Brevet FR2523657A1 — publié le 19830923

_ 1 _ SYSTEME D'ENTRAINEMENT POUR TURBOPOMPE MOLECULAIRE La présente invention concerne un système d'entraînement de l'arbre d'une turbopompe moléculaire, du type assurant cet entraînement au moyen d'un moteur à courant continu sans balais. D'après les documents M Uller Moteurs à courant continu sans collecteur, à deux impulsions "Digest f r angewandte Antriebstechnik" (sommaire des techniques d'alimentation des moteurs électriques), fascicule 1/2 1977, et Kappius et Liska, Moteurs électroniques pour applications industrielles, Revue Siemens 45 ( 1971), fascicule 4, on connaît des petits moteurs à courant continu sans balais, dont ces documents montrent diverses réalisations quant à leurs enroulements inducteurs, associés à des organes de commutation appropriés Les moteurs décrits dans ces documents absorbent une faible puissance, et les arbres qu'ils entraînent ont un faible moment d'inertie, pour permettre à ces moteurs d'atteindre rapidement leur vitesse de régime C'est pourquoi il est alors possible de prévoir un système d'alimentation simple. Dans le cas des turbopompes moléculaires, les moteurs d'entraînement se trouvent dans une enceinte sous vide, et leurs rotors tournent à une vitesse très élevée, pouvant aller jusqu'à 90 000 tours par minute. La puissance absorbée par ces moteurs dépend en pratique uniquement des frottements des paliers Comme les rotors accumulent une énergie de rotation considérable, à cause de la valeur élevée de leur moment d'inertie et de leur grande vitesse de rotation, il est nécessaire d'appliquer au rotor un couple de rotation très important, pour l'accélérer correctement, afin de permettre à la pompe d'atteindre aussi rapidement que possible sa vitesse normale de rotation Au cours de cette phase de démarrage, on accélère le rotor en lui appliquant un couple de rotation constant, ce qui demande un courant d'intensité constante dans le cas d'un moteur à courant continu Il 2- faut donc que les moteurs à courant continu sans balais utilisés dans ce cas soient adaptés à de telles conditions de fonctionnement. D'après les notices d'utilisation pour les turbopompes moléculaires, TPH 110, et pour le système électronique de commande TCP 270 ( NO PM 800 061 BD, Société A Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar Gmb H, Boîte Postale 1280 D6334 Asslar), publiées par la Société demanderesse, on connait un moteur à courant continu sans balais, comportant un système inducteur à quatre enroulements et un dispositif d'alimentation tel que schématisé sur la figure 2 ci-annexée Ce système d'alimentation comporte un transformateur d'entrée associé à un redresseur pour produire une tension redressée intermédiaire Uz, un régulateur de tension, constitué de préférence par un régulateur à découpage à impédance tampon, qui assure lors de vitesses de rotation élevées la régulation de la tension Ub appliquée au moteur, de manière à maintenir constante l'intensité totale traversant le moteur et mesurée aux bornes d'une résistance de mesure d'intensité R 1 Lorsque le moteur atteint sa vitesse normale de fonctionnement, un dispositif tachymétrique intervient pour assurer la régulation, en agissant sur le régulateur de tension, de manière à maintenir constante la vitesse de rotation du moteur en fonctionnement. D'après les publications techniques de Siemens sur les composants pour appareils: Macek, Hirschmann, etc, "Circuits de commande", IB 1703; Ackermann, etc " Circuits de commande", IIB 1764; Schaller, "Circuits de commande", IIIB 1821; Macek, "Circuits de commande", IV 1749; et d'après les informations techniques de Valvo pour l'industrie: Van Velthooven "Dimensionnement des convertisseurs de débit"; Hedderscheid, N 76 11 05 de Novembre 1976; on connaît en outre des régulateurs de commutation qui remplacent le transformateur d'entrée. Ces systèmes, illustrés ici par la figure 3, comportent -3- un étage d'entrée, o la tension d'alimentation redressée est traitée par un ensemble de transistors de commutation, pour être hachée à une fréquence élevée par rapport à la fréquence du secteur, afin d'obtenir ensuite par l'intermédiaire d'un transformateur une tension intermédiaire Uz destinée à l'alimentation de moteur Les transistors de commutation sont commandés par un modulateur, qui règle la durée des impulsions, de manière à maintenir à une valeur constante la tension en aval du transformateur Un deuxième régulateur de commutation assure le réglage de l'intensité du moteur à grande vitesse, ainsi que le réglage de la vitesse de rotation du moteur en fonctionnement normal, comme dans le système exposé plus haut Ce second régulateur comporte une impédance tampon et un modulateur réglant la durée des impulsions. Les systèmes que l'on vient de décrire présentent les inconvénients suivants: 1 L'inducteur en quatre enroulements remplit incorrectement le volume correspondant, ce qui provoque des pertes ohmiques élevées. 