Brevet FR2841404A1 — publié le 20031226

pilotage des actuateurs piezo-electriques. La presente invention est relative aux moteurs electriques a courant alternatif monophase ou triphase ainsi qu'aux generatrices asynchrones de toute puissance. Il est connu que d'une maniere generale les moteurs electriques a courant alternatif monophase vent limites a de faibles puissances alors que les moteurs triphases vent utilises pour S les plus fortes puissances. Dans les moteurs a courant monophase on trouve un bobinage principal et, le plus souvent, un bobinage de demarrage alimente a travers un condensateur permanent de dephasage du bobinage de demarrage. La fipure 1 montre schematiquement le branchement d'un tel moteur a courant alternatif monophase ou l'on volt le bobinage principal (l), le bobinage de demarrage (2) et le condensateur permanent (3). Mais cette technologie est limitee en efficacite par la permeabilite du cuivre au passage des electrons. Le rendement depend de la classe d'isolement des materiaux utilises et il chute quand les temperatures depassent les 100 C/1 10 C. De plus cette configuration n'autorise que de faibles couples de demarrage. Dans les moteurs electriques conventionnels a courant alternatif triphase les bobinages de chaque pole vent relies aux trots phases par une configuration en etoile et une configuration en triangle. Le branchement electrique permet alors de passer d'une configuration a l'autre en fonction du couple resistant. On salt en particulier qu'au demarrage, au moment ou la demande en intensite est importante, le moteur sera en configuration > et passera en > apres quelques secondes quand le regime est bien etabli. La figure 2 montre, pour un moteur triphase, un branchement en >. On remarque les trots bobinages (l), (2) et (3) et les points de branchement des trots phases (R), (S) et (T) de l'alimentation electrique triphasee. La figure 3 represente un branchement en > ou les bobinages vent egalement marques (1), (2) et (3) et les points de branchement des trots phases (R), (S) et (T).Le point de centre du branchement > est repere par (0). Un tel branchement classique generalement appele > est assez simple de mise en oeuvre. Les fabricants et des reparateurs ou bobineurs de moteurs electriques vent pour la plupart equipes pour realiser de tels bobinages qui vent assez peu onereux. Mais, comme pour les moteurs monophases, la technologie conventionnelle est limitee en effcacite par la p ermeab ilite du cuivre au pas sage des electrons, les moteurs ainsi real ises ont un rendement qui depend, encore plus fortement que les moteurs triphases, de la classe d'isolement des materiaux utilises (classe AIB/C/F/H). II y a egalement de fortes pertes de rendement dans les plages de temperatures elevees 100 C/180 C. - Pour remedier a ces inconvenients on a pense a realiser certaines ameliorations. D'abord pour les moteurs a courant monophase, on a dispose pour l'alimentation du bobinage de demarrage d'un relais de demarrage qui n'est alimente que pendant quelques fractions de secondes de fa,con d'abord a faciliter le demarrage, comme pour le moteur conventionnel mais aussi a eviter toute deterioration apres demarrage. La valeur du condensateur peut ainsi etre determinee de facon optimale pour reunir les meilleures conditions de demarrage du moteur. Pour le fonctionnement apres demarrage on a ajoute, en parallele avec le circuit du relai s et du condensateur de demarrage, un autre condensateur p ermett ant le dep hasage du bobinage principal en fonctionnement etabli. Les caracteristiques de ce dernier condensateur vent choisies pour permettre un fonctionnement correct du moteur. La figure 4 montre schematiquement le branchement d'un tel moteur a courant alternatif monophase ameliore ou l'on volt le bobinage principal (1), le bobinage de demarrage (2), le condensateur permanent (3), le relais d'alimentation du condensateur de demarrage (4) et le condensateur permanent de dephasage (5). En ce qui concerne les moteurs a courant triphase, on a installe un bobinage additionnel pour creer un dephasage et eviter la saturation du bobinage principal. Pour cela on vient aussi alimenter le bobinage additionnel par un ou des condensateurs La figure 5 montre un branchement en > avec cette amelioration. Les trots bobinages principaux vent reperes (1)7 (2) et (3), les bobinages additionnels de de-saturation vent reperes (4), (5) et (6), les condensateurs des bobinages additionnels vent (7), () et (9) enfin les points de branchement des trots phases (R), (S) et (T) de l'alimentation electrique triphasee. La figure 6 represente le branchement en > de cette amelioration. Les bobinages principaux vent egalement marques (1), (2) et (3), les bobinages additiomels