Brevet FR2302614A1 — publié le 19760924

La présente invention concerne un dispositif de contrôle de l'alimentation électrique polyphasée d'un moteur électrique asynchrone polyphasé ; plus précisément, la présente invention concerne un dispositif permettant de détecter 'tout fonctionnement d'un moteur asynchrone polyphasé avec suppression d'au moins une phase électrique d'alimentation. L'invention se rapporte donc à la protection de moteurs asynchrones polyphasés contre toute marche avec une alimentation électrique monophasée. Dans toute la présente description, et dans les revendications annexées, par "moteur asynchrone polyphasé", on entend tout moteur électrique asynchrone, alimenté par un courant électrique alternatif, basse tension ou haute tension, comprenant au moins deux phases d'alimentation électrique ; un tel moteur asynchrone peut etre soit du type à bagues, soit du type a cage", soit encore du type 'tauto-démarrant" ; de manière préférentielle, et à titre d'exemple, les moteurs asynchrones concernés par la présente invention sont des moteurs asynchrones triphasés. La présente invention vise à résoudre le problème suivant, explicité ci-après par référence à un moteur asynchrone triphasé. Pour différentes raisons accidentelles ou fortuites, par exemple destruction d'un fusible correspondant à une phase d'alimentation électrique du moteur asynchrone, ou mauvais contact sur l'interrupteur général de l'alimentation électrique polyphasée du moteur asynchrone, ou encore mauvais contact sur les bernes d'alimentation électrique du moteur asynchrone, l'une des phases d'alimentation du moteur peut se trouver supprimée au cours de son fonctionnement. Malgré la coupure d'une phase d'alimentation, il est bien connu des électriciens qu'un moteur asynchrone ne s'arrête pas obligatoirement, mais au contraire peut continuer sa rotation, dans le même sens qu'avant cette coupure, avec toutefois un glissement accentué par rapport au champ magnétique tournant, et un couple maximum réduit. Cette marche avec un courant électrique monophasé d'alimentation peut conduire à une destruction lente du moteur asynchrone, et ceci sans que l'on puisse réellement contrôler de ma nière simple cette détérioration. En effet, trois causes viennent alors s'ajouter les unes aux autres, de manière convergente, pour endommager le moteur asynchrone a) son inducteur s'échauffe fortement sous I'effet de courants de Foucault, ces derniers devenant importants pour une marche en monophasé, b) les bobinages ou sections restant en circuit sont parcourus par une intensité électrique plus importante, ne dépassant pas nécessairement la valeur limite des protections de surin tensité (par exemple fusibles, ou relais thermiques), c) le glissement du.moteur s accentue notablement, d'où il ré sulte que le ou les ventilateurs calés sur son arbre provo quent une ventilation plus réduite. Il in est donc impératif de pouvoir détecter rapidement, et de maniere sûre, toute coupure de l'une des phases électriques d'alimentation d'un moteur asynchrone triphasé. A cet égard, il convient de noter que tout dispositif de protection d'un moteur asynchrone triphasé, basé soit sur la détection d'une surintensité dans l'alimentation électrique générale du moteur, soit sur la détection d'une baisse de tension de cette alimentation, est inefficace pour détecter une coupure de l'une des phases électriques d'alimentation. En effet, dans le premier cas, puisque le moteur asynchrone poursuit sa rotation, la coupure d'une phase d'alimentation ne se traduit pas par un courant d'alimentation plus important. Dans le second cas, toujours à cause de la poursuite de la rotation du moteur asynchrone, le potentiel initial (c'est-à-dire avant coupure) de l'extrémité du stator branchée à la phase coupée se trouve sensiblement rétabli. Afin de protéger tout moteur asynchrone triphasé contre une coupure de l'une des phases électriques d'alimentation, on a déjà proposé un dispositif basé sur la détection du déséquilibre existant dans un tel cas entre les différents courants d'alimentation du stator, correspondant chacun à une phase électrique d'alimentation.Tout dispositif de ce type présente