Brevet FR2488458A1 — publié le 19820212

L'invention se rapporte aux circuits statiques de pro- tection thermique d'un moteur électrique. On a déjà proposé, pour assurer la protection ther- mique d'un moteur électrique, de simuler au moyen d'un cir- cuit à constante de temps (du type RC) le comportement ther- mique de la partie en cuivre du moteur, et de couper l'alimen- tation du moteur dés que la température simulée par un tel circuit atteint un seuil déterminé. On a même-proposé, pour tenir compte des pertes dans la partie en fer du moteur (per- tes par courant de Foucault et dues à l'hystérésis) et du transfert de chaleur entre le cuivre et le fer, d'introduire des éléments supplémentaires dans le circuit de protection. Un inconvénient de ce genre de circuit de protection est sa complexité et la difficulté de le constituer de façon à ce qu'il fournisse une image réelle du comportement ther- mique du moteur,compte-tenu notamment; du fait qu'il se produit également un transfert de chaleur du fer vers l'air et que les pertes dans le fer dépendent de la tension. Par ailleurs, il est difficile de fixer les barrières de température à ne pas dépasser, tout en autorisant les démarrages à chaud; il serait souhaitable que le dispositif de protection autorise une surcharge temporaire relativement importante, pourvu qu'elle soit suivie d'une sous-charge. L'invention propose de résoudre ces différents problèmes au moyen d'un circuit de protection qui, sans chercher à constituer une image parfaite du comportement thermique du moteur, tiendra compte des tolérances admises par le constructeur relativement aux régimes intermittents. Le dispositif suivant l'invention comprend des moyens d'appliquer, à au moins un circuit à constante de temps, une tension image du courant absorbé par le moteur (-cette tension étant de préférence proportionnelle au carré dudit courant),des moyens de comparer la tension aux bornes du condensateur que comporte ledit condensateur à une tension continue de référence et de fournir un signal de commande de la coupure de l'alimentation du moteur chaque fois que ladite tension aux bornes du condensateur dépasse ladite tension de référence, caractérisé par un premier et un - 2 - second circuits à constante de temps attaqués par ladite tension image et attaquant respectivement un premier et un second comparateurs auxquels sont respectivement appliquées une première et une seconde tensions de référence distinctes, la constante de temps du second circuit étant choisie sensi- blement égale à la constante de temps thermique du moteur in- diquée par le constructeur, et la seconde tension de référence étant choisie pour correspondre à une surcharge de quelques pour cent par rapport au courant nominal du moteur, tandis que la constante de temps du premier circuit est choisie pour correspondre au temps de calage du moteur à froid pour un courant égal à six fois ledit courant nominal, et que la pre- mière tension de référence a une valeur sensiblement double de celle de la seconde, et par des moyens d'asservir direc- tionnellement la tension aux bornes du condensateur du pre- mier circuit à constante de temps à la tension aux bornes du condensateur du second circuit, lorsque cette dernière à tendance à devenir supérieure à la première. Suivant un mode d'exécution préféré, le dispositif comprend un troisième circuit à constante de temps qui atta- que le second comparateur et dont la constante de temps est choisie sensiblement égale à cinq fois celle du second cir- cuit, et des moyens sont prévus pour engendrer un signal indicatif de l'état de marche ou d'arrêt du moteur et pour commuter le second et le troisième circuits à constante de temps en fonction dudit signal. