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La présente invention concerne, de façon générale, les dispositifs de commande de moteurs et plus spécialement les dis- positifs régulateurs de vitesse pour moteurs à courant continu.
Dans de nombreux cas d'utilisation de moteurs à courant continu il est intéressant de maintenir la vitesse du moteur cons- tante sous des charges variant entre des limites très étendues.
Il est souhaitable que la commande de vitesse soit aussi simple et aussi sûre que possible compte tenu des conditions défavorables dans lesquelles les moteurs doivent fonctionner dans de nombreuses industries.
La présente invention a pour but principal de procurer un régulateur de vitesse perfectionné pour moteur à courant continu
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utilisant un nombre minimum de pièces détachées et pouvant stabiliser la vitesse du moteur dans des limites très étroites.
Un régulateur de vitesse suivant la présente invention pour un moteur à. courant continu comprend un dispositif entraîné par le moteur à courant continu et pouvant produire un signal pro- portionnel à la vitesse du moteur à courant continu, une source de référence pouvant produire un signal constant de référence du même type que le signal produit par le dispositif entraîné par le mo- teur,ce dispositif et la source de référence étant couplés l'un à l'autre de façon à produire un signal d'erreur proportionnel à l'écart entre la vitesse du moteur à courant continu et une vitesse donnée, un commutateur à transistor couplant le moteur à une source de courant continu par l'intermédiaire du chemin conducteur de cou- rant émettrice-collectrice du dit commutateur,
le dit commutateur à transistor étant polarisé sélectivement dans un état extrême de conduction du courant collecteur, et un générateur d'impulsions produisant des impulsions ayant une caractéristique de largeur d' impulsion et une caractéristique de fréquence de récurrence d'im- pulsions, ces impulsions étant appliquées au commutateur à tran- sistor pour polariser ce dernier dans l'état extrême opposé de con- duction du courant collecteur, le générateur répondant à l'amplitude du signal d'erreur de façon à faire varier le courant collecteur moyen du commutateur à transistor dans le sens voulu pour ramener la vitesse du moteur à la valeur de la vitesse donnée.
L'invention ressortira clairement de la description donnée ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
Les figures 1 et 2 sont des schémas électriques de deux formes d'exécution de l'invention, et
Les figures 3a et 3b donnent des formes d'onde de la tem- sion de sortie d'un amplificateur-limiteur classe C représenté la figure 1, servant à expliquer le fonctionnement du circuit de la figure 1.
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Suivant un aspect de l'invention, une caractéristique élec- trique est produite, indiquant l'importance de l'écart entre la vitesse du moteur à courant continu et une vitesse de réfé- rence. L'enroulement d'excitation est relié à une source de courant par l'intermédiaire du chemin conducteur de courant émettrice-collectrice d'un transistor à jonction normalement po- la.risé à la saturation du courant collecteur ou au cut-off. Dans l'hypothèse où le transistor est polarisé à saturation, le courant inducteur moyen (et donc la vitesse du moteur) est varié en met- tant le courant collecteur au cut-off durant des périodes varia- bles suivant la grandeur de la caractéristique électrique précitée.
Une diminution de la vitesse du moteur, par exemple, est immé- diatement compensée par une diminution du courant inducteur moyen suffisante pour ramener la vitesse à sa valeur initiale. De même, si le transistor est polarisé au c ut-off, la vitesse est stabilisée. en commutant le transistor dans l'état de saturation.
Suivant des aspects plus précis de l'invention, la carac- téristique électrique (fréquence ou tension) est donnée par'le tachymètre accouplé au mot@ur à courant continu et comparée à une caractéristique donnée par une source de référence. On produit ainsi 'un signal différence lié fonctionnellement à l'écart entre la vitesse du moteur et la vitesse à pleine excitation sous charge nulle. L'amplitude du signal différence est utilisée pour varier soit la durée soit la fréquence d'impulsion du débit du générateur d'impulsions. On fait varier la durée de l'impulsion quand le signal différence est exprimé en unités de tension variable, et on fait varier la fréquence d'impulsion si le signal différence est exprimé en unités de fréquence variable.
