Brevet FR2534424A1 — publié le 19840413

CIRCUIT DE COMMANDE D'UN MOTEUR SYNCHRONE A DEUX ENROULEMENTS INDUITS La présente invention concerne un circuit de commande d'uimoteur synchrone à deux enroulements induits, permettant en particulier un démarrage régulier du moteur. L'utilisation d'onduleurs à commutation naturelle pour commander un moteur synchrone à vitesse variable est bien connue. Toutefois certains artifices doivent être mis en oeuvre pour assu- rer le démarrage du moteur, puisque le désamorçage naturel des thy- ristors de l'onduleur ne peut être assuré par le moteur lui-même à basse vitesse du fait que le moteur ne produit pas une force élec- tromotrice suffisante dans ce cas De façon générale, il est alors nécessaire d'annuler régulièrement le courant continu dans l'ondu- leur pour désamorcer les thyristors utilisés, puis d'amorcer un nouveau jeu de thyristors après rétablissement du courant continu qui est appliqué. De cette annulation du courant puis de son rétablissement, résul- tent un couple moteur irrégulier au démarrage et par suite des à- coups inopportuns. L'utilisation de moteurs synchrones à deux enroulements induits déphasés électriquement, par exemple de 300 s'il s'agit de moteurs triphasés, permet d'atténuer ces à-coups aux basses vitesses de rotation du moteur sans toutefois les supprimer totalement, et as- sure également une meilleure régularité du couple-moteur aux vites- ses supérieures. Lebrevet français 2 452 200 décrit un circuit de commande permet- tant de supprimer ces irrégularités dans le couple-moteur au démar- rage, en compensant la diminution du couple-moteur résultant de l'annulation du courant dans un enroulement lors de la commutation -des jeux de thyristors par une augmentation du courant appliqué à l'autre enroulement, de t-elle manière qu'aux faibles vitesses, et en particulier au démarrage du moteur, la somme des courants instantanés circulant dans l'ensemble des enroulements du moteur soit constante. Toutefois le circuit décrit ne convient pas si le dispositif d'a- limentation comprend un hâcheur ou un redresseur à pont mixte. Le but de l'invention est d'obvier à cet inconvénient et d'assurer un démarrage sans irrégularité du couple moteur. L'invention a donc pour objet un procédé et un dispositif de com- mutation des thyristors de deux onduleurs alimentant un moteur synchrone à deux enroulements induits lors du démarrage du moteur et à basse vitesse. Selon l'invention, le circuit de commande d'un moteur synchrone à- deux enroulements induits comprend un dispositif d'alimentation lé électrique, deux onduleurs dont les sorties sont respectivement reliées aux enroulements du moteur, un circuit intermédiaire relié d'une part au dispositif d'alimentation et d'autre part aux ondu- leurs, une unité centrale de commande des thyristors Le disposi- tif d'alimentation électrique délivre un courant d'un sens unique déterminé et a ses bornes de sortie reliées au moyen d'une branche de roue libre comportant au moins une diode de roue libre dont la cathode est reliée à la borne positive du dispositif d'alimentation. Le circuit intermédiaire comprend, en combinaison': une branche composée de deux thyristors en série reliant entre elles les bornes d'entrée du circuit intermédiaire, lesquelles sont reliées respectivement à l'une des bornes d'entrée des onduleurs de manière que les bornes choisies soient de polarités inverses, un condensateur connecté d'une part au point de jonction des deux thyristors de cette branche et d'autre part aux deux autres bornes d'entrée de polarités inverses des onduleurs, deux inductances de même valeur présentant un fort facteur de couplage par inductance mutuelle, respectivement reliées en série avec l'une des bornes d'entrée des onduleurs, les bornes choisies étant de polarités inverses. Selon un autre aspect de l'invention concernant un procédé de com- mutation des thyristors de deux onduleurs alimentant un-rmoteur synchrone à deux enroulements induits, lors du démarrage du moteur et à basse vitesse de ce dernier, et reliés à un dispositif d'ali- mentation électrique dont les bornes de sortie sont reliées par une branche comprenant au moins une diode de roue libre, la sup- pression du courant circulant dans les thyristors à commuter de chaque onduleur s'effectue lors d'une phase de roue libre pendant laquelle la branche placée à la sortie du dispositif d'alimentation est conductrice. