Brevet FR2573587A1 — publié le 19860523

La présente invention, concernant des moteurs électriques, est plus spécifiquement relative à des moteurs à induction tels que des moteurs -à induction en cage d'écureuil (SCIM) ou à rotor bobiné. Itormalement un moteur à induction en cage d'écu- reuil, fonctionnant à partir d'une source d'alimentation secteur triphasé à 50 ou 60 Hz, a un arbre tournant à une vitesse pratiquement constante. La vitesse de rotation de l'arbre et par suite le couple produit ne peuvent 9tre effectivement réglés sur une large gamme qu'en faisant varier la fréquence d'alimentation. De manière classique, ceci est effectué grâce à des circuits de commande électro- niques qui font varier la tension d'alimentation V en m9me temps que varie la fréquence de l'alimentation, de façon à maintenir le rapport V/f constant, ce qui assure que le champ du moteur soit convenablement établi à tout moment pendant son travail. Le réglage de V/f est obtenu en utilisant un circuit à pont convertisseur, produisant une tension de forme ondulante carrée à la fréquence voulue aux bornes du moteur. En outre la tension est amenée à varier avec la fréquence en découpant les impulsions carrées à haute quence et en faisant varier le cycle du régime "en service- interruption" suivant le principe de la modulation d'impulsions de largeur variable pwm. Le minimum de pertes du moteur est obtenu avec un circuit en pont con- vertisseur fournissant une représentation, sous forme d'impulsions carrées, d'une onde sinusoïdale. Mais de tels circuits de commande sont complexes et leur fabrication est conteuse. L'invention a notamment pour objet de réaliser un circuit nouveau pour "entraÂner" (commander) un moteur à induction, de structure simple et pouvant être produit à faible coût. Conformément à l'invention on établit un circuit de commande d'un moteur à induction, le circuit comprenant - 2- des moyens de connexion pour raccordement à une source d'alimentation en courant continu, des moyens d'interrup- tion respectifs associés à chaque phase du moteur et raccordés aux moyens de connexion pour alimenter le moteur en courant, des moyens de détection pour déceler le courant fourni par l'intermédiaire des moyens de connexion et des moyens de réglage de la vitesse pour actionner les moyens d'interruption de façon à fournir du courant alternatif à chaque phase du moteur à une fréquence fondamentale pou- vant varier en accord avec la vitesse requise pour le moteur et pour actionner en outre, au moins pendant la marche du moteur à vitesse lente, les moyens d'interruption à une haute fréquence au cours de chaque cycle de la commutation à fréquence fondamentale, les moyens de régla- ge de la vitesse étant fonctionnellement couplés aux moyens de détection et disposés de façon à actionner les moyens d'interruption pendant la commutation à haute fréquence sous la dépendance du courant décelé par les moyens de détection. Un tel circuit peut être réalisé de façon bien plus simple que le circuit classique fonctionnant sur le principe de la modulation pwm. Le circuit peut produire un courant à ondulation essentiellement carrée et n'a pas besoin de fournir un courant sinusoïdal ou de tendre à régler la fréquence et la tension de façon à maintenir le rapport V/f constant. Il convient que les moyens de réglage de la vites- se commandent les moyens d'interruption pendant la commu- tation à haute fréquence de façon à ouvrir les moyens d'interruption lorsque le courant décelé s'élève au-dessus d'une valeur limite préfixée et de manière à actionner les moyens d'interruption pour les fermer de façon à les mettre en service lorsque le courant décelé tombe en-dessous d'une valeur limite, de préférence après l'écoulement d'un inter- valle de temps minimal après coupure par les moyens d'interruption. Par exemple, le dispositif inclut un comparateur servant à comparer une valeur proportionnelle au courant décelé et une valeur limite préréglée et à alimenter une sortie de commande en fonction du résultat de cette comparaison. Les moyens