Brevet FR2900515A1 — publié le 20071102

L'invention concerne un dispositif de moteur asynchrone biphasé pour l'entraînement de systèmes de fermeture de bâtiment de type volet roulant. La présente invention concerne le domaine des systèmes de 5 fermeture pour bâtiment et en particulier des volets roulants ainsi que leur motorisation. Il est d'ores et déjà connu de nombreux systèmes de fermeture de bâtiment motorisés qui, plus est, sont associés à des dispositifs de commande à distance facilitant leur commande 10 d'ouverture et de fermeture. Dans le domaine particulier des volets roulants, le moteur d'entraînement est de type tubulaire, en ce sens qu'il est prévu apte à prendre position à l'intérieur du tube d'enroulement sur lequel est prévu apte à venir s'enrouler le tablier du volet 15 roulant. Il s'agit habituellement d'un moteur asynchrone à condensateur de déphasage comportant un enroulement principal et un enroulement secondaire permettant, non seulement, une inversion du sens de rotation du moteur, mais, en outre, au 20 travers du déphasage de courant généré par le condensateur, de transformer le moteur normalement monophasé, en un moteur biphasé et, ainsi, de générer un couple d'entraînement au niveau du rotor de ce moteur. Plus généralement, les courants statoriques créent un champ 25 magnétique tournant dans le stator, tandis que le rotor est constitué de conducteurs en court-circuit qui sont parcourus par des courants induits par le champ magnétique statorique. Le couple de démarrage d'un tel moteur asynchrone à condensateur dépend de la valeur de ce dernier. Quoi qu'il en 30 soit un moteur ne fonctionne de manière optimale, dans les conditions d'alimentation nominales, qu'au-delà d'une vitesse de rotation déterminée. Ceci exposé, dans le cadre de leur application aux volets roulants, il convient de constater que si pour le déroulement 35 d'un tablier d'un tel volet roulant, il ne faut guère de puissance et qu'un couple de démarrage moindre est suffisant dans la mesure où il ne nous faut vaincre que l'inertie à la rotation du tube d'enroulement du tablier, la problématique est différente lors du repliement. Bien sûr, lorsque le tablier du volet roulant est totalement déployé et que les ajours entre les lames articulées constituant ledit tablier sont fermés, la charge à entraîner par le moteur, lors des premiers tours de rotation, est moindre et le couple à produire est lui-même réduit. Cependant, si ce tablier de volet roulant se trouve dans une situation partiellement déployée, voire quasi totale sans que, pour autant, ne soient fermés les ajours entre les lames, la commande de repliement dans ces conditions du volet roulant a pour conséquence de solliciter fortement le moteur. Dans ce cas, ce moteur doit être capable de produire un couple de démarrage important pour vaincre le couple exercé au travers du poids du tablier sur le tube d'enroulement. Aussi, dans ce domaine d'application des volets roulants, il est usuel d'utiliser des moteurs de puissance nominale largement supérieure à la puissance normalement requise. Si cela se traduit par un surcoût, il en découle, également, l'utilité de recourir à une pluralité de moteurs de puissances distinctes pour couvrir l'intégralité de la gamme des volets roulants que l'on souhaite motoriser. En outre, le surcroît de puissance du moteur, qui n'est finalement utile que pendant la phase de démarrage, c'est-à-dire dans des conditions où le moteur ne fonctionne pas de manière optimale, a pour conséquence de solliciter fortement les éléments mécaniques du volet roulant, que ce soit en cas de blocage inopiné ou de commande d'arrêt de fonctionnement. Ainsi, il est usuel d'assurer l'arrêt du moteur, en fin de course de déploiement ou de repliement du tablier de volet roulant, au travers d'une mesure de déphasage entre courant et tension par exemple. Ce déphasage résulte d'une augmentation de la charge appliquée au moteur découlant, en particulier, de l'arrivée en butée de fin de course basse ou haute du tablier. Dans ces conditions, on comprend bien qu'avant l'intervention de la coupure d'alimentation électrique du moteur, celui- ci contraint, de