Brevet FR2608352A1 — publié le 19880617

CONVERTISSEUR DE FREQUENCE STATIQUE, EN PARTICULIER CONVERTISSEUR DE FREQUENCE POUR LA CO LE REGLAGE DES CARACTERISTIQUES DE FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR ELECTRIQUE La présente invention concerne un convertisseur de fréquence statique incorporé dans un carter, en particulier un convertisseur de fréquence commandant et/ou réglant les caractéristiques de functionnement, telles que la vitesse de rotation et le couple, d'un moteur électrique. L'entraînement de machines de traitement, d'outils et analogues par des moteurs électriques dépend, en ce qui concerne la vitesse de rotation et 0 le couple, du type de moteur et du réseau d'alimentation électrique. Toutefois, comme une vitesse variable peut être avantageuse dans beaucoup d'applications, on peut insérer des convertisseurs de fréquence. 2'608352 Les convertisseurs de fréquence statiques connus sont des dispositifs volumineux à installer extérieurement et les dimensions structurelles de ces dispositifs dépendent de la nécessaire transmission de chaleur à l'ambiance. Il est apparu qu'on pouvait miniaturiser un convertisseur de fréquence au moyen d'un circuit de commutation fortement intégré, d'une manière telle qu'on pouvait le placer près du moteur ou dans ou sur l'unité entraînée par le moteur, respectivement. Cette disposition ainsi que la petite dimension structurelle dépendent toutefois de ce que le dégagement de chaleur du convertisseur de fréquence doit pouvoir s'évacuer librement, afin d'éviter un dépassement de la limite thermique prescrite des composants électroniques. En ce qui concerne par exemple des groupes de pompage ou de ventilation, dont la vitesse et le couple doivent être commandés ou réglés au moyen de convertisseurs de fréquence, il est possible d'utiliser le fluide refoulé pour évacuer la chaleur. Cette disposition implique que des mesures spécifiques doivent être prises dans la construction du convertisseur de fréquence. La présente invention a pour objet un convertisseur de fréquence qui peut constituer un ensemble structurel avec le moteur ou le groupe, respectivement, et qui convient, du fait de sa construction, pour évacuer la chaleur dégagée dans une construction de petite dimension. Conformément à la présente invention, les objectifs et avantages cidessus sont atteints par un convertisseur de fréquence dont le carter est sous la forme d'une enveloppe résistant à la pression, fermée de façon étanche par rapport à l'ambiance, et qui contient au moins partiellement un remplissage ou garnissage conduisant la chaleur dégagée vers la surface de l'enveloppe. Un tel remplissage a pour effet que la résistance thermique intérieure du convertisseur de fréquence est réduite, puisqu'un remplissage en matières liquides et/ou solides par exemple a un coefficient de transmission de chaleur dix fois plus grand que celui de l'air qui doit être considéré comme un isolant thermique. En outre, le remplissage, en contact direct ou indirect avec les composants électroniques émettant la chaleur, constitue un pont thermique de surface relativement grande avec l'ambiance, de sorte que la chaleur dégagée est répartie sur une grande surface d'échange thermique. L'enveloppe étanche et résistant à la pression permet en outre de placer le convertisseur de fréquence dans le liquide ou fluide refoulé ou à refouler par une pompe ou un ventilateur. Cette dernière disposition entraîne toutefois une moindre réduction de la résistance thermique extérieure, cette réduction pouvant être attendue d'un convertisseur de fréquence usuel dont la chaleur dégagée est évacuée à l'ambiance par convexion libre avec l'air. Dans une moto-pompe immergée, le convertisseur de fréquence peut être soumis à de fortes pressions ambiantes et la forme extérieure de l'enveloppe est stabilisée par le remplissage, ladite enveloppe étant à paroi mince pour améliorer son aptitude de transmission de chaleur et abaisser sa résistance thermique. Le remplissage peut être une matière solide versable ou un liquide, par exemple des granulés de matière plastique, de l'huile et des substances analogues. Lorsque le remplissage est en contact direct avec les composants électroniques et les interconnexions des éléments structurels électriques du convertisseur de fréquence, il