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DISPOSITIFS ELECTRONIQUES POUR ALIMENTER DES MOTEURS CONTINUS AU MOYEN
DE COURANT ALTERNATIF.,
La présente invention se rapporte aux dispositifs redresseurs d'alimentation de l'induit d'un moteur à courant continu au moyen de tension réglable venant d'une source de courant alternatif, et elle a pour but principal, d'améliorer le facteur de forme du courant de moteur redressé, c'est-à-dire la réduction au minimum des impulsions ou de la composante alternative du courant.
On sait que le courant fourni par un redresseur à tension réglable a une caractéristique pulsatoire, ou s'il a une caractéristique continue, il comprend malgré tout une composante alternative appréciable.
La fréquence des .impulsions de courant ou de la composante alternative est représentée par le produit de la fréquence du réseau alternatif et du nombre de phases du redresseur. Dans les dispositifs de commande de moteur de ce genre, une composante alternative considérable dans le circuit de charge, qui se rencontre même dans les redresseurs polyphasés,a pour conséquences:
(1) plus de pertes dans le moteur (les pertes dans le cuivre augmentent en proportion directe du carré du facteur de forme du courant d'induot) ce qui exige de plus grandes dimensions pour la culasse du mo teur et diminue son rendement, (2) commutation plus difficile du moteur, (3) plus de vibrations dans le moteur, (4) plus de bruit produit par le moteur, et (5) courants de pointe instantanés augmentés dans les redresseurs. - '
Il y a donc de bonnes raisons pour essayer de réduire la composante alternative, c'est-à-dire amener le facteur de forme (Ieff/Iec) du courant d'induit aussi près que possible de l'unité. Particulièrement, dans la plupart des applications de commandes à redresseurs pour opérations de finissage, il est très important d'éliminer toutes traces de vibrations.
On sait que l'on peut filtrer le courant d'induit au moyen d'une réactance mise en série avec l'induit. Cependant,l'effet de filtrage de la réactance est limité par le fait que la FEM inductive de la réac-
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tance, qui tend à maintenir le courant dès que le courant de l'impulsion tend à décroître, doit surmonter la FEM opposée du transformateur réseau.
Dans le cas d'un redresseur symétrique biphasé ou même d'un redresseur tri- phasé, l'effet d'anti-filtrage du transformateur'réseau est important par- ce que la composante alternative du courant est normalement élevée. C'est pourquoi si le filtrage doit être parfait, il faut une self très grande pour filtrer la composante alternative inadmissible..De plus, si on augmen- te la self on augmente aussi la résistance et il est évident qu'il ne faut pas exagérer la résistance du circuit d'induit, à cause des problèmes-de régulation de la vitesse du moteur.
L'invention a plus particulièrement pour but de réaliser un filtrage efficace dans le circuit d'induit d'un dispositif de commande du type précité, qui soit capable d'améliorer grandement le facteur de forme du courant d'induit redressé au moyen d'un dispositif de filtrage de struc- ture simple et de prix relativement faible, avec une réactance de filtrage modérée seulement.
Dans les dispositifs à thyratrons pour l'alimentation de mo- teurs à courant continu au moyen de tension redressée réglable provenant d'une source de courant alternatif, le moment critique où deux impulsions séparées de courant de charge se joignent est souvent accompagné d'un phénomène d'allumage discontinu et instable .'des tubes redresseurs, phéno- mène évidemment très indésirable. Ce phénomène est particulièrement notable avec des charges très inductives et avec des tensions d'alimentation anodi- que élevées, et est provoqué par un changement brusque de la caractéristique critique de grille des thyratrons. Cette discontinuité a lieu dans le cas de charges inductives quand une tension sinusoïdale de grille de commande est appliquée aux grilles des thyratrons.
D'autre part, il y a toujours des impulsions de courant séparées dans l'induit, quelle que soit la valeur de la self de filtrage, quand le courant et la vitesse (EMF) du moteur sont faibles, ce qui est souvent le cas avec les commandes réglables à redresseurs.
