FR2589647A1 - Dispositif d'alimentation a frequence variable a collecteur electromecanique - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF D'ALIMENTATION A FREQUENCE VARIABLE A COLLECTEUR ELECTROMECANIQUE, NOTAMMENT POUR MACHINE ASYNCHRONE, CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND UN MOTEUR ELECTRIQUE 4 ACCOUPLE A LA PARTIE TOURNANTE 6 D'UN COLLECTEUR 5 CONSTITUE D'UN SYSTEME A LAMES ACTIVES ET NON ACTIVES ALTERNEES ET A BALAIS RELIE A UN SYSTEME A BAGUES ET FROTTEURS, ET EN CE QUE LE COLLECTEUR 5 A LAMES ET A BALAIS COMPREND AU MOINS DEUX BALAIS PAR POLES DISPOSES DE MANIERE A POUVOIR, AU COURS DE LA ROTATION DU COLLECTEUR, SE TROUVER SIMULTANEMENT EN CONTACT ELECTRIQUE AVEC DEUX LAMES ACTIVES SUCCESSIVES POUR CHAQUE POLE, CHAQUE BALAI AYANT UNE LARGEUR INFERIEURE A LA DISTANCE SEPARANT DEUX LAMES ACTIVES SUCCESSIVES ET EN CE QUE LE COLLECTEUR 5 EST RELIE AUX FILS D'UN CABLE 18 DE SORTIE DU DISPOSITIF D'ALIMENTATION ET A UN CIRCUIT ELECTRONIQUE 13 D'AIDE A LA COMMUTATION DU COLLECTEUR 5.

Description

La presente invention concerne un dispositif d'alimentation a fréquence variable a collecteur electromecanique en atmosphère contrôlée. Un tel disposés tif d'alimentation doit Autre capable de prcduire un courant électrique a fréquence variable a partir d'une source de tension continue et correspond donc a un hacheur electromécanique assisté électroniquement, et il est particulièrement destiné a l'alimentation de moteurs électriques de moyenne et forte puissances.

Deux types de procédés c:r'.nus d'alimentation de machines électriques a vitesse variable sont les procedes mettant en oeuvre un collecteur mécanique largement utilisé dans le cas de machines a curant continu, et les orocédes mettant en jeu une électronique de puissance.

Les procédés mettant er jF.9 l'électronique de puissance sont bien connus : ils ss présentent en général sous forme d'un générateur de mourant alter- natif polyphase.

On demande en général a ces générateurs de fournir, outre la puissance réelle, une puissance réactive importante. qui leur permet ainsi d'alimenter n'importe quel type de machine. Dans ce dernier cas, la commutation des divers composants de puissance est dite "forcée", c' est-à-dire que l'extinction des composants électroniques commands s'effectue par l'in- termédiaire d'un circuit annexe annulant transitoi- rement le courant dans l'élément L éteindre.Or. dé- montre de manière générale que l'importance des circuits annexes de commutation Forcée dépend du nombre de phases du générateur polyphasé. Plus précisément, la puissance instantanée de l'ensemble des circuits de commutation est inversement proportionnelle au nombre de phases, On a donc intérêt. étant donné cette derniére proprié té, à accroitre ce nombre de phases. Cependant. l'ac- croissement du nombre de phases conduit à plusieurs difficultés
- d'une part, le nombre total de composants en jeu augmente.

- d'autre part. un circuit d'extinction séparé doit être monté sur chaque composant, Si bien que la puissance installée totale de ces circuits de commutation ne baisse que lentement avec l'augmentation du nombre de phases.

- la complexité de l'ensemble devient très grande,
- les composants de base sont souvent sousutilisés.

L'ensemble des inconvénients énoncés cidessus réduit donc l'intérêt potentiel des sytéme électroniques a très grand nombre de phases, malgré leur intérét formel en ce qui concerne la chute de la puissance instantanée de l'ensemble des circuits a commutation forcée.

Dans la présente invention, l'objectif est de réduire les difficultes décrites ci-dessus par l'emploi direct d'un commutateur électromécanique, dont la configuration générale est. pour une partie.

proche de celle des collecteurs mécaniques usuels des machines électriques (a savoir, une multitude de lames conductrices mobiles en contact avec des frotteurs fixes) et pour une partie différente : on associe en effet au "système de lames et balais" un "systéme de bagues et frotteurs" entrainés conjointement.

En effet, dans un tel dispositif d'alimentation
- la complexité du système croit peu avec le nombre de phases (il suffit pour cela d'augmenter le nombre de lames et/ou de bagues tournantes, ce qui ne represente pas un accroissement important des difficultes de realisation ; quel que soit le nombre de phases. on ne realise qu'un seul groupe tournant),
- les circuits annexes d'aide a la commutation sont peu nombreux (deux en genral), leur nombre etant invariable avec le nombre de phases.

- la puissance du circuit d aide a la commutation décroit comme le nombre de phases augmente cette puissance (ll est vrai aux prix d'un accroissement de la frequence de fonctionnement du circuit d extinction) devient donc vite assez faible pour ëtre d'un cout faible vis a vis de celui du moteur entrainé et a fortiori vis a vis d'un systeme electronique classique.

