Brevet FR2713032A1 — publié le 19950602

La présente invention concerne le domaine techniques des machines tournantes électriques. Elle a plus particulièrement pour objet un procédé assurant le démarrage et/ou le fonctionnement permanent des moteurs électriques synchrones sans bagues ni balais. La figure 1 du dessin schématique annexé rappelle la structure et le fonctionnement d'un moteur synchrone sans bagues ni balais, ou d'un alternateur de même type. Le stator S comprend un inducteur d'excitatrice 1, alimenté en courant continu, et un bobinage de puissance 2 (triphasé dans l'exemple considéré), parcouru par un courant alternatif. Le rotor R comprend un induit d'excitatrice (triphasé) 3, un ensemble de diodes tournantes 4, constituant un redresseur, et une roue polaire 5 parcourue par le courant redressé. Le fonctionnement est le suivant, en cours de rotation du rotor R L'alimentation en courant continu de l'inducteur d'excitatrice 1 crée un champ électromagnétique fixe par rapport au stator S. Le champ électromagnétique fixe de l'inducteur d'excitatrice 1 crée une tension alternative polyphasée sur l'induit d'excitatrice 3, qui tourne avec le rotor R. Cette tension alternative est redressée par l'ensemble de diodes tournantes 4 fixées au rotor R, et un courant redressé alimente la roue polaire 5 du rotor R. Etant alimentée, la roue polaire 5 crée un champ électromagnétique fixe par rapport au rotor R. Ceci est commun au fonctionnement en alternateur et au fonctionnement en moteur. Dans le fonctionnement typique en alternateur, une source motrice extérieure entraîne en rotation le rotor R ; le champ fixe (par rapport au rotor R) de la roue polaire 5 tournant par rapport au stator S, ce champ induit dans le bobinage de puissance 2 du stator S une tension alternative, qui est recueillie. A l'inverse, dans le fonctionnement en moteur synchrone, le bobinage de puissance 2 du stator S est alimenté par une tension alternative extérieure, et le stator S induit ainsi un champ tournant qui, par couplage avec le champ de la roue polaire 5, entraîne en rotation le rotor R. Ce fonctionnement en moteur est satisfaisant pour entretenir la rotation du moteur déjà lancé. Un problème est par contre posé au démarrage du moteur, lorsqu'il n'y a pas encore de rotation du rotor R, donc aucun champ électromagnétique dans la roue polaire 5, mis à part le champ magnétique rémanent qui est faible. Ainsi, dans le fonctionnement en moteur, on ne dispose que d'un couple lui-même très faible pour le démarrage, si bien que le moteur "décroche" même à basse fréquence. Ce problème limite l'utilisation des moteurs synchrones dans les applications industrielles. La présente invention se propose de résoudre ce problème par une solution technique simple et économique, créant une excitation suffisante même lorsque le moteur est à l'arrêt. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un procédé pour le démarrage des moteurs électriques synchrones, appartenant au genre rappelé ci-dessus, et selon lequel, pour le démarrage du moteur, l'inducteur d'excitatrice est alimenté par une tension alternative qui induit un champ électromagnétique tournant par rapport au rotor encore à l'arrêt ou tournant à faible vitesse, ce champ tournant créant sur l'induit d'excitatrice une tension qui, redressée par l'ensemble de diodes tournantes, alimente la roue polaire et crée un champ électromagnétique coopérant avec le bobinage de puissance pour le fonctionnement en moteur synchrone. Ainsi, même avec un rotor initialement arrêté, ou tournant encore à faible vitesse, la roue polaire engendre un champ (fixe par rapport au rotor) de valeur suffisante. La solution technique proposée assure donc le démarrage certain du moteur, sans modification des bobinages du rotor et du stator des moteurs ou alternateurs standard produits par les constructeurs de machines tournantes électriques. Cette solution intervient uniquement sur l'alimentation de l'inducteur d'excitatrice, et elle ne nécessite ni moteur auxiliaire de lancement, ni autres artifices de démarrage. Ainsi, le procédé objet de l'invention est notamment applicable à des alternateurs du commerce, d'un type standard, dont il permet l'utilisation en moteur synchrone, ce qui constitue une solution particulièrement économique. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, l'alimentation de l'inducteur d'excitatrice est assurée à partir d'un variateur électronique de fréquence. Cette solution particulière permet d'utiliser un produit standard du commerce, à savoir un variateur électronique de fréquence tel que ceux utilisés habituellement avec des moteurs asynchrones, le variateur étant ici dimensionné seulement pour vaincre les pertes à vide et l'inertie. Le démarrage s'effectue ainsi à courant limité en permanence et sur une rampe d'accélération donnée par le variateur, donc sans aucune pointe de courant de démarrage, sans aucune contrainte mécanique, et sans aucun besoin de régulation extérieure au variateur. Selon une possibilité d'application du procédé objet de l'invention, la solution technique proposée est aussi utilisée pour le fonctionnement permanent du moteur synchrone, avec l'avantage d'éviter le retour de puissance en cas de microcoupures. En effet, le pont de diodes d'entrée des variateurs de fréquence standard empêche le transit de l'énergie entre le moteur devenu générateur (durant la microcoupure) et le réseau d'alimentation. Ainsi appliquée, la solution selon la présente invention s'avère intéressante économiquement, en remplacement du moteur à courant continu. On notera aussi qu'une fois le moteur démarré, et directement couplé au réseau, il devient possible, par action sur l'excitatrice, d'obtenir une compensation d'énergie réactive. