Brevet FR2533378A1 — publié le 19840323

L'invention a pour objet un procédé et dispositif pour faire varier électroniquement la vitesse d'au moins un moteur notamment pour déplacer des charges. L'objet de l'invention se rattache notamment au secteur technique de la commande des moteurs générateurs ou convertisseurs électriques. Pour déplacer des charges dans un espace défini, les appareils de levage sont généralement équipés d'un mouvement ascentionnel pour faire varier la hauteur de la charge et de deux mouvements horizontaux pour balayer l'aire desservie. Le plus souvent, à seule fin d'obtenir une meilleure maniabilité de ces appareils, les mouvements précités sont asservis à une vitesse lente ce qui permet notamment - en mouvement ascentionnel, d'avoir une mise sous tension des câbles puis le décollage de la charge, - en mouvements horizontaux, une vitesse d'approche réduite précise et enfin un ralentisselz,ent progressif pour éviter le balancement de la charge. Pour parvenir à ce but, une solution satisfaisante est 1' alimentation des moteurs asynchrones équipant les différents mou vements, par une source de tension basse fréquence. Les moyens proposés à ce jour pour faire varier la fréquence, nécessitent une. commutation forcée et non naturelle Les machines à collecteur sont d'un coût élevé. L'invention s'est proposée de remédier à ces différents inconvénients en réalisant d'une manière particulièrement simple et efficace, un dispositif qui met en oeuvre un coz~vertisseur électronique de fréquence dont les plages de fréquences sont données par un système à microprocesseur. Relié à des moteurs électriques asynchrones de type standard, le dispositif permet d'obtenir différentes petites vitesses de rotation des moteurs, tout en conservant leur couple nominal. Le convertisseur est réversible de sorte qu'il permet de fonctionner dans les quatre quadrants de diagramme "vitesse-couple"O Il an résulte que le convertisseur peut être utilisé pour faire un ralentissement électrique de la grande à la petite vitesse. L' énergie dépensée pour le freinage est renvoyée sur le réseau. Chaque phase est commandée par un pont de thyristors positif et un pont de thyristors négatif, chaque pont fonctionnant successivement en onduleur et en redresseur. Le pilotage de chacun des ponts positif ou négatif se fait par le passage à zéro du courant. Les courants entrant dans la charge, sont lissés, par la constante de temps de ladite charge et ont un aspect sinusoïdal cu sensiblement sinusoïdal. La tension du réseau est abaissée au moyen d'un transformateur dont le rapport de transformation est fonction du seuil de fréquence choisi. On prélève en amont du convertisseur les tensions simples à la sortie du transformateur, et en aval les courants entrant dans la charge que l'on envoie sur le système à microprocesseur. A partir de ces données, le système à microprocesseur envoie des impulsions sur les thyristors de l'un quelconque des ponts. Un moyen de commande remet le système à son état initial de départ. Une commande de mise en marche fait démarrer le programme d'allumage des thyristors. Plusieurs défauts peuvent être pris en compte par le système à microprocesseur : le manque de phase au niveau du moteur, la surcharge, etc ... Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention, sans toutefois le limiter dans les dessins annexés La figure 1 montre par des courbes, le principe de construction de l'une des tensions d'alimentation de la charge par échantillonnage des tensions du réseau. La figure 2 montre le schéma fonctionnel du dispositif. La figure 3 est un exemple d'un schéma électrique de prin cippe pour la mise en forme des tensions. Les figures 4 et 5 sont des exemples de schémas électriques de principe respectivement pour la détection et la mise en forme des courants. La figure 6 est un exemple d'un schéma électrique de princi pe pour l'allumage des thyristors. La figure 7-montre sous forme d'un organigramme les différentes phases de procédé. