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Dispositif de réglage de la vitesse et du couple d'un moteur asynchrone polyphasé La présente invention a pour objet un dispositif de réglage de la vitesse et du couple d'un moteur asynchrone polyphasé à rotor muni de bagues, comprenant un redresseur raccordé auxdites bagues et un onduleur raccordé au réseau et comprenant des éléments électroniques présentant des électrodes de commande et des anodes soumises à des tensions alternatives constantes.
L'invention a pour but de fournir un dispositif permettant, soit de faire varier dans de très larges limites la vitesse du moteur, soit de maintenir cette vitesse constante, quelle que soit la charge imposée au moteur, soit de limiter le couple fourni par le moteur à une valeur quelconque, inférieure, égale ou supérieure au couple nominal, soit de donner au moteur une caractéristique couple-vitesse hyperbolique, correspondant à un fonctionnement dit à puissance constante.
Il est connu de régler la vitesse d'un moteur asynchrone en appliquant une charge purement électrique à son secondaire, c'est-à-dire à son induit ou rotor. Les résistances de démarrage d'un moteur à induit bobiné et à bagues sont un exemple bien connu d'application d'une telle charge. Celles-ci, il est vrai, ne subsistent que pendant la durée de la mise en marche du moteur. Au contraire, on envisage maintenant l'emploi d'une charge électrique maintenue en permanence dans le circuit du rotor et susceptible d'agir avec des impédances différentes. Un convertisseur de courant sous la forme d'un ensemble redresseur-onduleur, placé entre le rotor et le réseau, est connu en soi.
Il permet de relier le réseau aux bornes du rotor, alors que, dans un moteur sans dispositif de réglage de vitesse de ce genre, le stator seul est relié au réseau qui l'alimente tandis que le rotor (en court-circuit ou bobiné) reste isolé du réseau. Ainsi, la puissance de glissement peut être récupérée par le réseau qui fait alors fonction de rhéostat de charge. Le réglage de la vitesse ainsi obtenu peut présenter des allures différentes suivant le mode de fonctionnement choisi.
Il est connu, en effet, que, quel que soit le mode de réglage de la vitesse adopté pour un moteur asynchrone, la vitesse peut varier fortement en fonction de la charge. En général, la vitesse diminue lorsque la charge sur l'arbre augmente.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif objet de l'invention.
Les fig. 1 et 2, prises ensemble, en représentent le schéma.
La fig. 3 est un schéma d'une variante. Conformément à la fig. 1, les trois phases 1, 2, 3 d'un réseau de courant industriel sont branchées au primaire d'un transformateur triphasé 4, dont les enroulements secondaires 5, 6, 7 alimentent les anodes de tubes 11, 12, 13 d'un onduleur.
Les tensions de commande du courant qui traverse cet onduleur sont fournies par un transformateur 17, branché sur les mêmes phases 1, 2, 3 du réseau. Les enroulements secondaires du transformateur 17 ont leurs bornes connectées à trois circuits de déphasage 14, 15, -16 qui fournissent aux grilles de commande des tubes 11, 12, 13 des tensions de commande présentant une phase convenable par rapport aux tensions de leurs anodes respectives.
Le courant qui traverse l'onduleur est fourni par le rotor du moteur asynchrone qu'il s'agit de régler, le couple fourni par ce moteur étant proportionnel à ce courant. Pour obtenir une régulation correcte de la vitesse du moteur, il est nécessaire de connaître ce couple, c'est-à-dire de disposer d'une tension qui lui est proportionnelle.
Pour ce faire, trois transforma-
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teurs d'intensité 8, 9, 10, dont les enroulements primaires sont montés en série avec les anodes des tubes 11, 12, 13 transforment les courants traversant ces tubes en tensions apparaissant aux secondaires de ces transformateurs et les deux alternances de ces tensions sont redressées par un ensemble de redresseurs 18 montés en pont de Graetz. La tension issue de ces redresseurs est filtrée par une bobine d'induction 19 et un condensateur 20 ; aux bornes de celui-ci est connectée une charge constituée par deux potentiomètres 21 et 22.
La différence de potentiel on tension image-couple aux bornes des potentiomètres 21 et 22 est proportionnelle au courant roto- rique ou encore au couple fourni par le moteur.