doit être électriquement non conducteur. Le remplissage peut également comprendre une matière solide versable et un liquide qui remplit une partie des intervalles entre les particules de la matière solide pour constituer un système de colonne thermique dans lequel le liquide s'évapore près de la zone o se produit le dégagement de chaleur, ledit liquide condensant la vapeur avec émission de la chaleur de condensation à la surface intérieure de l'enveloppe. Par suite, le condensat revient au circuit o se produit le dégagement de chaleur. Afin d'améliorer l'évacuation de chaleur, un refroidissement canalisé peut intéresser la surface extérieure de l'enveloppe. En outre, l'enveloppe peut comporter des ailettes de refroidissement, des nervures ou autres, le long de la périphérie extérieure, afin d'augmenter la surface d'échange de chaleur. Un montage simple et facilement remplaçable du convertisseur de fréquence dans un moteur est permis par la présence de contacts à l'extérieur du carter ou de l'enveloppe, respectivement, dudit convertisseur de fréquence, ces contacts permettant une connexion par broche avec des contacts fixes reliant le convertisseur de fréquence à la source d'énergie, aux bornes des enroulements du moteur et à des capteurs extérieurs. En outre, conformément à l'invention, des unités de commutations peuvent être prévues dans l'enveloppe, ces unités de commutation étant réglables de façon à changer le signal de sortie du convertisseur de fréquence, d'une manière usuelle. Comme ces unités de commutation ne sont pas directement accessibles de l'extérieur, à cause de l'enveloppe, elles sont conformées et placées d'une manière telle qu'on peut les actionner directement mécaniquement ou électromagnétiquement de l'extérieur, & travers la paroi de l'enveloppe. Conformément à l'invention, le convertisseur de fréquence comprend essentiellement un circuit d'entrée, un circuit intermédiaire et un circuit de sortie. En principe ces trois circuits peuvent être placés a l'intérieur de l'enveloppe. Toutefois, afin de réduire la dimension du convertisseur de fréquence, il est également possible de séparer le circuit intermédiaire des deux autres circuits, ledit circuit intermédiaire comprenant essentiellement un condensateur et/ou une inductance. On peut même monter le circuit intermédiaire dans le stator ou la chambre de rotor d'un moteur électrique commandé par le convertisseur de fréquence. Enfin, conformément à l'invention, les caractéristiques de fonctionnement fournies par le circuit de sortie du convertisseur de fréquence peuvent être commandées par des signaux intérieurs ou extérieurs. Les signaux intérieurs peuvent être une tension, un courant et une température, tandis que les signaux extérieurs peuvent être une pression, un volume pompé, une température, une vitesse et un temps. De tels signaux sont engendrés par des capteurs ou des organes de correction et ils sont utilisés pour corriger les résultats de sortie du convertisseur de fréquence. D'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront aux hommes de l'art à la lumière de la description de son mode préféré de réalisation, non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un convertisseur de fréquence, la figure 2 est une coupe à travers la structure mécanique d'un convertisseur de fréquence conforme à l'invention; et la figure 3 est une coupe longitudinale à travers un moteur électrique comportant un convertisseur de fréquence intégré. Le convertisseur de fréquence 1 représenté sur la figure 1, de type connu, est alimenté par le réseau triphasé. Un filtre d'interférence 2 et un redresseur sont prévus sous la forme d'un convertisseur 3 de courant alternatif/courant continu, du côté d'entrée, ledit convertisseur de courant alternatif/courant continu constituant le circuit d'entrée. Le convertisseur de fréquence est à stockage combiné de tension et de courant et le circuit intermédiaire comprend un condensateur 4 et une inductance 5. Toutefois, un fonctionnement avec alimentation de tension résulterait de la suppression et du remplacement de l'inductance 5 par une simple connexion, tandis qu'un fonctionnement en courant du convertisseur de fréquence résulterait de la suppression du condensateur 4 et des liaisons associées. Le convertisseur de fréquence comprend en outre