WO2002029967A1 - Dispositif de controle de l'alimentation en puissance d'un moteur electrique a induction - Google Patents

Dispositif de controle de l'alimentation en puissance d'un moteur electrique a induction Download PDF

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/04—Single phase motors, e.g. capacitor motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/26—Power factor control [PFC]

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling the power supply of an electric induction motor.
  • the torque of a motor is proportional to the square of the voltage applied to the motor. An engine that provides less than its full load therefore only needs part of its rated voltage.
  • the current is high in a no-load induction motor, because the motor must supply all the energy of the magnetic field to make the motor run, even at idle, thus using a large part of its full load. Energy is expended on heating the engine, causing the engine to vibrate.
  • the power factor is the cosine of the delay angle in degrees.
  • Resistive loads such as electric heaters have a power factor of 1.0. An engine operating at full load may be very close to 1.0, but the same engine at idle may be as low as 0.1.
  • the actual power that the engine uses is the product
  • An engine idling or operating at low load has a low power factor. As the load increases, the power factor also increases. For a single-phase motor at full load, it is typical to have a power factor of 0.65, which is not very efficient.
  • An object of the invention is to provide a device for controlling the power supply of an induction motor which automatically ensures the adaptation of the power supply to the load of the motor.
  • Another object of the invention is to propose a device for controlling the power supply of an induction motor, which is inserted between the supply line and the motor and which does not need a external power source or a power transformer.
  • the invention relates to a device for controlling the supply of power to an electric induction motor, mounted between the input terminals of the power supply and the output terminals of the motor, a neutral wire being disposed between a input terminal and an output terminal and a phase wire being disposed between the other input terminal and the other output terminal, characterized in that it comprises:
  • a microcontroller powered by the rectification and filtering circuit, controlling the signals representative of the voltage and the current, measuring the phase shift between the zero crossings of the voltage and the current to deduce the power factor therefrom and by means of '' registered software, controlling the ignition of the triac at each power cycle to automatically adapt the power supplied to the engine to the actual engine load.
  • the triac is controlled by the microcontroller via a light-emitting diode and an opto-triac;
  • a clock is provided to provide a time base to the microcontroller and to measure the phase shift between the zero crossings of the voltage and the current;
  • a transistor circuit is provided, supplied by the rectification and filtering circuit, to supply the starting power to the microcontroller;
  • terminals 1 and 2 are the terminals of the single-phase current supply line, terminal 1 corresponding to the neutral wire and terminal 2 to the phase wire.
  • Terminals 3 and 4 correspond to the terminals of the single-phase motor whose supply is controlled. Between the input terminals 1 and 2 and the output terminals 3 and 4 is mounted the device for controlling the power supply according to the invention. Between terminal 1 and terminal 3 is placed the neutral wire 5. Between terminal 2 and terminal 4, the phase wire consists of two sections 6 and 7 separated by a triac 8.
  • a conductor 10 is connected on the one hand to the neutral wire 5 by a shock inductor 9 intended to protect the electronic components of the control device, on the other hand to the section 6 of the phase wire by a capacitance 11.
  • the conductor 10 supplies a circuit 12 delivering at output on the conductor 13 the DC voltage Vcc necessary for the operation of the control device.
  • the circuit 12 comprises in series on the conductor 13: a capacitance 14, a diode 15 and a resistor 16; and in parallel between the common terminal of the device and the conductor 13: a diode 17, a capacitance 18, a zener diode 19 and two capacitances 20, 21.
  • the diodes 15, ⁇ 7 ensure the rectification of the voltage coming from the wire. phase.
  • the capacitance 18 and the resistor 16 ensure smoothing by integration of the rectified voltage.
  • the zener diode 19 provides a limitation of the rectified voltage.
  • the capacitances 20, 21 provide filtering of the rectified voltage.
  • the conductor 13 supplies the DC voltage Vcc to an 8-bit microcontroller 22, comprising recorded software, and a circuit 23 essentially consisting of a transistor 24 responsible for supplying the starting power of the " microcontroller 22.
  • a clock 25 provides a time base to the microcontroller 22.
  • the conductor 10 also supplies a circuit 26 essentially consisting of a differential amplifier 27 whose capacitance 28 limits the sensitivity to noise.
  • the differential amplifier 27 provides the microcontroller 22 by the conductor 29, a signal representative of the supply voltage at the input terminal.
