Brevet FR2699761A1 — publié le 19940624

1. Procédé et dispositif de rétrogradation d'un moteur à nombre de pôles variable. La présente invention concerne un procédé de rétrogradation d'un moteur à nombre de pôles variable à la vitesse de rotation inférieure, une rétrogradation diphasée à la vi- tesse inférieure étant d'abord assurée, ainsi qu'un disposi- tif pour connecter la troisième phase d'un moteur à nombre de pôles variable, sur lequel une rétrogradation diphasée à la vitesse inférieure est d'abord assurée. Les moteurs à nombre de pôles variable sont des machines asynchrones, dans le stator desquelles est logé plus d'un système d'enroulement Différentes vitesses de sortie sont permises par la commutation de l'enroulement de stator correspondant Les vitesses de rotation résultent du nombre de tours et du nombre de pôles respectif, et ont donc un rapport mutuel entier En règle générale, les enroulements de stator sont des enroulements autonomes, séparés galvani- quement entre eux. Les différentes applications nécessitent, non seulement la connexion/déconnexion de chaque vitesse de rotation indivi- duelle, mais aussi la commutation entre les vitesses Sur un moteur à l'arrêt, la connexion de chaque vitesse de rotation ne diffère de celle d'un moteur à une seule vitesse que dans la mesure o le temps d'accélération est accru par la masse propre, relativement plus élevée, du moteur à nombre de pâles variables La commutation entre les vitesses de rota- tion, et la rétrogradation à la vitesse inférieure, no- tamment, constituent toutefois une nouvelle situation, avec un comportement typique de moteurs à plusieurs polarités Le couple de rétrogradation développé atteint un multiple du couple de démarrage Cet à-coup se traduit par une usure accrue et par des vibrations dans la mécanique d'entraîne- ment, ainsi que par un développement renforcé du bruit Pour des raisons physiques, l'allure du couple en marche hyper- synchrone est essentiellement plus élevée qu'en marche sub- synchrone Cette remarque concerne, notamment, le couple de renversement de la génératrice, qui détermine essentielle- ment la dureté de la rétrogradation. Pour éviter les inconvénients décrits dans la rétrogradation de moteurs à plusieurs polarités et/ou les réduire à un degré tolérable, différentes mesures techniques sont appli- quées. En régime diphasé, un moteur à induction développe un couple moins élevé qu'en régime triphasé et d'une allure ellipti- que Le choix des deux phases n'a aucune influence sur l'allure du couple Dans la plage de fonctionnement hyper- synchrone, le procédé de rétrogradation diphasée permet d'obtenir la réduction voulue du couple Le problème est qu'il faut revenir au régime triphasé immédiatement avant la vitesse de rotation synchrone. Si la troisième phase est connectée trop tôt, c'est-à-dire pendant le couple de renversement de la génératrice, l'à- coup de la rétrogradation n'est qu'insuffisamment réduit. Mais une connexion trop tardive signifie que l'entraînement, en mode de fonctionnement moteur, déjà, fonctionne avec un couple très réduit, largement inférieur au couple nominal. Pour des treuils de levage, notamment, cet état doit être absolument évité. L'efficacité du procédé décrit est essentiellement détermi- née par la précision de l'instant de connexion de la troi- sième phase Si la connexion temporisée représente la dépen- se minimale, son fonctionnement n'est satisfaisant que dans5 des cas exceptionnels, car la durée de la phase de freinage est rarement constante dans la pratique La connexion en fonction de la vitesse de rotation mesurée est beaucoup plus précise est exempte d'influences externes L'inconvénient de ce procédé réside dans les dépenses techniques du dispositif de mesure et de l'installation. Ce procédé, avec un "ventilateur lourd" et/ou une masse d'inertie additionnelle, est souvent appliqué, car les dé- penses techniques sont faibles et toute commande supplémen- taire est superflue Les contacteurs et commandes électroni- ques correspondantes sont supprimés, ainsi que leur ajustage et leur installation La masse d'inertie supplémentaire est souvent réalisée en forme du ventilateur autonome. Le mode d'action repose sur le fait que la masse d'inertie supplémentaire est un accumulateur d'énergie dynamique, et modère les processus d'accélération lors du changement de vitesse. L'inconvénient est que ce processus s'exerce, non seulement lors de la rétrogradation, mais aussi à chaque opération de démarrage Un autre inconvénient majeur réside dans les pertes accrues A chaque