Brevet FR2968856A1 — publié le 20120615

RELAIS DE PROTECTION MOTEUR POUR OPTIMISER LA SURVEILLANCE ET LA PROTECTION D'UN MOTEUR ELECTRIQUE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine général des relais de protection moteur et plus particulièrement, la surveillance d'un moteur électrique. ETAT DE L'ART ANTERIEUR Un moteur électrique peut être protégé par une protection contre des facteurs de surcharge ou température excessive pouvant l'endommager. Cette protection est d'ordinaire assurée par un relais de protection moteur configuré avec des valeurs de réglage appropriées. Le relais de protection moteur est utilisé pour détecter une surcharge, des courts-circuits et autres pannes et peut être basé sur des techniques électromécaniques ou numériques. Cependant, la plupart des relais de protection moteur doivent être paramétrés manuellement par l'installateur avant la mise en service, et ne peuvent s'adapter à un changement des conditions d'utilisation. Il existe toutefois, des relais de protection moteur basés sur une logique intégrée capables de réaliser un auto-apprentissage de certains paramètres du moteur à protéger pour assurer une meilleure protection et surveillance des moteurs électriques. Un exemple d'un tel relais de protection est le General Electrics Multilin 369. Il a la capacité d'apprendre les paramètres suivants d'un moteur spécifique : courant de démarrage, capacité thermique de démarrage, temps d'accélération, constante de temps de refroidissement, constante de temps de chauffe, et charge moyenne de moteur. Cependant, certains autres paramètres représentatifs de l'induction du moteur ne sont pas fournis par de tels relais. Le problème devant être résolu par la présente invention est par conséquent de proposer un système qui prend en compte certaines caractéristiques opérationnelles spécifiques d'un moteur électrique pour le protéger de manière appropriée. DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention est définie par un système de surveillance pour la surveillance d'un moteur électrique, comprenant : - des moyens de modélisation pour modéliser un diagramme du cercle sur la base des intensités de 20 courant dudit moteur électrique, - des moyens de calcul pour calculer au moins un paramètre opérationnel en utilisant ladite modélisation du diagramme du cercle, et - des moyens de surveillance pour surveiller ledit 25 moteur électrique sur la base dudit paramètre opérationnel. La modélisation ou la méthode du diagramme du cercle est utilisée pour estimer rapidement les paramètres opérationnels du moteur qui fournissent des 30 informations significatives de fonctionnement du moteur pour une surveillance optimale et efficace du moteur électrique. Les paramètres opérationnels donnent des informations concernant les limites de fonctionnement du moteur et en particulier, la charge maximale qui peut être supportée par le moteur. Avantageusement, lesdits moyens de calcul sont destinés à utiliser le diagramme du cercle pour calculer l'un quelconque parmi les paramètres opérationnels suivants : couple, perte par effet joule, résistance du rotor, glissement, et rendement du moteur. Ainsi, le système de surveillance permet de réaliser un auto-apprentissage de grandeurs représentatives du bon fonctionnement du moteur. En variante, lesdits moyens de calcul sont destinés à calculer directement le glissement. L'invention concerne également un relais de protection moteur pour protéger un moteur électrique comprenant un système de surveillance selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus, ledit relais comprenant en outre : - des moyens de mesure pour mesurer lesdites intensités de courant, - des moyens de détection pour détecter une anomalie du moteur en analysant au moins un desdits paramètres opérationnels, - des moyens de déclenchement pour couper l'alimentation électrique du moteur dans le cas où une anomalie serait détectée par lesdits moyens de détection. Lesdits moyens de détection sont destinés à comparer chaque paramètre opérationnel à un seuil prédéterminé correspondant et à envoyer une commande aux moyens de déclenchement pour couper l'alimentation électrique du moteur lorsqu'un paramètre opérationnel atteint son seuil prédéterminé correspondant. L'invention concerne également un moteur électrique équipé d'un relais de protection moteur selon les caractéristiques ci-dessus. Le moteur électrique comprend en outre des moyens d'acquisition des valeurs de vitesse pour déterminer la vitesse du rotor. L'invention concerne également un procédé pour surveiller un moteur électrique, comprenant les étapes suivantes consistant à : - construire un diagramme du cercle sur la base des intensités de courant d'alimentation dudit moteur 15 électrique, - calculer au moins un paramètre opérationnel en utilisant ledit diagramme du cercle, - surveiller ledit moteur électrique en fonction dudit paramètre opérationnel. 