manière excessive, les éléments mécaniques du volet roulant, en raison de son surdimensionnement. Il convient encore de remarquer que ce type de moteur est habituellement équipé d'un frein électromagnétique fonctionnant par manque de courant. Bien sûr, plus la puissance du moteur est importante, plus ce frein est sollicité et doit être dimensionné en conséquence. A ce faible couple de démarrage produit par un moteur asynchrone à enroulements principal et secondaire, ceci sous des conditions d'alimentation nominales, en l'occurrence une tension nominale de 230 volts et une fréquence de 50 hertz, s'ajoute le problème de la variation de la tension secteur. En d'autres termes, cette tension du réseau d'alimentation d'une habitation n'est pas constante et égale à la valeur nominale de 230 volts, mais peut varier. En particulier, elle peut être inférieure à cette tension nominale et, dans ce cas, le couple de démarrage qu'un tel moteur asynchrone est susceptible de produire tend à décroître rapidement. En particulier, on a pu noter qu'en deçà d'une tension de 180 volts le moteur est souvent incapable de démarrer. Il faut donc, là encore, tenir compte de cette variable de la tension d'alimentation du moteur lors du dimensionnement de ce dernier. L'objectif visé par la présente invention consiste à améliorer le fonctionnement de ces moteurs asynchrones à enroulements principal et secondaire en leur associant un dispositif de variation de vitesse ayant pour conséquence, pour des caractéristiques données, d'augmenter, sensiblement, le couple de démarrage que ces moteurs sont normalement amenés à produire sous l'influence d'un déphasage créé entre cet enroulement principal et l'enroulement secondaire au travers d'un simple condensateur. Tout particulièrement, la variation de vitesse repose sur le principe d'une commande scalaire ayant pour objectif de faire varier la fréquence de l'alimentation tout en maintenant constant le rapport tension efficace sur fréquence, dans le but d'un flux constant dans la machine et, donc, de maintenir constante la fonction reliant la valeur du couple au glissement pour n'importe quelle fréquence d'alimentation. En réalité, une telle méthode de variation de vitesse n'a pas été mise en application dans le cadre d'un moteur asynchrone à enroulement principal et à enroulement secondaire dans la mesure où ce type de moteur a toujours été considéré comme étant de faible coût de revient réservé à des applications dans lesquelles l'utilisation d'un moteur surdimensionné par rapport à sa fonction n'avait guère de conséquence sur le coût de revient global de l'objet ou de l'installation ainsi motorisée. Justement, en prenant en compte les conséquences d'une sur-motorisation dans le domaine d'application considéré à savoir les systèmes de fermeture pour bâtiment de type volet roulant, l'application de la variation vitesse de type commande scalaire à un moteur asynchrone à enroulement principal et à enroulement secondaire représente un certain nombre de préjugés vaincus par l'homme du métier dans le domaine, d'autant qu'il en résulte des avantages non négligeables qui apparaîtront dans la suite de la description. On remarquera encore que dans une seconde démarche inventive, il a été imaginé de gérer le fonctionnement du moteur selon cette fonction constante ou sensiblement constante de la tension sur la fréquence, sauf aux limites, en particulier dans une phase initiale de démarrage où la tension est choisie différente de zéro mais égale à une valeur seuil définie suffisante pour assurer le décollage du frein électromagnétique dont sont équipés ces moteurs dans leur application à ces systèmes de fermeture de bâtiment, de type volet roulant. