Brevet FR2484169A1 — publié le 19811211

Montage à onduleur pour le fonctionnement d'un moteur asyn- chrone à vitesse réglables la présente invention concerne an montage à onduleur qui est destiné à assurer le fonctionnement d'un moteur à courant alternatif à vitesse réglable et dans lequel la tension et la fréquence sont à peu près proportionnelles l'une à l'autre Jusqu'à ce que, au niveau de la tension no- minale, la fréquence nominale soit atteinte, le montage comprenant un onduleur, un générateur de valeur de consi- gne, un dispositif d'alimentation en tension continue équi- pé d'un régulateur de tension, lequel règle la tension en fonction de la valeur de consigne, et un régulateur de fré- quence qui fait évoluer la fréquence en fonction de la ten- sion. Dans un montage à onduleur connu de ce genre (deman.- de de brevet allemand mise à l'inspection publique nc 1 613 776) le régulateur de tension est influencé par une grandeur réglée qui résulte de la comparaison dane valeur de consigne préétablie en tant que signal de tension avec une valeur de tension proportionnelle à la valeur effective de la tension d'entrée de l'ondaleur. La valeur effective de la tension d'entrée est en outre amenée au générateur de fréquence qui délivre à l'onduleur des signaux de fréquence proportionnels à la tension. Dans des montages de ce genre il peut y avoir des écarts par rapport à la proportionnali- té rigide pour tenir compte d'une compensation de glisse- ment, d'une compensation dépendant du courant et analogues. Grâce à cette proportionnalité le moteur asynchrone. peut fonctionner avec un couple maximal dans toute la gamme de vitesses jusqu'à la fréquence nominale. Un autre avantage ainsi obtenu consiste en ce que dans le cas o la valeur de consigne est diminuée de façon à réduire la vitesse du mo- teur la fréquence du moteur fonctionnant à présent comme gé- nératrice ne suit pas le réglage de la valeur de consigne mais reste liée à la valeur effective de la tension. Par conséquent, la génératrice marche, par rapportâ la fréquen- ce de la tension alternative amenée, à une vitesse qui n'est que légèrement supérieure à la vitesse synchrone. Aussi ne circule-t-il que de très faibles courants qui ne risquent pas de nuire au montage à onduleur. Ce mode de fonctionne- ment est cependant limité à l'intervalle allant jusqu'à la fréquence nominale puisque la limite supérieure de la ten- sion d'alimentation est en général égale à la tension nomi- nale. Il est également déjà connu des montages à onduleur (demande de brevet allemand publiée n0 2 648 150) qui per- mettent un fonctionnement au-dessus de la fréquence nomina- le et pour lesquels dans l'intervalle compris entre la fré- quence nominale simple et la fréquence nominale double le moteur fonctionne avec un rendement maximal. Cela néces- site toutefois des dispositions relativement coûteuses sur le plan du fonctionnement grâce auxquelles il s'agit de maintenir en tout point de fonctionnement une fréquence de glissement constante. La présente invention a pour but d'indiquer un monta- ge à onduleur du genre décrit plus haut, construit de mani- ère simple et susceptible de fonctionner à des fréquences supérieures à la fréquence nominale mais qui dans toute la plage de fonctionnement évite des dommages dus à une dimi- nution trop rapide de la valeur de consigne. Ce but est atteint suivant l'invention par le fait que pour un réglage de la valeur de consigne correspondant à une fréquence supérieure à la fréquence nominale le géné- rateur de fréquence peut être attaqué par un signal addi- tionnel qui croit avec la valeur de consigne et par lequel une fréquence plus élevée est produite malgré le maintien de la tension nominale, et qu'en présence d'une surtension un discriminateur délivre au générateur de fréquence un si- gnal d'erreur en vue d'un accroissement de la fréquence. Dans ce montage le signal additionnel permet de ma- 2 4 8 4 16 9 nière simple d'obtenir que le domaine de fonctionnement S'étende également au-delà de la fréquence nominale. Né- anmoins, m9me dans ces conditions de fonctionnement, le montage à onduleur reste protégé contre des dégâts qui pourraient résulter d'un abaissement trop rapide de la va- leur de consigne dà au fonctionnement du moteur en tant que génératrice. En effet, aussit8t que le discriminateur constate que par suite du fonctionnement en tant que géné- ratrice il se produit une surtension nuisible, il délivre le signal d'erreur qui élève la fréquence de l'onduleur suffisamment pour que la surtension soit ramenée à une va- leur admissible. Ceci a pour conséquence que le ralentis- sement du moteur se trouve légèrement réduit; néanmoins, celui-ci atteint avec la vitesse maximale admissible son nouveau point de fonctionnement. Le montage est très sim- ple puisque, hormis les fils de raccordement normaux, il n'est pas besoin