  • the conductor 13 supplies a light-emitting diode 30 playing the role of an indicator of correct operation.
  • the diode 30 is connected to the microcontroller 22 by a resistor 31.
  • the conductor 13 supplies a transistor circuit 33, the base of which is connected, via a resistor 34, to the conductor 10 and to the capacitance 11.
  • the transmitter of the transistor 33 is connected to the common terminal and, via a diode 35, to the base of transistor 33 and to resistor 34.
  • Transistor 33 is used to detect zero crossings of the supply voltage available on input terminal 2.
  • the microcontroller 22 is connected to the point common to the resistor 32 and to the transistor 33 to control the zero crossings of the supply voltage.
  • a resistance bridge 36, 37 whose midpoint is connected to the microcontroller 22 by the conductor 44 to provide it with a signal representative of the current in engine.
  • the section 7 of the phase wire connected to the motor is also connected via a resistor 38 to the second input of the differential amplifier 27, and via resistors 39, 40 to an opto-triac 41 which controls the power triac 8 of the phase wire.
  • the point common to the resistors 39, 40 is connected to the common terminal by a capacitance 45.
  • the opto-triac 41 is controlled by a light-emitting diode 42 supplied by the microcontroller 22 via a resistor 43.
  • the microcontroller 22 controls the motor supply voltage by the differential amplifier 27, the zero crossing of the voltage by the transistor 33, and the current zero crossing by the signal on the triac 8. Thanks to the clock 25, it measures the difference between the zero crossings of the voltage and the current.
  • the recorded software deduces the engine load from it via the power factor, and it controls, at each power cycle, the ignition of the triac to automatically adapt the power supplied to the engine to the actual engine load.
  • the power supplied to the motor can be reduced by reducing the current in the motor. This can be achieved by reducing the average voltage applied to the motor, i.e. by delaying the ignition of the triac during the voltage cycle. The average value of the voltage then decreases.
  • the microcontroller controls the voltage and the load of the motor and makes the corrections on the instant of ignition of the triac in less than 8 ms, that is to say well before any potential damage to the motor.
  • the operating cost of the motors is reduced by the use of the control device, saving up to 58% in some cases. Furthermore, the device allows the motors to rotate more flexibly and with less vibration.
  • the control device is applicable without adaptation to any domestic single-phase motor whose nominal power is of the order of 1 to 1.5 k at 110V and 3kW at 220V.
  • the microprocessor of the control device calculates the load on the motor by measuring the time between zero crossings of the voltage and the current, which corresponds to the power factor.
  • the microcontroller When the load is low, the microcontroller turns on the triac at exactly the right time to save energy.
  • the voltage and the zero crossing are checked and adjusted at each cycle, according to the program of the microcontroller. Power can be saved up to 60% depending on the load and the type of engine. The operating temperature can be lowered by 24 ° C.
  • An engine with the control device according to the invention in service will consume less current and its power factor will improve because the control device has intelligence. He anticipates the needs of the engine to ensure that he has enough power well before the time to do the job.
  • the control device uses a specific calculation program which is installed in the microcontroller.
  • the microcontroller improves and controls the power factor so that it is as close as possible to 1.
  • the program of the control device controls the needs of the installation and admits and cuts the current at the exact moment when it is needed or not.
  • the counter-electromotive force produced by the motor is used as an indicator to help the control device to control its needs.
  • the counter electromotive force also produces a magnetic field for the engine to help maintain engine operation when the triac is open.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Un microcontrôleur 22 à logiciel enregistré contrôle les signaux de tension et de courant, mesure le déphasage entre les passages par zéro de la tension et du courant, en déduit le facteur de puissance, et commande l'allumage d'un triac 8 pour adapter automatiquement la puissance fournie au moteur à la charge effective du moteur.

Description

DISPOSITIF DE CONTROLE DE L'ALIMENTATION EN PUISSANCE D'UN MOTEUR ELECTRIQUE A INDUCTION
L'invention concerne un dispositif de contrôle de l'alimentation en puissance d'un moteur électrique à induction.
Elle s'applique en particulier au cas des moteurs à induction pour usage domestique.
Le couple d'un moteur est proportionnel au carré de la tension appliquée au moteur. Un moteur qui fournit moins que sa pleine charge n'a donc besoin que d'une partie de sa tension nominale.