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 est le schéma d'un dispositif de pro- tection thermique conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention et, La figure 2 illustre les courbes représentatives des temps de surcharge admissibles d'un moteur en fonction du courant qu'il absorbe. A la figure 1, on a représenté trois amplificateurs 1 - 2 - 3 montés en intégrateurs (résistances 100-101, 200- 201, 300-301 et condensateurs 102 - 202 - 302) qui seront - 3 avantageusement alimentés par des sondes de Rogowski (non figurées) fournissant des signaux de faible intensité propor- tionnels'à la dérivée du courant qui circule dans les con- densateurs de phase respectifs reliant un moteur asynchrone au secteur triphasé d'alimentation. La sortie de chaque am- plificateur est reliée à son entrée ne recevant pas le signal par une résistance (103 - 203 - 303 respectivement) et, par l'intermédiaire d'un condensateur (104 - 204 - 304 respective- ment) relié à la masse au moyen d'une résistance (105 - 205 - 305 respectivement), à une entrée d'un second amplificateur (4 - 5 - 6 respectivement). L'autre entrée du second ampli- ficateur est reliée à la masse par une résistance (400 - 500 - 600 respectivement) et à sa sortie par une diode (401 - 501 - 601 respectivement). Les sorties des seconds amplificateurs sont reliées en commun à un troisième amplificateur 7, par l'intermédiaire de diodes respectives.402 - 502 - 602, dont les anodes sont reliées auxdites autres entrées du second amplificateur par des résistances respectives 403 - 503 - 603. Les amplificateurs 1 - 2 - 3 fournissent, à leur sortie des tensions alternatives proportionnelles aux cou- rants de phase susvisés, qui sont redressées par les diodes telles que 401 - 402. L'amplificateur 7 permet d'ajuster-la plus grande de ces trois tensions à une valeur prédéterminée lorsque le moteur travaille à son courant nominal IN. A cet effet, sa seconde entrée est reliée à 1'- anode de la diode 700 branchée à sa sortie par une résistance réglable 701 en série avec une résistance 702. Une résistance 703 relie ladite seconde entrée à la masse et un circuit de filtrage comprend une résistance 704 reliée à l'anode de la diode 700, en série avec un condensateur 705 relié à la masse. Les anodes des diodes 402 - 502 - 602 sont par ailleurs reliées en commun à une entrée d'un comparateur 8, dont l'autre entrée est reliée, par l'intermédiaire d'un pont de résistances 901 - 902, à-la sortie du comparateur 9. Ce dernier reçoit, d'une part la tension au point commun A entre la résistance 704 et le condensateur 705, d'autre part - 4 - une tension continue de référence fournie par une source V+ et au pont de résistances 903 - 904. Cette tension de réfé- rence est par exemple celle qui correspond à la tension en A pour un courant dans le moteur égal à 10% de la valeur nominale IN: autrement dit, tant que le moteur est en marche, le comparateur y fournit nécessairement un niveau logique 1 (tension positive) à sa sortie, il ne peut fournir un niveau O (tension négative) à sa sortie que lorsque le moteur est à l'arrêt. Il en résulte que, seulement pendant la marche du moteur, le comparateur 8 fournira un niveau O (tension néga- tive) à sa sortie chaque fois que la tension de sortie des amplificateurs 4 - 5 - 6 passera par la valeur 0, c'est-à- dire en cas d'absence de phase. Dans ce cas, un condensateur 802, chargé par une tension positive (V+) à travers un pont de résistances 800 - 801, se décharge à chaque passage par zéro de la tension de sortie des amplificateurs 4 - 5 - 6 et, au bout d'un certain nombre de ces passages par zéro, la tension à ses bornes est suffisamment basse pour faire basculer un comparateur 10, dont une borne d'entrée reçoit la tension aux bornes du condensateur 802, tandis que l'- autre borne d'entrée est alimentée par une tension de réfé- rence définie par une source (V+) et un pont de résistances 1000 - 1001. Le signal de sortie du comparateur 10 est appliqué d'une part, par l'intermédiaire d'une diode 1002, à l'un des composants 1100 d'une bascule 1100-1101 qui fournit, à sa sortie 1102, un signal d'excitation du relais (non figuré) qui fournit un signal de commande au contacteur classique de protection du moteur; d'autre part, à l'un des composants 1200 d'une bascule 1200 - 1201 qui sert à l'allumage d'une diode électroluminescente de signalisation, non figurée, reliée à la sortie 1202. On notera que, par rapport au montage détecteur de perte de phase décrit dans le brevet français n079.26102 déposé le 