de prévoir d'autres conducteurs le reli- ant au moteur, l'ensemble de la régulation s'effectuant à l'intérieur du montage à onduleur même. Ceci donne un très petit circuit régulateur et permet de faibles constantes de temps. Avantageusement, le générateur de fréquence présente une caractéristique tension-fréquence dont la pente est variable en fonction du signal additionnel, et l'entrée de tension du générateur de fréquence est précédée d'un addi- tionneur dans lequel le signal d'erreur est ajouté à la tension. Lorsque, au moment d'atteindre la tension nomina- le, la fréquence nominale est atteinte, l'accroissement! subséquent de la fréquence est obtenu par un relèvement de la courbe caractéristique. Si, en cas d'abaissement de la valeur de consigne, cette courbe caractéristique revient trop rapidement à sa position antérieure le signal de ten- sion produisant la fréquence est amplifié à l'aide du si- - gnal d'erreur. Le discriminateur doit réagir à une surtension de quelques pour cent, en particulier par exemple 5 %, et dé- livrer un signal d'erreur croissant fortement avec l'ac- croissement de la tension. Par un choix approprié du point de réponse on peut obtenir que des courants et tensions trop élevés en cours de fonctionnement comme génératrice soient évités à coup sur. La caractéristique à pente raide fait que cette valeur de réponse ne peut être excédée que légèrement. Il est recommandable de prévoir un générateur de si- gnal additionnel attaqué par la valeur de consigne et qui, à partir d'une valeur correspondant à la tension nominale, délivre un signal additionnel croissant avec la valeur de consigne. Ainsi un générateur de valeur de consigne unifor- me peut être utilisé pour l'ensemble du domaine de fonction- nement alors que le signal additionnel n'est produit qu'au- dessus de la tension nominale. Une forme de réalisation préférée permet d'obtenir que la tension nominale soit fixée à l'avance par un cir- cuit limiteur monté en aval du générateur de valeur de con- -signe et que les valeurs de réponse du discriminateur et du générateur de signal additionnel soient bien définies. Il en résulte une conception particulièrement simple puisque les données essentielles dépendant les unes des autres sont fixées à l'intérieur du montage. Cette conception convient particulièrement lorsqu'on peut compter sur une tension de secteur relativement stable. Une autre possibilité consiste en ce que la tension nominale est déterminée par la tension maximale de l'ali- mentation en tension continue et en ce que les courbes ca- ractéristiques, y compris les valeurs de réponse du discri- minateur et du générateur de signal additionnel, sont dé- plaçables en fonction de cette tension maximale. Cette con- ception convient en particulier lorsque la tension du sec- teur est sujette à certaines variations et qu'il s'agit néanmoins à faire fonctionner le moteur asynchrone chaque fois, jusqu'à la tension maximale disponible à un instant quelconque, avec le couple maximal. Dans le cas d'une forme de réalisation préférée la fonction de transfert dynamique du discriminateur et du gé- nérateur de fréquence présente un temps de montée linéaire court de 1 à 4, de préférence environ 2 Hz/ms, et un temps de descente quelque peu plus long avec une constante de temps d'environ 0,1 à 0,2 s8 Il s'est avéré qu'une telle conception admettait des variations de charge extrêmement importantes sans que le mode de fonctionnement sar en souf- fre. Ainsi, par exemples on a fait varier le moment d'iner- tie de la charge entre O et 300 fois le moment d'inertie du moteur sans que des surintensités et surtensions nuisi- bles se produisent en cours de fonctionnement comme géné- ratrice. L'invention est expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide d'exemples de réalisation préférés illustrés aux dessins a.nnexés dans lesquels - la figure 1 représente, sous forme de schéma-blocs, une première forme de réalisation de l'invention; la figure 2 représente, sous forme de graphique, le couple du moteur asynchrone en fonction de la fréquence de l1onduleur 5 la figure 3 montre, sous forme de graphique, la fonction de transfert du discriminateur de surtension et du générateur de fréquence et la figure 4 représente, sous forme de schéma-blocs, une autre forme de réalisation. Dans la forme de réalisation de la figure 1 est pré- vu un onduleur triphasé 1 pour le fonctionnement d'un mo- teur asynchrone triphasé 20 Un redresseur 3 alimenté à par- tir du secteur à courant alternatif et un régulateur de tension 4 forment ensemble un dispositif d'alimentation en tension continue 5. Sur un circuit de mesure 6 peuvent être prélevés le signal 1a qui correspond au courant de l'ondu- leur et un signal Ua qui correspond à la tension de l'on- duleur. La fréquence f et, par suite, la vitesse du moteur 2 sont réglées au moyen d'un