Brevet FR2530389A1 — publié le 19840120

La présente invention concerne un dispositif de régulation des machines tournantes asynchrones, notamment des moteurs et des génératrices asynchrones. Dans certaines applications électrotechniques, les moteurs sont alimentés par une tension fixe et par un convertisseur de fréquence variable. Dans ce cas, comme la tension reste constante, lorsque la fréquence augmente, on obtient une désaturation du moteur qui entra ne une diminution de son couple. Or, dans de nombreuses applicationson souhai- te au contraire que le couple du moteur augmente avec la fréquence, ou au moins reste constant. Une des solutons actuellement retenues pour atteindre cet objectif consiste à réaliser au moyen d'un dispositif électronique, un découpage haute fréquence du signal continu de la tension d'alimentation du moteur et à remoduler, à partir de ce découpage, un nouveau signal de façon à obtenir un rapport U (tension) sensiblement F (fréquence) constant en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Cependant ces dispositifs électroniques présen- tent les inconvénients d'être très complexes, donc co Zteux et d'engendrer des bruits et des vibrations du moteur à basse fréquence. L'un des buts de l'invention est de créer un dispositif électrotechnique de régulation, avec peu d'électronique, de réalisation très simple et donc peu coûteux et qui ne présente pas l'inconvénient d'engendrer les bruits et vibrations signalés plus haut - Suivant l'invention, ce dispositif de régulation est caractérisé en ce qu'il comprend des condensateurs en série avec les bobinages de la machine tournante. On a constaté de façon surprenante, notamment dans le cas d'un moteur asynchrone alimenté en tension fixe et fréquence variable que le simple fait de disposer des condensateurs en série avec les bobinages permettait de modifier favorablement le couple du moteur en fonction de la vitesse. Selon une réalisation avantageuse de l'inven- tion, la capacité du condensateur associé à chacun des bobinages est telle que le facteur capacitif est Cw supérieur au facteur-inductif Lw correspondant du bobinage, au voisinage du synchronisme de la machine. Dans ce cas, on constate une augmentation de la tension aux bornes de la machine, lorsque la fréquen- ce augmente, d'o il résulte une variation croissante du couple en fonction de cette fréquence. Le principe ci-dessus peut être appliqué à la réalisation d'un dispositif de régulation de la vitesse des moteurs asynchrones. Dans cette application, ce dispositif comprend un court-circuiteur à impédance variable branché en parallèle entre les bobinages et les condensateurs précités. Grâce à ce courtte"ircuiteur à impédance variable, il est possible de contrôler la vitesse d'un moteur asynchrone alimenté à fréquence fixe et soumis à un couple résistant Ce dispositif est de réalisation beaucoup plus simple que les dispositif électroniques utilisés jusqu'à présent pour réaliser cet objectif, tels que gradateurs ou connecteurs de fréquence. Le dispositif conforme à l'invention-peut également être appliqué à la régulation de la tension des génératrices asynchrones, tournant à vitesse fixe ou variable. Un tel dispositif comprend, comme dans le cas des moteurs asynchrones, un court-circuiteur à impé- dance variable branché en parallèle entre les bobinages de la génératrice et les condensateurs branchés en série avec ceux-ci - D' autres particularités et avantages de l'inven- tion apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est le schéma électrique d'un premier dispositif conforme à l'invention, équipant un moteur asynchrone; les figures 2 et 3 sont deux graphiques montrant la variation de l'impédance quand la fréquence double, dans-le cas d'un moteur non équipé du dispositif selon la figure 1; les figures 4 et 5 sont deux graphiques analogues à ceux des figures 2 et 3, dans le cas d'un moteur équipé du dispositif selon la figure 1; la figure 6 est un graphique montrant- 1) pour un moteur non équipé du dispositif conforme à l'invention l'évolution du couple en fonction de la vitesse (a), l'évolution de l'intensité en fonction de la vitesse (b), 2) pour un moteur équipé du dispositif conforme à l'invention, l'évolution du couple en fonction de la