Brevet FR2678790A1 — publié le 19930108

L'invention concerne le domaine des machines électriques à courant continu, plus particulièrement un procédé et un dispositif électronique et électrique de régulation de la fréquence de rotation d'un moteur à courant continu et à excitation séparée. Les moteurs électriques à courant continu les plus couramment utilisés dans l'industrie sont soit à excitation série, soit à excitation séparée soit à excitation shunt Les premiers, surtout utilisés pour la traction, nécessitent un fort courant au démarrage et ne sont pas facilement contrôlable en fréquence de rotation. En effet, lorsqu'une tension est appliquée, la fréquence de rotation s'accroit jusqu'à ce que le couple résistant équilibre le moteur. Pour ces raisons, l'utilisation des moteurs à courant continu et à excitation shunt ou à excitation séparée se généralise. Le réglage de la fréquence de rotation de ces derniers est obtenu principalement de deux manières distinctes ou combinées, la première consistant à faire varier le courant d'excitation et la seconde à faire varier la tension d'alimentation d'induit. Dans ce dernier cas, l'établissement du couple moteur nécessite une variation aux bornes égale à la chute interne de tension RI , ou R représente la résistance interne et I le courant induit. La chute de tension interne étant faible par rapport à la tension nominale, l'établissement du couple moteur ntest freiné que par la constante de temps de l'induit, comprise en général entre 0,04 et 0,07s. L'établissement du couple est donc très rapide et les phénomènes transitoires limités. Cependant, lorsqu'un moteur doit fonctionner à diverses fréquences de rotation et que le rapport des fréquences extrêmes est grand, la solution de réglage la plus simple et à moindre perte consiste à utiliser un dispositif agissant sur le courant dans le circuit d'excitation. Ce dispositif comporte généralement une boucle de régulation Proportionnelle-Intégrale-Dérivée (PID) qui asservit le courant d'excitation à la fréquence de rotation de régulation du moteur. Cependant le contrôle de la fréquence de rotation présente des difficultés, notamment lorsque les réactions d'induit sont mal compensées. En effet, la compensation diminue considérablement l'inductance apparente de l'induit et par suite sa constante de temps lors des régimes transitoires. Aussi une mauvaise compensation rend la régulation particulièrement instable. Ainsi, lorsqu'on fait varier brusquement de 0 à la puissance nominale Pn puis de Pn à 0 la charge d'un moteur à courant continu à excitation séparée dont l'induit est alimenté par une tension réglable et dont le circuit d'excitation est alimenté part un générateur de courant stable, il se produit des phénomènes oscillatoires pouvant conduire au déclenchement des dispositifs de sécurité par survitesse ou surintensité. Une boucle de régulation supplémentaire peut être ajoutée pour résoudre cette difficulté. Cependant, cette dernière rend les réglages très complexes et une mise au point de l'ensemble moteur-régulateur sur banc d'essai est souvent indispensable. Elle occasionne ainsi un surcoût important. Un surréglage transitoire de la tension aux bornes de l'inducteur peut être utilisé pour limiter l'amplitude des oscillations. Toutefois, le temps d'atteinte de l'équilibre reste long. Dans le but de remédier à ces difficultés, l'invention a pour objet un procédé de régulation de la fréquence de rotation d'un moteur à courant continu à excitation séparée qui consiste à utiliser deux boucles de régulation en cascade, la première, appelée boucle milieu destinée à réguler le courant d'excitation en fonction de la tension d'induit selon une ou plusieurs équations déterminées expérimentalement en traçant un réseau de courbes présentant la valeur du courant d'excitation en fonction de cette tension, et la seconde, appelée boucle finale rapide, destinée à réguler la tension aux bornes des inducteurs du moteur à partir d'une consigne de courant délivrée sous forme de tension par la boucle milieu. De préférence, la boucle milieu régule le courant d'excitation en fonction de la tension d'induit selon une fonction linéaire. Pour la mise en oeuvre de ce procédé , un dispositif selon l'invention comporte, de façon connue, une alimentation stabilisée en courant continu, des éléments de protection, une logique de commande, une boucle de régulation de la tension au bornes de l'inducteur ainsi qu'une boucle de régulation du courant d'excitation et est caractéristique en ce que cette dernière boucle comprend un module électronique démontable sous tension appelé module de personnalisation, regroupant l'ensemble des paramètres de fonctionnement, et dans lequel les paramètres de la ou des équations expérimentales du courant d'excitation en fonction de la tension d'induit sont définis lors de la configuration du module. Selon un mode d'exécution privilégié qui accroît la précision de la régulation, le procédé consiste à utiliser trois boucles de régulation en cascade, la boucle finale, la boucle intermédiaire, toutes deux précédemment mentionnées, et une boucle d'entrée dont la constante de temps est plus élevée que celle de la boucle intermédiaire, et dont le rôle est d'ajuster la valeur de la consigne du courant d'excitation en fonction de la fréquence de rotation mesurée sous forme de tension. