Brevet FR2546683A1 — publié le 19841130

PROCEDE DE REGULATION DE L'ALIMENTATION DES MOTEURS ELECTRI- QUES ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE DU PROCEDE. La présente invention se rapporte à l'alimentation des enroulements statoriques d'un moteur asynchrone ou synchrone par un montage utilisant un convertisseur de fréquence du type à modulation de largeur d'impulsion et comportant une compensation de la commande du modulateur, permettant de faire varier la modulation suivant l'état de charge du moteur. il est déjà connu, d'après le brevet US 3611089, de modifier l'excitation du moteur pour tenir compte du fonctionnement en moteur et en générateur du moteur à basse vitesse, en ajoutant un signal de compensation pendant les phases motri- ces et en retranchant ce signal de compensation pendant les phases génératrices. La discrimination entre les phases motrices et génératrices est obtenue en captant un signal représentatif du courant fourni au moteur et en lui appliquant un coefficient + k, le coefficient k étant appliqué pour les signaux en phase avec la tension du réseau, et le coefficient + k pour les signaux en opposition de phase. Toutefois, ce dispositif connu travaille essentiellement sur le courant du moteur, ce qui nécessite des capteurs de courant onéreux constitués, soit par des transformateurs d'intensité, soit par des sondes à effet Hall. L'invention a pour objet un procédé d'alimentation d'un moteur asynchrone par des tensions et des courants symétriques et périodiques, et qui soit peu onéreux, tout en étant apte à discriminer les fonctionnements à vide du moteur des fonctionnements en charge, pour engendrer un signal de compensation qui influe sur les signaux d'alimen- tation. L'invention permet d'obtenir un couple important à basse vitesse en charge, tout en état sûr qu'à vide, le moteur ne sera pas suralimenté. Par conséquent, à vide, le moteur fera peu de bruit et aura peu de pertes Il existe toujours un certain niveau de bruit. Un autre objet de l'invention est un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé. Le procédé de régulation de l'alimentation d'un moteur asynchrone polyphasé suivant l'invention tenant compte de l'état de charge d'un moteur pour régler les signaux de commande des interrupteurs d'un pont polyphasé aux bornes duquel le moteur est branché, caractérisé en ce que les signaux de commande des interrupteurs des voies haute et basse, pour les deux bras relatifs d'une même phase du pont, sont identiques et déphasés de 1800, qu'ils ont un angle de passage compris entre 1200 et 1800; et qu'ils sont modulés, sur 600 électriques de leur angle de passage, par un signal dont la fréquence et le rapport cyclique dépendent, d'une part, d'une tension de référence et, d'autre part d'un signal de retour qui représente l'image de la force électro- motrice mesurée aux bornes de deux phases UV du moteur, force électromotrice dont la valeur est multipliée par un coefficient k pendant l'intervalle de temps compris entre le milieu de l'intervalle de l'angle de passage de la commande de la voie basse associée à ladite phase du moteur et le milieu de l'intervalle de l'angle de passage de la commande de la voie haute associée à la phase du moteur; et par un coefficient + k pendant l'intervalle de temps compris entre le milieu de l'intervalle de l'angle de passage de la commande de la voie haute de la phase du moteur et le milieu de l'intervalle de l'angle de passage de la commande de la voie basse de cette même phase. Le dispositif de mise en ouvre du procédé de régulation de l'alimentation des enroulements statoriques d'lun moteur asynchrone polyphasé en fonction de la charge d'un moteur, suivant l'inventions comprend un pont d'interrupteurs composé de six interrupteurs commandés, utilisé pour obtenir un convertisseur de fréquence du type à modulation de lar- geur d'impulsion alimentant le moteur, et est caractérisé en ce que les signaux de commande-sont fournis, pour les voies hautes et pour les voies basses, respectivement par un premier et un second circuits délivrant des signaux de com- mande ayant un angle de passage