16 Octobre 1979 par la Demanderesse pour "Dispositif électronique de protection d'un moteur électri- que contre les surcharges et la perte d'une phase de la tension alternative triphasée d'alimentation", le présent montage détecteur de perte de phase est simplifié, du fait que les moyens de filtrage de la tension triphasée qui cons- titue l'image du courant dans les conducteurs de phase du moteur ne comportent pas de self en tête. Cette simplifica- tion est rendue possible grâce au fait que les sondes de Rogowski fournissent une tension suffisamment faible pour qu'on puisse utiliser des amplificateurs sans les saturer. Il suffit alors que ces derniers présentent une impédance dE sortie très faible pour que leur signal de sortie passe frar chement par la valeur zéro en cas de perte de phase et, par consequent, soit directement exploitable par le circuit détE teur de perte de phase. Revenant à la figure 1, le signal au point A est ai pliqué, par l'intermédiaire de résistances respectives 1300- 1400-1500, à une entrée de chacun des trois amplificateurs 13 - 14 - 15, et dont l'autre entrée est connectée à la mass dont les s-orties sont reliées à ladite entrée par des diode. montées en sens inverse (1301-1401-1501 respectivement) et par des résistances (1302-1402-1502 respectivement). Les anodes de chacune de ces diodes sont reliées à ladite entréE par une diode (1303-1403-1503 respectivement). Ladite entrés reçoit, en outre, pour chacun des amplificateurs 14 et 15, une tension négative (Y-) à travers une résistance (1404 et 1504 respectivement). Un tel montage, connu en soi, fournit à sa sortie B une tension proportionnelle au carré du cou- rant qui correspond à la plus grande des trois valeurs des courants de phase. Le point B est relié, par l'intermédiaire de résis- tances 1600 et 1700 respectivement, à deux interrupteurs - découpeurs]6 et 17 commandés par des impulsions récurrente! respectivement fournies par deux bascules monostables (1900 1901) et (2000-2001) respectivement. Ces deux bascules sont excitées par un maître oscillateur composé de deux circuits NI (2100-2101). Une troisième bascule monostable (2200-2201) peut également commander l'interrupteur- découpeur 17, qui reçoit des impulsions de la bascule (2000-2001) ou de la bascule (2200-2201) suivant l'état d'un ensemble logique composé de trois circuits NI 230U-2301-2302. Le cir- cuit 2301 est commandée par le signal issu du détecteur d'arrêt 9, - 6 de façon telle que la bascule (2200-2201)effectue finalement - la commande de l'interrupteur-découpeur 17 lorsque le moteur est en marche, tandis que c'est la bascule (2200-2201) qui effectue la commande de l'interrupteur-découpeur 17 lorsque le moteur est à l'arrêt. Les interrupteurs-découpeurs 16 et/17 chargent respectivement, deux condensateurs 24 - 25 dont la tension est appliquée, par l'intermédiaire de résistances respectives (2600-2700 respectivement),à un amplificateur 26 et à deux amplificateurs respectifs 27 - 28. Les amplificateurs 26 à 28 sont constitués par des transistors à effet de champ et ayant, par conséquent, une impédance d'entrée très élevée. La sortie de l'amplificateur 26 est reliée à une entrée d'un amplificateur 29 dont l'autre entrée est alimen- tée par une tension positive V+ au moyen d'un pont de résis- tances 2900-2901. La sortie de l'amplificateur-29 est reliée par une diode 2902 au composant 1-100 de la bascule 1100-1101. De même, la sortie de l'amplificateur 28 est reliée à une entrée d'un amplificateur 30 dont l'autre entrée est alimen- tée par une tension V+ au moyen d'un pont de résistances 3000- 3001 et dont la sortie est reliée par une diode 3002 au com- posant 1100. La sortie de l'amplificateur 27 est; relié au point commun à la résistance 2600 et au condensateur 24 par une diode 2701 du type ayant un courant de fuite de l'ordre du pico-ampêre, suivie d'une résistance 2702. Une telle diode n'ayant pratiquement pas de courant inverse, aucun risque de décharge du condensateur 24 par cette voie n'existe. L'amplificateur 27 sert à empêcher qu'f un moment quelconque, la tension aux bornes du condensateur 24 puisse être inférieure à