Brevet FR2956528A1 — publié le 20110819

PROCEDER DE RECUPERATION D'ENERGIE ELECTRIQUE SUR LES MOTEURS A COURANT CONTINU La présente invention à pour objet un procédé et dispositif pour alimenter un moteur à courant continu, à partir de la génératrice de l'éolienne ou toutes sources électriques continues, qui permet de récupérer et d'emmagasiner de l'énergie Electrique. Le secteur technique de l'invention est le fonctionnement des moteurs électriques à courant l0continu, plus la récupération d'énergie par un procédé de pilotage électrique à courant continu l'invention s'applique notamment à l'alimentation des moteurs à courant continu. Il est connu par la demande de brevet (Société CEM), N° FR 2.510.322 d'alimenter un moteur à courant continu à excitation série par un hacheur à conduction continue contrôlée. 15 Le dispositif d'alimentation du moteur à courant continu décrit dans ce document, comporte un système de shuntage à thyristor, commander par un hacheur et raccordé en série avec le moteur dans le circuit d'alimentation de celui-ci par une batterie. L'objet de la présente invention est de procurer un dispositif d'alimentation d'un moteur à 20 courant continu par une éolienne ou par des capteurs photovoltaïques ou d'autre générateurs thermiques, hydroélectriques, des condensateurs de tous types. A l'aide d'un hacheur série, c'est-à-dire d'un dispositif de commutation raccordé en série avec le moteur , comportant un premier commutateur statique , dont la conduction est commandée 25 par un premier signal périodique (de préférence impulsionnel), qui comporte en outre : Un deuxième moteur qui utilise la récupération branchée en parallèle avec la dite éolienne ou d'autres systèmes de générateurs, c'est-à-dire dont un premier pôle (positif) est raccordé par une branche à une borne du moteur qui est elle-même raccordé par une branche 30 à un 30 premier pôle positif. Positif de la dite éolienne, un deuxième pôle négatif du dit deuxième moteur étant raccordé par une branche à une borne du dit moteur, qui elle-même raccordée par une branche à un deuxième pôle négatif de ladite éolienne. Un deuxième commutateur statique qui est placé dans l'une des branches reliant le moteur au 10 moteur de récupération, et dont la conduction est commandée par un deuxième signal périodique (de préférence impulsionnel), -un générateur délivrant les dits premier et deuxième signaux de commandes, de manière synchrone et décalée, la fréquence desdits premier et deuxième signaux variant en fonction du réglage ou de la position d'un organe de consigne (d'accélération ou décélération) délivrant un signal de consigne. 15 Selon des modes préférentiels de réalisation de l'invention : ûLes-dits premier et deuxième commutateur statique sont essentiellement constitués par un ou plusieurs transistors ou thyristors, lequel moteur est dénué de diodes de roue libre ; ledit générateur des signaux de commande de commutation, comporte un coupleur 20 optoélectronique ; Ledit générateur comporte un circuit multivibrateur monostable émettant un signal rectangulaire de fréquence variable en fonction de la position d'un organe de réglage de consignes d'accélération ou de décélération du moteur ; ledit générateur comporte des moyens 25 tels qu'un circuit de type Flip Flop de dédoublement du signal délivré par un multivibrateur monostable en deux signaux identiques, et comporte des moyens de déphasage desdits signaux identiques ; ledit dispositif comporte des moyens pour inhiber ou interdire la conduction dudit deuxième commutateur statique lors du démarrage du moteur, c'est-à-dire jusqu'à ce que le moteur ait atteint une vitesse prédéterminée. La solution au problème posé consiste également à utiliser un procédé d'alimentation d'un moteur électrique à courant continu par un hacheur série, dont la conduction est commandée par un premier signal périodique de commande (de préférence impulsionnel), dans lequel, dans chaque période de coupure ou intervalle de temps dans lequel le commutateur statique du hacheur n'est pas conducteur, c'est-à-dire est ouvert ou non passant, on raccorde les bornes 10 du moteur à un moteur de récupération d'énergie, qui est branché et en parallèle sur le moteur, en commandant la conduction d'un deuxième commutateur statique. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, dans un procédé d'alimentation d'un moteur à courant continu par une éolienne on récupère de l'énergie électrique qui est utilisée pour le fonctionnement d'un moteur dit de récupération qui est raccordée en parallèle avec la dite 15 éolienne et avec le moteur ,dans lequel le moteur et alimenté par l'éolienne par l'intermédiaire d'un premier commutateur statique branché en série entre l'éolienne et le moteur dans lequel un deuxième commutateur statique est branché en série entre l'éolienne, et le moteur dans lequel : 20 -On génère par un générateur deux signaux de commande périodiques, de préférence impulsionnels, par exemple de forme rectangulaire, synchrones (de même fréquences) et suffisamment déphasés pour se chevaucher, en fin du premier signal c'est-à-dire tels qu'un temps mort soit respecté ou maintenu entre deux impulsions respectives desdits signaux desdits premier et deuxième commutateurs statiques. 25 On applique ledit premier signal de commande (alimentation) audit premier commutateur statique (d'alimentation. On applique par exemple après une temporisation armée lors du démarrage du moteur , c'est-à-dire après que le moteur ait atteint une vitesse prédéterminée, le deuxième signal de commande de récupération au deuxième commutateur statique de récupération . On diminue la fréquence des deux signaux de commande pour accélérer le moteur et on augmente la fréquence des deux signaux de commande pour décélérer le moteur, on diminue la durée des impulsions du premier signal de commande (d'alimentation ) c'est-à-dire on diminue la durée des temps conduction dudit premier commutateur statique, pour diminuer la vitesse du moteur, et inversement on augmente ladite durée pour accélérer le moteur. De préférence, la fréquence desdits premier et deuxième signaux de commande est inférieure à 20 000 Hz, de préférence ou égale à 6000 Hz, par exemple de l'ordre de à 2000 Hz, et dans lequel on maintient entre deux impulsions respectives desdits premier et deuxième signaux de commande , le deuxieme signal touche le premier signal dans sa descente en fin de signal le deuxieme signal a un temps mort avant le nouveau premier signal. Le procédé et le dispositif suivant l'invention permettent de récupérer dans un moteur dit de récupération, de l'énergie électrique qui à défaut, serait dissipée dans le moteur et les circuits électriques, sous forme thermique par effet joule ou sous forme sonore notamment. L'invention permet de diminuer notablement l'échauffement d'un moteur électrique en 25 courant continu alimenté par un hacheur série et de diminuer également le bruit rayonné par ce moteur. L'invention permet, en autorisant le fonctionnement du moteur dit de récupération, simultanément à la décharge d'éolienne ou de capteur photovoltaïque ceci d'augmenter 30 l'autonomie des appareils allant jusqu'à 50% de plus d'énergie. Les nombreux avantages procurés par l'invention seront mieux compris aux travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés , qui illustre sans aucun caractère limitatif des mode préférentiels de réalisation de l'invention. Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent, Sauf indication contraire, les même différences d'une figure à l'autre. 10 La figure 1 illustre schématiquement les principaux constituants d'un dispositif selon l'invention et leur raccordement. La figure 2 à 5 illustrent dans quatre régimes de fonctionnement différents, les chronogrammes des deux signaux de commande des deux commutateurs statiques utilisés dans les procédés et dispositifs selon l'invention ; la figure 2 15 correspond a une phase de démarrage du moteur , dans laquelle le système de récupération d'énergie est inhibé ; les figures 3 et 5 correspondent respectivement à trois état de fonctionnement du système d'alimentation correspondant à des vue d'accélération et par conséquent , de diminution corrélative du taux de récupération d'énergie dans la batterie de récupération . 20 La figure 6 illustre un mode particulier de réalisation du générateur des signaux de commande des commutateurs statiques d'un dispositif selon l'invention. Par référence à la figure 1 particulièrement, le moteur 1 à courant continu est raccordé par deux branches ou lignes 16 et 17 aux pôles positif 4 et négatif 5 respectivement, du moteur de 25 récupération lesquelles branches de raccordement 16 et 17 sont connectés, d'une part aux dites bornes du moteur de récupération et d'autre part aux bornes 8 et 9 du moteur 1; de préférence, deux diodes 20 disposées tête-bêche et montés en parallèle, sont insérés dans la branche 16 entre la borne 4 du Moteur de récupération et la borne 8 du moteur. 