Brevet FR2475312A1 — publié le 19810807

L'invention a pour objet un dispositif de sécurité et de contrôle pour variateur de vitesse 9 découpage i transistors pour moteur i courant continu à faible inertie notamment. ;'objet de l'invention se rattache notamment aux secteurs techniques de la production, conversion ou distribution de l'énergie électrique ; de la commande des moteurs, générateurs ou convertisseurs électriques ; des circuits de protection de sécurité ; de la variation électronique de vitesse. On rappelle d'une manière connue, que pour commander les moteurs & courant continu 9 faible coefficient de self-induction, on peut utiliser une technique à découpage utilisant des transistors de puissance. Le découpage s'effectue à fréquence fixe, mais de valeurs différentes selon la puissance et les caractéristiques du moteur choisi. On note également que selon le sens de rotation du moteur et le couple fourni, on distingue les quatre quadrants de fonctionnement dudit moteur. ;'intér8t de l'utilisation d'une fréquence fixe et élevée (plusieurs kilo Hertz) permet notamment : - Une réponse rapide à des changements de consigne de vitesses en raison du choix du moteur (faible inertie) et faible inductance. I1 n'est donc pas nécessaire d'avoir uneself de lissage A condition d'avoir une alimentation et une fréquence de découpage bien adaptées au moteur choisi. - Une très grande stabilité de la vitesse à tous les régimes du moteur. - Aux très basses vitesses, la forme du courant traversant le moteur, est pratiquement continue. I1 n'apparait pas d'à-coups sur l'arbre moteur dus i un fonctionnement par impulsionscomme sur un variateur travaillant directement en synchronisme sur le réseau (variateur de vitesse à thyristors). - Le moteur débitant son couranshominal aux très basses vitesses, ne chauffe pas car le facteur de forme est très bon. En fonctionnement quatre quadrants, pour un affichage de vitesse quasiment nul, le moteur fonctionne à circulation de courants opposés dont la résultante est nulle. La fréquence élevée de commutation, conjuguée avec la self du circuit, confèrent au système la qualitd du facteur de forme. - Lors des démarrages du moteur, les appels de courant sont très limités (sensiblement égaux å 2 fois le courant/nominal), le moteur atteint sa vitesse d'une manière très souple et régla ble. importante - La diminution/ des étincelles dues aux balais lors des régimes transitoires, le courant étant toujours inférieur au courant de démarrage fixé, Toutefois, la mise en oeuvre de cette technique & découpage à transistors de puissance, s'avère très délicate. Il s'avère nécessaire de respecter scrupuleusement l'aire de sécurité des transistors de puissance, même pour des durées inférieures à la micro-seconde. Cette exigence implique des contrôles rigoureux du courant et de la tension,nécessitant l'emploi de réseaux d'aide à la commutation et de circuits de sécurité très fiables qui font l'objet des caractéristiques de l'invention. D'autre part, pour obtenir, comme indiqué précédemment, un courant continu correct dans le moteur, sans l'aide d'une inductance de lissage, il faut travailler avec une tension d'alimentation la plus faible possible, compatible avec des vitesses et un couple maximum souhaités. Le freinage en deux ou quatre quadrants restitue de l'énergie au réseau, et peut conduire à surdimensionner les transistors de puissance qui sont soumis à une tension qui, aux pleines vitesses, nécessiterait de doubler la tenue en tension des transistors. Selon l'invention, pour remédier à ces inconvénients et parvenir au but fixé, on utilise une alimentation de puissance régulée avec contrôle de dépassement en tension lors de la restitution de l'énergie au réseau. On améliore également la fiabilité. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention, sans toutefois le limiter, dans les dessins annexés. La figure 1 montre la chaîne d'asservissement du variateur de vitesse a/coupage à transistors avec le dispositif de sécurité et de contrôle selon l'invention La figure 2 est un schéma dlectrique de principe d'un demi-module de puissance avec le dispositif de contrôle des tensions auxiliaires de chaque transistor et de la tension d'alimentation générale de la carte de commande ; La figure 3 est un schéma synoptique connu de la boucle de régulation de courant avec en parallèle les différents circuits de sécurité et de contrôle des courants notamment, et qui correspondent aux figures 3A, 3B et 3C. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative, en se référant aux exemples des schémas électriques des figures des dessins. On voit figure 1, que d'une manière connue, la chaîne d'asservissement du variateur découpage à transistors, comprend essentiellement une consigne de vitesse A, une mesure et détection d'erreur de vitesse 3, une amplification d'erreurs C et un oscillateur D couplé avec un générateur de créneaux E, (cet ensemble constituant la boucle de régulation de courant), les dispositifs F de sécurité et de contrôle de l'alimentation basse tension et du courant moteur, un drivers G de commande 1-2-4 quadrants du moteur M avec les transistors de puissances TA-UB- TA1eB1 . On rappelle que l'on veut fiabiliser la commutation des transistors de puissance en faisant usage de circuits d'aide å la commutation, qui ont pour but d'obtenir des temps de commutation ouverture, fermeture du transistor, très faibles (de l'ordre de la micro-seconde) pour des tensions et des courants commutés de 340V - 40A i 80A. Le schéma de principe (connu) de la commutation, est montré en partie figure 2. D'une manière importante, le circuit met en oeuvre deux tensions d'alimentation auxiliaire +8V et -8V, ce qui améliore la commutation. On rappelle brièvement, pour une meilleure compréhension de la description, le fonctionnement de la commutation, eu égard à chaque demi-module de puissance (MP). Quand on applique une tension de +8V sur la borne a, le transistor ?2 se sature, tandis que le transistor T3 se bloque. On injecte dans la base du transistor de puissance T , un courant dont la valeur est fonction de la résistance R sous V ; le transistor TA se sature ; l'inductance LI retarde légèrement l'établissement du courant dans le transistor TA, alors que la tension collecteur-émetteur VcEO de TA décrort très rapidement en vue de la limitation de la puissance lors de l'établissement du courant. L'énergie de self de l'inductance Li est dissipée dans la résistance R2 au lieu d'être dissipée par le transistor TA. Lorsqu'on envoie -8V sur la borne a, le transistor T2 se bloque, tandis que le transistor T3 se sature. Le courant dans la base de DA s'inverse (dévient négatif) et est contrôlé par l'inductance 12 ; en même temps la tension VcEO du transistor TA augmente et charge le condensateur C1. Suivant une caractéristique de l'invention, le contrôle permanent de toutes les tensions +8V et -8V, relatives a' chaque transistor, s'effectue au moyen d'un relais REED RE. Ce relais RE "colle" quand il a 16V (8V+8V) à ses bornes, et ttétoSbe" lors )que l'une des deux tensions n'est plus présente au moyen d'une diode zener DZ montée en série avec la bobine du relais RE et ceci pour chaque module (figure 2). On contrôle aussi le +12V et le -12V de l'alimentation générale de la carte de commande aux bornes des deux ponts redres viseurs PR et PR1 (figure 2). ta présence du +8V et -8V définie ci-dessus, commande un autre relais REED REi par l'intermédiaire des contacts re du relais RE montés en serle avec la bobine du relais REi alimentée en + et -12V. Quand les tensions -+8V et +12V sont présentes, les )relais EK et REl sont alimentés ; un contact rel du relais RE1 actionne un relais de puissance RE2 qui autorise l'alimentation de la Haute-Tension ; la fermeture du relais RE2 est retardée par rapport à la fermeture du relais REî, au moyen par exemple d'un circuit avec capacité C2 et transistor ?4. i Par contre, lorsque l'une des tensions +8V et/ou ±12V manquent, le relais REED RE1 retombe, interdisant ainsi la mise sous tension de la puissance. En effet, si le + 8V est absent, le relais REED HE n'est pas alimenté, comme on l'a vu ci-dessus, interdisant ainsi le "collage" de ER1, les contacts re restant en position ouverte. De même, lorsque l'une des deux tensions + 12V n'est plus présente, le relais RE1 "retombe" au moyen de la diode zener DZ1 (figure 2) et coupe les modules de puissance MP. Suivant une autre caractéristique, et comme le montre la figure 3, on réalise parallèlement & la boucle de régulation de courant, différents circuits de sécurité et de contrôle des cou rants notamment. Cette boucle comprend, d'une manière connue, un amplifi cateur tachymétrique AT avec sa correction d'erreurs par poten tiomètre P1, le potentiomètre Po atténuant ou amplifiant les valeurs de la tension tachymétrique. On lui soustrait la tension de consigne de vitesse A ainsi que le courant I, le tout étant amplifié par l'amplificateur d'erreur C. Le règlage de la stabilité s'opère par action sur le potentiomètre P2 avec capacité en boucle. Cette tension est comparée à une dent de scie générée par l'oscillateur D. On obtient des signaux de commande que l'on multiplexe au moyen du circuit de déphasage CD composé de quatre portes NAND. A la sortie des portes NAND, les quatre signaux 1, 2, 3 et 4 attaquent des photo-coupleurs, et après remise en )forme, attaquent les modules de puissance tels que celui illus tré figure 2.Comme indiqué précédemmentirsque l'une des deux tensions t 12 V n'est plus présente, le relais REl en retombant ouvre un de ses contacts repos re2 en série avec les portes NAND ce qui a pour conséquence de bloquer les dites portes NAND de commande (figure 3). D'une manière intéressante, la boucle de courant n'agit qu'au delà d'un certain courant, c'est-à-dire lors d'un changement de régime