Brevet FR2888057A1 — publié le 20070105

L'invention concerne un procédé de détermination de la température d'un moteur asynchrone comprenant un condensateur permanent et deux bobinages et alimenté par une tension périodique. L'invention concerne également une unité de commande de l'alimentation électrique d'un moteur asynchrone à condensateur permanent et un actionneur comprenant une telle unité de commande. L'invention concerne encore une utilisation du procédé de détermination. Pour des questions de sécurité et de prévention des incendies, il est impératif que la température des bobinages d'un moteur utilisé dans un bâtiment ne dépasse pas un seuil fixé par le constructeur ou par les normes. Dans le domaine des actionneurs à courant alternatif utilisant un moteur à induction monophasé à condensateur permanent, cette protection est assurée communément par un dispositif électromécanique de type bilame. La protection est donc réversible. La demande de brevet WO 99/26323 donne un exemple d'implantation d'une telle protection thermique. Aussi simple soit-il, ce moyen de protection présente de nombreux inconvénients. Il nécessite une connectique spécifique, de type basse-tension BT (230V) imposant des distances et des matériaux d'isolation entraînant encombrement et coût. Le composant de protection est lui-même coûteux pour présenter la précision et la fiabilité nécessaires. Enfin, le composant ne donne pas une mesure intrinsèque de la température du bobinage et encore moins de sa température moyenne puisqu'il est placé dans une partie de celui-ci (au niveau des chignons). MS\2.S649.12FR.542.dpt.doc Il est connu dans certains dispositifs électriques de mesurer la température d'un conducteur à partir de sa résistance. Les demandes de brevet JP 04369487 et JP 58095960 décrivent des méthodes de mesure de la température d'un bobinage d'induit de moteur à courant continu, en éliminant dans la mesure les effets de la force contre-électromotrice du moteur et les chutes de tension des balais. De tels procédés de mesure indirecte de résistance n'ont jamais été imaginés pour des moteurs à courant alternatif raccordés au réseau commercial de distribution équipant les actionneurs du domaine de l'invention. On connaît également du brevet US 4,200,829 un dispositif de commande de l'alimentation d'un moteur asynchrone comprenant un moyen de détection du franchissement d'un seuil par la température d'un bobinage du moteur. Ce moyen de détection comprend un pont de résistances dans lequel l'une des résistances est un des bobinages du moteur. Lorsque la température du bobinage varie, sa résistance varie et lorsque par variation de la résistance le pont s'équilibre, l'alimentation électrique du moteur est coupée. Ce dispositif ne permet pas de mesurer une température mais de détecter un seuil de température. En outre, il nécessite l'utilisation de nombreux composants électroniques. Dans le domaine des moteurs à courant continu, le brevet US 6,111,330 25 décrit une méthode de mesure utilisant l'évaluation du courant de blocage du moteur à partir d'une intégration de son courant de démarrage. On connaît du brevet US 6,097,166 un dispositif de commande d'un moteur électrique comprenant un capteur de température au voisinage du moteur. La température du moteur est estimée en fonction de la durée MS\2. S649. 12FR.542.dpt.doc des phases d'alimentation du moteur et de la température mesurée par le capteur au voisinage du moteur. Le but de l'invention est de fournir un procédé de détermination de la température d'un moteur électrique asynchrone obviant aux inconvénients précités et améliorant les procédés de détermination connus de l'art antérieur. Ainsi, l'invention propose un procédé de mesure de température simple donnant une valeur représentative de la température des bobinages du moteur. L'invention concerne également une unité de commande permettant la mise en oeuvre d'un tel procédé, l'unité de commande présentant une structure simplifiée et un coût inférieur par rapport aux unités de commande connues de l'art antérieur. Le procédé de détermination de la température selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'alimentation du moteur, suivie d'une phase de mesure d'une grandeur électrique dans le moteur et une phase de détermination de la température du moteur à partir des variations de la grandeur