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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.