Brevet FR2508673A1 — publié le 19821231

z 5 OL 673 l - DISPOSITIF ACTIONNEUR D'UNE VANNE La présente invention concerne un dispositif pour actionner une vanne et plus particulièrement les moyens de commande d'un tel dispositif. La présente invention a plus particulièrement trait à un dispositif action- neur d'une vanne de relativement grandes dimensions et plus particulière- ment à un dispositif capable de développer un couple allant de 3 kg m à en- viron 1000 kg m De tels dispositifs sont largement utilisés dans le domai- ne des centrales thermiques, dans l'industrie de stockage du gaz ou de pé- -trole, ou comme têtes d'eau dans diverses applications Lorsque ces dispo- sitifs sont en cours d'utilisation, les exigences en matière de vitesses et de couples sont très importantes, de même que leurs systèmes de commande nécessaires pour assurer leur fonctionnement sûr et fiable. De tels dispositifs pour actionner des vannes ont un arbre de sortie en- tramné par un moteur réversible au moyen d'engrenages, par exemple au moyen d'un engrenage à vis sans fi N qui peuvent entraîner l'arbre de sortie dans les deux directions afin d'ouvrir ou de fermer la vanne solidaire de cet axe L'ouverture et la fermeture de la vanne ainsi que le démarrage du moteur dans les deux directions sont commandés par un commutateur pouvant être un bouton de commande L'arrêt du moteur électrique s'effectue sous le contrôle de commutateurs de déplacement portant les références "ouvertu- re" et "fermeture" et de commutateurs de limitation du couple. La commande des commutateurs d'ouverture et de fermeture de la vanne en- gendre l'activation appropriée du circuit de démarrage du moteur, c'est-à- dire des contacteurs d'inversion ou des composants de commutation stati- ques équivalents, tel que le moteur tourne dans la direction souhaitée La présente invention concerne plus particulièrment quoique non exclusivement les dispositifs actionneurs dans lesquels le circuit de démarrage est in- tégré à l'actionneur, c'est-à-dire logé dans le boîtier de ce dispositif. Selon l'utilisation du dispositif, le boîtier doit être soit étanche soit réfractaire. Le moteur électrique reversible est généralement un moteur à induction tri- phasé Pour les moteurs à induction triphasés, le sens de rotation est dé- 2- terminé par la séquence des phases de la source d'alimentation électrique. Si les lignes d'alimentation électrique ne sont pas connectées correctement, la séquence des phases de l'alimentation électrique ne s'effectue pas dans la direction souhaitée Ceci peut entraîner des conséquences très sérieuses. Par exemple, lorsque l'opérateur appuie sur le bouton "fermeture", le moteur entraine la vanne dans la directionde l'ouverture et inversement En ou- tre, les commutateurs de limitation de la course etdelimitation du couple peuvent ne pas protéger le dispositif actionneur de la vanne étant donné que les commutateurs sont normalement bobinés pour arrêter le moteur lors- que le déplacement se fait dans une direction déterminée, par exemple dans le sens de l'ouverture c'est-à-dire que le circuit de limitation de la cour- se dans le sens de l'ouverture n'arrête le moteur que si celui-ci tourne effectivement dans le sens de l'ouverture. La demande de brevet britannique No 1 144 188 décrit un dispositif action- neur de vanne dont le circuit de démarrage intégré comporte un circuit de commande pour éviter que le moteur électrique polyphasé ne puisse être enclenché lorsque la rotation de la phase de l'alimentation électrique s'effectue dans la mauvaise direction Un avertisseur visuel émet un signal à l'intention de l'opérateur qui tente d'enclencher le moteur alors que l'alimentation est mal raccordée. L'inconvénient de ce circuit de commande est que si une connexion erronée a été établie, seul un technicien spécialisé peut réparer celte erreur La réparation de l'erreur peut être très coûteuse étant donné que le disposi- tif actionneur est inutilisable tant que l'erreur n'a pas été corrigée En outre elle peut prendre énormément de temps. Un des objets de la présente invention consiste à réaliser un circuit de commande qui est agencé de telle manière que le moteur polyphasé réversible ne peut tourner que dans la