d'appréciation peuvent être établis de manière à apprécier la chute de tension dans une résistance reliée aux moyens de connexion. Les moyens de réglage de la vitesse peuvent comprendre un convertisseur tension/fréquence produisant un signal de sortie à ondulations carrées, dont la fréquen- ce est proportionnelle à une tension appliquée à l'entrée du convertisseur en fonction de la vitesse requise. Dans un mode de réalisation préférée de l'inven- tion, les moyens d'interruption associés à chaque phase du moteur comprennent deux éléments interrupteurs reliés en série et pouvant être connectés, par leur point commun, à l'enroulement de moteur associé. Dans ce cas les moyens de réglage de la vitesse sont agencés de façon à commander les moyens d'interruption pendant la commutation à fréquence fondamentale de telle façon que chaque élément interrupteur soit en service pendant une période égale à un tiers de cycle et les périodes durant lesquelles les deux éléments commutateurs de chacun des moyens interrupteurs sont en service sont séparées par un intervalle d'un sixième de cycle. En outre, au cours de la commutation à haute fréquence, il convient que les moyens de réglage de la vitesse branchent un seulement des deux éléments interrup- teurs de chacun des moyens d'interruption à haute fréquence. Afin que l'invention puisse être comprise plus complètement, on se réferera maintenant aux dessins ci- annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma général de circuit représentant un circuit servant à la commande d'un moteur à induction en cage d'écureuil; - la figure 2, un schéma de circuit d'un mode de réalisation préféré de circuit de commande selon l'inven- tion; -4- - les figures, et 4 sont des sché:ias explica- tifs; - la figure 5 nmontre des formes d'onde variées produites dans le circuit de la figure 2; et - les figures 6 et 7 montrent la forme d'onde de courant produite dans une phase du moteur par le circuit de la figure 2, respectivement pendant le fonctionnement à vitesse lente et pendant le fonctionnement à grande vitesse. Si l'on se réfère au schéma de circuit général - de la figure 1, ce circuit comprend une source d'alimenta- tion de tension 1 à courant alternatif, un pont redresseur 2 à deux alternances qui convertit la tension alternative provenant de la source 1 en tension continue, un condensa- teur 3 qui aplanit la tension continue, un pont convertis- seur 4 et un moteur à induction 5 en cage d'écureuil, à trois phases. Le pont convertisseur 4 est constitué par six interrupteurs en pont T1 à T6, qui sont successivement actionnés pour être en service et ouverts, en produisant ainsi une tension à trois phases à ondulation carrée aux bornes du moteur 5. Un régulateur 6 à logique règle la commutation des interrupteurs de pont T1 à T6 et le circuit inclut encore une résistance 7 qui est utilisée pour détecter le courant redressé continu. Le rythme auquel la commutation des interrupteurs de pont T1 à T6 s'effectue périodiquement détermine la fréquence fondamentale alimentant le moteur 5 et par suite la vitesse à laquelle le moteur 5 est entrainé. Le pont convertisseur 4, en soi connu, est entralné de façon classique par l'une de deux méthodes dénommées respective- ment "conduction à 1200" et "conduction à 180 ". Ceci fait allusion au temps pendant lequel l'un quelconque des interrupteurs de pont est conducteur pendant un cycle complet. La façon dont se déroule la commutation des interrupteurs de pont dans ces deux méthodes de conduction est représentée par les tableaux ci-dessous, qui indiquent les interrupteurs qui sont fermés dans chacune des six portions successives d'un cycle. 