Brevet FR2563785A1 — publié le 19851108

Depuis assez longtemps ! on sait réaliser des moteurs électriques d'entraînement qui sont alimentés "par impulsions", pour des raisons d'économie d'énergie. Le courant d'alimentation de ces moteurs est fourni par une source extérieure, et traité - le plus souvent par un bloc électronique d'alimentations à semi-conducteurs - pour être interrompu par courts intervalles, à la fréquence d'environ 30 à 60 coupures par seconde. En raison de l'inertie de l'induit d'un tel moteur, qui tourne en général à plus de 1 000 tours par minute, on ne constate pratiquement aucun effet de ralentissement de Ja vitesse de rotation. Et l'effet cumulé es coupures du courant d'alimentation permet à la longue un certain pourcentage d'économie sur la dépense de courant d'alimentation. Dans la plupart des systèmes d'entraînement, on s'abstient pourtant d'avoir recours à ce genre d'économie, en particulier lorsque les moteurs d'entraînement en question ont à subir des charges irrégulières. En effet, on constate en pareil cas un phénomène défavorable, et on dit alors que le moteur concerné réagit avec mollesse, car ce moteur a tendance alors à ralentir d'une manière notable, et même à caler complètement. C'est que la vitesse de rotation d'un tel moteur subit une chute importante pendant les brèves périodes de coupure du courant. Au cours des dix dernières années, on a étudié une autre possibilité d'économie d'énergie sur les moteurs électriques, en particulier pour la propulsion des véhicules, avec les systèmes dits de freinage avec récupération de courant. On a prévu des dispositifs électroniques compliqués dans les blocs de commande des moteurs en question, pour assurer un effet générateur pratiquement automatique au moyen du freinage même de ces moteurs, en particulier dans le cas de moteurs shunt à excitation indépendante. Un tel moteur change alors immédiatement sa fonction en régime de freinage, où il agit en générateur de courant, pour restituer du courant à la batterie du véhicule concerné pendant une courte durée, assurant ainsi temporairement une recharge de la batterie. On utilise ce principe de freinage avec récupération depuis peu de temps sur les locomotives électriques de chemins de fer, en particulier sur des lignes ot existent des rampes en descente de bonne longueur. Et on a obtenu ainsi expérimentalement d'assez bons résultats, avec des systèmes de commande appropriés mais onéreux. Mais les lignes de ce genre sont relativement rares, et pour les moteurs électriques des véhicules non ferroviaires, ou pour les moteurs électriques industriels, les périodes de temps favorables pour de telles récupérations de courant sont beaucoup trop brèves pour permettre une recharge correcte et efficace dans un délai fixé ou considéré des batteries d'alimentation de ces moteurs, ou une opération intéressante de restitution de courant dans un réseau général.En outre, les dépenses d'investissement à prévoir en supplément pour un tel moteur d'entraînement, relativement compliqué, sont à peu près impossibles à amortir d'une manière économique. En ce qui concerne la construction des machines en général, et en particulier celle des moteurs d'entraînement, il convient de citer une troisième possibilité d'économie d'énergie, consistant à utiliser des oscillations de résonance produites délibérément, par un choix approprié des paramètres en cause. C'est une voie qu'on n'a guère mise à profit jusqu'ici, car essentiellement on considère les oscillations comme un phénomène indésirable, qu'il convient de chercher à faire disparaître. Même dans les travaux les plus récents consacrés à la résonance paramétrique, on insiste constamment sur les possibilités de suppression systématique d'un tel comportement des systèmes matériels, ce qui peut donner lieu à des difficultés considérables dans certains cas. Il existe une quatrième possibilité d'économie d'énergie, directement liee à la possibilité qu'on vient d'indiquer, et consistant à chercher à tirer profit des avantages offerts par les systèmes macroscopiques, sujets à des oscillations d'ensemble avec possibilité d'auto-excitation entretenue. Il convient de situer l'origine de ces consi dérations dans la ligne des travaux modernes d'étude et de recherche portant sur des "micro-objets", et de caractère largement physique, essentiellement d'ordre cybernétique et synergétique. Par contre, si on considère