les inconvénients suivants a) il exige la mise en oeuvre de trois transformateurs d'intensi té, b) en pratique, à cause du caractère alternatif du courant élec trique d1alimentation du moteur asynchrone, il s'avère impos sible d'obtenir un signal électrique de détection qui soit sûr, c'est-à-dire qui corresponde strictement au déséquilibre entre les différents courants d'alimentation, c) le fonctionnement de l'organe de comparaison des tensions al ternatives redressées, correspondant aux courants des trois phases d'alimentation respectivement, s'accomode assez mal des brusques variations du courant d'appel du moteur asyn chrone. Dans le même ordre d'idées, on a également proposé des systèmes électromécaniques de protection d'un moteur asynchrone. De tels systèmes comprennent un organe mécanique différentiel, actionné par tois lames conductrices, parcourues et chauffées par les courants électriques correspondant respectivement aux trois phases d'alimentation du moteur asysshrone. Ces sytèmes présentent un réglage et un entretien délicats. D'une manière générale, la présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des dispositifs et systèmes de protection examinés ci-dessus. L'invention a donc pour objet un dispositif de contrôle de l'alimentation électrique polyphasée d'un moteur asynchrone polyphasé, en vue de détecter tout fonctionnement de ce dernier avec suppression d'au moins une phase électrique d'alimentation, ce dispositif ayant en combinaison les qualités suivantes - il est entièrement statique, - il est simple, tant dans sa structure que dans son fonction nement, - il est sur et fiable, c'est-à-dire réagit uniquement à la coupure de l'une des phases d'alimentation électrique du mo teur asynchrone. La présente invention résulte' de la découverte suivante 1) si, en partant des trois bornes d'alimentation électrique d'un moteur asynchrone triphasé, on établit en dehors de ce dernier un neutre artificiel, encore appelé neutre de fonc tionnement, au moyen de trois impédances électriques équili brées (par exemple, avantageusement mais non exclusivement, des capacités), et si on mesure la différence de potentiel électrique existant entre ce neutre artificiel et le neutre du réseau d'alimentation électrique polyphasée du moteur asynchrone, encore appelé neutre d'alimentation, on relève dans le cas général une différence de potentiel de l'ordre du volt, que le moteur asynchrone travaille à vide ou en charge, et lorsque son alimentation électrique générale ne présente aucune coupure de phase, 2) si maintenant une phase d'alimentation électrique du moteur asynchrone se trouve coupée, le potentiel initial, existant à la borne d'alimentation correspondante, se trouve sensible ment rétabli, pour les raisons indiquées ci-dessus. Mais la différence de potentiel entre le neutre artificiel et le neu tre du réseau se trouve alors multipliée par 2 ou 3 lorsque le moteur travaille à vide, et par 5 à 8 lorsque le moteur travaille en charge. la présente invention concerne donc un dispositif de contrôle exploitant la propriété des moteurs asynchrones polyphasés, mise en évidence précédemment, ce dispositif permettant d'obtenir un signal électrique de contrôle ou d'alarme à partir de la différence de potentiel entre le neutre artificiel du moteur et le neutre du réseau. Un tel dispositif peut être défini de manière générale comme comprenant a) une pluralité d'impédances électriques équilibrées, en nombre identique à celui des phases électriques d'alimentation du moteur électrique asynchrone polyphasé ; ces impédances sont branchées d'une part respectivement sur les différentes lignes d'alimentation électrique du moteur, correspondant respecti vement à ses différentes phases d'alimentation, et d'autre part à une même connexion électrique de mesure, constituant un neutre artificiel ou de fonctionnement, b) une connexion électrique de référence, branchée soit au neu tre du réseau d'alimentation électrique polyphasée du moteur asynchrone, soit à la masse, constituant un neutre d'alimen tation, c) un organe comparateur d'au moins une partie de la tension é lectrique de mesure, existant entre la connexion. de mesure et la