Brevet FR2554741A1 — publié le 19850517

La présente invention concerne les vibrateurs pour manutentionner ou traiter de grosses charges et plus particulière- ment un appareil de commande électrique pour un vibrateur électro- magnétique comprenant au moins un électro-aimant. Le traitement par vibration de grosses charges, pour la manutention ou à d'autres fins, exige l'utilisation de longues courses appliquées à une cadence ou une fréquence basse. Une telle fréquence de vibration est nettement inférieure à celles que peuvent fournir les moteurs classiques à entrefer électromagnétique. On connaît des vibrateurs avec des générateurs de vibrations mécaniques utilisant un ou plusieurs poids excentrés fixés à un arbre entraîné en rotation par un moteur électrique ou un autre générateur de force motrice. Les paliers pour le montage en rotation de l'arbre et l'induit du moteur, s'il est accouplé directement à l'arbre, sont soumis à de fortes charges résultant des forces d'oscillation crééespar la rotation des poids excentrés, charges qui réduisent la durée de service des paliers. De plus, l'environnement dans lequel le mécanisme de vibration doit travailler est souvent poussiéreux ou pour d'autres raisons impropre à permettre une longue durée de service des paliers, ce qui se traduit par l'usure relativement rapide de l'arbre et/ou des paliers et complique les problèmes d'entretien de ceux-ci. En raison de la chaleur développée par le moteur et du fait que son mouvement de sortie est un mouvement tour- nant, le recouvrement du moteur par un carter protecteur est dif- ficile et/ou très coûteux. L'emploi des générateurs de vibrations mécaniques de ce type est par conséquent limité généralement à des environnements o des moteurs électriques exposés ne représentent pas de risques. Les vibrateurs électromagnétiques, qui n'utilisent pas une masse tournante, mais impriment un mouvement alternatif rectiligne à une masse, ne comportent pas de paliers, ce qui sup- prime les problèmes qui y sont liés, et peuvent être enfermés ou recouverts complètement par un carter protecteur. Cependant, de tels vibrateurs demandent un appareil de commande et d'alimentation pour fournir l'énergie électrique à un électro-aimant ou, de préférence, à deux électro-aimants opposés qui sont excités alter- nativement. Afin d'exploiter au maximum les possibilités de donner une course importante à la masse en mouvement de va-et-vient, il importe d'éliminer autant que possible les forces statiques agis- sant sur elle. Ce résultat peut être obtenu par l'application simultanée de deux mesures: l'alimentation des aimants pendant une période de conduction de durée égale et avec une quantité d'énergie électrique qui est égale pour chaque aimant, ainsi que la synchronisation des aimants pour qu'ils soient enclenchés exactement en opposition de phase l'un par rapport à l'autre. L'invention apporte un appareil de commande et d'ali- mentation pour faire fonctionner un générateur électromagnétique de vibrations à une fréquence qui est un sous-harmonique d'une source d'alimentation électrique. L'appareilde commande fournit du courant électrique à deux bobines électromagnétiques prévues dans le générateur de vibrations, à une fréquence qui correspond exactement à un tiers de la fréquence de la source d'alimentation électrique, chaque bobine n'étant alimentée qu'une seule fois par cycle mécanique. L'énergie pour alimenter les bobines et leur com- mande pour un fonctionnement avec un déphasage de 180 sont tirées toutes deux d'une seule source de courant alternatif monophasé. Deux condensateurs délivrent une pointe de tension initiale pour alimenter les bobines et pour réduire l'amplitude des impulsions de courant fournies par le secteur pour faire fonctionner les bobines électromagnétiques. Un montage de commande en fonction du temps permet de régler le pourcentage de temps o les bobines sont excitées, ce qui permet de faire varier l'amplitude de vibration. L'amplitude ou course de vibration peut également être variée en changeant l'amplitude de la tension ou du courant fourni aux bobines. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 est un schéma synoptique d'un appareil de commande selon l'invention; - les figures 2 à 4 sont des schémas de différentes parcies d'un circuit de commande numérique utilisé de préférence dans l'appareil de figure 1; - les figures 5 et 6A-6I représentent des formes d'ondes de tension servant h expliquer le fonctionnement du circuit de comvaande numérique des figures 2 à 4; - la figure 7 est un schéma synoptique d'un autre exemple de réalisation de l'appareil de commande selon l'invention; - la figure 8 montre une variante du circuit de eom- mande numérique représenté sur la figure 4, variante qui convient pour l'appareil de figure 7; et - la figure 9 représente des formes d'ondes servant à expliquer le fonctionnement du circuit de commande numérique de figure 8. Sur la figure 1, le secteur, ou une autre source de courant alternatif monophasé, représenté par les bornes et les lignes AC1 et AC2, alimente un circuit 11 de commande par déphasage et un circuit 12 de puissance ou d'alimentation d'électro-aimants. Le circuit de commande 11 produit des signaux de commande rectan- gulaires à une fréquence qui correspond à un tiers de la fréquence du secteur et ces signaux sont utilisés pour commander l'alimentation des bobines.L1 et L2 de deux électro-aimants. Cette alimentation s'effectue à une fréquence égale à un tiers de la fréquence du secteur et avec un déphasage de 180Q du courant pour la bobine L1 par rapport au courant pour la bobine L2, les bobines étant excitées pendant des nitiés alternantes di qcyle de charge. Des diodes électro- luminescentes LED1 - LED4 utilisent les signaux de commande (fi- gure 5) pour émettre des rayonnements électromagnétiques hvl - hv4 (figure 1) pour actionner des redresseurs au silicium commandés à couplage optique OSCR1 - OSCR4. A leur tour, les redresseurs OSCR1 - OSCR4 produisent l'amorçage de redresseurs au silicium commandés SCR1 - SCR4 pour l'alimentation des bobines L1 et L2. Avant chaque alimentation de L1 et L2 "directement à partir du secteur'", le montage assure la charge de deux condensa- teurs C1 et C2 visibles sur la figure 1. A l'instant t2 (figures 5, 6D), une impulsion de courant traversant la diode électrolumines- cente LED1 engendre un rayonnement d'énergie électromagnétique hvl qui rend conducteur le redresseur au silicium commandé OSCR1 (fi- gure 1) qui est couplé par voie optique à cette diode, de sorte que le potentiel positif sur la plaque supérieure du condensateur CI est appliqué à la gâchette G du redresseur au silicium commandé SCRI, ce qui rend ce dernier conducteur. Un courant Il circule alors de la plaque supérieure du condensateur Cl à travers SCR1 et la bobine LI jusqu'à la plaque inférieure de C1, de sorte que la bobine 11 est excitée. A l'instant t3 (figures 5, 6i)), une impulsion de courant traversant la diode électroluminescente LED2 (figure 1) engendre un rayonnement électromagnétique hv2 qui rend conducteur le redres- seur au silicium commandé OSCR2 couplé par voie optique à cette diode, de sorte que le potentiel positif sur la ligne AC1 est appliqué à la gâchette G du redresseur au silicium cs"andé SCR2, ce qui rend celui-ci conducteur. Un courant 12 circule alors de la borne AC1 à travers SCR2 et la bobine électromagnétique L1 à la borne d'alimentation AC2, ce qui représente un courant d'alimentatia supplémentaire pour cette bobine. La forme d'onde de la tension appliquée aux bornes de la bobine L! est une combinaison de la tension sur le condensateur C1 et de la tension sur la ligne d'alimentation ACl, comme représenté sur les figures 5 et 6B. Lorsque le courant à tra- vers la diode LED1 se produit plus tôt pendant la moitié positive de la période de la tension alternative sur AC11, le laps de temps qui s'écoule entre l'application de la tension du condensateur à la bobine L1 et l'application de la tension du secteur à cette mime bobine change, ce qui a