fourni par un compteur en anneau et modulés par un signal de fréquence différente délivrée par un troisième circuit fournissant des signaux dont la fréquence et le rapport cyclique sont fonction de l'écart entre un signal représentatif des courants des phases du moteur fournis par un amplificateur et un deuxième signal y chacun des signaux de commande, issus du premier circuit et correspondant aux interrupteurs des voies hautes d'une phase, étant identique, mais décalé de 1800 par rapport à chacun des signaux de commande issus du deuxième circuit et correspondant aux interrupteurs des voies basses a ledit deuxième signal étant fourni par un quatrième circuit comportant un régulateur proportionnel intégral, recevant sur son entrée un signal fourni par un sommateur recevant lui-même, d'une part une tension de référence, d'autre part, une tension de retour fournie par un circuit multiplicateur par un coefficient positif ou négatif, 4 - suivant l'état d'une entrée de commande, par l'intermédiaire d'un deuxième sommateur, ledit circuit multiplicateur opé- rant sur la tension prise entre deux phases du moteur, la commande du signe dudit coefficient étant fournie par un circuit logique qui reçoit à ses entrées les signaux de commande des angles de passage des interrupteurs des voies haute et basse associés à la phase observée; ledit troi- sième circuit comprenant un régulateur proportionnel- intégral, recevant sur son entrée un signal fourni par un sommateur recevant lui-même une tension de référence posi- tive, et une tension de retour fournie par un circuit multi- plicateur dont le coefficient est positif ou négatifg suivant l'état d'une entrée de commande, ledit circuit multiplicateur opérant sur une tension prise entre deux phases du moteur, la commande du signe dudit coefficient étant fournie par un circuit logique recevant à ses entrées les signaux de commande des angles de passage des interrup- teurs des voies haute et basse associés à la phase observée. D'autres caractéristiques et avantages de l invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui' suit, faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels 5 la figure 1 représente le schéma de principe d'un dispositif permettant la mise en Luvre du procédé la figure 2 est un diagramme, en fonction du temps, des principaux signaux permettant d'expliquer le fonctionnement du dispositif et du procédé, en prenant l'exemple d'un angle de passage de 120 pour chaque interrupteur; et la figure 3 illustre un exemple de réalisation d'un circuit intervenant dans la mise en oeuvre du procédé. La figure 1 représente le schéma du circuit de commande des interrupteurs I 1 à 16 d'un pont d'alimentation d'un moteur asynchrone triphasé Ce pont est alimenté aux bornes A, B par une tension continue. Les points milieu du pont u, v; W sont branchés de façon connue aur trois phases U, V, W du moteur asynchrone Mo La tension entre deux phases U UV est envoyée, au moyen de deux conducteurs 7, 80 aux entrées, respectivement positive et négative 910 d'un amplificateur opérationnel 9 dont la sortie est branchée à l'entrée d'un circuit 10 appliquant un coefficient + k au signal de sortie de l Pampifificateur 9. La sortie de l'amplificateur 9 est également branchée à lentrée d'un pont redresseur 11 o La sortie du pont redres- seur Il est branchée à une entrée 120 d'un additionneur 12 par deux résistances montées en série 132 14 Le point commun aux deux résistances 132 14 est relié à la masse par un transistor 15 e dont la base est commandée par le signal de la sortie 170 d'un circuit 17 dont la fonction sera expliquée ci-après. Une deuxième entrée 121 de l'additionneur 12 reçoit le signal issu dus circuit 10 qui multiplie le signal à son entrée par un coefficient + ko Le choix du signe du coeffi- cient est effectué sur l'entrée 1010 par un circuit logique qui re Poit en entrée certains des signaux de commande de l'angle de passage des interrupteurs, de façon à engendrer un signal commandant le changement de signe au moment voulu. Dans l Ue-emlole choisi de conduction à 120 O un circuit 25 alise la fonction OU entre les signaux A 2 et