BE1026793A1 - Dispositif de pilotage d'appareils électriques - Google Patents
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Abstract
Dispositif permettant d’allonger la durée de vie des systèmes électriques travaillant de manière pulsée et cyclique.
Description
DISPOSITIF DE PILOTAGE D’APPAREILS ELECTRIQUES
Objet de l’invention
La présente invention se rapporte à un dispositif permettant de faire varier cycliquement l’intensité de lampes à filament ou à plasma ainsi que des moteurs électriques tout en préservant leur durée de vie.
Arrière-plan technologique concernant les lampes
La lampe à incandescence.
En 1841, James Prescott Joule fut le premier à comprendre que dans tout matériau électrique il y a dégagement de chaleur, c'est l'effet Joule. On utilise cette loi pour les lampes.
Dans la lampe, il n'y a que deux composants essentiels :
- Un filament métallique formant une résistance électrique et parcouru par un courant électrique. Ce courant électrique est transformé en énergie calorifique. Du fait de sa haute température, il se produit une énergie lumineuse. Et pour éviter qu'il ne se détériore au contact de l'oxygène on le place dans un gaz inerte (argon). Le filament était à l’origine en carbone porté à 1800°C, puis il fut en tantale (2000°C). Maintenant il est en tungstène : 2600°C. Malgré la différence de matériaux, ils ont tous la même durée de vie de 1000 heures.
Il existe aussi des lampes à double filament : cela augmente l'efficacité lumineuse de plus de 10% et diminue les pertes de chaleur par convection ou conduction.
- Un gaz qui est un mélange de 2/3 d'argon et de 1/3 d'azote. En remplaçant l'argon par du Krypton on obtient une plus grande température donc une lumière plus blanche. On peut ne pas mettre de gaz pour les lampes ayant une puissance maximale de 25 W.
Actuellement, le filament approche des 2727°C (3000°K). L'idéal serait en changeant la matière du filament et le gaz, d'arriver à une température de 5727°C (6000°K) pour atteindre une longueur d'onde qui corresponde à la meilleure sensibilité de l'œil, et donc à une lumière plus blanche.
La lampe à incandescence est disponible sous une puissance de 25W, 40W, 60W, 75W, 100W ou 1000W et sous une tension de 2,2V à 250V.
Les lampes halogènes
Les lampes halogènes peuvent être utilisées directement sur une tension secteur et procurent une lumière vive et blanche évitant les ombres portées dans le champ lumineux. Elles peuvent donc remplacer les lampes à incandescence.
Les lampes halogènes peuvent fournir plus de 35 % de lumière en plus lorsque l'on fait coïncider l'axe du filament avec celui du réflecteur. Elles ont un flux lumineux de 24001m (pour 100W).
BE2018/0105
Avantage :
* L'amélioration des performances porte sur plusieurs critères.
* Efficacité lumineuse : A puissance égale on obtient plus de lumière.
* Qualité de la lumière : Une lumière plus blanche, plus éclatante et plus intense assurant un meilleur rendu des couleurs. I.R.C.(Ra) = 100.
* Constance lumineuse : La qualité et quantité de lumière resteront pratiquement identique toute la durée de vie de la lampe.
* Durée de vie double : Les lampes halogènes durent (en moyenne) au moins deux fois plus longtemps que les lampes à incandescence.
Une lampe à incandescence n'a pas une durée de vie illimitée, elle peut varier entre 1000 et 2000 heures d'utilisation pour des modèles courants. Certaines lampes destinées à des usages bien précis ne durent que quelques dizaines d'heures (lampes pour projecteur de cinéma) ou au contraire près d'un millier d'heures (lampes pour signalisation routière). Une lampe finit sa vie par un claquage à l'occasion duquel le filament se rompt.
Mécanisme du claquage
Lors de son utilisation, le tungstène du filament se sublime, ce qui signifie que porté à haute température (2800 °C) il perd des atomes qui se retrouvent sous forme gazeuse dans le volume de l'ampoule. Son diamètre diminue donc progressivement. Il apparaît des zones fragilisées plus minces que le reste du filament.
Or, ces zones présentent une résistance électrique plus importante (la résistance augmente quand le diamètre du fil conducteur diminue) et s'échauffent donc davantage. Comme leur température s'accroît, le phénomène de sublimation s'amplifie, elles s’amincissent de plus en plus jusqu'à la rupture. La rupture du filament a souvent lieu lors de l'allumage de la lampe à cause du choc thermique.