2 L'énergie électromagnétique résiduelle de chaque enroulement n'est pas récupérée au moment o l'enroulement cesse d'être excité, mais se dissipe au contraire en chaleur dans les diodes de Zehner ou dans les transistors de commutation. 3 En cas de défaut des transistors de commutation du régulateur de tension, la valeur totale de la tension intermédiaire Uz se trouve appliquée au moteur, qui risque alors de dépasser sa vitesse de rotation normale, au détriment de la sécurité de la turbopompe moléculaire En outre, une régulation défectueuse de l'intensité du circuit intermédiaire risque de provoquer une surcharge et de détruire les transistors de commutation. 4 Les exemples de réalisation que l'on vient de décrire nécessitent soit un transformateur d'entrée de -'4- grande taille pour séparer la tension du secteur et la tension du moteur, soit un second circuit de régulation, pour-stabiliser la tension Uz du circuit intermédiaire. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients que l'on vient d'exposer, pour réaliser de manière simple un système d'entraînement pour une turbopompe moléculaire, présentant une sécurité accrue. L'invention a pour objet un système d'entraînement du genre défini plus haut, par moteur à courant continu sans balai, comportant un dispositif hacheur de courant à transistors de commutation à l'entrée d'un transformateur faisant partie d'une source de tension alimentant le moteur sous deux polarités opposées, caractérisé en ce qu'il comporte deux enroulements inducteurs ayant leurs extrémités reliées à un point neutre commun de la source de tension, par l'intermédiaire d'une même résistance R 1 de mesure d'intensité, de telle manière que la chute de tension aux bornes de cette résistance serve à commander la largeur des impulsions de commande appliquées aux transistors du dispositif hacheur de courant, afin de maintenir constante l'intensité du courant dans le moteur. Le système de l'invention peut avantageusement comporter un dispositif d'alimentation du moteur comportant un redresseur 2 de la tension de sortie U 1, un hacheur de courant 3 pour exciter l'enroulement primaire d'un transformateur associé 9, et un régulateur de durée des impulsions 8 pour commander le hacheur de courant 3, caractérisé en ce que le transformateur comporte un enroulement secondaire à borne neutre, alimentant quatre diodes redresseuses D 1 à D 4, reliées à l'enroulement secondaire suivant un montage en pont de Grâtz à deux branches, prolongées par deux impédances tampons L 1 et L 2 dont les sorties constituent respectivement le pÈle positif et le pôle négatif d'alimentation du moteur, et en ce que deux condensateurs C 1 et C 2 sont montés en _ 5série entre les sorties desdites impédances de manière à présenter un point commun qui est relié à la borne neutre de l'enroulement secondaire du transformateur, pour constituer le point neutre commun de la source de tension. De préférence, les diodes du dispositif d'alimentation sont montées en parallèle, suivant un sens de passage du courant opposé à celui des transistors du dispositif de commutation, afin qu'elles renvoient aux deux condensateurs C 1 et C 2 l'énergie inductive accumulée dans chacun des enroulements correspondants du moteur, lorsque cet enroulement cesse d'être excité. D'une manière particulièrement avantageuse, le système comporte, entre la résistance de mesure d'intensité R 1 et l'entrée du modulateur de réglage de durée des impulsions, un redresseur de mesure à amplificateur opérationnel, pour redresser la faible tension alternative existant à l'endroit de la résistance R 1, et amplifier cette tension pour l'appliquer au régulateur Grâce à cette régulation d'intensité assurée dans l'étage d'entrée, le second circuit de régulation se trouve réduit à un