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé illustrant, à titre d'exemples non limitatifs, deux modes de mise en oeuvre de ce procédé pour le démarrage des moteurs électriques synchrones Figure 2 est une vue très schématique représentant les moyens pour alimenter l'inducteur d'excitatrice, dans un premier mode de mise en oeuvre Figure 3 est une autre vue très schématique, représentant les moyens pour alimenter l'inducteur d'excitatrice, dans un second mode de mise en oeuvre. Les figures 2 et 3 représentent uniquement l'inducteur d'excitatrice 1 avec ses moyens d'alimentation ; elles ne reprennent pas les autres composants, représentés sur la figure 1, du moteur électrique synchrone concerné. Selon une première solution pratique, schématisée sur la figure 1, l'inducteur d'excitatrice 1 est alimenté uniquement par un variateur électronique de fréquence 6. Le variateur 6 délivre une tension électrique alternative U de fréquence variable et faible, pouvant tendre vers une fréquence nulle donc vers une tension continue. L'alimentation selon l'invention de l'inducteur d'excitatrice 1 par une tension alternative a aussi été symbolisée sur la figure 1, en haut à gauche. Grâce au variateur électronique de fréquence 6 alimentant l'inducteur d'excitatrice 1 avec une tension d'une fréquence initiale donnée, on peut "accrocher" le rotor R par une basse fréquence au stator S, pour faire démarrer le moteur. Une fois le moteur mis en rotation, le variateur 6 est commandé de manière à passer progressivement de la tension alternative d'alimentation de l'inducteur d'excitatrice 1 à une tension continue d'alimentation de cet inducteur, pour augmenter la vitesse de rotation qui est fonction de la fréquence du variateur électronique. La figure 3 schématise une autre solution pratique, dans laquelle une alimentation en courant alternatif 7 et une alimentation en courant continu 8 sont disposées en parallèle, et reliées l'une et l'autre à l'inducteur d'excitatrice 1 par l'intermédiaire d'un contact inverseur 9. Au démarrage du moteur, le contact 9 met d'abord l'alimentation en courant alternatif 7 en liaison avec l'inducteur d'excitatrice 1. Lorsqu'un seuil de vitesse N prédéterminé est atteint par le moteur, ou au bout d'un temps T prédéterminé, le contact inverseur 9 bascule sur son autre position, mettant l'alimentation en courant continu 8 en liaison avec l'inducteur d'excitatrice 1, et séparant cet inducteur de l'alimentation en courant alternatif 7, pour le fonctionnement permanent du moteur. Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux seuls modes de mise en oeuvre de ce procédé pour le démarrage des moteurs électriques synchrones qui ont été décrits ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes respectant le même principe, les moyens particuliers de mise en oeuvre, précédemment décrits, étant remplaçables par tous équivalents techniques. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le démarrage des moteurs électriques synchrones sans bagues ni balais, du genre comprenant au stator (S) un bobinage de puissance (2), alimenté par une tension alternative, et un inducteur d'excitatrice (1), et au rotor (R) un induit d'excitatrice (3) relié, par un ensemble de diodes tournantes (4) constituant redresseur, à une roue polaire (5) parcourue par un courant redressé, caractérisé en ce pue, pour le démarrage du moteur, l'inducteur d'excitatrice (1) est alimenté par une tension alternative (U) qui induit un champ électromagnétique tournant par rapport au rotor (R) encore à l'arrêt ou tournant à faible vitesse, ce champ tournant créant sur l'induit d'excitatrice (3) une tension qui, redressée par l'ensemble de diodes tournantes (4), alimente la roue polaire (5) et crée un champ électromagnétique coopérant avec le bobinage de puissance (2) pour le fonctionnement en moteur synchrone. 2. Procédé pour le démarrage des moteurs électriques synchrones selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation de l'inducteur d'excitatrice (1) est assurée à partir d'un variateur électronique de fréquence (6), délivrant une tension électrique alternative (U) de fréquence variable, pouvant tendre vers une tension continue. 3. Procédé pour le démarrage des moteurs électriques synchrones selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation de l'inducteur d'excitatrice (1) est assurée à partir d'une alimentation en courant alternatif (7) et d'une alimentation en courant continu (8), par l'intermédiaire d'un contact inverseur (9) qui, au démarrage du moteur, met d'abord l'alimentation en courant alternatif (7) en liaison avec l'inducteur d'excitatrice (1) puis, lorsqu'un seuil de vitesse (N) prédéterminé est atteint ou au bout d'un temps (T) prédéterminé, met l'alimentation en courant continu (8) en liaison avec l'inducteur d'excitatrice (1). 4. Procédé pour le démarrage des moteurs électriques synchrones selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un alternateur de type standard, utilisé en moteur synchrone.