Brevet FR2891959A1 — publié le 20070413

La présente invention concerne les moteurs électriques alimentés par un courant alternatif polyphasé, notamment triphasé. Le brevet US 4 363 985 divulgue une machine électrique permettant de modifier les caractéristiques du bobinage d'un moteur en utilisant un système de commutation permettant de fonctionner selon une configuration triangle dans laquelle dans chacune des trois phases, les éléments de bobinage sont tous montés en série et une configuration étoile dans laquelle dans chacune des trois phases, les éléments de bobinage sont tous montés en parallèle. D'autres modes de réalisation sont aussi présentés comme par exemple des configurations dans lesquelles les éléments de bobinage de chaque phase comportent des éléments en série et en parallèle. Le brevet EP 0 923 192 divulgue des procédés pour changer les caractéristiques d'un moteur en modifiant la configuration d'éléments de bobinage. Un premier exemple est reproduit aux figures 1 et 2. Selon une première configuration, illustrée à la figure 1, correspondant aux 15 basses vitesses, tous les éléments de bobinage d'une phase sont alimentés en série, à partir des points d'alimentation U1, V1 et W1. Selon une deuxième configuration, illustrée à la figure 2, correspondant aux hautes vitesses, les éléments de bobinage reliés à un point neutre sont alimentés à partir des points intermédiaires U2, V2 et W2. 20 Un deuxième exemple est reproduit sur les figures 3 et 4. L'alimentation se fait dans cet exemple à partir des points intermédiaires X2, Y2 et Z2 aux hautes vitesses, selon une configuration triangle. Dans ces exemples, les éléments de bobinage non alimentés induisent une surtension aux bornes non connectées qui s'ajoute à la tension induite sur les éléments de 25 bobinage alimentés. Cette surtension impose de limiter le nombre de spires des éléments de bobinage à la valeur admissible compte tenu de l'isolation. Le brevet EP 0 923 192 divulgue une solution à ce problème consistant à réaliser tous les éléments de bobinage avec le même nombre de spires et à faire fonctionner 30 le moteur selon quatre modes de fonctionnement, correspondant à quatre agencements différents, à savoir : - un agencement dit hautes vitesses avec configuration en triangle et éléments de bobinage de chaque phase en parallèle, - un agencement dit intermédiaire hautes vitesses avec configuration étoile et éléments de bobinage de chaque phase en parallèle, - un agencement dit intermédiaire basses vitesses avec configuration triangle et éléments de bobinage de chaque phase en série, - un agencement dit basses vitesses avec configuration étoile et éléments de bobinage de chaque phase en série. La solution proposée dans le brevet EP 0 923 192 n'offre pas entière satisfaction. La commutation d'un agencement à un autre entraîne en effet des changements de la résistance de chaque phase, ce qui occasionne une modification des pertes par effet Joule. Il peut en résulter des variations de température non souhaitables, avec des phases de fonctionnement à chaud et d'autres à une température plus basse, où la machine peut difficilement maintenir son niveau d'isolation dans le temps, étant par exemple plus sensible à l'humidité. Il existe un besoin pour bénéficier d'une machine électrique pouvant fonctionner sur une plage de vitesses relativement grande et d'une manière fiable, éventuellement simplifiée. Il existe également un besoin pour remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur. L'invention vise notamment à répondre à tout ou partie de ces besoins. L'invention a pour objet une machine électrique polyphasée, par exemple triphasée, dont chaque phase comporte au moins deux éléments de bobinage, comportant un système de commutation pour commuter les éléments constitutifs de bobinage selon l'une des configurations suivantes : - une première configuration dans laquelle tous les éléments de bobinage sont alimentés en série, pour chaque phase, avec des tensions aux bornes de ces éléments de bobinage qui s'ajoutent, - une deuxième configuration dans laquelle pour chaque phase une partie seulement des éléments de bobinage est alimentée, et dans laquelle pour chaque phase au moins un élément de bobinage non alimenté comporte une première borne reliée à au moins un autre élément de bobinage et une deuxième borne non reliée, le potentiel de la deuxième borne étant donné par celui de la première borne auquel est retranchée la tension induite par cet élément de bobinage non alimenté. Grâce à l'invention, la machine électrique peut fonctionner sur une plage de vitesses relativement grande, par exemple avec une puissance sensiblement constante. L'invention peut permettre d'éviter de générer une surtension lorsque seulement une partie des éléments de bobinage est alimentée. La machine peut comporter au moins un point intermédiaire situé entre deux éléments consécutifs du bobinage d'une phase et au moins un premier interrupteur entre le point intermédiaire et l'un des éléments de bobinage et au moins un deuxième interrupteur relié au point intermédiaire et à une entrée de l'alimentation. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, lorsque le premier interrupteur est ouvert, le deuxième est fermé, et inversement. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le système de 15 commutation permet de commuter les éléments de bobinage selon l'une quelconque des configurations suivantes : - une configuration étoile dans laquelle les éléments de bobinage de chaque phase sont alimentés en série, - une configuration triangle dans laquelle les éléments de bobinage de chaque 20 phase sont alimentés en série, - une configuration étoile dans laquelle une partie seulement des éléments de bobinage de chaque phase est alimentée, - une configuration triangle dans laquelle une partie seulement des éléments de bobinage de chaque phase est alimentée. 25 Dans un exemple de réalisation, chaque phase de la machine électrique peut comporter exactement deux éléments de bobinage. Les éléments de bobinage de chaque phase peuvent avoir le même nombre de spires ou non. La machine peut comporter au moins un capteur, par exemple optoélectronique, 30 permettant d'effectuer une lecture de la vitesse de rotation de son rotor. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la machine électrique est une machine asynchrone pilotée par un variateur de fréquence. Selon un exemple de réalisation, le système de commutation comporte des interrupteurs électroniques de puissance, à semi-conducteurs, ce qui peut augmenter la rapidité des commutations. Lors de la phase de démarrage, les éléments de bobinage peuvent être agencés en série selon une configuration étoile. Selon un autre de ses aspects, l'invention a pour objet un procédé d'alimentation d'une machine telle que définie précédemment, comportant les étapes consistant à : - faire d'abord fonctionner la machine jusqu'à une première vitesse de commutation, tous les éléments de bobinage de chaque phase étant alimentés, par exemple selon une configuration étoile avec tous les éléments de bobinage pour chaque phase en série, - commuter, lorsque la vitesse dépasse la première vitesse de commutation, les éléments de bobinage de manière à n'alimenter qu'une partie seulement des éléments de 15 bobinage pour chaque phase. La première vitesse de commutation est par exemple choisie de manière à ce que le flux dans la machine soit sensiblement moitié moindre que le flux nominal, lorsque cette première vitesse de commutation est sur le point d'être atteinte. La première vitesse de commutation vaut par exemple sensiblement le double 20 de la vitesse de base. Le flux est alors par exemple compris entre 0,4 et 0,6 fois le flux nominal. Selon un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, le procédé comporte les étapes consistant à : - faire fonctionner la machine jusqu'à une première vitesse de commutation 25 avec les éléments de bobinage de chaque phase reliés électriquement en série selon une configuration étoile et tous alimentés, - à partir de la première vitesse de commutation et jusqu'à une deuxième vitesse de commutation, faire fonctionner la machine avec les éléments de bobinage reliés électriquement en série selon une configuration triangle, 30 - à partir de la deuxième vitesse de commutation et jusqu'à une troisième vitesse de commutation, faire fonctionner la machine en alimentant une partie seulement des bobinages par phase, selon une configuration étoile, - à partir de la troisième vitesse de commutation et au-delà, faire fonctionner la machine de manière à n'alimenter qu'une partie seulement des bobinages de chaque phase, selon une configuration triangle. L'invention a encore pour objet une installation de levage comportant une 5 machine électrique telle que définie précédemment. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - les figures 1 à 4, précédemment décrites, illustrent l'art antérieur, 10 - les figures 5 et 6 sont des schémas en blocs d'exemples d'installations équipées d'une machine électrique réalisée conformément à l'invention, - la figure 7 représente schématiquement un exemple de configuration des éléments de bobinage de la machine, - la figure 8 est une vue analogue à la figure 7, avec une configuration 15 différente des éléments de bobinage, - la figure 9 illustre un exemple d'évolution de la puissance en fonction de la vitesse de rotation, - les figures 10 et 11 illustrent d'autres exemples de configuration des éléments de bobinage, 20 - la figure 12 illustre l'évolution de la puissance en fonction de la vitesse de rotation dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, et - les figures 13 et 14 sont d'autres exemples de configuration des éléments de bobinage. On a représenté à la figure 5 une installation, par exemple de levage, 25 comprenant une machine électrique comportant