Brevet FR2608332A1 — publié le 19880617

Moteur électrique avec convertisseur de fréquence pour le réglage des paramètres de fonctionnement du moteur. La présente invention concerne un moteur élec- trique dont les caractéristiques de fonctionnement, telles que la vitesse et le couple, peuvent être modi- fiées au moyen d'un convertisseur de fréquence statique, et en particulier un moteur électrique associé à une ma- chine entraînée, telle qu'une pompe, un ventilateur, une machine-outil ou un outil. Le réglage de la vitesse ou du couple d'un mo- teur électrique au moyen d'un convertisseur de fréquen- ce permet une adaptation, sensiblement sans pertes, du moteur aux besoins de la machine entraînée par ledit moteur. Cela s'applique particulièrement à un groupe comportant des pompes et des ventilateurs comme machines de travail, avec lesquelles les besoins du groupe chan- gent en fonction du débit variable. Les convertisseurs de fréquence statiques ins- tallés extérieurement sont des dispositifs en forme de boîte évacuant leur chaleur engendrée à l'ambiance, ha- bituellement par convexion libre, dans une gamme de puissance allant jusqu'à 100 kW environ. Du fait d'une transmission thermique insuffisante, les surfaces d'un tel dispositif doivent être grandes. Par conséquent, le dispositif lui-même devient assez grand, puisque le con- vertisseur de fréquence exige un volume moyen compris entre 0,005 et 0,01 m3/kW, dans une gamme de puissance allant jusqu'à 100 kW. Il faut donc installer un convertisseur de fré- quence, de façon séparée. bu fait des câbles relative- ment longs entre le convertisseur de fréquence et le moteur électrique, cela engendre des interférences, pro- voquées par les champs électro-magnétiques. Dans l'ave- nir, cela nécessitera un blindage encore plus important, en raison des réglementations officielles. En outre, la mobilité du moteur est limitée par les grandes dimen- sions du convertisseur de fréquence. Enfin, le prix d'un tel convertisseur de fréquence travaillant dans une zone de faible puissance dépasse celui du moteur. La présente invention a pour objet un moteur électrique commandé par un convertisseur de fréquence, ce moteur électrique étant de fabrication économique et d'application universelle, dans lequel les inconvénients ci-dessus sont évités et qui ne présente pas d'inconvé- nients en ce qui concerne le blindage électrique et l'évacuation de la chaleur engendrée, grâce à la concep- tion et à l'installation spéciales du convertisseur de fréquence. Conformément à l'invention, les divers objets et avantages ci-dessus sont obtenus par un moteur élec- trique comportant un convertisseur de fréquence miniatu- risé au moyen d'un circuit fortement intégré, ce conver- tisseur étant mécaniquement relié au moteur ou à la-ma- chine pour constituer un ensemble structurel, la chaleur engendrée par le convertisseur de fréquence étant éva- cuée de préférence par refroidissement canalisé, et les parties métalliques qui entourent le convertisseur de fréquence constituant son blindage électrique. La dimension du convertisseur de fréquence est déterminée par la différence de température entre l'équi- pement électronique du convertisseur de fréquence, agissant comme source de chaleur, et l'ambiance agissant comme évacuateur d'une part, et par la résistance ther- mique sur le chemin allant de la source de chaleur à l'évacuateur d'autre part. Le coefficient de transmis- sion de chaleur est augmenté d'un à deux ordres de gran- deur et la dimension du convertisseur de fréquence est réduite en conséquence à une fraction de la dimension des convertisseurs de fréquence connus installés à dis- tance du moteur, lorsque ledit convertisseur de fréquen- ce est installé à des endroits o on considère qu'il existe une convexion pour évacuer la chaleur engendrée, du fait de la construction du moteur, ou à des endroits o un refroidissement canalisé peut être installé. Des essais ont montré qu'on peut réaliser une minutiarisa- tion supplémentaire par utilisation de circuits forte- ment intégrés et, par exemple, de transistors à commande de champ pour le circuit de sortie du convertisseur de fréquence. Grâce à ces dispositions, il est possible de connecter le convertisseur de fréquence directement au moteur ou à un groupe comprenant un moteur et une machi- ne, de façon à obtenir un ensemble petit, mobile et de fabrication économique, sans longs câbles blindés. Un tel agencement ne présente plus de difficultés de blin- dage, puisque les parties métalliques du moteur et du groupe entourant le convertisseur