Brevet FR2733837A1 — publié le 19961108

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA FREQUENCE DES COURANTS ROTORIQUES DANS UN MOTEUR ASYNCHRONE, ET LEURS APPLICATIONS La présente invention a pour objet un procédé de mesure de la fréquence des courants rotoriques dans un moteur électrique asynchrone. Elle a aussi pour objet un dispositif de mesure de la fréquence des courants rotoriques dans un moteur asynchrone. Elle a enfin pour objet l'application de ce procédé ou de ce dispositif à la commande ou à la régulation du fonctionnement d'un moteur asynchrone. Elle s'applique aux moteurs électriqueÇasynchrones de tous types, et notamment à ceux comprenant un stator bobiné et un rotor à cage d'écureuil. I1 existe déjà diverses méthodes de mesure et de régulation des moteurs asynchrones. I1 a notamment été proposé, pour la mesure de la vitesse de rotation, de disposer une pastille réfléchissante sur une partie tournante du moteur, et d'utiliser une source et un capteur lumineux pour compter le nombre de passages de la pastille ou la période entre deux passages de la pastille. On peut aussi utiliser un stroboscope pour déterminer la vitesse de rotation. I1 a encore été proposé d'utiliser un capteur à effet Hall, sensible au passage d'une roue présentant un pôle magnétique. I1 a enfin été proposé de disposer un aimant sur la partie tournante, et une bobine ou plusieurs bobines sur la partie statique du moteur: à chaque passage de l'aimant. On détecte et/ou on mesure la force électromotrice générée dans la ou les bobines; ce qui permet de calculer la vitesse de rotation et/ou de déterminer le sens de rotation. I1 a aussi été proposé de mesurer les paramètres électriques (intensités, phases) à l'alimentation du moteur, pour en déduire, à partir de courbes de charges nominales, les paramètres mécaniques (vitesse, couple...) ou pour réguler le fonctionnement du moteur. Les méthodes connues présentent divers inconvénients. Les méthodes optiques de mesure impliquent de pouvoir visualiser les parties tournantes du moteur, ce qui n'est pas toujours possible. Si le moteur se trouve dans l'eau (par exemple pour un moteur de pompe immergée), l'atténuation rend difficile la mesure optique. Les procédés stroboscopiques se prêtent mal à une automatisation, et impliquent une intervention sur l'appareil à mesurer. Le procédé à effet Hall implique de disposer un composant magnétique sur la partie tournante; de plus, le capteur ne peut être placé qu'à quelques millimètres du composant magnétique. Les méthodes électriques utilisant des courbes de fonctionnement nominal ne peuvent pas prendre en compte les caractéristiques particulières de chaque moteur; elles n'apprécient pas non plus l'usure possible des différents composants du moteur. L'invention propose un procédé de mesure et de régulation de moteurs asynchrones, qui permet de pallier les inconvénients de l'art antérieur. L'invention fournit une mesure fiable, simple, rapide, qui peut être mise en oeuvre sans intervention humaine et dans des conditions difficiles, par exemple sur des moteurs immergés inaccessibles. L'invention fournit une mesure réelle et permet donc de tenir compte de l'état d'usure des différents composants du moteur. L'invention a pour objet un procédé de mesure de la fréquence des courants rotoriques dans un moteur asynchrone, comprenant les étapes consistant à: - disposer sur le stator du moteur une bobine; - isoler dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine la fréquence des courants rotoriques. Dans un mode de mise en oeuvre de ce procédé, le plan de ladite bobine est sensiblement parallèle à l'axe du moteur. La bobine peut être disposée sur la carcasse ou sur la culasse dudit moteur. Dans un mode de mise en oeuvre du procédé, la fréquence des courants rotoriques est isolée dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine par calcul de la transformée de Fourier du signal électrique aux bornes de ladite bobine. Elle peut aussi être isolée dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine par filtrage passe-bas du signal électrique aux bornes de ladite bobine, puis par calcul de la transformée de Fourier du signal électrique filtré, ou encore par filtrage numérique