Brevet FR2674702A1 — publié le 19921002

Dispositif de protection pour moteurs électriques " L'invention concerne un dispositif de pro- tection pour moteurs électriques, notamment des mo- teurs de commande, contre une température de fonction-5 nement trop élevée, avec des moyens pour détecter la température de fonctionnement du moteur électrique et avec des moyens pour déconnecter automatiquement le moteur électrique lorsqu'une température limite de fonctionnement susceptible d'être prédéfinie, est dé-10 passée. Il y a des températures de fonctionnement trop élevées dans des moteurs électriques, soit pour une charge trop élevée et/ou trop longue en fonction- nement, mais aussi, par exemple, lorsque le moteur15 électrique est bloqué mais qu'il continue à être rac- cordé à un réseau ou à une batterie Des températures de fonctionnement trop élevées peuvent se traduire par une usure accélérée des charbons, des commutateurs et des paliers, tandis que dans le cas extrême, il peut20 également se produire des courts circuits dans les enroulements du fait de l'endommagement de l'isolation. Pour empêcher des températures de fonction- nement inadmissibles, il est connu d'équiper de tels moteurs électriques avec des interrupteurs de protec-25 tion thermique, qui sont disposés dans le circuit du moteur électrique, par exemple sous la forme d'inter- rupteurs bilames En cas de dépassement d'une tempéra- ture trop élevée, le contact bilame s'ouvre et le mo- teur électrique est ainsi déconnecté Un tel interrup- teur bilame est toutefois non seulement encombrant et cher, mais également très imprécis En outre, il est souvent difficilement possible de le disposer aux em- placements critiques pour une élévation de températu- re. L'invention a pour but de remédier à ces in- convénients et concerne, à cet effet, un dispositif de protection pour moteurs électriques, caractérisé en ce qu'il est prévu un appareillage électronique calculant la température de fonctionnement indirectement à par- tir d'autres paramètres de fonctionnement du moteur électrique, et en ce que les moyens pour la décon- nexion automatique du moteur électrique sont des moyens électroniques. Le dispositif de protection selon l'inven- tion présente l'avantage que l'on peut renoncer à un interrupteur thermique et que la détection de la tem- pérature de fonctionnement s'effectue grâce à des moyens électroniques précis Comme la température de fonctionnement est détectée indirectement à partir d'autres paramètres de fonctionnement du moteur élec- trique, l'emplacement o est installé le dispositif pour la détection de la température ne joue plus aucun rôle Une charge trop longue ou trop élevée qui aurait pour conséquence une température de fonctionnement trop élevée, peut être détectée très rapidement car la conduction de chaleur vers un commutateur thermique ne joue aucun rôle Dans le cas du commutateur thermique connu, il peut en effet, se produire le cas que, du fait d'une charge très élevée ou d'un court-circuit, il survienne une température inadmissiblement élevée mais que, cependant, du fait de la conduction thermi- que vers l'interrupteur thermique, la déconnexion n'ait lieu que trop tardivement Grâce aux moyens électroniques pour la déconnexion du moteur électri- que, une température de déconnexion désirée peut être fixée de façon très exacte, et les fluctuations dues à la construction ne jouent pratiquement aucun rôle Un autre avantage réside en ce que notamment lorsqu'il y a de toutes façons détection de la vitesse de rotation du moteur électrique et commande électronique par un microcalculateur, aucun composant supplémentaire n'est nécessaire pour le dispositif de protection, grâce à quoi, ce dispositif de protection est très peu coû- teux. Grâce à d'autres caractéristiques de l'in- vention, des compléments avantageux et des améliora- tions du dispositif de protection indiqué ci-dessus, sont possibles. Les autres paramètres de fonctionnement pour la détection indirecte de la température de fonction- nement sont, de préférence, la durée de mise en cir- cuit, en combinaison avec la tension d'alimentation et/ou la vitesse de rotation de l'induit Si l'on dé- termine la température de fonctionnement seulement à partir de la durée de mise en circuit en combinaison avec la tension d'alimentation, alors aucun composant supplémentaire n'est nécessaire lorsqu'il n'est pas prévu de détection de la vitesse de rotation Bien en- tendu, la détection de la température de fonctionne- ment est plus précise lorsqu'il est tenu compte de la tension d'alimentation et de la vitesse de rotation de l'induit La détection de la tension d'alimentation est notamment importante lorsque cette tension d'ali- mentation est une tension de batterie, car celle-ci, en fonction de la sollicitation et de l'état de charge de la batterie, se traduit