Brevet FR2577730A1 — publié le 19860822

L'invention a pour objet un appareil qui tend à réduire à La valeur minimale strictement nécessaire l'éner- gie consommée par un moteur électrique à toutes les valeurs de la charge de ce moteur, en tenant à tout instant le ren- dement de ce dernier à une valeur optimale. On connaît par le document US.A-4.052.648 un appa- reil qui a le même rôle mais cet appareil tend à réduire l'énergie consommée par un moteur à un courant alternatif en agissant sur le déphasage qui existe entre la tension et le courant. La tension et le courant sont échantillonnés de manière répétitive, les phases des échantillons sont compa- rées; on obtient un signal représentatif du déphasage qui sert à régler par l'intermédiaire de thyristors la fraction utile de l'onde sinusoldale de la tension de manière inver- sement proportionnelle à la différence de phase entre le courant et la tension. De cette façon, on s'efforce de maintenir constante à une valeur initiale, par exemple 30 , le déphasage entre la tension et le courant en retardant le moment o la tension est fournie au moteur. Ainsi, quand la charge du moteur baisse, son facteur de puissance conserve une valeur satisfaisante, au lieu de décroître. Cet appareil ne fonctionne pas pendant le démarrage du moteur: un circuit de temporisation le met hors service pendant la durée nécessaire (plusieurs secondes ou davanta- ge) au démarrage du moteur jusqu'à sa vitesse normale de rotation. L'économie d'énergie apparente réalisée est im- portante quand le moteur est utilisé à faible charge; cet- te économie décroît constamment jusqu'à devenir minime à mesure que la charge passe de O % à 100 %. Un tel appareil ne convient que pour les moteurs à courant alternatif. L'invention a pour but principal d'apporter un appa- reil pour économiser l'énergie consommée par un moteur électrique capable d'assurer automatiquement en permanence l'économie la plus élevée possible à toutes Les valeurs de la charge de ce moteur entre O % et 100 %. Un but secondaire de l'invention est de parvenir à un appareil perfectionné du type ci-dessus utilisable avec tout type de moteur électrique. En pratique, l'efficacité avec laquelle un moteur utilise l'énergie qui lui est fournie s'exprime par son rendement. Le rendement est d'autant plus élevé que le moteur est bien adapté à sa charge. Or, très fréquemment les moteurs sont utilisés dans l'industrie avec une charge variable ou avec une charge plutôt constante mais nettement inférieure à la puissance maximale disponible sur l'arbre du moteur. Comme la tension d'alimentation de ce dernier est constante quand il est relié à un réseau de distribu- tion électrique, cette tension crée dans le moteur un champ magnétique supérieur à celui qui serait nécessaire. Il en résulte des pertes dans le noyau en fer ainsi que dans les conducteurs du moteur et une dégradation du facteur de puissance. La puissance utile prélevée sur l'arbre du moteur dérive de la puissance absorbée provenant du réseau élec- trique qui s'exprime, pour un système triphasé équilibré sinusoidal, par la formule P = -1U.I. cos 4. De cette puissance sont à soustraire: - les pertes magnétiques dans le fer du stator et du rotor, - les pertes par effet Joule dans le stator et dans le rotor, - les pertes par frottement mécanique. Le rendement est le rapport de la puissance utile à la puissance absorbée. Conformément à l'invention, la tension fournie à un moteur électrique et le courant électrique absorbé par ce moteur sont échantillonnés, les valeurs obtenues de la tension et du courant servent à calculer d'une part la puissance électrique absorbée par ce moteur, d'autre part les pertes, ce qui procure une valeur représentative de la puissance utile prélevée sur l'arbre du moteur; on obtient alors par calcul une première valeur du rendement du moteur, qui est conservée en mémoire. Après réduction de la tension efficace d'alimentation du moteur, ce qui se traduit par une réduction de la durée effective du passage du courant à tra- vers le moteur pendant un cycle donné, un nouvel échantil- lonnage de la tension et du courant est effectué ainsi qu'un nouveau calcul qui procure une seconde valeur