électrique mesurée. La grandeur électrique peut être la tension aux bornes du condensateur permanent ou aux bornes de l'un des bobinages du moteur. La grandeur électrique peut être l'intensité du courant circulant dans le condensateur permanent. La phase d'alimentation du moteur peut durer moins d'un quart de période T. L'unité de commande selon l'invention permet l'alimentation électrique 30 d'un moteur asynchrone à condensateur permanent. Elle est caractérisée MS\2. S649.12FR.542.dpt.doc en ce qu'elle comprend des moyens matériels et logiciels pour mettre en oeuvre le procédé défini précédemment. L'actionneur selon l'invention comprend une unité de commande définie 5 précédemment et un moteur électrique asynchrone à condensateur permanent. L'actionneur peut comprendre un moyen de protection thermique non réversible couplé thermiquement aux bobinages du moteur. Le procédé de détermination de la température d'un moteur asynchrone défini précédemment peut être utilisé dans un procédé de commande de l'alimentation électrique de ce moteur. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un actionneur et un procédé selon l'invention. La figure 1 est un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention. La figure 2 est un ordinogramme d'un mode d'exécution d'un procédé de détermination de température selon l'invention. La figure 3 est un ordinogramme d'un mode d'exécution d'un procédé de 25 commande d'un moteur électrique utilisant le procédé de détermination de température. L'actionneur ACT représenté schématiquement à la figure 1 permet d'entraîner un élément mobile LD de fermeture, d'occultation ou de protection solaire équipant un bâtiment. Cet élément peut être déplacé selon deux sens opposés par rotation d'un moteur à induction MOT dans MS\2. S649.12FR.542.dpt.doc un premier sens de rotation et dans un deuxième sens de rotation. L'actionneur est alimenté par le réseau de distribution électrique entre un conducteur de phase AC-H et un conducteur de neutre AC-N. L'élément mobile peut par exemple être un volet roulant comprenant un tablier 2 constitué de lames, enroulable sur un tube d'enroulement 1 et présentant une extrémité inférieure 3 mobile entre une position extrême supérieure 5 et une position extrême inférieure 4. Le moteur MOT est de type asynchrone monophasé, et comprend deux bobinages W1 et W2. Il est raccordé à un condensateur CM de déphasage moteur, ou condensateur permanent . Selon le sens de rotation désiré, le condensateur CM est disposé en série avec le premier bobinage W1 ou avec le deuxième bobinage W2. On désigne par P1 et P2 les points de raccordement du condensateur CM avec chacun des bobinages W1 et W2. Les deux autres extrémités des bobinages sont reliées en un point N1, luimême raccordé au conducteur neutre AC-N via un interrupteur commandé TRC, par exemple un triac. Un frein d'immobilisation BRK est associé au moteur MOT dont il bloque le rotor en l'absence de courant dans les bobinages. Comme représenté par des liaisons en trait pointillé, le frein est couplé magnétiquement à chacun des bobinages. Quand le rotor du moteur MOT tourne, il entraîne un réducteur GER, dont l'étage de sortie entraîne un arbre constituant la sortie mécanique de l'actionneur. La liaison entre le conducteur de phase AC-H et les bobinages W l et W2 du moteur sont effectués au moyen de deux interrupteurs dl et rl2 commandés par un circuit électronique de pilotage MCU qui comprend divers moyens assurant la commande de l'actionneur, c'est-à-dire des moyens de réception et d'interprétation des ordres reçus, des moyens d'alimentation de l'actionneur et des moyens de coupure de cette MS\2. S 649.12FR.542. dpt. doc alimentation soit par ordre soit lorsqu'une butée est détectée. Les deux interrupteurs dl et rl2 ont une connexion commune, reliée au conducteur de phase en une borne de phase PO de l'actionneur. Les autres connexions des interrupteurs sont respectivement raccordées aux points de raccordement P1 et P2. Le pilotage des interrupteurs commandés résulte d'ordres de commande transmis par radiofréquences. Le circuit électronique de pilotage MCU comprend une unité logique de traitement CPU, telle qu'un microcontrôleur. Ce circuit comprend un circuit d'alimentation PSU, typiquement un convertisseur abaisseur, dont une entrée est reliée à la borne de phase PO et dont l'autre entrée