vitesse (c) l'évalutionde l'intensité en fonction de la vitesse (d) Sur cette figure io est l'intensité à vide et ID intensité de démarrage. la figure 7 est le schéma électrique d'un second dispositif conforme à l'invention équipant un moteur asynchrone; - la figure 8 est une courbe montrant l'évolu- tion de l'intensité et du couple en fonction de la vitesse dans le cas d'un moteur équipé d'un dispositif conforme à la figure 7 pour différentes valeurs del'impédance coettçcàmjbm ( 9) la figure 9 est le schéma électrique d'un troisième dispositif conforme à l'invention, équipant un moteur asynchrone; la figure 10 est le schéma électrique d'un dispositif conforme à l'invention, équipant une géné- ratrice asynchrone. Sur la figure 1, on a représenté les trois bobi- nages 1, 2, 3 d'un moteur asynchrone triphasé Ces trois bobinages 1, 2, 3 peuvent être branchés en étoile ou en triangle. On supposera que ce moteur asynchrone est alimenté par une tension continue fixe et qu'il est associé à un convertisseur de fréquence, permettant de faire varier la vitesse de rotation du moteur. Dans cet exemple, le dispositif de régulation comprend des condensateurs C 1, C 2, C 3 branchés en série respectivement aux bornes des bobinages 1, 2, 3. En l'absence de ces trois capacités C 1, C 29 C 3 lorsque la fréquence passe d'une valeur F à une valeur double 2 F O (voir figures 2 et 3), l'inductance Lw du circuit (celle des bobinages 1, 2, 3) passe d'une valeur Lw (F)à une valeur double Lw ( 2 F), puisque la pulsation W est proportionnelle à la fréquence *w = 2 TI F. De même l'impédance Z (F) croît-jusqu'à Z ( 2 F 0). L'intensité I du courant décroît entre une U U valeur égale à 'E (F et une valeur Z ( 2 F Du fait que l'impédance a fortement augmenté, l'intensité diminue rapidement en fonction de l'augmentation de la fréquence, c'est-à-dire de la vitesse N du moteur, comme on le voit sur la courbe a etb dela figure 6 Le système se trouve limité car le couple moteur régresse alors que le couple résistant progresse. L'effet technique du dispositif de régulation conforme à l'invention est le suivant (voir figures 4 et 5): Lorsque la fréquence varie entre les valeurs F O et 2 Fo le facteur inductif Lw de l'impédance, passe d'une valeur Lw (F) (figure 4) à une valeur double Lw ( 2 F 0) comme indiqué sur la figure 5. Par contre, le facteur capacitif passe d'une valeur égale à 1 à une valeur plus faible w 2) Cw (F) ow 2) Les graphiques des figures 4 et 5 montrent par ailleurs que l'impédance Z diminue. Le courant I augmente d'une valeur égale à U Z à une valeur égale à2 Ainsi, les condensa- teurs C 1, C 2, C 3 ont pour effet de compenser le facteur inductif Lw par un facteur capacitif-1 de signe opposé. Cw On constate donc que lorsque le facteur est supérieur au facteur Lw, ce qui est le cas des figures 4 et 5, -l'intensité croôt en fonction de la fréquence, c'est-à-dire de la vitesse N, comme le montre la courbe d de la figure 6, contrairement à ce que l'on observe en l'absence des condensateurs C 1 C 21 C 3 (courbesaet b). En même temps, le couple C croît en fonction de la vitesse N (voir courbe c) de la figure 6. On comprend que, par le choix judicieux de la capacité des condensateurs C C C 3 on peut obtenir que le couple du moteur soit constant, ou que ce couple augmente en fonction de la vitesse. L'expérience a montré que d'excellents résultats sont obtenus lorsque la capacité des condensateurs C C C est choisie de façon que le facteur 1 soit 1 '2 '3 Cw égal environ au double du facteur Lw, lorsque le moteur tourne à vide. Le dispositif conforme à l'invention tel que représenté sur la figure 1 permet donc d'obtenir, d'une manière simple,que le couple d'un moteur asynchrone alimenté en tension fixe et fréquence variable, augmente ou reste constant en fonction de la vitesse. La forme naturelle des moteurs destinés à être dotés d'un dispositif conforme à l'invention doit être cependant adaptée. De plus, le dispositif de régulation conforme à l'invention présente l'avantage de limiter l'intensité I du moteur, notamment au démarrage, de sorte que ce moteur est préservé contre les risques de détérioration par surchauffe notamment à bas régime. Par ailleurs, le dispositif conforme à l'inven- tion contrairement