Un tube 23 est commandé par une fraction de la tension image-couple appliquée entre sa grille et sa cathode. Ce tube reste bloqué tant que sa tension de grille n'atteint pas une valeur suffisante, par rapport à sa cathode, pour le débloquer. En réglant la tension cathodique par rapport à la masse, au moyen d'un potentiomètre 25, on règle le niveau de tension correspondant au courant rotorique ou au couple, à partir duquel le tube 23 intervient sur le fonctionnement d'un tube de régulation 24. Le tube 23 joue le rôle de limiteur de couple. La polarisation par rapport à la masse des redresseurs 18 est fixée par une tension recueillie sur un potentiomètre 26. Les potentiomètres 25 et 26 sont alimentés par une source de tension continue, ainsi que les tubes 23 et 24.
La tension image-couple pourrait également être fournie par un détecteur de couple électrodynamique ou mécanique 33.
Comme il est aisé de le voir sur la fig. 2, le stator du moteur 34 est branché sur les phases 1, 2, 3, du réseau. Le secondaire, ou rotor, engendre des tensions polyphasées qui, par l'intermédiaire d'un ensemble redresseur 35, alimentent l'onduleur entre les points de connexion 31 et 32, en tension continue avec la polarité habituelle.
Ce même secondaire fournit des tensions alternatives polyphasées, dont les deux alternances sont redressées par un ensemble redresseur 36, puis filtrées par une bobine d'induction 37 et un condensateur 38.
La tension continue ainsi obtenue, aux bornes d'un potentiomètre 39, est à chaque instant proportionnelle à la vitesse du moteur à vide. On sait que la tension alternative recueillie aux bornes d'un rotor de moteur asynchrone représente l'inverse de la vitesse à vide. En effet, étant donné que la résistance ou l'impédance du rotor n'est pas nulle, on observe pour une même vitesse deux tensions différentes, selon que le courant rotorique sera nul ou non. Cela provient de la chute de tension interne produite par le passage du courant dans les enroulements du rotor. Ce dernier, qui constitue ici la source d'énergie qui alimente le convertisseur de courant, ne présente pas une impédance interne nulle.
Cette tension est comparée à une tension de référence fournie par un potentiomètre 41 et correspon- dant à une vitesse de référence. La différence entre ces deux tensions constitue un signal d'écart de vitesses. Ce signal est appliqué entre la grille 27 et la cathode 28 du tube 24, à travers une résistance de protection 40. Il faut noter qu'après redressement et comparaison avec la tension fournie par le potentiomètre 41, la tension résultante représente la vitess, ou ses écarts, et non plus l'inverse (à cause de l'inversion du signe de la variation de la tension obtenue aux bornes du potentiomètre 39).
Pour que la tension de commande du tube 24 soit bien proportionnelle à la vitesse, on doit tenir compte du fait que, pour une même vitesse et des charges différentes, la tension d'écart de vitesses varie avec la charge, car le courant rotorique crée une chute de tension dans les enroulements du rotor. On doit donc corriger cette erreur, introduite dans la tension d'écart de vitesses en lui ajoutant une tension de correction sensiblement proportionnelle au courant . rotorique. Pour ce faire, la cathode 28 du tube 24 est reliée à la masse à travers une partie du potentiomètre 21.
Une fraction de la tension image-couple est ainsi appliquée au circuit contrôlé par le tube 24 et s'ajoute à la tension d'écart de vitesses appliquée entre la grille 27 et la masse.
La tension résultant de la combinaison de la tension image-vitesse résultante et de la tension image-couple est amplifiée par le tube 24 et filtrée par un condensateur 43 : cette tension est enfin appliquée à la grille d'un tube 45 à travers une résistance de protection 44.
Le tube 45 et un autre tube 47 fonctionnent avec des charges cathodiques représentées par les résistances 46 et 48 et présentent des impédances de sortie très faibles.
La tension continue de commande des tubes 11, 12 et 13 est fournie par les deux tubes 45 et 47, au moyen de conducteurs 29 et 30 ; cette tension est égale à la différence des deux tensions issues des tubes 45 et 47, à savoir : une tension de référence réglable dans le conducteur 30, ajustée par la polarisation du tube 47 obtenue au moyen d'un potentiomètre 49, et une tension de régulation fournie au conducteur 29, liée aux écarts de vitesse et de couple du moteur.