est reliée à la borne de neutre NO et constitue la masse électrique GND du circuit électronique de pilotage. La tension continue de sortie VCC du circuit d'alimentation alimente l'unité logique de traitement CPU et, de manière non représentée, un récepteur radiofréquences REC. Ce récepteur radiofréquences REC comprend une entrée HF raccordée à une antenne ANT, et deux sorties logiques UP et DN, respectivement raccordées à deux entrées logiques 11 et 12 de l'unité logique de traitement CPU. Par des moyens connus de l'homme du métier, le récepteur radiofréquences interprète le signal radio reçu pour générer, s'il y a lieu un état logique haut sur la première sortie UP ou un état logique haut sur la deuxième sortie DN, selon que le signal reçu véhicule un ordre de montée ou un ordre de descente. L'unité logique de traitement comprend une première sortie 01 alimentant une première bobine de relais RL1 et une deuxième sortie 02 alimentant une deuxième bobine de relais RL2. Ces bobines agissent respectivement sur un premier contact de relais constituant l'interrupteur MS\2.S649. 12FR.542.dpt.doc dl et sur un deuxième contact de relais constituant l'interrupteur rl2. Selon la bobine de relais alimentée, le moteur MOT tourne dans l'un ou l'autre sens. D'autres moyens que des relais sont utilisables, par exemple des triacs ou des transistors. Dans une variante de l'actionneur, dite à commande filaire, le récepteur radiofréquences et les relais sont supprimés. Les points de raccordement P1 et P2 sont directement accessibles depuis l'extérieur de l'actionneur. L'actionneur tourne dans un premier sens lorsque le conducteur de phase AC-H est connecté, par exemple à l'aide d'un interrupteur inverseur, au point de raccordement P1 et tourne dans un deuxième sens lorsque le conducteur de phase est connecté au point de raccordement P2. Le circuit électronique de pilotage MCU comprend une unité de contrôle du couple TCU dont une première entrée U1 est raccordée au conducteur du premier bobinage W1 et dont une deuxième entrée U2 est raccordée au conducteur du deuxième bobinage W2. Ces raccordements sont symbolisés par un cercle entourant le point de liaison. On exprime ainsi que le raccordement est soit constitué par une liaison galvanique, et dans ce cas l'unité de mesure de couple TCU mesure une tension, ou un déphasage de tensions, soit constitué par une liaison non galvanique (par exemple inductive), et dans ce cas l'unité de mesure de couple mesure un courant, ou un déphasage de courants. Dans le cas d'une liaison galvanique, celleci est réalisée au niveau des points de raccordement P1 et P2. Selon le choix du type de raccordement, l'unité de mesure de couple TCU est donc apte à mesurer une ou plusieurs des grandeurs électriques 30 suivantes, quand le moteur est alimenté : - Tension aux bornes du condensateur CM, MS\2. S649.12FR.542. dpt.doc - Tension aux bornes du premier bobinage W1, - Tension aux bornes du deuxième bobinage W2, Courant dans le premier bobinage W1, - Courant dans le deuxième bobinage W2, Déphasage entre tensions aux bornes des bobinages, Déphasage entre courants dans les bobinages. Ces grandeurs électriques sont influencées par la valeur de la charge du moteur. L'unité de contrôle du couple TCU, qui est éventuellement alimentée sous la tension VCC par le circuit d'alimentation PSU, délivre en sortie un signal de surcharge de couple OVL raccordé à une entrée 13 de l'unité logique de traitement CPU. Sur la figure, la troisième entrée 13 est de type logique et l'unité de contrôle de couple TCU fait passer à l'état logique haut sa sortie de surcharge OVL si le couple dépasse une valeur prédéterminée et/ou si la variation de couple mesurée dépasse une valeur prédéterminée dans un intervalle de temps donné. Un mode de réalisation d'un tel dispositif de contrôle de couple est décrit dans le brevet FR 2 806 850, en référence à la figure 1, de la ligne 31 de la page 4 à la ligne 14 de la page 6. Alternativement, le dispositif de contrôle de couple TCU peut délivrer une tension analogique sur la sortie de surcharge OVL et la troisième entrée 13 de l'unité logique de traitement CPU est de type analogique. Le traitement de l'étude des variations de cette grandeur analogique est alors réalisé dans l'unité logique de traitement CPU. L'unité logique de traitement comprend enfin une troisième sortie 03 commandant l'interrupteur commandé TRC. Selon les états de la troisième sortie, le moteur est non-alimenté ou au contraire le moteur est alimenté à tension nominale avec toute l'onde sinusoïdale de la tension MS\2. S649. 