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative, en se référant aux exemples des schémas électriques illustrés aux figures des dessins. Selon l'invention, le dispositif met en oeuvre un convertisseur électronique de fréquence dont les plages de fréquences sont données par un système à microprocesseur (1). On rappelle que le convertisseur doit généralement alimenter plusieurs moteurs asynchrones différents La fréquence délivrée par le convertisseur -doit être plus basse que la fréquence normale, ledit convertisseur devant fonctionner dans les quatre quadrants du plan courant/tension. Au vue de ces données, il apparaît tout-à-fait avantageux, pour résoudre le problème posé, d'appliquer un cycloconvertisseur (2) qui permet une conversion directe, une commutation naturelle et une réversibilité dans les quatre quadrants du plan courant/ tension. Pour des raisons économiques, et parce que la fréquence demandée est basse, on utilise un montage triphasé simple à trois impulsions avec charges non isolées, c'est-à-dire un pont de six thyristors par phase. Pour chaque phase du moteur (M), on construit une tension basse fréquence à partir d'un échantillonnage des tensions des réseaux (figure 1). La tension du réseau est abaissée au moyen d'un transformateur (2), dont le rapport de transformation est fonction du seuil de fréquence choisi. En amont-du cycloconvertisseur (2), les tensions simples (V1), (V2) et (V3) sont renvoyées dans le système à microprocesseur (1) par l'intermédiaire d'un circuit (4 ? de détection et de mise en forme. En aval du cycloconvertisseur- (2)., les courants (IA), cil), (IC) entrant dans la charge (moteur M), sont également envoyés dans le système à microprocesseur (1) par l'intermédiaire d'un circuit de détection et de mise en forme (5). A partir de ces données (tension et-courant), le système à microprocesseur (1) envoie des impulsions, par l'intermédiaire d'un circuit de commande (6), sur les thyristors de l'un quelconque des ponts (A), (B) ou (C) du cycloconvertisseur (figure 2). Un moyen de commande (7), de'tout type connu et approprié, remet le système à microprocesseur à son état initial de départ. Une commande mise en marche (8), fait démarrer le programme d'allumage des thyristors. I1 convient d'expliquer le fonctionnement du convertisseur en se référant plus particulièrement à la figure 1. Pour une meilleure compréhension, on raisonne sur le signal d'une phase de sortie du convertisseur, les autres signaux étant identiques à 2 7t /3 et 4 T & /3 près. On a vu que le cycloconvertisseur construit la tension d' alimentation de la charge par échantillonnage des tensions du réseau. Il en résulte que cette tension d'alimentation varie en amplitude et en fréquence suivant les instants d'amorçage des thy ristors sont obtenus de la façon suivante Le système à microprocesseur (1) permet de mesurer par exem ple la tension simple (V1) à la sortie du transformateur (3). Lors que cette tension devient positive, on démarre, au moyen du système à microprocesseur (1), une temporisation (ti > qui, lorsqu'ell est écoulée, déclenche un thyristor du cycloconvertisseur. On mesu alors l'autre tension simple (V2) par exemple, on démarre une temp risation (t2) et ainsi de suite. On voit également que lorsque l'un des ponts (A positif) es conducteur, il fonctionne en redresseur si le courant et la tensio sont de même signe et en onduleur Si le courant et la tension sont de signes opposés. Puis lorsque le courant s'annule, on passe sur le pont (A négatif) Le retard du courant par rapporta la tension varie avec la charge du moteur (M), Comme le montre la figure 1, le courant- (In > entrant dans 1 charge, a un palier nul qui est dû au retard entre le moment où le courant s'annule dans un pont et le moment ôu la commande par le microprocesseur le rétablit dans l'autre pont. Pour piloter les ponts positifs ou négatifs, on détecte ce palier nul et on contrôl la polarité du courant (IA). Les angles d'allumage des thyristors sont déterminés à part du point de rencontre d'une courbe sinusoïdale et d'une tension de référence. Cette courbe est déterminée à partir de la tension d entrée du cycloconvertisseur et sa phase est telle que son maximun lieu pour un angle de commutation égal à zéro du thyristor associé -Les tensions (VI, V2, V3) sont prélevées au moyen de trois transiortateurs (Tl, T2, T3), do 4 les primaires et secondaires sc couples en triangle.Si (V1, V2, V3) sont les tensions simples du réseau, les signaux délivrés par les secondaires des transformatet sont respectivement en phase avec lesdites tensions (Vl, V2, V3). Des résistances (R1, R8 et R14) donnent un point neutre relié au potentiel zéro du système. Des amplificateurs (Al, A2 et A3) sotn monts en triggers pour mettre en forme les signaux. Des couples de résistances (R5, R6, Roll, R12 et R17, R18) font office des diviseurs de tension, tandis que des diodes (D1, D2 et D3) donnent la valeur positive du signal à