Brevet FR2522895A1 — publié le 19830909

La présente invention concerne un dispositif de protection contre le blocage du rotor des moteurs électriques, qu'il s'agisse de moteurs synchrones, asynchrones ou à cou ruent continu, destinés à entrainer par exemple des broyeurs, des concasseurs, des ventilateurs, des compresseurs ou autres machines tournantes de ce genre, et notamment des moteurs haute tension. Lors du démarrage d'un moteur électrique, le courant absorbé par le moteur prend d'abord des valeurs importantes avant de diminuer quand sa vitesse de rotation augmente, pour se stabiliser enfin à une valeur dite nominale. Tel est en tout cas le comportement que le moteur devrait présenter. I1 en résulte un échauffement par pertes joule, par hystérésis et par courants de Foucault. Normalement les caractéristiques du moteur en tiennent compte et il n'est pas détérioré par cet échauffement si le démarrage s'accomplit dans un délai déterminé, prévu par le constructeur. Par contre, si le démarrage est trop lent, ou si meme le rotor se bloque, soit à cause de as charge ou pour une autre raison, alors le courant de démarrage devient permanent et détériore le moteur. On propose déjà divers relais de protection pour provoquer la coupure de l'alimentation du moteur en cas d'échauffement trop important pendant la période de démarrage théorique ou si le moteur se bloque. Ainsi, il existe des relais à image thermique, permettant de simuler l'échauffement du moteur et de couper l'alimentation au cas oU l'échauffement simulé est exagéré. Il existe encore des relais à maximum d'intensité qui permettent de couper l'alimentation au cas où le courant dépasserait une valeur prédéterminée supérieure à la valeur nominale, en cas de blocage du rotor, par exemple. On propose d'ailleurs de combiner un tel relais à maximum d'intensité à un relais de temporisation, car il est normal d'enregistrer de grandes valeurs de courant pendantla phase théorique de démarrage pendant laquelleilneconviendrait donc pas de déclencher la coupure de l'alimentation du moteur. Dans ce cas, ce n'est que si le démarrage est trop long et se poursuit au-delà du délai théorique, que la coupure est déclenchée par le relais à maximum d'intensité. On peut, à cet effet, prévoir un circuit de déclenchement, comprenant un contacteur commandé par la sortie d'une porte ET, connectée, par ses deux entrées, à un relais à maximum d'intensité, d'une part, et à un relais de temporisation retard,d'autre part,le relais de temporisation, initié au démarrage de la machine, délivrant un signal au bout de cette temporisation.En régime de fonctionnement normal, le relais de temporisation est virtuellement shunté, et il suffit que le relais à maximum d'intensité délivre un signal pour que la coupure soit déclenchés. Toutefois, ces dispositifs ne permettent pas de protéger le moteur contre des vitesses de son rotor insuffisantes pendant la période normale de démarrage, surtout sil s'agit d'un moteur à autorefroidissement, par exemple par ventilateur. I1 est clair que si la vitesse est trop faible, la ventilation ne s'effectue plus correctement et l'échauffement du moteur devient catastrophique. En cas d'utilisation d'un relais à image thermique, l'échauffement simulé ne correspond plus à l'échauffement réel, et en cas d'utilisation d'un relais à maximum d'intensité temporisé, le relais ne peut pas déclencher la coupure avant l'écoulement de la temporisation pendant laquelle se manifeste précisément cet échauffement intempestif. Quant à la connaissance du courant de démarrage, elle n'est d'aucun secours, puisque pendant cette phase, le courant est pratiquement constant et ne fournit donc aucune indication sur la vitesse. Une solution à ce problème consiste à prévoir un relais temporisé et une génératrice tachymétrique montée en bout d'arbre du moteur, pour fournir une tension proportionnelle à la vitesse du moteur et provoquer la coupure de l'alimentation si la vitessse, atteinte au bout d'un temps préréglé sur le relais, est inférieure à celle que le rotor aurait dû avoir au moment considéré. Une telle solution est cependant lourde, onéreuse et souvent incompatible avec les exigences de construction ou d'encombrement du moteur. La présente invention vise donc à proposer une solution au problème posé ci-dessus, autre que celle de la génératrice tachymétrique. La solution de l'invention est basée sur la constatation du fait qu'un capteur de vibrations disposé sur le moteur, sensible à sa fréquence de vibration, fournit un signal dont l'analyse permet de savoir si le moteur tourne et à quelle vitesse il tourne. En effet, la rotation du rotor d'un moteur provoque un état vibratoire qui lui est propre, dû notamment au balourd du rotor, à l'état de ses paliers, aux machines qu'il entralne. Et l'amplitude et la fréquence des vibrations dépendent de la vitesse de rotation du rotor. En tout cas, le signal délivré par le capteur de vibrationsdu moteur contient une composante d'amplitude suffisante de fréquence proportionnelle à la vitesse du moteur. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de protection contre le blocage du rotor d'un moteur électrique, comprenant un circuit de coupure de l'alimentation du moteur, caractérisé par le fait qu'il comprend - des moyens sensibles à la fréquence de vibration du moteur, - des moyens agencés pour comparer la fréquence de vibration du moteur à une fréquence déterminée, au plus égale à la fréquence correspondant à la vitesse à laquelle devrait tourner le rotor du moteur à l'issue d'un délai de temporisation déterminé, inférieur au délai de démarrage normal du moteur, et - des moyens agencés pour, si la fréquence de vibration du moteur reste inférieure à ladite fréquence déterminée dans ledit délai de temporisation déterminé, fermer ledit circuit de coupure. Le dispositif de l'invention comprend avantageusement - un relais de temporisation commandé par le démarrage du moteur, - un contacteur de temporisation, dans le circuit de coupure, commandé par le relais de temporisation, - un filtre de fréquence relié aux moyens sensibles à la fréquence de vibration du moteur, - un détecteur de seuil relié au filtre, et - un contacteur de détection, en série avec le contacteur de temporisation dans le circuit de coupure, commandé par le détecteur. Dans une forme de réalisation du dispositif de 1 'inven- tion, le relais de temporisation est un relais de temporisation retard, et le filtre est un filtre passe-haut. Dans une autre forme de réalisation du dispositif de l'invention, le relais de temporisation est un relais de temporisation à la retombée, le filtre est un filtre passe-bande et le deuxième contacteur est également commandé par le démarrage du moteur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de deux formes de réalisation du dispositif de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique de la première forme de réalisation du dispositif de l'invention - les figures 2 représentent les états, dans le temps, des contacteurs du circuit de coupure et du circuit de coupure du dispositif de la figure 1 - la figure 3 est une vue schématique de la deuxième forme de réalisation du dispositif de l'invention, et - les figures 4 représentent les états, dans le temps, des contacteurs du circuit de coupure et du circuit de coupure du dispositif de la figure 3. En référence à la figure 1, la première forme de réalisation du dispositif de l'invention, destiné à assurer la protection d'un moteur électrique, non représenté, contre le blocage de son rotor,comporte un capteur de vibrations 1, sensible à la fréquence de vibration du moteur, fixé sur le stator du moteur, d'une manière connue de tout homme de métier, un circuit 2 de coupure de l'alimentation du moteur, dans lequel sont insérés en série un contacteur de temporisation 3 et un contacteur de détection 4, un relais de temporisation 5, commandé par un contacteur auxiliaire 6 du disjoncteur de démarrage du moteur et commandant le contacteur de temporisation 3, et un ensemble 7 de traitement du signal délivré par le capteur 1 et commandant le contacteur de détec tion 4, pour comparer la fréquence de vibration du moteur à une fréquence déterminée et pouvoir fermer le circuit de coupure coupant ainsi l'alimentation du moteur. Le capteur de vibrations peut par exemple être un accé lérometre, et comporte des circuits annexes d'alimentation et d'amplification. Le contact du contacteur 3 est normalement ouvert, et le contact du contacteur 4 est normalement fermé. Le relais de temporisation 5 est un relais de temporisation retard qui, par l'intermédiaire d'une bobine B, permet, à l'issue d'une période déterminée sst, inférieure à la période normale de démarrage T, après la mise en marche du mo teur,c'est-à-dire après l'instant td de démarrage du moteur, ou encore après la fermeture du contact du contacteur auxi liaire 6 commandant le relais 5,de de fermer le contact du con- tacteur 3. L'état E3 du contacteur 3, dans le temps, est illustré sur la figure 2A. L'ensemble de traitement 7 du signal délivré par le capteur 1 comprend, en série, un filtre de fréquences passe-haut 9,recevant le signal délivré par le capteur 1,un redresseur 10, un détecteur de seuil 17 et une bobine 12 de commande du contacteur 4. La fréquence de coupure du filtre 9 