Brevet FR2465357A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un système moteur- onduleur aux caractéristiques de commande différentes pour la tension et la fréquence de l'onduleur. De nombreux systèmes utilisent maintenant des thy- ristors ou autres composants de commutation faisant partie du circuit d'un onduleur, qui reçoit la tension en courant continu d'une barre omnibus et fournit une tension alterna- tive de sortie destinée à l'alimentation d'un moteur élec- trique à induction. Le moteur à son tour est connecté méca- niquement à une charge. Un pont en courant continu ou au- tre composant d'entrée reçoit généralement une tension al- ternative par une ligne d'entrée, et en fonction d'un si- gnal de commande, produit une tension de niveau réglable sur la barre en courant continu pour l'alimentation de l'onduleur. La fréquence de l'onduleur est commandée par un système logique, dans lequel un oscillateur à commande par tension ou un composant similaire a sa fréquence régu- lée de façon à réguler à son tour la fréquence de fonc- tionnement de l'onduleur, commandant ainsi la fréquence de la tension de l'onduleur. Dans de tels systèmes, il est de pratique courante de commander l'amplitude de la tension de l'onduleur et sa fréquence de façon linéaire, selon les mêmes caractéristi- ques de commande. Ce mode de fonctionnement est fréquemment 2. appelé "fonctionnement à rapport tension/fréquence constant" ou fonctionnement à volts/hertz constants. Ce fonctionnement a pour but d'assurer qu'à des niveaux de puissance élevés, il y ait un courant suffisant dans les circuits magnétiques du moteur pour maintenir le niveau de couple souhaité. Cer- tains spécialistes de cette technologie ont reconnu la pos- sibilité de commander l'amplitude de la tension et la fré- quence de la sortie de l'onduleur d'une manière autre qu'en ayant un rapport V/f constant. Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.467.904 ayant pour titre: "Speed Control System Utilizing Constant Amplitude Voltage of Variable Frequency to Energize an Electric Motor" du 16 septembre 1969 au nom de la demanderesse décrit un moyen d'obtention d'une tension de sortie d'un onduleur dans le- quel on fait varier la fréquence-pour commander la vitesse de moteur, alors que l'amplitude de la tension est maintenue constante. Naturellement, cela permet de simplifier la cons- truction du pont redresseur d'entrée, qui peut être constitué de composants passifs de façon à produire une tension con- tinue constante sur la barre omnibus pour l'alimentation de l'onduleur. Cependant, un tel système n'a pas la souplesse suffisante pour donner la caractéristique de commande sou- haitée de la tension, dont les variations sont différentes de la caractéristique de fréquence de la tension de sortie de l'onduleur. La présente invention a par conséquent pour objet de prévoir un système de commande d'onduleur-moteur permet- tant la régulation à la fois de la fréquence et de l'ampli- tude de la tension de sortie de l'onduleur, mais en faisant appel à des courbes caractéristiques différentes, pour l'ob- tention de la fonction de commande globale souhaitée. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un agencement qui, en conjonction avec le pont d'entrée en courant continu, permette la régulation du fonc- tionnement de tout le système d'une manière telle que le facteur de puissance du système ne soit pas amoindri alors que la charge passe d'une charge égale à 100 % de la charge 3. nominale à une valeur notablement inférieure. Un système de commande construit selon la présente invention présente de l'intérêt lorsqu'il est utilisé avec un onduleur connecté de façon à entraîner un moteur élec- trique. L'onduleur produit une tension alternative de sor- tie dans une ligne de sortie connectée au moteur, lorsqu'il est alimenté par une tension continue provenant d'une barre omnibus. Un pont à courant continu contrôlable alimente la barre à courant continu avec la tension continue. Le système de commande comprend unnoyen de circuit fournissant un signal de commande qui varie en fonction de l'amplitude du courant du moteur. Ce signal est utilisé pour commander la