La sortie du générateur d'impulsion est connectée entre la base et une électrode adjacente du transistor de façon à amener le transistor au eut-off ou à la saturation du courant collecteur, comme précité.
La figure 1 représente un moteur à courant continu 1 ayant
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des bornes d'inducteur 3 et 5. La borne d'inducteur 3 est connec- tée directement à la borne positive d'une source de courant conti- nu 57, tandis que la borne d'inducteur 5 est reliée à la borne négative de la source de courant par l'intermédiaire du chemin conducteur de courant émettrice-collectrice du transistor 49. La tension d'induit peut être prise à toute source de courant continu convenable. Dans le cas d'un transistor 49 du type p-n-p, la borne négative de la source 57 est connectée à l'électrode émet- trice 53 et la borne d'inducteur 5 est connectée à l'électrode collectrice 55.
L'arbre de sortie du moteur 1 entraîne une génératrice tachymétrique à courant continu 9 par l'intermédiaire d'une liai- son mécanique 7. La tension débitée par la génératrice est, de préférence, une fonction directe de sa vitesse. Une source de cou- rant continu référence 16 débite une tension maintenue aussi invaria- ble que possible. Cette source de tension référence 16 consiste soit en une alimentation de courant continu extrêmement bien stabi- lisée soit en une pile étalon. La borne-positive de la source de tension de référence 16 est mise à la terre.
Les tensions débitées par la génératrice tachymètre 9 et par la source de référence 16 sont additionnées algébriquement dans un circuit 13 de sorte que la tension débitée par celui-ci est égale à la différence entre les valeurs absolues des tensions de la génératrice 9 et de la sour- ce de référence 16. La borne négative de la source de référence 16 est connectée à l'extrémité 18 d'une résistance 19, par l'intermédiaire d'une résistance 15, tandis que la borne positive du tachymètre 9 est reliée, par une résistance 11, à la borne 18.
La borne positive de la source 16, la borne négative de la source 9 et l'autre extrémité de la résistance 19 sont mises ensemble à la terre.
Un générateur d'impulsions triangulaires 26 aux bornes de sortie 24 et 30 consiste en une source de courant alternatif 22 couplée aux bornes d'entrée d'un redresseur.en pont à double
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alternance 23. Les bornes de sortie.du redresseur 23 -,ont ap- pliquées à une résistance non linéaire 25 et une résistance linéaire 27 en série. La résistance non li aire 25 peut être une varistance ou un élémentrésistif analogue dont la valeur est une
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fonction inverse de la tEnsi..:r1 d5e ê ses boi-ne.,. L'onde de tension' apparaissant aux bornes de le résistance linéaire 27 est de forme quasi triangulaire.
Un générateur d'onde triangulaire de-ce genre présente l'avantage de ne pas nécessiter de contre-réaction comme il en faut généralement avec d'autres types de générateurs d'ondes triangulaires, les amplificateurs différentiateurs par exemple. Il
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est prévu un al1lplifica teu1.'.-limi teur classe C 28 dont le rôle consiste à amplifier la tension triangulaire et à varier la durée de sa ten- sion de sortie en fonction de l'amplitude de la, tension débitée par le circuit d'addition 13 et apparaissant aux bornes de la résistance 19, ainsi qu'à limiter l'amplitude du signal trian- . gulaire de façon à produire une impulsion de tension essentiel- lement rectangulaire.
Cet amplificateur-limiteur comprend un transistor à jonction 39 du type p-n-p dont l'électrode de base 41 est mise à la terre par l'intermédiaire de la résistance 29 et de la source de potentiel 31, et dont l'électrode collectrice 43 est mise à la terre par l'intermédiaire de la résistance 35 et de la source de potentiel 33. La borne négative de la source 33 est reliée à la résistance 35, tandis que la borne positive de la source 31 est connectée à la résistance 29. Une diode de Zener 37 est mise aux bornes de la résistance 35 pour limiter l'amplitude des impulsions de tension apparaissant à ces bornes. La tension de sortie du géné- rateur d'ondes triangulaires 26 est couplée à l'amplificateur classe C en connectant la borne de sortie 30 à l'électrode de base 41 et la borne de saxtie 24 à la terre.