Concernant l'évaporation du tungstène du filament, il est à noter que le principe de fonctionnement des lampes halogènes est que le gaz récupère les atomes de tungstène évaporé, et le redépose sur le filament (sous forme cristalline). Evidemment, le dépôt se fait à un endroit aléatoire, ce qui implique que des trous finissent toujours par se former dans le filament. Il y a aussi un phénomène de transport du tungstène dans l'axe du filament et on observe une recristallisation du filament. On peut même voir sur les vieilles lampes que le filament présente comme des facettes, ce sont des plans cristallins.
Le tungstène, comme tous les métaux à une résistance plus faible à froid qu'à chaud (5 à 8 fois plus faible). Cet état de fait se traduit par une surintensité lors de l'allumage de l'ampoule. L'intensité du courant peut alors atteindre 10 fois sa valeur normale pendant une durée très brève (couramment 1/6 de seconde). Il se produit donc un courant de pic à l'allumage, qui va rapidement se résorber, dès l'incandescence
Pendant cet intervalle, alors que la plus grande partie du filament s'échauffe progressivement, les zones les plus minces sont portées à des températures plus élevées. Les zones fragilisées du filament peuvent alors se rompre par la dilatation mécanique due à la montée en température rapide, c'est le claquage. Ceci explique pourquoi les lampes claquent de préférence lors de l'allumage.
Une fois qu'une région a commencé à s'évaporer plus que les autres, elle va s'évaporer encore plus vite car sa résistance augmentant, sa température s'accroîtra d'autant plus.
Il arrivera donc un point ou une zone fine du filament sera mécaniquement plus fragile, ou BE2018/0105 alors atteindra la température de fusion.
L'allumage progressif d'une lampe, en utilisant un variateur par exemple, permet de limiter les conséquences de cette phase critique en réduisant l'intensité du courant circulant dans le filament. Une lampe équipée d'un variateur a donc une espérance de vie plus longue qu'une autre alimentée directement par le secteur.
La lampe à décharge
La lampe à décharge contient deux électrodes noyées dans un gaz qui lors de sa mise sous tension va être ionisé et former un plasma.
Lors de la mise sous tension, celle-ci doit être importante pour amorcer l’arc électrique qui va échauffer le gaz et former le plasma. Dès que le gaz se refroidit, l’arc va disparaître. Il sera dès lors très difficile de faire fonctionner cette lampe en mode pulsé cyclique sans maintenir à chaud ce gaz.
PROCEDE concernant les lampes
Suivant l’explication ci-avant, si nous voulons faire clignoter une lampe en l’allumant puis en l’éteignant rapidement, nous allons provoquer son usure prématurée.
Cependant si, grâce à notre procédé, nous l’empêchons de s’éteindre complètement en gardant le filament chaud ou par l’application d’une tension minimum ; cette dernière ne refroidira que fort peut et ne va pas subir les chocs thermiques de son ré allumage et durera beaucoup plus longtemps.
Si, de plus, on lui applique des variations graduelles de tension et non des pics brutaux, elle durera encore plus longtemps.
FORME DE REALISATION concernant les lampes
La figure 1 reprend les variations de tensions appliquées à la lampe suivant le procédé.
La rampe de tension (numérotée 0) représente l’allumage graduel de cette lampe ; elle est suivie de cycles répétitifs comprenant trois phases :
- La première (phase 0-1 ) durant laquelle la lampe est soumise à la pleine tension (Vn)
- La seconde (phase 2-3) durant laquelle la lampe redescend de la pleine tension à une tension (Vm) permettant de garder le filament chaud
- La troisième (phase 4) durant laquelle la tension remonte à nouveau de manière graduelle vers la pleine tension (Vm)
Ensuite le cycle se répète.
La figure 2 expose un mode de réalisation, Un variateur de tension est connecté et piloté par un générateur de signaux, signaux semblables à ceux de la figure 1. Ce variateur est connecté à une source de tension Vn. Le niveau de la tension de sortie qui alimente le moteur ou la BE2018/0105 lampe suit les signaux alternatifs générés et sont donc semblables à ceux de la figure 1.
Suivant le type de lampes et leur puissance les niveaux des deux tensions Vn et Vm seront differentes ; il en sera de même pour les pentes (vitesse de variation) des tensions 2 et 4.