du rendement. La comparaison de la première et de la seconde valeur du rendement donne un signal de commande qui est employé à faire varier la durée effective de passage du courant à travers le moteur au cours d'un cycle donné. Quand la seconde valeur est plus grande que la pre- mière valeur (signal de commande positif), la durée de passage du courant, ou la tension efficace avec un moteur alternatif, est réduite à nouveau. Quand la seconde valeur est plus faible que La première valeur (signal de commande négatif), la durée de passage du courant, ou la tension efficace, est augmentée. Quand les valeurs successives sont égales, aucune correction n'est faite. De cette façon, le signal de commande issu de la com- paraison de deux valeurs successives calculées du rendement régule la tension efficace, c'est-à-dire la durée de pas- sage du courant pendant un cycle donné, au cours d'une succession d'échantillonnages, de la tension et du courant fournis au moteur, de calculsdu rendement, de comparaisons des deux dernières valeurs du rendement; cette régulation maintient le rendement du moteur au plus près de sa valeur maximalepossible quelle que soit la charge. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, les pertes magnétiques dans le rotor sont négligées; les pertes par frottement mécanique sont fixées à une valeur constante qui peut être nulle dans certaines circonstances. Plusieurs moyens peuvent servir à réguler la durée du passage du courant au cours d'un cycle; par exemple en agissant sur la tension d'alimentation du moteur l la modi- fication de l'amplitude, ou la variation de la fraction utile de l'onde sinusoidale, ou la coupure en trains succes- sifs de l'onde sinusoldale. De préférence, on fait varier la fraction utile de l'onde sinusoldale de la tension à l'aide de thyristors ou de composants équivalents. On donnera maintenant une description d'un exemple de réalisation d'un appareil conforme à l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un graphique qui montre la varia- tion du rendement et du facteur de puissance (cos p) d'un moteur électrique asynchrone en fonction de la puissance utile fournie par ce moteur, - la figure 2 est un graphique qui montre diffé- rentes courbes du rendement d'un moteur en fonction de la tension efficace d'alimentation à différentes valeurs de la charge de ce moteur, - la figure 3 est un diagramme schématique d'un appareil conforme à l'invention, - les figures 4a à 4d sont des représentations de formes d'onde d'un réseau triphasé illustrant le fonc- tionnement de l'appareil de la figure 3. La figure 1 montre la variation du rendement (courbe À) et du facteur de puissance (courbe cos p) portés en ordonnées en fonction de la puissance utile (Pu en abscisse) fournie par un moteur électrique asynchrone. Dans une pre- mière zone A le rendement et le facteur de puissance varient fortement. Une correction pour économiser l'énergie faite dans cette-zone A en fonction du rendement ou du cos q est également efficace. Dans une seconde zone B, le rendement varie encore beaucoup, tandis que le cos est presque cons- tant. Comme ce dernier varie peu dans cette zone B, une cor- rection basée sur le facteur de puissance a peu d'effet tandis qu'une correction basée sur le rendement a un effet plus marqué quand la charge du moteur change. La figure 2 montre les courbes de rendement d'un moteur ayant une puissance nominale de 3 kW à une tension de 380 V, utilisé à différentes charges, respectivement 0 - 0,75 - 1 - 1,5 - 2 - 3 kW. La courbe de rendement est tracée à chacune de ces charges en fonction de la tension d'alimentation (U en abscisse) fournie au moteur. Plus la charge du moteur est faible en comparaison de sa puissance nominale, plus son rendement s'élève à mesure que La ten- sion d'alimentation est diminuée à partir de 380 V. Mais le rendement (y en ordonnée) passe par un maximum qui est atteint d'autant plus vite que la charge est plus élevée. Après ce maximum le rendement diminue si on continue à abaisser la tension d'alimentation. Sur chaque courbe la valeur maximale du rendement est indiquée par un point M. Le rôle de l'appareil de l'invention est de modi- fier la valeur efficace