pas des états de charge très différents du moteur électrique. Comme des températures extérieures variables ont également une influence sur la température de fonctionnement du moteur électrique, la température extérieure est également avantageusement introduite en tant que grandeur de correction pour la température de fonctionnement calculée. Les moyens électroniques utilisés pour la déconnexion automatique présentent, avantageusement, une hystérésis de commutation, afin d'éviter une cons- tante commutation aller et retour au voisinage de la température limite de fonctionnement et qu'ainsi un refroidissement se produise avant que le moteur élec- trique soit de nouveau mis en circuit. La détection de la vitesse de rotation de l'induit et/ou de la tension d'alimentation peut, en outre, être utilisée comme un moyen de sécurité à ac- tion rapide contre un blocage ou bien une sollicita- tion extrêmement élevée du moteur électrique Dans le cas d'un blocage ou d'une charge extrêmement élevée, la vitesse de rotation de l'induit tend en effet, vers une valeur nulle, et la tension d'alimentation s'ef- fondre plus ou moins, notamment lorsqu'il s'agit d'une tension de batterie Si les paramètres de fonctionne- ment précités franchissent, en conséquence, vers le bas une valeur limite inférieure susceptible d'être prédéfinie, alors l'appareillage de sécurité peut déjà être activé pour déconnecter le moteur électrique, après une durée de mise en circuit très courte En va- riante, ou bien en supplément, on peut également faire appel pour cela au dépassement d'une valeur limite su- périeure du courant électrique d'excitation. Pour la réalisation de la détection de la température de fonctionnement, on utilise avantageuse- ment dans l'appareillage électronique, un dispositif de comptage, qui pendant la durée de mise en circuit du moteur électrique, compte une fréquence de compta- ge, cette fréquence de comptage étant susceptible d'ê- tre modifiée en fonction de la tension d'alimentation et/ou de la vitesse de rotation de l'induit et/ou de la température extérieure, et ceci dans le même sens que ces paramètres La température limite de fonction- nement susceptible d'être prédéfinie, correspond alors à une valeur de compteur susceptible d'être prédéfi- nie, ou bien à la valeur maximale du compteur, de sor- te qu'un signal de dépassement peut être mis en oeuvre comme signal de déconnexion. Dans une autre réalisation encore améliorée de l'invention, une seconde fréquence de comptage peut, en outre, pour la simulation du processus de re- froidissement, être comptée dans le sens de comptage opposé On évite ainsi que pour une charge réduite, après un temps de mise en circuit suffisamment impor- tant, le dépassement de la température limite de fonc- tionnement soit détecté inutilement Cette seconde fréquence de comptage est également avantageusement susceptible d'être modifiée en fonction de la tempéra- ture extérieure. L'appareillage électronique pour le calcul de la température de fonctionnement et les moyens pour la déconnexion automatique, sont avantageusement pré- vus sous la forme de microcalculateurs, car dans ce cas, aucun composant supplémentaire n'est nécessaire pour réaliser ce dispositif de protection. En variante par rapport à la solution décri- te ci-dessus, la détection de la température de fonc- tionnement et la déconnexion automatique du moteur électrique par des moyens purement électroniques lors du dépassement d'une température limite de fonctionne- ment susceptible d'être prédéfinie, peuvent également être réalisées en prévoyant pour la détection de la température de fonctionnement, une résistance fonction de la température et un comparateur commutant en fonc- tion de la chute de tension sur cette résistance, et agissant sur les moyens pour la déconnexion automati- que La déconnexion elle-même s'effectue ensuite de la même façon, toutefois la température de fonctionnement est directement détectée par la résistance dépendant de la température Comme cette résistance peut avoir des dimensions très réduites, elle peut être disposée en des emplacements pratiquement quelconques sur le moteur électrique Pour pouvoir surveiller directement plusieurs emplacements critiques, il peut également être prévu plusieurs résistances de ce type. Cette résistance, dépendant de la températu- re, est avantageusement réalisée sous la forme d'une résistance NTC. Une réalisation avantageuse des moyens pour la détection de la température de fonctionnement, peut être obtenue en ce que la résistance dépendant de la température forme, avec une autre résistance, un divi- seur de tension alimenté par une tension d'alimenta- tion, et dont la prise est reliée à une entrée du com- parateur pour permettre la comparaison avec une ten- sion de référence Ce comparateur devrait, avantageu- sement, avoir