I1 en resulte donc que le systeme a collecteur electronique permet de realiser effectivement, au prix d'une faible complexité. des générateurs électroniques fournissant de la puissance reactive et comportant un grand nombre de phases (l'alimentation d'une machine synchrone ou asynchrone avec un bobinage a grand nombre de phases est bénéfique en ce qui concerne les pertes secondaires engendrees par les harmoniques de courant des systémes a petit nombre de phases).

On remarquera de plus que
- une alimentation polyphasee a base de contacteur tournant electromecanique permet d'entrainer des machines electriques plus rapides (en vitesse angulaire? que ce qui est realisable usuellement avec les machines a courant continu ou le collecteur est mecaniquement relié au rotor de la machine qu'il alimente.

- l'alimentation polyphasee permet d'entrai- ner des machines asynchrones, ce qui n'est pas possi ble pour un systeme a collecteur usuel.

- l'alimentation polyphasée ainsi construit est fiable, car les balais, lames et bagues. plongés dans une atmosphère contrôlée indépendante, ne subissent pas les perturbations habituelles des collecteurs usuels.

- Enfin. le coût est faible pour les fortes puissances, parce que la "puissance apparente" (produit du courant par la différence de potentiel maximal) d'une lame de collecteur est toujours trop élevée, et son prix de revient sera toujours faible surtout en comparaison a celui d'un composant électronique de puissance (thyristor ou transistor).

Les collecteurs électromécaniques connus présentent des caractéristiques technologiques qui excluent pratiquement leur emploi dans les machines de forte puissance a vitesse moyenne ou élevée et les machines rapides a puissance moyenne ou élevée. Les raisons principales de ces limitations sont les suivantes
- la vitesse périphérique du collecteur peut difficilement dépasser quelques dizaines de mètres par seconde, ce qui oblige a adopter, pour une machine rapide et puissante, un diametre de collecteur très faible par rapport a celui du rotor. Comme le rapport de la longueur du collecteur par rapport a son rayon est limité pour des raisons de construction et de vitesse critique mécanique, la surface totale du collecteur demeure faible et on arrive très vite a des der'sites de courant excessives
- la densité de courant par unité de surface des balais ne peut dépasser une valeur limite qui depend de l'atmosphere dans laquelle est plongé le collecteur. Lorsqu'il s'agit d'air atmosphérique, cette limite est relativement basse. Il existe de mème une limite sur le champ électrique azimutal moyen produit par la succession des balais.Si de plus, l'atmosphère dans laquelle est placé le collecteur est polluée par des vapeurs ou de l'humidité ou est a faible à presion (ce qui est le cas sur les engins volants). la fiabilité dans le temps ne peut etre assurée que par un entretien coûteux.

On pourrait penser qu'il suffit, pour résoudre le problème, de plonger le collecteur dans une atmosphère de gaz diélectrique présentant des propriétés plus favorables que l'air atmosphérique (azote sous pression, hexafluorure de soufre,...). Mais cette solution, qui vient immédiatement a l'esprit , n'est en fait pas satisfaisante du fait de la liaison mécanique rigide quisusbsiste entre l'arbre portant les bobinages rotoriques de la machine et l'élément tournant du collecteur. Il faut en effet prévoir un joint tournant entre l'enceinte contenant l'atmosphère con tôlée dans laquelle est plongé le collecteur et l'arbre d'entrainement de l'élément rotatif de celuici.Si. ce qui est souhaitable, l'atmosphère contrôlée est å une pression élevée, de quelques bars au moins, les problemes de maintenance du joint tournant sont tout aussi importants que ceux rencontrés pour l'entretien des collecteurs électromécaniques habituels.

On pourrait évidemment penser à immerger également le collecteur dans l'enceinte etanche classiquement prévue pour enfermer les bobinages des machines de forte puissance. de façon à le maintenir dans la même atmosphére contrôlée, par exemple d'hélium. Mais, d'une part, il est souhaitable de pouvoir intervenir sur le collecteur sans pour autant intervenir sur la machine a alimenter, d'autre part, une atmosphère d'hydrogène ou d'hélium sous faible pression est loin de representer un optimum du point de vue de la commutation.

Il faut indiquer ici que le role de l'aide a la commutation est fondamental pour un bon fonctionnement d'un dispositif d'alimentation du type men tionné dans le préambule. En effet, il est bien connu qu avec les systèmes à collecteur, les commutations engendrent des arcs électriques destructeurs. S'il est possible de s'accomoder de la présence de ces arcs dans les machines de petite puissance. il devient par contre indispensable de les atténuer ou de les supprimer dés que la puissance dépasse quelques kW.Le procédé couramment utilisé dans les machines à courant continu est l'adjonction des poles de commutation qui induisent dans les sections en cours de commutation une tension de sens opposé à celle qui est produite par le phénomène de la commutation lui-meme (Idi/dt)(l étant l'inductance de commutation de la section et di/dt la variation temporelle du courant dans cette section losqu'elle est commmutèe?. Une autre méthode permettant d'amener la tension d'aide. consiste a utiliser des balais doubles de telle sorte que les deux bornes de la section (ou phase? en cours de commutation puissent étre reliées à un générateur de tension externe.Les possibilités de réglage du module et de la forme des impulsions de tension d'aide deviennent alors illimitées et permettent de satisfaire tous les modes de fonctionnement.