De la conduction discontinue dans le-circuit de charge d'un redresseur ré- glable se présente dès que l'angle d'allumage des tubes redresseurs est re- tardé au-delà de l'angle dit "angle critique d'allumage", ce retard étant nécessaire pour assurer de faibles vitesses avec de faibles courants de charge. Ainsi, le passage instable et irrégulier d'une condition de cou- rant discontinu à une condition, de courant continu se fait normalement toujours dans les dispositifs moteurs-redresseurs qui ont une gamme étendue de vitesses et de charges bien que l'on mette en série avec l'induit du mo- teur une self de filtrage élevée.
Un autre but de l'invention est de réduire au minimum ou de supprimer cette instabilité de l'allumage des ignitrons, de manière amé- liorer la constance de la vitesse du dispositif moteur, et la continuité et la stabilité de son fonctionnement de manière à le rendre plus apte à entraîner des machines de haute précision.
Conformément à l'une des principales caractéristiques de l'invention, une réactance ou impédance inductive est mise en série avec l'induit d'un moteur à courant continu alimenté par l'intermédiaire de tubes redresseurs commandables au départ d'un transformateur d'énergie, et un circuit shunt à basse impédance et à conductivité unilatérale est connecté en shunt sur la réactance et l'induit réunis en série de sorte que le courant produit par la force électromotrice de la réactance série circule dans un circuit fermé comprenant la réactance, l'induit et le cir- , cuit shunt et ne circule pas dans le transformateur d'énergie.
Conformément à une autre caractéristique de l'invention, une résistance de précharge est aussi mise aux bornes de l'induit du mo- teur, de façon que, pour de faibles charges du moteur, cette résistance main- tienne un courant minimum dans la réactance de filtrage, courant suffisant pour empêcher le passage irrégulier précité de courant discontinu à courant
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continu en gardant un courant continu dans le circuit de charge pour 'tou- te la gamme de fonctionnements du dispositif.
La figure 1 représente le schéma de principe d'un dispositif de commande de moteur qui est un exemple d'une forme d'exécution de l'in- vention, tandis que les figures 2 et 3 sont des graphiques courant-temps et tension-temps expliquant la comparaison des rendements de dispositifs connus(fig. 2) et d'un dispositif conforme à l'invention (fig. 3).
Les bornes à courant alternatif 1 du dispositif de comman- de représenté à la figure 1 sont reliées à un transformateur 2 à trois en- roulements secondaires 3, 4 et 5. Les extrémités de l'enroulement secon- daire 3 sont reliées aux anodes de deux tubes redresseurs respectifs 6 et 7 du type à gaz ou à décharge à arc, par exemple des thyratrons. Les deux tubes ont un conducteur cathodique commun 8 relié par une résistance série faible 9 à l'induit 11 du moteur à courant continu à alimenter et comman- der. L'induit 11 est relié par l'intermédiaire d'un inducteur série 12 du moteur et en série avec la réactance de filtrage 13 à la prise médiane de l'enroulement secondaire 3 du transformateur.
L'inducteur principal 14 du moteur est excité de façon indépendante par une tension constante ve- , nant d'un redresseur 15 alimenté par l'enroulement secondaire 5 du trans- formateur 2. Une valve électronique (ou de liaison) 16 est montée dans un circuit en parallèle avec la combinaison série comprenant la résistance 9, l'induit 11, l'inducteur 12 et la self 13. Une résistance de précharge 17 est montée en parallèle sur l'induit 11 et la résistance 9.
Les tubes redresseurs 6 et 7 conduisent le courant successi- vement par demi-périodes du courant alternatif, réalisant ainsi un redres- sement à double alternance pour le circuit d'induit du moteur. L'amplitude de la tension redressée dépend du point ou angle d'allumage des tubes 6 et 7, c'est-à-dire du moment où le .tube est conducteur dans chaque demi-pério de. Cet angle d'allumage est commandé par des circuits de commande res- pectifs.
Le circuit de commande pour le tube 6 part de l'électrode ou grille de commande 21, passe par une résistance 22 et aboutit à une extré- mité de l'enroulement secondaire 23 d'un transformateur 24. Le circuit de commande pour le tube 7 part de l'électrode ou grille de commande 25 de ce- lui-ci, passe par une résistance 26 et aboutit à l'autre extrémité de l'en- roulement secondaire 23. Le primaire 27 du transformateur 24 est relié à travers un circuit déphaseur 28 et un transformateur déphaseur associé 29 à l'enroulement secondaire 4 du transformateur principal 2. Le transforma- teur 24 applique aux grilles de commande des tubes redresseurs 6 et 7 une composante de tension de commande alternative dont la phase retarde d'envi- ron 90 sur la tension anodique d'alimentation des tubes redresseurs res- pectifs.