direction choisie quelque soit le sens de la rotation de la phase de l'alimentation aux bornes d'entrée du dispositif. Dans ce but, le dispositif actionneur de vanne selon l'invention compor- tant un moteur polyphasé réversible comprenant des bornes de connexion per- 36 mettant son raccordement à une source d'alimentation électrique polyphasée, 3 - des moyens de couplage desdites bornes au moteur tel que le sens de la sé- quence de phases de la source d'alimentation électrique par rapport aux bor- nes de connexion puisse être inversé, et des organes de commande pouvant a- gir sur ces moyens de couplage pour permettre de sélectionner le sens de ro- tation du moteur estcaractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande pour détecter la séquence de phases de la source d'alimentation électrique, et pour agir de telle manière que le sens de la séquence des phases aux bor- nes du moteur soit tel que le moteur tourne dans le sens choisi quelque soit le sens de la séquence des phases à ses bornes. Les moyens de couplage peuvent comporter des moyens de contact montés dans les lignes d'alimentation entre lesdits moyens de raccordement etlesdites bornes d'entrée du moteur, l'activation de ces moyens étant commandée sélec- tivement. Les moyens de couplage peuvent comporter des moyens de contact et un relais de commutation connectés surles lignes d'alimentation entre lesdites bornes de raccordement et lesdites bornes d'entrée du moteur, l'activation de la bobine du relais étant commandée sélectivement et un circuit de temporisa- tion étant agencé pour l'alimentation retardée desdits moyens de contact par rapport audit relais de commutation. Les m Qyens de commande peuvent comporter un circuit discriminateur de pha- ses qui détecte la séquence de phases aux bornes de raccordement et pro- duit un premier signal de sortie lorsque la séquence de phases dela source d'énergie est dans un premier sens et un second signal de sortie lorsque la séquence de phases est dans le sens opposé, lesdits premier et second signaux de sortie agissant de telle manière que, lorsque le premier signal est produit, les connexions de phases sont inverses de celles appliquées aux bornes du moteur lorsque le second signal est produit Le circuit dis- criminateur de phases peut comporter un circuit d'isolation optique, le premier et le second signal étant dérivés d'un détecteur photo-électrique. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'exemples de réalisation et du dessin annexé dans lequel: 4 - La figure 1 représente un schéma-bloc du dispositif pour actionner de fa- çon réversible une soupape, selon l'invention, La figure 2 représente une seconde forme de réalisation d'un dispositif actionneur de soupape triphasé comportant une relais inverseur de phases, La figure 3 représente une troisième forme de réalisation de la présente invention dans laquelle le dispositif comporte un dispositif de discrimina- tion de la phase utilisant un isolateur optique, La figure 4 représente un circuit équivalent au circuit de discrimination de phases selon la fig 3 pour permettre l'explication de ce dispositif, et Les figures 5 (a) et 5 (b) représentent les tensions correspondant au cir- cuit de la fig 4. Les dessins ont été simplifiés et ne montrent par exemple pas les circuits de commande destinés à maintenir les contacteurs dans leur présent état jusqu'à ce que la soupape ait atteint la position dans laquelle les commu- tateurs de limitation de course et de couple soient enclenchés. En référence à la fig 1, un circuit d'alimentation triphasé comporte des bornes 1 qui sont en fait connectées au réseau triphasé et peuvent être désignées par les références 'Ll", "L 2 ", "L 3 ", et les bornes 2 d'alimenta- tion du circuit de commande sont désignées par les références "L" et "N". L'alimentation de commande peut être indépendante ou peut être prélevée sur l'alimentation principale au moyen d'un transformateur abaisseur de ten- sion dont le bobinage primaire est connecté à deux ou aux trois phases d'a- limentation. La source d'alimentation électrique est raccordée aux bornes TI, T 2 et T 3 d'un moteur à induction polyphasé 3 au moyen d'une paire de contacteurs d'inversion de type standard Un jeu de