CH642199A5 - Dispositif de protection thermique d'un moteur electrique. - Google Patents

Description

L'invention se rapporte aux dispositifs statiques de protection thermique d'un moteur électrique.

On a déjà proposé, pour assurer la protection thermique d'un moteur électrique, de simuler au moyen d'un circuit à constante de temps (du type RC) le comportement thermique de la partie en cuivre du moteur et de couper l'alimentation du moteur dès que la température simulée par un tel circuit atteint un seuil déterminé. On a même proposé, pour tenir compte des pertes dans la partie en fer du moteur (pertes par courant de Foucault et dues à l'hystérésis) et du transfert de chaleur entre le cuivre et le fer, d'introduire des éléments supplémentaires dans le circuit de protection.

Un inconvénient de ce genre de circuit de protection est sa complexité et la difficulté de le constituer, de façon qu'il fournisse une image réelle du comportement thermique du moteur, compte tenu notamment du fait qu'il se produit également un transfert de chaleur du fer vers l'air et que les pertes dans le fer dépendent de la tension. Par ailleurs, il est difficile de fixer les barrières de température à ne pas dépasser; tout en autorisant les démarrages à chaud, il serait souhaitable que le dispositif de protection autorise une surcharge temporaire relativement importante, pourvu qu'elle soit suivie d'une sous-charge.

L'invention propose de résoudre ces différents problèmes au moyen d'un dispositif de protection qui, sans chercher à constituer une image parfaite du comportement thermique du moteur, tiendra compte des tolérances admises par le constructeur relativement aux régimes intermittents.

Le dispositif suivant l'invention comprend des moyens d'appliquer, à au moins un circuit à constante de temps, une tension image du courant absorbé par le moteur, et des moyens de comparer la tension aux bornes d'un condensateur, que comporte ledit circuit à constante de temps, à une tension continue de référence, et de fournir un signal de commande de la coupure de l'alimentation du moteur, chaque fois que ladite tension aux bornes du condensateur dépasse ladite tension de référence, et est caractérisé par un premier et un second circuit à constante de temps attaqués par ladite tension image et attaquant respectivement un premier et un second comparateur auxquels sont respectivement appliquées une première et une seconde tension de référence distinctes, la constante de temps du second circuit étant sensiblement égale à la constante de temps thermique du moteur indiquée par le constructeur, et la seconde tension de référence étant choisie pour correspondre à une surcharge de quelques pour-cent par rapport au courant nominal du moteur, tandis que la constante de temps du premier circuit est choisie pour correspondre au temps de calage du moteur à froid pour un courant égal à six fois ledit courant nominal, et la première tension de référence a une valeur sensiblement double de celle de la seconde, et par des moyens d'asservir unidirectionnellement la tension aux bornes du condensateur du premier circuit à constante de temps à la tension aux bornes du condensateur du second circuit, lorsque cette dernière a tendance à devenir supérieure à la première.

Suivant un mode d'exécution préféré, le dispositif comprend un troisième circuit à constante de temps qui attaque le second comparateur et dont la constante de temps est choisie sensiblement égale à cinq fois celle du second circuit, des moyens pour engendrer un signal indicatif de l'état de marche ou d'arrêt du moteur, et des moyens pour commuter le second et le troisième circuit à constante de temps en fonction dudit signal.

D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après.

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Au dessin annexé:

la fig. 1 est le schéma d'un dispositif de protection thermique conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention, et la fig. 2 illustre les courbes représentatives des temps de surcharge admissibles d'un moteur en fonction du courant qu'il absorbe.