connexion de référence, avec un seuil électrique de tension ; cet organe comparateur comprend une sortie déli vrant un signal électrique de contrôle, dès que et tant que la tension de mesure est supérieure à une tension électrique de référence. Par "ligne d'alimentation électrique", on entend dans toute la présente description, et dans les revendications annexées, une ligne électrique partant d'un réseau d'alimentation électrique polyphasée, et aboutissant à une extrémité d'alimentation (selon le sens de fourniture d'énergie électrique) d'un seul et même bobinage, ou section, d'un moteur électrique asynchrone polyphasé, cette ligne d'alimentation électrique comprenant l'extrémité d'alimentation précitée du bobinage à laquelle elle aboutit ; par conséquent, selon la présente définition, une ligne d'alimentation électrique correspond à une seule et même phase d'alimentation électrique du moteur asynchrone précité. En conséquence, selon la présente invention, les impédances électriques précédemment mentionnées sont branchées en dérivation respectivement 1) soit sur les différentes bornes d'alimentation électrique du moteur asynchrone polyphasé, correspondant respectivement à ses différentes phases d'alimentation, 2) soit sur les extrémités d'alimentation des différents bobi nages du moteur asynchrone polyphasé, correspondant respec tivement à ses différentes phases d'alimentation, 3) soit sur les sorties des derniers (selon le sens de fourni ture d'énergie électrique) éléments de coupure (par exemple fusibles) des différentes lignes d'alimentation définies précédemmett, en amont (selon le sens de fourniture d'éner gie électrique) des différentes bornes d'alimentation préci tées. Dans les premier et second cas, selon l'invention, on pourra détecter toute coupure d'une ligne d'alimentation électrique, survenant en amont (dans le sens de fourniture d'énergie électrique) respectivement de la borne d'alimentation correspondante du moteur asynchrone, y compris sur cette dernière, et du bobinage correspondant du moteur asynchrone. Dans le troisième cas, selon l'invention, on ne pourra pas détecter toute coupure survenant au niveau de l'une des bornes d'alimentation du moteur asynchrone, ou de l'extrémité d'alimentation de l'un des bobinages de ce moteur. Selon un mode d'exécution de la présente invention, le dispositif défini précédemment comprend en outre un organe de cou pure de l'alimentation électrique polyphasée du moteur asynzrsr~e, dont l'entrée est branchée à la sortie de l'organe comparateur cet organe de coupure permet alors de couper l'alimentation polyphasée du moteur asynchrone lorsqu'un signal de contrôle est émis par l'organe comparateur. Préférentiellement, selon l'invention, le dispositif de contrôle comprend un filtre de fréquences électriques (par exemple filtre passe-bas, ou filtre de bande), branché entre d'une part l'organe comparateur, et d'autre part l'une quelconque des connexions de mesure et de référence. Ce mode d'exécution préféré de la présente invention permet de résoudre la difficulté suivante. les tensions électriques existant aux bornes d'alimentation d'un moteur asynchrone comprennent parfois de nombreuses harmoniques de la fréquence nominale du courant alternatif fourni par le réseau d'alimentation électrique polyphasée, et ceci, soit parce que ce dernier est perturbé, soit parce qu'il existe à proximité du zesteur asynchrone des machines électriques génératrices de tensions électriques harmoniques. Dans le cas d'une alimentation électrique normale du moteur asynchrone, il peut en résulter une élévation de la valeur efficace de la différence de potentiel existant entre le neutre de fonctionnement et le neutre d'alimentation,précédemment définis ceci rend alors plus malaisé la détection de tout écart de cette différence d potentiel, correspondant à la coupure d'une phase électrique d'alimentation du moteur asynchrone. l'utilisatiôn de filtre, par exemple des filtres passe-bas ne laissant passer que les fréquences électriques inférieures ou égales à 85 Hz, ou des filtres de bande, notamment actifs, réglés sur la fréquence de l'harmonique la plus gênante, permet d'éviter l'apparition de toute