un moteur 1, par exemple asynchrone, alimenté par un variateur de fréquence 2. Le stator du moteur 1 comporte dans l'exemple considéré une pluralité d'éléments de bobinage pour chaque phase. L'installation comporte également un système de commutation 3 qui permet de 30 commuter les différents éléments de bobinage du moteur 1 selon diverses configurations, par exemple en fonction de la vitesse de rotation et/ou du flux. L'installation peut comporter un capteur 4 de vitesse de rotation du rotor. Le moteur 1 est par exemple accouplé à un treuil 5 mais peut entraîner, sans que l'on sorte du cadre de la présente invention, tout autre organe mécanique. Dans l'exemple considéré, le variateur 2 et le système de commutation 3 ont été représentés sous la forme de blocs distincts, et correspondent par exemple à des cartes électroniques distinctes, mais on ne sort pas du cadre de la présente invention lorsque ces éléments sont regroupés au sein d'une même carte électronique. Le système de commutation 3 peut être déporté ou non, étant par exemple disposé dans une armoire ou boîtier solidaire ou non du moteur 1. Le capteur 4 a été représenté sur la figure 5 relié au variateur 2 mais on ne sort 10 pas du cadre de la présente invention lorsque c'est le système de commutation 3 qui reçoit des informations en provenance du capteur 4, comme illustré à la figure 6. Le système de commutation 3 et le variateur 2 peuvent échanger des informations de manière à ce que le variateur 2 connaisse la configuration des éléments de bobinage et puisse commander le moteur 1 en conséquence. 15 Le variateur 2 peut comporter une mémoire contenant les caractéristiques du moteur 1 selon les différentes configurations des éléments de bobinage pouvant être obtenues grâce au système de commutation 3. Le variateur 2 peut recevoir une information représentative d'une vitesse de consigne. 20 Le moteur 1 présente par exemple trois phases a, b et c, et comporte pour ces phases des éléments de bobinage respectifs 10 et 11, 20 et 21 et 30 et 31, comme illustré à la figure 7. Le système de commutation 3 comporte par exemple des interrupteurs 41, 51 pour la phase a, 42 et 52 pour la phase b et 43 et 53 pour la phase c. 25 Les interrupteurs 41, 42 et 43 sont disposés chacun entre deux éléments de bobinage de la phase correspondante. Les interrupteurs 51, 52 et 53 sont reliés d'une part à des points intermédiaires respectifs 60, 61 et 62 et d'autre part à des entrées d'alimentation respectives 70, 71 et 72 connectées aux phases U, V et W d'alimentation. 30 Les interrupteurs 41, 42 et 43 sont reliés respectivement aux points intermédiaires 60, 61 et 62. Au début du fonctionnement du moteur 1, selon la configuration de la figure 7, la vitesse v peut augmenter, comme illustré sur la figure 9, de 0 jusqu'à une vitesse de base vo. Au-delà de la vitesse vo, la limitation en tension du variateur 2 peut imposer de diminuer le flux de la machine proportionnellement à la vitesse, si l'on cherche un fonctionnement à une puissance sensiblement constante Pi. Le système de commutation 3 est par exemple agencé de telle sorte que lorsqu'une première vitesse de commutation vl, qui correspond par exemple sensiblement à deux fois la vitesse de base vo, est atteinte, le système de commutation passe de la configuration de la figure 7 dans laquelle les interrupteurs 41, 42 et 43 sont fermés et les interrupteurs 51, 52 et 53 ouverts, à la configuration de la figure 8. Dans cette configuration, les interrupteurs 41, 42 et 43 sont ouverts et les interrupteurs 51, 52 et 53 fermés. Seuls les éléments de bobinage 11, 21 et 31 reliés au point neutre N sont ainsi alimentés. Cela permet d'augmenter le flux et de fonctionner à une puissance sensiblement constante Pi au-delà de la première vitesse de commutation vi. De plus, les éléments de bobinage 10, 20 et 30 sont maintenus par des premières bornes respectives 10a, 20a et 30a aux potentiels d'alimentation U, V et W respectivement et le potentiel à leurs deuxièmes bornes respectives 10b, 20b et 30b est proche de celui du point neutre N, contrairement à l'art antérieur illustré à la figure 2 où la tension induite aux bornes des éléments de bobinage non alimentés s'ajoute à celle des éléments de bobinage alimentés. Par exemple, pour la phase a, on a au point intermédiaire 60 la tension ai par rapport au point neutre N et la borne 10b de l'élément de bobinage est au potentiel ai-a2, ce potentiel étant proche de celui du point neutre N. Dans l'art antérieur, la borne U1 non connectée est au potentiel ai + a2. Lorsque l'on souhaite plus de deux plages de fonctionnement à puissance sensiblement constante, comme illustré à la figure 9, on peut par exemple, lorsque la vitesse dépasse la première vitesse de commutation vi, agencer le système de commutation 3 avec d'autres interrupteurs non représentés de manière à passer de la configuration étoile de la figure 7 à la configuration triangle