Enfin, cette tension de commande est également filtrée par un condensateur 50.
La tension d'écart de vitesses pourrait être également fournie par un détecteur de vitesse 51, électrodynamique ou mécanique.
Pour obtenir une régulation de vitesse rigoureuse, il est nécessaire de connaître cette dernière avec précision. Un circuit simple utilisant la fréquence roto- rique, indépendante de la charge, remplace alors l'utilisation de la tension rotorique qui dépend de la charge. Ce circuit est illustré sur la fig. 3.
Entre deux phases du secondaire du moteur asynchrone 34 on branche un transformateur 52 et, aux bornes de l'enroulement secondaire de ce trans-
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formateur, un condensateur 53 filtre les signaux parasites et les harmoniques de la tension fournie par ce rotor. La tension alternative dudit rotor, dont la fréquence est exactement proportionnelle à la vitesse du moteur, est appliquée à la grille d'un tube écrêteur 55, par l'intermédiaire d'une résistance 54. La tension, partiellement écrêtée, apparaît amplifiée aux bornes d'une résistance 56 et est transmise à la grille d'un second tube écrêteur 60, par un condensateur 57 et des résistances 58 et 59.
La tension écrêtée qui apparaît aux bornes de la résistance 61 est transmise à un circuit intégrateur par un réseau différentiateur qui comprend un condensateur 64 et une résistance 65. Les impulsions résultant de la différentiation du signal écrêté sont redressées par un redresseur 66 et intégrées par un circuit intégrateur qui comprend un condensateur 67 et une résistance 68.
La tension continue obtenue aux bornes de cet intégrateur est liée à la fréquence des impulsions qui l'alimentent, cette tension est donc proportionnelle à la vitesse du moteur. Cette tension image-vitesse est comparée à une tension de référence fournie par un potentiomètre 69 appartenant à un diviseur de tension qu'il constitue avec une résistance 70.
Cette tension de référence est filtrée par un condensateur 71.
La tension représentant les écarts de vitesse est appliquée par une connexion 72 à la grille 27 du tube 24, dont la cathode est alors reliée directement à la masse. Enfin, un détecteur de vitesse multiplicateur de fréquence 73 permettrait d'obtenir le même type de régulation avec une constante de temps plus faible et, en définitive, avec plus de rapidité et de précision.
Le dispositif décrit vise à éviter les inconvénients mentionnés des dispositifs connus. En plus d'un circuit électronique de réglage de la vitesse, il comprend un circuit détecteur de vitesse prenant pour référence soit la fréquence de la tension du rotor, soit seulement la tension du rotor, qui peut être prise directement ou par l'intermédiaire d'un convertisseur électrique ou électromécanique, et un circuit détecteur de couple prenant pour référence le courant qui traverse le rotor et qui est proportionnel au couple fourni par le moteur.
Les enroulements du rotor du moteur sont reliés au réseau par un circuit constitué par un convertisseur de courant mono ou polyphasé du type redres- seur-onduleur et par un transformateur de couplage. Le redresseur est branché aux bornes des enroulements du rotor du moteur et l'onduleur aux bornes du transformateur de couplage.
La tension de contrôle est appliquée aux grilles de commande des tubes de l'onduleur, le réglage n'étant pas limité à l'onduleur seul, mais pouvant être également prévu sur le redresseur.
La vitesse du moteur dépend de la valeur de l'impédance branchée aux bornes de son secondaire, c'est-à-dire de celle du réseau, .adaptée au secondaire du moteur par le convertiseur de courant et dont la valeur dépend de l'amplitude et du temps de passage du courant qui traverse le convertisseur.
Ce temps de passage ou durée de conduction dépend de la polarisation relative des grilles de commande des tubes de l'onduleur, par rapport à leurs cathodes.
Le dispositif décrit permet de faire varier la vitesse du moteur, en ce sens qu'il fournit une polarisation réglable des grilles du convertisseur ; cette polarisation est simultanément asservie à la vitesse et au couple du moteur, comme cela a été expliqué ci-dessus.