En ce qui concerne les lampes à décharge fonctionnant en mode pulsé cyclique, pour éviter de devoir réamorcer l’arc à chaque cycle, il suffît de le maintenir en n’abaissant pas la tension sous le seuil de désamorçage ou de maintenir le gaz de la lampe à température.
Cette forme de réalisation n’a jamais fait l’objet d’une publication mais a été testée et sera implémentée dès le dépôt de la présente demande de brevet sur nos appareils Thermo+ Debussy et Diasculpt
Arrière-plan technologique concernant les moteurs électriques
Pour les applications de faible et moyenne puissance (jusqu'à quelques kilowatts), le réseau monophasé standard suffit. Pour des applications de forte puissance, les moteurs alternatifs sont généralement alimentés par une source de courants polyphasés. Le Dispositif le plus fréquemment utilisé est alors le triphasé (phases décalées de 120°) utilisé par les distributeurs d'électricité.
Ces moteurs alternatifs se déclinent en trois types :
• Les moteurs universels ;
• Les moteurs asynchrones ;
• Les moteurs synchrones.
Ces deux dernières machines ne different que par leur rotor.
Les moteurs universels
Un moteur universel est une machine à courant continu à excitation série : le rotor est connecté en série avec l'enroulement inducteur. Le couple de la machine est indépendant du sens de circulation du courant (couple proportionnel au carré du courant) et peut donc être alimenté en courant alternatif. Pour limiter les Courants de Foucault qui apparaissent systématiquement dans toutes les zones métalliques massives soumises à des champs magnétiques alternatifs, son stator est feuilleté.
Les moteurs universels sont utilisés dans des dispositifs exigeant un couple assez fort, tel qu'un robot de cuisine, l'outillage électroportatif de faible puissance (jusqu'à 1200 W) ou encore les aspirateurs. La vitesse de rotation de ces moteurs peut être facilement réglée par un dispositif peu coûteux tel qu'un gradateur (variateur servant à régler l'intensité lumineuse des luminaires).
Les machines synchrones
La machine synchrone est généralement triphasée. Comme le nom l'indique, la vitesse de rotation de ces machines est toujours proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent.
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Les machines synchrones sont egalement utilisées dans les systèmes de traction (tel le TGV).
Ces machines sont associées à des onduleurs de courants, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle d'autopilotage (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor).
Les moteurs sans balais
Un moteur sans balais, ou « moteur brushless », est un moteur synchrone, dont le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et auquel est adjoint un capteur de position rotorique (capteur à effet Hall, synchro-résolver, codeur incrémental par exemple). Vu de l'extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation Brushless vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun balai. Cependant un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques. Ce dispositif peut être soit intégré au moteur, pour les petites puissances, soit extérieur. Le rôle de l'ensemble capteur-électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage du moteur c'est-à-dire le maintien d'un angle fixe entre le flux rotorique et le flux statorique, rôle autrefois dévolu à l'ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu.
Les moteurs brushless équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD de nos ordinateurs. Ils sont également très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères et de voitures ainsi que dans l'industrie, en particulier dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique.
Les machines asynchrones
La machine asynchrone, connue également sous le terme « anglo-saxon » de machine à induction, est une machine à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n'est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent.
La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu'à l'avènement de l'électronique de puissance. On la retrouve aujourd'hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains, propulsion des navires), de l'industrie (machines-outils), dans l'électroménager. Elles étaient à l'origine uniquement utilisées en moteur mais, toujours grâce à l'électronique de puissance, elles sont de plus en plus souvent utilisées en génératrice. C'est par exemple le cas dans les éoliennes.
Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage. Pour les applications de puissance, au-delà de quelques kilowatts, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés.
Les machines autosynchrones
Ce sont des machines synchrones dont le démarrage se fait en asynchrone et lorsque la fréquence de rotation est proche du synchronisme, le rotor s'accroche au champ statorique en se synchronisant sur la vitesse du champ magnétique. L'autopilotage (contrôle de la fréquence statorique en fonction de la vitesse rotorique) tend à faire disparaître cette technologie.
Caractéristiques communes des machines à courant alternatif
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Excepté pour le moteur universel, la vitesse des machines à courant alternatif est généralement liée à la fréquence des courants qui traversent ces machines.
Il existe une grande variété de moteurs hybrides (par exemple « asynchrone synchronisé » dans les pompes de lave-vaisselle).
Moteur asynchrone
Le moteur mis sous tension nominale démarre sur ses caractéristiques naturelles. Au démarrage, le moteur se compose comme un transformateur dont le secondaire (rotor) est presque en court-circuit, d'où la pointe de courant au démarrage.