fréquence de la tension alternative de sortie de l'onduleur. En particulier, selon la présente invention, un circuit à tension constante est couplé au moyen de circuit, et est connecté de façon à produire un signal de commande modifié. C'est ce signal modifié qui permet la régulation du fonctionnement du pont d'entrée à courant continu, régu- lant ainsi l'amplitude de la tension de la barre omnibus à courant continu. La tension est régulée de façon que, alors que la charge du système passe de 100 % à une valeur notablement inférieure à 100 %, la fréquence de la tension de sortie de l'onduleur soit réduite progressivement, mais l'amplitude de la tension alternative de sortie de l'anduleur reste sensiblement constante. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, la tension est mainte- nue constante jusqu'à 70 % de la charge, puis décroît linéai- rement simultanément à la décroissance de la fréquence de fonctionnement de l'onduleur. De cette façon, on évite un dé- phasage du pont d'entrée dans cette plage de décroissance de la charge, et il en résulte que la détérioration du fac- teur de puissance est évitée. Cela permet d'obtenir une économie considérable d'énergie avec comme conséquence une diminution des factures d'électricité. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en relation avec les dessins 4. ci-joints dans lesquels La figure 1 est un schéma sous forme de blocs d'un agencement pont-onduleur-moteur, un système de commande étant connecté selon la présente invention; La figure 2 est un graphique permettant de com- prendre le fonctionnement du dispositif de la présente inven- tion; et La figure 3 est un schéma représentant un mode par- ticulier de réalisation de la présente invention. Comme représenté en figure 1, un onduleur 10 est connecté de façon à fournir une sortie en courant alternatif sur une ligne 11, pour la commande d'un moteur 12 qui est cou- plé par un arbre 13 à une charge mécanique 14. Le dispositif de la présente invention est destiné à être utilisé avec une charge importante par exemple avec un turbocompresseur d'un système de réfrigération. Cependant, l'homme de l'art com- prendra que la présente invention s'applique à d'autres combi- naisons onduleur-moteur, dans lesquelles un pont d'entrée ré- glable à courant continu 15 reçoit une tension par une ligne d'entrée alternative 16 et fournit une tension continue de sortie réglable sur une barre 17. Un filtre LC 18 est con- necté entre la sortie du pont et la partie de la barre à cou- rant continu qui alimente l'onduleur 10. Le fonctionnement du pont à courant continu est régulé en fonction de signaux trans- mis par une ligne 20 et provenant d'un circuit 21 de déclen- chement de pont, qui à son tour reçoit un signal de commande par une ligne 22. La fréquence de la tension de sortie de l'onduleur est déterminée par des signaux reçus par l'ondu- leur sur une ligne 23 en provenance d'un étage 24, comprenant des étages logique et pilote pour le passage de signaux de déclenchement destinés aux commutateurs de l'onduleur en fonc- tion de signaux de rythme transmis par une ligne 25 provenant d'un oscillateur contrôlé par tension 26. A son tour, l'os- cillateur 26 est régulé par un signal de commande provenant d'une ligne 27. Dans les systèmes classiques o la tension et la fréquence sont régulées ensemble de façon que le rapport 246535' 5. V/f soit constant, comme l'angle d'amorçage des thyristors du pont 15 est déphasé, le facteur de puissance de la ligne d'entrée 16 est très mauvais. Cela se traduit par l'utilisa- tion d'une puissance supplémentaire et par conséquent par l'augmentation des dépenses en énergie, en particulier pour les faibles charges o le facteur de puissance est encore plus mauvais. Selon la présente invention, un système de commande comprend un moyen, en particulier un circuit à tension constante 31, pour régler le fonctionnement du pont à courant continu d'une manière différente de celui de l'étage à os- cillateur contrôlé par tension de façon à fournir une carac- téristique de la tension de sortie de l'onduleur différente de celle de sa fréquence de sortie. D'une façon plus détail- lée, le système de commande 