opération de démarrage et de commu- tation, le moteur fonctionne en marche renversée et présente des pertes, liées au principe, encore renforcées par les phases plus longues de démarrage et de décélération Une récupération de l'énergie cinétique de la masse d'inertie nf'est pas possible. La fréquence de couplage admissible de moteurs, utilisés en marche cyclique, est considérablement réduite ou nécessite des mesures supplémentaires pour la résistance à la chaleur et le refroidissement auxiliaire Outre le coût des dépenses techniques, les dépenses courantes en pertes d'énergie accrues peuvent devenir un inconvénient majeur de ce procé- dé. L'invention vise à réduire le couple de rétrogradation de moteurs à plusieurs polarités, de sorte qu'il corresponde à peu près au couple de démarrage Les inconvénients respec- tifs des procédés précités, quant au fonctionnement, aux dépenses techniques et aux coûts d'exploitation, doivent être évités Les moteurs à commutation de polarité utilisés ne doivent, à cet effet, nécessiter aucun dispositif supplé- mentaire spécial, tel qu'un tachymètre. Dans un procédé du type cité en introduction, cet objectif est atteint, conformément à l'invention, par le fait que la troisième phase est connectée en cas de dépassement par le bas d'un courant de commutation donné Un dispositif pour la réalisation du procédé, conforme à l'invention, se caracté- rise par un dispositif de mesure du courant dans une phase connectée, par un comparateur pour comparer le courant effectif et une valeur du courant de commutation, et par un commutateur dans la troisième phase à connecter. L'invention évite donc une connexion minutée de la troisième phase, d'une part, les dépenses requises pour la mesure de la vitesse de rotation, d'autre part, mais recourt directe- ment au courant pour la détermination de l'instant de conne- xion de la troisième phase Il s'est avéré que le courant, d'abord relativement constant après le retour au régime diphasé, baisse fortement avant la marche synchrone, de sorte qu'une connexion de la troisième phase peut être provoquée par une baisse du courant La connexion de la troisième phase est de préférence assurée, lorsque le cou- rant, en régime diphasé, est réduit à peu près de moitié par rapport à sa valeur initiale Le procédé et le dispositif conformes à l'invention permettent l'exploitation de moteurs standard. Une fixation précise de la valeur du courant de commutation peut être assurée par le fait que cette valeur est détermi- née à partir du courant diphasé en marche subsynchrone, les valeurs de commutation étant élevées en continu pour régler la valeur du courant de commutation en régime diphasé sub- synchrone de l'enroulement de haute polarité, jusqu'à ce que la troisième phase soit connectée pour une valeur de courant de commutation adéquate. Dans une configuration avantageuse du procédé, le courant d'une phase est comparé à la valeur du courant de commuta- tion réglée, et la troisième phase est connectée en cas de dépassement par le bas de cette valeur. Une autre mesure préférentielle réside en ce que le signal de mesure du courant sert à l'alimentation en énergie lors des opérations de couplage. La spécificité de l'invention réside en une connexion auto- matique de la troisième phase, immédiatement avant la vi- tesse de rotation synchrone Cet instant est optimal, car aucune élévation du couple ne se produit lors du passage à la caractéristique triphasée, et le couple intégral est disponible lors du passage au mode de fonctionnement moteur. D'après des configurations préférentielles du dispositif, il peut être prévu que le dispositif de commutation présente un commutateur électronique dans la troisième phase, ce commu- tateur étant un triac ou présentant deux thyristors montés en tête-bêche dans la troisième phase Pour connecter la tension d'amorçage des commutateurs électroniques, triac ou thyristor, une autre mesure peut consister en ce que le dispositif de commutation présente un relais ou un opto- coupleur. Dans d'autres configurations du dispositif conforme à l'in- vention, un indicateur est prévu pour indiquer la connexion de la troisième phase du moteur, ainsi qu'un redresseur côté entrée Un tel indicateur est utile pour la mise en service. Le dispositif conforme à l'invention est un appareil auxi- liaire électronique, qui évite l'inconvénient d'une rétro- gradation rude, en combinaison avec des moteurs du commerce à nombre de pôles variable L'appareil est simplement bouclé en deux phases du câble d'alimentation du moteur pour