CH639224A5 - Moteur electrique pour bruleur a combustible liquide. - Google Patents
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Description
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REVENDICATIONS Moteur électrique pour brûleur à combustible liquide, ayant un enroulement auxiliaire de démarrage pourvu d'une résistance à coefficient de température positif, caractérisé en ce que ce moteur électrique, assurant au brûleur un régime stabilisé et présentant une protection efficace de ses enroulements, comprend en premier lieu, comme résistance à coefficient de température positif, une résistance ayant un temps de 0,5 à 2 secondes pour faire évoluer sa résistance ohmique allant d'une valeur minimale laissant le passage à un courant électrique à une valeur maximale entravant le passage à ce courant, en deuxième lieu, dans son enroulement principal et son enroulement auxiliaire, et à rotor bloqué, une vitesse d'élévation de température respectivement inférieure ou égale à 7 0C/seconde et 55 "C/seconde.
La présente invention concerne un moteur électrique pour brûleur à combustible liquide.
A l'origine, les brûleurs à combustible liquide tels que ceux à mazout étaient habituellement équipés de moteurs asynchrones monophasés fonctionnant en version à enroulement auxiliaire résistant de démarrage.
Des dispositifs spéciaux tels que relais, coupleur centrifuge assuraient l'élimination de l'enroulement auxiliaire après la mise en vitesse du moteur.
Ce type de moteur de conception classique, vendu à un prix très avantageux, possédait des caractéristiques électriques qui répondaient assez bien aux exigences de fonctionnement sur brûleur, à savoir un couple de démarrage supérieur ou égal à 3 cm Kg et un glissement faible en charge.
Ce moteur n'était pas protégé thermiquement, et sa protection était assurée par un dispositif de surveillance des flammes.
Ce dispositif de surveillance, fonctionnant par cellule photo-électrique, coupait l'alimentation du moteur en cas d'extinction inopinée de la flamme, après un temps préréglé.
La sécurité assurée par cette surveillance était en mesure d'intervenir dès l'instant que l'appareil était mis en service.
Ainsi, un ou plusieurs refus de démarrage successifs du moteur, peuvent suffire pour que l'alimentation de celui-ci soit coupée par suite de l'absence de flamme dans un délai de dix secondes maximum pour les brûleurs domestiques de puissance inférieure ou égale à 100 000 Kcal/h et de deux secondes pour les brûleurs à gaz d'une puissance supérieure à 60 th/h.
Après une coupure de l'alimentation du moteur effectué par ce dispositif de surveillance, le redémarrage du moteur ne pouvait s'effectuer que par un réarmement manuel.
Après de nombreuses annés d'utilisation du moteur du type à enroulement auxiliaire résistant de démarrage, les constructeurs de brûleurs ont estimé, qu'il n'était plus possible d'ignorer l'état thermique de ce type de moteur.
En effet, de par sa conception, le moteur à enroulement auxiliaire résistant de démarrage possède un enroulement auxiliaire très résistant qui nécéssite l'emploi de fils fins.
De ce fait la densité de courant dans cet enroulement de démarrage est très importante et l'élévation de température oscille entre 8 et 15 °C/seconde.
Il s'ensuit que dans le cas accidentel de refus de démarrage avec moteur chaud, l'élévation de température dans l'enroulement auxiliaire entraîne la destruction du bobinage, car le temps de réponse de la cellule photoélectrique de surveillance est trop long.
Par ailleurs, dès l'apparition de surcharges anormales sur le moteur, il en résulte une chûte de la vitesse et très souvent un réenclenchement du relais ou du coupleur centrifuge qui remet sous tension l'enroulement auxiliaire pendant un temps prolongé sans l'intervention du dispositif de surveillance puisqu'il y a toujours la présence d'une flamme.
Ce phénomène intempestif entraîne une diminution du dé-s bit d'air, le débit de fuel étant peu sensible aux variations de la vitesse du moteur, et se traduit par une mauvaise combustion.
La remise en service de l'enroulement auxiliaire pendant des périodes prolongées occasionne la destruction du bobinage.
Certains constructeurs ont envisagé de protéger cet enroulement par la mise en place sur le moteur d'un protecteur thermique.
Malheureusement, ce projet a été vite abandonné en raison de l'augmentation du coût de l'appareil et surtout des dif-15 ficultés rencontrées pour associer les temps de déclenchement du protecteur avec le dispositif de commande de brûleur.