des systèmes macroscopiques sujets à des oscillations d'ensembe, les idées en question peuvent y paraître irréalistes à première vue.On l'a déjà dit, les spécialistes responsables des études de machines ont tendance à supprimer toute possibilité d'oscillations ou de vibrations, mais surtout en ce qui concerne les oscillations et vibrations non linéaires. Et cette tendance a été -jusqu'ici la cause principale qui s'oppose de manière générale à une telle amélioration du rendement énergétique des "macro-systèmes" oscillants,avec des dimensions appropriées à cet égard. Grâce au système d'entraînement conforme à l'invention, on peut réaliser d'une manière avantageuse tous ces dispositifs d'économie d'énergie, qui n'ont été mis en oeuvre jusqu'ici qu'avec peu de succès. Ceci permet de définir le domaine fondamental d'application de la présente invention. Essentiellement, on peut procéder comme suit, pour assurer en même temps la réalisation et l'adaptation des possibilités d'utilisation en question dans le système proposé Il s'agit d'abord de profiter systématiquement des avantages d'un régime de fonctionnement intermittent, avec des coupures régulières du courant d'alimentation, mais en supprimant les inconvénients rencontrés jusqu'à présent. On doit donc penser d'abord à faire intervenir, pendant les coupures en question du courant d'alimentation, une deuxième source d'efforts d'entraînement, d'une autre origine mais de nature et quantité comme somme équivalente, qui peut provenir en grande partie de divers éléments isoles de l'énergie résiduelle du système d'entraînement, de l'énergie cinétique du rotor, qui n'est pas nécessaire en totalité à l'instant considéré, y compris l'énergie temporairement moins utile des masses en mouvement d'un véhicule en marche ou d'une machine qui fonctionne, et l'énergie d'un mouvement oscillant utile, commandé à cet effet, pour assurer périodiquement et de manière automatique pendant les coupures du courant le travail d'entraînement qui est nécessaire.Ceci est réalisable pratiquement grâce à l'invention, qui préyoit à cet effet un bloc tournant à inertie variable et commandée, qui constitue un volant d'inertie d'un genre inbabituei On va maintenant décrire à titre d'exemple un mode de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé, qui fait partie de la description, et dont la figure unique représente schématiquement les principaux circuits de liaison du système d'entraînement conforme à l'invention. On a schématiquement représenté sur la Figure un moteur électrique 1, à excitation par impulsions, ce moteur comportant un stator 2 et un rotor 3. Le stator 2 est traversé par un courant iFZ sous une tension UF, qui est par exemple une tension de batterie. Le stator 2 présente une inductance LF et une résistance ohmique RF. Le rotor 3 est traversé par un courant iAr sous une tension U . I1 A présen- te une inductance LA et une résistance ohmique RA. La vitesse angulaire de l'arbre 4 du rotor est mesurée par un dispositif G et convertie en une tension Un Sur l'arbre 4- du rotor est calé un bloc 5 à inertie dont l'inertie est commandée, comme indiqué ci-après, par un dispositif de commande de courant continu 6 qui est excité dans le premier quadrant et qui délivre au bloc 5 un courant I2 sous une tension U2. Le dispositif 6 est à son tour commandé par une tension de batterie U1, par exemple 150 V, avec un courant I1. La vitesse de rotation instantanée de l'arbre 4 du rotor, qui est convertie dans la tension Un, est comparée, dans un comparateur 7, avec une valeur UR, représentant une-valeur de consigne ou de réf & en- ce pour la vitesse de rotation. Le résultat de cette comparaison est introduit dans un régulateur de vitesse 8 dont le signal de sortie 9 est comparé, dans un comparateur 10, avec le courant i A circulant dans le rotor 3. Le résultat de la comparaison dans le comparateur 10 est introduit dans un régulateur de courant 11 à effet "tout-ou-rien" dont la sortie 12 actionne un dispositif de commande 13 à thyristors qui, à son tour, commande un circuit 14 de pilotage et d'alimentation qui fonctionne dans le mode à quatre quadrants et qui délivre au rotor 3 le courant i A sous la tension UA pour maintenir une vitesse de rotation prédéterminée. Le bloc tournant 5 à inertie, qui est calé sur l'arbre 4 du rotor 3, comporte des masselottes qui sont mobiles radialement, de façon non décrite ici mais uiapparaetra à