Brevet FR2699014A1 — publié le 19940610

"Eauipement de distribution électria-ue avec capacité d'estimation du couple" La présente invention concerne, d'une façon générale, des équipements de distribution électrique Plus particulièrement, la présente invention concerne un disjonc- teur ou un contacteur qui comprend un appareil d'estimation de couple pour obtenir des mesures de couple à partir des capteurs de contacteurs ou de disjoncteur qui y sont conte- nus. Dans une installation de moteur, il est souvent nécessaire de surveiller le couple produit par le moteur, en particulier si le moteur est utilisé pour entraîner une charge complexe comme, par exemple, une pompe ou une vanne. Des systèmes électromécaniques capteurs de couple sont quelquefois utilisés mais sont limités à cause des contrain- tes physiques, des coûts élevés et des manques de fiabilité et de robustesse Une autre possibilité récente pour surveil- ler un couple repose sur la détection du courant par un transformateur de courant unique placé dans l'une des trois phases alimentant le moteur d'entraînement En particulier, le courant est supposé représenter une traduction scalaire du couple réel produit par le moteur. Malheureusement, comme on le déduit du circuit équivalent à l'état stable d'un moteur à induction, la relation entre le courant et le couple de sortie (couple d'arbre) n'est pas fixe mais varie lorsque le facteur de puissance et le rendement changent pour différentes charges et vitesses, comme représenté à la figure 1 D'autres facteurs qui affectent la relation entre le courant et le couple d'arbre incluent la saturation et les constantes de temps électrique et mécanique du rotor Par conséquent, utiliser le courant pour déduire l'état de la charge et la nature des défauts donne des erreurs non négligeables. Un autre procédé pour surveiller la sortie du couple dans un moteur à induction implique une approche basée sur un modèle dans lequel la connaissance des paramètres du moteur (comme par exemple les résistances de stator et de rotor, les inductances de fuite et l'inductance d'aimanta- tion), et la vitesse du moteur est requise en plus des courants et tensions du moteur Malheureusement, les paramè- tres du moteur doivent être donnés, mesurés ou estimés, et une estimation dans des conditions transitoires est difficile et peut impliquer des calculs complexes. Par conséquent, il est souhaitable de proposer un moyen pour estimer de façon précise le couple dans un moteur à induction en utilisant aussi bien une information de tension que de courant, information qui peut provenir de capteurs de disjoncteur qui fonctionnent pour protéger le moteur contre les surintensités et les sous-tensions De même, une telle information peut provenir de capteurs de contacteurs ou dispositifs similaires dans un centre de commande du moteur En outre, il est souhaitable que de telles mesures de couple soient effectuées sans avoir besoin de mesurer la vitesse ni les paramètres du moteur. Un disjoncteur pour protéger un système entraîné par un moteur contre les surintensités et les sous-tensions inclut des capteurs de tension et d'intensité ainsi qu'un moyen d'estimation du couple pour générer des mesures de couple à partir des courants et des tensions détectés Le moyen d'estimation de couple est réalisé par logiciel sur une puce de commande de l'ordinateur du disjoncteur Avantageu- sement, l'état de la charge sur l'arbre du moteur est donc déterminé précisément sans avoir besoin de connaître la vitesse ni les paramètres du moteur. De façon similaire, un contacteur contient des capteurs de courant et de tension ainsi qu'un moyen d'estima- tion de couple pour générer des mesures de couple à partir des courants et tensions détectés. Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante de l'invention, prise en liaison avec les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation graphique du couple d'arbre en fonction du courant de ligne pour un moteur typique la figure 2 est un schéma qui montre un disjoncteur ou un contacteur contenant un moyen d'estimation de couple conforme à la présente invention; la figure 3 représente graphiquement (a) un couple mesuré selon les procédés mécani- ques classiques, (b) un couple estimé suivant la présente inven- tion; et (c) le courant d'un moteur RMS; et la figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation possible du disjoncteur ou du contacteur de la figure 2. La figure 2 représente schématiquement un disjonc- teur ou un contacteur pour un système entraîné par un moteur, conforme à la présente invention, qui contient un moyen pour fournir des mesures précises du couple de sortie du moteur. Le disjoncteur ou contacteur de la figure 2 est représenté comme placé dans un boîtier 10 Les lignes d'entrée 12-14 sont couplées à une source d'alimentation alternative triphasée (non représentée) Les courants dans les lignes 12- 14 sont respectivement mesurés par des capteurs de courant 16-18, qui sont représentés à la figure 2 comme étant des transformateurs de courant Toutefois, on peut utiliser d'autres capteurs de courant appropriés comme par exemple des capteurs de