Brevet FR2816129A1 — publié le 20020503

La présente invention concerne un procédé et des dispositifs permettant la commande de vitesse d'un moteur alternatif à deux enroulements d'induit, par variation de la fréquence, permettant notamment un fonctionnement à la vitesse moitié de la vitesse nominale. Les moteurs asynchrones monophasés sont parmi les plus utilisés, pourtant les procédés de variation de vitesse, non prévus par construction du moteur, n'ont pas un rendement élevé, ou sont d'un coût prohibitif. Les systèmes commutant la tension du réseau électrique par demi-sinusoïde pour constituer des ondes de tension de fréquence inférieure tels que ceux décrits dans les brevets EP 0250008 ou EP0562673 absorbent des courants d'alimentation réseau pulsés, et produisent des tensions non sinusoïdales, ce qui n'est pas favorable à leur utilisation en régime permanent. Dans les dispositifs selon la présente invention, le courant absorbé est assez proche d'une sinusoïde ; ils offrent en outre l'avantage de produire deux tensions à fréquence moitié de celle du réseau, en quadrature, ce qui permet de déphaser de façon optimale les courants des deux enroulements des dits moteurs. Les montages proposés s'adaptent à tout type de machine alternative à deux phases, comme les moteurs synchrones ou asynchrones. Ils peuvent fonctionner également en récupération lors du ralentissement. Les valeurs efficaces des tensions produites à fréquence moitié sont ajustables et sensiblement égales à la moitié de celle du réseau d'alimentation, ce qui assure un fonctionnement à couple constant. Cette particularité est indispensable pour le bon fonctionnement des compresseurs frigorifiques en particulier. Un circuit conforme à l'invention est représenté sur la figure 1. Les formes d'ondes qu'il génère sont présentées figure 2. La figure 3 présente un montage améliorant la forme de la tension appliquée aux enroulements de la charge. La figure 4 présente les chronogrammes des signaux correspondant au montage de la figure 3. Ces chronogrammes comme ceux de la figure 2 sont donnés à titre indicatif, ils dépendent de la charge et du mode de fonctionnement. Le fonctionnement va maintenant être décrit en relation avec la figure 1. Le moteur y est représenté par ses deux bobinages désignés par M1 et M2. Les tensions aux bornes de ces enroulements sont désignées respectivement par V1 et V2, et les courants les traversant par 11 et 12 ; ces grandeurs étant orientées conformément à la figure 1. Les interrupteurs électroniques unidirectionnels désignés par la suite par le vocable thyristors représentés sur la figure 1 par T1 à T8 sont de préférence des thyristors ou des triacs, mais on peut utiliser d'autres interrupteurs à semiconducteurs moyennant des adaptations. Les dispositifs de commande, de protection contre les perturbations, les amorçages intempestifs ou la détérioration des composants, ou encore les dispositifs d'aide à la commutation bien connus des experts ne sont pas représentés, ni leur influence sur la forme des signaux. Le bobinage M1 est alimenté par l'intermédiaire d'un premier pont composé des thyristors T1 à T4 ; le bobinage M2 est alimenté par un deuxième pont composé des thyristors T5 à T8 ; par rapport à la source d'alimentation, les sens de conduction des thyristors du deuxième pont sont inversés par rapport à ceux dudit premier. La tension Ur d'alimentation du dispositif est supposée sinusoïda ! e, conformément à la figure 2a. Les thyristors sont commandés par paires, toutes les demi-périodes. Pendant les alternances positives de la tension d'alimentation, ledit premier pont est activé (c'est à dire que deux de ses thyristors sont mis en conduction), alors que le deuxième est activé pendant les alternances négatives de la tension Ur. Plus précisément, pendant une alternance positive de la tension Ur, on rend conducteurs les thyristors T1 et T4, puis durant l'alternance positive suivante on rend conducteurs les thyristors T2 et T3. De sorte que le courant 11 soit positif puis nul (quand le deuxième pont est activé) puis négatif puis nul et ainsi de suite. En commençant par une demi-période pour laquelle la tension du réseau Ur est positive. On amorce T1 et T4 on a alors V1= Ur, puis une demi période du réseau plus tard T5 et T8, alors V2=-Ur, ensuite