FR2697089A1 - Procédé et dispositif de mesure de la vitesse de rotation d'un moteur électrique rotatif en roue libre. - Google Patents

Abstract

Il s'agit d'un procédé et d'un dispositif de mesure de la vitesse de rotation ou pulsation rotorique wr d'un moteur (6, 22, 202) électrique rotatif en roue libre. Dès l'apparition de la tension d'alimentation Vd mesurée en continu, on mesure les tensions résiduelles statoriques Vs du moteur et, lorsque ces tensions résiduelles sont nulles ou sensiblement nulles, on mesure électriquement la pulsation rotorique wr du moteur.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA VITESSE DE
ROTATION D'UN MOTEUR ELECTRIQUE ROTATIF EN ROUE
LIBRE
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de la vitesse de rotation ou pulsation rotorique Wr d'un moteur électrique rotatif en roue libre.

Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine de la mise sous tension ou de la remise sous tension d'un moteur électrique rotatif asynchrone en mouvement, comportant un convertisseur électronique de fréquence, et dont l'alimentation en tension a été coupée brièvement en cours de fonctionnement du fait d'une perturbation advenue sur le réseau électrique.

Elle est également applicable, par exemple, et de façon non limitative, lors de la mise en service d'un ventilateur de tunnel en mouvement à cause du vent, ou lors de la mise du contact par un utilisateur au moment du démarrage d'un véhicule à moteur électrique en déplacement.

L'alimentation brusque en tension électrique d'un moteur asynchrone en mouvement rotatif présente souvent des effets néfastes sur le moteur lui-même, sur la charge qu'il actionne ou sur les équipements électriques qui lui sont connectés.

C'est notamment le cas pour les convertisseurs de fréquence comme les variateurs de vitesse utilisés avec des moteurs asynchrones, cas qui va être considéré plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple nullement limitatif.

Ce type de convertisseur s'avère effectivement particulièrement sensible aux coupures brèves de tension.

Une coupure brève est la disparition de la tension d'alimentation pendant un temps qui n'excède pas 1 minute.

Ces coupures occasionnent une perte de contrôle du convertisseur, entraînant, le plus souvent, un arrêt total de la machine.

Au retour de la tension d'alimentation, le moteur étant alors en général toujours en rotation, du fait de son inertie, un inconvénient majeur rencontré provient alors du fait que le moteur asynchrone et le variateur de vitesse ne sont plus synchronisés, la commande du variateur de vitesse étant inhibée dès l'apparition d'une perturbation.

Pour résoudre ce problème, il a été proposé de détecter l'état électromagnétique (tensions résiduelles) et mécanique (vitesse de rotation) du moteur pour assurer une resynchronisation du variateur sur le moteur en roue libre.

Aucune solution de mesure de la vitesse de rotation rotorique du moteur n'est cependant satisfaisante à ce jour, compte tenu du coût et du volume des capteurs de mesure utilisés actuellement, qu'ils soient optiques ou mécaniques.

La présente invention vise donc à fournir un procédé et un dispositif de mesure d'une vitesse de rotation répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus.

Afin de mieux situer le problème et dans l'exemple d'application plus particulièrement décrit ici, il est bon d'examiner en quoi consiste le système de base que constitue un variateur de vitesse et le moteur asynchrone qui lui est attaché.

On sait que, d'une manière générale, un variateur de vitesse comporte de façon connue un redresseur, un étage de filtrage C, L ou LC et un onduleur à interrupteurs à ouverture et à fermeture commandées, qui attaque le moteur asynchrone régulé par le variateur.

Le redresseur est par exemple du type contrôlé (à thyristors, à transistors, etc) ou du type non contrôlé (à diodes).

Le variateur peut être à source de tension ou à source de courant, l'onduleur étant par exemple à transistors.

Enfin, le moteur asynchrone peut, quant à lui, être du type à cage d'écureuil ou du type à rotor bobiné.

On a représenté un tel variateur 1 sur la figure 1.

I1 comporte un redresseur 2 non commandé, avec filtre LC 3 et un onduleur 4, à source de tension, commandé en Modulation de Largeur d'Impulsion (en initiales MLI) par le système 5.

Le moteur asynchrone 6 est par exemple à cage d'écureuil.

Le filtre LC 3 situé après le redresseur 1 fournit une tension Vd quasi-continue en entrée 7 de l'onduleur, qui fournit au moteur asynchrone 6 des créneaux de tension.