l'homme de métier, tar application de la tension U2 et du courant I2 dans le premier quadrant. Lorsque le dispositif 6 excite le bloc 5, les masselottes sont sollicitées radialement vers l'extérieur, pendant le premier quadrant,tandis que, dans les trois autres quadrants, les masselottes sont rappelées radialement vers l'intérieur sous l'action dc ressorts de rappel. Le système selon l'invention comporte donc un bloc ro tatif d'lnertie,pourvu de masses partielles mobiles telles que des pistons libres massifs, qui sont adaptées à oscil- Jer radialement pendant la rotation du bloc, suivant un mouvement pulsatoire radial, qui est commandé par un régulateur extérieur. Ce bloc tournant à inertie variable est en général claveté rigidement sur l'arbre du moteur correspondant, et assure le maintien de l'effet d'entraînement, dans les périodes de coupure du courant d'alimentation, en fournissant un couple moteur de valeur constante. On empêche ainsi toute mollesse de réaction de ce système d'entraînement, en cas de défaut de courant et de variation simultanée de la charge extérieure.La position radiale des masses partielles, qui sont animées simultanément du mouvement pulsatoire, est donc sujette à une variation rhéonomique, c'est-à-dire asservie aux efforts en jeu et périodiquement rythmée, pour observer le rythme d'une excitation paramétrique des oscillations. Comme dans le cas du régulateur à inertie des anciennes machines à vapeur, le système d'entraînement à inertie variable conforme à l'invention ne se comporte pas cependant comme un volant d'inertie habituel, et permet d'assurer d'une manière économie un ralentissement du mouvement de rotation si le couple en jeu tend à diminuer. En outre, pendant les périodes d'interruption du courant d'alimentation déjà mentionnées, où le système moteur fonctionne en général avec une baisse de puissance réguliè re et constante, le dispositif considéré assure la production de certaines quantités dé courant électrique, susceptibles d'être restituées aux batteries ou au réseau d'alimentation dans les engins à poste fixe. En effet, le dispositif fonctionne alors automatiquement en générateur de courant, de manière périodique, au rythme des oscillations des pistons.Et on peut alors mettre à profit l'excédent instantané d'énergie cinétique du système tournant et oscillant, pour provoquer des réactions électromagnétiques utiles, afin de réduire par le régulateur central, la dépense d'énergie demandée à la batterie pendant les intervalles d'interruption du courant, pour le mouvement de retour centripète des pistons libres. On voit ainsi que le dispositif considéré permet, grâce à un choix approprié des dimensions de ses divers organes, et à son système de commande d'assurer une excitation spontanée de tout le système, en utilisant une aptitude de résonance paramétrique de ce]ui-ci. Le dispositif faisant l'objet de l'invention est remarquable par les points suivants a. Système d'entraînement à impulsions associé à un moteur électrique, comportant un bloc tournant à inertie commandée, qui joue le rôle d'un volant d'inertie, et un dispositif de freinage avec récupération du courant fourni par le moteur fonctionnant en générateur, caractérisé en ce que l'ensemble ainsi entraîné ne présente aucune mollesse de réaction pendant les coupures du courant d'alimentation du moteur à impulsions, même en cas de variations de la charge et du couple utile, et de coupures régulières suffisamment longues du courant d'alimentation de telle sorte que l'ensemble entraîné n'a aucune tendance cependant pendant ceci à ralentir de manière accentuée jusqu'à caler à cause d'un ralentissement impossible à corriger au moyen d'un régulateur connu ; un tel ralentissement du mouvement de rotation de l'ensemble est empêché, en cas de coupure de l'alimentation, grâce à l'effet adapté d'un corps tournant à-inertie variable, commandée également par impulsions; on assure de manière régulière une recharge de la batterie d'alimentation, ou une restitution de courant dans le ré seau d'alimentation, en faisant fonctionnex par alternance le moteur électrique du système principalement en générateur ; on réalise une utilisation macroscopique des oscillations de résonance paramétrique du système, afin d'en améliorer le rendement, cet effet de résonance étant réalisé principalement dans le bloc tournant à inertie commandée et par d'autres mesures ; et les dimensions