un convertisseur 6 de courant continu/courant continu et un mécanisme de commande 7 commandant des circuits d'excitation 8, 9 et 10 reliés eux-mêmes à des transistors de puissance 11-16 agencés en paires. Ces éléments structurels et ces groupes structurels constituent le circuit de sortie du convertisseur de fréquence et ils sont connus en eux- mêmes et il n'est donc pas nécessaire de les décrire en détail. Le circuit de sortie est d'autre part raccordé au moteur M. Le convertisseur de fréquence peut également être connecté à des capteurs internes, tels que des capteurs 17 sensibles au courant, à la tension ou à la température, ou à des capteurs externes et à des organes de correction qui sont eux-mêmes reliés au mécanisme de commande 7. De tels capteurs externes sont par exemple sensibles à la pression, au volume pompé et à la température d'un groupe de pompage comprenant un moteur commandé ou réglé par un convertisseur de fréquence. Les organes de correction sont par exemple des circuits de synchronisation permettant une mise en service et un arrêt de modes 9 2608352 de fonctionnement particuliers du convertisseur de fréquence pendant des périodes prédéterminées. Enfin, des commutateurs et des interrupteurs 18, respectivement, peuvent également être prévus. Ces commutateurs et interrupteurs sont actionnés par une ouverture et une fermeture de circuits de courant du mécanisme de commande 7 préparés pour changer le signal de sortie du convertisseur de fréquence 7, en particulier pour changer son amplitude et sa fréquence. La figure 2 représente l'enveloppe 19 du convertisseur de fréquence répondant à une alimentation de tension. Cette enveloppe comprend un élément en forme de cuve 20 et un couvercle 21 fixe de façon étanche par collage, soudage ou analogue. Un support 22 est fixé sur la face intérieure du couvercle 21, ledit support portant les composants électriques structurels du convertisseur de fréquence, c'est-à-dire les composants 2, 3 et 8-17 illustrés sous la forme de petits rectangles sur la figure 1. L'enveloppe 19 contient en outre le condensateur 4 et les commutateurs 18. Enfin, des contacts 24, 25 sont prévus dans la partie supérieure de l'enveloppe, ces contacts permettant une connexion par broche avec des contacts fixes d'une manière telle que le convertisseur de fréquence peut être raccordé à sa source d'alimentation, aux extrémité& 2608352 des enroulements du moteur et à des capteurs; extérieurs. Deux seulement des contacts 24, 25 sont visibles sur le dessin et ils sont sous la forme de broches et communiquent avec les entrées et les sorties du convertisseur de fréquence. Conformément à l'invention, l'enveloppe 19 contient au moins partiellement un remplissage servant de conducteur thermique pour la chaleur dégagée et transmettant ladite chaleur à la surface de l'enveloppe. Le remplissage illustré sur la figure 2 est en une matière solide 26 qui peut être versée dans la partie 20 de l'enveloppe lorsque le couvercle 21 est enlevé, ou introduite à l'intérieur de ladite enveloppe par un orifice à refermer ensuite. Par exemple, une matière granulée ou en grains fins convient comme matière solide. Lorsque l'enveloppe 19 est soumise à de fortes pressions extérieures, on remplit avantageusement la totalité de l'intérieur de l'enveloppe avec la matière de remplissage, ce remplissage stabilisant la forme de l'enveloppe et lui permettant de résister à la pression. En plus d'une matière solide ou d'une matière liquide seule, le remplissage peut être constitué d'un mélange de solides et de liquides. Sur la figure 2, l'enveloppe est remplie de liquide jusqu'au niveau indiqué par la flèche 27. Ce liquide remplit une partie des interstices entre les particules 26 de la matière solide et il peut venir directement en contact avec les éléments structurels 23 et les connexions associées produisant le dégagement de chaleur. De cette manière, on obtient un échangeur de chaleur ressemblant à une "colonne thermique", puisque le liquide qui se trouve dans la zone de dégagement de chaleur peut s'évaporer, monter sous la forme de vapeur et se condenser déjà à l'endroit des particules de matière solide situées immédiatement au-dessus, ou au plus tard à la surface de l'enveloppe, tout en émettant une chaleur de condensation. Ensuite, le condensat