T2 et T3, alors V1=-Ur, et enfin T6 et T7, de sorte que V2= Ur. On applique donc toutes les demi-périodes du réseau les tensions Ur ou-Ur alternativement à l'enroulement M1 ou bien à l'enroulement M2. On produit ainsi dans les enroulements du moteur, deux courants alternatifs de fréquence f/2, déphasés en quadrature représentées figures 2b et 2c, respectivement pour les enroulements M1 et M2. Il est clair que le fonctionnement précédent nécessite un montage des thyristors en pont, et ne peut pas être obtenu en reliant directement une borne d'une bobine du moteur au réseau. Il se distingue en cela de nombreux autres dispositifs. Dans la présentation ci-dessus, l'effet inductif de la charge prolonge le courant dans les enroulements au-delà des instants où la tension s'annule. Chaque thyristor du montage conduit pendant un peu moins d'une demi-période. Cette durée s'allongeant si la charge est inductive, on la raccourcit en retardant l'amorçage des thyristors. On peut régler séparément, par ces retards, les courants des deux phases du moteur, qui ainsi, peuvent être différents (moteurs à phases déséquilibrées). La forme du courant Ir du réseau d'alimentation est visible sur la figure 2d, elle est proche d'une sinusoïde. Un inconvénient du fonctionnement décrit est la discontinuité du courant dans chaque enroulement de la charge, les irrégularités du couple, et les pertes supplémentaires qui s'en suivent. Les moteurs asynchrones monophasés ont en général un point commun aux deux enroulements d'induit. On se rapproche de la forme sinusoïdale des courants dans la charge en plaçant une inductance (non représentée) entre le point commun des enroulements du moteur et le point B, commun aux deux ponts de thyristors du montage décrit figure 1, en parallèle avec chaque enroulement du moteur on place un condensateur (non représenté), les deux autres bornes des enroulements du moteur sont reliées en A et C. Pour chaque phase du moteur, le circuit constitué de ladite inductance et dudit condensateur agit alors comme un filtre sélectif, de sorte que le courant dans ses enroulements se rapproche d'une sinusoïde. Les instants de commutation des thyristors représentés figure 2 sont peu modifiés, les courants des figures 2b et 2c correspondent sensiblement aux courants produits par les deux ponts à thyristors, alors que les courants dans les enroulements du moteur (non représentés) ont des formes proches d'une sinusoïde. Le montage présenté ci après correspond à la figure 3, il permet également d'améliorer la forme du courant dans les enroulements du moteur en diminuant les harmoniques des tensions délivrées par chacun des ponts. Ce montage comporte 12 thyristors notés de T1 à Tl 2. in est clair que l'on peut remplacer les douze thyristors par six triacs. La figure 4 présente des allures de formes d'ondes données à titre d'exemple, que l'on peut obtenir avec ce montage, lesdites formes peuvent varier suivant la charge et les réglages des angles de retard. La figure 4a présente la forme de la tension Ur du réseau d'alimentation. Ladite tension est appliquée successivement, chaque demi-période cycliquement, à l'enroulement M1 puis à l'enroulement M2, avec des changements de sens appropriés. Pendant des durées proches d'une demi-période, l'enroulement qui n'est pas relié à la tension Ur du réseau, est court-circuité. Les figures 4b et 4c représente respectivement les oscillogrammes des tensions appliquées aux deux enroulements M1 et M2. Ces tensions ont des valeurs efficaces proches de la moitié de celle de la tension réseau Ur. Les figures 4d et 4e représentent respectivement les courants 11 et 12 dans les enroulements M1 et M2 de la charge. La charge est ici supposée suffisamment inductive pour maintenir le courant en roue libre dans l'enroulement qui est court-circuité. Dans le fonctionnement va maintenant être décrit en relation avec la figure 4, les impulsions sont appliquées par trains d'impulsions aux gâchettes, de la façon suivante : - avant l'instant p/2 ce sont les thyristors T1, T4 et T6 qui conduisent car 11 est positif et 12 négatif, - en 1, juste avant l'instant p/2, on amorce Kl 1, comme Ur est alors positif cela bloque T6, on doit pour choisir cet instant tenir compte du temps de blocage des thyristors, - en 2, après l'instant