Le principe de base de la MLI est de fournir au moteur 6 une suite d'impulsions 8 de largeur variable, représentative d'un système de tensions triphasées sinusoïdales équilibrées. Les deux paramètres de base sont la pulsation statorique W5 et l'amplitude des tensions contrôlée à partir de l'indice de modulation mi.

On utilisera avantageusement la MLI dite "naturelle" ou en sinus-triangle, illustrée en figure 2.

Les deux paramètres de base utilisés sont introduits dans le système 5, à savoir la pulsation statorique (wus) est introduite en 9 et l'amplitude des tensions (Vc) est introduite en 10.

Dans le cas de la MLI "naturelle", l'indice de modulation mi est défini comme étant le rapport entre l'amplitude des trois ondes sinusoïdales 11, 12 ou 13 (d'amplitudes égales) et l'amplitude de l'onde triangulaire 14 constituant l'onde porteuse, de fréquence élevée, du signal de modulation.

Les commutations des interrupteurs 15 de l'onduleur 4 sont alors déclenchées aux instants d'intersection de l'onde triangulaire 14 haute fréquence avec les trois ondes sinusoïdales de contrôle 11, 12 et 13.

L'indice de modulation est compris entre 0 et 1.

A titre d'illustration, les courbes 16 et 17 sont représentées. Elles sont déduites des points d'intersection de l'onde triangulaire 14 avec chacune des ondes sinusoïdales 11 et 12. Une courbe identique (non représentée) est également déduite pour l'onde 13.

Lorsque l'onde sinusoïdale est en dehors de l'onde triangulaire, la valeur de tension retenue (VaN ou VbN) est égale à 1, et inversement lorsque l'onde sinusoïdale est située à l'intérieur de l'onde triangulaire, la valeur de la tension (VaN ou
VbN) est égale à 0.

Le moteur asynchrone 6 se comporte comme un filtre passe-bas, les séries d'impulsions 8 de tensions hautes fréquences générant (voir courbe 18) des courants quasi sinusoïdaux 19 dans le moteur.

Avec le type de système qui vient d'être décrit, une brusque alimentation en tension, le moteur étant en mouvement ou en roue libre, peut notamment entraîner l'apparition de surintensités importantes, générant des à-coups dans le fonctionnement du couple moteur. I1 peut en résulter la destruction de composants du convertisseur ou de la charge entraînée par le moteur.

Dans le but notamment d'éviter cet inconvénient, l'invention propose donc essentiellement un procédé de mesure de la vitesse de rotation ou pulsation rotorique Wr d'un moteur électrique rotatif en roue libre, caractérisé en ce que, dès l'apparition de la tension d'alimentation
Vd mesurée en continu, on mesure les tensions résiduelles statoriques du moteur et, lorsque ces tensions résiduelles sont nulles ou sensiblement nulles, on mesure électriquement la pulsation rotorique Wr du moteur.

Ceci va permettre, dans le cas ou le moteur est muni d'un variateur de vitesse comportant un onduleur par exemple, commandé en modulation de largeur d'impulsion, de synchroniser l'onduleur sur ladite pulsation rotorique wr.

Dans des modes de réalisation avantageux, on a de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - pour mesurer électriquement la pulsation rotorique
Wr du moteur, on injecte au moins une impulsion de tension sur une première phase du stator, on mesure la tension sur la deuxième phase du stator, la troisième phase servant de tension de référence et on mesure la fréquence de l'onde alternative ainsi générée entre deuxième phase et troisième phase, fréquence qui se trouve être sensiblement égale à la pulsation rotorique Wr - pour mesurer ladite fréquence, on mesure la durée entre les deux premiers passages par zéro de la tension mesurée sur la deuxième phase; - la durée de l'impulsion injectée sur la première phase est comprise entre de l'ordre de 100 microsecondes et de l'ordre de 10 millisecondes.

L'invention propose également un dispositif de mesure de la vitesse de rotation ou pulsation rotorique Wr d'un moteur électrique rotatif en roue libre, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure des tensions résiduelles statoriques du moteur, et des moyens de mesure électrique de la pulsation rotorique Wr du moteur en cas de tensions résiduelles nulles ou sensiblement nulles.

Avantageusement le dispositif est appliqué au maintien en fonctionnement d'une machine électrique en cas de coupure brève de tension.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de mode particulier de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs.