30 comprend un étage générateur de fonction 32 produisant un certain signal de commande et appliquant ce signal à un conducteur de référence 33 pour la régulation à la fois de la fréquence et de l'amplitude de la tension de sortie de l'onduleur. Dans ce système, l'éta- ge de détection du courant du moteur 34 reçoit un signal de détection du courant du moteur par une ligne 35 provenant d'un transformateur de courant 36, couplé à la ligne de sor- tie 11 entre l'onduleur 10 et le moteur 12. L'étage 34 four- nit alors un signal de modification par une ligne 37 au gé- nérateur 32 de façon à faciliter l'obtention du signal de commande sur la ligne 33. Les détails précis du circuit des étages 32 et 34 ne sont pas décrits, en ce sens que les étages peuvent être grosso-modo considérés comme des moyens de circỉt qui ont pour but de fournir un signal de comman- de variant en fonction du niveau du courant du moteur, et être utilisés pour commander la fréquence de la tension al- ternative de sortie de l'onduleur en fonction du signal de commande de la ligne 33. Cela est réalisé par l'application du signal de commande de la ligne 33 par une ligne 27 à l'oscillateur 26, régulant les circuits logique et pilote pour la commande de la fréquence de commutation à l'intérieur de l'onduleur 10 et régulant ainsi la fréquence de la tension 6. alternative fournie par cet onduleur. Un contrôleur 40 reçoit un signal d'entrée par une ligne 41 en provenance de la barre à courant continu, représentatif du niveau de la tension continue appliquée à l'onduleur. Le signal de sortie du contrôleur 40 est trans- mis parune ligne 22 dans le but de réguler le rythme du circuit 21 de déclenchement du pont, lequel détermine à son tour le moment de chaque cycle o les thyristors ou au- tres commutateurs du pont 15 seront mis en oeuvre, régulant ainsi l'amplitude de la tension continue fournie à l'ondu- leur. Il est classique, dans le but d'obtenir un fonctionne- ment à rapport V/f constant, que le contrôleur reçoive un signal d'entrée provenant de la ligne 33, de façon que sa sortie ou signal de commande modifié varie suivant la même caractéristique que celle des variations de fréquence repré- sentée généralement par la courbe 42 de la figure 2. Cependant, selon la présente invention, le circuit à tension constante 31 est interposé entre le conducteur 33 et le contrôleur, fournissant un signal dans une ligne 43 destinée à modifier le fonctionnement du contrôleur 40 et à produire un signal de commande modifié sur la ligne 22. En bref, le circuit à tension constante 31 fonctionne de façon à fournir un signal sur la ligne 43, suivant une caractéris- tique correspondant à la courbe 44 de la figure 2. C'est-à- dire que l'étage 31 a un gain beaucoup plus grand pendant la première partie du spectre de fonctionnement du système, de sorte qu'à 70 % de la pleine charge, la tension de la barre 17 est déjà au niveau correspondant à 100 % de la tension nominale, bien que la fréquence reste très inférieure à la fréquence normale de fonctionnement de l'onduleur. Cela est important parce que, le système fonctionnant à pleine charge, puis revenant ensuite en arrière, s'il en est de même du pont , il y a un mauvais facteur de puissance entre la ligne d'entrée 16 et le réseau. Une puissance réactive plus grande est nécessaire pour répondre à une demande donnée, et cela se traduit par une dépense correspondante inutile en énergie. Cependant, en maintenant l'amplitude de la tension de la bar- 7. re à courant continu à 100 % alors que le système est ramené à un niveau de fonctionnement sensiblement inférieur à une charge de 100 %, le déphasage du pont est évité et par con- sequent un bon facteur de puissance est obtenu. A titre de précision, la réduction des conditions de fonctionnement à un niveau sensiblement inférieur à une charge de 100 % si- gnifie une réduction à au moins 80 % de la charge nominale, bien que dans le mode de réalisation particulier de la pré- sente invention on ait trouvé préférable de réduire ce point de fonctionnement à 70 % de la pleine charge avant que la tension de la barre à courant continu ne diminue. Au sens large, l'étage 31 à tension