En effet, l'utilisation d'une aide externe à la commutation procure au dispositif d'alimentation de nombreux avantages qui le rendent nettement plus performant que d autres dispositifs analogues et plus particulièrement celui qui est proposé dans le brevet américain US-A-2 697 192, concernant une "machine dynamo électrique tournante a collecteur en atmosphère contrôlée". La structure de cette machine quoique assez proche de celle que nous proposons se limite a utiliser des balais simples. Dans ces conditions, son fonctionnement sans arcs destructeurs aux instants de la commutation n'est possible qu'avec des machines de faible puissance et du type synchrone essentiellement.

Il nécessite en outre un réglage fin de la position des balais et les performances du collecteur sont forcément très modestes. Le dispositif décrit dans ce brevet americain est finalement l'équivalent d'un moteur a courant continu qui ne possède pas de pâles de commutation et de compensation et il est bien connu des spécialistes qu'un tel moteur n'est réalisable qu'aux petites puissances (quelques kW)
La présente invention a pour but de fournir un dispositif d'alimentation a fréquence variable a collecteur électromécanique, notamment pour 1' alimen- tation de machines électriques, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment dans lesquels les limites d'emploi du collecteur sont notablement accrues sans augmentation exessive du coût, grâce a l'amélioration des conditions de commutation du collecteur en le disposant dans une enceinte a atmosphere contrôlée et en lui apportant une assistance électronique a la commutation. De façon plus précise, l'invention vise å augmenter la tension lnter-lames et la densité de courant du collecteur et étend son domaine d utilli- sation a de nouvelles applications.

La pressente invention a pour objet un dispositif d'alimentation a fréquence variable a collecteur electromécanique, notamment pour machine asynchrone, caracterisé en ce qu'il comprend un moteur électrique accouple a la partie tournante d un collecteur constitué d'un systeme a lames actives et non actives alternées et a balais relié à un système a bagues et frotteurs, et en ce que le collecteur a lames et a balais comprend au moins deux balais par pôle disposés de manière a pouvoir, au cours de la rotation du collecteur, se trouver simultanément en contact électrique avec deux lames actives successives pour chaque pâle, chaque balai ayant une largeur inférieure a la distance separant deux lames actives successives et en ce que le collecteur est relié aux fils d'un cable de sortie du dispositif d'alimentation et à un circuit électronique d'aide a la commutation du collecteur.

L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui va suivre, donnee uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexes sur lesquels
- la Fig.1 est un schéma de principe des liaisons entre les divers composants d'un dispositif d'alimentation selon l'invention et d'une machine électrique a alimenter
- la Fig.2 est un schéma de principe de la machine à alimenter de la Figure 1, montrant les alimentations des bobinages de celle-ci
- la Fig.3 est une vue en perspective schématique des eléments assurant une liaison entre l'élément rotatif du collecteur du dispositif d'alimentation selon l'invention et le bobinage de la machine a alimenter. et d'un premier mode de réalisation d'un circuit d'aide a la commutation
- les Fig.3a à 3d représentent schématiquement les différentes phases du fonctionnement du circuit d'aide à la commutation de la Fig.3
- la Flg.r est une vue schématique en pers pective d'un autre mode de realisation des éléments de liaison et du circuit d'aide a la commutation de la Fig.3 et
- la Fig.5 est une vue schématique en perspective partiellement arrachée d'un deuxième mode de réalisation des éléments de liaison de la Fig.3
- la Fig.6 est une vue schématique en perspective d'un troisième mode de réalisation des élé- ments de liaison de la Fig.3 : et
- la Fig.7 est un schéma d'un mode de réalisation du circuit de commande du dispositif d'alimentation selon l'invention.

La machine dynamo-électrique 1 représentée schématiquement sur la Fig.1 comporte un bobinage rotorique et un bobinage statorique (non représentés),
Cette machine est reliée à une charge la. Si elle est du type synchrone son bobinage rotorique sera alimenté en courant continu par l'intermédiaire d'une source de courant continu et d'un système classique a bagues et balais (non représentés), tandis que l'enroulement statorique reçoit un courant d'excitation provenant d'un dispositif d'alimentation 2 a collecteur élec tromagnétique conforme a l'invention. Si elle est du type asynchrone. seul l'enroulement statorique sera alimenté par le dispositif d'alimentation 2.

Le dispositif d'alimentation 2 comporte une enceinte étanche 3 dans laquelle sont contenus un moteur électrique d'entrainement 4 et un collecteur 5 comportant un élément rotatif 6 et des éléments fixes. Le moteur d'entrainement 4 sera choisi pour que sa puissance moyenne suffise a compenser les frottements du collecteur. Le moment d'inertie de ce moteur sera très faible. au plus de l'ordre de grandeur de celui de l'élément rotatif 6 du collecteur 5.

Le moteur 4 est relié à cet élément rotatif 6 du collecteur par un arbre 7 et la position angulaire de l'ensemble est donnée par un capteur 8 qui peut être de type quelconque, opto-électronique par exemple.

