Brevet FR2479474A1 — publié le 19811002

L'invention concerne un procédé et un appareillage pour détecter la vitesse d'un moteurasynchrone. Détecter la vitesse d'un moteur asynchrone s'est révélé nécessaire pour un nouveau système de protection de ce moteur contre les surchauffes. Pour que le système évo- qué soit cohérent, il est souhaitable que l'appareillage de détection n'exige pas le raccordement de conducteurs sup- plémentaires au moteur. L'invention a donc pour objectif un procédé et un appareillage de détection de vitesse satisfaisant aux con- ditions énoncées, c'est-à-dire n'exigeant pas le raccord de conducteurs supplémentaires au moteur. Conformément à l'invention, le spectre des harmo- niques existant dans le courant moteur est utilisé; plus précisément, les composantes du courant moteur situées dans une bande de fréquences en deçà d'une harmonique donnée de la fréquence fondamentale du courant moteur sont isolées, la différence de fréquence entre l'harmonique et au moins l'une de ces composantes est déterminée, et le glissement et, en conséquence, la vitesse du moteur sont déterminés à partir de la différence de fréquence. L'appareillage de mise en oeuvre du procédé con- forme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un filtre passebande pour isoler les composantes du courant moteur dans une bande de fréquences en deçà d'une harmoni- que donnée de la fréquence fondamentale de ce courant mo- teur, ainsi que des circuits pour déterminer le glissement, et en conséquence la vitesse, du moteur à partir de la dif- férence de fréquences entre l'harmonique et au moins l'une des composantes du courant moteur. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent - figure 1, une illustration schématique du spectre de fré- quence du courant moteur d'un moteur asynchrone, - figure 2, un exemple de réalisation de l'appareillage de détection conforme à l'invention, - figure 3, une illustration schématique d'un deuxième exem- ple de réalisation de l'appareillage conforme à l'invention, - figure 4, le circuit des différentes parties de l'appa- reillage de la figure 3, et - figure 5, un exemple de la caractéristique souhaitable pour le filtre passe-bande compris dans l'appareillage. On voit figure 1 que, dans le courant moteur d'un moteur asynchrone, il y a - à part la fréquence fonda- mentale fo, normalement de 50 Hz - des harmoniques impairs de fréquence m.fo, m étant égal à 3, 5, 7, 9,.. L'ampli- tude de ces harmoniques est naturellement beaucoup plus faible que celle de la fréquence fondamentale; en-deçà de chaque harmonique, même de très faible amplitude, se si- tue un spectre de fréquences que l'on a représenté pour le seul harmonique 9fo sur la figure. Ces composantes du courant moteur sont dues à la présence de fer et à la géomé- trie des encoches du moteur. Les propriétés magnétiques non-linéaires du fer donnent ainsi lieu à la formation d'harmoniques de la fréquence fondamentale, c'est-à-dire de la fréquence du réseau que l'on retrouve dans le stator, ainsi que de la fréquence fondamentale que l'on retrouve dans le rotor et qui est égale à la fréquence du réseau multipliée par le glissement. Dans le spectre qui se trou- ve en-deçà d'un harmonique, la différence de fréquence vis- à-vis de l'harmonique est de la forme n. s. fo, avec n 1, 2, 3,..., et s étant le glissement. La plus nette de ces composantes est celle pour laquelle n = 10, ou n = 14. Pour n supérieur à 20, l'amplitude est très faible par rapport aux précédentes valeurs de n. En pratique, l'invention a l'avantage de déter- miner le glissement à partir de la différence de fréquence évoquée, ce qui permet d'obtenir la vitesse du moteur. Ainsi, la différence de fréquence peut être mesurée entre un harmonique de la fréquence de stator et la fréquence la plus nette dans le spectre situé juste en-deçà de cet harmonique. Dans l'exemple illustré figure 2 d'appareillage de détection conforme à l'invention, on a prévu un filtre passe-bande 1 qui, par l'intermédiaire d'un transformateur de courant 2, reçoit un signal correspondant au courant de l'enroulement de stator d'un moteur triphasé 3. Le filtre passe-bande es raccordé en sortie à-un détecteur d'enveloppe 4, ce dernier recevant donc un signal dont les fréquences se situent à l'intérieur d'une bande de fréquences choisie pour se trouver en-deçà d'un harmoni- que donné de la fréquence stator, et incluant également cet harmonique. Le détecteur 4 fournit un signal qui correspond à l'enveloppe du signal de sortie du filtre passe-bande. La fréquence d'enveloppe est, d'une manière pré- déterminable, fonction du glissement, et la vitesse N du moteur 3 peut donc aisément être déterminée à partir de la relation: N = N1(1-s), N1 étant la vitesse synchrone (en tours par minute). Comme on l'a illustré figure 3, une boucle à verrouillage de phase 5 peut être raccordée en sortie du filtre passe-bande à la place du détecteur d'enveloppe illustré figure 2. La boucle à verrouillage de phase 5 se verrouille sur la fréquence de plus grande amplitude. Un détecteur de cycle ou périodemètre 6, couplé en sor- tie du circuit 5, permet de mesurer, de manière connue, la durée d'une période de la fréquence sur laquelle le circuit 5 est bloqué. Le circuit 7, qui suit le détec- teur de cycle 6, permet de déterminer le glissement s, et par suite la vitesse du moteur, à. partir de la période de l'harmonique considérée et de la période mesurée par le détecteur 6. Si deux ou plusieurs fréquences ont sensiblement: la même amplitude dans le spectre en sortie du filtre passe-bande, la mesure, dans l'exemple de la figure 3, est basée sur la composante de signal pour laquelle le rang n de l'harmonique est le plus