A la fig. 1, on a représenté trois amplificateurs 1, 2, 3 montés en intégrateurs (résistances 100-101, 200-201, 300-301 et condensateurs 102-202-302) qui seront avantageusement alimentés par des sondes de Rogowski (non figurées) fournissant des signaux de faible intensité proportionnels à la dérivée du courant qui circule dans les condensateurs de phase respectifs reliant un moteur asynchrone au secteur triphasé d'alimentation. La sortie de chaque amplificateur est reliée à son entrée ne recevant pas le signal par une résistance 103-203-303 respectivement et, par l'intermédiaire d'un condensateur 104-204-304 respectivement relié à la masse au moyen d'une résistance 105-205-305 respectivement, à une entrée d'un second amplificateur 4-5-6 respectivement. L'autre entrée du second amplificateur est reliée à la masse par une résistance 400-500-600 respectivement et à la sortie par une diode 401-501-601 respectivement. Les sorties des seconds amplificateurs sont reliées en commun à un troisième amplificateur 7, par l'intermédiaire de diodes respectives 402-502-602,

dont les anodes sont reliées auxdites autres entrées du second amplificateur par des résistances respectives 403-503-603.

Les amplificateurs 1-2-3 fournissent, à leur sortie, des tensions alternatives proportionnelles aux courants de phase susvisés, qui sont redressées par les diodes telles que 401-402.

L'amplificateur 7 permet d'ajuster la plus grande de ces trois tensions à une valeur prédéterminée lorsque le moteur travaille à son courant nominal IN.

A cet effet, sa seconde entrée est reliée à l'anode de la diode 700 branchée à sa sortie par une résistance réglable 701, en série avec une résistance 702. Une résistance 703 relie ladite seconde entrée à la masse et un circuit de filtrage comprend une résistance 704 reliée à l'anode de la diode 700, en série avec un condensateur 705 relié à la masse.

Les anodes des diodes 402-502-602 sont, par ailleurs, reliées en commun à une entrée d'un comparateur 8 dont l'autre entrée est reliée, par l'intermédiaire d'un pont de résistance 901-902, à la sortie du comparateur 9. Ce dernier reçoit, d'une part, la tension au point commun A entre la résistance 704 et le condensateur 705, d'autre part, une tension continue de rérérence fournie par une source V+ et au pont de résistances 903-904. Cette tension de référence est, par exemple, celle qui correspond à la tension en A pour un courant dans le moteur égal à 10% de la valeur nominale IN, autrement dit, tant que le moteur est en marche, le comparateur y fournit nécessairement un niveau logique 1 (tension positive) à sa sortie, il ne peut fournir un niveau 0 (tension négative) à sa sortie que lorsque le moteur est à l'arrêt. Il en résulte que, seulement pendant la marche du moteur, le comparateur 8 fournira un niveau 0 (tension négative) à sa sortie, chaque fois que la tension de sortie des amplificateurs 4-5-6 passera par la valeur 0, c'est-à-dire, en cas d'absence de phase. Dans ce cas, un condensateur 802, chargé par une tension positive V + à travers un pont de résistances 800-801, se décharge à chaque passage par zéro de la tension de sortie des amplificateurs 4-5-6 et, au bout d'un certain nombre de ces passages par zéro, la tension à ses bornes est suffisamment basse pour faire basculer un comparateur 10, dont une borne d'entrée reçoit la tension aux bornes du condensateur 802, tandis que l'autre borne d'entrée est alimentée par une tension de référence définie par une source V + et par un pont de résistances 1000-1001.

Le signal de sortie du comparateur 10 est appliqué, d'une part, par l'intermédiaire d'une diode 1002, à l'un des composants 1100 d'une bascule 1100-1101 qui fournit à sa sortie 1102, un signal d'excitation du relais (non figuré) qui fournit un signal de commande au contacteur classique de protection du moteur, d'autre part, à l'un des composants 1200 d'une bascule 1200-1201 qui sert à l'allumage d'une diode électroluminescente de signalisation, non figurée, reliée à la sortie 1202.