1T1 T T3 T1 T 2 T2 T3 T4 T2 T TT3 3 T3 T4 T5 T3 T4 4 T4 T5 T6 T4 T5 5 T5 T6 T1 T5 T6 6 T6 T1 T2 T, T1 conduction à 180 degrés conduction à 120 degrés. En outre la tension qui alimente le moteur 5 est amenée à varier également de manière classique lorsque la fréquence varie, afin d'assurer que le rapport V/f reste constant. Ceci est effectué en utilisant le principe de modulation par largeur dUimpulsionpwmmt, d'après lequel le régulateur 6 superpose la commutation pwm à haute fréquence à la commutation ci-dessus, à relativement basse fréquence, des interrupteurs de pontT1 à T6O Il s'ensuit que la tension à ondulation carrée fournie au moteur 5 est hachée à haute fréquence, le cycle du régime "en service puis interruption" variant en fonction de la fréquence. De façon idéale, la commutation pwm est établie 2C pour obtenir une représentation à ondulation carrée d'une onde sinusoidale, de façon à minimiser les pertes de moteur et à éliminer les harmoniques d'ordre inférieur qui autre- ment produiraient des oscillations du couple et dégradé- raient le fonctionnement et le rendement du moteur. Néamnoins les circuits nécessaires pour obtenir une telle commutation pwm sont à la fois compliqués et coAteux. La figure 2 montre un circuit dtentraînement selon l'invention. Ce circuit inclut un régulateur 6 à logique qui commande la commutation du pont convertisseur 3C 4 par une technique différente du principe classique pwm, lequel en outre n'exige pas de maintenir le rapport V/f constant. Ta technique proposée ne tend pas à produire un courant sinuso; dal, mais plutôt un courant d'ondulation carrée. Fondamentalement la technique comprend la superpo- sition, à la succession normale des interrupteurs de pont -6- T1 à T6, d'une commutation à haute fréquence d'après laquelle les points de commutation ne sont pas prédétermi- nés, comme dans le système pwm, mais se produisent plutôt lorsque le courant atteint une limite préréglée. Une fois cette limite atteinte, l'un des interrupteurs de pont qui sont présentement conducteurs ou tous deux est ou sont ouverts et le courant chute. Lorsque le courant tombe jusqu'à un point spécifié (hystérésis), l'interrupteur ou chaque interrupteur est fermé et mis en service et le courant st élève à nouveau. Cette technique s'appuie sur le pilotage conti- nuel du courant du moteur. Ainsi on a la difficulté d'être capable de mesurer les trois phases du courant du moteur au niveau de la terre. Les trois enroulements du moteur ne sont pas au potentiel de la terre, de sorte que toute mesure directe des courants dans les enroulements doit être traduite au niveau de la terre, ce qui est à la fois colteux et compliqué. C'-est pourquoi il est proposé de commander le courant du moteur au moyen de la résistance 7 d'appréciation du courant total. Cependant, comme on le comprendra en se reportant à la figure 3, le courant passant par cette résistance 7 représentera le courant correspondant à plus d'une phase si le pont convertisseur 4 est commandé par la méthode de conduction à 180 . Ainsi, dans ce cas, le courant de chaque phase ne peut être déterminé par cette méthode. On comprendra en outre, en se référant à la figure 4, que ce même problème ne se pose plus lorsque le pont convertisseur 4 est commandé d'après la méthode de conduction à 120 . Dans ce cas, à tout moment la chute de tension aux bornes de la résistance 7 représente le courant de phase dans le moteur 5. Ceci est dû au fait qu'avec la conduction à 120 ilya toujours seulement deux interrup- teurs du pont fermés, soit l'un pour le courant entrant dans le moteur et l'autre pour ce même courant sortant du moteur. - 7 - 7n conséquence le régulateur du circuit 6 de la figure 2 commande le pont convertisseur 4 par conduction à 120. TUne autre simplification dans la conception du circuit résulte de l'utilisation de la conduction à 120 dans le circuit de la figure 2, au lieu de la conduction à 180. Ceci est dû au fait qu'avec la conduction à 180, lorsqu'un interrupteur de pont (par exemple T1) est ouvert, l'interrupteur de pont complémentaire (T4) est aussitôt 1- fermé. Néanmoins, en pratique il faut prévoir un temps mort entre l'ouverture de T1 et la fermeture de T4, afin d'éviter toute possibilité que T1 et T4 soient simultané- ment fermés pendant une courte période de recouvrement qui entradnerait un court-circuit se produisant à travers T1 et T4 sur la ligne à courant continu. L'existence d'un tel temps mort