Le courant est élevé dans un moteur à induction sans charge, car le moteur doit fournir toute l'énergie du champ magnétique pour faire tourner le moteur, même au ralenti, utilisant ainsi une grande partie de sa pleine charge. L'énergie est dépensée à chauffer le moteur, provoquant une vibration du moteur.
En raison de la résistance inductive dans les enroulements du moteur, le courant prend du retard sur la tension. Le facteur de puissance est le cosinus de l'angle de retard en degrés. Les charges résistives telles que les radiateurs électriques ont un facteur de puissance de 1,0. Un moteur travaillant à pleine charge peut être très près de 1,0, mais le même moteur au ralenti peut être aussi bas que 0, 1. La puissance réelle que le moteur utilise est le produit
(tension) x (courant) x (facteur de puissance)
Un moteur au ralenti ou travaillant à faible charge a un facteur de puissance faible. Lorsque la charge augmente, le facteur de puissance augmente aussi. Pour un moteur monophasé à pleine charge, il est typique d'avoir un facteur de puissance de 0,65, ce qui n'est pas très efficace.
Un but de l'invention est de prévoir un dispositif de contrôle de l'alimentation en puissance d'un moteur à induction qui assure de façon automatique l'adaptation de l'alimentation en puissance à la charge du moteur.
Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de contrôle de l'alimentation en puissance d'un moteur à induction, qui s'insère entre la ligne d'alimentation et le moteur et qui n'ait pas besoin d'une source extérieure d'énergie ni d'un transformateur d'alimentation.
L'invention à pour objet un dispositif de contrôle de l'alimentation en puissance d'un moteur électrique à induction, monté entre les bornes d'entrée de l'alimentation et les bornes de sortie du moteur, un fil neutre étant disposé entre une borne d'entrée et une borne de sortie et un fil de phase étant disposé entre l'autre borne d'entrée et l'autre borne de sortie, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un circuit de redressement et de filtrage fournissant la tension continue d'alimentation dudit dispositif ;
- un circuit à amplificateur différentiel délivrant un signal représentatif de la tension d'alimentation à la borne d'entrée,
- un circuit à transistor détectant les passages par zéro de la tension d'alimentation à la borne d'entrée,
- un conducteur relié d'une part au fil de phase et d'autre part au circuit de redressement, au circuit à amplificateur différentiel et au circuit à transistor
- un triac sur le fil de phase entre la borne d'entrée et la borne de sortie, - un circuit délivrant un signal représentatif du courant dans le moteur,
- et un microcontrôleur alimenté par le circuit de redressement et de filtrage, contrôlant les signaux représentatifs de la tension et du courant, mesurant le déphasage entre les passages par zéro de la tension et du courant pour en déduire le facteur de puissance et au moyen d'un logiciel enregistré, commandant l'allumage du triac à chaque cycle d'alimentation pour adapter automatiquement la puissance fournie au moteur à la charge effective du moteur.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
- le triac est commandé par le microcontrôleur par l'intermédiaire d'une diode électroluminescente et d'un opto-triac ;
- une horloge est prévue pour fournir une base de temps au microcontrôleur et mesurer le déphasage entre les passages par zéro de la tension et du courant ;
- un circuit à transistor est prévu, alimenté par le circuit de redressement et de filtrage, pour fournir la puissance de démarrage au microcontrôleur;
D'autres caractéristiques ressortent de la description qui suit faite avec référence au dessin annexé qui représente un schéma symbolique simplifié d'un exemple de réalisation du dispositif de contrôle de l'alimentation en puissance d'un moteur à induction monophasé.
Sur le dessin, les bornes 1 et 2 sont les bornes de la ligne d'alimentation en courant monophasé, la borne 1 correspondant au fil neutre et la borne 2 au fil de phase. Les bornes 3 et 4 correspondent aux bornes du moteur monophasé dont l'alimentation est contrôlée. Entre les bornes 1 et 2 d'entrée et les bornes 3 et 4 de sortie est monté le dispositif de contrôle de l'alimentation en puissance selon l'invention. Entre la borne 1 et la borne 3 est disposé le fil neutre 5. Entre la borne 2 et la borne 4, le fil de phase est constitué de deux tronçons 6 et 7 séparés par un triac 8.