du signal électrique aux bornes de ladite bobine. L'invention a aussi pour objet un dispositif de mesure de la fréquence des courants rotoriques dans un moteur asynchrone, comprenant: - une bobine disposée sur le stator du moteur - des moyens pour isoler dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine la fréquence des courants rotoriques. Le dispositif peut comprendre un microcontrôleur constituant lesdits moyens pour isoler dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine la fréquence des courants rotoriques. I1 peut aussi comprendre en outre des moyens de calcul du glissement. L'invention s'applique particulièrement à la commande ou à la régulation du fonctionnement d'un moteur asynchrone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, qui montrent: - figure 1 une vue schématique d'un moteur mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, - figure 2 un schéma d'une chaîne de mesure susceptible d'être utilisée dans la mise en oeuvre de l'invention; - figure 3 l'allure du signal obtenu aux bornes d'une bobine selon l'invention; - figure 4 le résultat d'une analyse spectrale du signal de la figure 3. De façon connue en soi, on appelle glissement d'un moteur asynchrone le rapport entre la vitesse de rotation du champ statorique dans un référentiel lié au rotor et la vitesse de rotation du champ statorique dans un référentiel lié au stator. De façon connue en soi, le glissement est aussi égal au rapport entre la fréquence des courants rotoriques et la fréquence des courants statoriques du moteur asynchrone. L'invention repose sur le fait surprenant et inattendu qu'un moteur asynchrone rayonne, dans le référentiel du stator, un champ magnétique avec une composante variant à la fréquence des courants rotoriques, et que cette composante peut être mesurée. L'invention propose d'utiliser ce fait pour mesurer le glissement et le cas échéant pour mesurer ou réguler le fonctionnement d'un moteur asynchrone. La figure 1 montre une vue schématique d'un moteur mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Le moteur électriquiasynchrone 1 de la figure 1 présente une carcasse 2 et un axe de rotation 3. Selon l'invention, une bobine 4 est disposée sur la carcasse 2 du moteur, l'axe de la bobine étant sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation 3 du moteur. La bobine 4 peut être disposée, comme sur le schéma de la figure 1, à l'extérieur de la carcasse 2 du moteur; elle peut aussi être disposée à l'intérieur de la carcasse, ou en toute position acceptable compte tenu de la configuration et des conditions d'utilisation du moteur. Elle peut notamment être placée directement sur la culasse du circuit magnétique du moteur. De façon surprenante, apparaît dans la bobine 4 une force électromotrice dont une composante présente une pulsation à la fréquence des courants rotoriques du moteur. La figure 2 montre un schéma d'une chaîne de mesure susceptible d'être utilisée dans la mise en oeuvre de l'invention. La bobine 10 est reliée à un analyseur de spectre 11 qui effectue une transformée de Fourier rapide (FFT) sur le signal qu'il reçoit (figure 3), et qui fournit en sortie un signal représentatif des différentes composantes spectrales (figure 4) du signal dans la bobine 10. A titre d'exemple, on peut utiliser un analyseur de spectre commercialisé par la société Hewlett Packard, et susceptible de fournir le spectre du signal électrique de la bobine dans une plage de 0 à 25 Hz. La figure 3 montre l'allure du signal obtenu aux bornes d'une bobine selon l'invention. La figure 3 correspond à une mesure effectuée sur un moteur de circulateur de la demanderesse, de références CXL 100-32. Ce moteur asynchrone triphasé, à cage d'écureuil et présentant deux pôles a été muni d'une bobine présentant 1000 spires et disposée comme représenté à la figure 1. Le moteur a été alimenté en courant alternatif à la fréquence du réseau de 50 Hz (3000 tours/min). La vitesse de rotation du moteur a été mesurée à l'aide d'un stroboscope, et présente une valeur de 2652 tours/min., soit une vitesse de rotation du champ statorique par rapport au rotor de 348 tours/min. Le glissement g vaut 348/3000 = 0,116. La figure 3 montre l'allure du signal recueilli aux