20 L'invention concerne également un programme informatique comprenant des instructions de code pour mettre en oeuvre le procédé de surveillance d'un moteur électrique selon les caractéristiques ci-dessus, lorsqu'il est exécuté par les moyens de traitement. 25 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement à la lecture d'un mode de réalisation préféré de l'invention donné en 30 référence aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 illustre schématiquement un système de surveillance pour surveiller un moteur électrique selon l'invention ; la figure 2 représente schématiquement un moteur 5 et un relais de protection moteur comprenant le système de surveillance de la figure 1, et la figure 3 illustre schématiquement le diagramme du cercle permettant la détermination de paramètres de moteur opérationnel par le système de surveillance de 10 la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS La présente invention est basée sur l'utilisation 15 de la méthode du diagramme du cercle au sein d'un relais de protection moteur afin de déterminer les grandeurs représentatives d'un moteur en fonctionnement et plus particulièrement, d'un moteur asynchrone. La figure 1 représente schématiquement un système 20 de surveillance 1 pour surveiller un moteur électrique 3 selon la présente invention. Le système comprend des moyens de modélisation 5, des moyens de calcul 7 et des moyens de surveillance 9. Les moyens de modélisation 5 modélisent un 25 diagramme du cercle (voir figure 3) sur la base des intensités de courant du moteur électrique 3 telles que courant à vide, courant de charge et éventuellement, courant dans le stator lorsque le rotor est bloqué. Les moyens de calcul 7 calculent au moins un 30 paramètre opérationnel en utilisant le modèle du diagramme du cercle. Avantageusement, les moyens de calcul 7 sont destinés à calculer l'un quelconque de l'ensemble des paramètres opérationnels suivants : couple, perte par effet joule, résistance du rotor, glissement, et rendement du moteur. Ces paramètres sont représentatifs du fonctionnement du moteur. En effet, la variation du couple produit par le moteur électrique 3 donne une bonne indication sur le fonctionnement du moteur 3 et peut être utilisée pour diagnostiquer une charge excessive connectée au rotor et prévenir les dommages ou la surchauffe du rotor. Les pertes par effet joule représentent le réchauffement du moteur 3 et donne une représentation précise de sa dissipation d'énergie thermique. Le glissement donne des informations précises concernant le bon fonctionnement du moteur 3. Le rendement mesure l'efficacité du moteur 3 et correspond au rapport de la puissance de sortie mécanique sur la puissance d'entrée électrique fournie au moteur. Enfin, la résistance du rotor donne des informations concernant l'énergie dissipée par le moteur 3. Ainsi, les moyens de surveillance 9 peuvent surveiller efficacement le moteur électrique 3 sur la base d'au moins l'un de ces paramètres opérationnels. Il est à noter que les moyens de modélisation 9, les moyens de calcul 7 et les moyens de surveillance 9 peuvent tous faire partie d'un moyen de traitement. La figure 2 représente schématiquement un relais de protection moteur 11 couplé au moteur électrique 3. Le relais de protection moteur 11 comprend des moyens de traitement 13, des moyens de mesure 15, des moyens de déclenchement 17, des moyens de détection 19, ainsi que le système de surveillance 1 selon la présente invention. Par exemple, les moyens de modélisation 5, de calcul 7 et de surveillance 9 du système de surveillance 1 peuvent être constitués par des modules algorithmiques mis en oeuvre par les moyens de traitement 13 du relais de protection moteur 11. Les moyens de détection 19 peuvent également être constitués par un module algorithmique mis en oeuvre par les moyens de traitement 13. Les moyens de mesure 15 mesurent les valeurs d'intensité de courant du moteur électrique 3. Les moyens de détection 19 détectent les anomalies de fonctionnement du moteur électrique 3 en analysant les paramètres opérationnels surveillés par le système de surveillance 1. Enfin, les moyens de déclenchement 17 sont destinés à couper l'alimentation électrique du moteur 3 lorsqu'une anomalie a été détectée. En particulier, les moyens de détection 19 comparent chaque paramètre opérationnel à un seuil prédéterminé correspondant et envoient une commande aux moyens de déclenchement 17 pour couper l'alimentation électrique du moteur 3 lorsqu'au moins un paramètre opérationnel atteint son seuil prédéterminé correspondant. Cela permet de protéger le moteur 3 ainsi que les systèmes mécaniques associés, contre les surcharges, températures excessives, pannes ou tout autre facteur pouvant endommager le moteur 3 ou n'importe quel autre équipement. Le moteur électrique décrit sur la figure 2 est un moteur à induction de type asynchrone composé d'enroulements de stator 21 disposés autour du rotor 23. Lorsqu'un courant alternatif primaire Il à une certaine fréquence