Un conducteur 10 est relié d'une part au fil neutre 5 par une self de choc 9 destinée à protéger les composants électroniques du dispositif de contrôle, d'autre part au tronçon 6 du fil de phase par une capacitance 11.
Le conducteur 10 alimente un circuit 12 délivrant en sortie sur le conducteur 13 la tension continue Vcc nécessaire au fonctionnement du dispositif de contrôle. Le circuit 12 comprend en série sur le conducteur 13 : une capacitance 14, une diode 15 et une résistance 16 ; et en parallèle entre la borne commune du dispositif et le conducteur 13 : une diode 17, une capacitance 18, une diode zener 19 et deux capacitances 20, 21. Les diodes 15, \7 assurent le redressement de la tension en provenance du fil de phase.
La capacitance 18 et la résistance 16 assurent un lissage par intégration de la tension redressée. La diode zener 19 assure une limitation de la tension redressée. Les capacitances 20, 21 assurent un filtrage de la tension redressée.
Le conducteur 13 alimente sous la tension continue Vcc un microcontrôleur 22 à 8 bits, comportant un logiciel enregistré, et un circuit 23 constitué essentiellement d'un transistor 24 chargé de fournir la puissance de démarrage du" microcontrôleur 22.
Une horloge 25 fournit une base de temps au microcontrôleur 22.
Le conducteur 10 alimente par ailleurs un circuit 26 constitué essentiellement d'un amplificateur différentiel 27 dont la capacitance 28 limite la sensibilité au bruit. L'amplificateur différentiel 27 fournit au microcontrôleur 22 par le conducteur 29, un signal représentatif de la tension d'alimentation à la borne d'entrée.
Le conducteur 13 alimente une diode électroluminescente 30 jouant le rôle de témoin de bon fonctionnement. La diode 30 est reliée au microcontrôleur 22 par une résistance 31.
Enfin, par l'intermédiaire d'une résistance 32, le conducteur 13 alimente un circuit à transistor 33 dont la base est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance 34, au conducteur 10 et à la capacitance 11. L'émetteur du transistor 33 est relié à la borne commune et, par l'intermédiaire d'une diode 35, à la base du transistor 33 et à la résistance 34. Le transistor 33 permet de détecter les passages par zéro de la tension d'alimentation disponible sur la borne 2 d'entrée. Le microcontrôleur 22 est relié au point commun à la résistance 32 et au transistor 33 pour contrôler les passages par zéro de la tension d'alimentation.
Entre le tronçon 7 du fil de phase relié à la borne de sortie 4 et le conducteur 13 est monté un pont de résistance 36, 37 dont le point milieu est relié au microcontrôleur 22 par le conducteur 44 pour lui fournir un signal représentatif du courant dans le moteur.
Le tronçon 7 du fil de phase relié au moteur est également relié par l'intermédiaire d'une résistance 38 à la deuxième entrée de l'amplificateur différentiel 27, et par l'intermédiaire de résistances 39, 40 à un opto-triac 41 qui commande le triac de puissance 8 du fil de phase. Le point commun aux résistances 39, 40 est relié à la borne commune par une capacitance 45.
L'opto-triac 41 est commandé par une diode électroluminescente 42 alimentée par le microcontrôleur 22 par l'intermédiaire d'une résistance 43. Le microcontrôleur 22 contrôle la tension d'alimentation du moteur par l'amplificateur différentiel 27, le passage par zéro de la tension par le transistor 33, et le passage par zéro du courant par le signal sur le triac 8. Grâce à l'horloge 25, il mesure l'écart entre les passages par zéro de la tension et du courant. Le logiciel enregistré en déduit la charge du moteur par l'intermédiaire du facteur de puissance, et il commande, à chaque cycle de l'alimentation, l'allumage du triac pour adapter automatiquement la puissance fournie au moteur à la charge effective du moteur. Lorsque la charge du moteur est faible, la puissance fournie au moteur peut être diminuée en réduisant le courant dans le moteur. Cela peut être réalisé en réduisant la tension moyenne appliquée au moteur, c'est-à-dire en retardant l'allumage du triac pendant le cycle de tension. La valeur moyenne de la tension diminue alors.
Si la tension n'est pas augmentée lorsque la charge du moteur augmente, la réactance interne du moteur diminue et les enroulements tirent trop de courant, et pourraient chauffer et être endommagés. Le microcontrôleur contrôle la tension et la charge du moteur et fait les corrections sur l'instant d'allumage du triac en moins de 8 ms, c'est-à-dire bien avant tout dommage potentiel pour le moteur.