auxdispositifs de régulation électroni- que connus, n'engendre aucun bruit ni vibration anormaux lors du fonctionnement du moteur, même à basse fréquence. En outre, le dispositif selon l'invention présente l'avantage de consommer très peu d'énergie. On donne ci-après, à titre d'exemple non limitatif, les caractéristiques d'un dispositif de régulation conforme à l'invention, dont le schéma répond à celui de la figure 1. Puissance du moteur: 500 à 1200 W. Tension d'alimentation: 20 V. Fréquence: 54 Hz à 87 Hz Cos Mf à 54 Hz: 0,8 avant Rendement à 54 Hz: 0,7. Cos f à 67 Hz: 0,78 avant Rendement à 87 Hz: 0,75 A titre de comparaison, dans le cas d'un dispositif répondant aux caractéristiques précitées, mais dépourvu de moyens de compensation, c'est-à-dire sans condensateur en série avec les bobinages, on obtient: Cos 1 ? à 54 Hz: 0,46 arrières Rendement à 54 Hz: 0,51 (Moteur sursaturé) Cos 'f à 87 Hz: 0,86 arrière' (Moteur désaturé) Rendement à 87 Hz: 0,55 On constate donc que les valeurs du Cos I et du rendement sont plus favorables dans le cas du dispositif conforme à l'invention, à la fois à basse fréquence et à haute fréquence. Sur le schéma de la figure 6, on retrouve les trois bobinages, 1, 2, 3 d'un moteur asynchrone et les trois condensateurs C 1, C 2, C 3 branchés en série avec ces bobinages, comme dans le cas du dispositif selon la figure 1. Le dispositif représenté sur cette figure 7 comprend en outre un courtcircuiteur 4 à impédance variable branché en parallèle entre les bobinages 1, 2, 3 et les condensateurs C 1, C 2, C 3 en série. Dans l'exemple de la figure 7 qui est appliqué au cas d'un moteur de puissance inférieure ou égale à environ 10 KW, le court-circuiteur 4 comprend un pont redresseur à diodes 5 dont les bornes sont chacune reliée en parallèle à une borne des bobinages 1, 2, 3, par l'intermédiaire d'une self 6, 7, 8 ou d'un bobinage auxiliaire. Le pont redresseur à diode 5 est également relié à une résistance variable 9 qui permet de faire varier l'impédance du court-circuiteur 4. Cette impédance variable 9 peut être commandée m Inuel Iement ou automatiquement au moyen d'unrégulateurasservi à un organe de détection 10 prenant en compteparexemplela vitesse, oule débit d'une pompe ou d'un ventilateur, ou encore la température d'une enceinte. Sur la figure 8, on a représenté l'évolution de l'intensité Iet du couple moteur C en fonction de l'impédance du court- circuiteurdu moteur La courbe e en pointillés représente le cas o le court-circuiteur 4 aurait une impédance infinie ou serait inexistante, ce qui ramène le dispositif au cas de celui représenté sur la figure 1. Les trois courbes en traits pleins représentent l'évolution de l'intensité Iet du couple moteur C pour trais valeurs différentes de l'impédance Z 1, Z 2, z 3 du court-circuiteur 4 Quelle que soit cette impédance, l'intensité I croît avec la vitesse de sorte que, comme dans le cas du dispositif selon la figure 1, le couple du moteur augmente avec sa vitesse. On comprend qu'en faisant varier l'impédance du court- circuiteur 4, on modifie l'intensité I et le couple du moteur. De même, lorsque le moteur asynchrone est alimenté à une tensiôn et à une fréquence fixé, on peut régler sa vitesse en modifiant la valeur de l'impédance ( 4). Dans le cas o la variation de l'impédance est commandée automatiquement par l'organe de détection 10, cette impédance 4 agit en un véritable régulateur électronique de construction très simple qui asservit la vitesse du amoteur à un paramètre détermi- né tel que la vitesse ou le débit d'une pompe ou d'un ventilateur, ou la température d'une enceinte. -15 Comme dans le cas du dispositif selon la figure 1, celui représenté sur la figure 7 protège-le moteur contre les risques de surchauffe du fait que l'intensité est maintenue à une valeur acceptable dans toutes les circonstances, notamment en cas de surcharge. La figure 9 représente un dispositif analogue à celui de la figure 6, mais/adapté aux moteurs dont la puissance est supérieure à 10 KW environ. Dans cette réalisation, le court-circuiteur à impédance variable 11 comprend trois triacs 12 reliés d'une part, directement aux bornes des bobinages 1, 2, 3 et d'autre part, à des selfs ou à un bobinage auxiliaire 13, 14, 15 Ces triacs 