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et ca- ractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la des- cription qui suit, accompagnée de quatre figures illustrant de fa- çon non limitative, des modes préférés de réalisation de l'inven- tion. La figure 1 représente le schéma général du circuit de commande conforme à l'invention. Les figures 2 à 4 représentent respectivement divers modes de réa- lisation du circuit de-commande selon l'invention. En référence maintenant à la figure 1, les deux enroulements induits du moteur synchrone 1 à commander sont respectivement connectés aux bornes de sortie de deux onduleurs 2 et 3 connectés en serie;: et dont les bornes d'entrée sont reliées à un circuit intermédiai- re 4 connecté aux bornes d'un dispositif d'alimentation électrique dont les bornes de sortie sont reliées par une diode 6. Une unité centrale non représentée sur la figure assure l'amorçage des différents thyristors du circuit Comme décrit ci-après à propos de divers modes de réalisation, le circuit intermédiaire 4 inclut deux inductances 12 et 13 à fort facteur de couplage par inductance mutuelle dont le rôle principal est d'assurer le transfert du courant d'un enroulement induit du moteur 1 à l'autre lors du démarrage ou à faible vitesse de rota- tion du moteur 1, étant entendu que dès que la vitesse du moteur 1 atteint 5 à 10-% de sa vitesse nominale, le moteur 1 développe une force électromotrice suffisante pour assurer le désamorçage naturel des thyristors Les deux inductances 12 et 13 ci-dessus, qui jouent également le'rôle d'inductances de lissage, peuvent être réalisées à l'aide d'une inductance unique à point milieu -sorti, comme représenté figure 4 Le dispositif d'alimentation délivre un courant continu interrompu qui peut être par exemple fourni - par un équipement redresseur à pont mixte s'il est relié à une source de puissance alternative, ou par un hâcheur s'il est relié à une source de puissance continue. En référence à la figure 2 le circuit est alimenté à titre d'exem- ple par un redresseur 7, dit à pont mixte qui permet d'utiliser une quantité de courant beaucoup moins importante qu'un redresseur dit à pont complet au bas régime du moteur Ce redresseur 7 com- prend de manière connue deux branches, l'une comportant deux thy- ristors 8 en série, et l'autre comportant deux diodes 6 également en série, connectées entre les bornes de sortie du redresseur 7 auxquelles est connecté le circuit intermédiaire 4. Entre les bornes d'entrée de ce circuit intermédiaire 4 sont dis- posés en série deux thyristors 10 et 11 orientés dans le même sens. Deux inductances 12 et 13 de même valeur et couplées magnétiquement sont connectées, la première 12 entre une borne d'entrée du circuit intermédiaire 4 et une borne d'entrée du premier onduleur 2, la seconde 13 entre l'autre borne d'entrée du circuit intermédiaire 4 et la borne d'entrée du second onduleur 3 de polarité opposée à celle o la première 12 est connectée au premier onduleur 2. Ce circuit intermédiaire 4 comprend également un condensateur 14 branché entre le point commun aux deux thyristors 10 et 11 et le point commun des deux onduleurs 2 et 3 reliant les deux autres bornes d'entrée de polarités inverses. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. On sait que, pour assurer le désamorçage des thyristors conducteurs, il est nécessaire d'interrompre le courant circulant dans ces thy- ristors Le redresseur 7 à pont mixte utilisé ici ne fournissant pas de tension négative, le condensateur 14 pallie avantageusement à cet inconvénient aux basses vitesses du moteur. En considérant le moment du cycle o il est nécessaire d'effectuer une commutation des thyristors de l'onduleur 2, on attend que le redresseur 7 soit en phase de roue libre, c'est-à-dire que le cou- rant passe dans les diodes 6 Le condensateur 14 ayant préalable- ment été chargé positivement sur l'armature reliée aux onduleurs 2 et 3 comme indiqué sur la figure 2, le thyristor 10 est amorcé et le courant s'établit par décharge du condensateur 14 dans le circuit suivant diodes 6, thyristor 10, condensateur 14, ondu - leur 3 et l'enroulement correspondant du moteur, inductance 13. Sous l'effet des inductances 12 et 13 couplées magnétiquement et assurant le transfert de courant d'un enroulement à l'autre, le courant augmente dans l'inductance 13 et diminue dans l'inductan- ce 12 o finalement il s'annule, ce qui entraîne le désamorçage des thyristors précédemment conducteurs de l'onduleur-2 puisque plus aucun courant n'y circule. La somme des intensités de courant traversant les onduleurs 2 et 3 restant constante du fait des inductances 12 et 13, le couple moteur ne subit aucun à-coup En outre, la commutation étant effec- tuée pendant la phase de roue libre, aucune perturbation ne se propage dans la ligne d'alimentation en amont. Le condensateur 14 est encore chargé positivement du côté des on- duleurs 2 et 3, mais sa charge initiale se réduit et s'annule. Sous l'effet du courant maintenu par l'inductance 13 et passant entièrement dans l'onduleur 3 et notamment dans le condensateur 14, ce dernier se recharge dans le sens du courant, c'est-à-dire qu'il se charge positivement du côté des thyristors 10 et 11 On amorce alors les thyristors qui doivent conduire dans l'onduleur 2, le condensateur 14 continuant à se recharger Sous l'effet de la tension aux bornes du condensateur, le courant tend à passer dans l'inductance 12 et l'onduleur 2 et à diminuer d'autant dans l'onduleur 3 du fait du rôle des deux inductances couplées 12 et 13 Le transfert continue ainsi jusqu'à ce que les intensités des courants passant dans les onduleurs 2 et 3 soient égales Le thy- ristor 10 se désamorce alors naturellement Le condensateur 14 est alors suffisamment chargé positivement du côté des thyristors et 11, de manière à pouvoir assurer la prochaine commutation des thyristors de l'onduleur 3. La prochaine commutation devant se faire dans l'onduleur 3, on choisit alors une phase de roue libre pour amorcer le thyristor 11. Par la décharge du condensateur 14 le courant s'établit dans le circuit suivant: inductance 12, onduleur 2 et l'enroulement cor- respondant du moteur, condensateur 14, thyristor 11, diodes 6 De la même manière que précédemment le courant s'annule dans l'ondu- leur 3 et le condensateur 14 se décharge Les thyristors condui- sant alors dans l'onduleur 3 se désamorcent, la charge du conden- sateur 14 s'annule, et celui-ci sous l'effet du courant maintenu par l'inductance 12 et circulant de l'onduleur 2 vers le thyristor 11, commence à se recharger positivement du côté des onduleurs 2 et 3 On amorce à cet instant un nouveau jeu de thyristors de l'on- duleur 3 Le condensateur 14 continue à se charger et sous l'effet de la tension à ses bornes, le courant a tendance à revenir dans l'onduleur 3 et l'inductance 13 Le transfert s'effectue jusqu'à ce que l'intensité du courant soit égale dans les deux onduleurs 2 et 3 Cet équilibre étant atteint le thyristor 11 se désamorce naturellement, le condensateur 14 étant rechargé comme indiqué sur la figure 2, charge positive sur l'armature du côté des ondu- leurs 1 et 2, prêt pour effectuer une commutation sur l'onduleur 2. La figure 3 représente un circuit de commande équivalent à celui représenté à la figure 2 Il est alimenté par un convertisseur statique de courant continu par exemple un hâcheur 9 Pour une meilleure compréhension du fonctionnement la diode 