constante est prévu pour augmenter le gain du signal fourni par la ligne 43 au contrôleur, par opposition au niveau du signal fourni par la ligne 27 à l'oscillateur à commande par tension, fournissant la meilleure régulation du facteur de puissance venant d'être décrite. Pour obtenir ce gain plus élevé, l'amplificateur 3302 représenté dans la figure 3 est relié par une résistance de 20K au conducteur 31. Cet amplifica- teur fournit le gain approprié permettant d'obtenir le gain ou pente de la courbe 44 de la figure 2. La résistance de K est un composant qui peut être simplement enlevé, par exemple par une pince coupante, de façon à modifier le fonctionnement de l'amplificateur 3302 et produire sur la ligne 43 une tension qui est exactement celle de la ligne 31. C'est-à-dire que l'amplificateur 3302 et son circuit asso- cié sont modifiés de façon à avoir un gain unitaire lorsque la résistance 100K est enlevée, et cela permet d'obtenir un fonctionnement à rapport V/f constant, correspondant à la courbe 42 de la figure 2. L'amplificateur 2902 sert-de dis- positif de limitation de façon à assurer que le signal de sortie de la ligne 43 ne dépasse pas un certain niveau par exemple 10 volts, ce qui est également le niveau maximum du signal de la ligne 31. Cependant, la résistance 100K étant placée dans le circuit, la tension de la barre à courant con- tinu est maintenue à son niveau maximum pour une charge pas- sant de 100 % à 70 %, bien que la fréquence déterminée par 8. le signal de la ligne 33 soit réduite comme indiqué par la courbe 42 de la figure 2. Cela a pour effet d'éliminer la mauvaise valeur du facteur de puissance à l'entrée de l'on- duleur. En conséquence, il y a réduction de la puissance réelle prélevée au réseau, en ce sens que le moteur à induc- tion peut tourner à une fréquence plus faible avec les éco- nomies d'énergie résultant des caractéristiques du système. La présente invention, contrairement aux systèmes onduleur-moteur qui sont commandés à des amplitudes et des fréquences réduites au moment du démarrage, a été mise au point de façon à maintenir une tension maximum à la barre à courant continu connectée à l'onduleur pour une charge pas- sant de 100 % à environ 70 %, alors que la fréquence décroît linéairement dans cette plage de fonctionnement. On préfère utiliser un moteur conçu spécialement pour un tel service. Dans le mode particulier de réalisation de la présente in- vention, un moteur du type décrit dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique n0 4.182.137 du 8 janvier 1980, ayant pour titre: "Liquid Cooling System for Hermetically Sealed Electric Motor" au nom de la demanderesse était utilisé. D'autres types de moteurs peuvent naturellement le remplacer, mais un tel agencement a été utilisé dans ce mode particulier de réalisation de la présente invention, et son emploi est recommandé. Dans les revendications, l'expression "connecté" signifie une connexion en courant continu entre deux compo- sants, la résistance en courant continu étant virtuellement nulle entre les composants. L'expression "couplé" signifie qu'il y a une relation fonctionnelle entre les deux composants avec interposition éventuelle d'autres éléments entre ces com- posants décrits comme étant "couplés". - La présente invention n'est pas limitée aux exem- *ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 9. REVENDICATIONS 1 - Système de commande (30) d'un onduleur (10) connecté de façon à commander un moteur électrique (12), l'onduleur fournissant une tension alternative sur une ligne de sortie (11) raccordée au moteur lors de la réception d'une tension continue provenant d'une barre omnibus à courant continu (17), et d'un pont à courant continu contrôlable (15) connecté de façon à fournir la tension continue à la barre à courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens de circuit (34, 32) connectés de façon à fournir un signal de commande variant en fonction du niveau du courant du moteur; et - un circuit à tension constante (31), couplé aux moyens de circuit et connecté de façon à fournir un signal de commande modifié (par une ligne 22) pour réguler le fonc- tionnement du pont à courant continu et réguler ainsi l'ampli- tude de la tension de la barre à courant continu, pour réguler l'amplitude de la tension alternative de sortie de l'onduleur d'une manière telle que, alors que la charge de l'onduleur passe de 100 % à une charge sensiblement inférieure à 100 %, la fréquence de la tension alternative de sortie de l'onduleur est progressivement réduite, mais son amplitude reste sen- siblement constante. 