également une hystérésis de commutation. Deux exemples de réalisation de l'invention sont représentés sur les dessins ci-joints et vont être exposés plus en détail dans la description ci- après. la figure 1 montre à titre de premier exemple de réalisation, un schéma par blocs d'un cir- cuit de protection avec détection indirecte de la tem- pérature de fonctionnement, la figure 2 montre, à titre de second exemple de réalisation, un schéma par blocs d'un dis- positif de protection avec une détection de la tempé- rature de fonctionnement par l'intermédiaire d'une ré- sistance dépendant de la température. Dans le cas de l'exemple de réalisation re- présenté sur la figure 1, un microcalculateur 10 pour la commande d'un moteur électrique 11, est relié à ce- lui-ci par l'intermédiaire d'un étage terminal de puissance 12 Cet étage terminal de puissance peut être réalisé sous la forme d'un étage terminal relais ou par un commutateur à semi-conducteurs Les ordres de commande pour le fonctionnement du moteur électri- que 11, sont appliqués au microcalculateur 10 à partir d'un dispositif de réglage 13, pour prédéfinir par exemple une vitesse de rotation déterminée n, un cou- ple déterminé N ou bien l'état de mise en circuit ou de mise hors circuit A/E A cet effet, le dispositif de réglage 13 peut comporter, d'une façon en soi con- nue, des potentiomètres, des commutateurs à plots ou bien d'autres commutateurs L'action d'un tel disposi- tif de réglage 13 sur un microcalculateur, ou bien sur un autre circuit électronique, pour obtenir le compor- tement de fonctionnement désiré du moteur électrique, est connue de diverses manières dans l'état de la technique, de sorte que l'on peut renoncer, dans ce cas, à entrer dans plus de détails. Les éléments constitutifs représentés en ti- rets dans le microcalculateur 10 servent uniquement à exposer le mode de fonctionnement de principe, les fonctions correspondantes étant réalisées par des com- posants compris habituellement dans les microcalcula- teurs. Pour détecter la vitesse de rotation de l'induit, il est prévu sur le moteur électrique 11, deux émetteurs de Hall 14, 15 dont les signaux sont appliqués à un générateur de fréquence 16 dans le mi- crocalculateur 10, pour modifier sa fréquence en fonc- tion de la vitesse de rotation de l'induit En outre, la tension d'alimentation U et la température exté- rieure Ta sont appliquées à ce générateur de fréquence 16 pour modifier sa vitesse de rotation La températu- re extérieure Ta est alors détectée par un détecteur de température 17 et appliquée au microcalculateur 10 par l'intermédiaire d'une interface MUX 18 Une aug- mentation de la vitesse de rotation de l'induit, de la tension d'alimentation ou bien de la température exté- rieure, se traduit respectivement par une élévation de la fréquence du générateur de fréquence 16 Pour ré- aliser ce générateur de fréquence 16, on peut faire appel à la fréquence de synchronisation existant de toute façon dans le microcalculateur 10 et qui, en cas de besoin, est subdivisée et est modifiée par des pro- cessus de calcul dans le microcalculateur en fonction des paramètres de fonctionnement précités Des conver- tisseurs analogiques numériques, éventuellement néces- saires pour convertir en valeurs numériques, les para- mètres de fonctionnement détectés, ne sont pas repré- sentés dans un but de simplification, mais ils peu- vent, bien entendu, être prévus en cas de besoin. La fréquence obtenue à la sortie du généra- teur de fréquence 16 est appliquée à l'entrée de comp- tage en avant V d'un dispositif de comptage 19 Simul- tanément, à l'entrée de comptage en arrière R de ce dispositif, est appliquée une autre fréquence du géné- rateur de fréquence 16 qui simule le processus de re- froidissement, c'est-à-dire la chaleur émise vers l'extérieur par le moteur électrique 11 Cette fré- quence de comptage en arrière peut, également, être influencée par la température extérieure Ta de façon que cette fréquence de comptage en arrière, augmente lorsque la température extérieure Ta décroît Par un tamponnage de batterie, non représenté, on peut obte- nir que ce processus de comptage en arrière simulant le refroidissement, puisse être continué, même lorsqu'il y a déconnexion du moteur électrique 11 ou bien de la tension d'alimentation. Dans une forme de réalisation plus simple, on peut également renoncer à l'influence exercée par la température extérieure Ta En outre, la détermina- tion indirecte de la température de fonctionnement, peut également s'effectuer de façon qu'il ne soit pré- vu comme paramètre de fonctionnement exerçant une in- fluence, que la tension d'alimentation U ou bien seu- lement la vitesse de rotation de l'induit. Si un état de compteur susceptible d'être prédéfini est atteint dans le dispositif de comptage 19, un signal de sortie est alors