Brevet FR2498841A1 — publié le 19820730

L'invention concerne un système de démarrage contrôlé et une variation de vitesse des moteurs asynchrones à cage. De différents système de démarrage et de variation de vitesse sont connus. Le présent projet a pour objectif un système avec une commande électronique très simple et permettant d'obtenir des couples élevés sur toute la plage de fonctionnement, de O à la vitesse nominale. Ce résultat est atteint par l'association d'un moteur asynchrone à double stator avec deux demi-rotors dont les enroulements sont reliés par des conducteurs de liaison pour former un rotor à cage commun comportant des résistances reliant les uns aux autres ces conducteurs de liaison avec un système électronique comprenant deux groupes de contacteurs statiques permettant, par des commutation rapides, de changer, de O à 180 , la phase résultante de la force magnétomotrice d'un stator par rapport à l'autre au moyen du changement de la polarité des phases permettant introduire ou éliminer lesdites résistances rotoriques afin d'obtenir différentes caractéristiques du moteur. La construction de chacun des demi-stators est classique. Le rotor commun est composé de deux parties fixées sur le même arbre. Chaque partie est composée d'un empilage de tôles de longueur à peu près celle de ltempilage du stator correspondant. Les conducteurs traversent les encoches des deux demi-rotors. Deux anneaux court-circuitent les extrémités de la cage rotorique. Un anneau en matériau résistif, aménagé entre les deux demi-rotors au milieu de la cage rotorique, réunit électriquement tous les conducteurs de la cage. Un tel rotor décrit par Bouçberot était connu dans le passé et sa réalisation ne présente pas de difficultés spéciales. L'anneau en matériau résistif est spécialement calculé pour Jouer, au moment choisi, le rôle de la résistance rotorique permettant de modifier la caractéristique couple-vitesse du moteur. La réalisation du rotor est, par ailleurs, classique. Ce seront de préférance les barres de cuivre bien que la solution de la cage d'aluminium ne soit pas à exclure. Les deux demi-stators sont identiques. Ils ont le même nombre de pôles. Ils sont montés de façon à ce que la résultante du flux magnétique de chacun des demi-stators soit en phase. Ceci se traduit par l'alignement des bobinages au moment de montage. Chacun des stators est alimenté indépendamment. L'un d'eux, appelé stator d'alimentation, est alimenté soit directement du réseau soit par l'intermédiaire. d'un contacteur classique ou statique. L'autre stator, dit de régulation, possède un système d'alimentation électronique spécial. Ce système permet d'alimenter le stator en phase ou en phase opposé. . L'alimentation en phase correspond à la génération des forces électromotrices de même sens dans les demi-rotors. Dans ce cas les forces électromotrices s'ajoutent et le courant circule dans les barres exclusivement, car leur résistance est beaucoup plusfaible que celle qui est insérée entre les deux demi-rotors. L'alimentation en phase opposée génère les forces électromotrices dans les demi-rotors de sens oppos et alors le courant est obligé de circuler dans la résistance insérée au milieu du rotor. Bien évidemment, les caractéristiques du moteur sont différentes dans les deux cas. Le fonctionnement par l'alimentation en phase correspond à une caractéristique normale du moteur asynchrones à cage. Le fonctionnement en phase opposée correspond à une caractéristique du moteur bobiné avec une résistance. Dans ce cas le couple maximal est déplacé vers les vitesses plus hasses et la caractéristique couple-vitesse est plus ou moins applatie, en fonction de la valeur de cette résistance. Ainsi, on dispose de deux caractéristiques distinctes En réalité, il existe trois caractéristiques couplevitesse distinctes dans un tel système. En effet, si l'on n'alimente qu'un seul stator, le courant est obligé de circuler dans la résistance insérée au milieu de deux demi-rotors et l'on obtient une caractéristique différente des deux précédentes. Les moyens électroniques de commutation rapide permettent d'obtenir n'importe quelle caractéristique intermédiaire. Le fonctionnement en phase ou en phase opposée peut s'expliquer facilement par des formules mathématiques. Pour un système polyphasé avec un nombre de phases m, par exemple, la force magnétomotrice d'une phase est égale à t t H.s [t ~L?l'i (- 'I"-L p^ pet p.l.hr La résultante de la somme de toutes les forces magnétomotrices de toutes les phases est égale à: Si l'on alimente les bobines en phase opposée, ce qui sienifieoue l'on invertit la nolarité de chaque Phase m:: alors la résultante de la somme de toutes les forces magnétomotrices est égale à t Il suffit donc de changer la polarité de toutes les phases pour obtenir la force magnétomotrice et, par conséquent, la force électromotrice induite dans le rotor déphasée de 180 . On obtient ce résultat avec un système électronique comprenant des thyristors ou des transistors. Le nombre des semiconducteurs utilisés dépend du système de bobinage employé. Un exemple du circuit en étoile est donné plus loin. Etant donné que l'utilisation des contacteurs à semiconducteurs permet