On notera que, par rapport au montage détecteur de perte de phase décrit dans le brevet français N° 79.26102, déposé le 16 octobre 1979 par la titulaire pour «Dispositif électronique de protection d'un moteur électrique contre les surcharges et la perte d'une phase de la tension alternative triphasée d'alimentation», le présent montage détecteur de perte de phase est simplifié, du fait que les moyens de filtrage de la tension triphasée qui constitue l'image du courant dans les conducteurs de phase du moteur ne comportent pas de self en tête. Cette simplification est rendue possible grâce au fait que les sondes de Rogowski fournissent une tension suffisamment faible pour qu'on puisse utiliser des amplificateurs sans les saturer. Il suffit alors que ces derniers présentent une impédance de sortie très faible pour que leur signal de sortie passe franchement par la valeur 0 en cas de perte de phase et, par conséquent, soit directement exploitable par le circuit détecteur de perte de phase.

Revenant à la fig. 1, le signal au point A est appliqué, par l'intermédiaire de résistances respectives 1300-1400-1500, à une entrée de chacun des trois amplificateurs 13-14-15, et dont l'autre entrée est connectée à la masse dont les sorties sont reliées à ladite entrée par des diodes montées en sens inverse 1301-1401-1501 respectivement et par des résistances 1302-1402-1502 respectivement. Les anodes de chacune de ces diodes sont reliées à ladite entrée par une diode 1303-1403-1503 respectivement. Ladite entrée reçoit, en outre, pour chacun des amplificateurs 14 et 15, une tension négative V— à travers une résistance 1404 et 1504 respectivement. Un tel montage, connu en soi, fournit à sa sortie B une tension proportionnelle au carré du courant qui correspond à la plus grande des trois valeurs des courants de phase.

Le point B est relié, par l'intermédiaire de résistances 1600 et 1700 respectivement, à deux interrupteurs-découpeurs 16 et 17 commandés par des impulsions récurrentes, respectivement fournies par deux bascules monostables 1900-1901 et 2000-2001 respectivement. Ces deux bascules sont excitées par un maître oscillateur composé de deux circuits N; 2100-2101. Une troisième bascule monostable'2200-2201 peut également commander l'interrupteur-découpeur 17, qui reçoit des impulsions de la bascule 2000-2001 ou de la bascule 2200-2201 suivant l'état d'un ensemble logique composé de trois circuits Nj 2300-2301-2302. Le circuit 2301 est commandé par le signal issu du détecteur d'arrêt 9, de façon telle que la bascule 2200-2201 effectue finalement la commande de l'interrupteur-découpeur 17 lorsque le moteur est en marche, tandis que c'est la bascule 2200-2201 qui effectue la commande de l'interrupteur-découpeur 17 lorsque le moteur est à l'arrêt.

Les interrupteurs-découpeurs 16 et 17 chargent respectivement deux condensateurs 24-25 dont la tension est appliquée, par l'intermédiaire de résistances respectives 2600-2700 respectivement, à un amplificateur 26 et à deux amplificateurs respectifs 27-28. Les amplificateurs 26 à 28 sont constitués par des transistors à effet de champ et ayant, par conséquent, une impédance d'entrée très élevée.

La sortie de l'amplificateur 26 est reliée à une entrée d'un amplificateur 29 dont l'autre entrée est alimentée par une tension positive V+ au moyen d'un pont de résistances 2900-2901. La sortie de l'amplificateur 29 est reliée par une diode 2902 au composant 1100 de la bascule 1100-1101. De même, la sortie de l'amplificateur 28 est reliée à une entrée d'un amplificateur 30 dont l'autre entrée est alimentée par une tension V+ au moyen d'un pont de résistances 3000-3001 et dont la sortie est reliée par une diode 3002 au composant 1100.

La sortie de l'amplificateur 27 est reliée au point commun à la résistance 2600 et au condensateur 24 par une diode 2701 du type ayant un courant de fuite de l'ordre du picoampère, suivie d'une résistance 2702. Une telle diode n'ayant pratiquement pas de courant inverse, aucun risque de décharge du condensateur 24 par cette voie n'existe.