12FR.542.dpt.doc du secteur, ou encore alimenté à tension réduite par une onde sinusoïdale partiellement découpée. L'intérêt du procédé selon l'invention est que sa mise en oeuvre ne nécessite l'ajout d'aucun composant à ceux qui ont été décrits en référence à la figure 1. Le procédé permet au contraire l'élimination d'un interrupteur de protection thermique réarmable normalement disposé sur le conducteur reliant le point N1 à l'interrupteur commandé. Un mode d'exécution du procédé de détermination de température selon l'invention est décrit en référence à la figure 2. Dans une première étape E1, on ferme l'interrupteur commandé de manière à alimenter le moteur ou, plus précisément, à alimenter le circuit électrique constitué par le condensateur CM et les deux bobinages W1 et W2 du moteur. On alimente préalablement le relais RL1 ou RL2 pour fermer le contact rl1 ou r12. La fermeture de l'interrupteur commandé est déclenchée à un premier instant prédéfini Ti, en synchronisme avec la tension du secteur alternatif. L'instant Ti est par exemple défini comme égal à 3T/8 à partir du passage à zéro de la tension sinusoïdale du secteur, où T est la période de cette tension. Pour un tel choix, la mise sous tension du moteur débute donc avec le dernier quart d'une alternance. Dans une deuxième étape E2, l'unité de contrôle du couple TCU est activée pour mesurer une grandeur électrique prédéfinie. Cette grandeur, notée UC, est l'une des tensions ou l'un des courants cités précédemment. MS\2.S649.12FR.542.dpt.doc Dans une troisième étape E3, l'interrupteur commandé TRC est ouvert à un instant T2. L'ouverture est soit commandée, soit se fait naturellement par exemple du fait de la disparition du courant dans l'interrupteur. C'est ce qui se produit si l'interrupteur commandé comprend un triac, qui se désamorce de manière naturelle au moment où le courant s'annule. Dans une étape E4, la grandeur électrique continue à être mesurée. Bien que le moteur ne soit plus alimenté, cette grandeur ne disparaît pas puisque l'énergie électrique accumulée dans les inductances L1 et L2 des bobinages W1 et W2 et dans le condensateur CM doit se dissiper dans les résistances RI et R2 des bobinages. La durée de disparition, ou simplement l'évolution temporelle, de la grandeur électrique mesurée dépend directement de la valeur des résistances, donc de la température des bobinages. Les résistances des bobinages étant en général égales à une valeur commune R (bobinages strictement identiques), cette valeur R est donc mesurable à partir de l'évolution temporelle donnant le retour à l'état de repos de la grandeur électrique mesurée. Il suffit par exemple de mesurer la durée séparant le premier instant Ti et l'instant T3 où la grandeur mesurée passe en dessous d'un seuil prédéfini. Dans une étape E5, l'évolution de la grandeur est utilisée pour déduire une information sur l'amortissement électrique du circuit et pour en déduire la température de bobinages. Par exemple, plus la durée (T3-T1) est courte, plus l'amortissement est grand, donc plus la résistance est élevée et plus la température moyenne des bobinages est élevée. Le procédé peut utiliser toute grandeur électrique dont la valeur est modifiée au cours du temps après l'ouverture de l'interrupteur commandé TRC. MS\2. S649.12FR.542.dpt.doc Il n'est pas nécessaire de déterminer explicitement la température du bobinage, mais simplement d'obtenir une grandeur qui en soit l'image. La procédure de mesure est d'autant plus précise que l'impulsion énergétique fournie au circuit électrique dans la phase d'alimentation du régime transitoire est importante. A cet effet, il est préférable de provoquer la fermeture de l'interrupteur commandé TRC au moment où l'amplitude de la tension secteur est maximum. Cependant, un tel choix ne peut être fait que si le moteur ne présente pas un frein d'immobilisation du type décrit précédemment. Un tel frein risque de ne plus remplir sa fonction, pendant un temps très court, si le moteur est alimenté sous pleine tension. C'est ce qui explique le choix préféré d'une valeur de l'instant Ti en fin d'alternance plutôt qu'à son maximum. Un