courant à effet Hall ou des systèmes à flux nul. Chaque transformateur de courant comprend une bobine 20-22 enroulée autour d'un noyau de transformateur correspondant 24-26 Une résistance chimique 28-30 est respectivement branchée aux bornes de chaque bobine 20-22 de sorte que la tension aux bornes de la résistance ohmique respective 28-30 est proportionnelle au courant qui passe dans la ligne d'entrée correspondante 12-14 La sortie de chaque transfor- mateur de courant est envoyée à un système d'ordinateur 31 pour commander le disjoncteur. Le disjoncteur ou contacteur de la figure 1 contient en outre des capteurs de tension 32-34 pour mesurer la tension aux bornes de chaque phase du moteur Les capteurs de tension sont représentés comme étant des transformateurs de potentiel 36-38 et des diviseurs résistifs de tension 40- 42 Toutefois, on peut utiliser d'autres capteurs de tension appropriés comme des diviseurs capacitifs ou résistifs de tension La tension à la sortie de chaque diviseur 40-42 est envoyée au système d'ordinateur 31 (via des convertisseurs analogique-numérique A/N 43) et est proportionnelle à la tension de la phase correspondante du moteur. Un actionneur 44 de contact est commandé par le système d'ordinateur 31 via le circuit 45 d'excitation de sortie pour ouvrir ou fermer les contacts 46-48 en réponse à une surintensité ou une sous-tension (à savoir pour un disjoncteur) ou à tout autre signal de courant prédéterminé (pour un contacteur), comme mesuré par les capteurs de courant 16-18, de façon bien connue Selon une autre possibi- lité, l'actionneur 44 peut être commandé via le système d'ordinateur 31 par une commande à distance conformément au JL bien connu dans la technique. Le système d'ordinateur 31 comprend en outre un moyen 50 d'estimation du couple pour envoyer des estimations de couple à une interface/indicateur 52 qui envoie les mesures du couple à un réseau de communication, comme représenté, ou fournit une lecture des mesures de couple, soit localement, soit à distance, comme on le souhaite. Suivant la présente invention, le moyen 50 d'esti- mation de couple génère des estimations de couple en réponse aux courants et tensions mesurés par les capteurs respectifs 16-18 et 32-34, en utilisant l'expression suivante du couple électromagnétique Te dans une machine électrique: 1 (d L ( 0) Te i T i ( 1) 2 de dans laquelle: L( 0) représente une matrice d'inductance pour le moteur; et i T représente la transposée du vecteur courant i: i lisl, i 82 is 3 r ir ir 2, ir 3 l, et ill i = is 3 irl ir 2 g ir 3- isl représentant les courants triphasés du stator et ii représentant les courants triphasés du rotor (indice i = 1, 2, 3) De même, les tensions triphasées de stator et de rotor sont représentées par le vecteur: v = lVs 1, Vs 2, V 53, Vrl, vr 2, vr 3 l On peut intégrer ces tensions pour obtenir les coefficients de couplage inductifs: A = l 4 A 51, As 2, rs 3 Arl, 4 r 2, r 3 l- Si on transforme toutes les variables de l'équation ( 1) vers un référentiel du stator et d'un système de coordon- nées triphasées à un système de coordonnées biphasées de façon bien connue, le couple électromagnétique Te peut être représenté en fonction des courants de stator et des coupla- ges inductifs de stator par: Te = 3/2 p lisdisq isdtsql ( 2) dans laquelle: p représente le nombre de paires de pôles; et sd I, lsqr isd et is 8 sont respectivement les composantes biphasées des flux de stator et des courants de stator. Les composantes biphasées transformées des courants de stator et des tensions de stator sont représentées en fonction des composantes triphasées par: isd = is 1; isq = 3-(is 2 is 3) = (isl + 2 is 2); Vsd = Vs 1; Vsq = 3 (Vs 2 Vs 3) = 3 (vsl + 2 vs 2) Les composantes transformées des courants de stator et des flux de stator peuvent être également reliées par: d F Xsd i F Vsd l isd 1 Fr 3 ol dt s L S L vsq isq O rs j ' ( 3) Formule dans laquelle rs représente la résistance de stator Les tensions et courants de stator sont mesurés par les capteurs de courant et de tension, comme décrit ci- dessus, et la résistance de stator rs est facilement mesurée. (L'utilisation de la mesure de la résistance de stator améliore la précision des estimations de couple) Le couple est ainsi déterminé de façon précise à partir de ces mesures par le moyen 50 d'estimation de couple qui utilise les équations ( 2) et ( 3). A titre de comparaison, la figure 3 a représente de façon graphique le couple mesuré pendant le fonctionnement d'un moteur triphasé en utilisant un capteur électromécanique de couple et la figure 3 b représente le couple estimé suivant la présente invention La figure 3 c représente le courant de moteur RMS Si on compare les graphiques des figures 3 a et 3 b, il est clair que le moyen d'estimation du couple de la présente invention donne des estimations de couple précises. En fait, le moyen d'estimation de couple donne une mesure de couple encore meilleure que le capteur de couple pour un couple nul De plus, le graphique de la figure 3 c, comparé aux graphiques des figures 3 a et 3 b, montre en outre comment le courant n'est pas une traduction scalaire du couple réel