De même, la sortie du circuit 13 est reliée à l'amplificateur classe C en connectant-la borne de sortie 18 à l'électrode émettrice 47. La tension de sortie de l'amplificateur-limiteur 28 est connectée entre la base 51 et l'émettrice 53 du transistor 49, l'émettrice 43 du transistor 39
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étant relire directement à la base 51.
Quand la tension apparaissant entre la. borne de sortie 18 du circuit 13 et la terre est nulle., la sortie de l'amplificateur classe C serait une onde triangulaire comme celle représentée en traits pleins en la en l'absence de la diode de Zener 37. Quand on atteint la tension de Zener dans la diode., la diode devient conductrice et limite l'amplitude de la tension apparaissant aux bornes de la. résistance 35 comme représenté par le pointillé de la figure 3a.
Si le circuit 13 débite une tension de sortie qui rend la borne 18 positive par rapport à la terre, 1''amplificateur classe C est polarisé en conséquence de façon à limiter l'ampli- tude crête de l'onde triangulaire apparaissant à la sortie de l'am- plificateur classe C, et la période de conduction de ce dernier est réduite comme représenté à la figure 2±. La diode de Zener devient aussi conductrice dès que la tension de Zener est atteinte de façon à produire une forme d'onde comme représenté par le pointillé de la figure 3b. L'onde de tension apparaissant aux bornes de la résistan- ce 35 est donc essentiellement rectangulaire et sa durée varie en fonction inverse de l'amplitude de la tension de sortie du circuit 13.
En fonctionnement,dans l'hypothèse où le moteur 1 tourne à sa vitesse de régime de sorte que la tension de sortie de la géné- ratrice tachymètre 9 égale la tension de sortie du générateur de tension de référence 16, la tension est nulle à la borne de sortie 18 du circuit 13 et le transistor 49 est en substance conti- nuellement polarisé à saturation. Si., au contraire, la vitesse du moteur 1 décrolt, la tension de sortie de la génératrice tachymètre 9 décroit en conséquence et la borne 18 devient négative par rapport à la terre d'une différence de potentiel égale à la différence entre les tensions de sortie du tachymètre 9 et du générateur de tension référence 16.
La durée des impulsions de sortie apparaissant aux bornes de la résistance 35 décroit aussi et le transistor 49 est polarisé au eut-off durant une partie de chaque cycle du générateur
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d'ondes triangulaires 26. Le courant moyen circulant dans l'enrou- lement d'excitation du moteur 1 décroît et la vitesse du moteur augmente jusqu'au moment où la tension de sortie du tachymètre 9 est à nouveau égale à la tension de sortie du générateur de réfé- rence 16. En fait., on dispose d'un circuit de compensation grâce auquel une diminution de la vitesse du moteur provoque quasi instantanément 'une diminution du courant inducteur du moteur rame- nant le moteur à sa vitesse initiale.
Dans la forme d'exécution de la figure 2, un moteur à courant continu 101,pourvu d'un enroulement d'excitation séparé aux bornes 103 et 105, en@@aîne une génératrice tachymètre à courant alternatif 109 par l'intermédiaire d'une liaison mécanique 107. Le courant inducteur du moteur 101 est fourni par la source 157 dont la borne positive est connectée à la borne d'inducteur 103 et la borne négative est connectée à la borne 105 par l'intermédiai- re du transistor 149 de la façon décrite avec référence à la fi- gure 1. La sortie de la génératrice tachymètre 109 est une tension alternative dont la fréquence est une fonction directe de la vitesse de rotation de cette génératrice.
Une source de fréquence étalon 121 a une fréquence égale à celle du tachymètre 109 quand le moteur 101 marche à. la vitesse requise. Cette source éta.lon 121 peut être pourvue de moyens permettant de varier la fréquence de sa ten- sion de sortie, mais cette fréquence doit être très bien stabilisée.
