Brevet FR2357100A1 — publié le 19780127

L'invention est relative à un dispositif de commande et de régulation d'un moteur asynchrone alimenté à fréquence variable. On sait déjà utiliser un moteur asynchrone alimenté par un pont onduleur à thyristors ; l'allumage et l'extinction des thyristors sont assurés au moyen d'impulsions délivrées à une fréquence qu'on peut faire varier selon les besoins d'utilisation du moteur, pour le faire fonctionner dans une gamme donnée de vitesse. En particulier, le pont onduleur est alimenté par un pont redresseur à à thyristors à travers un filtre comprenant une inductance en série et un condensateur en parallèle. Le pont redresseur est alimenté par un réseau alternatif. En général, le pont redresseur est un pont triphasé alimenté par un réseau triphasé, de même le pont onduleur est triphasé. D'une manière générale, le pont redresseur est commandé par un circuit de commande de portes, lui-même sous la dépendance d'une tension de commande. Une variation de la tension de commande entraîne une variation corrélative de la tension de sortie du pont redresseur. Cette tension de sortie du pont redresseur, filtrée, est utilisée comme tension d'alimentation du pont onduleur. En rendant la fréquence des impulsions de commande du pont onduleur proportionnelle à la tension d'alimentation du pont onduleur, on obtient un fonctionnement de la machine asynchrone à flux constant, tout au moins en régime permanent. La tension de commande du pont redresseur est généralement élaborée par un régulateur recevant en entrée une tension de consigne qui peut être un affichage de la fréquence stator donc, au glissement pres, un affichage de la vitesse du moteur. La régulation de fréquence de l'ensemble est alors obtenue en corrigeant l'information affichée par une information proportionnelle à la fréquence des impulsions de commande de l'onduleur, elle-m8me proportionnelle à la vitesse du moteur. Un tel dispositif présente cependant deslnconvénients - en cas de brusque variation de charge du moteur (aussi bien surcharge que délestage), le courant dans les thyristors du pont onduleur peut atteindre transitoirement des valeurs de crête supérieures à celles permettant l'extinction de ces thyristors. I1 en résulte par voie de conséquence de graves perturbations du fonctionnement de l'onduleur. - le même phénomène arrive également en cas de brusque variation de la tension d'affichage du circuit d'élaboration de la commande du pont redresseur. Un but de l'invention est de réaliser un dispositif de régulation permettant, pour toute variation de charge de ce moteur, ou toute variation rapide de commande de vitesse de ce moteur, d'obtenir une limitation automatique du flux de la machine, et par conséquent du courant crête des thyristors au moment de l'extinction, ce courant crête dépend, comme on sait, de l'état de flux de la machine. Cette limitation des courants crête dans les thyristors permet d'assurer leur extinction. La présente invention a pour objet un dispositif de commande dsun moteur asynchrone alimenté à fréquence variable par un réseau électrique triphasé par l'intermédiaire d'lrn pont redresseur à thyristors, d'une cellule de filtrage du courant redressé comprenant une inductance en série et un condensateur en parallèle, et d'un pont onduleur à thyristors à commutation forcée, les thyristors du pont onduleur étant commandés par des impulsions. élaborées par un circuit de commande recevant en entrée un signal proportionnel à la tension d'alimentation du pont onduleur, les thyristors du pont redresseur étant commandes par des signaux élaborés par un circuit de commande de portes recevant à son entrée une tension de commande élaborée par un régulateur recevant une tension de consigne et une valeur mesurée proportionnelle à la tension aux bornes du moteur caractérisé en ce que la sortie du régulateur comprend un moyen pour que la tension de commande reste inférieure à ume valeur telle que le rapport de la tension d'alimentation du moteur à sa fréquence ne dépasse pas une valeur maximale donnée. Selon une réalisation de l'invention, ledit moyen comprend une diode en série avec un amplificateur opérationnel recevant en entrée une tension proportionnelle à la différence entre la tension de consigne et la