30 On voit également sur cette figure un commutateur statique 10,est inséré dans la branche. reliant le pôle négatif du moteur récupération 2 à la borne 9 du moteur, afin d'ouvrir et de fermer cette branche en fonction de signaux de commande 21 appliqués au commutateur 10 tel qu'un transistor ; une diode 12 est raccordée en parallèle aux bornes du transistor 10 pour protéger celui-ci contre les surtensions résultant des impulsions de courant traversant le transistor du fait de sa commutation . Conformément à une des caractéristiques de l'invention, le moteur et également raccordé par ses bornes 8 et 9, à deux autres branches 18 et 19, qui relient les bornes 8 et 9 du moteur respectivement au pôle positif 6 et au pôle négatif 7 du moteur de récupération. Deux diodes 14 et 15 sont respectivement insérées dans la branche 18 reliant la borne 8 du moteur à la borne 6 positive du moteur de récupération, et respectivement dans la branche 19 15 reliant la borne 9 du moteur à la borne négative 7 du moteur de récupération. Un deuxième commutateur statique 11 est également inséré dans la branche 19, qui est par exemple constituée par un transistor et qui permet, en fonction d'un deuxième signal de commande 22 appliqué à sa base par exemple , d'ouvrir ou de fermer la branche 19 raccordée à son émetteur et à son collecteur. 20 Une diode 13 est également prévue , raccordée en parallèle sur le 20 commutateur statique 11, afin de protéger celui-ci contre les surtensions. Les signaux de commande 21 et 22 d'ouverture et de fermeture des commutateurs statique 11, afin de protéger celui-ci contre les surtensions. 25 Ce générateur 23 reçoit sur une borne d'entrée 27 un signal de consigne délivré par un organe 24 de réglage de consigne, tel qu'un potentiomètre, dont la position de curseur est liée ou dépendante de la position d'un organe mécanique mobile actionné par l'utilisateur du 30 moteur par exemple par régulation externe suivant l'appel de courant . Selon un mode particulier de réalisation, le générateur 23 reçoit également un signal sur une deuxième borne 30 d'entrée 26, qui est délivré par un capteur 25 mesurant la vitesse de rotation , du moteur 1, et permettant au générateur 23 d'inhiber lors d'une phase de démarrage du moteur 1, c'est-à-dire tant que celui-ci n'a pas atteint une vitesse minimale prédéterminée, l'émission du signal 22 de commande de fermeture du deuxième commutateur statique 11 ; cet état de fonctionnement du dispositif est représenté à la figure 2, où l'on voit que le signal 21 est constitué par un signal rectangulaire périodique de période 31, correspondant à une 10 fréquence de signal 21 qui est par exemple de l'ordre de 100 à 2000 Hz ; ledit signal 21 est constitué d'une succession d'impulsions 211 commandant la fermeture (c'est-à- dire l'état conducteur) du premier commutateur statique, qui sont de forme par exemple rectangulaire, et qui sont chacune suivies d'une remise à zéro, c'est-à-dire à l'état 212 , en l'occurrence le premier commutateur repéré 10 sur la figure 1. 15 La durée 30 des impulsions 211 du signal 21 est par exemple de l'ordre de 0,2 millisecondes pour une période 31 voisine de 0,9 millisecondes. Par référence aux figures 3 à 5 illustrant une caractéristique Essentielle des procédés et dispositifs selon l'invention , on voit qu'à Chaque passage à zéro du signal 21 de commande 20 du premier commutateur statique, c'est-à-dire du hacheur série d'alimentation du moteur à courant continu , correspond une impulsion 221, du signal 22 de commande du deuxième commutateur statique dit de récupération , dont la longueur 32 est bien entendu inférieure à la longueur ou durée de l'état « zéro » 212 du signal 21, pour laisser subsister entre l'impulsion 211 de mise en état de conduction du premier commutateur statique 10, et l'impulsion 221 de 25 mise à l'état conducteur du deuxième commutateur statique 11, un temps mort 34, d'un seul côté des deux impulsions, comme représenté particulièrement sur les figures 3 à 5. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, le signal 21 rectangulaire périodique peut avoir une fréquence dans le régime de fonctionnement correspondant à la figure 3, qui 30 est de l'ordre de 900 Hz et qui est la même pour le signal 22,il n'y a pas de temps mort 34 entre les impulsions respectives 211 et 221, il y a un temps mort entre 221 et 212 .Ces deux signaux étant par exemple de l'ordre de 0,1 à 0,2 millisecondes ; dans le mode de réalisation représenté figure 4, la fréquence des signaux 21 et 22 peut être par exemple de l'ordre de 700 Hz, alors que dans l'état de fonctionnement représenté à la figure 5, la fréquence des signaux 21 et 22 peut être de l'ordre de 400 Hz environ ; on voit sur ses figures, lorsqu'on passe successivement du mode de fonctionnement représenté figure 3(qui correspond à un taux de récupération maximum et à une accélération minimale du moteur) à celui correspondant à la figure 4, puis à la figure 5 (qui correspond à une récupération d'énergie minimale ) que la durée moyenne de conduction du premier commutateur statique , c'est-à-dire la durée moyenne de la mise à l'état 1 du signal 21, augmente , et que corrélativement , la 15 durée moyenne de fermeture de deuxième commutateur statique, correspond à la mise à l'état 1 du deuxième signal 22 de commande diminue. En outre l'échelle utilisée pour l'axe horizontal des figures 2 à 5 qui correspond au temps, est le même ; on voit ainsi que la fréquence des premiers et deuxième signaux 21 et 22 de commande diminue d'une fréquence maximale (pour le signal 21) correspond à la 20 représentation illustrée figure 2, à une fréquence minimale (des signaux 21 et 22) correspondant à la représentation illustrée figure 5. La figure 6 illustre un mode particulier de réalisation du générateur 23, délivrant sur ses bornes de sortie 28 et 29 respectivement, les signaux de commande 22 du deuxième commutateur statique (repère 11 de la figure 1) et du premier signal 21 de commande du 25 premier commutateur statique (repère 10 de la figure 1). On voit sur cette figure l'étage d'entrée 38 du générateur 23, dans lequel est prévu le potentiomètre constituant un organe de réglage d'une consigne d'accélération ou de décélération , lequel potentiomètre 24 est raccordé à la borne 7 d'un premier circuit 35, constitué par un multivibrateur monostable qui délivre sur une borne 3 de sortie, un signal 36 30 de fréquence et de rapport cyclique variable en fonction de la résistance correspondant à la valeur prise par le potentiomètre 24 ; ce circuit 35 peut, à titre d'exemple, être constitué par un circuit de type NE 555. proposé par la société TRC ( France) le signal 36 impulsionnel rectangulaire délivré par le premier circuit 35, est appliqué à une borne d'entrée 3 d'un deuxième circuit 39, par exemple constitué par un ircuit du type « COSMOS dual Flip respectivement deux signaux 41 et 40, synchrones , en opposition de phase et de fréquence et 10 de rapport cyclique variable en fonction de la fréquence et de rapport cyclique variable en fonction de la fréquence et du rapport cyclique du signal 36. Le signal 41 est inversé par un circuit 42, par exemple constitué par un amplificateur opérationnel de type 741, fonctionnant en inverseur. 15 Le signal 41 ainsi inversé, de même que le signal 40, sont respectivement amplifiés par deux transistors 44 et 43 pour constituer deux signaux identiques 46 et 47, qui sont respectivement appliqués à une borne d'entrée de deux circuits identiques 45, permettant de déphaser les deux signaux et le cas échéant de modifier leur fréquence, les deux circuits de type COSIMOS dual 20, 4538 B, constituant deux multivibrateurs monostables de précision. Les deux signaux 56 et 57, respectivement délivrés par les deux circuits 45, qui sont synchrones et déphasés, sont respectivement appliqués , à l'entrée d'un amplificateur, respectivement 53 et 52, dont le signal de sortie constitue , après amplification éventuelle, 25 respectivement les signaux 21 et 22 de commande de fermeture desdits commutateurs statiques (repères 10 e t 1 l de la figure 1). Dans le mode de la réalisation représenté figure 6, deux coupleurs optoélectroniques 54 et 55 sont disposés à la sortie des amplificateurs 52 et 53 respectivement, qui permettent d'améliorer l'isolement galvanique des circuits, ainsi que de diminuer la sensibilité aux 30 parasites électromagnétiques du montage. De la même façon, un coupleur optoélectronique 37 est disposé entre lesdits premier et deuxième circuits 35 et 39 représentés figure 6, pour également diminuer la susceptibilité électromagnétique et garantir l'isolement galvanique entre les circuits de commande et l'organe 24 de réglage de consigne d'accélération. REVENDICATIONS10 Dispositif d'alimentation d'un moteur (1) à courant continu par une éolienne (2) à l'aide d'un hacheur série, comportant un premier commutateur statique (10), dont la conduction est commandée par un signal (21) périodique, qui comporte en outre : un moteur de récupération (3), une deuxième commutateur statique (11) qui est placé dans l'une des branches (18, 19) reliant le moteur de récupération , et dont la conduction est 15 commandée par un deuxième signal périodique (22). 