de de-saturation vent reperes (4), (5) et (6), les condensateurs des bobinages additionnels vent (7), (8) et (9) enfin les points de branchement des trots phases (R), (S) et (T) de l'alimentation electrique triphasee. Mais on remarque la presence de deux points de centre reperes (0p) pour le bobinage principal et (0s) pour le bobinage additionnel de de-saturation. II s'agit dans les deux cas, moteurs a courant monophase ou a courant triphase, d'un progres dont l'efficacite peut se verifier sur une application simple comme un transformateur statique. On constate bien une amelioration interessante du facteur de puissance. Mais cette disposition presente encore des inconvenients qui limitent son application. Tout d'abord il y a un assez fort accroissement de volume car d'une part la densite de cuivre est generalement augmentee d'environ 15% et d'autre part la mise en place des deux bobinages necessite un espace important. Il est ainsi souvent physiquement impossible de les implanter dans le fer magnetique d'un moteur existent traditionnel. 3 2841404 Ensuite, quand cela est possible, le double bobinage dans le fer magnetique doit etre realise en deux operations distinctes, ce qui augmente le temps et le cout de mise en oeuvre. De plus, sur tous les moteurs a multi-circuits en parallele, la saturation de l'intensite de la cage du rotor est presque immediate. Cette saturation entrame cependant une legere baisse du couple au demarrage. Il faut aussi noter que c'est surtout le second bobinage (de de-saturation) qui verra une augmentation de temperature a cause d'une assez forte intensite en rapport de sa permeabilite. On observe sur les moteurs ainsi transformes, une duree de vie plus course en raison de la temperature de fonctionnement excessive du rotor et du second bobinage. Enfin, sur les moteurs a courant triphase, une telle technologie oblige a un fonctionnement uniquement en > puisque dans la configuration > on obseve aucune amelioration du rendement. Il n'est done pas possible avec cette technique d'avoir un moteur avec de nombreux circuits en parallele. Par consequent, tout moteur transforme pour adopter cette technologie ne pourra pratiquement travailler qu'en configuration >. 11 y aura ainsi saturation du rotor car le nombre de circuits en parallele est trop important. Pour illustrer cette situation sur un moteur a courant triphase il est montre en figure 7 un exemple d'alimentation de moteur a quatre poles, avec indication de points de couplage triangle interne 4,5,6,7,8 et 9. On remarque tout de suite le caractere asymetrique et desequilibre sur chacun des bobinages principaux (y) et additionnels (v). Cela genere un probleme de rendement lors du couplage avec le bobinage additionnel en rapport du sens de rotation du moteur. Dans un sens on observe un rendement tres mediocre. La mise en oeuvre de cette technologie sur un moteur existent a courant triphase se fait en suivant les etapes suivantes. - augmentation de la densite de cuivre de 15% - separation du bobinage d'origine en deux bobinages respectant le ratio 1/2. - conversion du type de couplage interne d'etoile au type triangle avec respect du nombre de circuits en parallele exista.nts - alimentation en serie du plus petit bobinage par l'intermediaire de condensateurs pour permettre le dephasage et la de-saturation du bobinage principal 4 2841404 Le calcul des valeurs capacitives des condensateurs est base sur la puissance theorique developpee par le moteur. La formule de conversion s'ecrit: (460)2 C P x-- - - - - - - - - - - - - x 1.5 (E)2 Ou C est la valeur capacitive par phase des condensateurs en >. P est la puissance theorique du moteur en > ou (CV). E est la tension d'alimentation du moteur par phase en >. 1.5 est un coeffcient multiplicateur empirique venant de 1'experience. Ce mode de calcul ne permet pas de definir la valeur optimale de capacite des condensateurs des bobinages additionnels poisqu'il ne tient pas compte des caracteristiques pratiques et reelles du moteur. En resume ces nouvelles configurations connues decrites ci avant presentent encore les inconvenients suivants qui limitent la portee reelle des ameliorations: - augmentation de la densite de cuivre de 15% entra^mant souvent des difficultes de mise en place et quelques fois meme des impossibilites - operation de bobinage assez longue car en deux phases successives distinctes. - definition non optimale du condensateur - obligation, sur un moteur a courant triphase, de fonctionner en configuration > entranant une saturation du rotor a cause d'un nombre de circuits en parallele est trop important. La presente invention a pour but de remedier a ces inconvenients. Wile est decrite en detail dans la suite du document et il est