de la tension d'alimentation du moteur, de préférence en commandant le point d'amorçage de thyristors ou de composants équivalents à travers les- quels le moteur est alimenté, de façon que cette valeur efficace se rapproche de la valeur à laquelle correspond le rendement maximaledu moteur, par exemple 260 V à 2/3 de charge, ou 250 V à 1/2 charge, ou 200 V à 1/3 de charge, ou 180 V à 1/4 de charge, pour Le moteur de la figure 2. La figure 3 montre schématiquement un moteur 1, triphasé, asynchrone, alimenté en courant électrique par un réseau de distribution électrique triphasé 2 à 50 Hz. En amont du moteur 1 des transformateurs de tension 3 (figure 3) fournissent des signaux de tension u1,u2,u3 (figure 4a) décalés de 2 1/3 dans le temps, à une valeur de 10 V par exemple, à des générateurs de rampes de ten- sion 4. Ces rampes sont représentées sur la figure 4b par des tracés u'1, u'2, u'3 Les signaux émis par le géné- rateur de rampes 4 sont reçus par un comparateur 5 qui reçoit aussi un signal de commande par une ligne de com- mande 6. Ce comparateur 5 est de préférence un montage à base d'amplificateurs opérationnels qui comparent les ram- pes u'l1, u'2, u'3 au signal de commande. Aux bornes de sortie du comparateur 5, on obtient des créneaux de ten- sion u"1, u2 U3 (figure 4c); ces créneaux u"l1, u 2' u3 sont identiques pour les trois phases et ils sont aussi décalés de 2 Tr/3. En outre, ils ont chacun, par rapport aux signaux de tension U1, u2, u3, un retard déterminé par Le signal de commande. Après le comparateur 5, les créneaux u"1, u"2, u"3 sont reçus par des portes 7 alimentées aussi par un oscillateur 8 à 10 kHz. Ce montage sert à hacher les signaux d'entrée pour obtenir finalement une varia- tion de flux plus forte. Ensuite le signal arrive à un amplificateur de commande 9 constitué par des transistors à émetteur commun. Le signal haché est fourni à la base des transistors 10, ce qui procure au collecteur de chacun d'eux un courant important qui alimente un trans- formateur d'impulsions 11 dont le secondaire est réuni à un thyristor correspondant 12 qui est monté entre le moteur 1 et les transformateurs de tension 3. La tension d'alimen- tation fournie au moteur 1 est représentée par les tracés U1, U2, U3 sur la figure 4d. Cette tension est déphasée par rapport à la tension du réseau électrique 1 (figure 4a) d'une valeur 1' 72' 43 qui dépend du signal de commande qui arrive par la ligne 6. Le retard de l'alimentation à chaque alternance tend à fournir au moteur une tension efficace aussi proche que possible de la valeur de la tension à laquelle correspond le rendement maximum M en fonction de la charge du moteur et quelle que soit cette charge. La ligne 6 est la ligne de sortie d'une unité de commande 13 entourée d'un trait interrompu sur la figure 3. A t'intérieur de cette unité de commande 13, la ligne 6 provient d'un amplificateur 14 qui est relié à un conver- tisseur numérique-analogique 15 lui-même relié à un port PB2 d'un microprocesseur 16. Ce dernier est réuni à d'au- tres circuits da l'unité de commande 13 qui lui fournis- sent des informations de la façon suivante. Une ligne dérive une tension simple u en provenance de L'un des transformateurs de tension 3, donc en amont des thyristors 12, et la fournit à un potentiomètre de réglage 17 relié à un multiplexeur 18. Un transformateur d'intensité 19 est branché sur L'un des conducteurs d'alimentation du moteur 1 entre celui-ci et les thyristors 12. Ce transfor- mateur d'intensité 19 alimente un potentiomètre de réglage qui est également relié au multiplexeur 18. Ce dernier est suivi d'un circuit échantillonneur-bloqueur 21 compre- nant un amplificateur d'entrée, une mémoire servant de blo- queur et un amplificateur suiveur. L'échantillonnage de la tension et de l'intensité est fait à L'aide d'un montage comprenant une diode rapide en parallèle avec un condensa- teur pour délivrer des pics. Les signaux d'échantillonnage sont reçus par un multiplexeur général 22 à la suite duquel se trouve un convertisseur analogique-numérique 23 relié à un port PA2 du microprocesseur 16. Ce dernier est donc en mesure de calculer à tout instant La puissance fournie par le réseau