p/2, on amorce T10 et T5, l'amorçage de T10 alors que Ur est négatif provoque le blocage de T1, le courant 11 dans l'enroulement M1 se prolonge en roue libre dans T4 et T10 ; - Quand 12 devient supérieur à 11, T8 conduit à la place de T4 ; on applique donc, après l'instant p/2, des trains d'impulsions à T8 ; - en 3, après l'instant p, l'amorçage de T3 provoque le blocage de T8. Le courant 12 se prolonge en roue libre dans M2 par T3 et T5 ; - en 4, avant l'instant 3. p/2 on amorce T12, la tension Ur positive permet de bloquer T5. -en 5, après l'instant 3. p/2 on amorce T9, l'amorçage de T9 alors que Ur est négatif provoque le blocage de T10, le courant 11 dans l'enroulement M1 se prolonge en roue libre dans T9 et T3 ; - quand Il devient supérieur à 12, T7 entre en conduction et se substitue à T3 ; on applique donc des trains d'impulsions à T7 après l'instant 3. p/2 ; - en 6, juste après l'instant 2. p, l'amorçage de T4 provoque le blocage de T7. -Quand Ur devient positif T6 se substitue à T12 ; on applique donc, après l'instant 2. p, des trains d'impulsions à T6 ; le dispositif retrouve alors la configuration initiale, le même cycle peut se reproduire. On peut filtrer le courant dans la charge à l'aide d'un filtre à inductance et condensateurs, proche de celui proposé pour le montage précédent. Les mêmes dispositifs et des aménagements aux fonctionnements décrits, autoriseraient la marche des moteurs à des fréquences sous-multiples de la moitié de la fréquence du réseau : f/4, f/6... En particulier Ils peuvent servir au démarrage en douceur des moteurs en évitant les surintensités. Revendications 1.-Procédé de réduction par deux de la fréquence d'alimentation d'une charge électrique à deux enroulements d'induit, alimentée par une tension alternative sinusoïdate, consistant à alimenter de façon périodique, successivement : - un premier enroulement par une tension partielle formée, par une partie au moins d'une demi période de ladite tension sinusoïdale,-puis un second enroulement par une partie au moins de la deuxième demi période,-puis ledit premier enroulement par une partie au moins de la troisième demi période avec un sens de parcours du courant inversé par rapport à celui imposé durant ladite première demi période, -puis ledit second enroulement par une partie au moins de la quatrième demi période avec un sens de parcours du courant inversé par rapport à celui imposé durant ladite deuxième demi période, de sorte que les deux enroulements sont alimentés par des courants alternatifs, déphasés d'une demi période de ladite tension sinusoïdale, et que la fréquence des courants dans lesdits enroulements est la moitié de la fréquence de ladite tension sinusoïdale. 2. -Dispositif diviseur statique de fréquence par deux pour charge électrique à deux phases et alimentation monophasée caractérisé en ce qu'il est constitué de deux montages en pont à semi-conducteurs avec des sens de conduction inversés, chacun des dits ponts alimentant une phase de la dite charge ; pendant les alternances positives du courant d'alimentation, ledit premier pont est activé, c'est à dire que deux de ses semi-conducteurs relient la première phase de ladite charge à l'alimentation, alors que le deuxième est activé pendant les alternances négatives de la tension d'alimentation, de sorte que la tension de chaque phase de ladite charge est positive puis nulle puis négative puis nulle et ainsi de suite, les courants des deux phases étant décalés dans le temps d'une demi période du réseau. 3. -Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait qu'il est constitué de triacs eVou de thyristors. 4. -Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pendant des durées proches d'une demi période du réseau, la phase qui n'est pas reliée au réseau est courtcircuitée. 5.-Dispositif diviseur statique de fréquence selon l'une des revendications 2 et 3 caractérisé par le fait qu'un condensateur est placé aux bornes de chaque phase de ladite charge et au moins une inductance est placée entre lesdites phases et les montages en pont à semi-conducteurs, le courant dans lesdites phases ainsi filtré se rapproche d'une sinusoïde. 6-Diviseur statique de fréquence selon l'une des revendications 2,3 et 5 caractérisé en ce qu'li alimente un compresseur frigorifique hermétique.