de fréquence servent de blindage, sans dépenses supplémentaires. En outre, le signal de sortie du convertisseur de fréquence et donc les caractéristiques de fonctionne- ment du moteur sont réglés par commande du convertisseur de fréquence au moyen de capteurs internes et externes mesurant, par exemple, la température, la tension ou le courant dans le circuit de sortie du convertisseur de fréquence, ou sensibles, par exemple, à la pression, au débit, à la température ou à un autre paramètre d'une machine entraînée par le moteur. De plus, la température de fonctionnement prédéterminée des enroulements du mo- teur détermine la valeur de fonctionnement maximale ad- missible prédéterminée. Un endroit possible pour installer le convertis- seur de fréquence est la boîte à bornes du moteur. Afin d'obtenir un meilleur refroidissement par l'air ambiant, la boîte à bornes est espacée du carter du moteur. Pour améliorer l'évacuation de la chaleur, la boîte à bornes comporte en outre des nervures de refroidissement, ou bien la boite à bornes est refroidie séparément. Si le convertisseur de fréquence comprend un cir- cuit intermédiaire pour un fonctionnement avec accumula- tion de courant et/ou accumulation de tension, ledit convertisseur de fréquence comprend un circuit d'entrée, ledit circuit intermédiaire et un circuit de sortie. Toutefois, il existe également des convertisseurs di- rects fonctionnant sans circuit intermédiaire. Il est possible d'agencer lesdits circuits individuellement ou en groupes espacés les uns des autres. Les circuits d'entrée et de sortie du convertisseur de fréquence sont par exemple placés à l'intérieur de la boîte à bornes, tandis que le circuit intermédiaire est situé à l'extérieur du carter du moteur. Cela permet une mi- niaturisation supplémentaire du convertisseur de fré- quence, puisqu'un condensateur ou une inductance servant de circuit intermédiaire sont assez volumineux. Si l'inductance du convertisseur de fréquence, constituant le circuit intermédiaire, est agencée sépa- rément des circuits d'entrée et de sortie, l'inductance est une bobine située à l'intérieur du carter de moteur et entourant l'arbre du moteur, les circuits d'entrée et de sortie constituant un module placé sur le carter du moteur ou à l'intérieur de celui-ci. En outre, tous les circuits ci-dessus du conver- tisseur de fréquence peuvent former un module. De plus, le module peut être placé à l'intérieur du capot de ven- tilateur du moteur, par exemple entre le rotor du venti- lateur de moteur et le carter du moteur. Si le module est convenablement disposé, la circulation d'air engen- drée par le rotor absorbe par conséquent la chaleur dissipée par le convertisseur de fréquence et l'évacue à l'ambiance. Enfin, il est avantageux de réaliser le module sous la forme de bottiers et d'inserts portant des con- tacts et des broches du côté extérieur, pour permettre les connexions nécessaires avec les enroulements du moteur, les capteurs et autres, par embrochage ou inser- tion du module. Si le moteur est alimenté par un panneau solai- re, le circuit d'entrée du convertisseur de fréquence peut bien entendu être remplacé par une source de cou- rant continu fonctionnant par effet photovolta5que. Dans ce cas, le circuit d'entrée du convertisseur de fréquence est placé extérieurement, tandis que le cir- cuit de sortie et le circuit intermédiaire éventuel sont par exemple installés à l'intérieur du carter de moteur ou du capot de ventilateur. On décrit ci-après l'invention de façon plus détaillée, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente le schéma du circuit du convertisseur de fréquence, et les figures 2 à 7 sont des coupes schématiques et axiales simplifiées du moteur électrique, avec diffé- rents agencements du convertisseur de fréquence suivant l'invention. Le convertisseur de fréquence connu, représenté sur la figure 1, est alimenté par un réseau à courant alternatif triphasé. Le côté d'entrée comporte un filtre d'interférence 2 et un redresseur sous la forme d'un convertisseur 3 de courant alternatif/courant continu. Ces deux composants constituent le circuit d'entrée. Le circuit intermédiaire comprend un condensateur 4 et une inductance 5, puisque le convertisseur de fréquence dans ce mode de réalisation fonctionne avec accumula- tion de tension ainsi qu'avec accumulation de courant. Le remplacement de l'inductance 5 par une connexion sim- ple donne un système travaillant seulement avec accumu- lation de tension, tandis que le remplacement du conden- sateur 4 par une connexion simple donne