Brevet FR2426302A1 — publié le 19791214

L'invention a pour objet une maquette didactique de variation de vitesse à thyristors notamment pour moteur a courant continu. L'objet de l'invention se rattache notamment aux secteurs techniques de la production, conversion ou distribution de l'énergie électrique, à la commande des moteurs, générateurs ou comertisseurs lectriques, aux circuits électro- niques fondamentaux. I1 est bien connu d'utiliser pour les besoins de l'enseignement technique, notamment en électrotechnique et/ou en électronique, des maquettes didactiques permettant d'effectuer différentes mesures. Ces maquettes, par leur conception présentent certains inconvénients. Généralement, sur la face avant de ces maquettes, est reproduit sous formes de symboles, le schFma électrique du ou des montages a étudiera parsemé de points de mesures. L'utilisateur ne sort donc pas du domaine théorique, et rencontre des difficultés lors du choix du matériel, notamment des composants électroniques. De plus en das de fausses manoeuvres de la part de l'opérateur, le localisation de l'élément affectueux et par suite le remplacement de ce d w- nier ne sont pas aisés. Selon l'invention on a réalisé une maquette didactique de variation de vi tesse â thyristors, éliminant les inconvénients précités, et dont les objectifs risés et atteints sont les suivants 2 - adapter un équipement relativement simple, du type industriel, à une exploitation pédagogique, en affectant le moins possible le caractère industriel de l'ensemble - permettre sur une mhss maquette, l'étude séparée ou combinée des circuits électroniques fondamentaex - effectuer des mesures en différents points de montage en préservant au aximum la vue de composants - placer l'utilisateur dans des conditions bien voisines de celles rencontries dans l'industrie - connecter la maquette à un circuit extérieur plus performant. Selon une première caractéristique de l'invention, la maquette didactique comprend un coffret support portant d'une manière amovible de préférence une plaque à circuit imprimé recevant sur sa face externe, d'une manière apparente aisément accessibles et tous points, les composants électroniques correspondant aux différents étages du variateur de vitesse ainsi que les éléments de réglage de protection de signalisation et de commande de mise sous tension, et des élé- ments de raccordement avec les alimentations alternatires et le moteur ;; les différents étages fondamentaux du dit variateur étant reliés par des points amovibles apparents pour pouvoir les isoler et effectuer différents relevés de mesures électroniques, sans tenir compte de l'influence des autres étages, à partir de points tests apparents connectés sur le circuit de variateur et montés sur la face externe du circuit imprimé, la dite maquette étant agencée pour coopérer avec un module de puissance annexe. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront ds la suite de la description. Pour bien fixer l'objet de 11 invention, sans toutefois le limiter, dans les dessins annexés - la figure 1 est une vue en perspective de la maquette didactique selon l'in mention. On a illustré en traits fins le branchement d'un moteur. - la figure 2 est une vue partielle et en coupe, montrant a une écbeile plus importante, le montage des composants électroniques sur la face de dessus de la plaque k circuit imprimé. - la figure 3 est une vue partielle en perspective, montrant à une échelle plus importante, le montage sur la face de dessus de la plaque d circuit imprimé, des composants électroniques avec leur symbole et repérage respectif. - la figure 4 est un schéma électrique de principe pour le montage et branche- ment des différents composants eu égard au circuit imprimé de la maquette, en vue d'une variation de vitesse k thyristorsenmonophasé s pour moteurs k courant continu. - la figure 5 est un schéma électrique de principe du module de puissance annexe. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative en se référant aux exemples illustrés par les figures des dessins. On voit figure 1, que la maquette didactique selon l'invention, se compose essentiellement d'un coffret support 1, sur lequel est fixé d'une manière amo vible, une plaque 2 k à circuit imprimé. La face externe 21 de la plaque 2, re- çoit, en étant apparents, les composants électroniques C relatifs aux différents étages du variateur de vitesse. Les différents étages fondamentaux du circuit sont reliés par des ponts apparents amovibles P pour pouvoir les isoler et effectuer différents relevés de mesure sans tenir compte de l'influence des autres étages. A cet effet, différents points tests A permettent d'effectuer les mesures désirées. Sur le dessus de la plaque -, sont également montés, du cOté de l'opéra- teur, les éléments de commande et signalisation : interrupteurs K et K1, bouton poussoir bp, voyants L, potentiomètredde consigne de vitesses Po3, fusibles F...A l'arrière de la plaque 2, toujours sur sa face de dessus 2@, sont montées des douilles isolées dl