Avec des moteurs monophasés domestiques, le coût de fonctionnement des moteurs se trouve réduit par l'utilisation du dispositif de contrôle, l'économie pouvant aller jusqu'à 58% dans certains cas. Par ailleurs, le dispositif permet aux moteurs de tourner plus souplement et avec moins de vibrations.
Le dispositif de contrôle selon l'invention est applicable sans adaptation à tout moteur monophasé domestique dont la puissance nominale est de l'ordre de 1 à 1,5 k sous 110V et 3kW sous 220V. Le microprocesseur du dispositif de contrôle calcule la charge du moteur en mesurant le temps entre les passages par zéro de la tension et du courant, ce qui correspond au facteur de puissance.
Lorsque la charge est faible, le microcontrôleur allume le triac au moment exactement convenable pour économiser l'énergie.
La tension et le passage par zéro sont contrôlés et ajustés à chaque cycle, en fonction du programme du microcontrôleur. La puissance peut être économisée jusqu'à 60% en fonction de la charge et du type de moteur. La température de fonctionnement peut être abaissée de 24°C.
Un moteur avec le dispositif de contrôle selon l'invention en service va consommer moins de courant et son facteur de puissance va s'améliorer parce que le dispositif de contrôle a de l'intelligence. Il anticipe les besoins du moteur pour s'assurer qu'il a suffisamment de puissance bien avant l'instant d'effectuer le travail.
Le dispositif de contrôle utilise un programme de calcul spécifique qui est installé dans le microcontrôleur. Le microcontrôleur améliore et contrôle le facteur de puissance pour qu'il soit aussi près que possible de 1.
Pour économiser la consommation de courant, le programme du dispositif de contrôle pilote les besoins de l'installation et admet et coupe le courant à l'instant exact où il en est ou non besoin.
La force contre-électromotrice produite par le moteur est utilisée comme indicateur pour aider le dispositif de contrôle à piloter ses besoins.
La force contre-électromotrice produit aussi un champ magnétique pour le moteur afin d'aider au maintien du fonctionnement du moteur lorsque le triac est ouvert.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Dispositif de contrôle de l'alimentation en puissance d'un moteur électrique à induction, monté entre les bornes d'entrée (1, 2) de 5 l'alimentation et les bornes de sortie (3, 4) du moteur, un fil neutre étant disposé entre une borne d'entrée (1) et une borne de sortie (3) et un fil de phase étant disposé entre l'autre borne d'entrée (2) et l'autre borne de sortie (4), caractérisé en ce qu'il comporte :
- un circuit (12) de redressement et de filtrage fournissant la tension o continue d'alimentation dudit dispositif ;
- un circuit (26) à amplificateur différentiel (27) délivrant un signal représentatif de la tension d'alimentation à la borne d'entrée (2),
- un circuit à transistor (33) détectant les passages par zéro de la tension d'alimentation à la borne d'entrée (2),
5 - un conducteur (10) relié d'une part au fil de phase (6) et d'autre part au circuit (12) de redressement, au circuit (26) à amplificateur différentiel (27) et au circuit à transistor (33),
- un triac (8) sur le fil de phase entre la borne d'entrée (2) et la borne de sortie (4),
0 - un circuit délivrant un signal représentatif du courant dans le moteur,
- et un microcontrôleur (22) alimenté par le circuit (12) de redressement et de filtrage, contrôlant les signaux représentatifs de la tension et du courant, mesurant le déphasage entre les passages par zéro de la tension et du courant pour en déduire le facteur de 5 puissance et au moyen d'un logiciel enregistré, commandant l'allumage du triac (8) à chaque cycle d'alimentation pour adapter automatiquement la puissance fournie au moteur à la charge effective du moteur.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le triac (8) est commandé par le microcontrôleur (22) par l'intermédiaire d'une diode électroluminescente (42) et d'un opto-triac (41)
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une horloge (25) est prévue pour fournir une base de temps au microcontrôleur (22) et mesurer le déphasage entre les passages par zéro de la tension et du courant.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un circuit (23) à transistor (24) est prévu, alimenté par le circuit (12) de redressement et de filtrage, pour fournir la puissance de démarrage au microcontrôleur
(22).
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