un système tra- vaillant exclusivement avec accumulation de courant. En outre, le convertisseur de fréquence comprend un convertisseur 6 de courant continu/courant continu et un dispositif de commande 7 des étages d'excitation 8, 9 et 10 auxquels des transistors de puissance 11 à 16 sont raccordés par paires. Ces composants et ces grou- pes constituent le circuit de sortie du convertisseur de fréquence. Ils sont de type et de fonctionnement con- nus et ne nécessitent pas d'autres explications. Les en- roulements du moteur M sont également connectés au cir- cuit de sortie. Le convertisseur de fréquence comporte d'autre part des capteurs internes 17, tels que des capteurs sensibles au courant, à la tension ou à la température, ou des capteurs externes et des servo-éléments raccor- dés au circuit de commande 7. Ces capteurs externes réa- gissent, par exemple, à la pression, au débit volumique et à la température d'une pompe entraînée par le moteur. Les servo-éléments extérieurs sont, par exemple, des dispositifs temporisés pour l'arrêt et la mise en ser- vice de certains modes de fonctionnement du convertis- seur de fréquence pendant des périodes prédéterminées. Finalement, le convertisseur de fréquence peut comporter des éléments de circuit ou des commutateurs 18 agissant sur des circuits prévus dans le dispositif de commande 7, par ouverture ou fermeture desdits commutateurs. Ainsi, on modifie le signal de sortie du convertisseur de fréquence, par exemple en ce qui concerne son ampli- tude ou sa fréquence. Les moteurs illustrés sur les figures 2 à 7 sont des moteurs asynchrones à cage d'écureuil. Puisque ces moteurs sont sensiblement les mêmes et que leurs compo- sants essentiels sont les mêmes dans tous les exemples, on utilise les mêmes repères pour désigner les compo- sants correspondants, afin de simplifier la description ci-après. Il en est de même pour les convertisseurs de fréquence illustrés, lorsque leurs composants ont des rôles correspondants. Des tôles de rotor 20 et un rotor de ventilateur de moteur 21 sont fixés à un arbre 19. Cet arbre est supporté par des paliers 22, 23 dont les parties non tournantes sont tenues par un couvercle de moteur 24 et un carter de moteur 25, respectivement. Les parties du stator sont également fixées au- dit carter 25. Ces parties comprennent principalement des tôles de stator 26 et des enroulements de moteur 27. Une boite à bornes 28 est placée à l'extérieur, sur le carter, le câble d'alimentation étant inséré d'une ma- nière connue dans cette boîte. Ledit câble est également raccordé à des contacts dont l'autre extrémité est rac- cordée aux enroulements de moteur 27. Le convertisseur de fréquence, ou au moins des parties de celui-ci, peut également être placé dans la boite à bornes 28, comme décrit plus loin. Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'ensemble du convertisseur de fréquence est placé dans la boite à bornes 28. Dans ce mode de réalisation, le convertisseur comprend l'inductance 5 et une plaque support 29 constituant le circuit intermédiaire. La plaque support porte les circuits d'entrée et de sortie du convertisseur de fréquence, illustrés ici par des éléments 30. Le circuit d'entrée est raccordé à l'ali- mentation par un cAble 31. Ce cêble peut également éta- blir la liaison entre les enroulements du moteur et l'alimentation. Le circuit de sortie du convertisseur de fréquence est raccordé à des broches 32, ces broches étant connectées à des contacts 33 dans le moteur, par emnbrochage de la boite à bornes 28 d'une manière connue. Les contacts 33 sont reliés aux extrémités des enroule- ments 27 de manière à permettre le réglage de la vites- se du moteur par le convertisseur de fréquence. La boite à bornes 28 est située à une distance prédéterminée du carter de moteur 25, de manière à définir un espace libre 34. Une partie de l'air de refroidissement circu- le à travers l'espace 34 et absorbe la chaleur dégagée par l'équipement électronique du convertisseur de fré- quence, à la surface de la boite à bornes, et évacue cette chaleur. On peut également réaliser un refroidissement canalisé effectif, par introduction d'un fluide de re- froidissement dans la boite à bornes 28 par l'intermé- diaire d'une canalisation 35, de manière à absorber la chaleur dégagée, et ensuite par évacuation dudit fluide de refroidissement au moyen d'une canalisation 36. Si le fluide de refroidissement est un diélectrique liquide, tel que de l'huile, il peut être en contact direct avec les composants électriques du convertisseur de fréquence. Dans le