12 sont commandés par 7 réguateur 16 réglé manuellement ou automatiquement au moyen d'un organe de détection 17, comme dans le cas du dispositif selon la figure 7. L'invention peut également s'appliquer à la régulation de la tension d'une génératrice -synchrone tournant à vitesse fixe ou variable. Dans la réalisation de la figure 10, comme dans le cas des figures précédentes, des condensateurs C 1, C 2 ' C 3 sont branchés en série aux bornes 1, 2, 3 d'une génératrice asynchrone. Ces condensateurs C 1, C 2 ' C 3 sont branchés en série avec les bobinages 1, 2, 3 d'une génératrice asynchrone Ces condensateurs C 1, C 2, C 3 compensent l'impédance interne de la génératrice. Aux bornes des bobinages 1, 2, 3, sont également reliées en parallèle des capacités C 4, C 5 Y C 6 d'excitation à vide de la génératrice. Entre ces'capacités C 4, C 5, C 6 et les condensa- teurs Ci, C, C est branché en parallèle un court-circui- 2 > 3 teur à impédance variable 18 qui comprend, comme dans le cas du dispositif selon la figure 7, un pont redresseur -à diode 19 et une résistance variable 20. Cette impédance variable 18 peut être commandée manuellement ou être réglée automatiquement par un régulateur asservi à la tension U délivrée par la généra- trice asynchrone. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples d'applicationque l'on vient de décrire, et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications, sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, l'invention peut s'appliquer dans tous les cas o on veut modifier le couple d'un moteur asynchrone, alimenté à fréquence variable et à tension fixe, contrôler la vitesse d'un moteur alimenté en fréquen- ce fixe ou variable, ou régler la tension d'une génératri- ce asynchrone tournant à vitesse fixe ou variable. REVENDICATIONS 1 Dispositif électrotechnique de régulation des machines tournantes asynchrones, caractérisé en ce qu'il comprend des condensateurs (C 1, C 2, C 3) en série avec les bobinages ( 1, 2, 3) de la machine tournante. 2 Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité des condensateurs (C 1, C 2, C 3) associés à chacun des bobinages ( 1, 2, 3) est telle que le facteur capacitif dwest supérieur au facteur inductif Lw correspondant du bobinage, au voisinage d u synchronisme. 3 Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le facteur 1 C égal à deux fois environ le facteur Lw. -1 4 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, appliqué à la régulation de la vitesse des moteurs asynchrones, caractérisé en ce qu'il comprend un court-circuiteur ( 4, 11) à impédance variable branché en parallèle entre les bobinages ( 1, 2, 3) et les condensateurs (C 1, C 2, C 3). Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le courtcircuiteur ( 4) comprend un pont redresseur à diodes( 5) dont les bornes sont chacune reliées en parallèle à une borne des bobinages ( 1, 2,3) par l'intermédiaire d'une self ou un bobinage auxiliaire ( 6,7,8), ce pont à diodes ( 5) étant relié à une résistance variable ( 9). 6 Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le court-circuiteur ( 11) comprend des triacs ( 12) reliésaux bornes du bobinage ( 1,2,3), ces triacs étant eux-mêmes reliés à une self ou un bobinage auxiliaire ( 16). 7 Dispositif conforme à une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'impédance variable ( 9, 16) est auto-commandée par un organe de 1 l détection ( 10, 17) en vue d'asservir la vitesse du moteur au paramètre détecté par cet organe. 8 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, appliqué à la régulation de la tension des génératrices asynchrones, caractérisé en ce qu,'il comprend un a impe ance qu'il comprend un court-circuiteurvariable ( 18) branché entre les condensateurs en série (C 1, C 2, C 3) et les condensateurs d'excitation à vide (C 4, C 5, C 6) reliés en-parallèle aux bornes des bobinages ( 1, 2, 3). 9 Dispositif conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que le court-circuiteur ('18) est un pont redresseur à diodes ( 19) relié à une résistance variable ( 20). Dispositif conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que l'impédance variable ( 18) est réglée par un régulateur asservi à la tension U délivrée par la génératrice asynchrone.