correspond à la vibration procoquée par une vitesse de rotation déterminée du rotor du moteur inférieure à la vitesse normale. Cette vitesse déterminée peut autre celle à laquelle le moteur devrait tourner a' l'issue de la période at, mais ce n'est pas un impératif. De toutes manières cette vitesse déterminée est au plus égale à celle à laquelle le moteur devrait tourner au bout du temps at. Le détecteur de seuil 71 est réglé par exemple à l'aide d'un potentiomètre, 8 un niveau permettant de ne pas tenir compte du bruit,c'eet-à-dire de vibrations parasites de fréquences quelconques dues a' l'ambiance vibratoire engendrée par d'autres équipements proches, et dans laquelle est plongée le moteur,et qui subsistent méme quand le moteur ne tourne pas. quand le détecteur de seuil 11 détecte une fréquence égale ou supérieure à la fréquence de coupure du filtre 9, il émet un signal qui, par l'intermédiaire d'un circuit logique non représenté, et de la bobine 12, permet d'ouvrir le contact du contacteur 4. Ainsi, le contacteur 4 peut s'ouvrir avant la fin de la période h t (figure 2B) ou juste à la fin ou après la fin de la période 6 t (figure 2D). Dans le premier cas, le contacteur 4 a été ouvert avant que le contacteur 3 ne soit fermé, si bien que le circuit 2 est resté ouvert et la coupure de l'alimentation du moteur n'a pas été ordonnée, ou déclenchée, (figure 2C). Dans le second cas, à l'instant td bt, les deux contac- teurs 3 et 4 en série étaient fermés, si bien que le circuit 2 a été fermé et la coupure du moteur a été déclenchée (figure 2E). Bien entendu, au cas où le détecteur 11 ne détecte jamais de fréquence égale ou supérieure à la fréquence de coupure du filtre 9, dès que les deux contacteurs 3 et 4 sont fermés, c'est-à-dire à l'instant td + is t, la coupure de l'alimenta- tion est déclenchée En d'autres termes, lorsque, dans le délai de temporisation iS t, soit un délai déterminé inférieur au délai de démarrage ge normal du moteur,la fréquence de vibration n'atteint pas la fréquence de coupure du filtre 9, soit une fréquence déterminée correspondant à une vitesse de rotation inférieure à la vitesse nominale du moteur et plus précisément inférieure à la vitesse à laquelle il devrait tourner au bout de la période iit, on coupe l'alimentation du moteur en fermant le cir cuit de coupurecar car son démarrage est trop lent ou alors son rotor est-même bloqué. t est une période inférieure à la période normale ae démarrage T. I1 peut être intéressant de prendre comme tempo T risation la moitié de la période de démarrage 2 On notera l'intérêt suivant de cette première forme de réalisation. Si, après une période de fonctionnement normal, et dès la fin de la temporisation, la fréquence de vibration chute en dessous de la fréquence de coupure du filtre, le contacteur de détection 4 se referme, et le contacteur de temporisation 3 étant resté fermé depuis l'instant td + la coupure de l'alimentation du moteur est déclenchée. En référence à la figure 3, la deuxième forme de réalisation du dispositif de l'invention comporte le même capteur de vibrations 1 que la première forme de réalisation, un circuit 20 de coupure de l'alimentation du moteur, dans lequel sont insérés en série un contacteur de temporisation 30 et un contacteur de détection 40, un relais de temporisation 50, commandé par le même contacteur auxiliaire 6 et commandant le contacteur de temporisation 30, et un ensemble 70 de traitement du signal délivré par le capteur 1 et commandant le contacteur de détection 40. Le contact du contacteur 30 est normalement fermé, et le contact du contacteur 40 est normalement ouvert. Le relais de temporisation 50 est un relais de temporisation à la retombée qui, par l'intermédiaire d'une bobine 80, permet à l'instant td de démarrage du moteur, c'est-à-dire à la fermeture du contacteur 6, d'ouvrir le contacteur 30, et de le refermer à l'issue de la même période déterminée ii t, par exemple. L'état E30 du contacteur 30, dans le temps, est illustré sur la figure 4A. L'ensemble de traitement 70 du signal délivré par le capteur 1 comprend, en série, un filtre passe-bande 79, recevant le signal délivré par le capteur 1, un redresseur 78, un détecteur de seuil 77, une bascule 76 à deux entrées commandées respectivement par le détecteur 77 et le contacteur 6, et une bobine 75, raccordée à la sortie de la bascule 76, pour la commande du contacteur 40. Le filtre 79 a une bande passante,de préférence relativement étroite, centrée sur une fréquence correspondant à la vibration provoquée par une vitesse de rotation déterminée du rotor du moteur inférieure à la vitesse normale. Tout comme dans la première