En plus des figures d'ores et déjà décrites, à savoir - la figure 1 qui représente un système de base connu comprenant un variateur de vitesse et le moteur asynchrone auquel va pouvoir s'appliquer l'invention ; et - la figure 2 illustrant le principe de la MLI en sinus-triangle la description se réfère également aux autres dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la figure 3 montre schématiquement un système variateur/moteur asynchrone comprenant un dispositif de mesure de la vitesse rotorique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 illustre la mesure de la vitesse avec le dispositif de la figure 3 ; - la figure 5 est un schéma d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention mettant en oeuvre un procédé complémentaire à l'invention, de détection de creux de tension.

Sur la figure 3 on a représenté un ensemble 20 propre à insensibiliser un variateur du type de celui décrit en référence aux figures 1 et 2, aux coupures brèves de tension.

L'ensemble comporte un dispositif de mesure 21 de la pulsation rotorique du moteur 22 agissant sur une charge 22', selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici.

Le dispositif 21 comprend des moyens 23 de mesure de la tension statorique Vs du moteur, connus en eux-mêmes via une haute impédance 27.

I1 comprend également un générateur 24 d'impulsions de tension envoyées sur la première phase du stator à partir de l'onduleur 25 après réapparition de la tension réseau (après coupure) et en cas de mesure de tension nulle ou sensiblement nulle mesurée par les moyens 23.

Le dispositif 21 comprend également des moyens 26 de lecture de la tension via la haute impédance 27, prise sur une deuxième phase 28 du stator, considérée comme une sortie.

La troisième phase 29 sert de tension de référence.

L'ordre des phases n'a pas d'importance. La détection du signe de la première alternance de la tension Vs au niveau du stator déterminera par ailleurs le sens de rotation du moteur.

Le moteur est considéré comme un quadripôle passif constitué de deux systèmes d'enroulement triphasé dont un tournant à la pulsation Wr par rapport à l'autre qui est fixe.

Une onde alternative , indiquée en trait interrompu 30 sur la figure 4, apparaît en sortie entre les deuxième et troisième phases.

Sa fréquence est sensiblement égale à celle de la pulsation rotorique (au nombre de paires de pôles près).

L'impulsion injectée en entrée par le générateur 24 est suffisamment courte pour ne pas générer un courant statorique trop important, tout en durant suffisamment longtemps pour que la tension alternative apparaissant sur la deuxième phase puisse être détectable.

On peut se limiter à une seule impulsion ou émettre une série de plusieurs impulsions (positives ou négatives), éventuellement synchronisées avec la tension de sortie au niveau de la deuxième phase du stator.

La valeur des impulsions correspond avantageusement à la période de découpage du système.

Dans le cas où le courant d'entrée 1e est nul lors de la lecture, la pulsation des ondes de sortie est égale à la pulsation rotorique.

On a ainsi représenté sur la figure 4 une courbe de simulation numérique. La tension Vs (en
Volt) au niveau du stator (courbe en trait interrompu 30), et le courant d'entrée 1e (en
Ampère) (courbe 31) sont indiqués en abscisse en fonction du temps (s) qu'on figure en ordonnée.

I1 s'agit là de résultats obtenus avec un convertisseur de 10 KW.

Pour obtenir la valeur wr, en se référant à nouveau à la figure 3, on utilise par exemple une technique connue de mesure d'une fréquence ou de la période d'une onde alternative, comme celle consistant à mesurer la durée entre les deux premiers passages 32 et 33 par zéro de l'onde de sortie respectivement en 34 et 35.

Par l'intermédiaire d'un compteur 36 attaqué par une horloge en 37, on acquiert ensuite la demipériode en 38, la pulsation rotorique Wr étant ensuite calculée en 39 par la formule
2 #
wr = --
T
On a représenté sur la figure 5 un dispositif de maintien en fonctionnement 200 d'une machine électrique 201 comprenant un moteur 202 actionnant une charge 203, muni d'un variateur 204 de vitesse.

Le variateur comporte un redresseur 205, alimenté en 206 par le réseau triphasé, un filtre LC 207, connu en lui-même et un onduleur 208.

Le dispositif comporte des moyens 209 de commande de l'onduleur en modulation de largeur a' impulsion.

Ces moyens de commande de l'onduleur sont connectés à des moyens de commande d'insensibilisation comportant d'une part des moyens 210 de commande d'insensibilisation en cas de creux de tension, et d'autre part des moyens 211 de commande d'insensibilisation en cas de coupure de tension.

Les moyens de commande d'insensibilisation 210 en cas de creux de tension comportent des moyens 212 de mesure en continu de la tension Vd aux bornes 213 du bus de l'onduleur.

Ces moyens sont connectés à un filtre passe-bas 214 de façon à obtenir la valeur moyenne Vdm de la tension aux bornes de l'onduleur.