émis, grâce auquel un moyen électronique de déconnexion 20 est actionné, pour déconnecter l'étage terminal de puissance 12 et donc, le moteur électrique 11 Comme état de compteur susceptible d'être prédéfini, on peut par exemple uti- liser l'état maximal de comptage du dispositif de comptage 19, auquel cas, le signal déclenchant la dé- connexion est le signal de dépassement du dispositif de comptage 19 Le moyen de déconnexion 20 peut pré- senter une hystérésis de commutation, ou bien une tel- le hystérésis de commutation est obtenue grâce à une fonction distincte dans le microcalculateur 10 A cet effet, il peut par exemple être prévu un second état plus bas du compteur dans le dispositif de comptage 19, pour le franchissement vers le bas duquel le pro- cessus de remise en circuit est déclenché L'état de comptage du dispositif de comptage 19 représente la température de fonctionnement du moteur électrique 11, déterminée ou bien calculée indirectement par l'inter- médiaire d'autres paramètres de fonctionnement. La détermination indirecte de la température de fonctionnement peut, bien entendu aussi, s'effec- tuer d'une autre façon dans le microcalculateur 10, par exemple, par combinaison des paramètres de fonc- tionnement appliqués, par l'intermédiaire d'algorith- mes qui sont prédéfinis par le programme du microcal- culateur 10. En variante par rapport à un microcalcula- teur 10, on peut, bien entendu, utiliser également un autre circuit électronique fonctionnant numériquement ou analogiquement, dans lequel la température de fonc- tionnement est déterminée, de façon indirecte, de fa- çon appropriée Ceci peut s'effectuer dans le cas d'u- ne solution numérique correspondant à l'agencement re- présenté en tirets, par un générateur de fréquence, un moyen de comptage et un moyen de déconnexion, tandis que dans le cas analogique, on peut utiliser une sour- ce de tension variable pour la charge ou la décharge d'un condensateur Dans cette source de tension varia- ble, la tension de sortie est alors déterminée en fonction des paramètres de fonctionnement appliqués. Dans le cas de l'exemple représente sur la figure 2, les composants identiques ou bien agissant de façon identique, sont affectés des mêmes référen- ces, et ne sont pas décrits à nouveau Les variantes de réalisation mentionnées en liaison avec le premier exemple de réalisation, peuvent, bien entendu, trouver également leur application dans ce cas. Dans ou sur le moteur électrique 11, est disposée une résistance 21 dépendant de la températu- re, réalisée sous la forme d'une résistance NTC, qui forme, conjointement avec une autre résistance 22, un montage en série auquel est appliquée la tension d'a- limentation U Dans ce cas, il peut s'agir bien enten- du, également d'une tension stabilisée A la prise de ce diviseur de tension formé par les deux résistances 21, 22 est relié un étage de valeur de seuil 23 réali- se par exemple sous la forme d'une bascule de Schmitt, et dont le signal de sortie est appliqué au microcal- culateur 10 ou bien aux moyens électroniques de décon- nexion 20 pour provoquer la déconnexion du moteur électrique 11. Lorsque la température de fonctionnement augmente, la valeur de la résistance 21 dépendant de la température décroît, de sorte que la tension prise sur le diviseur de tension et donc la tension d'entrée de l'étage de valeur de seuil 23, décroît également. Si une valeur de seuil prédéfinie par l'étage de va- leur de seuil 23 est franchie vers le bas, alors le moteur électrique 11 est déconnecté de la façon déjà décrite par l'intermédiaire du moyen de déconnexion Du fait de l'hystérésis de commutation de l'étage de valeur de seuil 23, la remise en circuit ne s'ef- fectue alors que pour une tension de fonctionnement abaissée d'une quantité déterminée. La fonction de l'étage de valeur de seuil 23 peut, bien entendu, être remplie par le microcalcula- teur 10 lui-même C'est ainsi que par exemple, la ré- sistance 21 dépendant de la température ou bien le di- viseur de tension, peut être relié au microcalculateur par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique- numérique. Dans une forme de réalisation plus simple, le microcalculateur 10 peut également être supprimé et le moyen de déconnexion 20 peut être réalisé par un simple commutateur, par exemple un commutateur à semi- conducteurs Dans le cas d'une telle forme de réalisa- tion plus simple, le moyen de réglage 13 peut être remplacé par un simple commutateur et/ou un potentio- mètre pour le réglage de la vitesse de rotation. En variante aux hystérésis de commutation décrites, dans les deux exemples de réalisation, il peut, bien entendu, être également prévu une commande de temps, c'est-à-dire qu'après la déconnexion du mo- teur électrique 11, la remise en circuit est retardée d'un temps fixe, par l'intermédiaire d'un organe de * temps ou bien d'un organe de temporisation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection pour des mo- teurs électriques, notamment des moteurs de commande, contre une température de fonctionnement trop élevée, avec des moyens pour détecter la température de fonc- tionnement du moteur électrique et avec des moyens pour déconnecter automatiquement le moteur électrique lorsqu'une température limite de fonctionnement sus- ceptible d'être prédéfinie, est dépassée, dispositif de protection caractérisé en ce qu'il est prévu un ap- pareillage électronique ( 16, 19) calculant la tempéra- ture de fonctionnement indirectement à partir d'autres paramètres de fonctionnement du moteur électrique ( 11), et en ce que les moyens ( 20) pour la déconnexion automatique du moteur électrique ( 11) sont des moyens électroniques. 2. Dispositif de protection selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les autres paramè- tres de fonctionnement sont la durée de mise en cir- cuit en combinaison avec la tension d'alimentation et/ou la vitesse de rotation de l'induit. 3. Dispositif de protection selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que la tension d'alimen- tation est une tension de batterie. 4 Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est prévu pour détecter la vitesse de rota- tion de l'induit, au moins un émetteur Hall ( 14, 15). 5. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la température extérieure (Ta) est prévue comme grandeur de correction pour la température de fonc- tionnement calculée. 6. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens électroniques ( 20) utilisés pour la dé- connexion automatique, présentent une hystérésis de commutation. 7. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif de sécurité déconnectant le moteur électrique ( 11) lors du franchissement vers le bas d'une valeur limite inférieure de la vitesse de rotation de l'induit et/ou de la tension d'alimenta- tion ou lors du dépassement d'une valeur limite supé- rieure du courant électrique d'excitation pendant un intervalle susceptible d'être prédéfini de la durée de mise en circuit. 8. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu dans l'appareillage électronique, un moyen de comptage ( 19) qui, pendant la durée de mise en circuit du moteur électrique, compte une fréquence de comptage, tandis que cette fréquence de comptage est susceptible d'être modifiée en fonction de la ten- sion d'alimentation et/ou de la vitesse de rotation de l'induit et/ou de la température extérieure, dans le même sens que celles-ci et en ce que la température limite de fonctionnement susceptible d'être prédéfi- nie, est associée à une valeur du compteur susceptible d'être prédéfinie ou à la valeur maximale du compteur. 9. Dispositif de protection selon la reven- dication 8, caractérisé en ce que pour simuler le pro- cessus de refroidissement, une seconde fréquence de comptage est comptée dans la direction de comptage op- posée. 10. Dispositif de protection selon la re- vendication 9, caractérisé en ce que cette seconde fréquence de comptage est susceptible d'être modifiée en fonction de la température extérieure. 11. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'appareillage électronique pour le calcul et les moyens pour la déconnexion automatique, sont ré- alisés sous la forme d'un microcalculateur ( 10). 12 Dispositif de protection pour des mo- teurs électriques, notamment des moteurs de commande, contre une température de fonctionnement trop élevée, avec des moyens pour détecter la température de fonc- tionnement du moteur électrique et avec des moyens pour déconnecter automatiquement le moteur électrique, lors du dépassement d'une température limite de fonc- tionnement susceptible d'être prédéfinie, dispositif de protection caractérisé en ce que pour détecter la température de fonctionnement, il est prévu une résis- tance dépendant de la température ( 21) et un compara- teur ( 23) commutant en fonction de la chute de tension sur cette résistance, et agissant sur les moyens ( 20) pour la déconnexion automatique, et en ce que les moyens ( 20) pour la déconnexion automatique du moteur électrique, sont des moyens électroniques. 13. Dispositif de protection selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que la résistance dé- pendant de la température est réalisée sous la forme d'une résistance NTC. 14 Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que la résistance dépendant de la température ( 21) forme avec une autre résistance ( 22) un diviseur de tension alimenté par la tension d'alimentation, et dont la prise est reliée à une entrée du comparateur ( 23) pour permettre la comparaison avec une tension de référence. 15. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le comparateur ( 23) présente une hystérésis de commutation.