de vitesse, la réponse du moteur M peut être au maximum du courant que peut supporter chaque module de puissance et est règlable. On envoie directement l'échelon, et ce par les deux diodes zener DZ2 et DZ3 (figure 3). Selon l'invention, le dispositif de sécurité et de contrôle des courants, comprend quatre circuits, indépendants de la boucle de régulation de courant. figure 3A, on redresse le courant traversant le moteur, on le compare à un seuil correspondant à la puissance des transistors TA, TA1 > TB et TB1 et qui limite le courant de démarrage maximum déterminé en fonction du moteur M. D'une manière connue, la mesure du courant s'effectue au moyen d'une résistance R isolée galvaniquement )en série avec le moteur M. Le signal du courant redressé en b est envoyé dans la borne (-) d'un amplificateur opérationnel AO que l'on compare à un seuil souhaité, règlable par le potentiomètre P3. Dès que le courant atteint la valeur affichée, il apparait une impulsion négative que 1' Son met en forme au moyen d'un mono stable MO qui donne un signal négatif dont la largeur d'impulsion est une fraction du signal dela carte de régulation. Ce signal de sortie vient à la borne des portes de commande NAND des modules de puissance. Figure 3b, (sécurité thermique3 comme précédemment, le courant redressé en b est envoyé dans la borne (-) d'un amplificateur opé rationnel .AOl que l'on compare au moyen d'un potentiomètre P4, à un seuil de surcharge thermique correspondant à la puissance no miole du moteur M. Cette impulsion est intégrée par le condensateur C3 qui se décharge à chaque impulsion de dépassement, cette décharge étant détectée par l'amplificateur opérationnel A02 monté en comparateur avec seuil fixe. La sortie du comparateur A02 attaque une bascule 5 du type RS qui verrouille la puissance au moyen d'une sortie p reliée par une diode D1 en série avec une diode zener DZ4 et un transistor T5, à la borne g des portes de commande des modules de puissance.Une diode luminescente D2 signale le défaut de surcharge. Figure 3C (sécurité maximum ou absolue : dépassement du courant à la valeur du courant de démarrage) ; quand tout se déroule normalement, ce circuit de sécurité n'intervient pas. Le courant de démarrage, ou un courant d'intensité supérieure au courant de démarrage, est détecté par le circuit de la figure 3B décrit précédemment. Toutefois, si pour une raison ou une autre, le circuit de la figure 3B est défaillant, ce circuit de sécurité absolue intervint. Il comprend un amplificateur opérationnel A03 dont l'entrée (-) est reliée à la borne b, tandis que l'entrée (+) reçoit un signal T fixé par un potentiomètre P5 alimenté en 12V et relié au potentiomètre P3 relatif à l'amplificateur opérationnel AO (figure 3A). - La sortie de l'amplificateur opérationnel A03 attaque une bascule 6 du type RS qui coupe la puissance au moyen d'une sortie 47 reliée comme la sortie R s à la borne g des portes de commande, au moyen d'une diode D3 en série avec la diode zener DZ4 et le transistor T5. Tant que le défaut n'est pas réparé, il est impossible de remettre en route. Une diode luminescente D4 signale le défaut de surcharge. Suivant une autre caractéristique, chaque module de puissance tel que celui illustré figure 2, comporte un système de contrôle du courant. En effet, si le courant dans chaque transistor de puissance est excessif, celui-ci risque- de se désaturer . Le circuit contrôlant la ssturifion correcte de chaque transistor de puissance TA, TA1 TB, TB1 comprend essentiellement en parallèle sur les transistors T2 et T3 etle transistor de puissance correspondant, deux autres transistors T6 et T7 et nne diode zener DZ5 (figure 2). Si la tension collecteur-émetteur, de l'un des tran sistors de puissance dépasse 2,4 V > le transistor se bloque instantanément. En effet, si cette tension est égale à la tension de zener, les transistors T2 et T3, T6, T7 et TA se bloquent pendant la période. L'invention est notamment utilisée pour l'alimentation à couple cnnstant de moteurs à courant continu à excitation séparée ou à aimants permanents pour la commande par exemple de machinesoutils. Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on souligne, en plus des avantages énoncés dans le préambule que l'utilisation d'une alimentation de puissance régulée permet en outre une adaptation directe aux réseaux triphasés 220V et 380V plus neutre, ce qui supprime les transformateurs d'alimentation et ne déséquilibre pas les réseaux. L'invention ne se limite aucunement à celui de ces modes d' application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ces diverses parties ayant plus spécialement été indiqués ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVEND I CAT IONS - 1 - Dispositif de sécurité et de contrôle pour variateur de vitesse à découpage à transistors pour moteurs à courant continu à faible inertie notamment, et dont la chai'ne d'asservissement comprend