la commutation très rapide et que, d'autre part, les semiconducteurs permettent de réguler le courant moyen, on peut obtenir n'importe quelle caractéristique couple-vitesse à l'intérieur de l'enveloppe constituée par les deux caractéristiques fondamentales obtenues par l'alimentation de deux stators en phase ou en phase opposée. Les avantages de ce système sont nombreux. Au démarrage, en phase opposée, on obtient des couples élevés proches du couple maximal. Un avantage supplémentaire consiste en ce que le courant de démarrage, dit courant d'appel, est faible. Ces deux avantages destituent ce système tout spécialement au démarrages difficiles, longs ou fréquents. Un autre aspect important et qui résulte directement de ce qui a été dit précédemment consiste dans la possibilité de construire des moteurs du type économique, ctest-à-dire qui ont un excellent rendement pour de grandes variations de la charge. En effet, il est possible de réaliser des rotors ayant une très faible résistance, donc de faibles glissements. Dans les moteurs classiques cela est difficile, voire impossible, car la conséquence d'une faible résistance rotorique est la diminution importante du couple de démarrage et l'augmentation excessive du courant d'appel. Un autre type d'application consiste dans la variation de vitesse. Le fonctionnement du système décrit s'apparento à celui du moteur asynchrone à bagues avec les résistances extérieures. L'avantage fondamental du système décrit dans ce brevet consiste dans la suppression des bagues. Il en résulte une grande fiabilité et sécurité du moteur, d'où la possibilité de l'emploi du système dans une atmosphère dangereuse, un milieu corrosif, les moteurs immergés etc. L'application particulièrement intéressante concerne les engins de levage nécessitant, d'une part, la vitesse de croisière ( déplacement de la charge) et, d'autre part, la vitesse d'approche ( placement de la charge). Les caractéristiques mécaniques convenables pour cette application peuvent etre facilement obtenues par le système décrit. L'inconvénient consiste dans les pertes rotoriques qui peuvent être partiellement récupérées par l'intermédiaires du stator de régulation. Par contrelélectronique est très simple et peu conteuse, car elle est réalisée à partir de deux groupes de contacteurs statiques à semiconducteurs ( thyristors, triacs, transistors..) en fonctionnement alternatif. La description complémentaire de l'invention se fera par les exemples qui vont suivre. Les dessins annexés sont donnés uniquement à titre d'exemple. - la fig.1 est une vue schématique en coupe axiale du moteur asynchrones particulier utilisé dans l'invention. - la fig.2 montre la disposition des courants et les forces électromotrices rotoriquos en fonctionnement en phase. - la fig.3 montre la disposition de courants et les forces électromotrices rotoriques en fonctionnement en phase opposée. - la fig.4 montre les caractéristiques du moteur: en fonctionnement en phase, en phase opposée , et les caractéristiques intermédiaires. - la fig.5 donne le schéma général permettant le changement de polarité d'une phase. - - la fig.6 montre le schéma du moteur avec le système électronique associé. - la fiv.7 montre un autre schéma du moteur avec le système électronique associé. Sur la fig.1, on voit le moteur suivant utilisé dans l'invention comprenant deux stators, 1 et 2. On peut choisir le stator 1 comme stator d'alimentation et le stator 2 comme stator de régulation. Le rotor est composé de deux demi-rotors, 3 et 4. Les longueurs d'empilage du circuit magnétique des demi-rotors 3 et 4 correspondent aux longueurs d'empilage des stators 1 et 2 , respectivement. Les conducteurs traversant les deux demi-rotors sont court-circuités par deux couronnes placées à chaque extrémité du rotor. Une résistance 5 se trouve incorporée entre les deux demi-rotors 3 et 4. Elle relie tous les conducteurs de la cage. Sa valeur ohmique est soigneusement choisie en fonction de la caractéristique désirée du moteur. Le stator 1 alimenté, qu'il soit mono ou polyphasé, une force magnétomotrice résultante est générée par l'ensemble des conducteurs. Elle a une direction déterminée dans l'espace et, dans les cas des moteurs polyphasés, cell-ci tourne avec une certaine vitesse angulaire qui dépend de la fréquence et du nombre-de pôles du moteur. Le stator 2 alimenté, il produit une force magnétomotrice de mSme valeur en cas de paramètres identiques. Selon la polarité des phases des stators, ces résultantea peuvent avoir la meme direction dans lespace, ou alors elles peuvent Entre déphasées de 180. Elles peuvent tourner dans le mame sens Alors, les forces électromotric- générées dans les demi-rotors peuvent staJouter comme cela est montré sur la fig.2. Le courant circule dans la cage qui a une résistance très faible par rapport à la résistance insérée au milieu. Aucun courant ne circule alors dans la résistance incorporée. Dans l'autre cas les forces électromotrices générées peuvent s'opposer comme cela est montré sur la fig.3. S'il n'y avait pas la résistance au milieu et si ces forces électromotrices avaient la même amplitude, aucun courant ne circulerait dans le rotor. Dans le cas présenté sur