6 a été repré- sentée à l'extérieur du hâcheur et placée entre ses bornes de sor- tie. Le circuit intermédiaire 4 de la figure 3 ne diffère du circuit de la figure 2 que par le sens de connection des thyristors 10 et 11. Ce circuit de commande comprend également deux onduleurs 2 et 3 distribuant le courant dans les deux enroulements du moteur 1. Le fonctionnement de ce circuit est équivalent à celui du circuit précédemment décrit On considère le moment du cycle de commande o il est nécessaire d'effectuer une commutation dans l'onduleur 2 et o le circuit est en roue libre On amorce le thyristor 10 et la charge initiale, positive côté onduleur, du condensateur 14 comme indiqué sur la figure 3, permet à un courant de s'établir dans le circuit suivant: thyristor 10, condensateur 14, onduleur 3, inductance 13 Sous l'effet de la tension du condensateur 14, le courant a tendance à s'accumuler dans ce circuit et, du fait de l'inductance mutuelle entre les inductances 12 et 13, il s'an- nule dans l'onduleur 2 dont les thyristors se désamorcent Le con- densateur 14 se décharge complètement et commence à se recharger dans le sens du courant On amorce alors un nouveau jeu de thyris- tors de l'onduleur 2 De même que dans le cas de la figure 2, le condensateur 14 continuant à se recharger, lecourant a tendance à passer par l'onduleur 2 Lorsque l'équilibre des courants dans les onduleurs 2 et 3 est établi le thyristor 10 se désamorce natu- rellement Le condensateur 14 est alors chargé positivement du côté des thyristors 10 et 11 et la commutation peut être effectuée dans l'onduleur 3 Pour cela on amorce le thyristor 11 lorsque le circuit est en phase de roue libre, et la charge du condensateur 14 provoque l'établissement du courant dans le circuit suivant inductance 12, onduleur 2, condensateur 14, thyristor 11 Par l'ef- fet d'inductance mutuelle, le courant d'alimentation s'accumule dans ce circuit et s'annule dans l'onduleur 3 dont les thyristors se désamorcent. La charge du condensateur 14 continue à diminuer et s'annule, puis sous l'effet du courant maintenu par l'inductance 12, le condensa- teur 14 se charge en sens inverse On amorce alors un nouveau jeu de thyristors de l'onduleur 3 et la charge du condensateur 14 pous- se le courant à passer dans l'onduleur 3 L'équilibre des courants se rétablit-dans les deux onduleurs 2 et 3 et le thyristor Il se désamorce, le condensateur 14 se trouvant alors suffisamment char- gé positivement du côté des onduleurs, pour réaliser une nouvelle commutation dans l'onduleur 2. La figure 4 représente un dispositif identique à celui représenté par la figure 1, mais les inductances 12 et 13 sont disposées en série entre les deux onduleurs 2 et 3 Il s'agit en pratique d'une inductance unique à point milieu sorti Le condensateur 14 est alors connecté par l'intermédiaire de ces deux inductances 12 et 13 à des bornes d'entrée de polarité inverse des onduleurs 2 et 3, Un tel circuit selon l'invention présente plusieurs avantages, puisqu'il assure la commande d'un moteur synchrone à deux enroule- ments au démarrage et à basse vitesse du moteur sans provoquer d'ir- régularités dans le couple moteur, et ceci grâce à la compensation mutuelle du courant effectuée entre les enroulements du moteur, En outre, les commutations des deux thyristors 10 et 11 s'effec- tuant pendant les phases de roue libre, aucune perturbation ne se répercute sur la source de courant puisque le courant passe par la diode de roue libre au moment des commutations Il faut noter enfin l'utilisation d'un faible nombre de composants pour réaliser la commutation de douze thyristors sans avoir recours à une borne reliée au point neutre du moteur; enfin, un seul dispositif d'ali- mentation est nécessaire pour les deux onduleurs et les enroule- ments correspondants du moteur Un tel circuit présente donc un intérêt certain pour la commande des moteurs de traction ferroviai- re, puisque les moteurs peuvent alors fournir