La vitesse du moteur 4 est commandée par un circuit électronique 9 qui est relié à une source d'alimentation en courant continu 10 et qui reçoit un signal provenant du capteur 8 et éventuellement un signal provenant d'un capteur 11 de vitesse angulaire du rotor de la machine 1 par l'intermédiaire d'un circuit de commande 12. Ce circuit de commande permet un contrôle extérieur et est relié à un circuit 13 d'aide à la commutation du collecteur et a un circuit 14 générateur de courant continu reliés au collecteur 5 par des conducteurs 15 passant par des connecteurs étanches non représentés. Les conducteurs 16 d'amenée de courant au moteur i, ainsi que le conducteur 17 d'amenée du signal provenant du capteur 9. traversent l'enceinte 3 par un ou plusieurs connecteurs étanches (non représentés).

Le collecteur 5 est muni d'un câble 18 d'amenee de courant au bobinage statorique de la machine 1, tous ces conducteurs traversant l'enceinte par des joints étanches (non représentés).

De façon plus précise, dans une machine à courant continu classique, le bobinage statorique est parcouru par le courant continu tandis que l'autre bobinage, constituant un systeme polyphasé dont les phases correspondent aux différentes lames du collecteur, est mobile. entant donné qu'il est en liaison mécanique directe avec le collecteur, cette disposition est la plus favorable. Mais, dans le cas d'un dispositif d'alimentation a collecteur électromeca- nique selon l'invention, le câble 18 regroupant les fils polyphasés alimentant les diverses bobines du bobinage statorique 19 de la machine, est fixe.On a par conséquent intérêt a utiliser une machine 1 du genre montré en Fig.2. dans laquelle le bobinage statorique 19 est polyphasé et relié au câble 18,les différentes phases 20 étant reliées en série pour former une boucle fermée du type des bobinages rotoriques des machines à courant continu. Ces phases ou bobines 20 sont reliées par l'intermédiaire des fils du câble 18 au collecteur 5 comprenant un ensemble de lames actives et non actives sur lesquelles frottent des balais et des éléments de liaison (representés par deux cercles en traits interrompus) des lames actives au câble 18.

Le dispositif d'alimentation selon l'invention doit se raccorder a un câble 18 fixe. Si on utilise, comme le montre la Fig.3, une disposition classique de collecteur 5 a deux paires 22a et 22b de balais fixes 22a , 22a", 22b' , 22b" et à lames tournantes actives 23 alternées avec des lames tournantes non actives 24, il faut prévoir un système d'amenée de courant des lames rotatives actives 23 aux fils fixes du câble 18. Dans le cas montré en Fig.3.

ce résultat est atteint en reliant chacune des lames actives 23 à une des bagues tournantes 25 d'un système a bagues et frotteurs. Les bagues sont portés par le même arbre que les lames 23 et l'ensemble des lames et des bagues constituent l'élément tournant 6 du collecteur 5. Les frotteurs 26 sont fixes et reliés individuellement aux fils du câble 18. Les balais et frotteurs constituent donc les éléments fixes du collecteur 5. Ouellw que soit la disposition choisie est nécessaire que l'on ait au moins deux et un nombre pair de balais par pôle, chaque balai ayant une largeur inférieure a la distance séparant deux lames actives successives.Pour chacun des pôles, les balais sont disposés de telle manière qu'ils se trouvent au cours de la rotation du collecteur 5. simultanément en contact électrique avec deux lames actives 23 successives du collecteur pour permettre d'injecter entre ces deux lames (donc dans la phase en cours de commutation) la tension d aide a la commutation.

Le circuit 13 constitue le circuit électronique d'aide à la commutation du collecteur 5. Ce circuit électronique 13 est alimenté à partir d'une source de tension continue 14 dont les bornes positives et négatives sont reliées respectivement à une borne d'un condensateur 27, 28. La borne positive de la source 14 est également reliée a l'anode d'un thyristor 29 dont la cathode est reliée à l'un des balais 22a" de la paire 22a. l'autre borne du condensateur 27 étant reliée à l'anode d'un thyristor 30 dont la cathode est reliée à l'autre balai 22ê' de la paire 22a. L'anode du thyristor 29 est reliée a l'anode d'un thyristor 31 dont la cathode est reliée a l'anode du thyristor 30 a travers une inductance 32.

La borne négative de la source 14 et le condensateur 28 sont reliés de la même manière aux deux balais 22' . 22" de la paires 22b par l'intermédiaire de trois thyristors 33, 34, 35 et d'une inductance 36. Un tel dispositif permet un fonctionnement avec de bonnes performances dans une plage de variation de la fréquence (vitesse) étendue tout en limitant la valeur des tensions de commutation appliquée sur les thyristors. Ceci est obtenu grâce à la possibilité de commande des instants d'allumage des thyristors å partir des informations fournies par les capteurs de position angulaire 8 et éventuellement 11(dans le cas ou la charge à alimenter est variable) au circuit de commande 12 de la Figure 1.

Le principe de son fonctionnement consiste à faire passer le courant de façon alternative entre les deux balais 22a' , 22a" et 22b' , 22b" afin que la commutation des sections du rotor puisse avoir lieu à courant nul. Les condensateurs 27, 28 fournissent l'énergie nécessaire a la permutation du courant entre les deux balais.