tension mesurée aux bornes du moteur. Avantageusement, ledit amplificateur reçoit en outre un signal élaboré par un circuit founissant un signal image du courant dans le pont redresseur lorsque ce dernier dépasse une valeur maximale donnée. L'amplificateur opérationnel est emmené en parallèle d'une résistance variable permettant un réglage du niveau de la butée en fonction des caractéristiques du "turn off" des thyristors du pont onduleur et des caractéristiques du circuit oscillant de l'onduleur. Selon une autre caractéristique, ledit comparateur comprend également un amplificateur opérationnel recevant sur une entrée la tension de consigne et la valeur mesurée proportionnelle à la tension aux bornes du moteur. Le dispositif de l'invention permet d'éviter les mauvais fonctionnements du pont onduleur, quels que soient les à-coups de charge, les délestages brusques ou les changements rapides imposés dans la vitesse du moteur. En effet, le flux dans le moteur est limité à tout moment à sa valeur maximale admissible. L'invention sera maintenant précisée par la description d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre illustratif et nullement limitatif en référence au dessin ci-annexé dans lequel - la figure I est un schéma synoptique général d'une installation à moteur asynchrone comprenant le dispositif de commande de l'invention. - la figure 2 est un diagramme expliquant le fonctionnement du moteur équipé du dispositif. - la figure 3 est un schéma détaillé du circuit d'élaboration de la butée. Dans la figure 1, la référence I désigne un moteur asynchrone alimenté par un pont onduleur 2 à thyristors ; ce pont onduleur est commandé par un générateur d'impulsion 3 ; la fréquence des impulsions détermine la vitesse de rotation du moteur au glissement près. L'alimentation électrique du pont onduleur est réalisée au moyen d'un pont redresseur 4 lui-m8me alimenté par un réseau alternatif 5. Une cellule de filtrage, comprenant une inductance 6 en série et un condensateur 7 en parallèle est disposée entre le pont redresseur et le pont onduleur. La commande des thyristors du pont redresseur est réalisée au moyen d'un circuit de commande de portes 8 sous la dépendance d'une tension de commande Uc, élaborée par un régulateur 9. L'extinction des thyristors du pont onduleur est obtenue par un circuit non représenté comportant un circuit oscillant, comme il est décrit dans le brevet français nO 1 404 651 déposé le 22 Mai 1964, ayant pour titre : "Convertisseur statique de courant". Pour assurer une marche du moteur à flux constant, donc avec une valeur constante du rapport Uf de la tension d'alimentation du pont onduleur à la fréquence d'alimentation du moteur, le générateur d'impulsion 3 est piloté par un convertisseur tension/fréquence 10 recevant une mesure de la tension U et fournissant des signaux à la fréquence f. Par ailleurs, le circuit d'élaboration 9 de la tension Uc de commande des thyristors du pont redresseur reçoit un signal de consigne UA proportionnel à la fréquence souhaitée de la machine. Ce signal de consigne est élaboré par un organe d'affichage 11 qui peut être gradué directement en tours/minute au glissement près de la machine. Le système est régulé en fréquence au moyen d'une comparaison effectuée par le circuit comparateur 9 qui fournit une tension de sortie qui comporte un terme proportionnel à l'écart entre la valeur de consigne UA et la valeur de la tension mesurée U aux bornes de la machine. Cette tension U est mesurée, par exemple, comme indiqué dans la figure 1, au moyen d'un transformateur de découplage 12 associé à un pont de diodes 13. La tension U est ainsi propor tionnelle à la fréquence recherchée. Ce système est insuffisant/si on est exigeant sur les performances dynamiques,pour assurer un fonctionnement satisfaisant de l'onduleur, en particulier en cas de brusques variations de charges du moteur entraînant des variations transitoires de flux provoquant au moment de l'extinction des thyristors, des pointes de courant dépassant les possibilités d'extinction des thyristors de ltonduleur. Conformément à l'invention, il est prévu d'elaborer une butée du flux de la machine empêchant le système de débiter des courants qui ne pourraient être éteints dans le pont onduleur. Cette butée est