électrique 2 à partir de l'intensité I qui tra- verse le moteur 1 et de la tension U du réseau 2, en appli- quant la formule: 1 n P fournie = /3 (E Ui x Ii) (A), pour n valeurs instantanées de U et de I; cette formule ne nécessite pas de connaître Le cos p dont la signification e5 serait faussée par Le hachage de l'onde sinusoidale d'ali- mentation du moteur. Dans l'exemple décrit ici, Le microprocesseur 16 calcule: - les pertes dans le fer du stator à L'aide d'un coeffi- cient K en appliquant la formule: Pertes fer = K x U (B) les pertes dans le fer du rotor étant faibles et négli- geables en première approximation; - les pertes par effet JouLe dans Le statort à l'aide d'un coefficient R en appliquant la formule Pertes Joule = 3 RI; - les pertes par effet Joule dans le rotor à l'aide d'un coefficient G en appliquant la formule: o 2 2 Pertes Joule rotor = G x(P fournie-KU - RI) o ce qui - fait que, en définitive, les pertes par effet Joule dans le stator et dans le rotor sont calculées au moyen de la formule: Pertes Joule totales = 3 RI +G (Pfournie -KU -RI) (C) o Les pertes par frottement mécanique sont constantes et faibles, en général; elles sont négligées. La valeur du coefficient K peut être connue par l'un des trois moyens suivants: - elle figure dans la fiche technique du moteur fournie par le constructeur, - elle se calcule d'après le poids de la partie fer du sta- tor et les pertes en W/kg pour une induction donnée. On obtient alors la valeur de K par la formule: Pfer K - U2 - elle s'obtient par des essais à vide du moteur permettant de tracer la courbe Pfer = f(u). La valeur du coefficient R qui représente la résis- tance ohmique des enroulements du stator peut être connue par l'un des deux moyens suivants: - elle figure dans la fiche technique du moteur, - elle est mesurée à l'aide d'un ohmmètre ou autrement. La valeur du coefficient G est une valeur appro- o ximative déterminée à l'origine et non modifiée par la suite; cette manière de faire introduit dans la correction de la puissance du moteur une erreur de 1 à 2 pour 1000.La valeur de G peut être déterminée d'après la formule: O 2 2 s = G (P fournie - KU - 3 RI) o dans laquelle: s = glissement réel mesuré pour une charge donnée constante du moteur, P fournie = puissance mesurée fournie au moteur, U et I = tension et intensité efficaces fournies au moteur, K et R étant déterminés préalablement. Les valeurs constantes ainsi obtenues de K, R et G o sont introduites dans la mémoire du microprocesseur 16; on peut introduire ces valeurs sous forme numérique à l'aide d'un clavier classique, ainsi qu'il est connu. Cependant, il est plus judicieux de se dispenser de l'emploi d'un clavier pour cette seule utilisation et d'introduire ces valeurs sous forme analogique puisque, par ailleurs, le microprocesseur 16 reçoit déjà sous forme analogique Les valeurs instantanées de U et de I. A cette fin il existe un groupe 24 de trois poten- tiomètres 25, 26, 27 affectés respectivement aux coeffi- cients R, K, G qui sont d'une part alimentés en courant o électrique et d'autre part reliés au multiplexeur 22. A ces potentiomètres correspond un commutateur 28 ayant trois positions actives R, K, G correspondantes à ces potentio- o mètres et une position de repos. Ce commutateur 28 est associé à un interrupteur 29 de réglage et à un bouton poussoir 30 d'enregistrement. Cet ensemble est relié à un port PAl du microprocesseur 16. Un autre port PB1 du microprocesseur 16 est relié à deux décodeurs 31, 32 qui sont raccordés à un afficheur 33. L'interrupteur 29 permet de mettre le microproces- seur 16 en mode réglage. Après le choix par le commutateur 28 du coefficient à introduire, on règle Le potentiomètre 25 ou 26 ou 27 correspondant jusqu'à lire sur l'afficheur 33 la valeur exacte que l'on désire introduire puis on enregistre cette valeur dans le microprocesseur 16 à l'aide du bouton poussoir 30. Le microprocesseur 16 est alors en mesure de calcu- Ler la puissance fournie au moteur à partir des valeurs mesurées de U et de I, en appliquant La formule (A) indi- quée plus haut, de calculer aussi les pertes dans le fer et les pertes par effet Joule à partir des valeurs mesu- rées de U et de I et