Les balais positifs et négatifs ayant des roles identiques et un fonctionnement simultané, l'analyse du système peut se faire plus aisément en n'observant que le côté positif. Nous pouvons distinguer les séquences suivantes
- La phase de charge du condensateur (Fig.3a) a lieu lorsque le balai 22a' est en contact avec une lame active 23 du collecteur et que le thyristor 30 est allumé. Le courant qui circule alors à travers le condensateur 27 le charge à la polarité nécessaire au blocage du thyristor 30.

- La phase de blocage du thyristor 30 (Fig.3b) a lieu lorsque le balai 22a' commence à quitter la lame active 23 et que le balai 22a" est déjà rentré en contact avec cette même lame. L'allumage du thyristor 29 met le condensateur en courtcircuit à travers la boucle constituée des éléments 27, 29 22a", 23, 22a', 30. Le sens de circulation du courant dans cette boucle étant opposé au sens passant du thyristor 30, celui-ci se bloque de façon instantanée. Le thyristor 29 assure alors la continuité de passage du courant. Le balai 22a' peut ainsi quitter la lame active 23 a courant nul.

- La phase d'inversion de la polarité du condensateur 27 (Fig.3c) a lieu pendant que le balai 22g' parcourt la lame isolante. L'allumage du thyristor 31 provoque l'inversion de polarité du condensateur 27 en le déchargeant dans le circuit oscillant LC.

- La phase de commutation de la section (Fig.3d) a lieu lorsque le balai 22g' rentre en contact avec une nouvelle lame active 23. L'allumage du thyristor 30 provoque la décharge du condensateur dans la boucle constituée des éléments 27, 30, 22a' de la phase 20 de la machine alimentée, et des éléments 22g", 29. Si l'énergie électrostatique stockée dans le condensateur 27 est supérieure a l'énergie magnétique emmagasinée dans la phase 20, le courant s'inverse dans le thyristor 29 et provoque son blocage. Le balai 22 continue seul å conduire le courant et le cycle reprend à partir de la première phase.

Notons qu'à la suite de cette phase le courant a changé de sens dans la section du rotor concernée. Cette commutation n'est pas instantanée elle dure un certain temps pendant lequel les deux thyristors 29 et 30 conduisent simultanément.

Pour que ce système fonctionne, il faut donc satisfaire les conditions suivantes
- Les conditions mécaniques sont doubles
a) l'écartement minimal OC entre les cotés se faisant face des balais 22a et 22a" ou 22q' et 22b" doit être plus petit que la largeur d'une lame active aC {deuxième phase):
b) l'écartement maximal * entre les balais 22ê' et 22q' doit être plus grand que la largeur d'une lame non active t (quatrième phase).

- Les conditions électriques sont également doubles
a) le condensateur 27 doit avoir une capaci té choisie de telle sorte que la durée de la phase de charge et de commutation puisse avoir lieu pendant le temps de contact des balais 22a' et 22a" avec deux lames actives du collecteur
b) l'inductance d'inversion 32 doit être choisie de telle sorte que la durée de l'inversion puisse avoir lieu pendant la phase ou le balai 22b conduit seul.

Notons que ces deux conditions sont liées à la vitesse de rotation du collecteur. Le choix des valeurs des éléments 27 et 32 définit donc la vitesse maximale de fonctionnement du circuit d'aide à la commutation 13.

Signalons aussi que pour certains modes de fonctionnement, les thyristors 30 et 34 peuvent être remplacés par de simples diodes.

Quant au dispositif d'aide à la commutation 13 de la Fig,4, il utilise la structure du collecteur proposée par J. Bates (Proceeding IEE vol.115, n-6
Juin 196bu pour assister la commutation dans les machines a courant continu. Il se distingue de ce dernier par l'utilisation d'un générateur électronique 37 de tension en forme de creneaux dont le module et la largeur sont réglables de telle sorte que la commutation puisse avoir lieu dans de bonnes conditions quels que soient la vitesse et le régime de fonctionnement du dispositif. Ce genérateur est piloté par des informations issues des capteurs 8 et 11. J.

Bates utilisait le secteur à 50 Hz à la place de ce générateur et s'en servait uniquement pour assurer les commutations aux basses vitesses dans les machines à courant continu.

Mécaniquement ce collecteur est constitué de deux collecteurs élémentaires identiques 6' et ó".

Chacun comporte une succession de lames conductrices ou actives 23', 23" et isolantes ou non actives 24', 24" de même largeur. Ces deux collecteurs 6 et 6 sont ensuite assemblés avec un décalage égal à la largeur d'une lame. Les lames conductrices sont liées de façon alternative aux phases de la machine par l'intermédiaire de bague 25 et de frotteurs 26. Quatre balais 22a' , 22ç", 22g', 22q" assurent le passage du courant dans le collecteur, ces balais étant longitudinalement alignés pour chaque pôle du fait du décalage des collecteurs 6 et 6".

Comme pour le système précédent, son principe de fonctionnement consiste a faire passer le courant de façon alternative entre les deux balais 22a et 22a" et 22b et 22q" afin que la commutation des sections du rotor puisse avoir lieu à courant nul.