montage redresseur en pont de Grâtz, qui débite dans une impédance et un condensateur Les diodes D 1 et D 4 remplacent les transistors de commutation du régulateur de tension de la figure 2, tandis que les diodes D 2 et D 3 servent de diodes en "roue libre". Les deux impédances d'accumulation L 1 et L 2 sont par ailleurs nécessaires, pour limiter l'intensité du courant dans l'étage de commutation Les condensateurs C 3 et C 4 servent d'organes tampons pour accumuler l'énergie électromagnétique résiduell e. La tension régulée est en outre amenée au limiteur dynamique d'intensité, constitué par un amplificateur associé à un compensateur de tension La sortie du condensateur assure, par l'intermédiaire du dispositif de commutation, la limitation de l'intensité dans les transistors T 5 à T 8. 6 - D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description d'un mode de réalisation préféré, présenté ci-après à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma des circuits d'un dispositif conforme à l'invention; les figures 2 et 3 sont les schémas fonctionnels servant à exposer l'état connu de la technique. On va exposer en référence à la figure 1 le principe du moteur et des circuits d'alimentation conformes à l'invention Le système que l'on va décrire permet d'éviter l'emploi d'un transformateur d'alimentation lourd et volumineux, en utilisant à la place de celui-ci un circuit commuté associé à un transformateur de petite taille, à cause de la fréquence élevée de ce circuit. Par rapport au circuit connu de la figure 3, on fait l'économie du circuit de régulation des impédances d'accumulation En cas de défaut sur les transistors de commutation du hacheur de courant, les tensions U et Ub deviennent nulles, et le rotor de la pompe s'arrête de tourner On rappellera d'abord que les figures 2 et 3 schématisent des systèmes connus que l'on a déjà définis sur la figure 2, les références chiffrées désignent respectivement 21 le transformateur -d'entrée, 22 le redresseur, 23 le régulateur de tension, 24 le moteur, 25 le dispositif de commutation, 26 le tachymètre, 27 le modulateur à transfert pour le réglage de durée des impulsions. Sur la figure 3, les chiffres de références désignent respectivement: 31 le redresseur d'entrée, 32 le hacheur de courant, 33 le transformateur à redresseur, 34 le régulateur à impédance tampon, 35 le modulateur à transfert pour le réglage de durée des impulsions, 36 le moteur, 37 le dispositif de commutation, 38 le tachymètre, 39 le modulateur de réglage de durée des impulsions. " 2523657 -7 Conformément à la figure 1, concernant le système selon l'invention on a schématiquement fait apparattre l'alimentation secteur 1, suivie d'un redresseur 2 et d'un hacheur de courant 3, à l'entrée d'un transformateur 9, un dispositif de commutation 4, avec quatre transistors de commutation T 5 à T 8, un limiteur dynamique d'intensité 5, un dispositif tachymétrique 6, un redresseur de mesure 7, et un régulateur 8 de réglage de cadence à modulateur de durée d'impulsions et la résistance de mesure d'intensité R 1. Le moteur comporte un stator pourvu de deux enroulements W 1 et W 2, électriquement décalés de 90 degrés, et d'un rotor M à aimant permanent Les deux enroulements ont leurs sorties reliées entre elles et leurs entrées raccordables respectivement, chacune par l'intermédiaire de deux transistors de commutation T 5 à T 8, au pôle positif et au pôle négatif d'une source de tension +Ub, -Ub à borne neutre Le système comporte en outre un dispositif de commutation 4, pour commander les quatre transistors, ainsi qu'un dispositif d'alimentation du moteur Celui-ci comporte un redresseur 2 fournissant la tension de sortie U 1, un hacheur de courant 3 qui excite l'enroulement primaire du transformateur 9, et un régulateur de durée des impulsions 8 commandant le hacheur de courant 3 Le transformateur comporte un enroulement secondaire à borne neutre, alimentant quatre diodes redresseuses D 1 à D 4, reliées à l'enroulement secondaire suivant un montage en pont de Grâtz à deux branches, prolongées respectivement par deux impédances tampons L 1 et L 2, dont les sorties constituent respectivement le pôle positif et le pôle négatif d'alimentation du moteur Deux condensateurs C 1 et C 2 sont montés en série entre l'es sorties des impédances L 1 et L 2, de manière à présenter un point commun qui est