montre en quoi cette nouvelle technique constitue un progres important dans le domaine des moteurs electriques monophases ou triphases, ainsi que pour les generatrices asynchrones. Si ['invention reprend l'idee du deuxieme bobinage de de-saturation alimente a travers des condensateurs, elle introduit des modifications majeures qui permettent une amelioration tres nette des resultats tent sur le plan pratique de la realisation puisque la mise en oeuvre devient beaucoup plus facile et plus rapide que sur le plan des performances qui augmentent tres sensiblement et meme parfois de facon spectaculaire. En particulier on constate une reduction de la consommation de courant, une augmentation du rendement et une plus grande longevite des moteurs, et generatrices asynchrones. - Les ameliorations portent sur trots points principaux qui seront explicites par la suite et dont les avantages seront decrits en detail. - Le branchement des bobinages se fait, pour les moteurs triphases et les generatrices asynchrones, sur des phases differentes et, pour les moteurs monophases, en opposition de champ - Le rapport de section des fils des bobinages principal et additionnel est respectivement de 2/3 et 1/3 et la section totale du fil de bobinage restart sensiblement voisine de celle d'un bobinage unique - La formule de determination de la valeur des condensateurs prend en compte I'intensite reelle consommee par le moteur et non sa puissance theorique. La description des figures qui illustrent ['invention permettra. de rnieux voir les differentes dispositions de ['invention. Pour les moteurs monophases, on place un ensemble bobinage additionnel de de saturation en parallele avec le bobinage principal et avec le bobinage de demarrage muni de son condensateur et son relais de coupure. L'ensemble bobinage additionnel etant constitue de deux bobinages identiques montes en serie et separes par un condensateur de dephasage branche au niveau du point de centre. La figure 8 represente le branchement d'un tel moteur a courant alternatif monophase objet de ['invention ou l'on volt le bobinage principal en deux parties (la) et (lb) separees par le point de centre (0) , le bobinage de demarrage (2) avec son condensateur permanent (3) et son relais d'alimentation de demarrage (4) et le bobinage additionnel de desaturation constitue des parties (5a) et (5b) entre lesquelles est branche le condensateur (6). On remarquera que le bobinage additionnel est branche en opposition de champ a partir du point milieu Pour les moteurs triphases et les generatrices asynchrones le principe reste le meme, on place, au niveau de chaque phase et en plus du bobinage principal, un ensemble bobinage additionnel de de-saturation avec condensateur d'alimentation comme dans ['amelioration precedemment decrite. Mais dans le cas de ['invention le branchement de chaque bobinage additionnel se fait sur une phase differente de celle de son bobinage principal. La figure 9 montre le branchement en > d' un moteur triphase conforme a 1' invention. Les trots bobinages principaux vent reperes (1), (2) et (3), les bobinages additionnels de de saturation vent reperes (4), (5) et (6), les condensateurs des bobinages additionnels vent (7), (8) et (9). On remarque que les points de jonction des bobinages principaux vent reperes (R), (S) et (T) ne vent pas les points d'alimentation des trots phases. Ces points d'alimentation reperes (Ra), (Sa) et (Ta) vent en fait directement en extremite du second bobinage? cote condensateur de fa,con a realiser une alimentation en dephasage du bobinage additionnel par rapport au bobinage principal. La figure 10 represente le branchement en l'alimentation electrique triphasee. On remarque que la le point de centre est unique: (0). Mais dans les deux configurations la disposition importante qui constitue un element majeur de [ ' invention est que chaque bobinage de desaturation d' un bobinage principal est branche sur I'alimentation de l'autre phase. Ainsi, dans le branchement en etoile, on volt que: - le bobinage additionnel (4) de de-saturation du bobinage principal (1) est branche, a travers le condensateur (7), sur la phase (S) d'alimentation du bobinage principal (23. - le bobinage additionnel (S) de de-saturation du bobinage principal (2) est branche, a travers le condensateur (8), sur la phase (T) d'alimentation du bobinage principal (3). - le bobinage additionnel (6) de de-saturation du bobinage principal (3) est branche, a travers le condensateur (9), sur la phase (R) d'alimentation du bobinage principal (1. La figure 11 montre 1'application de 1'invention pour un moteur triphase a quatre poles On remarque le caractere symetrique et equilibre du bobinage principal (y) au niveau des couplages