bornes de la bobine. En abscisses, est porté le temps t, à une échelle de 6 ms par graduation. En ordonnées, est portée la tension V aux bornes de la bobine à une échelle de 2 mV par graduation. Comme on peut le voir sur la figure 3, la tension aux bornes de la bobine présente une périodicité de 0,02 s, correspondant à la fréquence d'alimentation f = 50 Hz du moteur. La figure 4 montre le résultat d'une analyse spectrale du signal de la figure 3 à l'aide d'un analyseur de spectre du type mentionné plus haut. Est portée en abscisse la fréquence f, entre 0 et 25 Hz, à une échelle de 2,5 Hz par graduation. Est portée en ordonnée l'amplitude moyenne du signal pour chaque fréquence, à une échelle de 2 dB par graduation. Comme on peut le voir sur la figure 4, le spectre du signal aux bornes de la bobine présente un pic à une fréquence voisine de 5,8 Hz. Plus précisément, le marqueur symbolisé sur la figure 4 par un carré à diagonale verticale correspond à une fréquence de 5,812 Hz. Cette fréquence correspond précisément à la fréquence des courants rotoriques du moteur asynchrone. La mesure de cette fréquence permet de calculer le glissement g et de déterminer la vitesse de rotation réelle du moteur. Ainsi, le glissement vaut g = fr/fs = 5,812/50 = 0,11624 On peut, à partir du glissement, calculer la vitesse de rotation du moteur, connaissant la fréquence du courant d'alimentation du moteur. On trouve la vitesse de rotation du champ statorique dans un référentiel lié au rotor en multipliant le glissement par la vitesse de rotation du champ statorique dans un référentiel lié au stator. Dans l'exemple précité, on trouve une vitesse de rotation du champ statorique dans un référentiel lié au rotor de 0,11624 x 3000 = 348,72 tours/min, ce qui correspond à une vitesse de rotation du moteur de 2651,28 tours/min. L'invention permet donc de retrouver avec une excellente précision la vitesse réelle de rotation du moteur. Une précision de 0,1 Hz permet d'obtenir la vitesse de rotation du moteur asynchrone avec une précision de l'ordre de 6 tours/min. A titre d'exemple sont fournies les valeurs obtenues pour un autre essai de mesure sur le même moteur, pour une vitesse différente: vitesse mesurée au stroboscope: 1794 tours/min glissement correspondant: 0,402 fréquence mesurée dans la bobine: 20,062 Hz glissement calculé: 0,40124 vitesse correspondante: 1796,28 tour/min. Comme on peut le voir sur la figure 4, le pic à la fréquence g x f est suffisamment important pour permettre une mesure simple et facile. La mesure peut être effectuée par tout moyen approprié. Il est possible, comme décrit plus haut, d'effectuer sur le signal une transformée de Fourier rapide, et de déterminer ensuite le pic à la fréquence recherchée; cette méthode présente l'avantage d'une grande simplicité de mise en oeuvre, et peut être implémentée à l'aide d'un simple microcontrôleur programmable, Il est possible aussi de mesurer la fréquence à l'aide d'un analyseur de spectre, comme expliqué en référence à la figure 4. Cette méthode présente l'avantage d'assurer une bonne précision et est bien adaptée à des mesures en laboratoire. Il est aussi possible d'effectuer un filtrage passebas ou un filtrage numérique du signal de la bobine, et d'analyser ensuite la fréquence. Par exemple, on peut utiliser une chaîne de filtres numériques ou analogiques pour déterminer la fréquence des courants rotoriques. Plus généralement, l'invention peut être mise en oeuvre par tout moyen accessible à l'homme de l'art pour isoler un pic de fréquence dans un spectre. L'invention est susceptible d'applications multiples. A titre d'exemple, on décrit dans la suite des applications possibles de l'invention. Mesure de vitesse Une première application de l'invention concerne la mesure de vitesse des moteurs asynchrones. Comme décrit ci-dessus, on calcule le glissement, ce qui permet de déterminer la vitesse réelle de rotation. Par rapport aux méthodes optiques connues, l'invention permet une mesure à distance, sans visibilité. Elle permet aussi de mesurer la vitesse réelle en tenant compte des caractéristiques réelles du moteur, et non pas de ses caractéristiques nominales. L'invention assure une mesure