produit par le moteur. Suivant un autre mode de réalisation possible, les capteurs de tension et de courant sont contenus dans un module 80 séparé du système d'ordinateur 31 et du disjoncteur ou contacteur, comme représenté par les lignes pointillées de la figure 2 De cette façon, on obtient des mesures de courant et de tension, et donc des estimations de couple, encore plus précises, car on évite l'utilisation de compo- sants miniaturisés. Dans encore un autre mode de réalisation possible, représenté schématiquement à la figure 4, il y a trois modules pour contenir: ( 1) les capteurs de courant et tension (respectivement représentés comme des transformateurs de courant CT et des transformateurs de potentiel PT); ( 2)le disjoncteur ou contacteur 10 ' avec un système d'ordinateur 31 ' modifié (c'est-à-dire sans moyen d'estimation de couple); et ( 3) un moyen d'estimation de couple 50 '. Pour ce mode de réalisation, le moyen d'estimation de couple contient ses propres circuits électroniques, c'est- B à-dire des convertisseurs A/N et des commandes, séparés de ceux du disjoncteur ou contacteur 10 '. Avantageusement, un disjoncteur conforme à la présente invention fournit une protection contre les surin- tensités et les sous-tensions et une capacité précise d'estimation de couple à l'intérieur d'un emballage unique. De même, un contacteur conforme à la présente invention inclut une capacité d'estimation de couple Donc, l'état d'une charge entraînée par un moteur peut être déterminé de façon précise et fiable, ainsi que la nature des défauts dans le moteur ou la charge. Bien que les modes préférés de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits ici, il est clair que de tels modes de réalisation ne sont donnés qu'à titre purement illustratif et non limitatif De nombreu- ses variantes, modifications et substitutions apparaîtront clairement à l'homme de l'art sans quitter le champ d'appli- cation de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Disjoncteur à utiliser dans un système entraîné par moteur, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen ( 16, 18) de détection du courant pour mesurer le courant dans chaque phase respective du moteur; un moyen ( 32, 34) de détection de tension pour mesurer la tension aux bornes de chaque phase respective du moteur; un moyen d'actionnement ( 44) pour commander une paire de contacts ( 46, 48) reliés de façon fonctionnelle à l'intérieur de chaque phase respective du moteur, ledit moyen d'actionnement ouvrant ou fermant lesdits contacts en réponse à une indication de surintensité par le moyen de détection de courant ou une indication de sous-tension par le moyen de détection de la tension; et un moyen formant ordinateur ( 31) pour recevoir les tensions et courants mesurés provenant respectivement desdits moyens de détection du courant et desdits moyens de détection de la tension et pour commander ledit moyen d'actionnement en réponse à ceux-ci, ledit moyen formant ordinateur comprenant en outre un moyen ( 50) d'estimation du couple pour estimer le couple de sortie du moteur à partir des courants et tensions mesurés. 2 Disjoncteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le moteur est triphasé, ledit moyen d'estima- tion de couple transformant les tensions et courants mesurés dans un référentiel de stator biphasé et obtenant le couple de sortie Te de la façon suivante: Te = 3/2 p ls disq -isdisql expression dans laquelle: Xsd' X q i 5 c et isq sont respectivement des composantes biphasées transformées des flux de stator et des courants mesurés; et dt S dt kqal l V 5 Ul l lûtl l r l zo Vq S 0 rs expression dans laquelle: sd et vsq représentent les tensions mesurées biphasées transformées et rs représente la résistance de stator. 3 Disjoncteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit moyen de détection du courant comprend des transformateurs de détection du courant. 4 Disjoncteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit moyen de détection de la tension comprend des transformateurs de potentiel. 5 Disjoncteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend, en outre, un boîtier ( 10) pour l'enfermer. 6 Disjoncteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce aue ledit moyen de détection du courant et ledit moyen de détection de la tension sont contenus dans un module de détection séparé dudit moyen d'actionnement, desdits contacts et dudit moyen formant ordinateur. 7 Disjoncteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour coupler ledit moyen formant ordinateur à un moyen de comm Lunication afin de commander à distance ledit moyen d'actionnement par l'intermédiaire dudit moyen formant ordinateur. 8 Disjoncteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce eue lesdits moyens de détection du courant et de la tension, ledit moyen d'actionnement et ledit moyen d'estimation du couple sont chacun emballés respectivement dans un module séparé. 