Brevet FR2483611A1 — publié le 19811204

L'invention concerne, d'une manière générale, un système de protection pour moteurs asynchrones. Elle a, plus particulièrement, trait à un procédé et un appareilla- ge pour déterminer, à des fins de contrôle, la température d'un moteur asynchrone, afin de protéger le moteur de tou- te surcharge. Les moteurs asynchrones sont actuellement les moins chers et les plus durables des moteurs électriques. Mais, lorsque la température des enroulements d'un moteur asynchrone augmente, la durée de vie de l'isolation des bobines se réduit, cette isolation se détériorant plus ra- pidement aux températures élevées. Pour assurer la longé- vité que l'on souhaite aux moteurs, il est donc nécessaire de surveiller la température des enroulements, pour éviter que cette température n'augmente à des niveaux inaccepta- bles. Il existe différents procédés pour déterminer la température des enroulements du moteur. Le procédé le plus largement utilisé consiste à calculer l'intégrale en fonction du temps de la différence entre la puissance dissipée et la puissance de perte par refroidissement, soit l'intégralej K1(I2-K2 A T)dt, la puissance dissipée étant supposée être proportionnelle au carré de la valeur I du courant dans le moteur, et la puissance de perte par refroidissement étant supposée être proportionnelle à la différence T entre la température des enroulements de moteur et la température ambiante. La valeur de cette intégrale est normalement obtenue au moyen de relais à bilame, le bilame étant chauffé par le courant moteur et refroidi par l'air ambiant. L'inconvénient de ce procédé se trouve dans les différences inévitables entre le moteur et les relais à bilame, en ce qui concerne les constantes de temps pour l'échauffement et le refroidissement, et la température ambiante. Si l'on utilise un équipement électronique basé sur les principes qui viennent d'être énoncés, l'adapta- 24836 1 tion est meilleure en ce qui concerne les paramètres du moteur, mais il est encore nécessaire de faire un certain nombre d'hypothèses en ce qui concerne, par exemple, la température ambiante et la vitesse de refroidissement. Si l'on souhaite déterminer de manière plus pré- cise la température du moteur, il ne reste aucune autre possibilité, actuellement, que de monter un thermomètre sous une forme quelconque dans le moteur même. On peut noyer par exemple des thermistances dans l'enroulement et les raccorder à un équipement extérieur qui calcule la température sur la base des variations de résistance de la thermistance. Ce procédé donne certainement une va- leur correcte de la température du moteur, mais il exige de sortir un câble pour raccordement à l'équipement exté- rieur de mesure. Il-a d'autres inconvénients: défauts d'étalonnage des thermistances et imperfections de raccorde- ment, et obligation de sélectionner les thermistances pen- dant la fabrication du moteur. L'invention a pour objectif la réalisation d'un système de protection d'un moteur contre les surcharges, n'exigeant pas de câble supplémentaire et fournissant néanmoins une indication précise de la température dans le moteur. Cet objectif et d'autres objectifs sont atteints grâce à un procédé et un appareillage permettant de déter- miner, à des fins de contrôle, la température d'enroule- ment d'un moteur asynchrone. Conformément à l'invention, on calcule une valeur représentant la résistance réelle du moteur sur la seule base de la tension appliquée au moteur et du courant circulant dans les conducteurs d'alimenta- tion de ce moteur, et on détermine une valeur de tempéra- ture d'enroulement correspondante à partir de la valeur de résistance calculée. L'invention utilise donc la caractéristique con- nue que le moteur puisse être représenté par un circuit é- quivalent, o les résistances dépendent tant de la tempé- rature que de la vitesse. A partir des valeurs réelles de résistance et de la vitesse de rotation du moteur, il est ainsi possible de déterminer la température de ce moteur. La suite de là description se réfère aux dessins annexés qui représentent: - figure 1, un bloc-diagramme illustrant une réalisation de base de l'appareillage conforme à l'invention, - figure 2, un bloc-diagramme illustrant une réalisation recommandée de l'appareillage conforme à l'invention9 - figure 3, un organigramme illustrant un premier fonction- nement de l'appareillage illustré figure 2, et - figure 4, un organigramme illustrant le mode de fonction- nement de l'appareillage en utilisation continue. L'appareillage illustré figure 1 comporte un pre- mier transducteur 1 qui fournit un signal correspondant au courant moteur, et un second transducteur 2 qui fournit un signal correspondant à la tension moteur. Un premier cir- cuit calculateur 3 est couplé en sortie du transducteur 1 et calcule la vitesse du moteur sur la base du spectre d'har- moniques du courant moteur, lequel dépend du glissement et9 en conséquence, de la vitesse du moteur. Une description plus détaillée du mode de calcul est faite dans la demande de brevet déposée le même jour par la de- manderesse pour "Procédé et appareillage pour détecter la vitesse d'tu moteur asynchrone". Un second circuit cal- culateur 4 est couplé en sortie des transducteurs 1 et 2 ainsi qu'à la sortie du premier circuit calculateur 3; il calcule les valeurs de résistance moteur sur la base des signaux d'entrée qu'il reçoit. Dans le comparateur 5 qui suit le circuit calculateur 4, les valeurs fournies par ce dernier sont comparées à des valeurs de référence enregis- trées dans une mémoire 6. Si les valeurs instantanées calculées sont supérieures aux valeurs de référence, le circuit d'alarme 7 est déclenché. On a représenté figure 2 une réalisation préfé- 248361 i rentielle de l'appareillage conforme à-l'invention. On retrouve les transducteurs 1 et 2 de la figure 1, ainsi que le circuit calculateur 3 qui fournit une valeur re- présentant le glissement s. L'appareillage de la figure 2 comporte, de plus, un circuit de détermination de pha- se 8 qui reçoit les signaux de sortie des transducteurs 1 et 2 et fournit une valeur correspondant au déphasage entre le courant moteur et la tension moteur. Les sorties des circuits 1, 2, 3, 8 sont raccordées aux entrées d'un multiplexeur 9, lequel comporte d'autres entrées raccordées aux moyens de réglage 10-13; ces derniers se présentent sous la forme de potentiomètres de réglage manuel de la vi- tesse nominale du moteur Nn, du courant nominal du moteur In, du rapport Ms/Mn du couple de démarrage au couple à la 15. charge nominale, ainsi que de la température de démarrage Ts et de la résistance du moteur R20 à 200C. Le multi- plexeur est couplé en sortie, par un convertisseur analogi- que/numérique 14, à une unité de calcul 15 à microproces- seur. L'unité de calcul 15 est reliée, en sortie, au cir- cuit d'alarme 7 analogue au circuit portant la même réfé- rence sur la figure 1. Le fonctionnement de l'appareillage illustré figure 2 peut être divisé en deux phases: une phase d'i- nitialisation ou phase de démarrage, et une phase d'utili- sation normale. L'organigramme de la figure 3 illustre la phase de démarrage. Comme illustré, on passe-du bloc A (démar- rage) au bloc B (initialisation), o l'unité de calcul 15 est préparée, les valeurs requises étant introduites de manière à rendre possible l'exécution des programmes. (Les blocs B à I correspondent-en fait au programme de démarra- ge lui-même). On introduit ensuite (bloc C) les valeurs de vitesse nominale Nn, de courant nominal In, de rapport couple de démarrage/couple à la charge nominale Ms/Mn, de même que la température ambiante ou de démarrage Ts. Par ailleurs, un bloc d'aiguillage (D) définit s'il s'a- 248361^ gît d'un premier démarrage. Les valeurs établies sont transférées, par l'intermédiaire du multiplexeur analogi- que 9 et du convertisseur analogique/numérique 14, à l'unité de calcul 15 o elles sont mises en mémoire. La valeur Ms/Mn est d'abord convertie en une valeur Q qui correspond au rapport Rl/R2 entre la résistance de sta- tor et la résistance de rotor. Dans le bloc D, est éta- bli, comme il a été dit, s'il s'agit ou non d'un premier démarrage. Si oui, le transfert se fait sur le bloc E; les valeurs en provenance des transducteurs 1 et 2 sont alors transférées dans l'unité de calcul, de même que les valeurs en provenance des circuits 3, 8 et 13. Avec ces valeurs, l'unité de calcul peut calculer la résistance équivalente du moteur à la température Ts comme suit: O R = (U/I.cos #). Q. (1+s)/s, de même que la résistance correspondante à 200C (R20) selon la formule R = R20 (1 + yK (Ts - 