pour effet que la forme d'onde de la tension sur la bobine change de la forme représentée sur la figure 6D à la forme d'onde montrée sur la figure 6E et à la forme d'onde montrée sur la figure 6F. A l'instant t5 (figure 5), une impulsion de courant traversant la diode électroluminescente LED3 engendre un rayonnement électromagnétique hv3 rendant conducteur le redresseur au silicium com- mandé OSCR3 (figure 1) qui est couplé à cette diode par voie optique, de sorte que le potentiel positif sur la plaque inférieure du con- densateur C2 est appliqué à travers L2 à l'anode du redresseur au silicium commandé SCR3, ce qui rend ce dernier conducteur. Un courant I3 circule alors de la plaque inférieure du condensateur C2 à travers la bobine L2 et à travers le redresseur SCR3 à la plaque supérieure du condensateur C2, de sorte que la bobine L2 est excitée. L'instant t5 peut également être changé, pour qu'il se produise plus t8t ou plus tard dans la partie négative de la période de tension alternative sur AC1, ce qui change la durée pendant laquelle la tension aux bornes du condensateur C2 est appliquée à la bobine L2. A l'instant t6 (figure 5), une impulsion de courant traversant la diode électroluminescente LED4 engendre un rayonnement électromagnétique hv4 qui rend conducteur le redresseur au silicium commandé OSCR4, qui rend à son tour conducteur le redresseur SCR4, si bien que la tension de la ligne d'alimentation AC2 est appliquée à la bobine L2. Les paires d'éléments à couplage électro-optique LED1/OSCR1 - LED4/OSCR4 assurent un couplage positif des signaux de commande appliqués par le circuit de commande par déphasage 11 au circuit de puissance 12 et empêchent la transmission de bruit électrique du circuit de puissance au circuit de commande. L'inten- sité globale du courant traversant la bobine L2 est sensiblement égale à l'intensité globale du courant traversant la bobine L1. A chaque demi-période de tension positive sur la ligne d'alimentation AC1, un courant circule vers le bas, dans la repré- sentation de figure 1, à travers une inductance L3 et une diode Dl pour charger le condensateur C1. A chaque demi-période de tension négative sur la ligne d'alimentation AC1, un courant circule vers le haut à travers une diode D2 et une inductance L4 pour la charge du condensateur C2. Des détails du circuit de commande par déphasage 11 (figure 1) et de la production des signaux de commande (figure 5) seront décrits ci-après en référence aux figures 2 à 4. Deux diodes électroluminescentes LED7, LED8 (figure 2) produisent un rayonnement électromagnétique hv7 respectivement hv8 qui est dirigé vers l'un ou l'autre de deux transistors 15, 16 commandés par voie optique. Les diodes LED7, LED8 conduisent pendant des demi-périodes opposées du secteur et amènent les transistors 15, 16 correspondants à produire des impulsions de courant qui sont emplifiées par deux transistors 19, 20 et inversées en phase par des inverseurs 23-26. Ces derniers produisent les impulsions de commande positives et négatives POS, NEG représentées sur la figure 5, de même que des signaux inversés (non représentés) qui sont utilisés par un circuit séquentiel asynchrone 30 (figures 2, 3) pour engendrer une paire supplémentaire de signaux de commande d'amorçage AM+ et AM- afin d'assurer la commande dans le temps exacte de l'envoi du courant à travers les bobines L1, L2 (figure 1). Le circuit séquentiel asynchrone 30 (figure 3) comporte des bascules 31-34 et des portes NON-ET 38-43 qui sont agencées à la façon d'un compteur pour fournir à la fois les signaux AI+ et les signaux AI- de figure 5. Un circuit d'attaque 46 représenté sur la figure 4 utilise les signaux produits par le circuit de comptage de figure 3 pour alimenter les diodes LED1 - LED4 qui, à leur tour, commandent les redresseurs OSCR1 - OSCR4 et SCR1 - SCR4 (figure 1) dans l'ordre convenable et avec la synchronisation voulue. Un multivibrateur monostable 47 et son circuit associé de temporisation à résistance et capacité (RC) fournissent les