Enfin, cet asservissement remédie aux variations de la vitesse du moteur asynchrone et permet de lui imposer certains modes de fonctionnement, comme par exemple, à vitesse constante et couple variable quelle que soit la valeur de cette vitesse constante, à vitesse variable et couple constant quelle que soit la valeur de ce couple constant compatible avec les possibilités du moteur et enfin à couple et vitesse variables, par exemple, dans le cas particulier de la marche à puissance constante, suivant une loi hyperbolique.
Le moteur asynchrone ainsi réglé présente dans le cas le plus général une caractéristique couple- vitesse du type shunt ou compound.
Ce résultat est obtenu grâce à l'utilisation de deux signaux de régulation, proportionnels l'un à la vitesse et l'autre au couple du moteur. On règle judicieusement les amplitudes et les polarités des tensions constituant ces signaux, dont la résultante est comparée à une tension de référence. La résultante de ces deux tensions est amplifiée et sert à la commande des grilles des tubes de l'onduleur.
Le couple fourni par le moteur est proportionnel au courant qui traverse son rotor et qui par conséquent traverse également le convertisseur.
Le courant du rotor du moteur est transformé en une tension image-couple ; celle-ci est utilisée pour obtenir des caractéristiques de fonctionnement, telles que celles rappelées plus haut, et peut également déclencher un dispositif de protection, au cas où la valeur du couple atteindrait un maximum fixé au préalable, et compatible avec le mode de fonctionnement choisi.
Dans le cas où le moteur fonctionnerait en frein électrodynamique, le dispositif de commande et de régulation agirait de façon identique, sur la vitesse et sur le couple de freinage.
Ce dispositif permet de régler l'énergie de glissement du rotor, restituée au réseau à travers le convertisseur de courant.
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A device for adjusting the speed and torque of a polyphase asynchronous motor The present invention relates to a device for adjusting the speed and torque of a polyphase asynchronous motor with a rotor fitted with rings, comprising a rectifier connected to said rings and an inverter connected to the network and comprising electronic elements having control electrodes and anodes subjected to constant alternating voltages.
The object of the invention is to provide a device making it possible either to vary the speed of the motor within very wide limits, or to maintain this speed constant, whatever the load imposed on the motor, or to limit the torque supplied by the motor. motor to any value, less than, equal to or greater than the nominal torque, or to give the motor a hyperbolic torque-speed characteristic, corresponding to operation said to be at constant power.
It is known to regulate the speed of an asynchronous motor by applying a purely electrical load to its secondary, that is to say to its armature or rotor. The starting resistors of a wound armature and slip ring motor are a well known example of application of such a load. These, it is true, only subsist for the duration of the starting of the engine. On the contrary, the use of an electric charge permanently maintained in the rotor circuit and capable of acting with different impedances is now envisaged. A current converter in the form of a rectifier-inverter assembly, placed between the rotor and the network, is known per se.
It makes it possible to connect the network to the terminals of the rotor, whereas, in a motor without a speed regulator of this kind, the stator alone is connected to the network which supplies it while the rotor (short-circuited or wound) remains isolated from the network. Thus, the slip power can be recovered by the network which then acts as a load rheostat. The speed adjustment thus obtained can have different forms depending on the operating mode chosen.
It is known, in fact, that, whatever the speed adjustment mode adopted for an asynchronous motor, the speed can vary greatly as a function of the load. In general, the speed decreases as the load on the shaft increases.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the device which is the subject of the invention.
Figs. 1 and 2, taken together, represent the diagram.
Fig. 3 is a diagram of a variant. According to fig. 1, the three phases 1, 2, 3 of an industrial current network are connected to the primary of a three-phase transformer 4, whose secondary windings 5, 6, 7 supply the anodes of tubes 11, 12, 13 of a inverter.
The control voltages for the current flowing through this inverter are supplied by a transformer 17, connected to the same phases 1, 2, 3 of the network. The secondary windings of transformer 17 have their terminals connected to three phase shift circuits 14, 15, -16 which supply the control gates of the tubes 11, 12, 13 with control voltages having a suitable phase with respect to the voltages of their respective anodes. .
The current flowing through the inverter is supplied by the rotor of the asynchronous motor which has to be adjusted, the torque supplied by this motor being proportional to this current. To obtain a correct regulation of the speed of the motor, it is necessary to know this torque, that is to say to have a voltage which is proportional to it.