contacteurs 4 est agencé pour cou- pler directement les trois phases au moteur et un autre jeu 5 est agencé pour inverser deux des trois phases de manière connue comme représenté sur la figure Trois lignes 6 de transmission des signaux sont raccordées 37 aux lignes, de courant et aboutissent à un circuit discriminateur de pha- Z 508673 -5- ses représenté par le bloc 7 Le circuit composant ce bloc comporte un ré- seau de résistances et de condensateurs montés de telle manière que lors- que la rotation des phases de l'alimentation s'effectue dans une direction, un courant de contrôle apparait sur les lignes 8 raccordées à la bobine d' un relais inverseur de commande 9 Si la rotation de phases s'effectue dans l'autre direction aucun courant ne traverse les lignes 8 et la bobine 9 du relais n'est pas alimentée, comme le montre la fig 1 Un circuit discrimi- nateur de phases typique est décrit dans la demande de brevet britannique no 1 144 188. Des boutons d'ouverture et de fermeture 10 et Il sont connectés à la bobine de contacteur 21 et à la bobine de contacteur 22 au travers d'un relais de commande inverseur tel que le bouton d'ouverture 10 agit sur la bobine 22 et que le bouton de fermeture Il agit sur la bobine 21 lorsque le relais 9 n'est pas activé, et inversement lorsque le relais est activé. Le circuit agit dans la direction "fermeture" du dispositif actionneur de vanne comme suit On suppose que le moteur 3 doit entraîner la soupape dans le sens des ai- guilles d'une montre pour l'amener en position fermée et que ceci s'obtient lorsque les phases aux bornes de raccordement LI, L 2 et L 3 sont également dans le sens des aiguilles d'une montre, les connexions étant effectuées entre LI et T 1, L 2 et T 2 et L 3 et T 3 Dans cet état, le circuit de discri- mination des phases ne transmet aucun courant au relais inverseur 9 au tra- vers des lignes 8, de sorte que lorsque le bouton "fermeture" est enfoncé, la bobine 21 du contacteur 4 est activé ce qui assure le raccordement des connexions LI à Tl etc Si deux des lignes d'alimentation sont inversées aux bornes de raccordement 1, les phases de l'alimentation sont disposées dans le sens contraire des aiguilles d'une montre De ce fait le circuit de discrimination 7 active la bobine du relais de commande inverseur 9 de sorte que si l'opérateur enfonce le bouton 11 de "fermeture", la bobine 22 du contacteur 5 est ac- tivée à la place de la bobine 21 décrite précédemment Du fait que le con- tacteur 5 inverse la rotation des phases, les connexions du moteur seront 37 les uivantes: L 1 à T 2, L 2 à Tl et L 3 à T 3. -6 - Comme les lignes d'entrée principales ont été inversées, le moteur conti- nue à tourner comme souhaité, dans le sens des aiguilles d'une montre Une description similaire s'applique à l'opération d'ouverture de la vanne. Comme mentionné précédemment, les éléments pour limiter la course et les circuits de commande n'ont pas été illustrés étant donné qu'ils n'inter- viennent pas dans le fonctionnement des circuits décrits On notera égale- ment que les fonctions du relais de commande d'inversion et les contacteurs principaux du moteur pourraient être remplacés par des dispositifs de com- mande électroniques à composants solides. En référence à la fig 2, la paire de contacteurs inverseurs convention- nels a été remplacée par un contacteur 12 à trois phases et un relais in- verseur de puissance 13 Un circuit de temporisation 14 a également été monté dans le circuit Le but du circuit de temporisation est de permet- tre au relais inverseur de puissance 3 d'opérer et à ses contacts d'être fermés avant l'enclenchement du contacteur principal 12, de sorte que les contacts du relais ne se ferment jamais sous tension De même, le circuit de temporisation 14 évite que le relais inverseur de puissance ne s'ouvre avant que ses contacts soient hors de tension. Le fonctionnement du circuit de la figure 2 est similaire à celui illus- tré par la figure 1, à cela prés que les boutons de commande 10 et Il ac- tionnent soit directement le contacteur 12 soit le relais inverseur de puissance 13 selon l'état dans lequel se trouve le relais inverseur de com- mande 9 Lorsque le relais 13 est activé, le circuit temporisateur est également