Brevet FR2420872A1 — publié le 19791019

La présente invention concerne les moteurs électriques à induction tels que moteur asynchrone, moteur universel, moteur asynchrone synchronisé, etc.... Il est souhaitable de pouvoir à tout instant mesurer la vitesse d'une machine électrique en vue notamment de commander des dispositifs de protection. En particulier, on souhaite détecter rapidement le blocage d'un moteur sous tension, de manière à couper d'alimentation pour éviter la détérioration par échauffement du moteur. Dans d'autres applications, ou désirera connaitre les écarts de vitesse d'une machine par rapport à la vitesse nominale. On connait pour cette mesure de la vitesse d'une machine, les dispositifs du genre génératrice tachymétrique, stroboscope, compteurs d'impulsions etc... Ils ont l'inconvénient de nécessiter l'adaptation en bout d;arbre d'un appareillage spécial. On connait aussi un procédé par la mesure du flux de fuite de'la machine. Le signal extrait par un capteur est malheureusement faible et sujet à parasitages, si l'appareil de mesure est éloigné de la machine. Le procédé de mesure de la vitesse selon l'invention est fondé sur la mesure de la force contre électromotrice (f.c.é.m) de la machine et vise plus particulièrement un procédé pour extraire de la machine un signal proportionnel à cette f.c.é.m, qui est elle-même proportionnelle à la vitesse du moteur. Selon la présente invention, pour obtenir un signal de tension proportionnel à la f.c.é.m d'une machine à induction on procède de la manière suivante - on détermine expérimentalement l'impédance équivalente Zb de la machine rotor bloqué, - on réalise un pont dont une première diagonale est alimentée par une tension U proportionnelle à la tension d'alimentation de la machine, ledit pont comprenant en parallèle sur cette tension, d'une part une phase de la machine en série avec une impédance de valeur Zb/k, où k est une constante positive, d'autre part une résistance R en série avec une résistance R/k les résistances R et R/k étant très grandes devant l'impédance Zb/k et l'impédance de ladite phase, le pont comprenant en outre des moyens pour élaborer la différence des tensions existant entre les extrémités d'une seconde diagonale du pont, cette différence étant proportionnelle à ladite f.c.é.m. De manière pratique, un dispositif de mesure de la f.c.é.m d'une machine comprend un premier amplificateur opérationnel alimenté à travers une résistance variable par une tension prélevée aux bornes d'une résistance connectée au secondaire d'un transformateur d'intensité dont le primaire est constitué par une phase de la machine et un second amplificateur opérationnel alimenté d'une part par la sortie du premier amplificateur opérationnel et d'autre part par une tension prélevée sur un diviseur à résistance alimenté par le secondaire d'un transformateur de potentiel dont le primaire est alimenté par la tension de phase de la machine, ladite résistance variable et ledit pont diviseur étant ajustés pour représenter respectivement l'argument et le module de l'impédance de la machine, rotor bloqué. L'invention sera bien comprise par la description ci-après en référence au dessin annexé dans lequel les figures la et lb sont des schémas électriques monophasés équivalents dtun moteur asynchrone. - la figure 2 est un schéma équivalent d'un moteur asynchrone rotor bloqué - la figure 3 est un schéma équivalent d'un moteur asynchrone en rotation - la figure 4 est un schéma expliquant le principe de l'invention. - la figure 5 est un schéma de réalisation d'un dispositif d'élaboration de la f.c.