateur d'impulsions de déclenchement de freinage 34. Les générateurs d'impulsions de déclenchement 26, 28 et 34 sont câblés de façon à délivrer sélectivement des impulsions aux thyristors correspondant au sens de rotation direct, au sens de rotation inverse et au freinage, representés à la figure 1. Brièvement, dans un moteur à induction, une tension alternative monophasée ou triphasée appliquée aux bobinages de stator produit un champ magnétique primaire. L'augmentation et la diminution périodique de ce-champ magnétique induit des courants alternatifs dans les bobinages de rotor par effet de transformateur. Les courants de rotor induits engendrent un champ magnétique secondaire et l'interaction entre les champs magnétiques engendre le couple moteur. On peut régler la vitesse des moteurs à induction en faisant varier la tension appliquée aux bobinages de stator. .a tension variable appliquée aux bobinages de stator est obtenue au moyen d'impulsions de déclenchement à phases réglées appliquées de façon discrète aux thyristors. Un signal de référence de vltes- * se n indiquant la vitesse désirée est envoyé au régulateur -o vi- tesse 22. La vitesse instantanée n obtenue à partir du générateur tachymétrique 20 est également envoyée au régulateur d vitesse * + 22. La différence entre n et n produit le signal. Vc. La pola- rité de la sortie Vc du régulateur de vitesse détermine si ce sont les thyristors correspondant au sens direct ou au sens inverse qui recevront les impulsions de déclenchement.Lorsque Vc est positive, la logique de commutation 24 envoie un signal d'autorisation au générateur d'impulsions de déclenchement correspondant au sens direct 26-et un signal d'inhibition au générateur d'impulsipns de déclenchement correspondant au sens inverse 28. Lorsque Vc est négative, les signaux d'inhibition et d'autorisation sont inversés (un signal d'inhibition empêche la génération d'impulsions de déclenchement, indépendamment de l t état des signaux de réaction). Chaque fois que la sortie du régulateur de vitesse 22 change de polarité, on obtient un retard fixe de 20 millisecondes pendant lequel les deux générateurs d'impulsions de déclenchement 26, 28 reçoivent des signaux d'inhibition. Ce retard permet aux thyristors qui conduisent de commuter et de reprendre leur état de blocage de tension. La boucle de régulation de vitesse agit en annulant terreur de vitesse. Si l'on suppose que n est supérieur à la réaction du tachymètre n, les impulsions de déclenchement sont avancées et une tension plus élevée est appliquée au stator. * Lorsque n est inférieure à n, les impulsions de déclenchement sont décalées vers la coupure. On effectue l'inversion des marche en supprimant le courant dans les thyristors qui conduisent, puis en faisant conduire le groupe de thyristors opposé (correspondant à l'inversion), ce qui inverse les tensions de secteur sur deux bornes du moteur. Il y a deux procédés pour-freiner des-moteurs à induction : a) l'inversion et b) le freinage dynamique. Dans le cas de l'inversion, deux connexions de stator sont inversées, pendant que le moteur tourne. A cause des pertes de puissance motrice élevees dans un moteur à cage d'écureuil provenant d'une inver sion de ce type, l'application en est limitée et, si le rotor est de type bobiné, la chaleur dégagée peut se dissiper dans des résistances montées à l'extérieur du rotor. Le freinage dynamique entraîne des pertes moindres et c'est par suite une technique plus répandue. On effectue le freinage dynamique en supprimant l'excitation du stator (primaire) et en la remplaçant par un courant continu. Le courant unidirectionnel constant produit des poles électromagnétiques fixes sur le stator.Les conducteurs du rotor à cage d'écureuil sont le siège d'une force électromotrice induite alternative, lorsqu'ils franchissent les pôles nord et sud fixes du stator. La force électromotrice alternative du rotor est court-circuitée, produisant des courants intenses dans le rotor et des champs qui réagissent (selon la loi de Lenz) contre le champ de stator continu intense en arrêtant rapidement le rotor. Des pertes par effet Joule elevées se produisant à l'intérieur du rotor, dissipent l'énergie de rotation sous forme de chaleur. Dans le mode d'exécution décrit, lorsqu'il s'agit d'un freinage dynamique, les signaux d'autorisation de déclenchement sont supprimés à la fois du générateur d'impulsions de déclenchement de sens direct 26 et du générateur d'impulsions de déclenchement de sens inverse 28, et après un retard de 20 ms, un signal d'autorisation est envoyé au générateur d'impulsions de déclenchement de freinage 34. Le régulateur de courant 30 reçoit un signal de référence de courant i du sélecteur logique de mode de commutation 24. L'amplitude de i est déterminée à la conception, la machine freinant d'autant plus vite que le courant i est plus intense. La différence entre i et io transmet un signal central continu au générateur d'impulsions de déclenchement de freinage 34. Le régulateur de courant continue à délivrer une sortie continue,jusqu'à ce que i =io. Le sélecteur de mode de commutation 24 détecte le moment où io s'interrompt, et inhibe alors le générateur d'impulsions de déclenchement de freinage 34. Le système est alors libre de revenir au mode de marche directe ou inverse. On peut utiliser l'installation de commande po effectuer un freinage de la pleine vitesse à zéro, ou à