élevé. Par suite, on n'obtiendra qu'une mesure relative du glissement ou de la déviation à partir de la vitesse synchrone. Pour déterminer la valeur absolue de la vitesse, il faut, dans ce cas, dé- terminer le rang n pour la composante considérée, ce qui peut être fait par analyse de fréquences du spectre étudié. En variante, les données des mesures faites sur le courant et la vitesse calculée peuvent être comparées avec les don- nées nominales du moteur. On peut encore-, en variante, transférer le si- gnal variable dans le temps obtenu en sortie du filtre passe-bande 1, à un dispositif conçu pour effectuer une transformation rapide de Fourier, de manière à obtenir le spectre harmonique, les différences de fréquence considé- rées ainsi que le glissement et la vitesse du moteur pou- vant alors être aisément calculés. On a illustré figure 4 un exemple de réalisation recommandé du filtre passe- bande 1 et de la boucle à ver- rouillage de phase 5 de la figure 3. Le filtre passe-ban- de 1 se compose de trois étages de filtrage couplés en cascade A, B et C, l'étage A consistant en un filtre de bande passif suivi d'un amplificateur tampon ayant pour rôle d'éliminer la fréquence fondamentale de 50Hz qui, en raison de sa grande amplitude, serait autrement prépondéran- te dans les circuits suivants. Les étages B et C sont des étages de filtre passe-bande actifs avec des fréquences centrales légèrement différentes; on obtient donc pour les étages A, B, C une caractéristique de fréquence qui est une bonne approximation de la caractéristique souhaitée telle que représentée figure 5. On voit figure 5 que la caractéristique de fré- quence souhaitée est telle.que le filtre permet le passa- ge des fréquences inférieures à l'harmonique 11.50 Hz = 550 Hz et supérieures à l'harmonique 10.50 Hz = 500 Hz. L'atténuation de part et d'autre de la bande passante at- teint 60 dB. L'étage de filtrage C est couplé en sortie à la boucle à verrouillage de phase 5 qui est un circuit inté- gré classique du type IM565, avec des composants extérieurs pour adaptation du signal d'entrée et réglage de sa fré- quence propre d'oscillation, c'est-à-dire de la fréquence sur laquelle la boucle 5 oscille lorsqu'aucun signal de puissance suffisante n'est présent à l'entrée. La fré- quence propre d'oscillation est réglée de manière à se situer au-delà de la bande passante considérée (à 560 Hz environ). Le circuit 5 est couplé en sortie à un diviseur de fréquence 8, par exemple du type CD4040, qui divise la fréquence du signal d'entrée par 32. Par suite, le signal de sortie du diviseur de fréquence 8 a une période 32 fois plus longue que la période du signal d'entrée, ce qui per- met de faire une mesure plus facile avec le degré souhaité de précision. La mesure proprement dite de la période, pour la- quelle la division de fréquence peut être considérée com- me une phase préparatoire, peut, comme la conversion de la valeur de glissement, être effectuée au moyen de circuits discrets ou au moyen d'un calculateur convenablement pro- grammé. REVENDICATIONS 1) Procédé pour détecter la vitesse d'un moteur asynchrone, caractérisé en ce qu'il consiste à séparer les composantes du courant moteur dans une bande de fré- quences située en-deçà d'un harmonique de la fréquence fondamentale de ce courant moteur, à déterminer la diffé- rence de fréquence entre l'harmonique et au moins l'une des composantes, et à déterminer, à partir de cette diffé- rence de fréquence, le glissement et par suite la vitesse du moteur. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un filtre passe-bande pour séparer les composantes. 3) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caracté- risé en ce qu'on détermine la différence de fréquence à l'aide d'un détecteur d'enveloppe sur la base d'une fré- quence de battement entre l'harmonique et l'une des compo- santes. 4) Procédé selon les revendications 1 ou 2, carac- térisé en ce que la différence de fréquence et le glisse- ment sont déterminés à l'aide de circuits couplés en sor- tie du filtre passe-bande et constitués, en série, par une boucle à verrouillage de phase, un périodemètre et des moyens pour déterminer le glissement à partir de la période. 5) Procédé selon les revendications 1 ou 2, carac- térisé en ce que la différence de fréquence est déterminée par analyse de fréquences, de préférence par une trans- f.ormation rapide de Fourier des composantes. 6) Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, pour détecter la vitesse d'un moteur asynchrone, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre passe-bande (1) pour séparer les composantes du courant moteur dans une bande de fréquences située en-deçà d'un harmonique de la fréquence fondamentale de ce cou- rant moteur, et des circuits (5, 6, 7) pour déterminer le glissement et, par suite, la vitesse du moteur, à partir de la différence de fréquence entre l'harmonique et au moins l'une des composantes du. courant moteur. 7) Appareillage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les circuits associés au filtre passe-bande sont constitués par un détecteur d'enveloppe (4) couplé en sor- tie de ce filtre passe-bande. 8) Appareillage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les circuits associés au filtre passe-bande com- portent, en série à la sortie de ce filtre passe-bande, une boucle à verrouillage de phase (5), d'un périodemètre (6) et de moyens (7) pourIdéternminer le glissement à partir de la période. 9) Appareillage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les circuits précités comportent, de plus, des moyens pour effectuer une analyse de fréquences, de pré- férence par une transformation rapide de Fourier des com- posantes.