20)), avec oi'- 0,0039 Au moyen du potentiomètre 13, la valeur de la résistance moteur à 200C est alors introduite. Cela se fait à l'aide d'une diode émettrice de lumière (non repré- sentée) qui s'éteint lorsque le potentiomètre 13 se trouve correctement réglé. Dans le bloc G qui suit, et auquel le programme parvient directement s'il ne s'agit pas d'un premier démarrage (c'est-à-dire lorsque le potentiomètre 13 est réglé à la valeur correcte de résistance moteur à C), se fait un calcul des coefficients de l'intégrale mentionnée ci-dessus, qui, introduite dans ce cas par codification numérique, a la forme d'une somme e K1 (i 2 _ K2 t T) A t, o KI et K2 dépendent des propriétés thermiques, de la mas- se, du matériau et du refroidissement du moteur. Les mo- teurs asynchrones modernes présentent les mêmes caractéris- tiques en ce qui concerne ces valeurs, et le facteur pré- pondérant est la dimension totale du moteur. Une mesure correcte est donnée par le courant nominal du moteur, pour lequel on a déjà introduit une valeur dans l'unité de cal- cul 15. Avec cette valeur, on obtient une valeur pour la constante Kl, et deux valeurs pour la constante K2 (une valeur pour un moteur en fonctionnement et une valeur pour un moteur fixe, puisque le refroidissement n'est pas le même pour ces deux cas). Dans le bloc H, la valeur de R20 est introduite dans l'unité de calcul 15, à partir du circuit 13, par l'intermédiaire du multiplexeur 9 et du convertisseur analogique/numérique 14. Cette valeur est mise en mé- moire, et la phase de démarrage est terminée. L'unité de calcul passe alors au programme d'u- tilisation proprement dit, dont l'organigramme est illus- tré figure 4. En K sont introduites les informations, comme précédemment pour le bloc E. Mais la séquence d'en- trée diffère en ce que les valeurs de glissement s sont comprises tant comme première que comme dernière valeurs, pour comparaison l'une avec l'autre. En L, on calcule la somme partielle K1(I2-K2.,&T) qu'on cumule à la valeur préalablement obtenue !E K1(I2-K2 AT) At représentant la température de l'en- roulement moteur. Pour que la température d'enroulement fournie sur la base de la résistance moteur ait un sens, il faut que la valeur de glissement s soit réellement la valeur correcte, et que les conditions de fonctionnement aient été stables pendant la courte période d'introduction des données, puisque la valeur de glissement s doit être la même avant et après l'entrée des données. Une autre con- dition pour l'exactitude de la valeur de glissement s introduite est que le courant moteur ne doit pas être supérieur au courant nominal de plus de 50% environ. En M, on effectue une vérification pour voir si ces deux con- ditions sont satisfaites. Si oui, on effectue en N le même calcul de résistance qu'en E précédemment. Pour ré- duire l'effet de valeurs éventuellement incorrectes, ou arrondir les erreurs, on effectue un calcul de valeur mo- yenne selon la formule: Rn = 15/16.Rn_1 + 1/16 R, R étant la dernière valeur de résistance calculée. La valeur Rn est ensuite convertie en une valeur de tempéra- ture de la même manière qu'en E précédemment. En 07 on compare la valeur de température calcu- lée en N à la valeur obtenue en L formée par addition de sonmes partielles La valeur formée par addition est re- mise à jour à la valeur obtenue par détermination de ré- sistance. De plus, le coefficient de refroidissement X2 peut être remis à jouro On passe ensuite au bloc Ro Si les conditions vérifiées en N ne sont pas sa- fisfaites, on passe directement au bloc R, par l'intermé- diaire du bloc P qui introduit un retard pour définir un temps final de boucle constant quel que soit le résultatd de la vérification en M. En R, la valeur de température instantanée est comparée à une temperature d'alarme TalarmO Si la température instantanée n'est pas supérieure à la température d'alar- me, le circuit d'alarme 7 n'est pas déclenché; Talarm est réglée par exemple à 140 C, et, au cours de l'exécution suivante, on utilise la valeur de K2 qui correspond à un moteur en fonctionnement. Si la température instantanée est supérieure à la température d'alarme, le circuit d'a- larme 7 est déclenché; Talarm est réglée par exemple à C, et, au cours de l'exécution suivante, on utilise la valeur de K2 qui correspond à un moteur