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre se rapportant à des modes de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatifs. La compréhension de cette description sera facilitée en se 35 référant aux dessins ci-joints dans lesquels : - la figure 1 est le synoptique d'un moteur asynchrone à deux enroulements alimenté au travers d'un général dispositif de variation de vitesse selon un premier mode de réalisation ; - la figure 2 illustrée, est une représentation similaire correspondant à un second mode de réalisation ; - la figure 3 est une représentation similaire à la figure 2 illustrant un troisième mode de réalisation ; - la figure 4 est une illustration aux figures 1 et 2 correspondant à un troisième mode de réalisation de 10 l'invention ; - la figure 5 représente de manière graphique la gestion de la variation de vitesse du moteur au travers d'un rapport tension efficace sur fréquence constant, sur au moins une plage de cette variation. 15 La présente invention concerne un moteur asynchrone à enroulement principal et enroulement secondaire pour l'entraînement de dispositifs de fermeture de bâtiment, de type volet roulant. Elle concerne encore un tel dispositif de fermeture, notamment un volet roulant équipé du moteur 20 asynchrone selon l'invention. Tout particulièrement, le moteur asynchrone 1, tel que représenté de manière schématisée dans les figures, comporte un enroulement principal 2, ainsi qu'un enroulement secondaire 3 raccordés au réseau 4 d'une alimentation en énergie électrique, 25 par exemple d'une habitation, alimentation de type classique à courant alternatif, par exemple avec une tension nominative de 230 volts et une fréquence de 50 hertz. Avantageusement ce raccordement intervient au travers d'un dispositif de variation de vitesse à commande scalaire, c'est-à- 30 dire conçus aptes à assurer un rapport tension sur fréquence Veff/f constant sur au moins une plage déterminée de cette variation. Plus précisément, ce dispositif 5 se présente sous forme d'un convertisseur de puissance, constitué d'un redresseur 6 et 35 d'un onduleur 7. En ce qui concerne le redresseur 6, dans un premier mode de réalisation simplifié, représenté dans la figure 1, il est défini par un pont 8 à deux diodes 8a, 8b, auquel est associé un diviseur capacitif 9, constitué d'un premier 9a et second condensateur 9b raccordés en série aux bornes du pont 8. Tandis que l'onduleur 7 est constitué par une cellule de commutation 10, là encore raccordée aux bornes du pont à diodes 8 et comportant deux interrupteurs de puissance en série, de type IGBT ou MOS 10a, 10b venant assurer le découpage, à la fréquence souhaitée, du courant redressé en sortie de redresseur 6 pour assurer l'alimentation du moteur 1. Au point milieu de cette cellule, entre les deux interrupteurs, sont reliés les enroulements primaire 2 et secondaire 3, ceci au travers d'un condensateur de déphasage 11, conservé dans un tel mode de réalisation. Justement, pour permettre de s'affranchir de ce condensateur de déphasage 11, la commande de l'onduleur 7 impose la quadrature des courants d'alimentation du moteur 1. Cette conception impose l'usage de deux cellules de commutation 10, 10' raccordées aux bornes du pont à diodes 8 et composées, chacune, de 2 interrupteurs de puissance 10a, 10b, 10'a, 10'b, comme cela est visible dans la figure 2. Chacun des enroulements primaire 2 et secondaire 3 est raccordé au point milieu d'une cellule de commutation, respectivement 10, 10'. De manière avantageuse, l'onduleur 7, donc ses interrupteurs sont commandés en modulation des largeurs d'impulsion, dite commande MLI, ce qui, sous l'effet inductif du moteur 1, a pour conséquence de lisser les courants statoriques et de rendre sinusoïdaux les courants circulant dans les deux enroulements 2, 3 du moteur 1. On notera que c'est au niveau de la commande qu'il est assuré le déphasage de 90 de l'alimentation de ces enroulements 2, 3. En somme, on est bien ici en présence d'un moteur diphasé. L'emploi d'un redresseur 6 défini par un simple pont 8 à deux diodes 8a, 8b auquel est associé un diviseur capacitif 9 conduit à alimenter les bornes des interrupteurs de puissance sous une tension continue Ve = 2x230x-\12, soit de 650 volts, partant d'une alimentation secteur alternative de 230 volts. Pour remédier à ce problème et comme représenté dans la figure 3, le redresseur 6 doit faire appel à un pont 8 classique à quatre diodes 8a, 8b, 8c, 8d et un seul condensateur de filtrage associé 12. La tension d'alimentation est alors diminuée de moitié, Ve = 23012 = 325V. Aussi, la contrainte