la tension aux bornes du condensateur 25: en effet, si ce phénomène tendait à se produire, le courant de décharge de la capacité 25, transmis par l'amplificateur 27, la diode 270Q1 et la résistance 2702, tendrait à charger le condensateur 24 jusqu'à égalité des tensions aux bornes des deux condensateurs. La sortie de l'amplificateur 28 est reliée à une entrée d'un amplificateur 31, dont l'autre entrée est - 7 - alimentée par une tension (V-) au moyen d'un pont de résis- tances 3100-3101. La sortie de l'amplificateur 31 est reliée, d'une part à ladite autre entrée par une résistance 3102 suivie d'une diode 3103, d'autre part à l'électrode de com- mande d'un interrupteur-découpeur 32 relié entre la masse et le point commun à l'interrupteur-découpeur 17 et au con- densateur 25. Les tensions de sortie des amplificateurs 29 et 30 sont appliquées, par l'intermédiaire de diodes respectives 2903 et 3003, au composant 3300 d'une bascule 3300-3301 qui sert à l'allumage d'une diode électro-luminescente de signa- lisation (non figurée), reliée à sa borne 3302. Si le courant du moteur tend vers la valeur zéro, les condensateurs 24 et 25 ont tendance à se décharger à la masse du fait de la présence des capacités parasites du montage. Ces condensateurs, après avoir atteint une tension nulle, auraient même tendance à se recharger à une tension négative. S'il en était ainsi, la tension négative aux bor- nes du condensateur 25, transmise à une entrée de l'ampli- ficateur 31 par l'intermédiaire de la résistance 2700 et de l'amplificateur 28, serait alors comparée à la tension né- gative appliquée sur l'autre entrée de l'amplificateur 31, monté en comparateur et il en résulterait alors l'envoi d'une commande d'ouverture de l'interrupteur-découpeur 32, ce qui aurait pour effet de provoquer la décharge rapide du conden- sateur 25. jusqu'à une tension nulle. La tension aux bornes du condensateur 24 suivrait, comme on l'a expliqué ci-dessus, la tension aux bornes du condensateur 25 et serait donc également ramenée rapidement à la valeur 0. On expliquera plus loin l'intérêt de cette mesure. Le montage constitué par un interrupteur-découpeur chargeant un condensateur, pendant les intervalles de temps périodiques o il est fermé, à une tension représentant 1'- image d'un courant qui produit un échauffement dans une charge, est connu en soi et on sait qu'il permet de simuler l'échauffement ou le refroidissement de la charge, sans ef- fectuer aucune mesure de température, et est particulièrement intéressant lorsque la constante de temps thermique de la - 8 - charge est grande, ce qui est le cas pour un moteur électrique. La constante de temps définie par un tel montage dé- pend évidemment de la valeur des composants et de la durée des créneaux de commande des interrupteurs-découpeurs. Dans le dispositif décrit, un premier montage de ce genre (monostable 2000-2001, interrupteur-découpeur 17, con- densateur 25) est agencé pour définir une constante de temps OL représentative du comportement thermique du moteur lors- qu'il fonctionne à température moyenne: cette constante de temps est la constante de temps de refroidissement conventionnel du moteur donnée par le constructeur (a titre d'exemple eL = 950 sec.) Le premier montage assure la protection thermique du moteur en fonctionnement contre les faibles surcharges, de la mani- ère suivante: La tension continue de référence appliquée par le pont de résistances 3000-3001 à une entrée de l'amplificateur est choisie à une valeur telle qu'elle corresponde à une surcharge de quelques pour cent (7 à 8% par exemple), c'est- à-dire que l'amplificateur 30, monté en comparateur, fournira à la bascule 1100-1101 un signal de coupure de l'alimentation du moteur dès que le courant I sera supérieur de 7 ou 8% à sa valeur nominale IN. Le choix d'une telle valeur a été effectué en établissant la courbe représentée en trait plein à la figure 2, et qui représente le temps de surcharge admissible ts, tel qu'il est donné par le constructeur, (exprimé en secondes) en fonction du rapport I/In' lorsque le moteur est chaud. Si l'on admet que cette courbe se rapproche