exisge l'emploi d'un circuit additionnel. Par contre, avec une conduction à 120 , il existe une pé- riode de 60 entre les commutations de dispositifs complé- mentaires, ce qui procure un temps mort inhérent. En se référant aux figures 2 et 5, le régulateur 6 du circuit de la figure 2 fonctionne comme suit. La vitesse requise pour le moteur est réglée en faisant varier le niveau de tension continue à l'entrée du régulateur 6, comme on voit en (a) de la figure 5, grâce à des moyens de réglage convenables (non représentés). Lorsque l'inter- rupteur de mise en service et d'interruption 10 est fermé, un condensateur 11 se charge par l'intermédiaire d'une résistance 12 avec une constante de temps RC, d'o il résulte que lorsque la tension du condensateur croit à 3é partir de zéro, la fréquence d'alimentation sur trois phases du moteur augmente. La tension continue d'entrée est convertie en ondulation carrée dont la fréquence est proportionnelle à la tension d'entrée, comme on voit en (b) sur la figure 5, au moyen d'un convertisseur tension/ fréquence 13. La fréquence de la tension de sortie, en r &iíe pereianent, est égale à six fois la fréquence d'ali- entat;ion requise du moteur. _a tension de sortie du convertisseur 13 est alors utilisée pour rythmer un coilp- teur 14, à division par six, comprenant trois bascules J-7. Le montage de ce compteur 14 est tel que des signaux de sortie complémentaires à ondulation carrée sont fournis par les sorties Q et Q de chaque bascule, comme on voit en (c) sur la figure 5 et les sorties de chaque bascule sont espacées à 12 des sorties correspondantes des autres bascules, comme on voit en (c), (d) et (e) sur la figure 5. La fréquence de chaque tension de sortie à ondulation carrée est le sixième de la fréquence d'entrée dans le compteur 14 et on comprendra que ces tensions de sortie ont une forme convenable pour la conduction à 180 ("ON" et "OFF" désignent respectivement les périodes "en service" et "hors service"). Les six signaux de sortie sont appliqués ensuite au circuit décodeur 15 comportant des portes logiques sim- ples qu'on utilise pour décoder les formes d'onde de conduction à 180 pour obtenir des formes d'onde de conduc- tion à 120 , comme on voit en (f), (g) et (h) de la figure 5. Les signaux de sortie du circuit de décodage 15 sont appliqués pour amplifier et bloquer le circuit 16 qui sert à commuter les interrupteurs de pont T1 à T6 ayant la forme de transistors MOS à effet de champ dans le circuit de la figure 2. Les diodes shunt représentées dans ce circuit sont les diodes parasites internes de ces transistors. La tension aux bornes de la résistance 7 repré- sente le courant du moteur et un comparateur 17 compare cette tension avec une tension limite, déterminée par une résistance de référence préréglée 18. Ces tensions repré- sentent en fait des niveaux de courant. Lorsque le courant du moteur se trouve en dessous du niveau de référence, le signal de sortie du comparateur n'affecte pas le circuit de puissance et de blocage 16. Néanmoins, lorsque le courant -9 du moteur atteint la limite préréglée, la tension de sortie du comparateur change d'état et inhibe les sorties du circuit de puissance et de blocage 16 vers les interrupteurs de pont supérieur T1, T5 et T3, les sorties allant aux interrupteurs de pont inférieurs T4,T2 et T6 n'étant pas affectées. Ainsi, l'interrupteur du pont supérieur, qui est habituellement en service comme déterminé par les for- mes d'onde de sortie du circuit de décodage 15 à conduction à 120 , est amené à s'ouvrir et le courant passant par la résistance 7 décrolt. Par la suite, à un certain niveau déterminé par l'hystérésis du comparateur et après un laps de temps minimal, le comparateur change à nouveau d'état en débloquant ainsi les sorties du circuit de puissance et de blocage 16 allant aux interrupteurs de pont supérieur T1, T5 et T3. En conséquence, parmi ces interrupteurs, celui approprié se met en service et le courant de charge s'éta- blit à nouveau. On comprend par l'exposé ci-dessus de la conduc- tion