en tension sur chaque transistor est diminuée de moitié. Dans un tel montage, les commutations du transistor des interrupteurs de puissance IGBT 10a, 10b ; 10'a, 1O'b peuvent créer des variations de tension importantes susceptibles de perturber l'environnement électromagnétique, dans la mesure où l'enroulement principal 2 et l'enroulement secondaire 3 sont reliés directement au réseau 4 et donnent la possibilité aux perturbations de remonter directement au niveau de ce dernier. De manière à remédier à cet inconvénient et comme représenté dans la figure 4, il peut être fait appel à un onduleur 7 triphasé qui se distingue du mode de réalisation de la figure 3 au travers du branchement de l'enroulement principal 2 et de l'enroulement secondaire 3 du moteur 1 qui, au lieu d'être relié directement à la source redressée 4, sont reliés à une troisième cellule de commutation 10" de l'onduleur 7. Cette troisième cellule 10" en parallèle aux deux autres comporte, comme pour celles-ci, deux interrupteurs de puissance IGBT ou MOS 10"a, 10"b, entre lesquels viennent se raccorder les enroulements 2, 3. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le dispositif de variation de vitesse 5, s'il est à commande scalaire en vue de conserver, lors de cette variation, un rapport tension efficace sur fréquence sensiblement constant, ceci n'est le cas que dans une plage située au-delà d'une tension seuil et, préférentiellement, jusqu'à une tension maximale VM prédéfinie, comme cela souhaite l'illustrer, de manière schématisée, le graphique de la figure 5. Tout particulièrement, en phase initiale de démarrage, il est appliqué au moteur une tension seuil Vs pour une fréquence d'alimentation fs déterminée pour assurer, dès la phase initiale d'alimentation du moteur 1, le décollage du frein électromagnétique. On fait ensuite évoluer la fréquence (selon le cas la tension) jusqu'à ce que le rapport V/f atteigne la valeur de la constante que l'on souhaite respecter en cours de variation de vitesse. Au-delà, la tension et la fréquence évoluent simultanément. Cette première étape de démarrage a été illustrée au travers du palier 13 sur la courbe du graphique de la figure 5. Tout particulièrement, cette constante du rapport Veff/f est égale à la valeur de la tension efficace sur le réseau 4 sur la fréquence nominale de ce réseau, soit par exemple 230 volts/50 hertz. Comme l'illustre encore ce graphique, des essais ont pu démontrer qu'une tension d'alimentation de 70 volts environ permettait d'obtenir le décollage du frein électromagnétique. Précisément, un des avantages découlant de la présente invention consiste en ce que cette force d'appel du frein est bien plus importante en raison d'une fréquence plus basse au démarrage en comparaison à un moteur alimenté directement au travers du réseau. En conséquence, ce frein électromagnétique, qui est une pièce d'usure sensible dans les moteurs actuels, peut être très facilement optimisé dans ce cas. En particulier, il peut être renforcé dans sa conception pour, non seulement, un gain de longévité, mais, principalement, en vue de réagir avec une moindre inertie et obtenir un meilleur blocage du mécanisme d'entraînement d'un volet roulant pour, naturellement, un gain de sécurité. De manière avantageuse, la tension maximale VM d'alimentation du moteur 1 au-delà de laquelle le rapport Veff/f n'est plus conservé constant correspond à la valeur efficace de la tension du réseau d'alimentation 4, par exemple 230 volts. On notera, toutefois, que l'on peut retenir une valeur quelconque pour cette tension VM, la présente invention n'y étant nullement limitée. Comparativement, en ce qui concerne la variation de la fréquence, celle-ci dépendant de la commande de commutation des interrupteurs de puissance, elle peut largement dépasser la fréquence du réseau. A ce propos, il convient d'observer que dans la mesure où, sous une alimentation réseau de type 230 volts 50 hertz, les moteurs asynchrone à enroulement principal et secondaire, équipés d'une seule paire de pôles, étaient nécessairement soumis à une vitesse de rotation de 3.000 tours/mn, le dispositif de variation de vitesse 5, selon