de connexion triangle interne 4,5, et 6. De cette maniere on observe aucune baisse de rendement lors du couplage avec le bobinage additionnel (v) en rapport du sens de rotation du moteur quel que soit le sens souhaite La configuration nouvelle des bobinages decrite ci-avant s'accompagne, toujours dans le cadre de ['invention, d'un procede de determination de la valeur de la capacite du condensateur du bobinage additionnel du moteur monophase, triphase ou de la generatrice asynchrone. Cette determination se fait a ['aide d'une formule qui prend en compte la consommation reelle en courant du moteur ou du debit maximum de la generatrice asynchrone, ainsi que la tension par phase. Ainsi la valeur capacitive en MicroFarads du condensateur de chaque bobinage additionnel doit etre: - directement proportionnelle a la valeur du courant consomme en Amperes - inversement proportionnelle au carre de la tension par phase en Volts - et majoree d'un coefficient multiplicateur compris entre0,250x 106et0,300x 106 Les nombreux avantages de ['invention peuvent etre maintenant detailles. / 2841404 En premier lieu, le rendement est largement ameliore et la consommation en courant est sensiblement reduite. Ensuite, cette reduction de consommation permet d'abaisser la temperature de fonctionnement du moteur. Egalement, le branchement etant equilibre, la rotation du moteur est elle aussi tres bien equilibree. On note done que les moteurs et les generatrices asynchrones, reprenant de la disposition de ['invention generent peu de vibrations et ne font pas entendre le ronronnement caracteri stique de s circulations internee de courant s a co ntresens De plus, les deux avantages precedents en amenent un troisieme qui est l'ame] ioration de la duree de vie du moteur et de la generatrice asynchrone puisque les isolants chauffant moins ils ont moins tendance a durcir et a bruler et le meilleur equilibrage preserve les organes tels que les roulements' les structures, les fixations et les accouplements. Enfin, comme deja indique, ['operation de bobinage se faisant en une seule operation, celle-ci est plus rapide est beaucoup plus economique. : r 8- 2841404 Revendications Revendication 1 Moteur electrique a courant alternatif monophase ou triphase ou generatrice asYnc'nrone a deux poles ou plus, presentant des bobinages principaux et des bobinages additionneis de de saturation, chaque bobinage additionnel etant alimente a trav-ers un ou des cvndensateurs, caracterise par le fait que chaque bobinage additionnel est alimente a trasers son ou ses condensateurs en decalage de phase ou de cliamp par rapport a son bobinage principal Rev en d icatio n 2 Moteur electrique a courant alternatif monophase ou triphase ou generatrice asynchrone selon la revendication l, caracterise par le fait que le rapport des sections des fils des deux bobinages vent dans le rapport 2/3 pour le bobinage principal et 1l'3 pOUF le bobinage additionnel. Revendication 3 : Moteur electrique a courant alternatif monophase ou tr. phase ou generatnce asynchrone selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise par le fait que la valeur capacitive en MicroFarads du condensateur d'alimentation du hobinage additionnel est direstement proportionnelle a la valeur du courant en Amperes reellement consomme par le moteur ou produit par le generatrice asynchrone, inversement proportionnelle au carre de la tension en Volts d'alimentation de chaque phase et affectee d'un fcteur multiplicateur. Rev en d icatio n 4 Moteur electrique a courant alternatif monophase ou triphase ou generatrice asynchrone selon la revendication 3 caracterise par le fait que le facteur multiplicateur est conpris ecre 0,250 x 106et O,300 x 106 Revendication 5 Procede de bobinage de moteur electrique a courant alternatif monophase QU triphase ou generatrice asynchrone a deux poles ou plus pourvu de bobinages principaux et additionnels, selon la revendication 2 caracterise par le fait que les deux bobinages vent realises en une seule et meme operation. Revendication 6 Procede de determination de la valeur capacitive de condensateur de bobinage additionne! d'un moteur electrique a courant alternatif monophase ou triphase ou generatrice asynchrone a deux poles ou plus tel que defini dans une des revendications 1 a 4, caracterise par le iGait que 1'on applique une formule dans laquelle cette valeur capacitive exprirnee en MicroFarads est directement proportionnelle a la valeur du courant en Amperes reellement consoTune par le moteur ou produit par la generatrice asynchrone, inversemer.t proportionnelle au carre de la A- 2841404 tension en Volts d'alimentation de chaque phase et affectee d'un 6cteur multiplicateur compris entre 0,250 x 106 et 0,300 x 106.