des organes du système de transmission, y compris celles des éléments du bloc tournant à inertie commandée, qui comporte des masses mobiles ou pistons libres massifs à mouvement oscillant commandé par impulsions, sont choisies, non seulement pour assurer une résonance paramétrique aussi efficace et utile que possible des éléments concernés, mais aussi pour assurer dans une large mesure l'aptitude d'auto-excitation du macrosystème oscillant ; l'agencement étant prévu pour qu'on obtienne en outre, grâce à une excitation harmonique entretenue des efforts en jeu, un supplément d'énergie utile, notamment en raison d'un certain effet d'amortissement des oscillations des pistons libres, etc., favorable à la synergie ; le mode fondamental de fonctionnement de l'ensemble oscillant considéré étant mécaniquement subordonné à des systèmes rhéonomiques, variables dans le temps. b. Le système est agencé pour pouvoir passer en régime de quasi-freinage, avec récupération du courant fourni par le moteur qui fonctionne alors en générateur, le système comportant un moteur à courant continu, à enroulement shunt et à excitation séparée ; les pistons libres massifs sont montés dans le corps tournant à inertie commandée, et animés d'un mouvement oscillant dans le sens radial, commandé par impulsions, au moyen d'un convertisseur alimenté en courant continu et fournissant les impulsions de commande. c. Pour pouvoir passer en régime de quasi-freinage, avec récupération du courant fourni par le moteur qui fonctionne alors principalement en générateur, on utilise des matériaux magnétiques spéciaux analogues autrement à du fer doux pour réaliser les éléments oscillants électromagnétodynamiques asservis, constitués par les pistons libres qui sont montés dans le bloc tournant à inertie commandée, de manière à obtenir un fonctionnement pratiquement sans à- coups, qui s'étend sur l'ensemble de la période d'une pulsation. d. Pour pouvoir passer en régime de auasi-freinage, avec récupération du courant fourni par le moteur qui fonctionne alors en générateur, le système est utilisé principalement en régime de auasi-freinage, avec production de courant par le moteur fonctionnant alors en générateur, avec de courtes périodes intercalaires oll le moteur fonctionne normalement en tant que tel ; un enroulement auxiliaire en série étant prévu, lorsque le moteur comporte un enroulement shunt avec excitation séparée, pour stabiliser la valeur minimale de la tension du système qui est nécessaire pour permettre de manière prolongée les manoeuvres de passage au régime de quasi-freinage à une cadence soutenue. e. Le système est agencé pour pouvoir passer en régime de quasi-freinage, avec récupération du courant fourni par le moteur qui fonctionne alors en générateur ; il est prévu principalement pour des installations à poste fixe, et il est alimenté en courant redressé, à partir du courant fourni par le secteur, pour assurer l'entrainement du moteur pendant les heures de fonctionnement du système, et pour charger à faible intensité une batterie électrique de réserve ; un dispositif automatique de commutation étant prévu, pour faire fonctionner le moteur uniquement sur le courant de la batterie, lorsque celle-ci a atteint un niveau de charge suffisant. f. Le système est agencé pour pouvoir passer en régime de quasi-freinage avec récupération du courant fourni par le moteur qui fonctionne alors en générateur ; le système peut être utilisé sur des véhicules. REVENDICATIONS 1. Système d'entraînement à impulsions associé à un moteur électrique (1), comportant un bloc tournant (5) à inertIe commandée, gui joue je rôle d'un volant d'inertie, et un dispositif de freinage avec récupération du courant fourni par le moteur fonctionnant en générateur, caractérisé en ce que l'ensemble ainsi entraîne ne présente aucune mollesse de réaction pendant les coupures du courant d'ale mentation du moteur à impulsIons, meme en cas de varia tions de la charge et du couple utile, et de coupures ré- gulières suffisamment longues du courant d'alimentation de telle sorte que l'ensemble entraîné (3,4,5) nDa aucune tendance cependant pendant ceci à ralentir de manière accentuée jusqu'a caler à cause d'un ralentissement impossible à corriger au moyen d'un régulateur connu ; wn tel ralentissement du mouvement de rotation de l'ensemble etant em- pêche, en cas de coupure de l'alimentation, grace à l'effet adapté du corps