générateur de valeur de consigne 7. Ce générateur de valeur de consigne délivre un signal Ub qui dans un circuit limiteur 8 est converti en un signal Uc, lequel suit le signal Ub jusqu'à une tension nominale réglée de manière fixe mais reste ensuite constant. Dans un comparateur 9 la tension Ua est comparée avec le signal U. L'écart de réglage est envoyé par l'intermédiaire d'un am- plificateur 10 et d'une diode 11 à un générateur d'impul- sions 12 fonctionnant proportionnellement au temps et ali- mentant en impulsions de commutation le commutateur conte- nu dans le régulateur de tension 4. En fonction de l'écart de réglage les impulsions de commutation peuvent présenter une fréquence variable et/ou un taux d'impulsions variable. Dans un second générateur de valeur de consigne 13 le cou- ple maximal est réglé en fixant à l'avance un courant ma- ximal Ib* Dans un comparateur 14 cette valeur de consigne est carxrée au courant Ia. L'écart de réglage est également amené au générateur d'impulsions 12, par l'intermédiaire d'un amplificateur 15 et d'une diode 16, aussit8t que le courant maximal Ib est dépassé. La tension Ua réglée ainsi à l'aide du générateur de valeur de consigne 7 est amenée par l'intermédiaire d'un additionneur 17 à un générateur de fréquence 18 par lequel les signaux f déterminant la fréquence de l'onduleur sont délivrés suivant une courbe caractéristique A. Un généra- teur de signal additionnel 19 reçoit le signal de valeur de consigne Ub et délivre un signal additionnel Ud. En fonc- tion de ce signal la pente de la courbe caractéristique A du générateur de fréquence 18 est rendue plus raide. Le si- gnal additionnel Ud est nul jusqu'à ce que la valeur de consigne Ub ait atteint la valeur nominale, et croit ensui- te linéairement. Cela signifie que la fréquence f suit la tension Ua jusqu'à ce que la valeur nominale de cette ten- sion et, par suite, la valeur nominale f n de cette fréquen- ce soient atteintes. En cas d'accroissement de la valeur de consigne Ub au-delà de la valeur nominale la tension Ua reste inchangée mais la fréquence f continue de croître par déplacement de la courbe caractéristique A. On peut donc faire marcher le moteur asynchrone 2 à une vitesse supéri- eure à sa vitesse nominale. Le mode de fonctionnement est illustré par le gra- phique de la figure 2 o le couple M est représenté en fonction de la fréquence f. Jusqu'à la fréquence nominale fn le moteur peut, en raison de la variation simultanée de 2484 169 7.. la tension et de la fréquence, marcher avec un couple mazi- mal M = 100 %. Pour des fréquences plus élevées le couple diminue puisque la tension ne peut plus croître; à condi- tion que le générateur de fréquence 18 soit conçu de façon optimale, le moteur peut cependant continuer à marcher avec ume puissance maxTiale N = 100 %. La tension U est en outre amenée à un discriminateur a de surtension 20 qui délivre un signal d'erreur Ue lorsque la tension Ua excède la valeur de réponse Ua (voir la fi- gure 3), laquelle se situe par exemple à un niveau supéri- eur de 5 % à la valeur nominale de la tension réglée par le circuit limiteur 8. La courbe caractéristique du discrimi- nateur 20 présente une pente relativement raide. La fonc- tion de transfert dynamique entre l'entrée du discrimina- teur 20 et la sortie du générateur de fréquence 18 présente par exemple une montée linéaire d'environ 2 Hz/msa Ceci est représenté à la figure 3. Si à l'instant ti la tension Ua excède la valeur de réponse Uatg on obtient le flanc de montée bl jusqu'à ce que la valeur du signal d'erreur Ue correspondant à la surtension soit atteintes Si à l'ins- tant t2 la surtension augments une nouvelle fois, on ob- tient un second flanc de montée b2. Le flanc de descente b3 évolue exponentiellement avec une constante de temps de l'ordre de 0,15 s par exemple. On obtient ainsi dans toute la plage de fonctionne- ment une protection du montage à onduleur contre des sur- tensions provoquées en cas de fonctionnement comme généra- trice et des surintensités de courant dues à ces dernières. Si dans l'intervalle situé au-dessous de la fréquence nomia nale fn le générateur de valeur de consigne 7 est tout à coup réglé rapidement sur une valeur plus basse, la fréquen- ce f ne suit pas puisque celle-ci est liée par l'intermé- diaire du générateur de fréquence 18 à la tension réelle UaO La tension effective et la fréquence diminuent donc à peu près proportionnellement de sorte que des dégâts ne sont pas à craindre. Au-delà de la fréquence nominale fn, lors- que la tension effective Ua est constante de sorte que la fréquence f ne peut plus être amenée à varier avec cette dernière, le discriminateur de surtension 20 prend soin qu'en cas de surtension la fréquence f augmente de façon à limiter la surtension suffisamment pour que des dégâts ne puissent pas se produire. Dans le cas de la forme