Un transformateur 38 avec un point milieu au secondaire permet d'injecter une tension dans la boucle de commutation afin d'assurer l'annulation du courant dans la section qui va quitter un balai. Les thyristors 29, 30 et 33, 34 qui sont reliés aux balais permettent de synchroniser ce fonctionnement.

Les balais positifs et négatifs ayant des rôles identiques, l'analyse du système peut se faire plus aisément en observant seulement le coté positif.

Nous pouvons distinguer les trois phases suivantes dans le fonctionnement
- la phase de conduction du balai 22a seul.

commence lorsqu'une lame conductrice 23" est sur le point de quitter le balai 22a" et se termine lorsque la lame suivante entre en contact avec ce balai 22E".

Ce dernier instant correspond a celui de l'allumage du thyristor 30
la phase de commutation du balai 22a commence lorsque le thyristor 30 s'allume et se termine par le blocage du thyristor 29. Pendant cette phase les deux balais 22a' et 22a" conduisent ensemble et une impulsion de tension est appliquée entre eux pour assurer l'annulation du courant dans le balai 22ê'
- la phase de conduction du balai 22a" est identique a celle du balai 22a' et se termine par l'allumage du thyristor 29;
- la phase de commutation du balai 22a" est aussi identique a celle du balai 22a' . Elle se termine par le blocage du thyristor 30.

Deux conditions sont nécessaires pour que le système puisse fonctionner
a) une condition mécanique : la largeur d'un balai doit être plus petite que celle d'une lame isolante 24" ou 24";
bl une condition électrique ; l'énergie fournie par l'impulsion de tension doit être suffisante pour inverser le courant dans la section en commutation.

Plusieurs variantes â ce montage sont possibles
- les quatre thyristors 29, 30, 33, 34 peuvent être remplacés par de simples diodes, la commande se faisant sur la largeur des impulsions du générateur 37
- le générateur de tension 37 peut etre remplacé par un simple condensateur dans lequel cas on retrouve un système similaire au système de la Fig.4
- les quatre thyristors peuvent être rempla cés par des diodes et le générateur de tension 37 par un condensateur simultanément. Les capteurs 9 et 12 peuvent alors être supprimés.

Chacune de ces variantes conduit à rendre plus étroite la plage de variation de vitesse (de fréquence) admissible avec le dispositif sans génération de surtension de commutation. La deuxième variante rend cette plage de vitesse particulièrement étroite (de l'ordre de 10Z).

Une dernière variante consiste à remplacer le générateur électronique 37 par une machine électrique produisant une tension å fréquence élevée. Une telle génératrice devrait avoir un nombre de pôles égal au nombre de lames du collecteur et serait couplée sur son arbre. Elle peut être des types synchrone ou à réluctance variable par exemple. Dans ce cas, la puissance du moteur d'entrainement 4 du collecteur 5 doit être plus importante puisque c'est lui qui fournira également la puissance nécessaire d'entrainement de cette génératrice.

L'adjonction du système de liaison à bagues et frotteurs complique le dispositif collecteur. Cette complication peut être évitée en adoptant la disposition inversée montrée en Figure 5. qui ne nécessite que quatre bagues 39 coopérant avec des frotteurs fixes 40 destinés à être connecté au circuit d'aide a la commutation non représenté, par l'intermédiaire des fils 15. Les bagues 39 sont montées sur l'arbre entrainé par le moteur 4 non représenté, qui porte également les balais 1 du collecteur. Les lames 42 sont par contre fixes et peuvent donc etre directement reliées aux fils du câble 18.

Au lieu d'utiliser la disposition concentrique montrée en Figure 5. qui a l'inconvénient de provoquer un accroissement de la pression d'appui des balais en fonction de la vitesse, on peut adopter la disposition de la Figure 6, dans laquelle les lames 43 sont radiales. Les balais 44 seront appliqués contre les lames dans le sens radial par des moyens élastiques non représentés. mais qui peuvent etre entièrement classiques, le système a bagues et à frotteurs de la Figure 5 étant conservé.

La structure de la partie collecteur proprement dite dépend du système d'aide a la commutation adopté.

Les capteurs 8 et 11 peuvent etre de type quelconque. Leurs rôles sont les suivants
- le capteur 8 définit la position instantanée des lames du collecteur par rapport a celle des balais. Son signal sert a commander les gâchettes des thyristors de telle sorte que la tension d'aide à la commutation puisse être appliquée selon les processus décrits plus haut. Un capteur opto-électronique par exemple, produisant un nombre d'impulsions par tour égal (ou multiple) au nombre de lames du collecteur, convient parfaitement a cet usage. Les impulsions peuvent être ensuite traitées par un circuit logique.

comportant essentiellement des monostables, pour produire les signaux de commande des thyristors
- le capteur 11 solidaire de l'arbre de la machine 1 peut être, pour ia plupart des applications, un simple capteur d vitesse. Le signal qu'il fournit sert de référence pour piloter le moteur d'entrainement 4 du collecteur 5 lorsque la machine 1 subit des variations de charge. Si cette dernière machine est du type synchrone le collecteur doit être entrains à une vitesse égale (ou sous-multiple avec les collecteurs multipolaires) a celle de la machine. Si elles est du type asynchrone, la vitesse du collecteur 5 doit rester supérieure a celle de la machine ; la différence des deux vitesses définissant le glissement.