tournant (5) à inertie variable, commandée également par impulsions ; en ce qu'on assure de manière régulière une recharge de la batterie d'alimentation, ou une restitution de courant dans le reseau d'alimentation, en faisant fonctionner par alternance le moteur électri- que (1) du système principalement en générateur ; en ce qu'on réalise une utilisation macroscopique des oscilla tions de résonance paramétrique du système, afin d'en améliorer le rendement, cet effet de résonance étant réalisé principalement dans le bloc tournant (5) à inertie commandée et par d'autres mesures ; et en ce crue les dimensions des organes du système de transmission, y compris celles des éléments du bloc tournant (5) à inertie commandée, oui comporte des masses mobiles ou pistons libres massifs à mouvement oscillant commandé par impulsions, sont choisies, non seulement pour assurer une résonance paramétrique aussi efficace et utile que possible des éléments concernés, mais aussi pour assurer dans une large mesure l'aptitude d'auto-excitation du macro-système oscillant ; l'agencement étant prévu pour qu'on obtienne en outre, grâce à une excitation harmonique entretenue des efforts en jeu, un supplément d'énergie utile, notamment en raison d'un certain effet d'amortissement des oscillations des pistons libres, etc., favorable à la synergie ; le mode fondamental de fonctionnement de llensemble oscillant considéré étant mécaniquement subordonné à des systèmes- rhéonomiques, variables dans le temps. 2. Système conforme à la revendication 1, prévu pour pouvoir passer en régime de quasi-freinage, avec récupération du courant fourni par le moteur (I) qui fonctionne alors en générateur, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur à courant continu, à enroulement shunt et à excitation séparée ; et en ce que les pistons libres massifs sont montés dans le corps tournant (5) à inertie commandée, et animés d'un mouvement oscillant dans le sens radial, commandé par impulsions, au moyen d'un convertisseur (6) alimenté en courant continu et fournissant les impulsions de commande. 3. Système conforme à l'une des revendications 1 et 2, prévu pour pouvoir passer en régime de quasi-freinage, avec récupération du courant fourni par le moteur (1) qui fonctionne alors principalement en générateur, caractérisé en ce qu'on utilise des matériaux magnétiques spéciaux analogues autrement à du fer doux pour réaliser les éléments oscillants électromagntodynamiques asservis, constitués par les pistons libres qui sont montés dans le bloc tournant à inertie commandée, de manière à obtenir un fonctionnement pratiquement sans à-coups, qui s'étend sur llen- semble de la période d'une pulsation. 4. Système conforme à l'une des revendications 1 à 3, prévu pour pouvoir passer en régime de quasi-freinage, avec récupération du courant fourni par le moteur (1) qui fonctionne alors en générateur, caractérisé en ce qu'il est utilisé principalement en régime de quasi-freinage, avec production de courant par le moteur (1) fonctionnant alors en générateur, avec de courtes périodes intercalaires où le moteur fonctionne normalement en tant que tel un enroulement auxiliaire en série étant prévu, lorsque le moteur comporte un enroulement shunt avec excitation séparée, pour stabiliser la valeur minimale de la tension du système qui est nécessaire pour permettre de manière prolongée les manoeuvres de passage au régime de quasi-freinage à une cadence soutenue. 5. Système conforme à l'une des revendications 1 à 4, prévu pour pouvoir passer en régime de quasi-freinage, avec récupération du courant fourni par le moteur qui fonctionne alors en générateur, caractérisé en ce qu'il est prévu principalement pour des installations à poste fixe, et en ce qu'il est alimenté en courant redressé, à partir du courant fourni par le secteur, pour assurer l'entraînement du moteur (1) pendant les heures de fonctionnement du sys tème, et pour charger à faible intensité une batterie électrique de réserve ; un dispositif automatique de commutation étant prévu, pour faire fonctionner le moteur uniquement sur le courant de la batterie, lorsque celle-ci a atteint un niveau de charge suffisant. 6. Système conforme à l'une des revendications 1 à 4, prévu pour pouvoir passer en régime de quasi-freinage avec récupération du courant fourni par le moteur qui fonctionne alors en générateur, caractérisé en ce qu'il est utilisé sur des véhicules,