Actuellement, les cas de destruction de l'enroulement auxiliaire imputables à des perturbations accidentelles au moment du démarrage sont devenus très rares.
20 Cette nette amélioration résulte du fait que le moteur à enroulement auxiliaire résistant de démarrage a été progressivement remplacé par un moteur plus puissant conçu avec une phase auxiliaire beaucoup moins résistante, le bobinage étant réalisé avec un fil ayant un plus gros diamètre. Sur cette phase 25 auxiliaire une capacité permanente a été placée en série. Sur ce type de moteur, la phase auxiliaire couplée en parallèle avec la phase principale est maintenue sous tension durant la marche.
La courbe couple vitesse de ce moteur fait ressortir que la mise en vitesse s'effectue sans «creux» grâce à une accélération 30 constante.
Il est bien évident que malgré la suppression du dispositif de démarrage, ce moteur est d'un coût plus élevé que le précédent. Cela est dû à l'adjonction d'un condensateur permanent et à un poids de cuivre plus important sur la phase auxiliaire. 35 Néanmoins ce prix se trouve plus ou moins justifié par une plus grande fiabilité dans le cas de fonctionnements anormaux.
Mais il faut reconnaître que sur le plan purement technique et notamment en ce qui concerne les points de fonctionne-40 ment et le rendement en charge, cette solution n'est pas aussi bien adaptée que la solution précédente c'est-à-dire le moteur à enroulement auxiliaire résistant de démarrage.
En effet, il est connu que pour un brûleur à mazout un couple de démarrage important est indispensable pour entraî-45 ner la pompe à mazout et l'accouplement pompe-moteur. Ce couple de démarrage est habituellement supérieur ou égal à 3 cm/kg.
On peut exprimer le couple de démarrage sous une forme .simplifiée suivante:
50 /\
Cd = Ki • K • Ip • la • sinus (Ip la) Rr dans laquelle K est le rapport des spires efficaces de la phase principale sur la phase auxiliaire (PP/PA).
K] est un coefficient qui dépend du circuit magnétique, de 55 la fréquence, etc ... et pour un rotor bloqué.
Ip est le courant dans la Phase Principale.
la est le courant dans la Phase Auxiliaire.
ïpla est le déphasage de ces intensités.
Rr est la résistance du rotor.
60 Pour obtenir un couple de démarrage de l'ordre de 3 cm Kg avec des moteurs à capacité permanente, les constructeurs ont été conduits à la réalisation de moteurs de puissance élevée comportant des rotors assez résistants.
En effet, K est généralement inférieur à 1,5 du fait qu'au 65 delà de cette valeur, la tension sur bornes de la capacité devient supérieure à 450 volts. Il en résulte une limitation dans les approvisionnements et une augmentation du prix de revient de la capacité.
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La capacité a toujours une impédance importante pour li- ment auxiliaire résistant de démarrage comprend un enroule-
miter le courant auxiliaire. De ce fait, les capacités les plus ment principal 1 alimenté en courant électrique en perma-
couramment utilisées sont inférieures à 5 microfarads. nence pendant le fonctionnement, et un enroulement auxi-
liaire 2 dit enroulement de démarrage mis sous tension uni-L'angle de déphasage (Ip • la) est toujours voisin de *2 en squement durant la période de démarrage. Selon l'invention, raison de la présence de la capacité permanente. pour couper l'alimentation de cet enroulement à la fin des dèli ne reste plus que deux paramètres: Ip et Rr. marrages on monte en série avec cet enroulement une rési-Or Ip est surtout fonction de la puissance du moteur. stance à coefficient de température positif 3.
Ainsi, ces moteurs ont une puissance maximum impor- En effet au moment de la mise sous tension de moteur, la tante vis-à-vis de leurs charges et un glissement élevé dû à la îorésistance 3 qui est placée en série avec l'enroulement auxi-
résistance rotor (voir figure 1 ). liaire laisse passer le courant nécessaire pour alimenter cet en-
Le surcroît de puissance obtenu avec ce genre de moteur, roulement.
s'il est nécessaire pour le démarrage, est néfaste pour la rota- Lors du passage du courant, cette résistance 3 s'échauffe tion stabilisée. par effet Joule et sa résistance qui est fonction de sa tempéra-
Dans la figure 1, sur la courbe F on remarque que ce mo- is ture s'élève.
teur a un rendement maximum de 67% mais qu'à son point Dès que cette résistance 3 atteint une température corres-
de fonctionnement sur brûleur à mazout, point d'interdesc- pondant à sont point de Curie, on enregistre une brusque va-
tion N de la courbe F avec la droite représentant le couple ré- riation de sa valeur ohmique. Celle-ci passe de quelques ohms sistant, le rendement n'est plus que de 52%. à plusieurs milliers d'Ohms.