à 120 qu'il y a toujours seulement deux interrupteurs de pont en service à un meme moment, c'est-à-dire l'un des interrupteurs supérieurs TI, T5 et T3 et l'un des interrup- teurs inférieurs T4, T2 et T6. Parmi les deux interrupteurs qui sont en service à tout moment donné, c'est toujours l'interrupteur supérieur parmi les deux interrupteurs mentionnés quiest amené à être en service et hors service par la technique de limitation de courant. En outre la commutation de limitation du courant des interrupteurs du pont supérieur est superposée à la commutation à 120 de ces interrupteurs, comme il est déterminé par les signaux de sortie du circuit de décodage 15. Le circuit tampon et de blocage 16 comporte des portes logiques CM(',S qui commandent directement les interrupteurs du pont inférieur T4, T2 et T6 et qui comman- dent les interrupteurs du pont supérieur T1, T5 et T3 respectivement par des étages de translation 19, 20 et 21. - 1 - Bien que tous les interrupteurs du pont soient représentés comme étant des dispositifs à conduction N ou à conduction P, les interrupteurs supérieurs peuvent être soit des dispositifs à conduction N ou P. En outre tous les interrupteurs peuvent avoir la forme de transistors bipo- laires. Des formes d'onde courantes typiques produites dans une phase du moteur par le circuit de la figure 2 sont représentées sur les figures 6 ou 7. La figure 6 montre une forme d'onde produite à une fréquence de cycle basse, c'est-à-dire à vitesse lente du moteur. Cette forme d'onde montre le mécanisme limiteur de courant en fonction. Le courant atteint la limite préréglée d'environ 2 ampères et l'interrupteur de pont supérieur approprié s'ouvre alors. Au bout de 250 micro-secondes environ, l'interrupteur du pont est à nouveau actionné pour venir en service, le cou- rant s'établit et atteint à nouveau la limite préréglée, de sorte que le mécanisme est répété. La figure 7 montre une forme d'onde pour une fréquence de cycle élevée et une grande vitesse du moteur. Dans ce cas, la fréquence est telle qu'il ne se produit pas de limitation du courant à cause d'une réactance d'enroulement élevée et d'une force contreélectromotrice du moteur élevée. Ainsi la forme d'onde correspond à la forme d'onde classique de conduc- tion à 1200 . Le circuit d'entraînement de la figure 2 est de structure simple et peut être fabriqué à un colt relative- ment bas pour une large gamme d'applications. Comme exemples d'applications convenables, on citera l'entraIne- ment de petits compresseurs et pompes, tels que ceux qu'on emploie par exemple pour soutirer la bière. Le moteur part du repos, monte rapidement jusqu'à 7.000 tours/ minute, maintient une vitesse constante, puis est coupé. A 7.000 tours/minute (correspondant à une fréquence de sortie du pont de 125 Hz), il ne se produit pas de décou- page du courant dans les conditions normales de charge. _-11 - 7.es f.rmes d'onde du courant du moteur Pont alors très semblables à celles fournies par un circuit de pont con- vertisseur classique. Ainsi les pertes du moteur, dissi- pées sous forme de chaleur et dues à ce courant à onóula- ttion carrée, sont minimales pendant ltéchauffement. Te circuit de la figure 2 convient également pour des applications dans lesquelles différentes vitesses de travail sont exigées, comme c'est le cas des machines à laver dans lesquelles la vitesse de lavage peut être de 1 52 tours/minute et la vitesse d'essorage de 1.000 tours/ minute. Avec ce circuit, la vitesse à 52 tours peut ttre obtenue avec un courant à ondulation carrée, tandis que la vitesse à 1. Of tours peut être obtenue avec la forme d'onde classique produite par ce circuit, due à la réac- tance accrue du moteur et à la force contre-électromotrice à vitesse élevée, comme il est représenté sur la figure 7. Le circuit convient également pour entraîner des moteurs à aimants permanents, nécessitant l'adjonction d'éléments constituants logiques de puissance minimale extrêmement basse. Les avantages consistant à utiliser un courant de phase carrée et la conduction à 1200 pour l'entraIne- ment d'un moteur à induction résident dans la mesure et la commande simples du courant de phase, ce qui conduit à des circuits électroniques de commande beaucoup plus sim- ples et meilleur marché. - 12 - ré.