essentiellement une consigne de vitesse (A), une mesure et détection d'erreur de vitesse (B), une amplification dierreur (C), un oscillateur (D) couplé avec un générateur de créneaux (E), un drivers (G) de commande un-deux-quatre quadrants du moteur (M) avec les transistors de puissance (TA), (Te), (TA1) et (Te1), caractérisé en ce qutil comprend une alimentation'de puissance régulée avec contrôle de dépassement en tension lors de la restitution de l'énergie au réseau, et différents circuits de sécurité et de contr8le du courant moteur, agissant sur un circuit de déphasage (CD), relatif à la boucle de régulation de courant, et commandant les modules de puissance (MP) assurant la commutation des transistors (TA), Te), (TA1) et (Te1) - 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque demimodule de puissance (MP) met en oeuvre deux tensions d'alimentation auxiliaire + 8V et - 8V, pour améliorer la commutation, ces tensions étant contrôlées d'une manière permanente par un relais REED (RE) qui "colle" quand il a 16V à ses bornes et décolle lorsque l'une des deux tensions n'est plus présente au moyen d'une diode zener (DZ) montée en série avec la bobine du relais (RE) - 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la présence du +8V et -8V commande un autre relais REED (RE1) par l'intermédiaire des contacts (re) du relais (RE) montés en série avec la bobine du relais (REi) alimentée entre le + et -12V de l'alimentation générale de la carte, un contact (re1) du relais (RE1) actionne un relais de puissance temporisé (RE2) qui autorise l'alimentation de la haute-tension ;; les relais (RE) et (RE1) sont excités quand les tensions + 8V et + 12V sont présentes, le relais (RE "retombant" si l'une des dites tensions manque, interdisant ainsi la mise sous tension de la puissance - 4 - Dispositif selon les revendications 1 et 3 ensemble où la mesure du courant s'effectue notamment par une résistance isolée galvaniquement, en série avec le moteur (M) caractérisé en ce que le courant traversant le moteur M est redressé et comparé à un seuil correspondant à la puissance des transistors (TA), (TA1), (TB) et (Te1) et qui limite le courant de démarrage maximum déterminé en fonction du moteur (M) - 5 - Dispositif selon les revendications 1 et 4 ensemble, caractérisé en ce qu'un premier circuit de sécurité et de contrôle du courant, comprend un amplificateur opérationnel (AO)dont l'entrée (-) est alimentée par le courant redressé qui est comparé à un seuil souhaité, réglable par un potentiomètre (P3) relié à l'entrée (+) dudit amplificateur (AO), dès que le courant atteint la valeur affichée, il apparaît une impulsion négative mise en forme par un monostable (MO) qui donne un signal négatif dont la largeur d'impulsion est une fraction du signal de la carte de régulation, ce signal de sortie venant à borne (d) ) des portes de commandes NAND (CD) des modules de puissance - 6 - Dispositif selon les revendications 1 et 4 ensemble, caractérisé en ce qu'un second circuit de sécurité et de contrôle du courant, comprend un amplificateur opérationnel (AO1) dont l'entrée (-) est alimentée par le courant redressé qui est comparé au moyen diun potentiomètre (P4) relié à la borne (+) de l'amplificateur (Aol), à un seuil de surcharge thermique correspondant à la puissance nominale du moteur (M) ; cette impulsion est intégrée par un condensateur (C3) dont la décharge, à chaque impulsion de dépassement, est détectée par un amplificateur opérationnel (A02) monté en comparateur avec seuil fixe ; la sortie du comparateur (AD2) attaque une bascule (5) du type RS qui verrouille la puissance au moyen diune sortie (/3) reliée indiFec- tement à la borne (d ) des portes de commandes (CD) des modules de puissance. - 7 - Dispositif selon les revendications 1, 4, 5 et 6 ensemble, caractérisé en ce qu'un troisième circuit de sécurité et de contrôle du courant, comprend un amplificateur opérationnel (A03) dont l'entrée (-) est alimentée par le courant redressé, tandis que l'entrée (+) reçoit un signal ( ) fixé par un potentiomètre (P5) alimenté en 12V et relié au potentiomètre (P3) relatif à llampli- ficateur opérationnel (AO) ; la sortie de l'amplificateur opérationnel (A03) attaque une bascule (6) du type RS qui coupe la puissance au moyen d'une sortie ( # ) reliée indirectement à la borne (d ) des portes de commande (CD) des modules de puissances - 8 - Dispositif selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 4, 5, 6 et 7, caractérisé en ce que chaque module de puissance comporte une protection en courant individuelle au moyen notamment d'une diode zener (DZ5) et de deux transistors (T6) et (T7) qui contrôlent la saturation correcte de chaque transistor de puissance. - 9 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boucle de courant comprend deux diodes zener (DZ2) et (DZ3) pour envoyer directement un signal "échelon" à liamplificateur d'erreur (C).