Les signaux de sortie du tachymètre 109 et de la source étalon 121 sont combinés dans un modulateur symétique, de pré- férence du type redresseur en pont à double alternance, ayant des bornes d'entrée 117, 119 et des bornes de sortie 113., 115. La tension de sortie apparaissant aux bornes 117, 119 en plus de la composante à fréquence fondamentale contient une composante ayant une fréquence égale à la somme du tachymètre 109 et de la source 121 et une autre égale à la différence entre les fréquences du tachymètre et de la source étalon. Ces signaux sont appliqués à. un filtre passe- bas 127 qu' élimine toutes les composantes sauf celle ayant une
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fréquence égale à la différence entre les fréquences du tachymètre 109 et de la source étalon 121.
Ce filtre passe-bas peut être de construction courante. Sur la figure 2, il consiste en un. filtre en # à deux sections ayant des selfs série 129a, 129b et des condensateurs shunt 13 la. 131b, 131c ainsi qu'une résistance de charge 136. @
La sortie du filtre 127 est appliquée à un circuit diffé- rentiateur 133 comprenant.un redresseur de couplage 135, un conden- sateur de couplage 137 et,une résistance shunt 139.
La tension de sortie apparaissant aux bornes de la résistance 139 est couplée à un multivibrateur monostable à couplage par émettrice 147 utili- sant des transistors à jonction du type n-p-n, comme décrit par E.W Sard dans le "IRE Convention Record" du congrès national 1954, partie 2, page 119. La tension de sortie de ce multivibrateur est à largeur d'impulsion constante avec une fréquence de récurrence fonction de la fréquence des impulsions de commande y appliquées par 'le circuit différentiateur 133.
Dans l'hypothèse où le moteur tourne à 1000 tours par minute et où le tachymètre produit une fréquence de 10 périodes par tour-minute, la fréquence de sortie du tachymètre est de 10.000 pér./sec. à la vitesse de régime du moteur. Si la fréquence de lq source étalon 121 est réglée à 9. 900 pér./sec., la fréquence diffé- rence est de 100 pér./sec. à la vitesse de régime. Si la largeur d'impulsion du multivibrateur monostable 147 est réglée à 10 millisecondes, les différentes impulsions de sortie du multivibra- teur sont accolées les unes aux autres sans intervalles. Le transistor 149 est continuellement polarisé à la saturation et le courant d'excitation est maximum dans l' inducteur du moteur.
Si la vitesse du moteur diminue par accroissement de la charge, la fréquence différence est inférieure à 100 pér./sec. et la sortie du multivibrateur 147 est constituée d'impulsions de sortie distinctes, le transistor 149 étant au' cut-off pendant les
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intervalles entre impulsions. Le courant inducteur moyen circulant dans l'enroulement d'excitation diminue en conséquence et fait croître la vitesse du moteur jusqu'à atteindre la vitesse imposée (1000 tours-minute dans le cas considéré).
Dans certains cas, il peut être intéressant de faire varier la vitesse du moteur entre une vitesse à vide donnée et une vitesse de pleine charge donnée. Les enroulements d'excitation auxiliaires du moteur peuvent être alimentés, dans ces condi- . tions, de façon qu'en pleine charge, aucune excitation ne soit dél.i- vrée par l'inducteur incorporé dans le dispositif décrit ci-dessus, toute l'excitation du moteur étant fournie par les autresenroule- ments d'excitation. A la vitesse de pleine charge imposée, 1a fréquence de la source étalon 121 doit égaler celle de la g énéra- trice tachymètre 109, aucune impulsion n'étant produite à la sortie du multivibrateur 147 et la puissance maximum étant délivrée au moteur.
Des fréquences d'impulsion intermédiaires correspondant à des vitesses de moteur données seront ainsi choisies automatiquement pour équilibrer le système pour toute charge donnée.
REVENDICATIONS.
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