de la figure 10, dans laquelle les éléments de bobinage de chaque phase sont reliés électriquement en série. Lorsque la vitesse atteint une deuxième vitesse de commutation v2, le système de commutation 3 peut être agencé pour commuter les éléments de bobinage selon la configuration de la figure 8 pour fonctionner à puissance sensiblement constante. Lorsque la vitesse dépasse une troisième vitesse de commutation v3, le système de commutation 3 peut amener les éléments de bobinage dans la configuration triangle de la figure 11, dans laquelle une partie seulement des éléments de bobinage est alimentée, les interrupteurs 51, 52 et 53 étant fermés et les interrupteurs 41, 42 et 43 ouverts. On a représenté sur la figure 12 un exemple d'évolution de la puissance en fonction de la vitesse pour chacune des configurations isolément. Le basculement des interrupteurs peut être simultané ou non pour chacune des phases. Par exemple, l'interrupteur 41 peut s'ouvrir au moment où l'interrupteur 51 se ferme et inversement. Le basculement peut encore être quasi-simultané. La machine électrique peut comporter plus de deux éléments de bobinage par phase et, à titre d'exemple, on a illustré à la figure 13 une machine électrique qui comporte trois éléments de bobinage par phase, à savoir deux éléments de bobinage 10 et 11 respectivement associés à des interrupteurs 41 et 51 d'une part et 44 et 54 d'autre part et un troisième élément de bobinage 12 pour la phase a, deux éléments de bobinage 20 et 21 respectivement associés à des interrupteurs 42 et 52 d'une part et 45 et 55 d'autre part et un troisième élément de bobinage 22 pour la phase b, et des éléments de bobinage 30 et 31 respectivement associés à des interrupteurs 43 et 53 d'une part et 46 et 56 d'autre part et un troisième élément de bobinage 32, pour la phase c. Dans l'exemple de la figure 13, les éléments de bobinage sont disposés selon une configuration étoile et dans l'exemple de la figure 14 selon une configuration triangle. Les différents interrupteurs peuvent être commutés de manière à permettre à la machine de fonctionner dans une première phase de fonctionnement avec tous les éléments de bobinage en série pour chaque phase, et ensuite, lorsque la vitesse augmente, avec une partie seulement d'entre eux alimentés. Ainsi, dans l'exemple de la figure 13, la machine peut fonctionner dans une deuxième phase de fonctionnement avec les interrupteurs 41, 42 et 43 ouverts et 51, 52 et 53 fermés, les interrupteurs 44, 45 et 46 étant fermés, puis dans une troisième phase de fonctionnement avec les interrupteurs 44, 45 et 46 ouverts et les interrupteurs 54, 55 et 56 fermés. Dans tous les exemples illustrés, les interrupteurs peuvent être des interrupteurs électromécaniques et/ou à semi-conducteurs. Chaque interrupteur peut par exemple comporter plusieurs composants en série et/ou en parallèle selon la puissance à commuter. L'invention n'est pas limitée à une installation de levage et s'applique aux machines-outils, à l'enroulage ou au déroulage, à la propulsion, entre autres. L'invention n'est pas limitée à un fonctionnement à puissance sensiblement constante lorsque la vitesse est supérieure à la vitesse de base. On peut par exemple avoir un fonctionnement avec plusieurs paliers de puissances, la puissance étant sensiblement constante sur chaque palier associé à une plage de vitesses. L'expression comportant un doit être comprise comme étant synonyme de comportant au moins un , sauf si le contraire est spécifié. REVENDICATIONS 1. Machine électrique polyphasée, par exemple triphasée, dont chaque phase comporte au moins deux éléments de bobinage, comportant un système de commutation pour commuter les éléments constitutifs de bobinage selon l'une des configurations suivantes : - une première configuration dans laquelle tous les éléments de bobinage sont alimentés en série, pour chaque phase, avec des tensions (ai, a2) aux bornes de ces éléments de bobinage qui s'ajoutent, - une deuxième configuration dans laquelle pour chaque phase une partie seulement des éléments de bobinage est alimentée, et dans laquelle pour chaque phase au moins un élément de bobinage non alimenté (10 ; 20 ; 30) comporte une première borne (l0a ; 20a ; 30a) reliée à au moins un autre élément de bobinage (11 ; 21 ; 31) et une deuxième borne (10b ; 20b ; 30b) non reliée, le potentiel de la deuxième borne étant donné par celui de la première borne auquel est retranchée la tension induite (a2) par cet élément de bobinage non alimenté (10b ; 20b ; 30b). 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la configuration dans laquelle les éléments de bobinage de chaque phase sont reliés en série est une configuration étoile. 3. Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le système de 20 commutation (3) permet de commuter les éléments de bobinage selon l'une quelconque des configurations suivantes : - une configuration étoile dans laquelle les éléments de bobinage de chaque phase sont alimentés en série, - une configuration triangle dans laquelle les éléments de bobinage de chaque 25 phase sont alimentés en série, - une configuration étoile dans laquelle une partie seulement des éléments de bobinage de chaque phase est alimentée, - une configuration triangle dans laquelle une partie seulement des éléments de bobinage de chaque phase est alimentée. 30 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un point intermédiaire (60 ; 61 ; 62) situé entre deux éléments consécutifs du bobinage d'une phase et au moins un premier interrupteur (41 ; 42 ; 43)entre le point intermédiaire et l'un des éléments de bobinage et au moins un deuxième interrupteur (51 ; 52 ; 53) relié au point intermédiaire et à une entrée (70 ; 71 ; 72) de l'alimentation. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisée par le fait que chaque phase de la machine électrique comporte exactement deux éléments de bobinage. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les éléments de bobinage de chaque phase ont le même nombre de spires. 10 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un capteur (9) permettant d'effectuer une lecture de la vitesse de rotation de son rotor. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle est asynchrone. 15 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que lors de la phase de démarrage, les éléments de bobinage sont agencés en série selon une configuration étoile. 10. Machine électrique polyphasée, notamment moteur triphasé, dont chaque phase (a ; b ; c) comporte au moins deux éléments de bobinage (10, 11 ; 20, 21 ; 30, 31) 20 comportant un système de commutation (3) pour commuter, en fonction de la vitesse de rotation et/ou du flux, les éléments constitutifs de bobinage selon l'une au moins des configurations suivantes : - une première configuration dans laquelle tous les éléments de bobinage sont alimentés en série, pour chaque phase, grâce à un premier interrupteur reliant ces éléments 25 de bobinage à l'état fermé, - une deuxième configuration dans laquelle une partie seulement des éléments de bobinage est alimentée, pour chaque phase, à partir d'un point intermédiaire (60 ; 61 ; 62) situé entre deux éléments consécutifs du bobinage de cette phase, et au moins un deuxième interrupteur (41 ; 42 ; 43) entre ce point intermédiaire et une entrée 30 (70 ; 71 ; 72) de l'alimentation, ce deuxième interrupteur étant à l'état fermé et le premier interrupteur à l'état ouvert dans cette deuxième configuration, le deuxième interrupteur étant à l'état ouvert dans la première configuration. 11. Procédé d'alimentation d'une machine telle que définie dans l'une quelconque des revendications précédentes, comportant les étapes consistant à : - faire d'abord fonctionner la machine jusqu'à une première vitesse de commutation, tous les éléments de bobinage de chaque phase étant alimentés, - commuter, lorsque la vitesse dépasse la première vitesse de commutation, les éléments de bobinage de manière à n'alimenter qu'une partie seulement des éléments de bobinage pour chaque phase. 12. Procédé selon la revendication 11, comportant les étapes consistant à : - faire fonctionner la machine jusqu'à une première vitesse de commutation avec les éléments de bobinage reliés électriquement en série selon une configuration étoile, - commuter, lorsque la vitesse dépasse la première vitesse de commutation, les éléments de bobinage de manière à n'alimenter qu'une partie seulement des éléments de bobinage pour chaque phase. 13. Procédé selon la revendication 11, comportant les étapes consistant à : - faire fonctionner la machine jusqu'à une première vitesse de commutation avec les éléments de bobinage de chaque phase reliés électriquement en série selon une configuration étoile et tous alimentés, - à partir de la première vitesse de commutation et jusqu'à une deuxième 20 vitesse de commutation, faire fonctionner la machine avec les éléments de bobinage reliés électriquement en série selon une configuration triangle, - à partir de la deuxième vitesse de commutation et jusqu'à une troisième vitesse de commutation, faire fonctionner la machine en alimentant une partie seulement des bobinages par phase, selon une configuration étoile, 25 - à partir de la troisième vitesse de commutation et au-delà, faire fonctionner la machine de manière à n'alimenter qu'une partie seulement des bobinages de chaque phase, selon une configuration triangle. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel la première vitesse de commutation vaut sensiblement le double de la vitesse de base. 30 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, dans lequel le flux lorsque la première vitesse de commutation est sur le point d'être atteinte vaut sensiblement la moitié du flux nominal. 16. Installation de levage comportant une machine électrique telle que définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 10.