Les circuits de commande des redresseurs ont une partie commu- ne qui part d'une prise médiane sur le secondaire de transformateur 23, passe par une partie réglable d'un rhéostat potentiométrique 31 connecté aux bornes d'une source de courant continu à tension constante représen- tée schématiquement en 32. Du rhéostat potentiométrique 31, la partie éom- mune des circuits de commande des tubes va par des résistances 33, 34 et 35, et une partie d'un rhéostat potentiométrique 36 pour aboutir à une ré- sistance 37 connectée aux bornes de l'induit de moteur 11 en série avec une résistance 38. La résistance 37 est shuntée par un condensateur de filtrage 39. De la résistance 37, la partie commune des circuits de com- mande des tubes va par la résistance série 9 au conducteur cathodique 8 commun aux tubes 6 et 7.
Les circuits de commande des tubes 6 et 7 reçoivent, en plus de la composante alternative de tension de commande, deux composantes de
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tension continues. Une de celles-ci est la tension constante existant aux bornes de la partie active du potentiomètre 31 et-la tension constante aux bornes des résistances 35 et 34 provenant d'une source de courant con- tinu représentée schématiquement en 40. L'autre composante de tension con- tinue est appliquée aux circuits de commande des tubes par la résistance 33. Cette dernière composante est variable et sa valeur détermine l'angle d'allumage des tubes redresseurs et donc la tension appliquée au circuit d'induit du moteur.
La résistance 33 se trouve en série dans le circuit plaque du maitre-tube de commande 41 qui est un tube à vide tel qu'une pentode, dont la plaque est alimentée au départ des résistance 34 et 35. Ila tension plaque aux bornes de ces résistances provient de la source 40 et est con- stante. La chute de' tension aux bornes de la résistance de charge 33 dé- pend cependant de la conductivité du maître-tube de commande 41. Quand le tube 41 est conducteur au maximum et que la chute de tension aux bornes de la résistance 33 est maximum, les tubes redresseurs 6 et 7 ont une conduc- tance nulle. Quand la conductivité du maître-tube de commande est assez ré- duite, l'angle d'allumage des thyratrons 6 et 7 est avancé au maximum de sorte qu'une tension maximum. est appliquée à l'induit du moteur.
La conductivité du maître-tube de commande 41 est réglée par le circuit de grille associé partant de la grille 42, par une résistance 43, une partie d'une résistance 44, un rhéostat 45, la résistance 37, et une partie du rhéostat 36, pour aboutir à la cathode du tube 41.
Le rhéostat 36 applique au circuit de grille une tension con- tinue réglable qui représente la tension de référence du dispositif régu- lateur et détermine la vitesse à laquelle le moteur doit tourner. Les ré- sistances 37 et 38 aux bornes de l'induit 11 forment ensemble un diviseur de tension de sorte que la résistance 37 applique au circuit de grille du tube 41 une tension proportionnelle à la tension d'induit du moteur.
Cette tension est opposée en série à la tension de référence constante réglée provenant du rhéostat de commande de vitesse 36 Quand le moteur tourne à une certaine vitesse, la tension aux bornes de la partie active du rhéo- stat de commande de vitesse 36 et la tension opposée aux bornes de la ré- sistance 37 s'équilibrent de telle façon qu'une tension négative résultan- te de quelquesvolts est appliquée à la grille de commande du tube 41. La tension de grille résultante correspond à une tension amplifiée définie aux bornes de la résistance 33 et donc à un angle d'Allumage défini des thyra- trons 6 et 7. Si le curseur du rhéostat 36 est éloigné de la cathode du tube 41, cet équilibre est momentanément rompu.