n'importe quelle valeur intermédiaire comprise entre ces valeurs extrêmes. Le rôle des générateurs d'impulsions de déclenchement 26, 28, 34 est de délivrer des impulsions de déclenchement d'anplitude et de largeur suffisantes et de déphasage correct pour amorcer les thyristors du modulateur de puissance à thyristors 18. La figure 2 représente une impulsion de déclenener.ent typique provenant d'un générateur d'impulsions de déclenchement déphasé par rapport à la tension de secteur à travers le thyristor qu'elle amorce. L'angle d'amorçage s est mesuré entre l'instant où le thyristor est d'abord polarisé dans le sens direct et l'ins- tant du flanc d'attaque de ltimpulsion de déclenchement. Cet angle peut être modifié par rapport à la tension aux bornes du thyristor entre100 et cA ii 1600, par un signal de commande appliqué au modulateur. La limite de retard d'impulsion de 1600 garantit que le thyristor reçoit une impulsion de déclenchement à chaque cycle. I1 faut observer une polarité correcte de la tension de synchronisation appliquée aux générateurs d'impulsions de déclenchement (indiquée par U1Vl sur le générateur d'lmpulsions de déclenchement de freinage 34), sinon le thyristor recevrait des impulsions de aéclenchement alors qu'il est polarisé dans le sens inverse et il ne conduirait pas. Le. modulateur de puissance à thyristors 18 est fondamentalement un montage redresseur en pont de thyristors La figure 3 est une représentation schématique simplifiée des quatre thyristors présélectionnés du modulateur 18, utilisés pour en voyer un courant unidirectionnel à travers l'enroulement de stator. La figure 4 représente les formes dtonde décalées dans le temps pour un angle d'amorçage supposé ( cX ie 1600) Lorsque la tension de secteur CVu v) est positive, les thyristors 1F et 2F sont polarisés dans le sens direct et, en recevant des impulsions de déclenchement en &alpha; 1, ils deviennent conducteurs en complétant un trajet électrique aboutissant au moteur 10.Du fait que le moteur est une charge fortement inductive, ils continuent à conduire sur-180 , même si la tension de secteur s'inverse (la polarisation directe étant maintenue par la charge du générateur)* Au moment de l'inversion de la tension de secteur, les thyristors 4R et 5R se trouvent polarisés dans le sens direct, mais restent dans l'état de blocage du sens direct, jusqu a ce qu'ils recoivent des impulsions de déclenchement en &alpha; 2. Une fois qu'ils conduisent, le courant passe de 4R à 5R et une tension inverse est appliquée aux dispositifs qui conduisaient auparavant, ce qui les fait cesser de conduire. Les thyristors 4R et 5R conduisent sur 1800, ou jusqu'à ce que des impulsions de déclenchement soient de nouveau appliquées à 1F et 2F, et le cycle recommence. I1 ressort de la forme d'onde de la figure 4 que la valeur moyenne de la tension de sortie Vo est fonction de l'angle d'amorçage c &alpha; compris entre 0 et 900. REYENDICATIO > IS 1. Installation de commande destinée à être utilise avec un modulateur de puissance à thyristors pour appliquer une puissance alternative ajustable à l'enroulement de stator dtun moteur à induction polyphasé et en provoquer sélectivement le freinage dynamique, le modulateur de puissance comportant plusieurs thyristors montés en parallèle inverse dans. chaque phase, ladite Installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour engendrer des impulsions de déclenchement devant être appliquées à quatre thyristors prédéterminés, des moyens logiques de mode de commutation pour détecter le moment où une vitesse de moteur commandée n* est inférieure à la vitesse de rotation instantanée n dudit moteur à induction, et pour transmettre, dans ce cas, un signal d'autorisation auxdits moyens générateurs d'impulsions de déclenchement, des moyens pour détecter l'intensité du courant instantané io dans une phase de l'enroulement de stator, des moyens pour recevoir et comparer l'intensité du courant instantané io à celle dtun courant de référence 1* prédéterminé, et pour envoyer un signal de commande différentiel résultant aux moyens de génération d'impulsions de déclenchement, ainsi que des moyens pour envoyer une tension de synchronisation en phase avec la tension de phase aux bornes des quatre thyristors prédéterminés aux moyens générateurs d'impulsions de déclenchement, de façon que, lorsque lesdits moyens générateurs d'impulsions de déclenchement reçoivent le signal d'autorisation, des impulsions de déclenchement qui sont fonction de la tension de commande différentielle et de synchronisation soient appliqués aux thyristors prédéterminés pour envoyer un courant unidirectionnel à travers le bobinage de stator, de façon à effectuer un freinage dynamique 2. Installation de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commutation logiques sont couplés aux moyens de détection pour déterminer le moment où le courant instantané io s 'interrompt, de façon à envoyer alors un signal dtinhibition aux moyens générateurs d'impulsions de déclenchement. 3. Installation de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que la vitesse désirée n peut être nulle. 4. Installation de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de détection du courant instantané io consistent en un transducteur. 5. Installation de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de réception et de comparaison consistent en un amplificateur opérationnel.