w est fourni aux enroulements de stator 21, un modèle de champ magnétique rotatif est créé qui induit un courant alternatif 12 dans le rotor 23. L'algorithme de détermination des paramètres de moteur opérationnels au sein du relais de protection moteur 11 est illustré sur la figure 3. En particulier, la figure 3 représente schématiquement un diagramme du cercle 31 construit selon un procédé mis en oeuvre par le système de surveillance ou par les moyens de traitement 13 du relais de protection moteur 11. D'abord, le moteur 3 est démarré à vide à une fréquence et une tension nominales. Les moyens de mesure 15 mesurent l'intensité de courant à vide. Plus particulièrement, ils mesurent le courant efficace (RMS) et son angle selon une condition d'état stable. Ces deux valeurs forment un vecteur de courant à vide 0A qui peut être rapporté facilement sur un système de coordonnées bidimensionnel (O, X, Y) correspondant par exemple, à un plan complexe. Ensuite, le moteur 3 est démarré avec une charge selon des conditions déterminées choisies par l'utilisateur. Les moyens de mesure 15 mesurent le courant de charge (c'est-à-dire, le courant de charge efficace du stator et son angle de charge). Ces deux valeurs forment un vecteur de courant de charge qui est rapporté sur le système de coordonnées bidimensionnel (D, X, Y). Après avoir rapporté les deux vecteurs de courant à vide et de charge OA et 0M sur le système de coordonnées, les moyens de modélisation 9 construisent un cercle avec son centre Co sur une droite d1 parallèle à l'axe y et passant par les points d'extrémité A et M des vecteurs OA et 0M respectivement. Le diagramme de cercle 31 est utilisé par les moyens de traitement 13 pour calculer les paramètres opérationnels et peut éventuellement être tracé sur des moyens de sortie 33 tels qu'un écran. La distance AM entre les points d'extrémité A et M (c'est-à-dire, la norme du vecteur AM) représente un courant efficace I'2 proportionnel au courant efficace 12 du rotor. En particulier, la distance AM est donnée en fonction du courant induit 12, grâce à la formule suivante : AM=I'2 =- x12, L1 où L1 est l'inductance propre du stator et ,u est l'inductance mutuelle. Il est à noter que la valeur de AM est suffisante pour déterminer certains paramètres 25 opérationnels sans qu'il soit nécessaire de déterminer individuellement les valeurs de L1 et ,u. En effet, les pertes par effet joule P2 du rotor peut être déterminée par les moyens de calcul 7 en20 fonction de la distance AM selon la formule suivante : P2 = 3 x AM2 x R2 , où R2 est la résistance du rotor. De plus, les points M et A peuvent également être utilisés pour calculer le couple C du moteur électrique 3 selon la formule suivante : C= R xQM , w QM représente la distance entre les points Q et M, où Q est l'intersection entre les droites (MP) et (AC0) parallèles aux axes X et Y respectivement. En d'autres termes, QM est la différence des abscisses entre les points M et A. D'autre part, w est la fréquence de réseau et p est le nombre de paires de pôles du moteur 3. Ainsi, la méthode du diagramme du cercle permet déjà de calculer les pertes par effet joule et le couple du moteur en utilisant les intensités de courant à vide et de charge. Ensuite, pour calculer d'autres paramètres opérationnels, le moteur 3 est démarré en maintenant le rotor bloqué. Alors, les moyens de mesure 15 mesurent un courant avec rotor bloqué représenté par un vecteur de courant de stator OG1 composé du courant efficace de stator et de son angle correspondant sous un courant de rotor court-circuité. Le vecteur de courant avec rotor bloqué OG1 est ensuite rapporté sur le système de coordonnées bidimensionnel (O, X, Y). Avantageusement, le vecteur de courant avec rotor 30 bloqué peut être utilisé pour calculer les pertes par effet joule P2 du rotor sans qu'il soit nécessaire de connaître la valeur de la résistance R2 du rotor. En particulier, la perte par effet joule P2 est égale à la distance entre le point Q et un point R représentant l'intersection des droites (AGI) et (MP). La distance QR correspond à la différence des abscisses entre les points A et R. La perte par effet joule P2 peut ensuite être utilisée pour calculer la résistance R2 du rotor. En particulier, la résistance R2 est déterminée en fonction de la distance entre les points A et M ainsi que la distance QR selon la formule suivante : R2 =QR/3AM2 . Le vecteur de courant avec rotor bloqué peut 15 également être utilisé pour calculer le glissement S selon la formule suivante : O - G S O' G, 20 O'G1 est la distance du point G1 de la droite (AO') passant par A et parallèle à l'axe X. Le point G est l'intersection entre les droites (AM) et (O'G1) et ainsi, O'G est la distance du point G par rapport à la droite (AO'). En d'autres termes, O' est le point 25 d'intersection entre la droite parallèle à l'axe Y et passant par le point G1 et la droite parallèle à l'axe X et passant par le point A. Dans de telles conditions, le