1-Un générateur (23) délivrant lesdits premier et deuxième signaux (21, 22 ) de commande, de manière synchrone et décalée, la fréquence desdits premier et deuxième signaux étant variable. 2. Dispositif suivant la revendication 1, dans lequel lesdits premier et deuxième 20 commutateur statique sont essentiellement constitués par un ou plusieurs transistors ou thyristors. 3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications là 2, dans lequel ledit générateur (23) des signaux de commande de commutation, comporte un coupleur optoélectronique (37, 54). 25 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit générateur (23) comporte un circuit (35) de type multivibrateur monostable émettant un signal (36) rectangulaire de fréquence variable en fonction de la position d'un organe (24) de réglage de consignes d'accélération ou de décélération du moteur.. S Dispositif suivant l'une quelconque de revendications 1 à 4, dans lequel ledit 30 générateur (23) comporte des moyens (39) de dédoublement du signal (36) délivré par un multivibrateur monostable (35) en deux sigaux (46, 47) identiques, et comporte des moyens (45) de déphasages desdits signaux identiques (46,47 ). 6 .Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant des moyens pour inhiber ou interdire la conduction dudit deuxième commutateur statique lors du démarrage du moteur. 7 .Moteur à courant continu , une éolienne d'alimentation du moteur à courant continu, un moteur de récupération et un dispositif d'alimentation suivant l'une quelconque de revendications 1 à 6. 8. Procédé d'alimentation d'un moteur (1) électrique à courant continu par un hacheur série (10), dont la conduction est commandée par un premier signal périodique (21) de 15 commande , dans lequel, dans chaque période de coupure ou intervalle de coupure (212) du hacheur , on raccorde les bornes(8,9) du moteur au moteur de récuperation (3) de récupération d'énergie, qui est branchée en parallèle sur le moteur, en commandant la conduction d'un deuxième commutateur statique(11). 20 9. Procédé d'alimentation d'un moteur (1) électrique à courant continu par une éolienne (2) , en récupérant de l'énergie électrique qui est utilisée pour le fonctionnement du moteur (3) dit de récupération, qui est raccordée en parallèle avec ladite éolienne et avec le moteur, dans lequel le moteur est alimenté par l'éolienne par l'intermédiaire d'un premier commutateur statique (10) branché en série entre l'éolienne et le moteur et dans lequel : 25 -on génère par un générateur (23), deux signaux de commande (21, 22) périodiques, impulsionnels, par exemple rectangulaire , synchrones et suffisamment déphasés pour se chevaucher , c'est-à-dire tels qu'un temps mort (34) soit respecté ou maintenu entre l'impulsion (212,221) respectives desdits signaux (21,22), 30-on applique ledit premier signal de commande(21) audit premier commutateur statique, -On applique le deuxième signal de commande (22) de récupération à un deuxième commutateur statique (11) de récupération qui est branché en série entre la deuxième batterie et le moteur, On diminue la fréquence des deux signaux de commande pour accélérer le moteur et on augmente la fréquence des deux signaux de commande pour décélérer le moteur, on diminue la durée des impulsions du premier signal de commande (d'alimentation), c'est-à-10 dire on diminue la durée des temps de conduction dudit premier commutateur statique, pour diminuer la vitesse du moteur, et inversement on augmente ladite durée pour accélérer le moteur. 10-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 à 9, dans lequel la fréquence desdits premier et deuxième signaux de commande (21, 22) est inférieure à 20 000 Hz, et dans 15 lequel on maintient entre deux impulsions respectives desdits premier et deuxième signaux de commande, un temps de conduction des deux commutateurs statiques, qui est de l'ordre de un tiers à un centième de la période (31, 33) le temps mort 34 n'existe pas entre 211 et 221 commune aux deux signaux de commande. Fig 5