Sur la Flg.7, on a représenté un schéma d'un exemple de réalisation d'un circuit de commande 12 du dispositif d'alimentation d'une machine asynchrone fonctionnant a couple constant. Ce circuit de commande 12 comprend un circuit de mise en forme 45 recevant a son entrée 46 un signal provenant du capteur 8 de position angulaire du collecteur pouvant etre place également au niveau du moteur électrique 4. ce capteur étant par exemple du type opto-electronique. La sortie du circuit de mise en forme 45 est reliée a l'entrée d un calculateur 47 destiné a calculer la vitesse rotation du collecteur 5, la sortie du calculateur étant reliée a l'entrée d'un convertisseur numéri quetanaloglque 48.Le convertisseur 48 est relié à 1 entrée d'un circuit soustracteur 49 recevant sur son entrée négative 50 la sortie du capteur 11(non représenté) de vitesse de rotation de la machine (capteur tachymetrique) et sa sortie est reliée à 1 entrée d'un circuit de contrôle 51 de la vitesse de rotation du collecteur. Ce circuit de contre est constitué par un comparateur recevant sur son autre entrée 52 une valeur de référence du glissement entre le collecteur et la machine. La sortie 53 du circuit de contrôle 51 est destinée a être connectée à un amplificateur opérationnel (non représenté) constituant le circuit électronique 10 d'alimentation de moteur électrique 4 et du réglage de sa vitesse. La sortie du circuit de mise en forme 45 est également connectée a l'entrée d'un circuit de décalage d'impulsions 54 dont les deux sorties 55 sont destinées à être reliées respectivement, dans le cas du circuit d aide a l-a commutation de la Fig.6, aux gâchettes des thyristors 29, 34 et 30, 33. La sortie du circuit de mise en forme 45 est enfin reliée a un circuit 56 de mise en forme de la série d'impulsions fournies par le circuit 45 ce circuit recevant sur une deuxième entrée la sortie de circuit 57 de traitement et de mise en forme de données provenant de la charge alimentée (non représentée). La sortie 58 du circuit de mise en forme 56 est destinée a être reliée a un amplificateur opé- rationnel (non représente) constituant le circuit 37 générateur de tension en forme de créneaux de la
Fig.6.De cette manière le module et la largeur des créneaux de tension de sortie de l'amplificateur 37 peuvent être réglés en fonction de la vitesse de la machine et de son courant. L'autre sortie 60 du circuit de traitement et de mise en forme 57 est destinée, le cas échéant, au contrôle du courant d'alimentation fourni par le circuit 14 générateur de courant continu (non représenté). Les données reçues par le circuit 57 peuvent également contenir des informations sur le courant d'alimentation appliqué à la machine par l'intermédiaire du câble 18 (non représenté?. Un tel dispositif de commande permet un contrôle particulièrement précis de l'alimentation d'une machine asynchrone fonctionnant à couple constant.

Il est par ailleurs possible de commander le niveau de tension du générateur 14 par les informations issues des capteurs 8, 11 et éventuellement de la charge par l'intermédiaire du circuit de commande
12 (Figure 1) pour que la machine 1 fonctionne selon différents modes ; vitesse constante, glissement constant ... lorsqu'elle subit des variations de charge.

L'ensemble des opérations de contrôle et de commande nécessaires au bon fonctionnement peuvent donc être réalisées aisément avec des composants électroniques courants. Les schémas précis de ces circuits peuvent être mis au point par les spécialistes de ces questions sans grandes difficultés. La complexité de ces circuits dépendra du degré d'automatisme qu'on demandera au dispositif.

L'apport d'une aide à la commutation élargit considérablement le domaine d'utilisation de ces appareillages et améliore leurs performances. Le dispositif selon l'invention se distingue notamment par les avantages suivants
- le collecteur fonctionne sans arcs sur une large plage de variation de la fréquence pouvant s'étendre entre l'arrêt et la fréquence maximale grâce au contrôle électronique de la tension d'aide à la commutation
- il est capable d'alimenter aussi bien les machines synchrones que les machines asynchrones. PLus précisément, il est capable d'assurer des commutations sans arcs même avec les machines ayant un facteur de puissance plus petit que l'unité et ou il existe un déphasage temporel entre l'onde de courant et l'onde de tension.En effet, dans ces conditions, à l'instant de la commutation, il existe toujours une tension induite aux bornes des phases en commutation qui est, comme il est bien connu, source d'importants arcs destructeurs du collecteur. Le système d'aide a la commutation dont est équipé le dispositif selon l'in- vention est capable de fournir une tension opposée à cette tension induite et d'assurer une commutation sans arcs quelles que soient les conditions de fonc tionnement ;;
- la tension admissible entre les lames du collecteur devient nettement plus importante (jusqu'à 200-300 V et plus) que dans les collecteurs classiques, et elle ne dépend pratiquement que de la largeur des isolants séparant les lames, cet avantage étant lié directement å l'élimination parfaite des arcs
- la densité de courant admissible dans les balais devient plus importante grâce a l'utilisation de l'atmosphère contrôlée et à la suppression des arcs; ;
- l'usure du collecteur et des balais est plus lente pour les mêmes raisons
- si le nombre de phases de la machine est suffisamment important ( > 6? la puissance du circuit d'aide a la commutation reste petite par rapport à celle de la machine (quelques pourcentsX, la puissance de ce circuit devenant plus importante avec les machine du type asynchrone qu'avec les machines du type synchrone.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'alimentation à fréquence variable a collecteur électromécanique, notamment pour machine asynchrone, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur électrique (4) accouplé a la partie tournante (6) d'un collecteur (5) constitué d'un systéme à lames actives et non actives alternées (23, 24 ; 42 43) et à balais (22a' 22a", 22g', 22g" ; 41 ; 44) relié à un système a bagues (25 , 39) et frotteurs (26; 40), et en ce que le collecteur (5) à lames et à balais comprend au moins deux balais par pôle disposés de manière à pouvoir. au cours de la rotation du collecteur, se trouver simultanément en contact électrique avec deux lames actives (23, 24 ; 42, 43) successives pour chaque pâle. chaque balai ayant une largeur inférieure à la distance séparant deux lames actives successives et en ce que le collecteur (5? est relié aux fils d'un câble (18) de sortie du dispositif d'alimentation et à un circuit électronique (13) d'aide a la commutation du collecteur (5 > .