forme de réalisation de la figure 1, cette vitesse déterminée peut être celle laquelle le moteur de vrait tourner à l'issue de la période A t, mais ce n'est pas impératif. Ici encore, cette vitesse déterminée est inférieure à celle à laquelle le moteur devrait tourner au bout du temps b t. Le détecteur 77 est réglé comme le détecteur 11. ku démarrage, à l instant td le contacteur 6, par l'intermédiaire de la bascule76 et de la bobine 75, ferme le contacteur 40. Quand le détecteur de seuil 77 détecte une fréquence de la bande passante du filtre 79, en réalité sa fréquence centrale, il émet un signal qui, par l'intermédiaire de la bascule 76 et de la bobine 75, permet d'ouvrir le contacteur 40. Ainsi, le contacteur 40 peut s'ouvrir avant la fin de la période h t (figure 4B) ou juste à la fin ou après la fin de la période iS t (figure 4D). Dans le premier cas, la coupure de l'alimentation n'a pas été déclenchée (figure 4c), dans le deuxième cas, la coupure de l'alimentation a été déclenchée au moment de la fermeture du contacteur 30, c'est-à-dire au moment où les deux contacteurs 30 et 40 se sont trouvés à l'état fermé. En d'autres termes, si dans le délai de temporisation t, soit un délai déterminé inférieur au délai de démarrage normal du moteur, la fréquence de vibration reste inférieure et n'est pas égale à une fréquence déterminée correspondant à une vitesse de rotation inférieure à la vitesse nominale du moteur et plus précisément inférieure à la vitesse à laquelle il devait tourner au bout de la période h t, on coupe l'alimentation du moteur. Par contre, ai la fréquence déterminée apparait dans le délai déterminé, on ne déclenche pas la coupure. L'invention s'applique à tous les moteurs électriques et de préférence à des moteurs à autorefroidissement, bien qu'il ne s'agisse pas ici d'une application limitative. Revendications 1.- Dispositif de protection contre le blocage du rotor d'un moteur électrique, comprenant un circuit (2,20) de coupure de l'alimentation du moteur, caractérisé par le fait qu'il comprend - des moyens (1) sensibles à la fréquence de vibration du moteur, - des moyens (9,10; 79,78) agencés pour comparer la fréquence de vibration du moteur à une fréquence déterminée, au plus égale à la fréquence correspondant à la vitesse à laquelle devrait tourner le rotor du moteur à l'issue d'un délai de temporisation déterminé, inférieur au délai de démarrage normal du moteur, et - des moyens (11,12,4,6,5,8,3; 77,76, 40,6 et 50, 80, 30) agencés pour, si la fréquence de vibration du moteur reste inférieure à ladite fréquence déterminée dans ledit délai de temporisation déterminé, fermer ledit circuit de coupure (2, 20) 2.- Dispositif de protection selon la revendication 1, dans lequel il est prévu - un relais de temporisation (5; 50) commandé par le démarrage du moteur, - un contacteur de temporisation (3; 30) dans le circuit de coupure, commandé par le relais de temporisation, - un filtre de fréquence (9: 79) relié aux moyens (1) sensibles à la fréquence de vibration du moteur, - un détecteur de seuil (11; 77) relié au filtre, et - un contacteur de détection (4; 40), en série avec le contacteur de temporisation (3; 30) dans le circuit de coupure (2; 20) commandé par le détecteur (11; 77). 3.- Dispositif selon lrune des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens de comparaison et les moyens de fermeture sont agencés pour, si après ledit délai de temporisation, la fréquence de vibration du moteur chute en dessous de de ladite fréquence déterminée, fermer ledit circuit de coupure (20). 4.- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le relais de temporisation est un relais de temporisation retard (5), et le filtre est un filtre passe-haut (9). 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le relais de temporisation est un relais de temporisation à la retombée (50), le filtre est un filtre passebande (79) et le contacteur de détection (40) est également commandé par le démarrage du moteur. 6.- Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le contacteur de détection (40) est commandé par le démarrage du moteur et le détecteur (77) par l'intermédiaire d'une bascule (76). 7.- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel le relais de temporisation (5; 50) est commandé par un contacteur auxiliaire (6) du disjoncteur de démarrage du moteur. 8.- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel lescontacteurs (3,4; 30,40) sont commandés par l'intermédiaire de bobines (8,12; 80, 75). 9.- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, dans lequel un redresseur (10;78) est inséré entre le filtre (9; 79) et le détecteur (11; 77).