fiable, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur, et notamment le lieu où il est installé. On peut ainsi déterminer si un organe couplé à un moteur asynchrone (comme par exemple une pompe) est entraîné ou non. Détermination du couple A l'aide du glissement, on peut aussi grâce à l'invention déterminer le couple du moteur asynchrone, par rapport aux caractéristiques nominales d'un moteur de référence. On peut ainsi déterminer par exemple la puissance absorbée par un organe entraîné par le moteur, ou encore vérifier si le moteur est dans une plage de fonctionnement acceptable. On évite ainsi les surcharges et les sous-charges. Calcul des pertes rotoriques La détermination du glissement permet également de suivre les pertes rotoriques dans le moteur et de connaître l'échauffement du moteur. On évite ainsi les surchauffes. Commande de moteur L'invention s'applique aussi à la commande des moteurs asynchrones. A l'aide du glissement ou de la vitesse, on peut réguler le fonctionnement du moteur, pour assurer au choix une vitesse de rotation déterminée, un couple moteur donné, un glissement déterminé, etc. On peut aussi commander le fonctionnement du moteur, et par exemple l'arrêt du moteur. Dans le domaine de la circulation des fluides et du pompage, on peut ainsi mesurer le couple du moteur, pour éviter les fonctionnements à vide, ou pour assurer un débit donné (couple connu sur l'élément de pompage couplé au moteur). L'invention est aussi susceptible de recevoir d'autres applications. Elle a été décrite en référence aux figures dans le cas d'un moteur triphasé. Comme cela apparaît clairement à l'homme de l'art, elle s'applique aux moteurs asynchrones monophasés de tous types (à phase auxiliaire permanente, à phase auxiliaire de démarrage, à phase auxiliaire de Frager, et autres) comme aux moteurs asynchrones à phases multiples. Avantageusement, l'invention peut être combinée avec la mesure du sens de rotation d'un moteur; il suffit alors d'utiliser le signal fourni par une des deux bobines pour rechercher la fréquence des courants rotoriques. On obtient alors une mesure simple, rapide, et sans contact de la vitesse et du sens de rotation d'un moteur. REVENDICATIONS 1.- Procédé de mesure de la fréquence des courants rotoriques dans un moteur asynchrone, comprenant les étapes consistant à: - disposer sur le stator du moteur une bobine; - isoler dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine la fréquence des courants rotoriques. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plan de ladite bobine est sensiblement parallèle à l'axe du moteur. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite bobine est disposée sur la carcasse ou sur la culasse dudit moteur. 4.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fréquence des courants rotoriques est isolée dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine par calcul de la transformée de Fourier du signal électrique aux bornes de ladite bobine. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fréquence des courants rotoriques est isolée dans le spectre du électrique aux bornes de ladite bobine par filtrage passe-bas du signal électrique aux bornes de ladite bobine, puis par calcul de la transformée de Fourier du signal électrique filtré. 6.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fréquence des courants rotoriques est isolée dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine par filtrage numérique du signal électrique aux bornes de ladite bobine. 7.- Dispositif de mesure de la fréquence des courants rotoriques dans un moteur asynchrone, comprenant: - une bobine disposée sur le stator du moteur - des moyens pour isoler dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine la fréquence des courants rotoriques. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un microcontrôleur constituant lesdits moyens pour isoler dans le spectre du signal électrique aux bornes de ladite bobine la fréquence des courants rotoriques. 9.- Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de calcul du glissement. 10.- Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 6 ou du dispositif selon l'une des revendications 7 à 9 à la commande ou à la régulation du fonctionnement d'un moteur asynchrone.