de réalisation de la figure 4 des éléments constitutifs identiques à ceux de la figure 1 sont désignés de la même façon que dans cette dernière. La différence essentielle réside en ce que le circuit limi- teur 8 est supprimé. En revanche, le générateur de signal additionnel 119 et le discriminateur de surtension 120 ne présentent pas de courbe caractéristique fixe. Les courbes caractéristiques peuvent au contraire être déplacées en fonction de la tension du secteur, c'est-à-dire de la ten- sion à la sortie du redresseur 3. A cette fin il est prévu un circuit de mesure 21 qui, par l'intermédiaire d'un fil- tre passe-bas 22, délivre la tension en tant que signal U au générateur de signal additionnel 119 et au discrimina- teur 120. Les courbes caractéristiques Cl et Dl correspon- dent à une sous-tension alors que-les courbes caractéristi- ques 02 et D2 correspondent à une surtension. La tension nominale utilisée en l'occurrence, pour laquelle les cour- bes caractéristiques sont effectives, correspond par consé- quent toujours à la tension maximale que le dispositif d'a- limentation en tension 5 peut rendre disponible à un moment quelconque. Cela signifie que le fonctionnement normal, c'est-à-dire sans intervention du discriminateur de surten- sion 120, peut chaque fois avoir lieu jusqu'à la valeur de tension maximale possible. Le montage illustré convient également pour des mo- teurs asynchrones autres que des moteurs triphasés. Le si- gnal additionnel Ud peut également être produit d'une autre façon que celle représentée, à savoir dans la figure 1 par exemple en utilisant deux générateurs de valeur de consigne accouplés mécaniquement entre eux dont l'un produit le si- gnal Uc et l'autre le signal additionnel Ud. 2484 169 REVENDICATIONS 1 - Montage à onduleur qui est destiné à assurer le fonrctieoinement d'un moteur asynchrone à vitesse réglable et dans lequel la tension et la fréquence sont à pDe près pro- portionnelles l'une à lautre jusqu'à ce que, au niveau de la tension nominale, la fréquence nominale soit atteinte, le montage comprenant un onduleur, un générateur de valeur de consigne, un dispositif d'alimentation en tension conti- nue équipé d'un régulateur de tension, lequel règle la ten- sion en fonction de la valeur de consigne, et un régulateur de fréquence qui fait évoluer la fréquence en fonction de la tension, caractérisé en ce que pour un réglage de la va- leur de consigne correspondant à une fréquence supérieure à la fréquence nominale (f) le générateur de fréquence (18) peut être attaqué par un signal additionnel (Ud) qui croit avec la valeur de consigne (Ub) et par lequel une fréquence plus élevée est produite malgré le maintien de la tension nominale et en ce qu'en présence d'une surtension un dise criminateur (20) délivre au générateur de fréquence un si- gnal d'erreur (Ue) en vue d'un accroissement de la fréquen- ce (f). 2 - Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de fréquence (18) présente une ca- ractéristique tension-fréquence (A) dont la pente est vari- able en fonction du signal additionnel (Ud) et en ce que l'entrée de tension du générateur de fréquence est précédée d'un additionneur (17) dans lequel le signal d'erreur (Ue) est ajouté à la tension (Ua). 3 - Montage suivant la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le discriminateur (20) réagit à une sur- tension de quelques pour cent, notamment environ 5 %, et délivre un signal d'erreur (Ue) qui croit fortement avec l'accroissement de la tension (U a). 4 - Montage suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un généra- teur de signal additionnel (19) qui est attaqué par la va- leur de consigne (Ub) et délivre, à partir d'une valeur correspondant à la tension nominale, un signal additionnel 1 0 (Ud) croissant avec la valeur de consigne. - Montage suivant la revendication 3 ou 4, carac- térisé en ce que la tension nominale est fixée à l'avance par un circuit limiteur (8) monté en aval du générateur de valeur de consigne (7) et en ce que les valeurs de réponse du discriminateur (20) et du générateur de signal addition- nel (19) sont fixes. 6 - Montage suivant la revendication 3 ou 4, carac- térisé en ce que la tension nominale est déterminée par la tension maximale (Ug) du dispositif d'alimentation en ten- sion continue (5) et en ce que les courbes caractéristiques, y compris les valeurs de réponse du discriminateur (120) et du générateur de signal additionnel (119), sont déplaçables en fonction de cette tension maximale. 7 - Montage suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que la fonction de transfert dynamique du discriminateur (20, 120) et du générateur de fréquence (18, 118) présente un temps de montée linéaire court de 1 à 4, de préférence d'environ 2 Hz/ms, et un temps de descente quelque peu plus long avec une constante de temps d'environ 0,1 à 0,2 s.