obtenue simplement par un circuit déversoir reliant la sortie du régulateur 9 > par une diode 14, à un circuit d'élaboration 15 de la butée. Lorsque pour une valeur donnée de la fréquence, un incident tend à faire crotte dans la machine au-delà de la limite permise, la tension Uc se trouve limitée, ce qui limite le courant I dans la boucle à courant continu et par voie de conséquence le flux dans la machine -1. La présence du circuit 15 d'élaboration de la butée est mise à profit pour réaliser simplement la protection du pont redresseur contre les surcharges éventuelles de courant. A cet effet, le circuit 15 reçoit un signal mesure de courant élaboré au moyen de transformateurs dtintensité 30, d'un pont de diodes 16 débitant sur une résistance 17, et d'un circuit d'affichage 18 de l'intensitémaximale imax qui ne doit pas être dépassée dans le pont redresseur. Si l'intensité dans le pont redresseur est inférieure à Imax, le signal fourni par le circuit d'affichage 18 est nul ; si le courant est supérieur à Imax, le signal fourni par le circuit d'affichage 18 agit sur le circuit 15 pour élaborer une butée de la tension de commande Uc. Le diagramme de la figure 2 représente les variations de la fréquence F de la machine en fonction de la tension U d'alimentation du pont onduleur pour le flux nominal nom de la machine 1. La machine fonctionnant à flux constant, la courbe 0 nom est une droite sauf aux faibles valeurs de la fréquence, en raison des chutes ohmiques de la machine. La butée de Uc définit un flux max représenté par une droite parallèle à la droite 9 nom. En fonctionnement normal, le point de fonctionnement P de la machine se trouve sur la courbe nom et décrit cette courbe selon les diverses valeurs de la vitesse de la machine. En cas de variation brusque de charge de la machine tendant à provoquer une augmentation de flux de la machine, le point de fonctionnement se déplace dans-une zone comprise entre la droite nom et la droite max mais ne peut traverser cette dernière. En particulier, au démarrage du moteur, le point de fonctionnement décrit la droite 6 max avant d'atteindre son point de fonctionnement normal. L'action du signal de sortie du circuit d'affichage du courant max 18 a pour effet de déplacer la courbe 0 max parallèlement à elle-même pour la rapprocher de la courbe nom. La figure 3 représente en détail un mode de réalisation de l'ensemble délimité par le rectangle A dans la figure 1 et comprenant le comparateur 9 et le circuit d'élaboration de la butée 15. Cet ensemble comprend un amplificateur opérationnel 20 recevant sur une entrée négative, par l'intermédiaire d'une résistance R1, le signal de consigne UA, par l'intermédiaire d'une résistance R'1, la tension U aux bornes de la machine. L'amplificateur opérationnel 20 comporte une résistance R2 en parallèle. Le signal de sortie de l'amplificateur 20 est envoyé sur une entrée d'un amplificateur opérationnel 21 par l'intermédiaire d'une résistance R3 ; l'amplificateur opérationnel 21 est muni d'un circuit correcteur comprenant une résistance R4 et un condensateur C en parallèle. Les deux tensions U et VA doivent être de polarité contraire pour comparaison. L'amplificateur opérationnel 21 inverse et filtre le signal de sortie de l'amplificateur 20. Le signal de sortie de l'amplificateur 21 est le signal Uc de commande du circuit de commande des portes 8 L'ensemble des amplificateurs 20 et 21 et de leurs résistances et condensateurs correspond au rectangle 9 de la figure 1. Le circuit d'élaboration de la butée est constitué par un amplificateur opérationnel 22 recevant sur une entrée par l'intermédiaire d'une résistance R5, le signal d'entrée de l'amplificateur 20 ; cet amplificateur 22 est relié en sortie à la sortie de l'amplificateur 21 par l'intermédiaire d'une diode 14. L'amplificateur opérationnel 22, est muni en parallèle d'une résistance variable R6 d'ajustage de gain et reçoit par une résistance R7 une tension constante de polarisation. En cas de surcharge tendant à accroître, comme on l'a vu, la tension U et par suite le signal d'entrée de l'amplificateur 22, le signal de sortie Uc a une valeur automatiquement limitée. En faisant varier la résistance R6 on règle le parallélisme entre les droites nom et qui max, et en ajustant la tension