Or pour les raisons évoquées plus haut, il est difficile d'à- 20 De ce fait, l'enroulement de démarrage 2 se trouve en série dapter la puissance du moteur à son utilisation. avec une impédance très grande qui limite le courant passant
De ce fait ce type de moteur est toujours utilisé au tiers de dans cet enroulement à quelques milliampères et élimine l'in-
sa puissance maximum, et possède un mauvais rendement au fluence de cet enroulement dans le fonctionnement du mo-
point d'utilisation. teur. Dans l'application de ce moteur au brûleur à mazout, se-
La présente invention a pour but de réaliser un moteur 25 Ion une caractéristique importante de l'invention, le temps de
électrique pour brûleur à combustible liquide économique conduction de la résistance 3 doit être défini en fonction des fiable ayant des caractéristiques électriques propres à assurer conditions de démarrage sur ce brûleur à mazout,
le démarrage du brûleur à combustible et leur fonctionnement On peut observer dans la figure 4 qui représente des cour-
en régime stabilisé. bes de débits instantanées de mazout et d'air d'un brûleur do-
Le moteur selon l'invention est conforme à la revendi- 30 mestique équipé d'un moteur de la présente invention, que cation. l'allumage se produit à partir d'une richesse de 0,7 de mélange
Pour mieux faire comprendre l'invention, on décrit ci-ap- combustible et que le régime stabilisé du brûleur s'établit au rès un certain nombre d'exemples de réalisation illustrés par bout de 0,5 seconde.
des dessins ci-annexés dont: La richesse du mélange combustible est fonction du
- la figure 1 représente deux groupes de courbes caractéri-3s p stiques de moteurs électriques, les unes étant des courbes de rapport p',Q leurs vitesses en tours/minute en fonction de leurs couples en cm-Kg à savoir A la courbe couple-vitesse d'un moteur à en- F est la quantité de combustible en kg,
roulement auxiliaire résistant, B la courbe couple-vitesse d un 0 est la tité de comburant en m\
moteur a enrou ement auxiliaire muni en sene d un résistance 40 St ^ ^ Stoechiométrie (k /m3)
a coefficient de temperature positif pendant le temps de con- v duction de cette résistance conformément à un premier exem- Il en résulte que le temps de conduction de la résistance 3
pie de réalisation de l'invention, C la courbe couple-vitesse doit être supérieur à 0,5 seconde, mais il n'est pas nécessaire d'un moteur connu à capacité permanente, les autres étant des d'augmenter ce temps au delà de deux secondes.
courbes de rendement à savoir D la courbe du couple résistant 45 La présence de la résistance 3 assure une auto-protection du brûleur en fonction de la vitesse, E la courbe de rendement de l'enroulement auxiliaire et permet selon l'invention de défi-
d'un moteur conforme au premier exemple de réalisation de nir un moteur sur lequel l'enroulement auxiliaire à une vitesse l'invention indiqué ci-dessus, F la courbe de rendement d'un d'élévation de température relativement élevée et supérieure à
moteur connu à capacité permanente et R la droite représen- celles couramment admises sur les moteurs classiques.
tant l'abscisse du couple résistant du brûleur à combustible, so Le cas le plus critique se situe habituellement au moment tel que le mazout, du redémarrage du moteur chaud, après un cycle de fonction-
- la figure 2 représente une vue schématique du circuit nement normal. Dans ce cas, le moteur ne peut redémarrer électrique d'un moteur électrique selon un premier exemple de puisque la résistance 3 est toujours à une température supé-réalisation de l'invention, rieure à celle correspondant à sont point de CURIE.