asympto- tiquement d'une droite parallèle à l'axe desordonnéespassant par le point d'abscisse 107 ou 1,08, on constate, en calcu- lant les temps de déclenchement donnés par le dispositif, pour différentes valeurs de I/In (simulation), qu'ils coin- cident pratiquement avec les temps admissibles donnés par le constructeur. Un second montage générateur d'une constante de temps est constitué par la bascule monostable (2200-2201), l'inter- rupteur-découpeur 17 et le condensateur 25. Le montage est agencé pour que cette constante de temps e LA soit sensible- ment égale à 5 0L. A l'arrêt, le moteur se refroidit évidem- ment beaucoup moins vite qu'en marche (le ventilateur étant - 9 - arrêté). Si l'on fait redémarrer le moteur, il importe alors que le condensateur 25 se trouve initialement chargé à une tension qui constitue une image de la température à laquelle il se trouvait à l'arrêt, température qui dépend évidemment du temps pendant lequel le moteur était resté arrêté. Un troisième montage générateur d'une constante de temps est constitué par la bascule monostable (1900-1901), l'interrupteur-découpeur 16 et le condensateur 24. La cons- tante de temps c définie par ce montage est représentative du temps de calage admissible par le moteur.A titre d'exemple, elle est égale à 175 sec. pour un temps de calage à froid de 10 sec. pour un courant de 6 INI On peut admettre que cette valeur du temps de calage conviendra pour la détermi- nation par simulation e c car pour un moteur asynchrone, le courant de démarrage est de l'ordre de 6 IN et il s'agit de protéger le moteur contre des démarrages de durée trop longue ou répétés trop fréquemment et, plus généralement, contre de fortes surcharges. Toutefois, on laisse à l'utili- sateur du montage la faculté, si le temps de calage est donné pour un courant de calage du moteur différent de 6 IN' de corriger la valeur de oc pour qu'elle corresponde au temps de calage à 6 INI Le réglage de Oc s'effectue par exemple en ajustant la valeur de la résistance 1600. Les deux portions de courbe en trait mixte de la figure 2 représentent les temps de surcharge admissibles lorsque le moteur est froid, en fonction de I/I n. Un certain nombre de points de ces courbes sont définis par des données fournies par le constructeur. Pour relier approximativement ces points par une courbe de simulation exponentielle corres- pondant à la charge d'un condensateur dans un circuit à constante de temps, on constate qu'il faut adopter deux valeurs de la constante de temps-à savoir une valeur "courte" oc qui correspond aux surcharges importantes et une valeur "longue" OL qui correspond aux faibles surcharges. L'asymp- tote de la portion de courbe correspondant à c définit une tension de référence (qui sera la tension continue définie par le pont de résistances 2900 et 2901 à l'entrée de l'ampli- ficateur 29) de valeur sensiblement double de la tension de - 10 -- référence appliquée à l'entrée de l'amplificateur 30, ce qui signifie que l'on admet que, le moteur étant chaud, si on l'arrête et on lui fait ensuite subir un redémarrage, le cuivre peut être amené à température double de celle normale- ment autorisée pour le moteur, sans que pour cela la carcasse du moteur ne dépasse la température autorisée. Le transfert de chaleur de cuivre vers le fer s'effectue rapidement et l'échauffement du cuivre est donc de courte durée et suppor- table par le moteur. Comme on l'a indiqué ci-dessus, le montage est agen- cé pour que la tension aux bornes du condensateur 24 ne puis- se jamais être inférieure à la tension aux bornes du conden- sateur 25. Cette condition correspond au fait que, dans un moteur, le cuivre ne peut jamais être à température inférieure à celle du fer. Par ailleurs, comme on l'a expliqué, la ten- sion aux bornes des condensateurs 24 et 25 ne pourra jamais devenir négative. Il ne faut, en effet, en aucun cas, que le circuit simule des températures du cuivre ou du fer infé- rieures à la température ambiante. Il va de soi que diverses modifications pourront être apportées au montage décrit et représenté, sans s'écar- ter de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.Dispositif