cas d'un fluide de refroidissement conducteur, ce fluide est canalisé dans un circuit fermé, à travers la boite à bornes. Comme déjà indiqué, les circuits du convertis- seur de fréquence peuvent être agencés individuellement ou en groupes mutuellement espacés. Le condensateur 4 constituant le circuit intermédiaire du convertisseur de fréquence est fixé à l'extérieur de la boite à bor- nes 28 et il est raccordé aux circuits 30 d'entrée et de sortie, placés à l'intérieur de la boîte à bornes, par un c&ble blindé 37, représenté sur la figure 3. Lorsqu'on embroche la boite à bornes, lesdits circuits sont connectés à des contacts complémentaires correspon- dants, par l'intermédiaire de broches 38, de manière à connecter le circuit de sortie du convertisseur de fré- quence aux enroulements de moteur 27. Le convertisseur de fréquence ou la boite à bornes peuvent également dans ce cas comporter un refroi- dissement canalisé, comme dans le mode de réalisation de la figure 2, s'il ne suffit pas de prévoir des ailet- tes de refroidissement 39 à la surface de la boîte à bornes 28, comme représenté sur la vue schématique A-A dans l'angle gauche de la figure 3. Les ailettes de re- froidissement augmentent la surface d'échange de chaleur de la boîte à bornes 28 avec l'ambiance. En particulier dans des plages de puissance relativement faible, elles sont suffisantes pour évacuer la chaleur engendrée par le convertisseur de fréquence. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le circuit intermédiaire sous la forme de l'inductance 5 est un élément toroidal situé dans le carter 25 du mo- teur et entourant concentriquement l'arbre 19 du moteur. Si l'arbre du moteur est fabriqué en acier, au moins dans cette zone, il peut constituer le noyau de l'élé- ment toroidal. Le circuit intermédiaire et les autres circuits du convertisseur de fréquence sont installés séparément, dans ce mode de réalisation également. Les circuits d'entrée et de sortie 30 constituent un module contenu dans un boîtier. L'extérieur de ce module est fixé au carter de moteur ou au couvercle 24 du mo- teur. Le module est connecté à des contacts correspon- dants dans la boite à bornes 28 par un câble blindé 41, afin de relier le circuit de sortie du convertisseur de fréquence aux enroulements 27. Dans ce mode de réalisa- tion, le bottier du module 40 est situé au voisinage du couvercle du moteur 24, de manière à définir un espace libre pour la circulation d'air de convexion, comme représenté sur la figure 4. Dans le mode de réalisation de la figure 5, les circuits d'entrée et de sortie 30 du convertisseur de fréquence constituent également un module 42 connecté à des contacts correspondants dans la boîte à bornes 28 par un câble 43. Dans ce mode de réalisation, le module est situé dans le capot de ventilateur 44, entre le rotor 21 du ventilateur et le carter de moteur 25. Cela permet à l'air de refroidissement déplacé par le rotor de circuler sur le module 42 pour absorber la chaleur dissipée par le convertisseur de fréquence. Le circuit intermédiaire constitué par l'inductance 5 est disposé de la même façon que dans le mode de réalisation de la figure 4. La figure 6 illustre une solution dans laquelle toutes les parties du convertisseur de fréquence, c'est- à-dire également le condensateur 4 constituant le cir- cuit intermédiaire, forment un module 45 dans un bottier, ledit bottier entourant concentriquement l'arbre 19. Le module est placé dans le capot de ventilateur 44, entre le rotor de ventilateur 21 et la face frontale opposée du carter de moteur 25. La figure 7 illustre encore une autre possibi- lité d'agencement du convertisseur de fréquence. Dans ce cas, les circuits électriques du convertisseur de fréquence sont fixés à l'intérieur du capot de ventila- teur, au moyen d'un support 46. Les circuits constituent un module relié aux contacts correspondants dans la boite à bornes 28 par un câble 47. Le circuit d'entrée du convertisseur de fréquence est alimenté en courant par l'intermédiaire desdits contacts et dudit câble et le circuit de sortie est relié aux enroulements du mo- teur par l'intermédiaire des mêmes contacts et du même câble. Le câble 47 peut bien entendu assurer également la liaison nécessaire avec les capteurs internes et externes. Le flux d'air de refroidissement engendré par le rotor 21 circule sur la surface du support 46 tournée vers l'intérieur, pour absorber la chaleur dégagée par le convertisseur de fréquence et non déjà évacuée par les autres parois du capot de ventilateur entourant le convertisseur de