9 Contacteur à utiliser dans un système entraîné par moteur, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen de détection du courant pour mesurer l le courant dans chaque phase respective du moteur; un moyen de détection de tension pour mesurer la tension aux bornes de chaque phase respective du moteur; un moyen d'actionnement pour commander une paire de contacts reliés de façon fonctionnelle à l'intérieur de chaque phase respective du moteur, ledit moyen d'actionne- ment ouvrant ou fermant lesdits contacts en réponse à un signal de commande; et un moyen formant ordinateur pour recevoir les tensions et courants mesurés provenant respectivement desdits moyens de détection du courant et desdits moyens de détection de la tension et pour commander ledit moyen d'actionnement en réponse à ceux-ci, ledit moyen formant ordinateur comprenant en outre un moyen d'estimation du couple pour estimer le couple de sortie du moteur à partir des courants et tensions mesurés. Contacteur selon la revendication 9, caracté- risé en ce que le moteur est triphasé, ledit moyen d'estima- tion de couple transformant les tensions et courants mesurés dans un référentiel de stator biphasé et obtenant le couple de sortie T de la façon suivante: Te = 3/2 p ltsdiq i 8 d 2 ql expression dans laquelle: ,sd 2 sqi i a et i 50 sont respectivement des composantes biphasées transformées des flux de stator et des courants mesurés; et d lXsd j _ FV Sd Sd rs d t LXJ L J L 5 J O expression dans laquelle: vsd et v q représentent les tensions mesurées biphasées transformées et r, représente la résistance de stator. 11 Contacteur selon la revendication 9, caracté- risé en ce que ledit moyen de détection du courant comprend des transformateurs de détection du courant. 12 Disjoncteur selon la revendication 9, caracté- risé en ce que ledit moyen de détection de la tension comprend des transformateurs de potentiel. 13 Contacteur selon la revendication 9, caracté- risé en ce qu'il comprend, en outre, un boîtier pour l'enfer- mer. 14 Contacteur selon la revendication 9, caracté- risé en ce que ledit moyen de détection du courant et ledit moyen de détection de la tension sont contenus dans un module de détection séparé dudit moyen d'actionnement, desdits contacts et dudit moyen formant ordinateur. 15 Contacteur selon la revendication 9, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour coupler ledit moyen formant ordinateur à un moyen de communication afin de commander à distance ledit moyen d'actionnement par l'intermédiaire dudit moyen formant ordinateur. 16 Contacteur selon la revendication 9, caracté- risé en ce que lesdits moyens de détection du courant et de la tension, ledit moyen d'actionnement et ledit moyen d'estimation du couple sont chacun emballés respectivement dans un module séparé. 17 Système de distribution électrique dans un centre de commande de moteur, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen de détection du courant pour mesurer le courant dans chaque phase respective du moteur; un moyen de détection de la tension pour mesurer la tension aux bornes de chaque phase respective du moteur; un moyen d'actionnement pour commander une paire de contacts reliés de façon fonctionnelle à l'intérieur de chaque phase respective du moteur, ledit moyen d'actionne- L ment ouvrant ou fermant lesdits contacts en réponse à une indication de surintensité par le moyen de détection de courant ou une indication de sous-tension par le moyen de détection de la tension respectivement; un moyen formant ordinateur pour commander ledit moyen d'actionnement en réponse à cela, ledit moyen formant ordinateur comprenant en outre un moyen d'estimation du couple pour recevoir les tensions et courants mesurés provenant respectivement desdits moyens de détection du courant et desdits moyens de détection de la tension et pour estimer le couple de sortie du moteur à partir des courants et tensions mesurés; et un moyen pour coupler ledit moyen d'estimation de couple à un moyen de communication afin de commander à distance un moteur en réponse au signal de couple estimé fourni par ledit moyen d'estimation de couple. 18 Système de distribution électrique selon la revendication 17, caractérisé en ce que le moteur est triphasé, ledit moyen d'estimation de couple transformant les tensions et courants mesurés dans un référentiel de stator biphasé et obtenant le couple de sortie Te de la façon suivante: Te = 3/2 p lAdiq isd sql dans laquelle: Asd R Asq, i, et iq sont respectivement des composantes biphasées transformées des flux de stator et des courants mesurés; et d l Xsd l l Vsd il rl O dt h issq J L Vsq i sq o r 5 dans laquelle: vsd et vq représentent les tensions mesurées biphasées transformées et r représente la résistance de stator. 19 Système de distribution électrique selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit moyen de détection du courant comprend des transformateurs de détec- tion du courant. Système de distribution électrique selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit moyen de détection de la tension comprend des transformateurs de potentiel. 21 Système de distribution électrique selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit moyen de détection du courant et ledit moyen de détection de la tension sont contenus dans un module de détection séparé dudit moyen d'estimation de couple.