et d pour respectivement le raccordement avec les alimentations alternatives (circuit de commande et circuit de puissance) et le moteur M. D'une manière importante, comme le montre plus particulièrement la figure2, les différents composants électroniques (transistors, thyristors, diodes, con- densateurs, et éventuellement résistances) sont soudés sur des picots 3 coopé- rant avec des douilles cylindriques 4 reliées électriquement au circuit imprimé et traversant l'épaisseur de la plaque 2. Ces dispositions s'avèrent particu lièrement intéressantes pour le remplacement ou échange d'un composant étant donné qu'il n'est plus utile d'intervenir sur le circuit imprimé pour dessus der ce dernier. Il en est de même pour les ponts amovibles P.De plus, la face de dessus 21 de la plaque 2 est sérigraphiée pour indiquer tous les symboles et répères correspondant aux différents composants en vue d'établir le parallèle avec le schéma électrique de principe (figure 3). Comme déjk indiqué, les ponts amovibles P et les points tests A apparents permettent en combinaison d'isoler les étages @ondamentaux du variateur et d'é- tudier séparément ces différents étages, ou de les connecter ensemble selon un degré de difficulté croissant. On a délimiter par un tracé en traits mixtes (figure 4) ces différents étages fondamentaux, connus dans leur principe, pour réaliser une variation de vitesse 9 thyristors en monophasé. On rappelle succintement ces différents étages, l'alimentation du circuit de commande s'effectuant en 220 v mon@phasé et l'alimentation du circuit de puissance en 220 V - 1,5 A maximum. I désigne l'alimentation en Basse tension (24 V) et le redressement par un pont de diodes II l'écrétage au moyen d'une diode Zener ni, la stabilisation du montage par deux capacités IV , , l'ensemble di disjoncteur électronique V , l'amplificateur en courant VI , le générateur d'impulsion ou relaxateur VII, le pont mixte thyristors-diodes VIII le pont d'inducteur constitué par des diodes. Les différents composants électroniques nécessaires aux pontages sont montés sur un circuit imprimé k maximum de cuivre, parfaitement connu de l'hom- me de l'art, pour éviter tous risques de détérioration0 On décrit maintenant le fonctionnement de la maquette réalisée selon l'in- vention d'après le schéma de principe de la figure 4. a) Circuit de commande Cd. En fermant l'interrupteur X, le transformateur TR1 fourni k son decondaire une tension de sécurité de 24 V. Au point a on obtient un red@essement double alternance par le pont à diode pt1 et au point b aux bornes de la diode mener DZ on re@ueille la tension @crétée k 22 V avec croix do tension. Cette tension est appliquée au circuit des transistors T5 - T6 - T7. Au point qO la capacité C2 filtre la tension VbM, la diode Dl orientant la décharge de C2 vers le transistor T4, le potentiomètre Po3 et non vers le point b. Le pont P9 étant e@levé, à la mise sous tension le transistor T4 est bloqué, donc VdM = 22 V max (3 la chatte de tension dans D2 près) t en considérant la résistance du potentiomètre Pd non nulle, certain potentiel par rapport à la masse apparaît au point j.D'où deux cas peuvent se produire : 1 ) la polarisation de la base du transistor T5 est insuffisante pour qu'il soit conducteur, donc le courant collecteur de T5 est eensiblement égale k zéro d'où le courant de base du transistor T6 est également sensiblement égal a zéro (@6 non conducteur ou trbs peu). Le condensateur C4 se chargeant très lentement on n'atteint pas la tension de pic, du transistor uni onction T7, l'angle de retard à l'amorçage e des thyristors THlet TH2 sera grand (petite vitesse) 2') la polarisation de la base de T5 est suffisante pour qu'il soit con- ducteur entraînant la conduction du transistor T6.Le condensateur C4 se charge rapidement et se décharge dans le circuit em@tteur - base 1 du transistor unijonction T7 (grande vitesse). L'angle de retard k l'amorçage des thyristors TH1 et TH2 est réglable par le potentiomètre variable linéaire PO3 monté à l'avant de la plaque 2 qui affichera bien une vitesse dans le cas de la commande d'un moteur k courant continu. Le potentiomètre F02 ajustera l'angle de e minimal désiré pour une résistance nulle du potentiomètre variable linéaire P03 (affi# chage de la vitesse).Le potentiomètre PO4 ajuste l'angle # maximal pour une résistance maximale du potentiomètre PO3. b - Circuit de puissance Cp commandé par l'interrupteur Kl. Il se compose d'un pont mixte pt2 avec les thyristors THI et TH2 et les D8 et D9 diodes parfaitement connu du technicien. Dans le cas d'une charge inductive et du déclenchement des thyristors par impulsions, il est possible qu'à la fin de l'impulsion de commande, le courant dans le thyristor n'ait pas encore atteint la valeur du courant de maintien. Le réseau RC placé aux bornes de TES et TH2 permet donc un bon amorçage. Une résistance R20 de puissante suffisante placée en série avec l'induit du m@teur M donne à ses bornes une tansion proportionnelle au courant traversant l'induit. Cette