fréquence. Si le moteur constitue un groupe structurel avec une machine, telle qu'une pompe, un ventilateur ou ana- logue, les circuits électriques du convertisseur de fré- quence peuvent bien entendu également être installés partiellement ou complètement sur la machine, tandis que les autres parties sont placées dans le moteur. Comme déjà indiqué, le convertisseur de fréquen- ce est électriquement blindé de façon adéquate s'il est placé dans un carter métallique de moteur ou de ventila- teur, ou si les parties entourant le convertisseur de fréquence, par exemple le boîtier de la boîte à bornes ou le boîtier du module, sont en métal ou comportent au moins un revêtement métallique raccordé à la terre. Pour la même raison, les liaisons entre les circuits du con- vertisseur de fréquence disposés séparément, ou entre le convertisseur de fréquence et les enroulements du moteur, doivent être blindées si elles sont à l'exté- rieur du carter précité. REVENDICATIONS 1. Moteur électrique dont les paramètres de fonctionnement, tels que la vitesse et le couple, peu- vent être modifiés au moyen d'un convertisseur de fré- quence statique, et en particulier un moteur électrique combiné à une machine entraînée, telle qu'une pompe, un ventilateur, une machine-outil ou un outil, caractérisé: en ce qu'un convertisseur de fréquence (1) miniaturisé au moyen d'un circuit fortement intégré est connecté mécaniquement de manière à constituer un ensemble struc- turel avec le moteur ou la machine; en ce que la chaleur dégagée par le convertisseur de fréquence est évacuée, de préférence au moyen d'un refroidissement canalisé; et en ce que les parties métalliques entourant le con- vertisseur de fréquence constituent son blindage élec- trique. 2. Moteur électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température de fonctionne- ment prédéterminée des enroulements (27) du moteur dé- termine la valeur de fonctionnement maximale admissible prédéterminée. 3. Moteur électrique suivant l'une des revendi- cations 1 ou 2, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (1) est situé dans la boite à bornes (28) du moteur (19-28). 4. Moteur électrique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la boite à bornes (28) est espacée du carter (25) du moteur. 5. Moteur électrique suivant l'une des revendi- cations 3 ou 4, caractérisé en ce que la boîte à bornes (28) comporte des ailettes de refroidissement (39) afin d'améliorer l'évacuation de la chaleur. 6. Moteur électrique suivant l'une des revendi- cations 3 à 5, caractérisé en ce que la boîte à bornes (28) est refroidie séparément. 7. Moteur électrique suivant l'une des revendi- cations 1 à 6, dans lequel le convertisseur de fréquence comprend un circuit d'entrée et un circuit de sortie et éventuellement un circuit intermédiaire, caractérisé en ce que lesdits circuits sont agencés individuellement ou en groupes mutuellement espacés. 8. Moteur électrique suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les circuits d'entrée et de sortie (2, 3; 8-16) du convertisseur de fréquence sont situés à l'intérieur de la boite à bornes (28), tandis que le circuit intermédiaire (4) est situé sur l'exté- rieur du carter de moteur (25). 9. Moteur électrique suivant l'une des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que l'inductance (5) constituant le circuit intermédiaire du convertisseur de fréquence est une bobine située à l'intérieur du car- ter de moteur (25) et entourant l'arbre de moteur (19), et les circuits d'entrée et de sortie (2, 3; 8-16) constituent un module (40) situé sur le carter de moteur ou à l'intérieur de celui-ci. 10. Moteur électrique suivant l'une des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que tous les circuits du convertisseur de fréquence (1) constituent un module (45). 11. Moteur électrique suivant l'une des revendi- cations 9 ou 10, caractérisé en ce que le module (42,45) est situé à l'intérieur du capot de ventilateur (44) du moteur. 12. Moteur électrique suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le module (42, 45) est situé entre le rotor (21) du ventilateur de moteur et le car- ter de moteur (25). 13. Moteur électrique suivant l'une des revendi- cations 1 à 12, caractérisé en ce que les modules (40, 42, 45) sont munis de connecteurs électriques à broches (38). 14. Moteur électrique suivant l'une des revendi- cations 1 à 13, caractérisé en ce que le circuit d'en- trée du convertisseur de fréquence (1), par exemple une source de courant continu fonctionnant par effet photo- voltaïque, est situé extérieurement.