To do this, three transforma-
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current sensors 8, 9, 10, the primary windings of which are connected in series with the anodes of the tubes 11, 12, 13 transform the currents flowing through these tubes into voltages appearing at the secondaries of these transformers and the two halfwaves of these voltages are rectified by a set of rectifiers 18 mounted in the Graetz bridge. The voltage from these rectifiers is filtered by an induction coil 19 and a capacitor 20; to the latter is connected a load consisting of two potentiometers 21 and 22.
The potential difference in the image-torque voltage across the terminals of the potentiometers 21 and 22 is proportional to the rotary current or even to the torque supplied by the motor.
A tube 23 is controlled by a fraction of the image-torque voltage applied between its grid and its cathode. This tube remains blocked as long as its grid voltage does not reach a sufficient value, relative to its cathode, to unblock it. By adjusting the cathode voltage with respect to ground, by means of a potentiometer 25, the voltage level corresponding to the rotor current or to the torque is adjusted, from which the tube 23 intervenes on the operation of a regulation tube 24 The tube 23 acts as a torque limiter. The polarization with respect to the ground of the rectifiers 18 is fixed by a voltage collected on a potentiometer 26. The potentiometers 25 and 26 are supplied by a DC voltage source, as are the tubes 23 and 24.
The image-torque voltage could also be supplied by an electrodynamic or mechanical torque detector 33.
As it is easy to see in fig. 2, the stator of the motor 34 is connected to phases 1, 2, 3 of the network. The secondary, or rotor, generates polyphase voltages which, via a rectifier assembly 35, supply the inverter between the connection points 31 and 32, with direct voltage with the usual polarity.
This same secondary supplies polyphase alternating voltages, the two halfwaves of which are rectified by a rectifier assembly 36, then filtered by an induction coil 37 and a capacitor 38.
The DC voltage thus obtained, at the terminals of a potentiometer 39, is at each instant proportional to the speed of the no-load motor. It is known that the alternating voltage collected at the terminals of an asynchronous motor rotor represents the inverse of the no-load speed. In fact, given that the resistance or the impedance of the rotor is not zero, two different voltages are observed for the same speed, depending on whether the rotor current will be zero or not. This is due to the internal voltage drop produced by the flow of current through the rotor windings. The latter, which here constitutes the energy source which supplies the current converter, does not have zero internal impedance.
This voltage is compared with a reference voltage supplied by a potentiometer 41 and corresponding to a reference speed. The difference between these two voltages constitutes a speed deviation signal. This signal is applied between the grid 27 and the cathode 28 of the tube 24, through a protection resistor 40. It should be noted that after rectification and comparison with the voltage supplied by the potentiometer 41, the resulting voltage represents the speed, or its deviations, and no longer the reverse (because of the inversion of the sign of the voltage variation obtained at the terminals of potentiometer 39).
So that the control voltage of tube 24 is properly proportional to the speed, it must be taken into account that, for the same speed and different loads, the speed difference voltage varies with the load, because the rotor current creates a voltage drop in the rotor windings. We must therefore correct this error, introduced into the speed difference voltage by adding a correction voltage substantially proportional to the current. rotoric. To do this, the cathode 28 of the tube 24 is connected to ground through a part of the potentiometer 21.
A fraction of the image-torque voltage is thus applied to the circuit controlled by tube 24 and is added to the speed difference voltage applied between grid 27 and ground.
The voltage resulting from the combination of the resulting image-speed voltage and the image-torque voltage is amplified by tube 24 and filtered by a capacitor 43: this voltage is finally applied to the grid of a tube 45 through a resistor protection 44.
Tube 45 and another tube 47 operate with cathode loads represented by resistors 46 and 48 and have very low output impedances.
The direct voltage for controlling the tubes 11, 12 and 13 is supplied by the two tubes 45 and 47, by means of conductors 29 and 30; this voltage is equal to the difference of the two voltages coming from the tubes 45 and 47, namely: an adjustable reference voltage in the conductor 30, adjusted by the polarization of the tube 47 obtained by means of a potentiometer 49, and a voltage of regulation supplied to the driver 29, linked to the engine speed and torque differences.
Finally, this control voltage is also filtered by a capacitor 50.
The speed difference voltage could also be supplied by a speed detector 51, electrodynamic or mechanical.