signaux d'enclenchement (encl.) représentés sur la figure 5. Ces signaux sont combinés avec d'autres signaux représentés sur cette même figure pour rendre les diodes LED1 - LED4 conductrices avec la phase convenable et pendant la durée désirée. Les signaux POS et NEG sont utilisés par une porte NON-ET 48 pour fournir des impulsions de déclenchement ZERO au multivibrateur monostable 47, lequel produit des impulsions d'enclenchement d'une durée déterminée par un condensateur 49 et une résistance variable 50. La largeur (durée) de ces impulsions peut être variée par le réglage de la résistance 50. Les signaux d'enclenchement et les signaux AM+ sont combinés par une porte NOR 54 pour rendre la diode LED1 (figure 4) conductrice et appliquer la tension du condensateur C1 (figure 1) à la bobine L1, comme décrit dans ce qui précède. La durée pendant laquelle la tension de C1 est appliquée à la bobine L1 est déterminée par la valeur de la résistance 50 (figure 4). D'autres signaux représentés sur la figure 5 sont combinés de façon analogue et bien connue par des portes NOR 55 - 57 et des portes NON-ET 61, 62, pour engendrer les impulsions d'énergie électromagnétique hv2 - Lv4 (figures 1, 5), en vue de l'application de la tension du secteur a la bobine LI et en vu.e de l'application de la tension du condensa- teur C2 et de la ligne AC] (figure 1) à la bobine L2. Lorsque, à l'instant t3 (figure 5), le redresseur SCR1 est rendu conducteur, la tension de secteur appliquée à la bobine L1 est supérieure à la tension du condensateur C1, de sorte que le courant traversant le redresseur SCRI cesse et le secteur fournit du courant à la bobine L1. L'!nductance de la bobine L1 a pour effet que le courant I2 continue à circuler pendant un certain temps après que la tension sur AC1 est descendu en dessous de zéro, voir figure 5. Dans le fonctionnement de l'appareil de figure 1 qui vient d'être décrit, l'énergie motrice appliquée aux bobines L1, L2 est réglée par la variation du temps pendant lequel les condensateurs C1, C2 alimentent les bobines L1 et L,2, comme cela ressort des figures 6D - 6F. D'autres méthodes pour régler la puissance motrice comprennent: 1. La variation de la tension d'alimentation alternative; 2. La variation de la charge des condensateurs CI, C2; 3. La variation du temps d'enclenchement des redres- seurs SCR2 et SCR4 pour faire varier ainsi la durée pendant laquelle la tension du secteur est appliquée aux bobines L1 et L2. Ces moyens de réglage peuvent être utilisés séparément ou en combinaison. L'exemple de réalisation du circuit de commande par déphasage la et du circuit de puissance 12a représenté sur la figure 7 comporte des moyens pour régler la puissance motrice par la variation de la quantité de charge des condensateurs C1, C2. Le montage selon cette variante comporte à cet effet deux paires sup- plémentaires d'éléments à couplage optique LED5/OSCR5, LED6/OSCR6 et égaleraent deux redresseurs au silicium commandés SCR5, SCR6 en plus. Un circuit d'attaque 46a (figure 8) utilise les signaux pro- duits par le circuiet de figure 3 pour alimenter les diodes électro- luminescentes LED1 - LED6, lesquelles commandent à leur tour les redresseurs OSCRI - OSCR6 et SCR1 - SCR6 (figure 7) dans l'ordre convcnable et avec la synchronisation voulue. Des multivibrateurs monostables 66 - 68 et leurs circuits associés de temporisation à résistance et capacité fournissent les signaux d'enclenchement, de retard de cinquante pour cent et de retard de vingt-cinq pour cent indiqués sur la figure 9; ces signaux sont combinés avec d'autres signaux indiqués sur la figure 9 pour rendre les diodes LED1) LED4 conductrices avec la phase convenable et pendant la durée désirée. Les signaux POS et NEG sont utilisés par une porte NON-ET 72 pour délivrer des impulsions de déclenchement ZERO au multivibrateur monostable 66, lequel engendre des impulsions d'enclenchement dont la durée est déterminée par un condensateur 73 et une résistance variable 74. La largeur des impulsions de retard