de forts couples au démarrage sans perturbation mécanique et que leur alimentation au démarrage ne provoque pas de perturbation électrique dans la ligne de distribution. Bien que quelques modes de réalisation aient été décrits, il est évident que toute modification apportée par l'Homme de l'Art dans le même esprit ne sortirait pas du cadre de la présente invention. Les éléments commutateurs utilisés pour décrire les circuits selon l'invention sont des thyristors, éléments adaptés quantitativement aux courants nécessaires à l'alimentation d'un moteur de traction ferroviaire Il est évident que d'autres éléments semi-conducteurs contrôlés, tels que des transistors pourraient convenir pour l'ali- mentation de moteurs de beaucoup plus faible puissance. De même les enroulements 14 et 15 ont été représentés de manière non limitative dans un montage du type en étoile, mais ils pour- raient aussi bien être dans un montage du type "triangle". REVENDICATIONS 1 Procédé de commutation des thyristors de deux-onduleurs alimen- tant un moteur synchrone à deux enroulements induits lors du démar- rage du dit moteur et à basse vitesse de ce dernier et reliés à un dispositif d'alimentation électrique dont les bornes de sortie sont reliées par une branche comprenant au moins une diode de roue librecaractérisé en ce que le début de la suppression du courant circulant dans les thyristors à commuter de chaque onduleur ( 2,3) s'effectue lors d'une phase de roue libre pendant laquelle la di- te branche placée à la sortie dudit dispositif d'alimentation ( 5, 7,9) est conductrice - 2 Circuit de commande d'un moteur synchrone à deux enroulements induits comprenant un dispositif d'alimentation électrique, deux onduleurs dont les sorties sont respectivement reliées aux enrou- lements du dit moteur, un circuit intermédiaire relié d'une part au dit dispositif d'alimentation et d'autre part aux bornes d'en- trée des dits onduleurs, une unité centrale de commande des thy- ristors, le dit circuit de commande étant caractérisé en ce que, le dit dispositif d'alimentation électrique ( 5,7,9) délivrant un courant d'un sens unique déterminé et ayant ses bornes de sortie reliées au moyen d'une branche de roue libre comportant au moins une diode de roue libre ( 6) dont la cathode est reliée à la borne positive du dit dispositif d'alimentation ( 5,7,9), le dit circuit intermédiaire ( 4) comprend, en combinaison: une branche composée de deux thyristors ( 10,11) en série reliant entre elles les bornes d'entrée du dit circuit intermédiaire ( 4), lesquelles sont reliées respectivement à l'une des bornes d'entrée des dits onduleurs de manière que les bornes choisies soient de polarités inverses, un condensateur ( 14) connecté d'une part au point de jonction des dits deux thyristors ( 10,11) de la dite branche et d'autre part aux deux autres bornes d'entrée de polarités inverses des dits onduleurs ( 2, 3), deux inductances ( 12,13) de même valeur présentant un fort fac- teur de couplage par inductance mutuelle, respectivement reliées en série avec l'une des bornes d'entrée des dits onduleurs ( 2,3), les dites bornes choisies étant de polarités inverses. 3 Circuit selon la revendication 2 caractérisé en ce que les bor- nes d'entrée du dit circuit intermédiaire ( 4) sont reliées respectivement à l'une des bornes d'entrée des dits onduleurs ( 2,3) de manière que les bornes choisies soient de polarités inverses, par l'intermédiaire des dites inductances ( 12,13). 4 Circuit selon la revendication 2 caractérisé en ce que le dit condensateur ( 14) est connecté aux deux autres bornes d'entrée de polarités inverses des dits onduleurs ( 2,3) par l'intermédiaire des dites inductances ( 12,13). Circuit selon la revendication 4 caractérisé en ce que les di- tes inductances ( 12,13) sont constituées par une inductance unique à point milieu sorti. 6 Circuit selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le condensateur 14 est préalablement chargé.