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation privilégié présentée ci-après à titre non limitatif, avec référence aux dessins annexés ci-après dans lesquels - la figure 1 présente l'architecture du dispositif selon le mode de réalisation privilégié du procédé, - la figure 2 illustre une méthode de réalisation des paramètres caractérisant une relation linéaire entre le courant d'excitation et la tension d'induit. La figure 1 présente l'architecture générale du dispositif de mise en oeuvre du procédé dans laquelle les fonctions principales figurent sous la forme de modules. L'alimentation générale est réalisée à partir d'un réseau à courant continu 1 sur lequel est placé un filtre d'entrée passif 2 destiné à protéger le circuit contre les surtensions et les perturbations. Les tensions de servitude sont délivrées par un module d'alimentation interne 3 qui peut être du type à "découpage " afin que ces tensions présentent de bonnes caractéristiques de stabilité malgré les variations possibles de celle du réseau. En aval du filtre d'entrée, est disposé un module électronique 4 d'ajustement du courant d'alimentation de l'inducteur 5 puis un filtre passif passe bas de sortie 6 fonctionnant en mode différentiel. Dans le mode de réalisation présenté, il s'agit d'un filtre passif en L dans lequel les selfs sont couplées magnétiquement et le point milieu des capacités est relié à la masse.Il sert à bloquer les harmoniques basses fréquences jusqu'à quelques dizaines de kilohertz. Une diode de protection 7 est placée en amont de l'inducteur La logique de commande 14 reçoit les ordres concernant le choix de la fréquence de rotation, en l'occurrence petite ou grande. Ces ordres sont transmis au module de personnalisation 8. Ce dernier est configurable et il regroupe les différents paramètres de fonctionnement tels que la consigne de vitesse, le flux correspondant à la fréquence de rotation sélectionnée, le flux ou le courant maximum toléré par le moteur, la valeur des paramètres caractérisant l'équation expérimentale du courant d'excitation en fonction de la tension d'induit... Il est avantageux de rendre ce module aisément démontable sous tension afin d'accroître la disponibilité du dispositif. Le module d'élaboration de la valeur de la consigne de courant 9 détermine cette dernière à partir des informations stockées dans le module de personnalisation. Les modules 10 et 11 sont des portes logiques. Le module 10 permet le basculement de la consigne de fréquence de rotation (petite PV ou grande GV) vers le comparateur 12 en fonction des ordres provenant de la logique de commande. Le module 1l permet de mettre en service ou hors service la boucle de régulation de vitesse en transmettant ou en supprimant son signal à partir de la détection d'écart qu'elle possède en sortie.En effet, le signal n'est transmis au comparateur 13 que lorsque la valeur du signal est contenue dans une fourchette de + 10% de celle du signal de la boucle de courant c'est-à-dire lorsque l'écart relatif entre la fréquence de rotation réelle et la fréquence de consigne est inférieur a t 10% En plus des différents modules précités le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon le mode d'exécution privilégié comporte trois boucles de régulation. La première, appelée boucle d'entrée que l'on notera B1, consiste à ajuster la consigne de courant à partir de l'écart relatif de fréquence de rotation entre la fréquence sélectionnée et la fréquence réelle. La régulation est avantageusement du type Proportionnel - intégral et n'est active que lorsque l'écart relatif de fréquence de rotation SV est dans une plage de t 10% environ. Dans l'exemple, l'écart de vitesse est mesuré sous la forme d'une tension. La seconde, appelée boucle milieu et notée B2 servant à réguler le courant d'excitation à partir des paramètres de la ou des équations expérimentales contenus dans le module de personnalisation, de la tension d'induit et de l'écart relatif de fréquence de rotation SV. La consigne de courant est aussi délivrée sous la forme d'une tension. La troisième, appelée boucle finale et notée B3 régule la tension aux bornes des inducteurs à partir de la consigne de courant délivrée, sous la forme d'une tension, par la boucle milieu. Lorsque le moteur est au repos et qu'une fréquence de rotation est sélectionnée, le module 9 élabore la consigne de courant à partir des informations contenues dans le module de personnalisation. Cette consigne est ensuite transmise à l'entrée de la boucle de régulation du courant B2 .Cette dernière établit alors la valeur de la consigne pour la boucle de régulation de tension B3 qui, en maintenant fixe la tension aux bornes des inducteurs amortit tout phénomène oscillatoire Dans cette phase de démarrage, la boucle de régulation de la fréquence de rotation B1 est tout d'abord inhibée, par l'intermédiaire, par exemple, d'une constante de temps élevée ou d'une temporisation dont la durée est suffisante pour permettre la stabilisation de la fréquence de rotation du moteur , puis elle fonctionne en corrigeant progressivement la consigne de courant pour obtenir une régulation de fréquence de rotation finale inférieure à + 2% Dans le cas ou l'écart de fréquence de rotation SV serait, après la fin de la temporisation, supérieure