fausse tension de mesure, et par conséquent toute alarme intempestive. La présente invention est maintenant décrite par référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif de contrôle ou de protection conforme à la présente inven tion, - la figure 2 représente à titre d'exemple un mode d'exécution d'un dispositif de contrôle répondant au schéma de principe de la figure 1. Conformément à la figure 1, il est représenté un moteur électrique asynchrone triphasé 6, relié à un réseau d'alimentation électrique triphasée, non représenté, au moyen de trois lignes différentes 1, 2, 3 d'alimentation électrique ; le moteur 6 travaille donc avec trois phases électriques d'alimentation différentes. Les lignes d'alimentation 1, 2, 3 sont reliées respectivement aux bornes d'alimentation électrique 12, 22, et 32 du moteur 6, par l'intermédiaire (selon le sens de fourniture d'énergie électrique) d'un organe de coupure 50, d'un interrupteur général 5, et de fusibles 11, 21, et 31 respectivement. le dispositif de contrôle de l'alimentation électrique polyphasée du moteur asynchrone 6, permettant de détecter tout fonctionnement de ce dernier avec suppression de l'une des phases 1, 2, et 3 d'alimentation, comprend a) trois impédances électriques équilibrées 13, 23, 33, par con séquent en nombre identique à celui des phases d'alimentation 1, 2, 3 du moteur asynchrone 6 ; ces impédances 13, 23, 33 sont branchées, d'une part en dérivation respectivement sur les différentes lignes d'alimentation t, 2, 3 du moteur 6, et plus précisément sur ses différentes bornes d'alimentation 12, 22, 32, correspondant respectivement à ses différentes phases d'alimentation, et d'autre part à une même connexion électri que de mesure 7, constituant un neutre artificiel de fonction nement, b) une connexion électrique de référence 4, branchée au neutre du réseau d'alimentation électrique triphasée du moteur asyn chrone 6, constituant un neutre d'alimentation ; de manière équivalente, la connesiQm de référence 4 pourrait être bran chée à la masse, c) un diviseur 20 de la tension électrique de mesure, existant entre la connexion de mesure 7 et la connexion de référence 4 ; la sortie du diviseur de tension 20, constituée par le curseur 10 et l'une des bornes du potentiomètre 9, est bran chée à l'entrée de l'organe comparateur 60 défiai ci-après, d) un organe comparateur 60 de la partie divisée de/tension é lectrique de mesure définie précédemment, avec un seuil élec trique de tension ; l'organe comparateur 60 comprend une sor tie 61 délivrant un signal électrique de contrôle, dès que et tant que la tension de mesure (entre les connections 7 et 4) est supérieure à une tension électrique de référence, e) un filtre 8 de fréquences électriques branché entre d'une part l'organe comparateur 60, et plus précisément le diviseur de tension 20, et d'autre part la connexion de mesure 7 ; le filtre 8 pourrait être branché entre l'organe comparateur 60 et la connexion de référence 4, f) un organe de coupure 50 de l'alimentation électrique générale triphasée (t, 2, 3) du moteur asynchrone 6, dont l'entrée 51 est branchée à la sortie 61 de l'organe comparateur 60 ; cet organe de coupure coupe l'alimentation triphasée lorsqutun si gnal de contrôle est émis par l'organe comparateur 60 ; cet organe de coupure 50 peut être un contacteur, un disjoncteur, etc... le fonctionnement d'un dispositif selon l'invention se déduit aisément du schéma de principe précédemment décrit. Lorsque le moteur asynchrone 6 est en marche, il apparaît, comme annoncé précédemment, une tension électrique alternative de mesure, entre les connexions 4 et 7 de référence et de mesure. Si besoin est, au moyen du filtre 8, on atténue l'influence des harmoniques contenues dans cette tension de mesure. En fonctionnement normal, c'est-à-dire sans coupure de l'une des phases électriques d'alimentation (1, 2, 3) du moteur 6, la tension de mesure définie précédemment, appliquée à l'entrée du diviseur de tension 20, possède une valeur sensiblement constante en valeur efficace. A la sortie du diviseur de tension 20, la tension électrique divisée, attaquant le comparateur 60, est maintenue à une valeur