L'amplificateur 27 sert à empêcher.que, à un moment quelconque, la tension aux bornes du condensateur 24 puisse être inférieure à la tension aux bornes du condensateur 25; en effet, si ce phéno5

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mène tendait à se produire, le courant de décharge de la capacité 25, transmis par l'amplificateur 27, la diode 2701 et la résistance 2702, tendrait à charger le condensateur 24 jusqu'à égalité des tensions aux bornes des deux condensateurs.

La sortie de l'amplificateur 28 est reliée à une entrée d'un amplificateur 31 dont l'autre entrée est alimentée par une tension V— au moyen d'un pont de résistance 3100-3101. La sortie de l'amplificateur 31 est reliée, d'une part, à ladite autre entrée par une résistance 3102 suivie d'une diode 3103, d'autre part, à l'électrode de commande d'un interrupteur-découpeur 32 relié entre la masse et le point commun à l'interrupteur-découpeur 17 et au condensateur 25.

Les tensions de sortie des amplificateurs 29 et 30 sont appliquées, par l'intermédiaire de diodes respectives 2903 et 3003, au composant 3300 d'une bascule 3300-3301 qui sert à l'allumage d'une diode électroluminescente de signalisation (non figurée), reliée à sa borne 3302.

Si le courant du moteur tend vers la valeur 0, les condensateurs 24 et 25 ont tendance à se décharger à la masse du fait de la présence des capacités parasites du montage. Ces condensateurs, après avoir atteint une tension nulle, auraient même tendance à se recharger à une tension négative. S'il en était ainsi, la tension négative aux bornes du condensateur 25, transmise à une entrée de l'amplificateur 31 par l'intermédiaire de la résistance 2700 et de l'amplificateur 28, serait alors comparée à la tension négative appliquée sur l'autre entrée de l'amplificateur 31, monté en comparateur, et il en résulterait alors l'envoi d'une commande d'ouverture de l'interrupteur-découpeur 32, ce qui aurait pour effet de provoquer la décharge rapide du condensateur 25 jusqu'à une tension nulle. La tension aux bornes du condensateur 24 suivrait, comme on l'a expliqué ci-dessus, la tension aux bornes du condensateur 25 et serait donc également ramenée rapidement à la valeur 0. On expliquera plus loin l'intérêt de cette mesure.

Le montage constitué par un interrupteur-découpeur chargeant un condensateur, pendant les intervalles de temps périodiques où il est fermé, à une tension représentant l'image d'un courant qui produit un échauffement dans une charge est connu en soi et on sait qu'il permet de simuler réchauffement ou le refroidissement de la charge, sans effectuer aucune mesure de température, et est particulièrement intéressant lorsque la constante de temps thermique de la charge est grande, ce qui est le cas pour un moteur électrique.

La constante de temps définie par un tel montage dépend évidemment de la valeur des composants et de la durée des créneaux de commande des interrupteurs-découpeurs.

Dans le dispositif décrit, un premier montage de ce genre (monostable 2000-2001, interrupteur-découpeur 17, condensateur 25) est agencé pour définir une constante de temps 0L représentative du comportement thermique du moteur lorsqu'il fonctionne à température moyenne; cette constante de temps est la constante de temps de refroidissement conventionnel du moteur donnée par le constructeur (à titre d'exemple, 0L = 950 s). Le premier montage assure la protection thermique du moteur en fonctionnement, contre lès faibles surcharges, de la manière suivante:

La tension continue de référence appliquée par le pont de résistance 3000-3001 à une entrée de l'amplificateur 30 est choisie à une valeur telle qu'elle corresponde à une surcharge de quelques pour-cent (7 à 8% par exemple), c'est-à-dire que l'amplificateur 30, monté en comparateur, fournira à la bascule 1100-1101 un signal de coupure de l'alimentation du moteur dès que le courant I sera supérieur de 7 ou 8% à sa valeur nominale IN. Le choix d'une telle valeur a été effectué en établissant la courbe représentée en trait plein à la fig. 2, et qui représente le temps de surcharge admissible ts, tel qu'il est donné par le constructeur (exprimé en secondes) en fonction du rapport I/In, lorsque le moteur est chaud. Si l'on admet que cette courbe se rapproche asymptotiquement d'une droite parallèle à l'axe des ordonnées passant par le point d'abscisse 1,07 ou 1,08, on constate, en calculant les temps de déclenchement donnés par le dispositif, pour différentes valeurs de I/In (simulation), qu'ils coïncident pratiquement avec les temps admissibles donnés par le constructeur.

Un second montage générateur d'une constante de temps est constitué par la bascule monostable 2200-2201, l'interrupteur-découpeur 17 et le condensateur 25. Le montage est agencé pour que cette constante de temps Ola soit sensiblement égale à 5 Ol. A l'arrêt, le moteur se refroidit évidemment beaucoup moins vite qu'en marche (le ventilateur étant arrêté). Si l'on fait redémarrer le moteur, il importe alors que le condensateur 25 se trouve initialement chargé à une tension qui constitue une image de la température à laquelle il se trouvait à l'arrêt, température qui dépend évidemment du temps pendant lequel le moteur était resté arrêté.

Un troisième montage générateur d'une constante de temps est constitué par la bascule monostable 1900-1901, l'interrupteur-découpeur 16 et le condensateur 24. La constante de temps Oc définie par ce montage est représentative du temps de calage admissible par le moteur. A titre d'exemple, elle est égale à 175 s pour un temps de calage à froid de 10 s pour un courant de 6IN. On peut admettre que cette valeur du temps de calage conviendra pour un moteur asynchrone, le courant de démarrage est de l'ordre de 6IN et il s'agit de protéger le moteur contre des démarrages de durée trop longue ou répétés trop fréquemment et, plus généralement, contre de fortes surcharges. Toutefois, on laisse à l'utilisateur du montage la faculté, si le temps de calage est donné pour un courant de calage du moteur différent de 6IN, de corriger la valeur de Oc pour qu'elle corresponde au temps de calage à 6 IN. Le réglage de Oc s'effectue, par exemple, en ajustant la valeur de la résistance 1600.

Les deux portions de courbe en trait mixte de la fig. 2 représentent les temps de surcharge admissibles lorsque le moteur est froid, en fonction de I/In. Un certain nombre de points de ces courbes sont définis par des données fournies par le constructeur. Pour relier approximativement ces points par une courbe de simulation exponentielle correspondant à la charge d'un condensateur dans un circuit à constante de temps, on constate qu'il faut adopter deux valeurs de la constante de temps, à savoir, une valeur courte Oc qui correspond aux surcharges importantes et une valeur longue 0L qui correspond aux faibles surcharges. L'asymptote de la portion de courbe correspondant à Oc définit une tension de référence (qui sera la tension continue définie par le pont de résistances 2900 et 2901 à l'entrée de l'amplificateur 29) de valeur sensiblement double de la tension de référence appliquée à l'entrée de l'amplificateur 30, ce qui signifie que l'on admet que, le moteur étant chaud, si on l'arrête et on lui fait ensuite subir un redémarrage, le cuivre peut être amené à température double de celle normalement autorisée pour le moteur sans que, pour cela, la carcasse du moteur ne dépasse la température autorisée. Le transfert de la chaleur du cuivre est donc de courte durée et supportable par le moteur.

Comme on l'a indiqué ci-dessus, le montage est agencé pour que la tension aux bornes du condensateur 24 ne puisse jamais être inférieure à la tension aux bornes du condensateur 25. Cette condition correspond au fait que, dans un moteur, le cuivre ne peut jamais être à température inférieure à celle du fer. Par ailleurs, comme on l'a expliqué, la tension aux bornes des condensateurs 24 et 25 ne pourra jamais devenir négative. Il ne faut, en effet, en aucun cas que le circuit simule des températures du cuivre ou du fer inférieures à la température ambiante.