Ce type de démarrage est réservé aux moteurs de faible puissance devant celle du réseau, ne nécessitant pas une mise en vitesse progressive. Le couple est énergique, l’appel de courant est important (5 à 8 fois le courant nominal).
Ce démarrage ne convient pas si • Le réseau ne peut accepter de chute de tension • La machine entraînée ne peut accepter les à-coups mécaniques brutaux • Le confort et la sécurité des usagers sont mis en cause (escalier mécanique)
Moteur universel
Les moteurs DC (à excitation dépendante) peut être moteur est alimenté en alternatif. On appelle ce moteur universel (alternatif ou continu). Ce type de moteur est aussi utilisé pour des aspirateurs, perceuses à main, rasoir, moulins à café, etc., mais aussi dans les moteurs de traction (bien que la tendance dans ce domaine soit d'utiliser des moteurs asynchrones triphasé avec un asservissement).
Dans ce moteur les inducteurs sont aussi alimentés par le réseau. Si la polarité de la source électrique change, les pôles magnétiques des inducteurs changent ainsi que le sens du courant dans l'induit. La force résultante ne change pas de sens, donc le sens de rotation non plus.
Toutefois lorsqu’on branche un moteur DC sur un réseau de même tension U, on constate que le courant absorbé, le couple du moteur et son rendement sont bien plus faible qu'en continu. Il faut également faire attention aux étincelles sur le collecteur qui produit un échauffement.
Pour améliorer le fonctionnement du ce type de moteur avec une alimentation alternative, il faut :
• Feuilleter le stator (diminue les pertes par hystérésis et courant de Foucault), • Il faut diminuer le nombre de spire au stator (diminue son inductance car celle-ci est plus grande en alternatif) et augmenter celui du rotor pour compenser la perte du couple (dû à la diminution du flux de l'inducteur).
• Ne pas l'utiliser pour des puissances supérieures à 1 kW (mauvaise qualité de moteur à cause de sa mauvaise commutation).
La caractéristique de ce moteur est que si la charge utile (puissance demandée) augmente, la vitesse de rotation diminue, ce qui entraîne une diminution de la force contre-électromotrice
E' et une augmentation du courant induit et inducteur et donc en finalité une augmentation duE2018/0105 flux magnétique inducteur (donc du couple - on 'remplace' de la vitesse par de la puissance).
Caractéristiques :
• Si n diminue, Induit augmente • Si I augmente, le couple augmente (beaucoup) • La vitesse maximale peut atteindre 30 000 min*1 (tr/min) • Grand couple au démarrage
Pour changer le sens de rotation de ce moteur, il faut changer le sens du courant soit l'induit soit l'inducteur.
Si l'induit ne tourne pas, il se comporte comme une résistance pure (pas de E') les valeurs de courant de démarrage sont environ 12 fois la valeur nominale. Pour limiter ce courant à une valeur acceptable, on place généralement un rhéostat (Radd) en série avec l'induit.
PROCEDE concernant les moteurs électriques
Suivant l’analyse faite ci avant il ressort clairement que lors de la phase de démarrage de tout type de moteur électrique une surintensité importante se produit provoquant un échauffement au sein de celui-ci. Si nous voulons faire fonctionner un moteur en régime pulsé, il faudra donc l’éloigner de ses caractéristiques de démarrage et éviter de le mettre à l’arrêt durant son fonctionnement pulsé. C’est, en partie, l’objet de cette invention qui permet de faire tourner de manière pulsée et cyclique et en continu un moteur sans diminuer notablement sa durée de vie.
FORME DE REALISATION concernant les moteurs électriques
La figure 2 est une forme de réalisation.
Au lieu de laisser s’arrêter le moteur entre les impulsions de pleine tension, on lui applique une tension minimale d’entrée afin de le garder toujours en rotation minimum.
Pour éviter les chocs mécaniques les surintensités dues aux brusques variations de vitesse, on passera graduellement de la pleine tension à la tension minimale (exemple : la moitié de la pleine tension) et vice-versa.
Les courbes de tension présentées à la figure 1 sont toujours d’application.