en régime sta- tionnaire. En déclenchant le circuit d'alarme, on arrête le moteur. Lorsque le moteur est en régime stationnaire, il n'est pas possible d'utiliser la résistance calculée pour obtenir la température moteur. A la place, on utilise la valeur de température qui est obtenue par calcul dans le bloc L. Des blocs S et T, on revient au bloc K, et le programme-d'utilisation se répète. En résumé, on peut dire que la détermination de la température d'enroulement d'un moteur asynchrone confor- 248361 i mément à l'invention se fait en dérivant de façon répétée la valeur de la somme ou intégrale précédemment mentionnée, et par mise à jour de la valeur de température ainsi ob- tenue, cette température d'enroulement étant basée sur une détermination de la valeur de résistance instantanée du moteur. 24836 1 REVENDICATIONS 1) Procédé pour déterminer, à des fins de contrô- le, la température d'enroulement d'un moteur asynchrone, caractérisé en ce qu'il consiste à calculer une valeur représentant la résistance instantanée du moteur sur la seule base de la tension appliquée à ce moteur et du cou- rant qui circule dans ses conducteurs d'alimentation, et à former une valeur de température d'enroulement corres- pondante à partir de la valeur de résistance calculée. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul est effectué sur la base des ampli- tudes de la tension et du courant, ainsi que du glisse- ment du moteur, à partir du spectre harmonique du courant moteur. 3) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caracté- risé en ce que le calcul de la valeur représentant la ré- sistance instantanée du moteur est répété à intervalles prédéterminés, les valeurs ainsi calculées les unes à la suite des autres étant pondérées pour obtenir une va- leur qui est utilisée pour obtenir la valeur de tempéra- ture d'enroulement. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant de calculer la valeur représentant la résis- tance instantanée du moteur, on effectue une vérification pour savoir si les paramètres utilisés-pour le calcul sa- tisfont des conditions prédéterminées, et, si ce n'est pas le cas, on effectue un calcul parallèle sur la base de la différence entre la puissance dissipée et la puissance de perte de refroidissement, le résultant étant utilisé pour obtenir une valeur de température d'enroulement. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur de température d'enroulement obtenue à partir de la valeur de résistance calculée est utilisée pour mettre à jour la valeur de température d'enroulement qui est calculée sur la base de la différence entre la puissance dissipée et la puissance de perte par refroidis- 24836 1 sement. 6) Procédé selon les revendications 4 ou 5, carac- térisé en ce que le calcul parallèle est utilisé lorsque le courant moteur est supérieur au courant nominal d'au moins 50% et/ou lorsque le glissement se situe à l'exté- rieur d'une gamme allant de 0,01 à 0,1. 7) Procédé selon les revendications 1 ou 2, carac- térisé en ce qu'on produit une valeur de température d'en- roulement à partir de la valeur de résistance calculée, sur la base d'une valeur de résistance établie pour une valeur de température donnée. 8) Appareillage de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, pour déterminer, à des fins de con- trôle, la température d'enroulement d'un moteur asynchrone, caractérisé en ce qu'il comporte des transducteurs (1, 2) pour le courant moteur et la tension moteur, et des moyens de calcul pour fournir: (8) un signal représentant la diffé- rence de phase entre courant moteur et tension moteur; à partir du courant moteur (3), un signal représentant le glis- sement du moteur; un signal représentant la valeur de ré- sistance instantanée du moteur; et, à partir de la valeur de résistance, un signal représentant la valeur de tempé- rature d'enroulement du moteur. 9) Appareillage selon la revendication 8, caracté- risé en ce qu'il comporte, de plus, un multiplexeur (9) pour introduire séquentiellement les signaux d'entrée dans les moyens de calcul (15). ) Appareillage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, un certain nombre de poten- tiomètres (10 à 13' pour transférer aux moyens de calcul (15), par l'intermédiaire du multiplexeur (9), un certain nombre de constantes dépendant du moteur.