activé et enfonce le contacteur principal 12 un court interval- le de temps après queles contacts du relais inverseur de puissance soient faits. Il est également possible de réaliser un contact auxiliaire sur le relais inverseur de puissance 13 Ce contact auxiliaire peut être agencé pour ac- tiver le circuit de temporisation 14, de telle manière que le contacteur principal 12 ne peut pas travailler tant que le relais inverseur de puis- sance n'a pas été activé, lorsqu'une direction du moteur a été selection- née, cette direction nécessitant l'enclenchement dudit relais Il est pos- 37 sible de se passer du circuit de temporisation si le temps de réponse nor- -7- mal du circuit de contrôle est suffisamment long pour assurer que les con- tacts du relais inverseur de puissance ont effectivement été entièrement fermés lorsque le contacteur principal ferme ses contacts suite à la fer- meture des contacts du relais inverseur de puissance auxiliaire On notera que, bien que la fig 2 représente un mécanisme électromécanique utilisé comme relais inverseur de puissance on pourrait utiliser un dispositif é- quivalent à composants solides. Dans les deux exemples des figures 1 et 2, le circuit de discrimination de phases 7 est représenté couplé en permanence à la source d'alimenta- tion Ceci a pour effet d'activer en permanence la bobine du relais d'in- version de commande lorsque les-bornes de raccordement sont connectées de telle manière que la rotation de phases s'effectue dans une direction. Dans certains cas, il serait souhaitable que la bobine soit activée en permanence ou desactivée selon la manière dont les bornes d'entrée sont raccordées à la source de tension Par conséquent, on pourrait souhaiter pouvoir disposer dans certains cas d'un contact spécial monté sur les bou- tons 10 et Il de fermeture et d'ouverture, cet agencement étant tel que ce contact se ferme avant la fermeture du contact du bouton principal. Ces contacts spéciaux sont connectés en parallèle avec les boutons de com- mande et agencés pour compléter le circuit entre les lignes 8 et le relais d'inversion de commande 9 Dans ces circonstances, la bobine du relais peut n'être activée que si l'un des boutons d'ouverture ou de fermeture est enfoncé et lorsque le circuit de discrimination de phases demande l'opération du relais inverseur. Le présent circuit peut également être utilisé dans les applications o le moteur est sensé ne tourner que dans une seule direction et o l'ar- bre de sortie du moteur n'est pas visible ou lorsque sa direction de ro- tation est déterminée autrement comme par exemple dans les pompes rotati- ves scellées utilisées dans l'industrie chimique et pourvues d'un bobina- ge de stator polyphasé solidaire d'un démarreur et de circuits de protec- tion intégrés Dans une telle application le circuit illustré par les fi- gures 1 ou 2 peut être utilisé en supprimant le bouton de fermeture 11 et le contact inverseur associé du relais inverseur de commande 9 et le bou- 36 ton 10 peut être utilisé pour faire démarrer le moteur. 8 - En référence à la fig 3, le circuit d'alimentation comporte les bornes de raccordement L 1, L 2 et L 3 qui sont connectées à une source de courant triphasé raccordée par l'intermédiaire des lignes A, B, C au travers d' un jeu de contacteurs inverseurs de phases 31 aux bornes du moteur T 1, T 2 et T 3 Le jeu de contacteurs 31 connecte d'une part les lignes A et B res- pectivement aux bornes du mnteur T 1 et T 2 pour engendrer la rotation du direction moteur 3 dans une première Vët dans un autre état, connecte les lignes A, B respectivement aux bornes T 2 et T 1 pour inverser le sens de la rotation de phases des bornes du moteur, ce qui provoque sa rotation dans la direc- tion inverse. L'état du jeu de contacteurs 31 est contrôlé par les entrées de commande I connectées au jeu de contacteurs 31 par l'intermédiaire d'un circuit logique 32 Ainsi une première entrée de commande I entraine la rotation du moteur 3 dans une première direction et une seconde entrée I entraine sa rotation dans la direction inverse Pour garantir que pour chacune des première et seconde entrées le moteur tourne toujours dans la direc- tion prédéterminée, même si les bornes de raccordement L 