A 3 détermi- nant les angles de passage des interrupteurs 120 I 3 o Ainsi, lorsque A 2 ou A 3 est au niveau 1 la sortie de 25 est au niveau 1 et commande la multiplication par + k Lorsque la sortie de 25 est au niveau zéro, elle commande la multipli- cation par k La sortie de l Vadditionneur 12 qui délivre un signal négatif est branchée, par un sommateur 162 à l'entrée 160 d'un cir- cuit 16 ré 1 alisant une fonction proportionnelle et intégrale. Une deuxième entrée du sommateur 162 reçoit un signal de référence matérialisé par une tension réglable fournie de façon connue, par exemple par un potentiomètre réglable 18. -6- La sortie du circuit 16 est branchée à l'entrée 172 du circuit 17 qui établit une comparaison avec un signal, image des courants de la machine, reçu à l'entrée 173; le résultat de cette comparaison est utilisé pour engendrer un signal de fréquence et de rapport cyclique variables sur la sortie 171. Le circuit 17 comprend également un circuit logique qui délivre en 170 un signal permettant de mettre le transistor dans l'état conducteur ou dans l'état bloqué Ce signal 170 est le signal complémentaire du signal 171 M c'est-à-dire qu'il est au niveau 1 lorsque le signal 171 est au niveau zéro Le transistor 15 est validé par la sortie 260 du cir- cuit 26, lorsque la fréquence de commutation des phases du moteur croît et devient supérieure à une fréquence donnée, par exemple 35 Hz, par l'intermédiaire de la sortie 200 Le circuit logique 26 effectue la fonction ET entre les infor- mations 170 et 200, Le signal reçu à l'entrée 173 du circuit 17 est délivré par la sortie d'un amplificateur opérationnel 23 de gain k, dont l'entrée reçoit un signal représentatif des courants dans les phases de la machine; ce signal est capté, par exemple, par des transformateurs de courant 24, ou par tout autre moyen. La tension de référence fournie par le circuit 18 est égale- ment reçue par un oscillateur à fréquence variable 19, dont la fréquence est proportionnelle à la tension délivrée en 18 La sortie 19 fournit des signaux d'horloge E qui sont délivrés à un compteur en anneau 20, lequel engendre sur ses sorties 201 à 206 des signaux représentatifs des angles de passage A à A de chaque voie O I 6 Ces signaux sont délivrés, par les sorties 201 à 206 du compteur en anneau, à deux circuits logiques 21, 22 qui élaborent des signaux de commande des interrupteurs des voies hautes et basses en fonction du signal de modulation 171 Les signaux des sorties 2 et 3 du compteur en anneau sont envoyés à un boîtier logique 25 qui élabore les signaux de commande de changement de gain du circuit 10. -7 =- Les circuits 21 et 22 représentés à la figure 3, sont réa- lisés par exemple par une bascule du type T, 210, dont la sortie B délivre un signal représenté à la figure 2. Ce signal B est envoyé à l'entrée d'un Circuit OU 211, dont une deuxième entrée reçoit le signal de modulation 171 o La sortie du circuit OU 211 est branchée respectivement à chaque première entree des trois circuits ET 212, 213, 214, dont les sorties respectives délivrent les signaux It, I 32 is lorsque chaque deuxième entrée des circuits ET 212, 213, 21,1 regoit respectivement les signaux A 1, A 3, A 5, délivrés par les sorties 201, 203, 205 du compteur en anneau 20 De 1 m e la sortie complémentaire de la bascule 210 délivre u siginal B qui est envoyé à l'entrée d'une porte OU 221 qui reçoi% sur sa deuxième entrée le signal de modulation 171 o La sortie du circuit OU 221 est branchée à chaque première entrée de trois circuits ET 2229 223, 224, dont les sorties dllivrent les signaux 2, 6 4, lorsque les deuxièmes entrées des circuits 222, 223, 224 reçoivent respectivement les signauu A 2 ' A a A. Ainsi, sur la sortie 1 de la porte 212, on a bien le signal 1 qui est au niveau 1, soit pendant que B et A 1 sont à 1, soit pendant que 171 et AI sont a 1 o De l'explication qui précède, on déduira aisément, par analogie, le fonctionnement des autres voies. Les sortleg du circuit 21 commandent les interrupteurs 11 I in 15, qui constituent les voies hautes, tandis que les sorties dui circuit 22 commandent les interrupteurs I 