l'invention, conduisant à un couple plus important moyennant une vitesse de rotation moindre, permet d'envisager de soumettre ces moteurs à une vitesse de rotation maximale inférieure, par exemple de l'ordre de 1.500 tours/mm. Ceci a pour conséquence une réduction sensible des vibrations magnétiques et mécaniques avec, là encore, un gain en inertie au niveau de la réactivité du frein électromagnétique et moins de patinage. A cela, il faut ajouter que les avantages de la présente invention autorisent un rapport de réduction moindre donc un rendement mécanique plus élevé. Finalement, l'on observera encore que le dispositif de variation de vitesse selon l'invention permet, au cours des différentes phases de commande d'ouverture et de fermeture d'un système de fermeture de type volet roulant, d'effectuer des ralentissements et accélérations, évitant les bruits d'à coup, en particulier, d'arrivée en butée brutale. Cet avantage a, évidemment, pour conséquence, de conduire à une moindre sollicitation des organes mécaniques dont on améliore, de fait, la longévité. Comme il ressort de la description qui précède, la présente invention apporte des progrès sensibles dans ce domaine de la motorisation des systèmes de fermeture de bâtiment de type volet roulant. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut y apporter diverses modifications de formes, de matériaux et de combinaisons de ces divers éléments sans pour cela s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention. Revendications 1. Moteur asynchrone pour entraînement de système de fermeture de bâtiment, de type volet roulant comportant un enroulement principal (2) et un enroulement secondaire (3), caractérisé par le fait qu'il comporte, en combinaison, un dispositif de variation de vitesse (5) à commande scalaire conçu apte à assurer un rapport tension efficace sur fréquence Veff/f constant sur au moins une plage déterminée de la variation. 2. Moteur asynchrone selon la revendication 1 auquel est associé un frein électromagnétique, caractérisé par le fait que : ^ le dispositif de variation de vitesse (5) est conçu apte à soumettre ledit moteur (1), au moins en phase initiale de démarrage, à une tension seuil Vs et à une fréquence d'alimentation fs déterminée apte à assurer le décollage du frein électromagnétique ; ^ et qu'au-delà de cette phase initiale ledit dispositif de variation de vitesse est défini apte à faire varier, selon le cas, la tension ou la fréquence jusqu'à atteindre la valeur de la constante à respecter du rapport tension efficace sur fréquence. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le dispositif de variation de vitesse (5) est conçu apte à respecter un rapport tension efficace sur fréquence constant jusqu'à atteindre une tension maximale VM prédéfinie. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la constante du rapport tension efficace sur fréquence est égale à la tension efficace sur fréquence du réseau d'alimentation (4) auquel est raccordé le moteur. 7. Moteur selon la revendication 4, caractérisé par le 35 fait que la tension maximale VM prédéfinie est égale à la tension efficace du réseau d'alimentation du moteur.6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le dispositif de variation de vitesse est défini par un convertisseur de puissance constitué d'un redresseur (6) à diodes et d'un onduleur (7) à interrupteurs de puissance de type IGBT ou MOS. 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le redresseur (6) est constitué d'un pont (8) à quatre diodes, tandis que l'onduleur (7) est constitué par deux cellules de commutation (10, 10') raccordées aux bornes du pont à diode (8) et comportant deux interrupteurs de puissance en série, de type IGBT ou MOS (10a, 10b ; 10'a, 10'b) chacun des enroulements primaire (2) et secondaire (3) étant raccordés au point milieu d'une cellule de commutation, respectivement (10, 10') . 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte une troisième cellule de commutation (10 " ) constitué de deux interrupteurs de puissance en série (10 " a, 10"b) entre lesquels viennent se raccorder les enroulements primaire (2) et secondaire (3).