de cinquante pour cent et des impulsions de retard de vingtcinq pour cent est déterminée par deux condensateurs 78, 79 et deux résistances fixes 80, 81. Les signaux d'enclenchement, de retard de cinquante pour cent, de retard de vingt-cinq pour cent et AM+ sont déterminés par une porte NON-ET 84 pour-rendre la diode LED1 conductrice et appliquer la tension du condensateur C1 {figure 7) à la bobine L1, comme déjà décrit. Plusieurs portes NON-ET 85 - 88 combinent de façon analogue des signaux de commande pour rendre les diodes LED2 - LED4 conductrices et engendrer les signaux hv2 - hv4 avec les phases qui ressortent de la figure 9. Deux inverseurs 89, 90 fournissent la polarité convenable pour les signaux AM+ et AM- en vue de la production des signaux hvl - hv4. Une série d'impulsions de rayonnement hv5 correspondant aux moitiés positives de la tension sur ACi (figures 1, 9) sont pro- duites par application du signal PO-S à l'entrée de déclenchement d'un multivibrateur monostable 92. Les impulsions délivrées à la sortie de ce multivibrateur sont inversées par un inverseur 93 qui attaque la diode LED5. La largeur des impulsions du multivibrateur 92 et la durée des impulsions hv5 sont déterminées par une résistance variable 94 et un condensateur 95. Les impulsions hv5 rendent les redresseur OSCR5 et SCR5 conducteurs, de sorte que le condensateur C1 est rechargé avec la polarité représentée sur la figure 7. Une série d'impulsions de rayonnement hv6 correspondant aux moitiés négatives des périodes de tension sur la ligne AC1 (fi- gures 1, 9) sont développées par l'application du signal NEG à l'entrée de déclenchement d'un multivibrateur monostable 99. Les impulsions délivrées à la sortie de ce multivibrateur sont inversées par l'inverseur 100 qui attaque la diode LED6. La largeur des impul- sions du multivibrateur 99 et la durée des impulsions hv6 sont déterminées par une résistance variable 101 et un condensateur 102. Les impulsions hv6 rendement les redresseurs OSCR6 et SCR6 con- ducteurs et chargent ainsi le condensateur C2 à la polarité repré- sentée sur la figure 7. Lorsque la durée de la décharge du condensateur C1 à travers la bobine d'électro-aimant L1 (figure 7) est réduite à zéro, l'intensité du courant d'alimentation de la bobine L1 est déterminée p a r 1 a durée d'alimentation de cette bobine au cours des demi- périodes positives sur la ligne AC1. Les figures 6A - 6C montrent la forme d'onde de la tension de gâchette pour les redresseurs au silicium commandés et la tension de bobine pour différentes durées d'application de la tension du secteur aux bobines. Les figures 6D - 6F montrent les changements des formes d'onde de tension de la bobine lorsque le temps de décharge des con- densateurs C1, C2 (figure 7) change. Les figures 6G, 6H et 6J montrent le changement des formes d'onde de tension de bobine lorsque le temps de décharge des condensateurs C1, C2 reste cons- tant et la durée pendant laquelle la tension du secteur est appliquée aux bobines change. Il ressort de la description qui précède que l'invention apporte un appareil de commande qui tire à la fois l'énergie et la commande en fonction du temps d'une seule source de courant alternatif et qui assure l'excitation de deux bobines d'électro-aimant à une fréquence qui correspond exactement à un tiers de la fréquence de la source d'alimentation. Chaque bobine est seulement excitée une fois dans chaque cycle mécanique, dont la fréquence de récurrence correspond également à un tiers de la fréquence de la source d'ali- mentation électrique, les bobines étant désexcitées avec un déphasage de 180 dans le cycle mécanique comme une conséquence naturelle de la méthode de division de fréquence utilisée. Cette division, four- nissant une fréquence qui correspond à un tiers de la fréquence du secteur, représente un avantage unique parce que la composante de courant continu dans l'alimentation alternative est éliminée et les pointes de courant sont réduites au maximum. Ce système de division de fréquence