To obtain rigorous speed regulation, it is necessary to know the latter precisely. A simple circuit using the rotor frequency, independent of the load, then replaces the use of the rotor voltage which depends on the load. This circuit is illustrated in fig. 3.
Between two phases of the secondary of asynchronous motor 34, a transformer 52 is connected and, at the terminals of the secondary winding of this trans-
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trainer, a capacitor 53 filters the parasitic signals and the harmonics of the voltage supplied by this rotor. The alternating voltage of said rotor, the frequency of which is exactly proportional to the speed of the motor, is applied to the grid of a clipping tube 55, by means of a resistor 54. The voltage, partially clipped, appears to be amplified at the terminals. of a resistor 56 and is transmitted to the grid of a second clamping tube 60, by a capacitor 57 and resistors 58 and 59.
The clipped voltage which appears across resistor 61 is transmitted to an integrator circuit by a differentiator network which comprises a capacitor 64 and a resistor 65. The pulses resulting from the differentiation of the clipped signal are rectified by a rectifier 66 and integrated by a integrator circuit which includes a capacitor 67 and a resistor 68.
The direct voltage obtained at the terminals of this integrator is linked to the frequency of the pulses which feed it, this voltage is therefore proportional to the speed of the motor. This image-speed voltage is compared with a reference voltage supplied by a potentiometer 69 belonging to a voltage divider that it constitutes with a resistor 70.
This reference voltage is filtered by a capacitor 71.
The voltage representing the speed differences is applied by a connection 72 to the grid 27 of the tube 24, the cathode of which is then connected directly to ground. Finally, a frequency multiplying speed detector 73 would make it possible to obtain the same type of regulation with a lower time constant and, ultimately, with more speed and precision.
The device described aims to avoid the mentioned drawbacks of known devices. In addition to an electronic speed control circuit, it includes a speed detector circuit taking as reference either the frequency of the rotor voltage, or only the rotor voltage, which can be taken directly or through an electric or electromechanical converter, and a torque detector circuit taking as reference the current which passes through the rotor and which is proportional to the torque supplied by the motor.
The windings of the motor rotor are connected to the network by a circuit formed by a single or polyphase current converter of the rectifier-inverter type and by a coupling transformer. The rectifier is connected to the terminals of the motor rotor windings and the inverter to the terminals of the coupling transformer.
The control voltage is applied to the control gates of the inverter tubes, the adjustment not being limited to the inverter alone, but can also be provided on the rectifier.
The speed of the motor depends on the value of the impedance connected to the terminals of its secondary, that is to say that of the network, adapted to the secondary of the motor by the current converter and whose value depends on the amplitude and transit time of the current flowing through the converter.
This transit time or conduction duration depends on the relative polarization of the control gates of the tubes of the inverter, with respect to their cathodes.
The device described makes it possible to vary the speed of the motor, in the sense that it provides an adjustable polarization of the converter gates; this polarization is simultaneously slaved to the speed and to the torque of the motor, as has been explained above.
Finally, this servo-control remedies variations in the speed of the asynchronous motor and makes it possible to impose certain operating modes on it, such as for example, at constant speed and variable torque whatever the value of this constant speed, at variable speed and constant torque whatever. that is the value of this constant torque compatible with the possibilities of the motor and finally with variable torque and speed, for example, in the particular case of walking at constant power, according to a hyperbolic law.
In the most general case, the asynchronous motor thus adjusted has a torque-speed characteristic of the shunt or compound type.
This result is obtained through the use of two regulation signals, one proportional to the speed and the other to the torque of the motor. The amplitudes and polarities of the voltages constituting these signals are judiciously adjusted, the resultant of which is compared with a reference voltage. The result of these two voltages is amplified and is used to control the grids of the tubes of the inverter.
The torque supplied by the motor is proportional to the current which passes through its rotor and which consequently also passes through the converter.
The motor rotor current is transformed into an image-torque voltage; this is used to obtain operating characteristics, such as those mentioned above, and can also trigger a protection device, in the event that the torque value reaches a maximum fixed beforehand, and compatible with the chosen operating mode .
If the motor operates as an electrodynamic brake, the control and regulation device will act in the same way, on the speed and on the braking torque.
This device makes it possible to adjust the sliding energy of the rotor, returned to the network through the current converter.