- la figure 3 représente une vue schématique du circuit ss Dans ce cas l'enroulement principal est alimenté pendant électrique d'un moteur électrique selon un deuxième exemple le temps d'intervention du dispositif de surveillance par la cel-de réalisation de l'invention, Iule photo-électrique, c'est-à-dire pendant une durée de dix se-
- et la figure 4 représente différentes courbes de fonction- condes maximum pour un brûleur à mazout d'une puissance nement d'un brûleur à mazout, la courbe G étant celle du dé- inférieure à 100 000 Kcal/heure.
bit d'air en mètres cubes aux conditions normales de tempéra-60 II est courant pour les moteurs ayant une isolation de la ture et de pression, en fonction du temps en secondes, la classe B et F de supporter une températur de pointe sur les en-
courbe H étant celle du débit de mazout en kilogrammes en roulements de 200 °C environ.
fonction du temps en heures, et la courbe I étant celle de la ri- En supposant que le moteur fonctionne en régime stabilisé chesse moyenne instantanée du mélange combustible en mètre à 130 °C (valeur maximale admise en isolation B), et que subi-
cube d'air par kilogramme de mazout et la zone J sur la 65 tement pour une raison inconnue celui-ci fonctionne à rotor courbe I de richesse étant celle où se produit l'allumage. bloqué (sans alimentation de l'enroulement auxiliaire) pen-
Dans un premier exemple de réalisation de l'invention il- dant les dix secondes précédant l'intervention du dispositif de lustré à la figure 2, un moteur électrique du type à enroule- surveillance à cellule, il est nécessaire que la vitesse d'élévation
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de la température n'excède pas 7 "C/seconde sur l'enroulement principal.
Dans un moteur réalisé conformément à la présente invention on obtient une vitesse d'élévation de température ne dépassant pas 2,5 °C/seconde sur l'enroulement principal avec une densité de courant de 16 A/mm2.
Le cas le plus critique pour la protection de l'enroulement auxiliaire se situe au moment du redémarrage après un arrêt de l'ordre de deux minutes. Ce temps correspond à la durée qui est nécessaire à la résistance 3 pour passer d'une résistance de plusieurs milliers d'Ohms à quelques Ohms.
Après deux minutes, le moteur passe de 130 °C à environ 90 °C ce qui donne une différence de température avec la température maximale 200 °C en isolation classe B de 110 °C pour un temps de conduction maximal de deux secondes.
Ceci correspond à une vitesse d'élévation de température ne dépassant pas 7 °C/seconde sur l'enroulement auxiliaire avec une densité de courant de 47 A/mm2.
A partir des valeurs limites définies ci-dessus et qui sont relatives à la vitesse d'élévation de la température, on peut établir une comparaison avec celles obtenues sur le moteur conforme à l'invention représenté à la figure 2.
On remarque qe le degré de protection de ce moteur est très important.
Vitesse d'élévation Valeurs Valeurs de température Maxi admissibles obtenues
Enroulement principal 7 °C/sec 2,5 °C/sec
Enroulement auxiliaire 55 °C/sec 7 °C/sec
La courbe E de la figure 1, montre que le rendement maximum du moteur de l'invention est de 67%. Ce point P de rendement se situe juste au couple résistant correspondant à l'utilisation du moteur sur le brûleur.
Le gain sur la puissance absorbée par rapport à celle des moteurs de conception plus ancienne représentée par la courbe F dans la figure 1 est de 39 Watts ou soit 22% environ.
De plus un gain de 9% sur le poids de tôle est enregistré.
Dans un deuxième exemple de réalisation de l'invention illustré à la figure 3, un moteur électrique du type à capacité permanent comprend un enroulement principal 4, un enroulement auxiliaire 5 muni d'une capacité en série 6 et une résistance à coefficient de température positif 7 montée en parallèle aux bornes de la capacité 6.
Dans l'enroulement auxiliaire 5, l'impédance de la résistance étant très faible vis à vis de celle de la capacité permanente, le moteur se comporte au démarrage comme un moteur à phase auxiliaire résistante comme décrite précédemment.
Cet exemple de réalisation présente l'avantage par rapport aux moteurs à capacité permanente de conception plus ancienne utilisés sur les brûleurs à mazout, d'avoir une puissance juste nécessaire à l'entraînement de la pompe et de la turbine, et d'avoir une résistance rotor faible du fait que les problèmes de surpassement du couple résistant au démarrage sont résolus par la présence d'une résistance 7 décrite ci-dessus.
A son point d'utilisation Q sur sa courbe de couple-vitesse D de la figure 1, ce moteur possède un rendement de 72%, supérieur à celui des autres solutions représentées par leurs courbes de rendement en E et F.
Pour qu'il puisse réaliser un couple de démarrage supérieur à 3 Cm. Kg, un rendement supérieur à celui du premier exemple représenté par la courbe E, une puissance dissipée dans la résistance 7 aussi faible que possible et une économie se traduisant par un poids de cuivre moins grand, une valeur de capacité réduite, ce moteur selon l'invention est construit avec les principales caractéristiques suivantes à savoir l'enroulement principal:
Un rapport des spires efficaces de l'enroulement auxiliaire sur celles de l'enroulement principal compris entre 0,40 et 0,60.