é.m d'un moteur, - la figure 6 est une variante du schéma de la figure 5. la figure 7 est un schéma de relais de protection d'un moteur utilisant le principe de l'invention. Il convient pour la compréhension de l'invention de rappeler brièvement la théorie du moteur à induction. au stator, on a la relation suivante V1 = rl I1 + j X1I1 + jM12 aXI2 (1) avec : V1 : tension aux bornes d'une phase du stator r111 : chute ohmique du stator j X1t1 : chute inductive du stator j M12 WI2 : chute de tension inductive du rotor ramené au stator I2 a l'amplitude du courant 12 du stator et la pulsation des courants statoriques. Au rotor, on a la relation suivante o = r2I2 + jg X2I2 + j M12 g i ; (2) avec r2I2 chute ohmique du rotor jg X2 12 chute inductive du stator j M12 g #I'1 : chute inductive mutuelle, ou I1 a l'amplitude des courants statoriques et la pulsation g# des courants rotoriques. En ramenant les grandeurs sinusoldales de l'équation (2) à la pulsation #, on obtient le système d'équations V1 = r111 + j X1 Iî + i M12 #I2 0 = r2 I2 + jg X2I2 + j M12 fiJI1 On en déduit l'impédance équivalente Z de la machine vue de ses bornes statoriaues. Si on distingue dans x1 une réactance de fuite x51 et une réactance propre xal, et qu'on fait de même pour x2, on obtient aisément : Si R est la réluctance du trajet emprunté par le flux dans l'entrefer, on a d'où En posant on obtient la relation D'ou le schéma équivalent du moteur asynchrone représenté dans la figure la. En pratique jxa1 est très grand devant j x's2 + r'2 , d'ou le schéma équivalent de la figure 7b. g Lorsque le rotor du moteur est bloqué, le glissement g est égal à 1. Le shéma du moteur rotor bloqué est celui de la figure 2. Nous désignerons par Zb l'impédance du moteur bloqué. Notons que l'impédance du moteur rotor bloqué est souvent donnée par le constructeur du moteur. Si ce n'est pas le cas, un essai du moteur bloqué et un- essai en court-circuit fournissent facilement la valeur de Zb. Le schéma équivalent du moteur en rotation peut être celui de la figure 3, avec avec N vitesse du rotor Ns vitesse du flux tournant du stator Nous remarquons que le produit ZN.I1 est égal à la force contre électromotrice du moteur, elle-même proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur. Conformément à l'invention, pour obtenir un signal proportionnel à la f.c.é.m du moteur, on réalise le pont de la figure 4. Celui-ci comprend une boucle AB qui n'est autre qu'une phase statorique (d'impédance Zb+ZN), une branche BC comprenant une impédance Zdk, où k est une constante positive. La première diagonale du pont ainsi constituée est alimentée par la tension de phase statorique. La seconde diagonale comprend une résistance R {branche AD) et une résistance R/k (branche DC) R et R sont choisis très grands devant Zb ZN b k et Un amplificateur opérationnel est connecté entre les points B et D et fournit en sortie un signal Vs proportionnel à la différence V 1-V2 des tensions existant resectivement aux points B et D. Il est aisé de montrer que ce signal V est proportionnel à la f.c.é.m s du moteur. En effet d'où En pratique, le dispositif d'élaboration d'un signal proportionnel à la force contre électromotrice du moteur sera réalisé selon le schéma de la figure 5. Une phase statorique (Zb+ZN) est alimenté par la tension alternative de fonctionnement V. Un transformateur d'intensité TI dont le primaire est constitué par la phase statorique elle-meme, a son secondaire fermé sur une résistance R5. La tension US est appliquée à travers une résistance variable cpcc sur une entrée positive d'un amplificateur 10 et sur une entrée négative dudit amplificateur à travers une résistance 11 (de valeur R'). Une résistance 12 (de valeur R') relie l'entrée négative de l'amplificateur 10 et sa sortie. Un condensateur 13 relie l'entrée négative à la masse. La tension de sortie de l'amplificateur 10, El, est appliquée à travers une résistance 14 (de valeur R) sur l'entrée positive d'un second amplificateur opérationnel 20. Une résistance 15 (de valeur R) relie l'entrée positive précisée à la masse. Un transformateur de potentiel TP dont le primaire est alimenté par la tension V d'alimentation du moteur, a un enroulement secondaire fermé sur une résistance fixe 21 (de valeur R1) en série avec une résistance réglable 22. (de valeurR2:1) L'entrée négative de l'amplificateur opérationnel 20 est relié par une résistance 23 de valeur R au point commun aux résistances 21 et 22. Une résistance 24 (de valeur R également) relie l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel. On règle la résistance cc de manière qu'elle soit égale à l'argument de l'impédance Zb du moteur rotor bloqué. Si a est le rapport du nombre de spires du primaire du transformateur TP au nombre de spires du secondaire de ce transformateur, si m est le meme rapport relativement au transformateur TI, si R est le rapport de la résis R1 tance 21 à la résistance 22 (k = R ), on à la relation 2 Zb = m.a. Rs (1 + k). On règle R2 de manière a vérifier la relation précitée qui s'écrit On montre alors que la tension Vs recueillie en sortie de l'amplificateur 20 est proportionnelle à ZNI, c'est à dire à la f.c.