-1,--^ C 1j T -1 1. Circuit du commande d'un iioteur à induction, lequel ccmprend un moyen de connexion pour raccordement à une source d'ali!nentation en courant continu, un moyen d'interruption respectif associé à chaque phase du moteur et raccordé au moyen de connexion pour alimenter le moteur en courant, des moyens de détection pour déceler le courant fourni par l'intermédiaire des moyens de connexion et un régulateur de vitesse pour actionner les moyens d'interrup- tion de façon & fournir du courant alternatif à chaque phase du moteur à une fréquence fondamentale pouvant varier en accord avec la vitesse requise, caractérisé en ce que le régulateur de vitesse (6) actionne en outre, au moins pendant la marche du moteur à vitesse lente, les moyens d'interruption (T1 à T6) à une haute fréquence au cours de chaque cycle de la commutation à fréquence fondamentale, le régulateur de vitesse (6) étant fonctionnellement couplé aux moyens de détection (7) de façon à actionner les moyens d'interruption (T1 à T6) pendant la commutation à haute fréquence sous la dépendance du courant décelé par les moyens de détection (7). 2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régulateur de vitesse (6) commande les moyens d'interruption (T1 à T6) pendant la commutation à haute fréquence de façon à placer les moyens d'interrup- tion en position d'ouverture lorsque le courant décelé s'élève au-dessus d'une valeur limite préréglée et de façon à mettre les moyens d'interruption en service lorsque le courant décelé tombe en-dessous d'une valeur limite. 3. Circuit de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que le régulateur de vitesse (6) met en service les moyens d'interruption (T1 à T6) lorsque le courant décelé tombe en-dessous d'une valeur minimale après écoulement d'un laps de temps minimal après l'ouver- ture des moyens d'interruption. - 13 - L4. Circuit de commande selon l'une des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de détec- tion (7) incluent un comparateur (17) pour comparer une valeur proportionnelle au courant décelé et une valeur - 5 limite préréglée et pour fournir une tension de sortie de commande en fonction du résultat de cette comparaison. 5. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de détection (7) apprécient la chute de tension aux bornes 1' d'une résistance reliée au moyen de connexion. 6. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le régu- lateur de vitesse (6) comprend un convertisseur tension/ fréquence (13) qui produit une tension de sortie à ondula- tion carrée dont la fréquence est proportionnelle à une tension appliquée à l'entrée du convertisseur (13) en accord avec la vitesse requise. 7. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'interruption associés à chaque phase du moteur comprennent deux éléments interrupteurs (T1, T4; T5, T2; T3, T6) branchés en série et pouvant Dtre connectés par leur point commun à l'enroulement de moteur associé. 8. Circuit de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que le régulateur de vitesse (6) commande les moyens d'interruption (T1 à T6) pendant la commutation à fréquence fondamentale, de façon que chaque élément interrupteur soit en service pendant une période égale à un tiers de cycle et que les périodes, pendant lesquelles les 3$ deux éléments interrupteurs (T1, T4; T5, T2; T3, T6) de chaque moyen d'interruption sont en service, sont séparées par un intervalle égal à un sixième de cycle. 9. Circuit de commande selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le régulateur de vitesse (6) commande les moyens d'interruption (Tl à T6) de façon -14 - qu'au cours de la commutation à haute fréquence le régu- lateur de vitesse (7) n'actionne qu'un des deux éléments interrupteurs (T1, T4; T5, T2; T3, T6) de chaque moyen d'interruption à haute fréquence.