la sortie du trigger (figure 3). On a vu précédemment que la commande du pont positif ou négatif sur chaque phase s'effectue à partir du contrôle du courant. Dans ce but pour réaliser la détection des courants (IA, IB et IC). On mesure en aval du convertisseur (2), à travers un shunt, une tension directement proportionnelle au courant, et qui est amenée aux bornes d'un amplificateur d'isolement (Al, A2, A3). Chaque amplificateur isole galvaniquement le circuit puissance avec tous les parasites dus aux commutations des thyristors, du sytème de contrôle pilotant le micro ordinateur (1). La figure 4 montre le montage de ces circuits. L'ensemble des résistances (R2, R3) et potentiomètre (P1) assure le règlage du décalage des amplificateurs (A'1, A'2, A'3). Le circuit (Z1) est un oscillateur commun aux trois amplificateurs (A'1 A'2 et A3). Les condensateurs (C2) et résistances (R4) servent au découplage des amplificateurs, tandis que les résistances (R'1, R'5 et R'9) sont les résistances de charge. Pour la mise en forme des courants, il convient de sortir un signal logique O ou 1 à partir des signaux délivrés par le système de détection : le signal logique O commande le pont positif, le signal logique 1 commande le pont négatif Dans ce but, on utilise trois circuits distincts (I, II et II), pour les courants (IA, IB et IC). Ces circuits sont identiques, leurs comportements étant identiques à - 2 rr /3 et - 4# /3 près (figure 5). Soit par exemple le circuit (I), le signal (IA) et son image et la tension (uA) qui entre sur la borne (a). Ce signal entre d' une part sur un montage trigger (bascule A3), qui donne un niveau logique 0 pour 11 alternance positive et un niveau logique 1 pour l'alternance négative et, d'autre part, sur un montageur valeur absolue (bascules Al et A2). Ce signal redressé entre sur un montage comparateur (A4), qui donne un niveau logique 1 pour la présence du signal (uA), et un niveau logique 0 pour le palier nul. Les sorties du comparateur (A1) et du trigger (A3) entrent sur un circuit OU EXCLUSIF (A1) puis sur un circuit NAND (Bi). On obtient ainsi le niveau logique 0 détectant un palier nul et l'alternance positive du courant (IA), et un niveau logique 1 détectant l'autre palier nul et l'alternance négative du courant (lA). Ces signaux sont destines à informer à travers un circuit d'interface, le microprocesseur (1) de la polarité du courant dans chaque phase. Pour la commande des thyristors (Thl, Th2, Th3, Th4, Th5 et Th6) relatifs à chaque pont, les sorties d'un circuit décodeur (Z8) polarisent les transistors (Ql à Q6) qui servent d'interface entre les circuits CMOS et les photocoupleurs (Z'1 à Z'6) qui polarisent les transistors (Q7 à Q12). Ces transistors débitent à partir d'un transformateur (TR) et d'unredresseur (Rd), fournissant une tension redressée de 16 volts, le courant de gâchette des thyristors. Des diodes (Dl o D4) servent au retour du courant. En entrée, les broches (lo, 11, 12 et 13) du décodeur (28) sont reliées par un circuit interface au MPU. En sortie, les broches 12, 7, 4) sont reliées aux bases des transistors (Q1, Q5 et Q6). Les broches (1, 5, 6, 9 et 15) sont reliées au circuit intégré (Z7) qui est une quadruple porte OR C MOS. Le système à microprocesseur comprend essentiellement - le microprocesseur proprement dit qui constitue l'unité centrale de commande, - un circuit d'interface entre le microprocesseur et les systemes périphériques décrits précédemment et qui est notamment un PIA - une mémoire vive RAM qui est utilisée par le microprocesseur pour le stockage temporaire de ses registres pendant les interruptions, et pour le stockage des mémoires de retour lors de sous programmes, - deux mémoires mortes REPROM dans lesquelles on inscrira les programmes moniteurs, - un circuit d'horloge qui fournit les deux phases compatibles avec le microprocesseur, et une sortie d'activation compatible poux le transfert sur le bus de données, - au moins deux circuits qui sont des quadruples portes NAND à deu entrées dont l'un fait orfice de système anti rebond pour les séque ces RESET et l'autre permet la sélection des boîtiers REPROM et leE sorties d'horloge, - des transistors servent d'adaptateur entre la sortie du circuit interface PIA et les entrées des décodeurs sur les cartes de commar de des thyristors. I1 convient maintenant de se référer à l'organigramme de la figure 7 pour expliquer le procédé de variation électronique de la vitesse, selon l'invention. La première