2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1 , caractérise en ce que la partie tournante (6) du collecteur est constituée par les lames actives et non actives (23, 24) et les bagues (25) du système à bagues et frotteurs et en ce que les balais (22a', 22a", 22é'. 22b") et les frotteurs (26) sont fixes, les frotteurs (26) étant reliés respectivement aux fils d'un câble (18) de sortie du dispositif d'alimentation et les balais étant reliés au circuit (13) d'aide à la commutation.

3. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1. caractérisé en ce que la partie tournante (6) du collecteur est constituée par les balais (41: 44) du collecteur (5) et les bagues (39) du système à bagues et frotteurs reliés ensemble et en ce que les lames (42 ;43) du collecteur (5) et les frotteurs (40) du système a bagues et frotteurs sont fixes, les lames actives (42 : 43) étant respectivement reliees aux fils du câble (18) de sortie du dispositif d'alimentation, et les frotteurs etant reliés au circuit (13) d'aide a la commutation.

5. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les lames (23, 2s: 42) du collecteur sont disposées sous forme d'un cylindre et en ce que la direction d'appui des balais est radiale.

5. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les lames (43) du collecteur sont disposées radialement sous forme d'un disque, et en ce que la direction d'appui des balais est axiale.

6. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (13) d'aide a la commutation du collecteur (5) comporte pour chaque pôle du collecteur (5). un circuit a condensateurs (27, 28) fournissant la tension d'aide a la commutation et se chargeant par le courant d'alimentation de la machine et a redresseurs dont deux au moins sont des redresseurs commandés (29, 31, 33, 35). chacun des circuits etant relié à l'une des bornes d'un générateur de courant continu (14?.

7. Dispositif d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que tous les redresseurs sont commandés et sont constitués par des thyristors (29, 30, 31 et 33, 34. 35).

8. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce que le collecteur comporte deux parties de collecteur (6'. 6~) comportant chacune des lames actives (23' 23") et non actives < 24', 2r') de méme largeur, chacun des balais associés a un des poles étant en contact avec une des parties de collecteur.

9. Dispositif d'alimentation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit électronique (13) d'aide a la commutation du collecteur (5) comprend un générateur électronique (37) de tension en forme de créneaux relié au primaire d'un transformateur (38) comportant autant de secondaire a points milieux que de pâles du collecteur (5), chaque secondaire étant relié a un circuit a thyristors (29, 30 et 33, 34) relié aux balais (22s', 22a" et 22b', 22b") associés å un des poles et les points milieux des secondaires étant connectés å un générateur de courant continu (14).

10. Dispositif d'alimentation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit électronique (13) d'aide a la commutation du collecteur (5) comprend un condensateur relié au primaire d'un transformateur (38) comportant autant de secondaire à points milieux que de pâles du collecteur (5), chaque secondaire étant relié a un circuit a thyristors (29, 30 et 33, 34) relié aux balais (22i' , 22a et 22b', 22g ) associés a un des pâles et les points milieux des secondaires etant connectes a un générateur de courant continu (14?.

11. Dispositif d'alimentation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit électronique (13) d'aide a la commutation du collecteur (5) comprend un genérateur électronique (37) de tension en forme de créneaux relié au primaire d'un transformateur (38) comportant autant de secondaire a points milieux que de pâles du collecteur (5), chaque secondaire etant relié a un circuit à diodes relié aux balais (22a' , 22a" et 22b' , 22b") associés a un des pôles et les points milieux des secondaires étant con nectés à un genérateur de courant continu (14).

12. Dispositif d alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit électronique (13) d'aide a la commutation du collecteur (5) comprend un condensateur relié au primaire d un transformateur (38) comportant autant de secondaire a points milieux que de polies du collecteur (5)*chaque secondaire étant relié a un circuit a diodes relié aux balais (22a' , 22a" et 22b' , 22b") associés à un des pâles et les points milieux des secondaires étant con nectés a un générateur de courant continu (14).

13. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte étanche (3) dans laquelle sont disposés dans une atmosphère contrôlée, le moteur électrique (4) et le collecteur (5).