é.m du moteur. La figure 6 est une variante de réalisation du circuit d'élaboration d'un signal proportionnel à la f.c.é.m. du moteur. Les éléments communs aux figures 5 et 6 ont reçu les memes numéros de référence. La différence avec le circuit de la figure 5 est que l'amplificateur 10 est relié a l'entrée négative de l'amplificateur 20 à travers une résistance 14a (de valeur R). L'entrée positive de l'amplificateur 20 est mis à la masse. La figure 7 représente un relais de protection d'un moteur utilisant le circuit d'élaboration de la f.c.è.m du moteur. On distingue, dans le schéma un moteur triphasé M, les transformateurs TP et TI, la résistance R et un potentiomètre 31 pour le règlage du module s de Zb. Deux circuits de filtrage 32 et 33 sont disposés respectivement en amont des amplficateur opérationnels 10 et 20, l'amplificateur opérationnel faisant également fonction de redresseur. Le circuit TD est une temporisation à la mise sous tension du moteur (par le relais de bobine B et de contact b). On désire par exemple couper le moteur lorsque sa vitesse tombe au dessous d'une valeur de seuil N1. (par exemple NI est le quart de la valeur nominale). T1 est une temporisation, règlable par la résistance 34, qui commande l'arrêt de l'alimentation du moteur si la vitesse N1 n'est pas atteinte dans un délai donné. F est un filtre en sortie de l'ampli 20, p une porte reliant la sortie du filtre à la temporisation TD, D est un détecteur de seuil, à seuil règlable (N7 par exemple), qui commande à travers une porte PAS et une porte ET un dispositif 40 de déclenchement de l'alimentation du moteur. REVENDICATIONS 1/ Procédé de mesure de la force contre-électromotrice d'une machine à induction caractérisé par le fait qu'il comprend des opérations suivantes - on détermine expérimentalement l'impédance équivalente Zb de la machine rotor bloqué, - on réalise un pont dont une première diagonale est alimentée par une tension U proportionnelle à la tension d'alimentation de la machine, ledit pont comprenant en parallèle sur cette tension, d'une part une phase de la machine en série avec une impédance de valeur Zb/k où k est une constante positive, d'autre part une résistance R en série avec une résistance R/k les résistances R et R/k étant très grandes devant l'impédances Zb/k et l'impédance de ladite phase, le pont comprenant en outre des moyens pour élaborer la différence des tensions existant entre les extrémités d'une seconde diagonale du pont, cette différence étant proportionnelle à ladite f.c.é.m. 2/ Dispositif de mesure de la force contre électromotrice d'une machine à induction caractérisé par le fait qu'il comprend un premier amplificateur opérationnel alimenté à travers une résistance variable par une tension prélevée aux bornes d'une résistance connecté au secondaire d'un transformateur d'intensité dont le primaire est constitué par une phase de la machine et un second amplificateur opérationnel alimenté d'une part par la sortie du premier amplificateur opérationnel et d'autre part par une tension prélevée sur un diviseur à résistances alimenté par le secondaire d'un transformateur de potentiel dont le primaire est alimenté par la tension de phase de la machine, ladite résistance variable et ledit pont diviseur étant ajustés pour représenter respectivement l'argument et le module de l'impédance de la machine rotor bloqué. 3/ Relais de protection d'une machine à induction caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif de mesure de la force contre électromotrice de la machine selon la revendication 2.