étape (D) est l'étape d'initialisation du système à microprocesseur. L'étape suivant est l'étape (E) dfaf- fctation du test des courants entrant dans la charge et du code du pont correspondant. On fait suivre cette étape d'une étape F de détection du passage à zéro de l'une des tension simples. On procède alors à un test (G) pour vérifier si cette tension est nulle : si NON, on renvoie à l'entrée de l'étape (F), si OUI, on valide l'étape (H) de démarrage d'une temporisation pour le déclenchement d'un thyristor du cycloconvertisseur. Quand la durée de la temporisation est écoulée, on procède à un test (I) sur le courant entrant dans la charge affectée de l'adresse correspon dlnte selon l'étape (E).On met le code du thyristor dans une mémoire tampon, on additionne ce code au code du pont défini à 1' étape (E) pour valider l'étape (J) si la réponse au test (I) est OUI. L'étape (J) génère une impulsion sur le thyristor correspondant par démarrage d'une autre temporisation étape (K) et ainsi de suite. Le dispositif de contrôle précédemment décrit, permet, à partir de temporisatiors prédéterminées, de faire un échantillonnage de la tension d'entrée. Pour avoir une fréquence variable, il suffit de faire varier ces temporisations. Cela implique que, pour une fréquence donnée, le signal soit composé d'une succession de périodes identiques. On ne peut donc obtenir une variation progressive de la fréquence. Dans ce but, on prévoit en variante, d'inscrire dans la mémoire ROM du système à microprocesseur, non plus les temporisations de déclenchement des thyristors, mais une sinusoïde qui est le reflet du signal de la tension de sortie. Les tensions simples (V1, V2 et V3) sont alors décalées de F /3 en avance par un couplage différent des transformateurs (Ti, T2 et T3). Les tensions obtenues sont composées au niveau du système à microprocesseur à la tension de référence contenue dans la mémoire ROM A L'instant où leurs valeurs sont égales, on déclenche le thyristor correspondant. Lorsque l'on fera varier la fréquence, on agira sur I' horloge du microprocesseur dans la même proportion. Gamme i:.ndiqtr-é précédemment, on détecte aussi le passage à zéro des cauants entrant dans la charge pour commander le fonctionnement des- ponts en onduleur ou en redresseur. Enfin, on souligne qu'au système à microprocesseur est asservie une commande (RAZ > qui remet le sytème à son état initial de départ et une commande (Cd) de mise en marche qui fait démarre le programme d'allumage des thyristors. De même, plusieurs défaut peuvent être pris en compte par le système à microprocesseur, tel que le manque de phase au niveau du moteur, la surcharge.. Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on souligne - L'emploi de moteur asynchrones standards qui sont robustes, simples, d'un faible coût d'achat et d'entretien. - La possibilité d'utilisation dudit moteur en atmosphère corrosive ou explosive. - L'utilisation du dispositif permet d'obtenir sur ces moteurs des microvitesses sans diminution du couple, un ralentissement électrique en renvoyant sur le réseau, l'éner- gie de freinage. Les avantages propres au dispositif étant - la possibilité de piloter plusieurs moteurs à la fois (poru avc une microvitesse). En effet, on.peut coupler les moteurs, soit sur le réseau auquel cas il fonctionne à grande vitesse, soit sur le cycloconvertisseur qui fournit une alimentation basse fréquent lesdits moteurs fonctionnant alors à petite vitesse, - la facilité d'adaptation sur du matériel existant. En effet, le dispositif est implanté en tête de l'installa- tion et ainsi nécessite peu ou pas de modification. - l'économie d'énergie, le dispositif ne consommant pas d'énergie et fournissant aux moteurs associés exclusivement l'énergie néceE saire pour le travail à accomplir, l'énergie de freinage est renvoyée sur le réseau. L'invention ne se limite aucunement à celui de ses modes c application non plus qu'à ceux des mode de réalisation de ses diveres parties ayant plus spécialement été indiquées ; elle en emhraSEle au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS -1- Procédé pour faire varier électroniquement la vitesse d'au moins un moteur par variation de la fréquence, caractérisé en ce que pour chaque phase du moteur, on construit une tension basse fréquence à partir d'un échantillonnage des tensions du réseau on commande chaque phase par un pont de thyristors positif et un pont de thyristor négatif, chaque pont fonctionnant successivement