4 I 60 12 qui constituent les voles basses. La figure 2 illustre le fonctionnement du dispositif dans le cas d'un angle de passage de 120 . Le signal H est obtenu à la sortie du générateur de fré- quence 19 Les signaux Ai, A 2, A 3, A 4 e A 5, A 6 représentent respectivement les angles de passage des interrupteurs I à 16 du pont. -8 2546683 Pour l'exemple retenu, le signal AI montre que l'interrup- teur I de la phase V du pont doit être conducteur, donc fermé, pendant 1200 électriques et ouvert pendant les 2400 de la période du signal. Le signal A 2 est décalé de 600 en retard par rapport à A 1 et ferme l'interrupteur 2 pendant l'intervalle de temps compris entre 600 et 1800 de la période, et ainsi de suite pour les signaux A 3 à A 6. Une modulation est appliquée aux signaux qui commandent l'ouverture et la fermeture des interrupteurs Les instants o sont appliquées ces modulations, sont représentés, pour les signaux des interrupteurs des voies hautes, par le signal mod 1 3 5 et, pour es interrupteurs I 22 14 V I 6 des voies basses, par le signal mod 2 4 6 On comprend que le signal de commande de la fermeture de l'interrupteur 1 sera modulé pendant les derniers 60 de son angle de passage. Le signal de modulation est fourni aux circuits 21 et 22 par la sortie 171 du circuit 17. Le signal de commande de l'interrupteur I issu du circuit 21 est représenté avec la modulation sur 600 à la ligne marquée 1; de même le signal de commande de l'interrupteur I 3 est représenté par le diagramme marqué 3. Le signal de commande de la voie 5 n'est pas représenté, mais se déduit, comme 1 et 3, des signaux A 5 et mod 1 3 - 5. La référence 2 de la figure 2 représente le diagramme du signal de commande de l'interrupteur I 2 (voie basse). Les autres signaux 4 et 6 se déduiront de la même façon des signaux A 4, respectivement A 6, et de mod 2 4 6. Le diagramme l U représente, en fonction du-temps, l'évolu- tion du courant qui alimente la phase U du moteur La forme du signal représentée ne correspondant pas à la réalité, mais à une forme idéalisée que l'on a choisie pour simpli- fier la représentation La tension aux bornes U et V du moteur sera un signal composite comprenant un signal symé- trique en phase avec le courant U et un signal UUV prati- 2546683 ' -9- quement sinusoidal, représentant la force électromotrice de moteur, dont le déphasage par rapport au courant IU va varier Pour des raisons de clarté de l'exposé, on a seule- ment représenté la tension UUV qui materialise la force électro-motrice du moteuro En supposant que la machine en charge se comporte pratique- ment comme une résistance pure, c'est-à-dire que cos% = 1, la tension UD captée aux bornes U et V du moteur sera en phase avec le courant IU, comme on l'a représenté sur la courbe 26. De même, si l'on suppose que la machine à vide se comporte co.T me une self pure, c'est-à-dire que son cos ? = O, la tension UUV sera en avance de 900 électriques par rapport au courant Iu, comme on l'a représenté sur la courbe 25 Les courbes 2 et 27 représentent le signal obtenu à la sortie de l'amplificateur 9 Dans la realité, les courbes IU et UUV sont plus complexes; mais, dans un souci de clarté, on les a simplifiées, sans pour que cela le fonctionnement du dis- pgs tif s'en trouve modifiée Les signaux issus du circuit 9 sont multipliés par un coefficient + k à des instants bien précis, comme on l'a représenté sur la figure 2. Si, à l'entrée du circuit 10, on a une tension correspondant à un moteur en charge représenté par la courbe 26, le résul- tat de la transformation du signal de la courbe 26 est 3 r zrsené Dar la courbe 101 et est un signal de valeur mc -inne nulle, On comprend ainsi que le signal qui repré- sen a force ilectro-motrice du moteur en charge n'inter- vient pas deans la régulation, mais aussi que le signal en phase avec le courant capté en U et V, constitue l'informa- tiozn de retour, image du régime de charge de la machine Par contre, si le moteur est à vide, la tension représentée par la courbe 27 est tcransformée en un signal 102 à la sortie du ci-rcuit 1 i O o Ce signal 102 a une valeur moyenne négative qui s'ajbute