inférieure au seuil interne de tension de l'organe comparateur 60, moyennant quoi ce dernier ne délivre aucun signal de contrôle par sa sortie 61. En fonctionnement anormal, ctest-à-dire avec coupure de l'une des phases d'alimentation (1, 2, 3) du moteur 6, par exemple par suite d'un mauvais contact de l'interrupteur général 5, ou de la destruction de l'un des fusibles 11, 21 et 31, la tension de mesure augmente alors considérablement. La tension électrique divisée, attaquant le comparateur 60, devient alors supérieure au seuil interne de tension précité, moyennant quoi l'organe comparateur 60 délivre par sa sortie 61 un signal de contrôle, engendrant, au moyen de l'organe de coupure 50, une coupure générale de l'alimen tation triphasée (1, 2, 3) du moteur asynchrone 6. Ce dernier se trouve alors protégé automatiquement contre tout fonctionnement avec suppression de l'une de ses phases d'alimentation. Il faut noter que si l'on donne aux impédances équilibrées î3, 23, et 33 une valeur ohmique suffisamment basse, le comparateur 60 n'a pas besoin d'une amplification de la tension de mesure ; néanmoins, dans ce cas, il est nécessaire d'utiliser un organe de coupure 50 ayant une faible impédance d'entrée 51. Par ailleurs, on a constaté que le dispositif de contrôle décrit précédemment réagit de manière importante à tout démarrage du moteur asynchrone 6, avec coupure de l'une des phases d'alimentation. En effet, la tension de mesure (entre les connexions 4 et 7) atteint alors aisément quelques dizaines de volts. On dispose là d'un moyen facile pour contrôler toute anomalie dans l'alimentation triphasée d'un moteur asynchrone, et ceci dès son démarrage. Enfin, le dispositif de contrôle décrit précédemment ne nécessite aucune précaution particulière au cours du démarrage du moteur asynchrone ; en particulier, il n'est pas nécessaire de prévoir une temporisation de l'action du dispositif de contrôle. Par rapport au schéma de principe décrit précédemment par référence à la figure 1, le mode d'exécution représenté à la figure 2 présente les caractéristiques complémentaires suivantes 1) le moteur asynchrone 6 n'est pas représenté en tant que tel, mais est schématisé d'une part par sa plaques à bornes 71 comprenant les trois bornes d'entrée ou d'alimentation t2, 22, 32 (normalisées dans la pratique par les lettres U, V, W), et trois bornes de sortie 15, 25, 35 (normalisées dans la prati que par les lettres x, y, z), et d'autre part par ses bobina ges ou sections 14, 24, 34 ; une barrette 72 connecte entre elles les bornes de sortie 15, 25, 35, de manière à effectuer un couplage en étoile du moteur asynchrone 6, 2) les impédances équilibrées 13, 23, 33 sont des capacités elles sont branchées en dérivation, non pas respectivement sur les bornes d'alimentation 12, 22, 32, mais respectivement sur les extrémités d'entrée ou d'alimentation 16, 26, 36 des bobinages 14, 24, 34, 3) le filtre de fréquences électriques 8 est un filtre passe-bas comprenant une self 73 et une capacité 74 en série ; on pré- lève aux bornes de cette dernière un signal de mesure filtré, 4) l'organe comparateur 60 joue également le rôle d'amplifica- teur du signal de mesure filtré ; il comprend un transistor 75 npn au silicium, attaqué entre base et émetteur par une tension comprenant le signal de mesure filtré ; en ccnsoquen- ce, le seuil électrique de tension auquel il a été fait réfé rence précédemment correspond au seuil de conduction du transistor 75, 5) la tension attaquant le transistor 75 entre base et émetteur correspond à la somme du signal de mesure filtré, prélevé aux bornes de la capacité 74, et d'une tension continue de régla ge,prélevée sur le curseur 76 du potentiomètre 91, et exis tant entre ce curseur et le zéro d'une ligne électrique auxiliaire 80.Le potentiomètre 91 à curseur 76 permet de re chercher la précision optimum du seuil de déclenchement du dispositif de contrôle, 6) le signal de contrôle précédemment mentionné est un signal amplifié, et correspond au courant du collecteur du transis tor 75 ; en cas de rupture de 11 une des lignes d'alimentation du moteur asynchrone 6, le signal de contrôle attaque la bo bine 77 de l'organe de coupure 