la fig.3 le courant rotorique peut se refermer précisement par la résistance incorporée au milieu du rotor et ce-courant permet la génération du couple du moteur. Il est possible, bien entendu, de ne pas alimenter l'un des stators qui constituerait une impédance presque infinie, enfin très grande, et le courant du stator alimenté se refermerait toujours par la résistance rotorique incorporée au milieu. Cette fois le courant et le couple sont deux fois moindres. Aussi, tout en respectant le principe d'alimentation en phase ou en phase opposée, on peut réguler la tension d'un ou de l'autre stator, ou le courant moyen pour obtenir toute une gamme intermédiaire des caractéristiques du moteur. Cela est montré précisemment sur la fig.4. La caractéristique 1 représentet couple-vitesse du moteur, alimenté en phase. C'est la caractéristique d'un moteur ordinaire. La caractéristique 2 correspond à l'alimentation de deux stators on phase opposée. La caractéristique 3 correspond à l'alimentation d'un seul stator. Les caractéristiques 4,4,4, ce sont des caractéristiques intermédiaires obtenues par la variation de la tension ou du courant moyen d'un des stators, par exemple par la variation de l'angle d'ouverture des thyristors, le temps de conduction des transistors, la régulation de la tension d'alioertation etc... La fiv.3 montre un exemple de changement de phase de la résultante de la force magnétomotrice de O à lsOe. Cela correspond au changement de la polarité d'un bobinage, dans le cas général, ou le changement de la la polarité d'un bobinage du moteur monophasé dans un cas particulier. La bobine 6,fig.5, est alimentée en courant alternatif par I'intermédiaire d'un pont constitué de deux groupes, 7 et 8, de contacteurs statiques à semiconducteurs. Pour une polarité déterminée les contacteurs7 alimentent la bobine, tandis que les contacteurs 8sont fermés. Pour le fonctionnement en phase opposée ( force magnétomotrice déphasée de 180s) les contacteurs 7 sont fermés et les contacteurs 8 ouverts. Comme il a été déjà mentionné, ces contacteurs peuvent réguler le courant moyen par un réglage de temps de fonctionnement sur une période donnée. Conformément aux formules citées dessus, il suffit d'appliquer le système présenté sur la fig.5 à chaque phase d'un moteur polyphasé pour obtenir la force magnétomotrice résultante en phase ou en phase opposé. Dans ce cas, il est nécéssaire d'avoir pour un moteur triphasé 12 triacs ou 24 thyristors, par exemple. Néanmoins, il est possible de diminuer le nombre de composants nécessaires et un exemple en est donné sur la fig.6. Le stator de régulation 2 (fig.6) est alimenté par deux groupes de contacteurs à semiconducteurs. Le groupe des contacteurs 9 ouvert et le groupe 10 fermé parmet, par exemple, d'obtenir la résultante de la force magnétomotrice en phase avec celle du stator 1. Cela correspond au schéma rotorique de la fig.2. Le groupe de coneacteurs 10 ouvert et 9 fermé permet d'obtenir, alors, le fonctionnement en phase opposée correspondant au schéma rotorique de la fig.3. La commutation rapide par un basculement de la commande des gachettes des thyristors ou triacs ( ou base des transistors) s'obtient de façon très simple et la réalisation de cette commande ne présente pas de difficultés pour l'homme de l'art. Le contr8le du temps d'ouverture des thyristors ou du temps de conduction des transistors est également classique et ne présente aucune difficulté de réalisation. La figure 7 montre une autre façon d'alimenter le moteur par deux groupes de contacteurs statiques, 11 et 12, pouvant fonctionner alternativement et permettant d'obtenir le fonctionnement en phase ou en phase opposée. L'essentiel du système consiste dans la possibilité d'introduction ou d'élimination d'une résistance dans le circuit rotorique d'un moteur asynchrone à cage uniquement à partir d'un changement de polarité des bobinages statoriques au moyen de commutateurs électroniques. La souplesse de fonctionnement du système est augmentée par la possibilité de variation de l'amplitude de la tension d'alimentation oú ou de la valeur du courant d'alimentation. Le système comprenant un moteur asynchrones spécial avec une résistance rotorique incorporée et l'électronique de changement de phase contrôlée peut astre appliqué au démarrage difficile ou à la variation de vitesse de différentes machines ou dispositifs industriels. REVENDICATIONS 1. Système de démarrage et de variation de vitesse de moteurs asynchrones à cage caractérisé en ce qu'il associe un moteur asynchrones à double stator(1,2) avec deux demi-rotors (3,4) dont les enroulements sont reliés par des conducteurs de liaison pour former un rotor à cage commun comportant des résistances (5) reliant les uns aux autres ces conducteurs de liaison, avec un système électronique comprenant deux groupes de contacteurs statiques (9,10) à semiconducteurs permettant, par des commutations rapides, do changer de O à 1800 la phase de la résultante de la force magnétomotrice d'un stator par rapport à l'autre au moyen du changement de la polarité des phases permettant dtintroduire ou d'éliminer lesdites résistances rotoriquos afin d'obtenir différentes caractéristiques du moteur.