des valeurs constantes des coeffi- cients R, K, Go, en appliquant respectivement Les formules (B) et (C) indiquées plus haut. De Là il calcule aussi la puissance utile disponible sur l'arbre du moteur et, ensuite, le rendement. Il est évident que d'autres formules moins approxi- matives pourraient être utilisées à la place de celles qui sont employées ici. Les pertes mécaniques pourraient être évaluées à une valeur supposée constante et introduite dans la mémoire du microprocesseur, ou évaluée à l'aide d'une formule approximative en fonction par exemple de la puis- sance utile du moteur, ce qui précède n'étant donné qu'à titre d'exemple. On a décrit l'appareil de l'invention appliqué à un moteur triphasé asynchrone; il est clair qu'il pourrait servir aussi avec un moteur monophasé ou avec un moteur synchrone, ou avec un moteur à courant continu si on ali- mentait ce dernier en courant intermittent cyclique-sous le contrôle de l'appareil. Pendant le fonctionnement, les valeurs de U et de I sont mesurées pendant 4 périodes à raison de 32 points de mesure instantanés par période, soit 128 valeurs pour U et 128 valeurs pour I. Le rôle du bloqueur de l'échantillon- neur-bloqueur 21 est de tenir constante la valeur mesurée pendant la conversion analogique-numérique. Le rendement est calculé et deux valeurs successives du rendement sont compa- rées; selon que la différence de ces valeurs est positive ou négative, le microprocesseur 16 retarde ou avance l'al- lumage des thyristors 12 ainsi qu'on l'a expliqué plus haut. Des essais ont montré que l'économie permise par l'appareilde l'invention est d'autant plus grande que le moteur est utilisé à une charge plus faible par rapport à sa puissance nominale. Pour un moteur triphasé asynchrone 380 V, 50 Hz, d'une puissance nominale de 4,5 kW, les résultats suivants ont été constatés: 1i Charge en fonction!! Puissance absorbée Economie de puis-! de la puissance en W sance consommée nominale sans avec absolue en % l'appareil L'appareil en W Il ------------------11 -------------- -- - - - - -------------------____ ___ _, 1/6 1 300 900 340 26! 1/3 |1 968 1 770 200 10 2/3 3600 3 360 240 6,67 Pendant les essais à 1/3 de la charge nominale, il a été constaté que sans l'appareil le rendement était de 0,747 et le cos l'invention le rendement était de 0,808 et le cos c de 0,806. On voit que la réduction de la puissance consommée par régu- lation à partir du rendement calculé a aussi pour conséquence une amélioration du facteur de puissance, ce que le graphique de la figure 1 permet de prévoir, quand le moteur est utilisé en dessous de la moitié de sa charge nominale. Il ressort de ce qui précède que l'appareil de l'in- vention apporte l'avantage de maintenir le rendement d'un moteur électrique automatiquement et en permanence à une valeur optimale quelle que soit la charge de ce moteur, sans nécessiter l'emploi de capteurs mécaniques ou équivalents autres que des moyens de mesure de la tension et de l'intensité. Il est évident pour l'homme de l'art que l'invention n'exclut pas l'emploi de capteurs si on accepte cette compli- cation supplémentaire. Il est possible, en pratique, d'uti- liser de tels capteurs afin d'obtenir la valeur réelle instan- tanée du coefficient R (résistance ohmique des enroulements du stator) ou la valeur réelle instantanée de la vitesse de rotation du moteur d'o découle la valeur du coefficient s. On connaît des moyens qui fournissent la valeur de R en fonc- tion de l'échauffement du moteur. Cette valeur variable R peut être fournie directement, en permanence ou périodique- ment, aux moyens de calcul 16 et à l'unité de commande 13, à la place de la valeur constante de R. De manière analogue, la vitesse de rotation réelle instantanée du moteur peut être mesurée par un capteur de vitesse quelconque approprié. La valeur mesurée peut être fournie en permanence ou périodiquement aux moyens de calcuL 16, ce qui leur per- met de déterminer sans difficulté La valeur de s, plus facilement et plus exactement que par Le calcul effectué à partir du coefficient G comme expliqué plus haut. Dans o ce cas seul Le coefficient K reste un coefficient constant. On remarquera aussi que l'appareil