50 à relais, provoque l'ou- verture du contact 56 de l'organe de coupure 50, et déclenche l'ouverture de l'interrupteur général 5, 7) le dispositif de contrôle est pourvu de diodes 87, 89 desti nées à protéger le transistor 75 contre des surtensions en tre les connexions 7 et 4 de mesure et de référence, et con tre les coupures brusques du relais, 8) une diode 88 sert à créer un potentiel fixe aux bornes du potentiomètre 91, 9) une capacité 90 intègre les impulsions brèves envoyées sur la bobine 77 du relais, 10) un potentiomètre 93 sert à régler le gain de l'amplification du transistor 75, 11) une résistance 92 sert à créer une chute de tension entre les lignes électriques 79 et 80, 12) l'organe de coupure 50 comprend d'une part la bobine 77 de relais, et d'autre part le contact 56 à ouverture commandée ; ce dernier est branché en série avec la bobine 57 de commande de l'interrupteur général 5. Comme indiqué précédemment, la présente invention s'applique à la protection de tout moteur asynchrone contre une marche avec suppression de l'une des phases d'alimentation électrique. - REVENDICAXIONS 1.- Dispositif de contrôle de l'alimentation électrique polyphasée d'un moteur électrique asynchrone polyphasé, permettant de détecter tout fonctionnement de ce dernier avec suppression d'au moins une phase électrique d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend a) une pluralité d'impédances électriques équilibrées, en nombre identique à celui des phases d'alimentation du moteur asyn chrone polyphasé, branchées d'une part respectivement sur les différentes lignes d'alimentation électrique dudit moteur, correspondant respectivement à ses différentes phases d'ali mentation, et d'autre part à une même connexion électrique de mesure, constituant un neutre de fonctionnement, b) une connexion électrique de référence, branchée soit au neu tre du réseau d'alimentation électrique polyphasée du moteur asynchrone, soit à la masse, constituant un neutre d'alimen tation, c) un organe comparateur d'au moins une partie de la tension é lectrique de mesure, existant entre la connexion de mesure et la connexion de référence, avec un seuil électrique de tension, ledit organe comparateur comprenant une sortie dë livrant un signal électrique de contrôle, dès que et tant que la tension de mesure est supérieure à une tension élec trique de référence. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les impédances électriques sont branchées en dérivation respectivement sur les différentes bornes d'alimentation électrique du moteur asynchrone polyphasé, correspondant respectivement à ses différentes phases d'alimentation. 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les impédances électriques sont branchées en dérivation respectivement sur les extrémités d'alimentation (selon le sens de fourniture d'énergie électrique) des différents bobinages du moteur asynchrone polyphasé, correspondant respectivement à ses différentes phases d'alimentation. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un organe de coupure de l'alimentation électrique polyphasée du moteur asynchrone, dont l'entrée est branchée à la sortie de l'organe comparateur, ledit organe de coupure coupant ladite alimentation polyphasée lorsqu'un signal de contrôle est émis par ledit organe comparateur. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un diviseur de la tension de mesure dont la sortie est branchée à l'entrée de l'organe comparateur. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe comparateur comprend un amplificateur d'au moins une partie de la tension de mesure. 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications t à 6, caractérisé en ce qutil comprend un filtre de fréquences é- lectriques branché entre d'une part l'organe comparateur, et d'autre part l'une quelconque des connexions de mesure et de référence. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les impédances électriques sont des capacités. 9.- Moteur électrique asynchrone polyphasé, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de contrôle de l'alimentation électrique polyphasée dudit moteur, conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8.