permet d'intercaler des retards dans le circuit de commande en fonction du temps afin d'obtenir une plage étendue de réglage du niveau de puissance des bobines des électro-aimants. Une seule résistance réglable est nécessaire pour varier le retard dans la partie positive et dans la partie négative de chaque période, de sorte qu'il n'y a pas de risque d'apparition d'un déséquilibre dans l'alimentation par suite de retards inégaux. Chacune-des bobines est alimentée d'abord par un condensateur dans chaque cycle, ce qui réduit les pointes de courant à fournir par le secteur. Le couplage optique entre le secteur et le montage de commande empêche la réinjection de bruit électrique dans le montage de commande et garantit la com- mande synchronisée sur des bobines des aimants. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. REVENIDICATIONS 1. Appareil de commande et d'alimentation électrique pour un générateur électromagnétique de vibrations possédant deux électro- aimants ayant chacun une bobine, caractérisé en ce qu'il utilise, comme source de courant électrique, une source de courant alternatif monophasé (AC1, AC2) et la fréquence de vibration produite par l'exci- tation des deux bobines (L1, L2) est égale à un sous-harmonique de la fréquence du courant alternatif, l'appareil comprenant un premier et un second condensateur électrique (C1, C2) et des moyens pour leur charge à partir de la source d'alimentation (AC1, AC2), des moyens pour connecter le premier condensateur (C1) à une première bobine d'électro-aimant (L1) pour faire circuler un courant élec- trique à travers elle pendant une partie d'une demi-période positive à la fréquence dudit sous-harmonique, des moyens pour connecter la source d'alimentation à la première bobine (L1) afin d'y faire cir- culer un courant supplémentaire pendant cette demi-période positive, des moyens pour connecter le second condensateur (C2) à la seconde bobine (L2) pour faire circuler un courant électrique à travers elle pendant une partie d'une demi-période négative à la fréquence dudit sous-harmonique, ainsi que des moyens pour connecter la source de courant à la seconde bobine (L2) afin d'y faire circuler un courant supplémentaire pendant cette demi-période négative. 2. Appareil selon la revendication 1, o ledit sous- harmonique correspond exactement à un tiers de la fréquence de la source de courant (AC1, AC2). 3. Appareil selon la revendication 1, comprenant des moyens pour synchroniser le courant traversant la première bobine (L1) avec une demipériode positive de la source de courant (AC1, AC2) et des moyens pour synchroniser le courant traversant la seconde bobine (L2) avec une demi-période négative de la source de courant. 4. Appareil selon la revendication 3, comprenant des moyens pour synchroniser le courant fourni par le premier condensateur (CI) avec le courant fourni par la source de courant (AC1, AC2) à la pre- miète bobine (LI1), de même que des moyens pour synchroniser le courant fourni par le second condensateur (C2) avec le courant fourni par la source de courant à la seconde bobine (L2). 5. Appareil selon la revendication 1, comprenant des moyens pour régler l'intensité du courant fourni à la première et à la seconde bobine (L1, L2) en vue du réglage de la force motrice produisant la vibration. 6. Appareil selon la revendication 5, o lesdits moyens de réglage assurent que les intensités des courants fournis à la première et à la seconde bobine (L1, L2) sont sensiblement égales à tous les niveaux de courant. 7. Appareil selon la revendication 5, D lesdits moyens de réglage comprennent un seul dispositif variable (50) pour régler l'intensité du courant des deux bobines (1t, L2). 8. Appareil selon la revendication 1, ou le courant traver- sant la première bobine (L1) est déphasé de 180 par rapport au cou- rant traversant la seconde bobine (L2) à la fréquence dudit sous- harmonique. 9. Appareil selon la revendication 8, o chacune des deux bobines (L1, L2) est alimentée sensiblement pendant la meme durée.