de protection thermique d'un moteur électrique, comprenant des moyens d'appliquer, à au moins un circuit à constante de temps, une tension image du courant absorbé par le moteur (cette tension étant de préférence pro- portionnelle au carré dudit courant), des moyens de comparer la tension aux bornes du condensateur que comporte ledit con- densateur à une tension continue de référence et de fournir un signal de commande de la coupure de l'alimentation du mo- teur chaque fois que ladite tension aux bornes du condensa- teur dépasse ladite tension de référence, et est caractérisé par un premier (1600-16-1901-24) et un second (1700-17-2300- ) circuits à constante de temps attaqués par ladite tension image et attaquant respectivement un premier (29) et un se- cond (30) comparateurs auxquels sont respectivement appliquées une première et une seconde tension de référence (ponts 2900- 2901 et 3000-3001) distinctes, la constante de temps du second circuit représentant le refroidissement conventionnel du moteur indiquée par le constructeur, tandis que la seconde tension de référence étant choisie pour correspondre au temps de calage du moteur à froid pour un courant égal à six fois ledit courant nominal, tandis que la première tension de référence a une valeur sensiblement double de celle de la seconde, et par des moyens (2700-27, 2701-2702) d'asservir unidirectionnellement la tension aux bornes du condensateur (24) du premier circuit à constante de temps à la tension aux bornes du condensateur (25) du second circuit, lorsque cette dernière a tendance à devenir supérieure à la première. 2. Dispositif selon la-revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend un troisième circuit à constante de temps (170017-2301-25) qui attaque le second comparateur (30) et dont la constante de temps est choisie sensiblement égale à cinq fois celle du second circuit, et que des moyens (9-903-904) sont prévus pour engendrer un signal indicatif de l'état de marche ou d'arrêt du moteur et pour commuter (2301-2302) le second et le troisième circuits à constante de temps en fonction dudit signal. - 12 - 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chacun desdits circuits à constante de temps comprend un interrupteur-découpeur (16 ou 17) commandé par des impulsions récurrentes. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'asservissement unidi- rectionnel comprennent un amplificateur (27) attaqué sur une entrée par la tension aux bornes du condensateur (25) du se- cond circuit à constante de temps et dont la sortie est reliée au condensateur (24) du premier circuit à constante de temps par une diode (2701) à courant de fuite de l'ordre du pico- ampère, suivi d'une résistance. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'engendrer un signal indicatif de l'état de marche ou d'arrêt du moteur comprennent un compara- teur (9) qui compare la tension image du courant absorbé par le moteur à une tension de référence (pont de résistances 903-904) égale à quelques pour cent de celle qui correspond au courant nominal, 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par un comparateur (31) recevant, d'une part la tension de sortie de l'un des condensateurs (247 ou 25) des circuits à constante de temps, d'autre part, une tension négative de référence et par un interrupteur-découpeur supplémentaire (32) commandé par la tension de sortie dudit comparateur, et agencé pour empêcher la charge négative dudit condensateur (24 ou 25). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite tension image du courant est fournie par des capteurs de signaux de faible intensité as- sociés à des amplificateurs (1-2-3) et, après redressement, (diodes 402-502-602) et filtrage (cellule 704-705) est ap- pliquée à un comparateur (8) qui reçoit, par ailleurs une tension de référence positive fournie par un organe (9) d'in- dication de l'état de marche du moteur et provoque la dé- charge progressive d'un condensateur (802) en cas de perte de phase, la tension aux bornes dudit condensateur (802) étant appliquée à un comparateur (10) qui fournit un signal de commande de coupure.