l'en- roulement de haute polarité, et ne nécessite, ni organes de commutation externes, ni alimentation en courant supplémen- taire. L'instant de la connexion est piloté par une électronique, qui ne nécessite aucune information externe par des cap- teurs, ou autres L'instant de commutation optimal est ex- clusivement établi à partir des données électriques, déter- minées, dans l'appareil de commutation, par l'intermédiaire du câble d'alimentation du moteur. L'invention part donc de la rétrogradation diphasée à la vitesse inférieure Suivant l'invention, la troisième phase est connectée automatiquement, immédiatement avant la vi- tesse de rotation synchrone, par mesure du courant L'élé- ment de commutation utilisé est un semi-conducteur de puissance, tel que triac ou montage de thyristors en tête- bêche L'alimentation en courant de l'électronique de commu- tation peut être fournie directement par le secteur du moteur, à savoir par la phase, dont le courant est mesuré. L'instant de commutation optimal est exclusivement déterminé à partir des données électriques d'un câble d'alimentation du moteur, commuté sur l'enroulement de polarité supérieure lors d'une rétrogradation diphasée. L'alimentation en courant de l'électronique de signalisation est assurée par l'énergie du signal de mesure du transforma- teur de courant. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-dessous, dans laquelle sont explicités des exemples de5 construction en faisant référence aux dessins annexés Ces derniers correspondent à: Figure 1: Figure 2: les caractéristiques d'un moteur en mode de fonc- tionnement moteur et génératrice, triphasé et diphasé, pour un moteur à nombre de pôles varia- ble, l'allure du courant sur un moteur à nombre de pôles variable, Figure 3: Figure 4: Figure 5: un schéma fonctionnel du dispositif conforme à l'invention pour la connexion de la troisième phase, sur un moteur à nombre de pôles variable, une première forme de construction du dispositif conforme à l'invention pour la connexion de la troisième phase sur un moteur à nombre de pôles variable, avec un triac comme commutateur, une autre forme de construction, correspondante à celle de la figure 4, avec des thyristors montés en tête-bêche comme commutateurs. La figure 1 représente les couples sur un moteur à nombre de pôles variable La courbe A désigne le couple en fonction de la vitesse de rotation pour le petit nombre de paires de pôles, et en conséquence pour la vitesse de rotation supé- rieure La courbe B indique les couples pour le régime triphasé du nombre supérieur de paires de pôles, c'est-à- dire pour la vitesse de rotation inférieure Il apparaît que, en marche hypersynchrone ou en mode de fonctionnement en génératrice (à droite du passage par le zéro de la cour- be), les couples absolus sont considérables et essentielle- ment supérieurs aux valeurs, obtenues pour le nombre infé- rieur de paires de pôles suivant la courbe A C'est-à-dire que, en cas de rétrogradation de la vitesse supérieure à la5 vitesse inférieure, donc du passage de la courbe A à la courbe B, des couples notables seraient développés et débou- cheraient sur une forte sollicitation de la mécanique, à savoir du moteur lui-même et de la machine qu'il entraîne. La courbe C indique les couples en régime diphasé pour le nombre de paires de pôles supérieur, c'est-à-dire la vitesse de rotation synchrone inférieure Il apparaît que, en cas de passage en marche hypersynchrone du nombre inférieur de paires de pôles, à la vitesse définie par ce dernier, au nombre de paires de pôles supérieur, les couples correspon- dent à peu près aux valeurs du mode de fonctionnement en moteur antérieur, à la vitesse de rotation supérieure (cour- be A) Mais il est visible que les couples en régime dipha- sé, lors du passage aux vitesses subsynchrones, c'est-à-dire au mode de fonctionnement moteur, sont essentiellement infé- rieurs pour le nombre de pôles supérieur, de sorte qu'il existe un risque de chute pour un treuil de levage, tandis que l'alimentation en énergie est quasiment nulle pour un mécanisme de roulement En revanche, le couple en mode de fonctionnement moteur, avec une connexion des trois phases, s'élève de nouveau, pour le nombre de pôles supérieur, dans le domaine du couple du nombre de pôles inférieur. Il ressort donc de ces courbes de couples qu'il est souhai- table de passer, dans un premier temps, du mode de fonc- tionnement moteur, avec le nombre de paires de pôles infé- rieur (vitesse élevée, courbe A), au régime diphasé pour le nombre de paires de pôles supérieur (vitesse synchrone infé- rieure, courbe C), puis de connecter la troisième phase à la vitesse synchrone inférieure, c'est-à-dire de passer au régime triphasé du nombre de paires de pôles élevé (courbe B). La figure 2 représente le courant en fonction de la vitesse de rotation pour le nombre de paires de pôles élevé, c'est- à-dire la faible vitesse de rotation synchrone La courbe D indique le courant en régime triphasé, tandis que la courbe E représente le courant en régime diphasé Il apparaît que, avec la connexion de deux phases seulement (courbe E) en mode de fonctionnement moteur, le courant reste au-dessous d'une valeur, prise en mode de fonctionnement génératrice au voisinage de la vitesse de rotation synchrone En mode de fonctionnement moteur et pour deux phases connectées, la valeur de courant pour laquelle, après le retour au mode de fonctionnement génératrice, il convient de connecter la troisième phase, à partir des deux phases (phase CONNEXION), est déterminée A cet effet, une valeur de courant est réglée à l'aide d'un potentiomètre et élevée sur plusieurs cycles, jusqu'à ce qu'une connexion de la troisième phase, c'est-à-dire un passage de la courbe E à la courbe D sur la figure 2, soit assurée en mode de fonctionnement moteur. Cette valeur de courant est prise comme valeur de courant de commutation pour la connexion de la troisième phase en mode de fonctionnement génératrice, après que la rétrogradation de la vitesse de rotation élevée à la vitesse réduite ait d'abord été assurée, comme explicité ci-dessus. Un dispositif ou circuit, conforme à l'invention (figure 3), prévoit à cet effet, dans l'une des phases à connecter en régime diphasé, L 2 par exemple, un ampèremètre 1, qui ferme un commutateur 3, par l'intermédiaire d'une électronique de comparaison 2, dans la phase non connectée dans un premier temps en régime diphasé, la troisième phase L 3 par exemple, de sorte que cette dernière est également connectée à l'ob- tention de la valeur du courant de commutation définie, et que le passage au triphasé est assuré pour la marche subsyn- chrone ou pour le mode de fonctionnement moteur La phase Ll est alimentée Kl et/ou K 2 désignent les contacteurs pour la connexion de la vitesse de rotation plus lente et/ou plus rapide. Des configurations concrètes du dispositif conforme à l'in- vention sont reproduites sur la figure 4 Les références L 2,5 L 2 ' sont de nouveau affectées à une phase des enroulements du moteur, à connecter en régime diphasé 1 désigne la mesure et la prise de courant de cette phase Le courant peut être prélevé par l'intermédiaire d'un transformateur de tension 14 et d'un redresseur 15 (figure 5) Il est transmis à l'une des entrées d'un comparateur 6, dont l'autre entrée est alimentée par la valeur du courant de commutation men- tionnée (valeur de référence Vref), par l'intermédiaire d'un potentiomètre 7 (figure 4) Le circuit présente par ailleurs un transistor 8, auquel sont reliés un indicateur 9 et un commutateur 11, ce dernier pouvant être un opto-coupleur ou un relais Un commutateur électronique 13 est mis en circuit par l'intermédiaire du commutateur 11 dans la troisième phase à connecter au moteur, telle que la phase L 3, L 3 '. Comme reproduit sur la figure 4, le commutateur électronique 13 peut être un triac, fonctionnant en bidirectionnel. Au lieu de cette mesure, il est également possible de monter deux thyristors 16, 17 en tête-bêche dans la ligne d'alimen- tation de la phase L 3, L 3 ', ces thyristors nécessitant dans ce cas un signal de commutation pour l'amorçage (figure 5). Le comparateur 6 présente une hystérésis pour la connexion et la déconnexion de la troisième phase en fonction du courant mesuré Avec une variation du niveau de commutation, l'hystérésis est également modifiée d'une manière propor- tionnelle. Le retour à l'enroulement de haute polarité génère en régime triphasé un courant, qui dépasse largement par le haut le niveau "phase DECONNEXION" (figure 2) Ce phénomène garantit que le circuit passe immédiatement en régime diphasé Si l IL l'entraînement s'approche de la vitesse de rotation syn- chrone, le courant chute en régime diphasé et dépasse par le bas le niveau de commutation "phase CONNEXION" (figure 2). La troisième phase est de ce fait reconnectée Le courant, alors produit, présente une faible élévation, largement insuffisante, toutefois, pour redépasser par le haut le niveau "phase DECONNEXION" Le système reste donc en régime triphasé Dans le choix des seuils de commutation, il est essentiel que le courant, en mode de