au signal 120 de modulation en phase avec le l courant i U dont la valeur absolue est inférieure à celle du signal 102 Il en résulte que le signal 161 se retranche du signal de référence 18 Ainsi, lorsque le moteur est à vide, le signal de retour arrivant en 160 est augmenté de la 2546683 - valeur moyenne du signal traité, image de l'état de charge de la machine, alors que, lorsque le moteur est en charge, le signal de retour en 160 devient minimal. Le signal de référence ne subit jamais de modification pour un affichage donné; c'est la valeur du signal de retour qui varie en fonction de la charge. Une modification du signal délivré à la sortie du circuit 16 va entraîner une modification de la fréquence et du rapport cyclique du signal de modulation sortant en 171. Ainsi, si le moteur est à vide, le signal de retour présent à l'entrée 172 voit sa valeur moyenne augmentée, ce qui entraîne une baisse de l'excitation du moteur. La commutation du gain de k à + kc doit se faire, comme on peut le voir sur la figure 2, au milieu de l'intervalle de conduction de l'interrupteur de la voie haute du pont associé à la phase du pont que l'on observe (Ici, Iî 1). Enfin, la commutation du gain de + k à k doit se faire au milieu de l'intervalle de conduction de l'interrupteur de la voie basse du pont associé à la phase du pont que l'on observe (Ici, I 4). D'autre part, une des conditions essentielles du bon fonctionnement de l'invention est que les signaux de com- mande des voies haute et basse des phases soient de forme identique, mais déphasés de 1800, de façon que les courants circulant dans les phases du moteur aient une forme symétri- que et que les tensions que l'on observe entre les phases soient composées d'un signal symétrique en phase avec le courant associé et d'un signal dont le déphasage par rapport à ce courant l U varie en fonction de l'état de charge du moteur On a représenté un tel signal par les courbes 26 et 27, pour l'exemple des phases choisies. Pour que le courant IU soit symétrique, il est nécessaire de commander les interrupteurs haut et bas du pont avec des signaux de forme identique, mais déphasés. Enfin, pour que le signal U U représentant la force électro- motrice du moteur et déphasé par rapport au courant IU soit observable il ne faut pas que tous les potentiels aux bornes des différentes phases du moteur à un instant donné soient fixés Par conséquent 9 il est nécessaire que l'angle de passage des interrupteurs reste compris entre 1200 et 1800, par exemple 150 . Le fonctionnement optimum du dispositif est obtenu pour un angle de passage de 1200 Dans le cas o on choisit un angle de conduction différent de 1200 on est amené à modifier le circuit logique 25 Cette modification est à la portée de l'homme de métier et ne sera pas exposée. Lorsque l'angle de conduction tend vers 180 % la composante du signal 'image de la force électromotrice" de la machine tend vers zéro Le système de correction 10 devient alors de moins en moins sensible au type de régime de charge O Il est donc nécessaire de lui adjoindre une deuxième boucle constituée par le redresseur 11, les deux résistances 13, 14 et le transistor 15, pour envoyer, à l'entrée négative 160, un signal dont la valeur moyenne positive servira à corriger le signal de référence en l'augmentant et, par conséquent, en accroissant l'excitation du moteur. La transmission de ce signal de correction est commandée par le blocage du transistor 15, qui est effectué lorsque la modulation diminue et proportionnellement à celle-ci. Il est évident que toute modification à la portée de l'homme de l'art fait également partie de l'invention. 