de l'invention peut être adapté facilement à son emploi avec un moteur continu. Dans ce cas les valeurs instantanées de la tension et de l'intensité sont connues directement sans transfor- mateurs et il faut ajouter aux thyristors, de façon connue en soi, un organe qui commande leur extinction sous le contrôle de l'unité de commande 13 afin que La tension moyenne "continue" d'alimentation du moteur corresponde à la valeur maximale du rendement. REVENDICATIONS 1. Appareil pour le réglage à une vaLeur optimale du rendement d'un moteur électrique queLLe que soit la charge de ce moteur, comprenant: - des moyens d'échantillonnage (3,17,18,21) de la tension d'alimentation de ce moteur aptes à fournir une valeur moyenne de plusieurs valeurs instantanées de cette tension, - des moyens d'échantillonnage (19,20,12, 21) de l'intensité du courant absorbé par ce moteur aptes à four- nir une valeur moyenne de plusieurs valeurs instantanées de cette intensité, - des moyens de calcul (16) aptes à calculer le rendement du moteur à partir de la puissance électrique fournie à ce moteur et de certaines au moins des pertes d'énergie dans ce moteur, et à fournir un signal de sortie qui varie selon la différence positive ou négative des valeurs successives du rendement, - des moyens de commande (4,5,7,9,12) aptes à être réunis électriquement au moteur et à être commandés par le signal de sortie des moyens de calcul pour faire varier pendant des cycles successifs la durée effective de passage du courant à travers le moteur, de sorte que la durée effective de passage du - courant est régulée en fonction de la différence des valeurs successives calculées du rendement dans le sens d'un rende- ment plus élevé. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'échantillonnage de la tension com- prennent au moins un transformateur de tension (3) et les moyens d'échantillonnage de l'intensité comprennent au moins un transformateur d'intensité (19) et ces transformateurs (3, 19) sont reliés à un circuit échantillonneur-bloqueur (21) réuni aux moyens de calcul (16) par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique (23). 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de calcul (16) sont munis de moyens d'introduction (24, 28, 30) de la valeur d'au moins trois coefficients constants (R, K, G) utilisables pour le cal- o cul des pertes. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'introduction des coefficients cons- tants comprennent des potentiomètres (25, 26, 27) réunis aux moyens de calculs (16) par l'intermédiaire d'un convertis- seur analogique-numérique (23). 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande de la durée effective du passage du courant à travers le moteur pendant des cycles successifs comprennent des thyristors (12). 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande de la durée effective du passage du courant à travers le moteur comprennent un géné- rateur de rampes de tension (4), des comparateurs (5) comparant ces rampes de tension au signal de sortie des moyens de calcul (16), ces comparateurs (5) fournissant des créneaux de tension dont la durée est égale à la durée du passage du courant à chaque cycle à travers le moteur. 7. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'introduction (24, 28, 30) sont des moyens permettant de fournir aux moyens de calcul (16) la valeur d'un coefficient (R) en relation avec les pertes ohmiques dans les enroulements du stator, d'un coefficient (K) en relation avec les pertes dans le fer du stator au moins, d'un coefficient (Go) en relation avec les pertes ohmiques dans les enroulements du rotor. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de calcul (16) sont associés à au moins un capteur d'un jeu de capteurs comprenant d'une part un capteur fournissant un signal lié à la valeur réelle de la résistance ohmique des enroulements du stator, d'autre part un capteur fournissant un signal lié à la vitesse réelle de rotation du moteur. 9. Appareil selon la revendication 1 utilisé avec un moteur à courant continu, caractérisé en ce que les thyristors (12) sont associés à un organe de commande d'ex- tinction placé sous le contrôle de l'unité de commande (13).