glissement S est égal à l'unité et ainsi, pour d'autres conditions, le 30 glissement peut être simplement mesuré sur l'axe O'G1 (c'est-à-dire, S = O'G). Ainsi, le diagramme du cercle 31 permet la détermination du glissement S sans qu'un capteur de régime soit nécessaire. On notera que certains moteurs n'ont pas la possibilité d'effectuer un démarrage avec rotor bloqué. Dans ce cas, le glissement peut être calculé directement en fonction du régime rotor N et par conséquent, la méthode du diagramme du cercle peut toujours être utilisée pour calculer les autres paramètres opérationnels. Le glissement S est défini comme le rapport entre la vitesse relative du champ magnétique telle que vue par le rotor 23 sur la vitesse du champ rotatif du stator. Ainsi, il peut être calculé directement selon la formule suivante où N est le régime rotor et Ns est la vitesse synchrone du champ magnétique. En particulier, Ns correspond à la vitesse à vide théorique sans glissement, qui est régulée par le nombre de paires de pôles et la fréquence de réseau. Ainsi, dans le cas où le moteur 3 est équipé des moyens 37 pour déterminer la vitesse du rotor, le relais de protection moteur 11 peut être connecté à ces moyens 37 afin de recevoir la valeur de régime rotor. On notera que les moyens de détermination de vitesse 37 peuvent correspondre soit à un capteur de régime qui mesure directement la vitesse du rotor soit à des moyens d'estimation qui calculent le régime rotor. Par ailleurs, les moyens de calcul 7 sont destinés à utiliser le diagramme du cercle 31 pour calculer l'efficacité ou le rendement du moteur grâce à la formule suivante =RM 17 PM Le point R est l'intersection entre les droites (AGI) et (PM) et ainsi, q peut être facilement calculé 10 en divisant la distance entre le point M et la droite (AGI) par la distance entre le même point M et l'axe Y. Il est à noter que les moyens de traitement 13 contenus dans le relais de protection moteur 11 peuvent être utilisés pour exécuter un programme informatique 15 comprenant des instructions de code, conçu pour mettre en oeuvre le procédé de détermination de paramètres de moteur opérationnel en utilisant la méthode du diagramme du cercle, selon l'invention.5 REVENDICATIONS1. Système de surveillance pour surveiller un moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de modélisation (5) pour modéliser un diagramme du cercle (31) sur la base des intensités de courant dudit moteur électrique, - des moyens de calcul (7) pour calculer au moins un paramètre opérationnel en utilisant ladite modélisation du diagramme du cercle, et - des moyens de surveillance (9) pour surveiller 10 ledit moteur électrique (3) sur la base dudit paramètre opérationnel. 2. Système de surveillance selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de calcul (7) sont 15 destinés à utiliser ledit diagramme du cercle pour calculer l'un quelconque parmi les paramètres opérationnels suivants : couple, perte par effet joule, résistance du rotor, glissement, et rendement du moteur. 20 3. Système de surveillance selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de calcul (7) sont destinés à calculer le glissement en fonction du régime rotor du moteur (3). 25 4. Relais de protection moteur pour protéger un moteur électrique comprenant un système de surveillance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ledit relais comprenant en outre :- des moyens de mesure (15) pour mesurer lesdites intensités de courant, - des moyens de détection (19) pour détecter une anomalie du moteur (5) en analysant ledit au moins un 5 paramètre opérationnel, et - des moyens de déclenchement (17) pour couper l'alimentation électrique du moteur (3) dans le cas où une anomalie serait détectée par lesdits moyens de détection (19) 10 5. Relais selon la revendication 4, dans lequel lesdits moyens de détection (19) sont destinés à comparer chaque paramètre opérationnel à un seuil prédéterminé correspondant et à envoyer une commande 15 aux moyens de déclenchement (17) pour couper l'alimentation électrique du moteur (3) lorsqu'un paramètre opérationnel atteint son seuil prédéterminé correspondant. 20 6. Moteur électrique équipé d'un relais de protection moteur (11) selon la revendication 4 ou 5. 7. Moteur électrique selon la revendication 6, comprenant en outre des moyens de détermination de 25 vitesse (37) pour déterminer le régime rotor N. 8. Procédé pour surveiller un moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - construire un diagramme du cercle (31) sur la 30 base des intensités de courant dudit moteur électrique,- calculer au moins un paramètre opérationnel en utilisant ledit diagramme du cercle, et - surveiller ledit moteur électrique (3) en fonction dudit paramètre opérationnel. 9. Programme informatique comprenant des instructions de code pour mettre en oeuvre le procédé de surveillance d'un moteur électrique selon la revendication 8, lorsqu'il est exécuté par des moyens de traitement.