Cette valeur est comparée en 215 à une valeur de référence Vdg - DVdo (avec DVdo : chute de tension préalablement déterminée, par exemple égale à 10% de la valeur nominale).

On considère qu'il n'y a pas de perturbation si
Vd > Vdo - DVdo-
Dans ce cas, la commande normale 216 de la modulation de largeur d'impulsion 209 est activée.

Par contre, dans le cas où la valeur moyenne de la tension est inférieure à cette première valeur seuil, les circuits 210 ou 211 sont activés.

Pour déterminer lequel des deux circuits est concerné, un test est effectué en 217.

La tension Vdm est comparée à une tension critique Vdc, par exemple comprise entre 0 et 90% de la valeur Vd nominale. Si Vd est supérieur à Vdc, on considère qu'il y a creux de tension, et c'est le circuit 210 qui est activé.

Celui-ci comporte un circuit 218 du type décrit ci-après, et éventuellement un circuit 219 complémentaire repassant la main à la commande normale 216 si Vd > Vdo - Dodo. Avec le circuit 218, par exemple, on filtre le signal obtenu par l'intermédiaire d'un filtre passe bas, on calcule la valeur moyenne Vdm de la tension et, en cas de chute de ladite valeur moyenne Vdm, on compense ladite chute en conservant sensiblement constant mi x
Vdm/ws, où mi est l'indice de modulation de largeur d'impulsion et W5 la pulsation statorique du moteur.

En cas de coupure de tension, c'est-à-dire pour
Vd < VdC, c'est le circuit 211 qui est activé.

Dans la théorie, une coupure de tension correspond à Vd = 0, Vd > 0 étant représentatif d'un creux de tension.

Mais dans la pratique, une tension Vd inférieure à la tension critique Vdc sera considérée comme une coupure.

Inversement, si Vd est supérieur à VdC, on considérera qu'il y a un creux de tension.

Le circuit 211 comprend tout d'abord un test du type : (Vd > Vd - DVd ? permettant d'attendre le retour de la tension.

Lorsque la tension devient supérieure au seuil, on attaque via le chemin 222 un dispositif 223 de détection des amplitudes des tensions statoriques résultantes Vs.

Un test est alors effectué en 224. Si les tensions sont supérieures à une valeur critique, on synchronise (bloc 225) sur les tensions résiduelles, de façon à redémarrer le moteur 202 via le circuit de commande MLII 209.

Pour ce faire, on régule sur mi en 226, puis sur la pulsation statorique w5 en 227, à partir de la pulsation des tensions statoriques résiduelles détectées.

Par contre dans le cas ou Vs est inférieur à Vs critique, on génère des impulsions pour commander le circuit de commande MLI 209 via le circuit 228 de génération d'impulsion comme décrit en référence à la figure 3.

L'identification de la vitesse est réalisée en 229, sur la deuxième phase du moteur asynchrone.

Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs de ce qui précède, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation plus particulièrement décrits.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure de la vitesse de rotation ou pulsation rotorique Wr d'un moteur (6, 22, 202) électrique rotatif en roue libre, caractérisé en ce que dès l'apparition de la tension d'alimentation Vd mesurée en continu, on mesure les tensions résiduelles statoriques Vs du moteur et, lorsque ces tensions résiduelles sont nulles ou sensiblement nulles, on mesure électriquement la pulsation rotorique Wr du moteur.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour mesurer électriquement la pulsation rotorique Wr du moteur, on injecte au moins une impulsion (8) de tension sur une première phase du stator, on mesure la tension sur la deuxième phase du stator, la troisième phase servant de tension de référence et on mesure la fréquence de l'onde alternative (30) ainsi générée entre deuxième phase et troisième phase, fréquence qui se trouve être sensiblement égale à la pulsation rotorique wr.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour mesurer ladite fréquence, on mesure la durée entre les deux premiers passages (32,33) par zéro de la tension mesurée sur la deuxième phase.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la durée de l'impulsion injectée sur la première phase est comprise entre de l'ordre de 100 microsecondes et de l'ordre de 10 millisecondes.

5. Dispositif (21, 228, 229) de mesure de la vitesse de rotation ou pulsation rotorique Wr d'un moteur électrique rotatif en roue libre, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure (23, 223) des tensions résiduelles statoriques du moteur, et des moyens de mesure électrique (26, 229) de la pulsation rotorique Wr du moteur en cas de tensions résiduelles nulles ou sensiblement nulles.

6. Application du dispositif de la revendication 5 au maintien en fonctionnement d'une machine électrique en cas de coupure brève de tension.