1, L 2 et L 3 ont été connectées de façon erronée à la source triphasée, un circuit de con- trôle comportant un circuit de discrimination de phases tel que décrit ci-dessous est connecté sur les lignes A, B et C et fournit soit un si- gnal logique O ou 1 au circuit logique 32 selon la séquence de phases détectée par le circuit de contrôle De ce manière, la séquence de phases correspond au signal d'entrée actif I de telle manière que la sortie du circuit logique 32 fixe l'état du jeu de contacteurs 31 et par conséquent le sens de la rotation de phases aux bornes de raccordement Tl, T 2 et T 3 provoque la rotation du moteur 3 dans une direction prédéterminée quel- que soit la rotation de phases aux bornes Lî, L 2 et L 3 Ainsi, dans le cas d'un dispositif actionneur de vanne, la première entrée I peut être arrangée en toute sécurité pour provoquer la rotation du moteur 3 de fa- çon à entraîner la vanne par exemple dans le sens de sa fermeture et la seconde entrée I peut être arrangée de façon à assurer la rotation du mo- teur 3 en entrainant le dispositif actionneur de vanne dans le sens de l'ouverture de la vanne. 36 Le circuit de commande comporte un pont redresseur 25 dont les bornes d'entrée X, Y sont connectées aux lignes A, B et C au travers des résis- tances RI, R 2 et R 3 et du condensateur C 1 La figure 4 représente le cir- cuit équivalent des connexions entre les bornes X, Y et les lignes A, B, C. V 1 est comme le montre la fig 4 la tension entre les lignes A et B, c'est- à-dire entre la ligne A et le point commun N Cette tension est donnée par la relation V sin (wt + 21 T) o V est la tension efficace de l'alimenta- tion triphasée et o V 2 est la tension entre les lignes C et B, c'est-à- dire entre les lignes C et le point commun N, cette tension étant donnée par (-V sin wt)-. La tension du circuit ouvert Vxy apparait entre les bornes X et Y et est donnée par la relation: Vxy =Vx N Vy N Vx N supérieur àVl par tg XCI / Rl a une amplitude efficace égale à VR / (R 12 + XC 2)2 o XCî est la réactance du condensateur C 1. Vy N est en phase avec V 2 et a une amplitude efficace égale à VR 2 /(R 2 + R 3). Si Vl est en retard par rapport à V 2 la forme de l'onde représentant la tension correspond à celle représentée par la figure 5 a Si Vl est en avan- ce par rapport à V 2, la forme de la tension est représentée par les cour- bes de la figure 5 b. On remarque que Vxy peut être égal à O lorsque Vl est en avance sur V 2 de 1200, c'est-à-dire si tg -l Xci / Rl est 600 et si l'amplitude des tensions Vx N et Vy N est la même Dans ces conditions, VXY a une amplitu- de considérable lorsque Vl est en retard sur V 2 de 1200 Ces conditions peuvent être obtenues par un choix approprié des composants R 1, R 2, R 3 et Cl. Une diode photo-émettrice 26 est connectée aux bornes de sortie PQ du pont et constitue une partie d'un isolateur optique 27 comportant égale- ment un détecteur photo-électrique 28 Lorsque la tension VXY est nulle indiquant un sens de rotation de phases ABC, aucune lumière n'est émise par la diode 26 et le détecteur 28 produit un signal de sortie binaire 1. Toutefois, lorsque la tension Vxy est supérieure à O la diode 26 émet un signal lumineux et le détecteur 28 produit un signal de sortie binai- 36 re O indiquant un sens de rotation de phase ACB. Comme décrit précédemment, si la connection des bornes de raccordement Ll, L 2 et L 3 est appropriée pour produire un sens de rotation de phase ABC et si une connexion erronée a été effectuée de manière à engendrer une rota- tion de phase dans le sens ACB, alors le signal de sortie binaire O du circuit de contrôle sera utilisé avec l'entrée I pour produire la même rotation de phase aux bornes du moteur T 1, T 2 et T 3 que celle qui se se- rait produite si les bornes de raccordement L 1, L 2 et L 3 avaient été ABC. Par conséquent, la présente invention fournit un dispositif qui assure qu'un moteur polyphasé opère dans la bonne direction quelque soit la sé- 11 quence de phase d'alimentation électrique. il - REVENDICATIONS 1 Dispositif actionneur d'une vanne comportant un moteur polyphasé rever- sible comprenant des bornes de connexion permettant son raccordement à une source d'alimentation électrique polyphasée, des