12 - Revendications de brevet 1 Procédé de régulation de l'alimentation d'un moteur asynchrone polyphasé (M), tenant compte-de l'état de charge d'un moteur pour régler les signaux de commande des inter- rupteurs (I 1 I 6) d'un pont polyphasé aux bornes duquel le moteur est branché, caractérisé en ce que les signaux de commande des interrup- teurs des voies haute et basse, pour les deux bras relatifs d'une même phase du pont, sont identiques et déphasés de 1800; qu'ils ont un angle de passage (A 1 à A 6) compris entre 1200 et 100; et qu'ils sont modulés (mod 1 -3 5, mod 2 6 4), sur 600 électriques de leur angle de passage, par un signal ( 171) dont la fréquence et le rapport cyclique dépendent, d'une part, d'une tension de référence ( 18) et, d'autre part d'un signal de retour qui représente 1 'image de la force électromotrice mesurée aux bornes de deux phases (UV) du moteur, force électro-motrice dont la valeur est multipliée par un coefficient k pendant l'intervalle de temps compris entre le milieu de l'intervalle de l'angle de passage de la commande de la voie basse associée à ladite phase du moteur et le milieu de l'intervalle de l'angle de passage de la commande de la voie haute associée à la phase du moteur; et par un coefficient + k pendant l'intervalle de temps compris entre le milieu de l'intervalle de l'angle de passage de la commande de la voie haute de la phase du moteur et le milieu de l'intervalle de l'angle de passage de la commande de la voie basse de cette même phase. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit signal de retour est corrigé par addition de la valeur positive d'un deuxième signal ( 120) qui représente un pourcentage de la tension redressée ( 11) prélevée auxdites bornes (UV) du moteur, ledit pourcentage étant défini par un interrupteur statique ( 15) modulé proportionnellement à la fréquence de modulation des interrupteurs du pont. 13 - 3 o Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un pont d'interrupteurs (I 1 à 16) convertisseur de fréquence du type à modulation de largeur d'impulsion alimentant le moteur (M)g caractérisé en ce que les signaux de commande sont fournis, pour les voies hautes (I 1 i I 3 " I 5), et pour les voies basses (I 2 Y 14; 16), respectivement par un premier ( 21) et un second ( 22) circuits délivrant des signaux de commande ayant un angle de passage fourni par un compteur en anneau ( 20) et modulés par un signal ( 171) de fréquence différente délivré par un troisième circuit ( 17) fournissant des signaux dont la fréquence et le rapport cyclique sont fonction de l'écart entre un signal représentatif des courants des phases du moteur fournis par un amplificateur ( 23) et un deuxième signal; chacun des signaux de commande issus du premier circuit ( 21) et correspondant aux interrupteurs des voies hautes d'une phase, étant identique, mais décalé de 180 par rapport à chacun des signaux de commande issus du deuxième circuit ( 22) et correspondant aux interrupteurs des voies basses; ledit deuxième signal étant fourni par un quatrième circuit comportant un régulateur proportionnel intégral ( 16), recevant sur son entrée un signal fourni par un somma- teur ( 162) recevant lui-même, d'une part une tension de r-férence 18) d'autre part, une tension de retour ( 161) fournie par un circuit ( 10) multiplicateur par un coeffi- cient positif ou négatif, suivant l'état d'une entrée de ccrmmande ( 101), par l'intermédiaire d'un deuxième sommateur ( 12), ledit circuit multiplicateur ( 10) opérant sur la tension prise entre deux phases (U, V) du moteur, la com- 3 U mande ( 10 _) du signe dudit coefficient étant fournie par un circuit logique ( 25) qui reçoit à ses entrées les signaux de commande des angles de passage des interrupteurs des voies haute et basse associés à la phase observée; 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite tension de retour comprend en outre un cinquième signal ajouté à la sortie dudit circuit multiplicateur ( 10), ledit cinquième signal étant fourni par 14 - un circuit redresseur ( 11) qui reçoit la tension prise entre les deux dites phases (UV) et est relié par un interrupteur ( 15) à l'entrée d'un additionneur ( 12) dont la deuxième entrée ( 121) reçoit le signal de sortie du circuit multipli- cateur ( 10); ledit interrupteur ( 15) étant commandé par une porte ET ( 26) à une entrée de laquelle est appliqué un signal ( 170) complémentaire dudit signal de fréquence diffé- rente ( 171) et à l'autre entrée de laquelle est appliquée un niveau logique 1 lorsque la fréquence des commutations des phases du moteur est supérieure à une valeur prédéterminée.