tension est exploitée pourle disjoncteur électronique composé essentiellement des transistors Tl, T2, T3 et 74. T1 est un amplificateur transistor k effet de champ les transistors T2 et T3 constituent un bistable tandis que le transistor T4 annule la pola risation du transistor T5 donc bloque les impulsions de commande envoyées aux thyristors TH1 et TH2. En effet, k la mise sous tension la capacité C3 étant déchargée, courtcircuite se momentanément le point i k la masse M, le transistor T2 étant pas polarisé se trouve donc @ bloqué alors que T3 est conducteur reste à cet état. Puisque le transistor T3 est saturé, la tension Vin est sensiblement égale à zéro, le transistor T4 flot polarisé est bloqué. Pour un réglage donné du potentionatre P01, lors d'une surtension aux bornes de la résistance R20, on obtient entre gacheite et source du transistor à effet de champ T1 uns tension qui entratne la conduction du circuit drain- source de T1. I1 en résulte q@e les transistors T1 et T2 sont conducteurs, T3 se bloque, le transistor T4 est polarisé donc conducteur. Cela entraîne que le transistor T5 n'est plus polarisé et que les thyristors TH1 et TH2 ne sont plus commandés. Pour désarmorcer le disjoncteur, on appuie sur le bouton poussoir bp, ce qui entratne le bloquage du transistor T2, la conduction du transistor T3 et le bloquage du transistor TA (si le défaut a disparu). On note que l'utilisation d'un transistor à effet de champ pour T1 est justifiée par la très faible consommation au niveau de la gachette qui ne perturbe donc pas la valeur du potentiel entre curseur et masse au niveau du potes tiomètre PO1. I1 est prévu d'équiper les thyristors TR1 et TH2 pour des raisons de sécu- rité, d'un capot de protection transparent, pour éviter, de la part de l'utilisateur, tout contact avec les dits thyristors qui sont soumis k une tension de 220V. Comme le montre la figure 5, la maquette peut être associée k un nodule de puissance plus performant pour la commande de moteurs courant continu d'une puissance de l'ordre de 3 à 4 KW, alors que la maquette employée seule permet la commande de moteurs d'une puissance maximum de 300 W. Ce module de puissance se compose également d'un coffret support de inSme dimensionnement que celui de la maquette élémentaire sur lequel est fixée d'une manière démontable, une plaque à circuit imprimé. Le dessus de cette plaque supporte, en étant apparents, les semi-conducteurs de puissance Sp, montés sur dissipateurs thermiques, une bobine de lissage B, une résistance F de puissance Rp pour détecter les surcharges, un coupe circuit de protection#, un voyant de mise sous tension V et des bornes de connexions, Les bornes de connexions 5 et 6 permettent le raccordement du module de puissance monophasé avec le réseau, les bornes 1, 8 et 9 et 10 le raccordement avec l'induit et l'inducteur du moteur M1, et les bornes - 11 - 12 - 13 - 14 - 15 le raccordement avec les bornes 111, 121, 131, 141 et 151 de la maquette de commande (figure 4), tous les composants étant apparents ces derniers peuvent comme précédemment faire l'objet de mesure. En conclusion, selon l'invention, la maquette didactique de variation de vitesse k thyristors, permet d'aborder, grâce aux ponts amovibles de liaison entre les différents étages, et les points test; les p@oblème principaux rencontrer en électronique a savoir t redressement double alternance k diodes et thyristors. - filtrage, écrétage et stabilisation notamment par diode zener - amplification en relaxateur (UJT ) - commande des thyristors par impulsion q protection des circuits par fusibles et disjoncteurs électronique. Il est également possible d'étudier l'application de la diode électroluminescenteDE en continu et en alternatif 220 V, le transistor a effet de champ, la commande de charges inductives, etc... Les avantages ressortent bien de la description en particulier on souligne X - les composants sont assez éloignés les uns des autres de façon k pouvoir effectuer des mesures avec un minimum de risques pour le matérial - tous les composants figurent sur la face avant, il est donc possible de relever des signaux électriques en tout point du schéma de fonctionnement - l'opérateur peut se familiariser avec les composants électroniques réels car il les a sous les yeux - en cas de fausse manceuvre, la localisation de l'élément défectueux est très rapide grâce aux points tests, et le remplacement des semi-donducteurs (point vulnérable des circuits) est très aisé car ils sont soudés sur des picots on n'a donc pas à intervenir sur le circuit imprime - tons les étages fondamentaux de l'appareil sont reliés par des ponts débrochables, ils peuvent donc être étudiés séparément sans tenir compte du fonctionnement des autres étages - le repérage des points tests et des ponts correspond à celui du schéma théorique foarni avec l'appareil. Ces derniers permettent d'isoler ou de connecter les étages entre eux suivant un degré de difficulté croissant. En synthèse après l'étude approfondie de tous les étages ou peut commander