2 - Système de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fonctionnement à charge réduite correspond à une charge égale à 80 % ou moins de la pleine charge. 3 - Système de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fonctionnement à charge réduite correspond à 70 % de la pleine charge. 4 - Système de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de circuit comprennent un étage détecteur du courant du moteur (34), un transforma- teur de courant (36) couplé à la ligne de sortie de l'ondu- leur pour fournir un signal variant avec le courant du mo- teur circulant dans l'étage de détection du courant de moteur, et un circuit générateur de fonction (32) couplé en- 10. tre l'étage de détection du courant de moteur et le circuit à tension constante,de façon à fournir le signal de comman- de permettant la régulation de la fréquence de fonctionnement de l'onduleur. 5 - Système de commande (30) pour système de transfert de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur électrique (12) connecté à une charge (14), un ondu- leur (10) connecté par une ligne de sortie (11) au moteur de façon à l'alimenter avec une tension alternative d'amplitude variable et de fréquence variable, un pont à courant continu (15) couplé entre une ligne d'entrée en courant alternatif et une barre omnibus à courant continu alimentant l'onduleur de façon à fournir une tension continue réglable qui détermine l'amplitude de la tension alternative de sortie de l'onduleur, des moyens de commande de fréquence (32-34) connectés de façon à détecter le niveau de courant fourni au moteur et à produire un signal de commande pour réguler la fréquence de la tension de sortie de l'onduleur conformément à une premiè- re fonction, et un circuit à tension constante (31), connec- té entre les moyens de commande de fréquence et un contrôleur (40) de barre à courant continu, servant à modifier le fonc- tionnement du contrôleur de façon qu'il produise un signal de commande modifié (sur une ligne (22)) destiné à réguler l'amplitude de la tension de sortie de l'onduleur conformé- ment à une seconde fonction différant de la première grâce à laquelle la fréquence de sortie de l'onduleur est régulée. 6 - Système de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première fonction est une fonction virtuellement linéaire entre la fréquence de la tension de sortie de l'onduleur et la charge de 1'onduleur lorsque la charge passe de 100 % à un niveau réduit sensiblement infé- rieur à 100 %, et en ce que la seconde fonction ne provo- que virtuellement aucun changement de l'amplitude de la ten- sion de sortie de l'onduleur entre la pleine charge et le niveau de charge réduit. 7 - Système de commande selon la revendication 6 caractérisé en ce que le niveau de charge réduit correspond sensiblement à 70 % de la pleine charge. 8 - Procédé de commande d'un onduleur connecté de façon à alimenter un moteur électrique lorsqu'il est ali- menté par une barre omnibus à courant continu à partir d'un pont à courant en continu, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la détection du niveau de courant fourni au moteur pour produire un signal de commande; - l'utilisation du signal de commande pour régu- ler la fréquence de la tension de sortie de l'onduleur; - la détection du niveau de la tension en courant continu fournie à l'onduleur; - le fonctionnement à partir du signal de commande, régulant la fréquence de l'onduleur pour produire un signal intermédiaire; - la combinaison du signal intermédiaire avec le signal de niveau de tension continu de façon à fournir un si- gnal de commande modifié; et - l'utilisation du signal de commande modifié, pour réguler l'amplitude de la tension de la barre à courant continu, fournie à l'onduleur.