relié à la borne neutre de l'enroulement secondaire du transformateur, pour constituer-le point neutre commun de la source de tension Les extrémités communes des -8- enroulements W 1 et W 2 du moteur sont reliées, par l'intermédiaire d'une résistance de mesure d'intensité R 1, au point neutre commun de la source de tension La chute de tension aux bornes de cette résistance de mesure d'intensité, qui est proportionnelle à l'intensité du courant passant dans le moteur, agit sur la durée des impulsions de commande appliquées au hacheur de courant 3, par le redresseur 7 et le régulateur 8, de manière à maintenir constante l'intensité de courant admise au moteur. Sous les têtes des enroulements sont disposées deux sondes de Hall, électriquement décalées de 90 degrés, qui déterminent la position du rotor et qui-, par l'intermédiaire d'amplificateurs de commutation et d'un circuit de décodage, produisent quatre signaux rectangulaires en phase, de 90 degrés d'amplitude (durée d'excitation électrique) Ces signaux sont envoyés successivement aux transistors de commutation, dans l'ordre T 5, T, T 6, T 8 Lorsque le transistor T 5 est rendu conducteur, la tension +Ub se trouve appliquée à l'enroulement W 1, et une chute positive de tension se produit à l'endroit de la résistance R 1 Après une rotation électrique de 90 degrés du rotor, le transistor T 5 se bloque et l'énergie électromagnétique accumulée dans l'enroulement W 1 produit au point commun des diodes D 5 et _D 6 une pointe de tension positive, qui charge le condensateur Cl par l'intermédiaire de la diode D 5 Les trois autres processus de commutation d'un tour complet se déroulent de manière analogue. La tension qui existe aux bornes de la résistance R 1, servant à mesurer l'intensité, est une tension alternative, comportant en alternance deux impulsions positives et deux impulsions négatives Cette tension est appliquée, soit par l'intermédiaire d'une diode, soit de préférence par l'intermédiaire d'un redresseur de mesure à amplificateur opérationnel 7, au modulateur de durée des impulsions 8, à titre de tension de réglage. -9- Le modulateur de durée des impulsions 8 comporte un oscillateur, qui produit des impulsions rectangulaires à la fréquence de 20 k Hz Ces impulsions sont tour à tour positives et négatives, et leur durée dépend de la tension de régulation produite par le redresseur de mesure 7. Ces impulsions excitent de manière alternative l'entrée de l'enroulement primaire du transformateur 9, pour y appliquer la polarité négative et positive de la tension de secteur redressée Ul fournie par le redresseur 2 La sortie de l'enroulement est reliée au point commun des deux condensateurs C 1 et C 2 soumis à la tension U 1. Tandis que le courant passe dans l'enroulement primaire du transformateur 9, dans le sens de la flèche, il-y a également passage de courant dans l'enroulement secondaire supérieur situé en haut, à travers D 1, L 1, T 5, W 1 ou respectivement T 7, W 2, puis avec retour du courant par R 1 au point milieu de l'enroulement secondaire du tranformateur (point neutre commun) Si le courant cesse de passer dans l'enroulement primaire, l'impédance tampon Li intervient pour fournir un appoint de courant, en association avec le condensateur Ci, Le courant passe alors également par T 5 ou T 7 P Wi ou W 2, et Ri, pour revenir au point milieu du transformateur, et retourner de là à Lli à travers la seconde moitié de l'enroulement et la diode de roue libre D 2 Si les transistors T 5 et T 7 sont bloqués, la circulation du courant s'effectue dans le condensateur Cl, dont la tension augmente en conséquence. Dans la branche négative, l'écoulement du courant est analogue On assure ainsi une régulation du courant par les transistors d'entrée, le circuit de régulation connu de la figure 2 se réduisant alors à la diode Dl et à l'impédance L 1 Lorsque le moteur atteint sa vitesse de rotation normale, le régulateur tachymétrique 6 réduit la valeur de consigne de l'intensité à un niveau approprié, pour que la vitesse de rotation reste constante. La tension de sortie du redresseur de mesure 6 est en outre envoyée au limiteur dynamique de courant 5, qui est constitué par un amplificateur associé à un compensateur A l'une de ses entrées est appliquée une valeur de consigne de la tension, qui correspond à l'intensité maximum admissible pour les transistors T 5 à T 8 de l'étage de sortie Si la tension de réglage fournie par le redresseur de mesure 7 dépasse cette valeur, le dispositif de commutation 4 intervient pour limiter à la valeur maximum d'intensité le courant qui passe dans les transistors T 5 à T 8 de l'étage de sortie. 