redescend dans la zone de développement et de réception de la chaleur dégagée. Une certaine partie de la chaleur dégagée est évacuée à travers le couvercle 21. Si le remplissage vient en contact direct avec les éléments de transport de courant et de tension du convertisseur de fréquence, il doit être en une matière électriquement isolante. Par exemple, des granulés de matière plastique, du sable et des matières analogues conviennent comme remplissages solides, tandis-que l'huile notamment convient comme remplissage liquide. D'autre part, la matière solide n'est pas nécessairement versable, puisque l'intérieur libre de l'enveloppe peut être rempli avec une masse préformée à l'état solide. 12 2608352 Lorsqu'on utilise simultanément un remplissage liquide, la masse solide doit présenter des cellules ouvertes ou comporter des trous traversants. Afin d'augmenter la surface de l'enveloppe 19 et par conséquent la surface d'échange de chaleur existante, la partie 20 de l'enveloppe comporte des ailettes de refroidissement 28, des déformations 29 ou des moyens analogues le long de la périphérie, une seule ailette de refroidissement et une seule déformation étant illustrées sur la figure 2, schématiquement et en pointillé. Des moyens existants ou prévus séparément, pour effectuer un refroidissement canalisé sur l'enveloppe, peuvent être utilisés pour optimiser, si nécessaire, l'évacuation de la chaleur engendrée. Comne exemples de moyens existants de ce type, OTn peut citer les liquides ou fluides, refoulés par les pompes, les ventilateurs ou les roues à aubages dans les moteurs, dans le passage de circulation desquels l'enveloppe est éventuellement placée. La chaleur engendrée, transportée par l'intermédiaire du remplissage jusqu'à la surface de l'enveloppe, est ensuite absorbée et évacuée par ledit liquide. La figure 3 illustre le montage d'un convertisseur de fréquence répondant à une alimentation de courant dans un moteur asynchrone immergé de type connu et donc décrit seulement brièvement. Les tôles de rotor 31 sont montées sur l'arbre 30. Lorsque le moteur est par exemple associé à un groupe de pompage immergé, la chambre de rotor 32 est remplie d'eau et séparée de la chambre de stator sèche par le collimateur 33 comprenant les enroulements de moteur 35 et les tôles de stator 36. Sur le dessin, le carter 37 se poursuit au-delà du moteur proprement di.t, de manière à définir une chambre supplémentaire 38. Cette chambre communique avec la chambre de rotor 32 et elle est également remplie d'eau recevant la chaleur du convertisseur de fréquence. Les circuits d'entrée et de sortie de l'enveloppe contenant le convertisseur de fréquence sont situés dans la chambre 38, tandis que le circuit intermédiaire constituant l'inductance 39 du convertisseur de fréquence est placé séparément dans la chambre de stator 34. L'inductance est sous la forme d'une bobine annulaire comportant un noyau en fer constitué par les parties environnantes du moteur. Il est clair que la bobine est connectée, par des circuits électriques à travers l'enveloppe 19, entre les circuits d'entrée et de sortie du convertisseur de fréquence. Une séparation correspondante du circuit intermédiaire et des circuits d'entrée et de sortie du convertisseur de fréquence est bien entendu également permise par le dispositif de la figure 2, dans lequel le condensateur 4 est placé à l'extérieur de l'enveloppe 19 dans une chambre sèche d'un moteur ou d'une unité de travail entraînée par ledit moteur. L'enveloppe 19 de la figure 3 peut avoir une configuration semblable à celle de l'enveloppe de la figure 2 et être également remplie complètement ou partiellement avec des liquides ou des solides désirés ou avec leurs mélanges. Les remplissages doivent être en matières électriquement isolantes s'ils doivent venir en contact direct avec les composants électroniques du convertisseur de fréquence. Toutefois, dans le cas o les composants électroniques sont isolés séparément, par exemple au moyen d'une couche de revêtement, on peut bien entendu également utiliser des remplissages en matières électriquement conductrices, en particulier des métaux ayant une bonne conduction thermique. Comme déjà indiqué, l'enveloppe doit être étanche si le milieu environnant est un liquide ou si elle est remplie avec un liquide. Si on