Il va de soi que diverses modifications pourront être apportées au montage décrit et représenté, sans s'écarter de l'esprit de l'invention.

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Claims (7)

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1. Dispositif de protection thermique d'un moteur électrique, comprenant des moyens d'appliquer, à au moins un circuit à cons-. tante de temps, une tension image du courant absorbé par le moteur, et des moyens de comparer la tension aux bornes d'un condensateur, que comporte ledit circuit à constante de temps, à une tension continue de référence et de fournir un signal de commande de la coupure de l'alimentation du moteur, chaque fois que ladite tension aux bornes du condensateur dépasse ladite tension de référence, caractérisé par un premier (1600-16-1901-24) et par un second (1700-17-2300-25) circuit à constante de temps attaqués par ladite tension image et attaquant respectivement un premier (29) et un second (30) comparateur auxquels sont respectivement appliquées une première et une seconde tension de référence distinctes, la constante de temps du second circuit étant sensiblement égale à la constante de temps thermique du moteur indiquée par le constructeur, et la seconde tension de référence étant choisie pour correspondre à une surcharge de quelques pour-cent par rapport au courant nominal du moteur, tandis que la constante de temps du premier circuit est choisie pour correspondre au temps de calage du moteur à froid pour un courant égal à six fois ledit courant nominal, et la première tension de référence a une valeur sensiblement double de celle de la seconde, et par des moyens (2700-27-2701-2702) d'asservir unidirectionnellement la tension aux bornes du condensateur (24) du premier circuit à constante de temps à la tension aux bornes du condensateur (25) du second circuit, lorsque cette dernière a tendance à devenir supérieure à la première.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième circuit à constante de temps (1700-17-2301-25) qui attaque le second comparateur (30) et dont la constante de temps est choisie sensiblement égale à cinq fois celle du second circuit, des moyens (9-903-904) pour engendrer un signal indicatif de l'état de marche ou d'arrêt du moteur, et des moyens (2301-2302) pour commuter le second et le troisième circuit à constante de temps en fonction dudit signal.

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chacun desdits circuits à constante de temps comprend un in-terrupteur-découpeur (16,17) commandé par des impulsions récurrentes.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'asservissement unidirectionnel comprennent un amplificateur (27) attaqué, sur une entrée, par la tension aux bornes du condensateur (25) du second circuit à constante de temps dont l'autre entrée est reliée aux bornes du condensateur (24) du premier circuit à constante de temps par l'intermédiaire d'une résistance (2702) et dont la sortie est reliée au condensateur (24) du premier circuit à constante de temps par une diode (2701) à courant de fuite de l'ordre du picoampère, suivie de la résistance (2702).

5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'engendrer un signal indicatif de l'état de marche ou d'arrêt du moteur comprennent un comparateur (9) qui compare la tension image du courant absorbé par le moteur à une tension de référence égale à quelques pour-cent de celle qui correspond au courant nominal.

6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par un comparateur (31) recevant, d'une part, la tension de sortie de l'un des condensateurs (24, 25) des circuits à constante de temps, d'autre part, une tension négative de référence, et par un interrupteur-découpeur supplémentaire (32) commandé par la tension de sortie dudit comparateur et agencé pour empêcher la charge négative dudit condensateur (24, 25).

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite tension image du courant est fournie par des capteurs délivrant des signaux de faible intensité, associés à des amplificateurs (1-2-3), et, après redressement (402-502-602), est appliquée à un comparateur (8) qui reçoit, par ailleurs, une tension de référence positive fournie par un organe (9) d'indication de l'état de marche du moteur et provoque la décharge progressive d'un condensateur (802) en cas de perte de phase, la tension aux bornes dudit condensateur (802) étant appliquée à un comparateur (10) qui fournit un signal de commande de coupure.