fonctionnement moteur, ne dépasse en aucun cas par le haut le seuil de commutation "phase DECONNEXION" Ce qui ne doit pas non plus se produire en cas de charge du moteur jusqu'au blocage, ce qui corres- pondrait simultanément à l'état du démarrage à partir de la vitesse 0. Le niveau de commutation correct est réglé sur un moteur à l'arrêt Ce réglage est commencé avec un faible niveau de commutation, et l'enroulement de haute polarité est connec- té Par le faible niveau de commutation, le seuil "phase DECONNEXION" est dépassé par le haut, et le moteur est exploité en diphasé Il ne développe alors aucun couple à partir de la vitesse O Puis le niveau de commutation est élevé lentement, jusqu'à ce que le niveau "phase CONNEXION" dépasse par le haut le courant de démarrage diphasé du moteur à l'arrêt L'hystérésis, associée à ce niveau, provo- que un niveau de commutation "phase DECONNEXION", qui se situe sûrement au-dessus du courant de démarrage et/ou de court-circuit triphasé du moteur La diode électrolumi- nescente incorporée indique ce processus de commutation, et sert donc d'auxiliaire de réglage. La condition préalable essentielle au fonctionnement du circuit est que le courant diphasé, au point de fonctionne- ment synchrone, soit nettement moins élevé que sur le moteur à l'arrêt, lorsque le réglage est entrepris Pour des treuils de levage, une solution offerte est de maintenir le frein du moteur en position de fermeture pendant le réglage. Ce qui ne pose pas de problème, tant que le moteur n'est raccordé qu'à deux phases Si la troisième phase est connec- tée automatiquement, avec un réglage correct, le secteur doit être déconnecté immédiatement après et/ou le frein5 ouvert, pour éviter une exploitation inutilement longue du moteur dans cet état (usure du frein et/ou fatigue du mo- teur). Revendications. 1 Procédé de rétrogradation d'un moteur à nombre de pôles variable à la vitesse de rotation inférieure, une rétrogra- dation diphasée à la vitesse inférieure étant d'abord assu- rée, caractérisé en ce que la troisième phase est connectée en cas de dépassement par le bas d'un courant de commutation donné. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur du courant de commutation est déterminée à partir du courant diphasé en marche subsynchrone. 3 Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le seuil de commutation est élevé en continu pour régler la valeur du courant de commutation en régime diphasé subsyn- chrone de l'enroulement de haute polarité, jusqu'à ce que la troisième phase soit connectée pour la valeur du courant de commutation adéquate. 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le courant d'une phase est comparé à la valeur du courant de commutation réglée, la troisième phase étant connectée en cas de dépassement par le bas de la valeur précitée. Procédé suivant l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le signal de mesure du courant sert à l'alimentation en énergie dans les opérations de couplage. 6 Dispositif pour la connexion de la troisième phase d'un moteur à nombre de pôles variable, sur lequel une rétrogra- dation diphasée à la vitesse de rotation inférieure est d'abord assurée, caractérisé par un dispositif de mesure du courant ( 1) dans une phase connectée, par un comparateur ( 2) pour comparer le courant effectif et une valeur du courant de commutation, et par un commutateur ( 3) dans la troisième phase à connecter (L 3-L 3 '). 7 Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de commutation ( 3) présente un commutateur électronique ( 13) dans la troisième phase (L 3-L 3 '). 8 Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le commutateur électronique est un triac ( 13). 9 Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le commutateur électronique présente deux thyristors montés en tête-bêche dans la troisième phase (L 3-L 3 '). 10 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé par un dispositif de commutation pour le courant d'amorçage des commutateurs électroniques. 11 Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est un relais ( 11). 12 Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est un opto-coupleur. 13 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé par un indicateur ( 9) pour indiquer la connexion de la troisième phase (L 3, L 3 ') du moteur. 14 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 13, caractérisé par un redresseur côté entrée. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 14, caractérisé par une alimentation en énergie par le signal de mesure du courant.