La grille de commande du tube 41 devient plus négative et la tension aux bornes de la résistance 33 diminue, ce qui avance le point d'allumage des thyratrons. Il s'ensuit une augmehtation de la tension d'induit et de la vitesse du moteur, et évidem- ment une augmentation aux bornes de la résistance 37 Cette augmentation est telle qu'un nouvel équilibre du système s'établit avec une tension de grille résultante du tube 41 légèrement plus négative.
Inversement, la vi- tesse du moteur diminue quand le curseur du rhéostat 36 est rapproché de la cathode du tube 41. Cependant, comme la tension d'induit d'un moteur de ce type n'est pas une indication précise de' la vitesse du moteur, mais qu'elle augmente plus que proportionnellement à la vitesse quand le couple moteur et donc le courant du moteur de la chute IR dans le circuit d'induit augmentent, il faut une commande correctrice du circuit de grille du tube de commande 41 afin d'établir une correspondance suffisamment précise entre le réglage du rhéostat 36 et la vitesse du moteur, quelles que soient les variations de charge du moteur.
Dans ce but, la partie de la résistance 44 active dans le cir- cuit de grille du tube de commande 41 est insérée dans le circuit plaque d'un tube amplificateur 47 tel qu'une triode à vide. Le circuit plaque est alimenté par une source de courant continu à tension constante représentée schématiquement en 48. La chute de tension aux bornes de la résistance 44
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dépend de la conductivité du tube 47 Cette conductivité est réglée par - un circuit de grille partant de la grille 49 du tube 47,par une résistan- ce 51 et une partie d'une résistance 52 mise aux bornes d'une source de ten- sion constante représentée en 53 Le circuit de grille continue-par la ré- sistance série 9 du circuit d'induit et le rhéostat 45 pour aboutir à la cathode du tube amplificateur-47.
Le circuit de grille susmentionné du tube 47 contient deux sources de composantes de tension de grille connectées en série. Une sour- ce consister en la partie active de la résistance 52 et fournit une polari- sation de grille constante négative réglée. L'autre source consiste en la résistance série 9 qui applique au circuit de grille une tension proportion- nelle au courant circulant dans le circuit d'induit et donc à la chute de tension IR dans le circuit d'induit. Quand la chute IR augmente,, par exem ple à cause d'un accroissement de charge ou de couple moteur, le tube 47 devient de plus en plus conducteur et la tension aux bornes de la résistan- ce 44 s'accroît. La polarité de la tension aux bornes de la résistance 44 relativement à la grille du tube 41 est la même que celle de la tension aux bornes du rhéostat 36.
De cette manière, la tension de grille résultante du tube 41 est corrigée de manière à compenser les variations de vitesse du moteur dues aux variations de la chute IR
Dans le dispositif de la fig. 1 décrit ci-dessus, la valve 16 représente avec la connexion 54 un circuit à conductance unilatérale de bas- se impédance en parallèle sur la combinaison série comprenant la résistance 9,-l'induit de moteur 11 et la self de filtrage 13. Le rôle de ce circuit fermé à basse impédance sera exposé en se reportant aux figures 2 et 30 '
Dans les figures 2 et 3, l'abscisse 0 représente l'axe des temps du graphique.
Les courbes V1 et V? représentent la tension anodique alternative appliquée par les deux parties de l'enroulement secondaire,3 aux tu- bes redresseurs 6 et 7 Les courbes A B et C représentent à une autre échelle, la chute IR dans le circuit d'induit ou le courant circulant dans l'induit.
Les courbes A, B et C sont données pour une vitesse de moteur et une charge faibles, c'est-à-dire pour un cas où les tubes redresseurs ne conduisent que pendant une partie de leurs demi-périodes respectives.
Dans ces conditions, le facteur de forme du courant d'induit redressé est spécialement élevé, c'est-à-dire que la composante alternative du courant d'induit continu redressé est beaucoup plus importante par rapport à la composante continue du courant que dans d'autres conditions.
On suppose d'abord pour faciliter l'explication que le dispo- sitif de commande ne contient ni la self de filtrage 13 ni le circuit shunt avec la valve 16 Si dans un tel dispositif, le circuit d'induit était-pu- rement résistif, le courant dans l'induit à l'instant de l'allumage de l'un ou l'autre tube redresseur monterait immédiatement de zéro à la valeur in- stantanée produisant une chute de tension instantanée IR égale à la différen- ce entre la valeur instantanée de la tension anodique à l'instant (T) d'al- lumage et la FEM du moteur. La courbe de la chute IR suivrait alors la tension anodique jusqu'au point où la tension coupe la droite 0' de la FEM du moteur.