en onduleur et en redresseur ; on détecte le passage à zéro du courant pour le pilotage de chacun des ponts positif ou négatif on lisse les courants entrant dans la charge par la constante de temps de ladite charge ; on abaisse la tension de réseau au moyen d'un transformateur dont le rapport de transformation est fonction du seuil de fréquence choisi ; on prélève en amont d'un conver- tisseur (2) les tensions simples et en aval les courants entrant dans la charge ; on envoie les dites tensions et les dits courants dans un système à microprocesseur (1). -2- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement un cycloconvertisseur (2), dont les plages de fréquences sont données par un système à microprocesseur (1) -3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'en amont du cycloconvertisseur (2) les tensions simples (V1, V2 et V3) sont envoyées dans le système à microprocesseur ( par l'intermédiaire d'uncircuit de détection et de mise en forme (4), en aval dudit cycloconvertisseur (2), les courants (JA, JB et JC) entrant dans la charge, sont également envoyes dans le système à microprocesseur (1) au moyen d'un circuit de détection et de mise en forme (5); le système à microprocesseur (1) envoie des impulsions au moyen d'uncircuit de commande (6), sur les thyristors de l'une quelconque des ponts (A, B, ou C) du cycloconvertisseur -4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que, lorsque l'un des ponts (A) est positif, il fonctionne en redresseur si le courant et la tension sont de même signe et en onduleur si la courant et la tension sont de signes opposés, les ponts positifs ou négatifs (A, B ou C) étant pilotés par détection du palier nul du courant entrant dans la charge et résultant du passage du fonctionnement en onduleur au fonctionnement en redresseur. -5- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détermine les angles d'allumage des thyristors à partir du point de rencontre d'une courbe sinusoïdale et d'une tension de réfé rente ladite courbe étant déterminée à partir de la tension d' entre du cycloconvertisseur et sa phase est telle que son snaxi- a a lieu pour un angle de commutation égal au zéro du thyristor associé. -6- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système à microprocesseur (1) comprend essentiellement - le mIcroprocesseur proprement dit qui constitue l'unité centrale de commande, - un circuit d'interface entre le microprocesseur et les -périphéri- quels, - une mémoire vtve utilisée par le microprocesseur pour le stockage temporaire de ses registres pendant les interruptions et pour le stockage des mémoires de retour lors des sous-programmes. - deux mémoires mortes dans lesquelles, on inscrit les programmes moniteurs, - un circuit d'horloge qui fournit les deux phases compatibles avec le microprocesseur et une sortie d'activation compatible pour le transfert sur le bus de données, - au moins deux circuits qui sont des quadruples portes NAND à deux entrées, - des transistors faisant office d'adaptateur entre la sortie du circuit interface et les entrées des décodeurs sur les carters de commande des thyristors. -7- Dispositif selon la revendication 6; caracterisé en ce qu'au système à microprocesseur est asservi une commande (RAZ) quiremet le système à son état initial de départ et une commande (Cd) de mise en marche qui fait démarrer le programme d'allumage des thyris tors. -8- Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes Une étape (D) d'initialisation du système à microprocesseur; une étape (E) d'affectation du test des courants entrant dans la charge et du code du pont correspondant, cette étape étant suivie d'une étape (F) de détection du passage à zéro de l'une des tension simples ; on procède alors à un test (G) pour vérifier si cette tension est nulle * si NON, on renvoie à l'entrée de l'étape (F), si OUI, on valide une étape -9- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en variante, on inscrit dans la mamoire ROM du système à microprocesseur une sinusoïde qui est le reflet du signai de la tension de sortie, les tensions simples étant décalées de 7T /3 en avance ; on compose les tensions obtenues au niveau du système à microprocesseur à la tension de référence contenue dans ladite mémoire ; à l'instant où leurs valeurs sont égales, on déclenche le thyristor correspondant ; on détecte le passage à zéro des courants entrant dans la charge pour commander le fonctionnement des ponts en onduleur ou en redresseur.