moyens de couplage desdites bornes aumoteur tel quelesens de la séquence de phases de la source d'alimen- tation électrique par rapport aux bornes de connexion puisse être inversé, et des organes de commande pouvant agir sur ces moyens de couplage pour per- mettre de sélectionner le sens de rotation du moteur, caractérisé en ce qu' il comporte un circuit de commande pour détecter la séquence de phases de la source d'alimentation électrique, et pour agir de telle manière que le sens de la séquence des phases aux bornes du moteur soit tel que le moteur tourne dans le sens choisi quelque soit le sens-de la séquence des phases à ses bornes. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande comporte un circuit discriminateur de phases qui détecte la séquen- ce des phases aux bornes de raccordement et produit un premier signal de sortie lorsque la séquence des phases de la source d'alimentation en élec- tricité est orientée dans une première direction et un second signal lors- que la séquence des phases est orientée dans la direction opposée, lesdits premier et second signaux de sortie agissant de telle manière que lorsque le premier signal est produit les connexions de phases sont inverses de cel- les appliquées auxdites bornes du moteur lorsque le second signal est pro- duit. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle sont agencés pour commander lesdits moyens de couplage de telle manière que les connexions de phases auxdites bornes de raccordement du mo- teur sont inversées lorsqu'on choisit le sens de rotation opposé du moteur. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit discriminateur de phases comporte un circuit d'isolation optique, lesdits premier et second signaux de sortie étant émis par un détecteur photoélec- trique. 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit circuit 36 d'isolation optique comporte un circuit à pont redresseur ayant un dispositif photo-émetteur connecté entre les bornes de sortie du pont, les bornes d'en- trée du pont étant connectées entre les bornes de raccordement, de telle manière que lorsque la séquence de rotation des phases s'effectue dans un premier sens, ledit dispositif photo-émetteur est "enclenché" et lorsqu'el- le s'effectue dans le sens opposé ledit dispositif photo-émetteur est "déclenché". 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comportent des moyens de contact mon- tés dans les lignes d'alimentation entre lesdites bornes de raccordement et lesdites bornes du moteur, l'alimentation en énergie desdits moyens de couplage étant commandée sélectivement par lesdits premier et second si- gnaux de sortie. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce lesdits moyens de commande pour déterminer le sens de rotation du moteur sont agencés pour commander l'alimentation desdits moyens de contact en combinaison avec le- dit circuit de commande pour détecter la séquence de phases de la source d'alimentation électrique auxdites bornes de raccordement. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comportent des moyens de contact et un relais de commutation connecté sur les lignes d'alimentation entre les- dites bornes de raccordement et les bornes du moteur, l'alimentation de la bobine du relais étant commandée sélectivement par lesdits premier et second signaux de sortie, et un circuit de temporisation étant agencé pour alimen- ter de façon retardée lesdits moyens de contact par rapport auxdits relais de commutation. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de commande pour déterminer le sens de rotation du moteur sont agencés pour effectuer l'alimentation desdits moyens de contact et pour contrôler l'ali- mentation du relais de commutation en combinaison avec ledit circuit de com- mande pour détecter la séquence de phases-de la source d'alimentation élec- trique auxdites bornes de raccordement. 37 10 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- -13 _ 2508673 térisé en ce que les moyens de commande contrôlent lesdits circuits de com- mande de telle manière que ledit circuit de commande n'est opérationnel qu' après l'activation desdits moyens de commande et juste avant que ces moyens 4 de commande exercent leur effet sur lesdits moyens de couplage.