En ce point particulier, le courant I sera égal à zéro puis qu'en ce point, la tension provoquant le passage de courant est nulle.
-Mais l'enroulement d'induit a toujours une self-induction en plus de sa résistance. Par conséquent, la courbe de l'impulsion de courant sera représentée schématiquement en A de la figure 2. Le courant continue au-delà du point d'extinction résistive, à l'encontre de la FEM opposée et d'une partie de la demi-période négative de la tension de transformateur.
Si l'on suppose maintenant que l'on ajoute seulement au disposi-
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tif une self de filtrage en série avec l'induit, la FEM inductive sera augmentée et le courant continuera encore davantage au-delà du point d'ex- tinction résistive. La chute de courant ou chute IR est représentée dans ce cas par la courbe B de la figure 2 On remarquera à nouveau que le cou- rant décroissant maintenu par la FEM inductive de la self et de l'induit circule dans une moitié de l'enroulement de transformateur 3 à l'encontre de la tension de transformateur opposéeo
En revenant au dispositif qui conformément à l'invention com- prend une self de filtrage 13 et un circuit à basse impédance avec valve 16 en shunt sur l'induit 11 et la self 13,
on remarquera que l'action d'en- tretenir le courant de la self est fortement accentuée parce que cette fois la FEM inductive de la self qui, lorsque le courant décroît, tend à le maintenir, agit par le circuit à faible impédance de la valve 16, plutôt que par l'enroulement transformateur en opposition avec la tension secon- daire du transformateur. En conséquence, la valve à décharge 16 commence à conduire dès que la vitesse de chute du courant dans un tube redresseur devient suffisante et laisse normalement passer le courant dans l'induit du moteur jusqu'à ce que l'autre tube redresseur recommence à conduire.
On obtient ainsi un courant de type continu représenté schématiquement par la courbe C de la figure 30
En comparant la courbe C aux courbes A et B on constate que dans un dispositif conforme à l'invention, l'effet de filtrage est consi- dérablement accru particulièrement pour de faibles vitesses de moteur.
Ceci est important parce que normalement il est intéressant d'avoir le plus de filtrage aux faibles vitesses de moteur quand le facteur de forme de courant d'induit a la valeur la plus élevée et provoque donc le plus de bruit et de troubles-.
La résistance de précharge 17 mise aux bornes de l'induit 11 assure un certain minimum de courant de charge dans la self de filtrage 13, spécialement lorsque le moteur tourne sans charge. Il s'ensuit que l'on obtient un passage continu de courant dans toute la gamme de charges et de vitesses et le passage irrégulier susmentionné de courant discontinu à courant continu ne peut pas se produire.
11 est entendu que le dispositif représenté au dessin et dé- crit ci-dessus ne représente qu'un des nombreux moyens de mise en applica- tion de l'invention, qui ne comprend d'ailleurs pas, par raison de simpli- fication de l'exposé, divers éléments auxiliaires de protection et autres habituellement nécessaires mais bien connus et ne faisant pas partie de l'invention.
Par exemple, on peut ajouter un dispositif de commande limi- teur de courant pour éviter des surcharges pouvant endommager les tubes redresseurs et régler l'accélération du moteuro Cependant le dispositif représenté, en ce qui concerne l'invention, fonctionne de la même façon précitée avec et sans commande de limitation de courant; et des surcharges excessives sont aussi évitées pendant les démarrages et les freinages si le moteur, dans le dispositif représenté, est démarré graduellement en fai- sant glisser le curseur du rhéostat de commande de vitesse 36 à l'opposé de la cathode du tube T4 et est arrêté en ramenant graduellement le cur- seur vers la cathode.
Il est évident d'autre part que les dispositifs conformes à l'invention peuvent être changés et modifiés à de nombreux points de vue sans s'écarter des buts, avantages et caractéristiques essentielles de l'invention et sans sortir de son cadre.