utilise le convertisseur de fréquence en association avec des ventilateurs, des moteurs refroidis par des ventilateurs et des appareils analogues, la surface de l'enveloppe étant seulement sous une charge d'air et l'enveloppe n'étant pas remplie avec un liquide, l'enveloppe n'a pas besoin d'être étanche au liquide et une enveloppe étanche à l'air ou au moins étanche aux salissures est suffisante. Lorsque l'enveloppe n'est pas en matière plastique, il est avantageux d'utiliser une matière & paroi mince, telle que l'acier inoxydable, puisque le métal possède un coefficient de transmission de chaleur relativement élevé comparativement aux matières plastiques. Comme déjà indiqué, les interrupteurs 18 sont situés du côté intérieur de l'enveloppe 19 et ils ne sont pas directement accessibles de l'extérieur. Ces interrupteurs sont manoeuvrables mécaniquement ou magnétiquement de l'extérieur. Une commande mécanique est permise par manoeuvre des éléments de contact des interrupteurs sous l'effet d'une déformation mécanique de la paroi de l'enveloppe au moyen d'un outil. On peut également manoeuvrer ces éléments de contact au moyen d'aimants qui sont eux--mêmes actionnés de façon correspondante, à l'extérieur de l'enveloppe, près des interrupteurs. Il est entendu que de nombreuses modifications peuvent être apportées dans la forme et la construction du convertisseur de fréquence suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de fréquence statique contenu dans un carter, en particulier un convertisseur de fréquence pour la commande et/ou le réglage des caractéristiques de fonctionnement, telles que la vitesse de rotation et le couple, d'un moteur électrique, caractérisé en ce que le carter est sous la forme d'une enveloppe (19) résistant à la pression et étanche par rapport à l'ambiance, et en ce qu'il contient au moins partiellement un remplissage (26) conduisant la chaleur dégagée vers la surface de l'enveloppe. 2. Convertisseur de fréquence suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le remplissage (26) stabilise la forme de l'enveloppe (19). 3. Convertisseur de fréquence suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le remplissage (26) est une matière solide versable. 4. Convertisseur de fréquence suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le remplissage est un liquide. 5. Convertisseur de fréquence suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le remplissage comprend une matière solide (26) et un liquide remplissant une partie des espaces entre les particules de la matière solide pour constituer un système de colonne thermique, et en ce que le liquide s'évapore dans la zone o se produit le dégagement de chaleur, ledit liquide condensant la vapeur tout en émettant une chaleur de condensation à la surface intérieure de l'enveloppe. 6. Convertisseur de fréquence suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un refroidissement canalisé agit sur la surface extérieure de l'enveloppe (19). 7. Convertisseur de fréquence suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enveloppe (19) comporte des ailettes de refroidissement (28), des déformations (29) ou des moyens analogues le long de la périphérie extérieure. de manière à augmenter la surface d'échange de chaleur. 8. Convertisseur de fréquence suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'enveloppe comporte des contacts (25) permettant une connexion par broche avec des contacts fixes reliant le convertisseur de fréquence (1) à la source d'énergie, aux extrémités des enroulements de moteur (35) à des capteurs extérieurs. 9. Convertisseur de fréquence suivant l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le signal de sortie peut être modifié par manoeuvre d'unités de commutation, caractérisé en ce que les unités de commutation (18) sont manoeuvrables immédiatement de façon mécanique ou électromagnétique de l'extérieur à travers la paroi de l'enveloppe. 10. Convertisseur de fréquence suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ses circuits (2,3,6-18) sont mutuellement espacés les uns des autres, un par un ou en groupes. 11. Convertisseur de fréquence suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les caractéristiques fonctionnelles du circuit de sortie (6-17) sont commandées par des signaux internes ou externes.