constante de polarisation on règle l'écart entre ces deux droites.La position relative de la droite Bmax par rapport à la droite 0 peut être réglée en fonction des caractéristiques du système et en particulier du "turn off" des thyristors utilisés dans le pont onduleur et des caractéristiques du circuit oscillant de l'onduleur. L'entrée de l'amplificateur 22 reçoit également par l'intermédiaire d'une résistance R8 le signal en provenance du circuit d'affichage 18 du courant maximal dans le pont redresseur. La tension U et le terme correctif 18 sont de signes opposés (voir figure 3). Grâce à ce dispositif, la limitation du courant dans le pont redresseur, nécessaire en tout état de cause, se fait par attaque directe du circuit d'élaboration de la butée au moyen d'un amplificateur sans gain et procurant de ce fait une parfaite stabilité. Le dispositif de pilotage décrit ci-dessus assure tout à la fois les performances dynamiques optimales de l'ensemble moteur asynchrone, convertisseur statique de fréquence et ltoptimisatioa du dispositif de commutation forcee de ce convertisseur. Le dispositif décrit autorise le fonctionnement pratiquement permanent à des valeurs du courant du circuit à courant continu, très voisines de la valeur crête admissible. Il est donc possible, grâce à ce dispositif d'optimiser aussi bien le fonctionnement que le dimensionnement du convertisseur de fréquence. La mise en oeuvre d'un tel système demande très peu de matériel et il est possible avec un tel montage simple de piloter en toute sécurité une machine asynchrone par un convertisseur statique de fréquence. Il est également possible de faire intervenir une limitation d'intensité au niveau de l'étage d'élaboration de la tension dc commande du pont redresseur. Le dispositif selon l'invention peut aussi s'appliquer dans le cas d'un onduleur réalise non pas avec des thyristors mais avec des transistors de puissance. Dans ce cas, un onduleur ne nécessite pas de dispositif à commutation forcée, mais le dispositif selon l'invention permet alors de contrôler le courant crête dans les transistors de I'onduleur et de les utiliser au mieux. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de commande d'un moteur asynchrone alimenté à la fréquence variable par un réseau électrique triphasé par l'intermediaire d'un pont redresseur à thyristors, d'une cellule de filtrage du courant redressé comprenant une inductance en série et un condensateur en parallèle, et d'un pont onduleur à thyristors à commutation forcée, les thyristors du pont onduleur étant commandés par des impulsions élaborées par un circuit de commande recevant en entrée un signal proportionnel à la tension d'alimentation du pont onduleur, les thyristors du pont redresseur étant commandés par des signaux élaborés par un circuit de commande de portes recevant à son entrée une tension de commande élaborée par un régulateur recevant une tension de consigne et une valeur mesurée proportionnelle à la tension aux bornes du moteur, caractérisé en ce que la sortie du régulateur comprend un moyen pour que la tension de commande reste inférieure à une valeur telle que le rapport de la tension d'alimentation du moteur à sa fréquence ne dépasse pas une valeur maximale donnée. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen comprend une diode, en série avec un amplificateur opérationnel recevant en entrée une tension proportionnelle à la différence entre la tension de consigne et la tension mesurée aux bornes du moteur. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'entrée de l'amplificateur opérationnel reçoit en outre un signal élaboré par un circuit fournissant un signal image du courant dans le pont redresseur lorsque ce dernier dépasse une valeur maximale donnée. 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur opérationnel est emmené en parallèle d'une résistance variable permettant un réglage du niveau de la butée en fonction des caractéristiques du "turn off" des thyristors du pont onduleur et des caractéristiques du circuit oscillant de l'onduleur. 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit régulateur comprend un amplificateur opérationnel recevant sur une entrée la tension de consigne et la valeur mesurée proportionnelle à la tension aux bornes du moteur.