mode d'exécution d'un procédé de commande d'un moteur électrique est décrit en référence à la figure 3. Ce procédé est activé par une action A11 représentant une commande de mouvement. Il commence par une étape El1 de détermination de la température du moteur (ou d'une grandeur représentative de la température) utilisant la procédure de détermination de température décrite plus haut. Dans une étape suivante E12, la durée de manoeuvre due à la commande demandée jusqu'à ce que la température du moteur devienne critique est estimée. Les moteurs à induction du type utilisé dans le domaine de l'invention ont un courant dont l'intensité totale varie très peu entre le fonctionnement à vide et le fonctionnement en charge. Pour une température donnée du moteur, il est donc aisé de déterminer quelle est la durée de fonctionnement encore possible avant d'atteindre la température critique. MS\2.S649.12FR.542.dpt.doc La comparaison de la durée de manoeuvre nécessitée par la commande et de la durée de manoeuvre permise est réalisée dans une étape E13. Si l'ordre de commande implique une manoeuvre d'une durée inférieure à la durée de manoeuvre permise, le moteur est alimenté dans une étape E14. Dans le cas contraire, dans une étape E15, le moteur n'est pas alimenté. Alternativement, dans l'étape E15, le moteur peut être alimenté dans un mode dégradé c'est-à-dire que l'ordre de manoeuvre est exécuté de manière incomplète, la manoeuvre étant limitée par la durée maximum de fonctionnement autorisée. L'actionneur peut informer l'utilisateur qu'il est en mode dégradé, par exemple, en présentant des arrêts répétés au cours de son mouvement. L'actionneur fonctionnant selon le procédé décrit précédemment est protégé contre tout risque de surchauffe due à une utilisation trop importante ou à des circonstances exceptionnelles. Cependant, les normes de sécurité imposent que l'actionneur reste sécurisé dans le cas où un dispositif électronique viendrait à être en défaut. Cette sécurité ultime est obtenue dans l'actionneur selon l'invention en utilisant un moyen de protection fusible, donc non réversible, dont la température de fusion est supérieure de plusieurs dizaines de degrés à la température de sécurité surveillée interdisant la manoeuvre du moteur. Ce moyen de protection fusible, représenté en trait pointillé sous la référence TSW, est disposé entre les points NI et NO, tout en étant couplé thermiquement aux bobinages du moteur, et présente un coût beaucoup plus faible que celui d'un interrupteur de protection thermique réversible normalement disposé au même endroit. MS\2.S649.12FR.542.dpt.doc Revendications: 1. Procédé de détermination de la température d'un moteur asynchrone (MOT) comprenant un condensateur permanent (CM) et deux bobinages (W1, W2) et alimenté par une tension périodique de période T, caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'alimentation du moteur, suivie d'une phase de mesure d'une grandeur électrique (UC) dans le moteur et une phase de détermination de la température du moteur à partir des variations de la grandeur électrique mesurée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur électrique est la tension aux bornes du condensateur permanent ou aux bornes de l'un des bobinages du moteur. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur électrique est l'intensité du courant circulant dans le condensateur permanent. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase d'alimentation du moteur dure moins d'un quart de période T. 5. Unité (MCU) de commande de l'alimentation électrique d'un moteur (MOT) asynchrone à condensateur permanent, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens matériels (CPU, TCU, RL1, r11, RL2, r12, TRC) et logiciels pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes. MS\2. S649.12FR.542.dpt.doc 6. Actionneur (ACT) comprenant une unité de commande (MCU) selon la revendication 5 et un moteur électrique asynchrone (MOT) à condensateur permanent. 7. Actionneur (ACT) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de protection thermique non réversible (TSW) couplé thermiquement aux bobinages du moteur. 8. Utilisation du procédé de détermination de la température d'un moteur asynchrone selon l'une des revendications 1 à 4 dans un procédé de commande de l'alimentation électrique de ce moteur. MS\2.S649.12FR.542.dpt.doc