Une valeur de capacité choisie située entre 1 et 3 |JF. Une valeur ohmique de la résistance 7 voisine de celle de 5l'enroulement auxiliaire 5.
Un temps de conduction de la résistance 7 situé entre 0,5 et 2 secondes, des vitesses d'élévation de la température sur les enroulements principal et auxiliaire du moteur respectivement inférieures à 7 °C/sec et 55 °C/sec.
io Le rapport des spires efficaces de l'enroulement auxiliaire sur celles de l'enroulement principal présente également l'avantage de délivrer des tensions relativement faibles aux bornes de la capacité 6.
En effet, avec un tel moteur alimenté sous 220 v la tension 15 de service aux bornes de la capacité est de l'ordre de 250 volts au lieu de 450 volts dans un moteur de construction classique.
De plus ceci conduit à des réductions de la taille et du prix des condensateurs.
Pour illustrer les avantages indiqués ci-dessus, les données 20 ci-après correspondent en I, à un moteur connu à capacité permanente, en II à un moteur conforme au premier exemple de réalisation de l'invention et ayant un même diamètre de tôle, et en III, à un moteur conforme au deuxième exemple de réalisation de l'invention et ayant un même diamètre de tôle: 25 /- Moteur connu a capacité permanente
- Diamètre extérieur de tôle 81 mm
- Longueur fer 57 mm
- Résistance rotor (Ramenée au primaire) 45 ohms
- Poids de cuivre (Enroulements) 355 gr 30 - Rendement maximum 67%
- Rendement au point d'utilisation sur 52% (3 cmkg) brûleur
- Couple de démarrage 3,15 cmkg
- Couple maximum 8,50 cmkg 35 - Rapport spires efficaces de l'enroulement auxiliaire sur celles de l'enroulement principal 1,45
- Capacité permanente 5 microfarads
- Tension aux bornes de la capacité 450 volts 40 - Vitesse de rotation sur brûleur 2860 t/mn densité de courant, à rotor bloqué:
- enroulement principal 27 A/mm2
- enroulement auxiliaire 5 A/mm2 II Moteur conforme au 1er exemple de réalisation de
45 l'invention
- Diamètre extérieur de tôle 81mm
- Longueur fer 52 mm
- Résistance rotor (Ramenée au primaire) 28,7 ohms
- Poids de cuivre (Enroulements) 360 gr
- Rendement maximum 67,5%
- Rendement au point d'utilisation sur 67% (3 cmkg) brûleur
- Couple de démarrage 3,35 cmkg
- Couple maximum (Enroulement 6,60 cmkg 55 principal)
- Couple maximum (Deux enroulements) 8,65 cmkg
- Rapport spires efficaces de l'enroule- 0,41 ment auxiliaire sur celles de l'enroulement principal
60 - Vitesse de rotation 2860 t/mn
- Résistance CTP 50 ohms
- Puissance instantanée dissipée dans cette résistance (au démarrage) 300 W
densité de courant, à rotor bloqué:
65 - enroulement principal 17,4 A/mm2
- enroulement secondaire 63 A/mm2 Gain de consommation par rapport au moteur en I: 39 W
50
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III- Moteur conforme au 2e exempel de réalisation de l'invention
- Diamètre extérieur de tôle 81mm
- Longueur fer 52 mm
- Résistance rotor 27,8 ohms 5-
- Poids de cuivre 300 gr
- Rendement maximum 72%
- Rendement au point d'utilisation 72%
- Couple de démarrage 3,32 cmkg
- Couple maximum (sans résistance CTP) 6,80 cmkg io
- Couple maximum (avec résistance CTP) 9 cmkg
- Rapport spires efficaces de l'enroulement auxiliaire sur celles de l'enroulement principal 0,46
Vitesse de rotation Capacité permanente Tension aux bornes de la capacité Résistance CTP
Puissance dissipée dans la résistance
CTP audémarrage densité de courant, à rotor bloqué:
enroulement principal enroulement auxiliaire
Gain de consommation par rapport au moteur en I:
2860 t/mn 2 microfarads 235 volts 40 ohms
260 W
22 A/mm2 66 A/mm2 47 W
C
2 feuilles dessins
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