Cette forme de réalisation n’a jamais fait l’objet d’aucune publication mais a été testée et sera implémentée dès la présente demande de brevet sur nos appareils Thermo+ Debussy et Diasculpt
Claims (1)
- REVENDICATIONSBE2018/0105REVENDICATION 1Dispositif permettant lors du fonctionnement en mode pulsé cyclique d’appareils électriques (M ou L) ayant une forte surintensité à la mise sous tension, de limiter l’intensité à chacune de ses mises sous-tension en début de cycle, caractérisé par le fait que les variations de tension appliquées sont pulsées mais ne redescendent jamais à zéro de manière à éviter la surintensité du courant de mise sous-tension.REVENDICATION 2Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ce dispositif peut faire varier de manière pulsatoire la vitesse d’un moteur électrique quelconque en évitant réchauffement excessif donné lors de chaque phase de redémarrage ; dispositif tel que les variations de tension appliquées au moteur sont pulsatoires mais que leur seuil bas est tel qu’il maintient le moteur en mouvement et évite l’énorme courant de redémarrage qui provoque réchauffement des bobinages internes et leur vieillissement.REVENDICATION 3Dispositif, suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu’il peut faire varier de manière pulsative l’éclat d’une lampe à filament en évitant les gradients thermiques sur le filament provoqué lors de chaque mise sous tension du filament froid et conducteur ; dispositif tel que le filament est maintenu chaud lors des phases de descente en tension.REVENDICATION 4Dispositif suivant la revendication 3 tel que les variations de tension appliquées à la lampe sont pulsatives mais que leur seuil bas est tel qu’il maintient son filament chaud et limite le courant qui y passe lors des phases de remontée en tension sachant que la résistance est inversement proportionnelle à la température.REVENDICATION 5Dispositif suivant les revendications précédentes caractérisé par le fait que les variations de tension imposant l’effet pulsatoire peuvent être lissées (pente de variation 2 et 4 obliques) pour limiter les pics de courant et prolonger la vie des moteurs et des lampes.REVENDICATION 6Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que le moteur est un moteur électrique quelconque.REVENDICATION 7 BE2018/0105Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que le moteur est un moteur à courant alternatif.REVENDICATION 8Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que le moteur est un moteur universel sérieREVENDICATION 9Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que le moteur est un moteur à courant continuREVENDICATION 10Dispositif suivant les revendications 1,3,4 et 5 caractérisé par le fait que la lampe est une lampe à filament classique.REVENDICATION 11Dispositif suivant les revendications 1,3,4 et 5 caractérisé par le fait que la lampe est une lampe halogène.REVENDICATION 14Dispositif suivant les revendications 1 et 3 caractérisé par le fait que la lampe est une lampe à décharge, dans ce cas, ce n’est pas le filament mais les gaz internes qu’il faudra garder en température lors des cycles de fonctionnement.REVENDICATION 15Dispositif suivant les revendications 1, 3 et 14 caractérisé par le fait que dans le cas d’une lampe à décharge, les gaz internes peuvent être maintenus sous forme de plasma en évitant de faire redescendre la tension à zéro en mode pulsé cyclique.REVENDICATION 16Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que si la phase (4) durant laquelle la tension est en dessous du niveau de tension nominale Vn est suffisamment courte pour que la température du filament ou la vitesse du moteur soient encore suffisamment hautes que pour ne pas occasionner de pic majeur de surintensité lors de la remise en tension, la tension basse Vmin peut être nulle.
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|---|---|---|---|
| BE20180105A BE1026793B1 (fr) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Dispositif de pilotage d'appareils électriques |
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| BE1026793B1 BE1026793B1 (fr) | 2020-07-23 |
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|---|---|---|---|---|
| US20140145607A1 (en) * | 2012-11-26 | 2014-05-29 | Lucidity Lights, Inc. | Dimmable high frequency induction rf fluorescent lamp |
-
2018
- 2018-09-12 BE BE20180105A patent/BE1026793B1/fr not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| ALLARD ET AL., CURR. OPIN. PHARMACOL., vol. 29, 2016, pages 7 - 16 |
| HAUSER RA ET AL., JAMA NEUROL., vol. 72, no. 12, 2015, pages 1491 - 500 |
| HODGSON RA ET AL., J. PHARMACOL. EXP. THER., vol. 330, no. 1, 2009, pages 294 - 303 |
| OTTA A., FRONTIERS IN IMMUNOLOGY, vol. 7, 2016, pages 109 |
| PINNA A., CNS DRUGS, vol. 28, 2014, pages 455 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BE1026793B1 (fr) | 2020-07-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Effective date: 20200723 |
|
| MM | Lapsed because of non-payment of the annual fee |
Effective date: 20200930 |