une charge résistive (lampes k incandescences par exemple, puis une charge inductive (moteur; à courant continu) - le disjoncteur électronique préserve les semi- conducteurs de puissance des surcharges accidentelles - la maquette associée k un module de puissance annexe plus performant offre la possibilité de commander des moteurs à courant continu de l'ordre de 3 à 4 KW. Enfin on note que cette maquette peut être disponible, sous forme de KIT comprenant tous les éléments nécessaires à sa construction, ou complète en état de fonctionnement. L'invention ne se limite aucunement k celui de ses modes d'application non plus qu'k ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant plus spécialement été indiqués g elle en embrasse au contraire toutes les variantes. - REVENDICATIONS -1- Maquette didactique de variation de vitesse k thyristors notamment pour moteurs à courant continu c@ractérisée en ce qu'elle comprend un coffret support portant d'une manière amovible de préférence une plaque à circuit imprimé r@ce- vant sur sa face externe, d'une manière apparente, aisément accessibles on tout points, les composants électroniques correspondant aux différents étages du va riateur de vitesse ainsi que les éléments de réglage, de protection, d signa lisation et de commande de lise sous tension et des éléments de raccordement avec les alimentations alternatives et le moteur t les différents étages fon- damentaux du dit variateur étant reliés pafr des ponts amovibles apparents pour pouvoir les isoler et effectuer différents relevés de mesures électroniques sans tenir compte de l'influence des autres étages, Q partir de points tests apparents connectés sur le circuit du variateur et montés sur la face externe du circuit imprimé, la dite maquette étant agencée pour coopérer avec un module de puissance annexe. -2- Maquette selon la la revendication 1, caractérisée en ce que les différents composants électroniques, transistors, thyristors, diodes, condensateurs et éventuellement résistances, sont soudés sur des picots coopérant avec des douilles êylindriques reliées électriquement au circuit imprimé et traversant l'épaisseur de la plaque. -3- Maquette selon l'une quelconque des revendications 1 et A, caractérisée en ce que la face de dessus de la plaque à circuit imprimé est sérigraphiée pour indiquer tous les symboles et repères correspondant aux différentes composants en vue d'établir le parallèle avec le schéma électrique de principe du varia- teur. .4- Maquette selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 et 3 caractérisée en en ce que les ponts amovibles apparents coopèrent avec des douilles cylindrique. reliées électriquement sur le circuit imprimé du variateur pour pouvoir isoler les différents étages fondamentaux du dit variateur qui sont constitués essen- tiellement par un pont redresseur, un moyen d'écrétage et de stabilisation, rn disjoncteur électronique, un amplificateur en courant, us générateur d'impulsion ou relaxateur, un pont mixte k thyristors et diodes, et un pont d'inducteurs. -5- Maquette selon les revendications 1 et 4 ensembles caractérisée en ce que les points tests sont judicieusement connectés sur les Stages fondamentaux pour étudier notamment le redressement double alternance k diodes et thyristors, le filtrage écretage et st@bilisation notamment par diode zener, l'amplification en relaxateur (U.J.T.), la commande des thyristors par impulsion, la protection des circuits par fusibles et disjoncteurs électroniques. -6. Maquette selon les revendication 1 et 4 et 5 ensemble caractérisée en ce que le schéma électrique de principe dn variateur de vitesse, est conforme k celui illustré k la figure 4 des dessins. -7- Maquette selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisée en ce que le module de puissance comprend un coffret support portant d'une manière amovible de préférence uns plaque k circuit imprimé dont la face externe reçoit d'une manière apparente des composants électroniques et des bornes de connexions. -8- Maquette selon la revendications 7 et l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisée en ce que les composants électroniques com- prennent pour l'essentiel des semi-conducteurs de puissance montés sur dissi Fauteurs thermiques, une bôbiba de lissage, une résistance de puissance pour détecter les surcharges, un coupe circuit de protection et un voyant de mise sous tension ; les bornes de connexions permettant le raccordement du module de puissance avec le réseau, avec l'induit et l'inducteur du moteur et avec la maquette de commande. -9 Maquette selon la revendication 8 caractérisée en ce que le schéma Elec- trique de principe de module de puissance est confonde à celui illustré k la figure 5 des dessins. -10- Maquette selon l'une quelconque des Revendications 1, 4 et 6, caractérisée en ce que les thyristors du pont mixte sont recouverts d'un capot de protection transparent pour éviter de la part de l'utilisateur, t@nt contact avec les dits thyristors qui sont soumis k une tension de 220 V.