1 i 1 - REVENDICATIONS 1 Système d'entraînement de l'arbre d'une turbopompe moléculaire au moyen d'un moteur à courant continu sans balais, à deux enroulements inducteurs (W 1 et W 2) alimentés sous deux polaritées opposées à partir d'une source de tension (+Ub, -Ub) à borne neutre, associée à un dispositif hacheur de courant ( 3) à transistors de commutation et à un régulateur de durée des impulsions ( 8) commandant le hacheur de courant ( 3), le système étant caractérisé en ce que les extrémités communes des enroulements (W 1 et W 2) du moteur sont reliées par l'intermédiaire d'une même résistance de mesure d'intensité (R 1), au point neutre commun de la source de tension, et en ce que la chute de tension aux bornes de cette résistance de mesure d'intensité, qui est proportionnelle à l'intensité du courant passant dans le moteur, agit sur la durée des impulsions de commande appliquées au hacheur de courant ( 3), de manière à maintenir constante la valeur de l'intensité du courant dans le moteur. 2 Système d'entraînement de l'arbre d'une turbopompe moléculaire selon la revendication 1, au moyen d'un moteur à courant continu sans balais, comportant un rotor (M) à aimant permanent et un stator pourvu de deux enroulements (W 1 et W 2) électriquement décalés de 90 degrés, ayant leurs sorties reliées entre elles et leurs entrées raccordables respectivement, chacune par l'intermédiaire de deux éléments de commutation (T 5 à T 8), au pôle positif et au pôle négatif d'une source de tension (+U b' -Ub) à borne neutre, le système comportant en outre un dispositif de commutation, pour commander les autre éléments, ainsi qu'un dispositif d'alimentation du moteur comportant un redresseur ( 2) de la tension de sortie (Ul), un hacheur de courant ( 3) pour exciter l'enroulement primaire d'un transformateur associé, et un régulateur de durée des impulsions ( 8) pour commander le hacheur de courant ( 3), caractérisé en ce que le transformateur 12 - comporte un enroulement secondaire à borne neutre, alimentant quatre diodes redresseuses (D 1 à DO), reliées à l'enroulement secondaire suivant un montage en pont de Grâtz à deux branches, prolongées par deux impédances tampons (L 1 et L 2) dont les sorties constituent respectivement le pôle positif et le pôle négatif d'alimentation du moteur, et en ce que deux condensateurs (C 1 et C 2) sont montés en série entre les sorties desdites impédances de manière à présenter un point commun qui est relié à la borne neutre de l'enroulement secondaire du transformateur, pour constituer le point neutre commun de la source de tension 3 Système d'entraînement de l'arbre d'une turbopompe moléculaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que les diodes (D 5 à D 8) sont montées en parallèle, suivant un sens de passage du courant opposé à celui des transistors de commutation (T 5 à T 8), ces diodes renvoyant aux condensateurs (C 1 et C 2) l'énergie inductive accumulée dans l'élément correspondant de l'enroulement, lorsque cet élément cesse d'être alimenté. 4 Système d'entraînement de l'arbre d'une turbopompe moléculaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les transistors (T 5 à T 8) sont protégés contre un effet de surchauffe par un dispositif dynamique de limitation d'intensité, asservi à la chute de tension produite par la résistance de mesure d'intensité (R 1) et actionnant à cet effet le dispositif de commutation. 5 Système d'entraînement de l'arbre d'une turbopompe moléculaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un-redresseur de mesure ( 7) incorporé dans le circuit de régulation, entre la résistance de mesure d'intensité (R 1) et le modulateur de durée des impulsions ( 8). 6 Système d'entraînement de l'arbre d'une turbopompe moléculaire selon l'une quelconque des 13 - revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour agir sur la durée des impulsions d'asservissement du hacheur de courant ( 3), par l'intermédiaire d'un dispositif tachymétrique ( 6), lorsque le moteur atteint sa vitesse normale de fonctionnement, de manière à maintenir constante la valeur de cette vitesse.