à 10% , la boucle B1 resterait inhibée. Dans le cas du passage d'une fréquence de rotation à une autre, le module de personnalisation sélectionne les paramètres de fonctionnement correspondant à la nouvelle fréquence de rotation puis la consigne de courant est élaborée au sein du module 9 à partir des informations contenues dans le module de personnalisation. Le fonctionnement est ensuite analogue à celui précédemment décrit. En régime stabilisé, ou dans le cas de variations faibles de charge ou de tension dlalimentation, la boucle B1 de régulation de fréquence de rotation pilote la boucle de régulation du courant B2 qui ajuste le courant d'excitation via la boucle B3. Cette dernière est sans effet notable sur la précision de la régulation. En cas de variation brusque de la charge , le courant d'induit augmente brutalement provoquant une variation aussi brutale du courant dans l'inducteur donc du flux du fait, de leur couplage. Cependant, la boucle B3 maintient constante la tension aux bornes de l'inducteur, s'opposant ainsi aux variations du courant dans l'inducteur. La boucle B2 à constante de temps plus élevée, corrige alors si nécessaire la consigne de courant, tandis que la boucle d'entrée B1 ajuste la fréquence de rotation avec une constante de temps plus élevée que celle des deux autres boucles. En cas de fluctuation de la tension d'induit, la boucle milieu B2 modifie la consigne de courant à partir des paramètres de l'équation expérimentale reliant le courant d'excitation à la tension d'induit et les phénomènes oscillatoires de flux dans les inducteurs sont compensés par la boucle de régulation B3. Avec une constante de temps plus longue, la boucle B3 ajuste la fréquence de rotation à la consigne choisie lorsque l'écart relatif 6V s'est réduit. Ainsi, les fluctuations de tension ont pour conséquence, des variations modérées du courant d'induit et des variations proportionnelles au courant d'inducteur. Enfin, en cas de panne de la boucle d'entrée B1, le dispositif fonctionne mais avec des performances moindre notamment au niveau de la précision du réglage de la fréquence de rotation. Dans le but de définir les paramètres caractérisant la relation entre la tension d'induit et le courant d'excitation des expériences sont effectuées dans lesquelles on trace, pour une fréquence de rotation donnée, le réseau de courbes représentant le courant d'excitation Iex en fonction de la tension d'induit Ui pour différentes valeurs P1 à Pn de la charge et à une fréquence de rotation donnée. Un exemple de faisceau de courbe est présenté sur la figure 2 . Dans cet exemple, ce faisceau de courbe est modélisé par une seule droite qui a été obtenu en utilisant la méthode connue des moindres carrés. Les paramètres A et B caractérisant cette droite sont ensuite entrés dans le module de personnalisation pour les différentes fréquences de rotation du moteur qui peuvent être sélectionnées. L'application d'un dispositif selon l'invention est particulièrement avantageuse dans le cas d'un moteur à courant continu à excitation séparée présentant un fort couple moteur. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la fréquence de rotation d'un moteur à courant continu à excitation séparée caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser deux boucles de régulation en cascade, la première, appelée boucle milieu destinée à réguler le courant d'excitation en fonction de la tension d'induit selon une ou plusieurs équations déterminées expérimentalement en traçant un réseau de courbes présentant la valeur du courant d'excitation en fonction de la tension d'induit et la seconde, appelée boucle finale rapide, destinée à réguler la tension aux bornes des inducteurs du moteur à partir d'une consigne de courant délivrée sous forme de tension par la boucle milieu. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'équation est une loi linéaire, de la forme: 1ex = A.Ui + B où 1ex représente le courant d'excitation, Ui la tension d'induit, et A et B deux paramètres déterminés expérimentalement. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 , caractérisé en ce qu'il consiste à rajouter une troisième boucle de régulation appelée boucle d'entrée, dont la constante de temps est supérieure à celle de la boucle intermédiaire et dont le rôle est d'ajuster la consigne de courant d'excitation en fonction de la fréquence de rotation mesurée sous forme de tension. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 et 2 , comportant de façon connue une alimentation stabilisée en courant continu , des éléments de protection, une logique de commande , une boucle de régulation de la tension d'induit, une boucle de régulation du courant d'excitation, dispositif caractérisé en ce que la boucle de régulation du courant d'excitation comprend un module électronique 8, appelé module de personnalisation, regroupant l'ensemble des paramètres de fonctionnement et dans lequel les paramètres de ou des équations expérimentales du courant d'excitation en fonction de la tension d'induit sont définis lors de la configuration du module. 5. Dispositif selon la revendication 4, carctérisé en ce qu'il comporte, de plus, une boucle de régulation de la fréquence de rotation. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le module 8 est démontable sous tension.