Procédé pour le réglage de la vitesse et du couple d'une machine asynchrone à rotor bobiné, et dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé La présente invention a pour objet un pro cédé pour le réglage de la vitesse et du couple d'une machine asynchrone à rotor bobiné, et un dispositif pour la mise en couvre de ce procédé.
On sait que l'on peut faire varier la vi tesse d'une machine asynchrone à bagues, en connectant son rotor à un générateur de puis sance dont la fréquence correspond au glisse ment de la machine.
Ce générateur de puissance reçoit ou fournit de la puissance électrique à l'un des deux or ganes - rotor et stator - suivant que la ma chine asynchrone tourné au-dessous ou au- dessus de la vitesse du synchronisme et suivant qu'elle fonctionne en génératrice ou en récep trice.
Comme source d'énergie dont la fréquence doit s'adapter à chaque instant aux glisse ments de la machine on a utilisé, jusqu'ici, des convertisseurs de fréquence constitués par une ou plusieurs machines tournantes, par exem ple Machine synchrone accouplée à une ma chine à courant continu ; Commutatrice (montage Kramer) ; Machine Scherbius; Machine à collecteur, etc. Tous ces montages sont très coûteux et compliqués, de sorte que, malgré les avantages et les possibilités qu'ils offrent, on ne les uti lise que pour des applications spéciales ; ils tendent d'ailleurs de plus en plus à disparaître.
Le but de la présente invention est d'éviter les complications et les inconvénients des grou pes tournants qui sont remplacés par un dis positif statique à conductibilité unidirection nelle. On élimine ainsi les collecteurs (avec les difficultés de commutation et l'entretien qu'ils exigent), et toute pièce mécanique en mouve ment.
Le procédé et le dispositif suivant l'inven tion permettent de réaliser, avec une machine asynchrone à rotor bobiné, de fabrication cou rante, une gamme - étendue de vitesses et de couples, limitée seulement par le dimensionne- ment de la machine, et assurent une souplesse de fonctionnement absolument comparable à celle d'un groupe Ward-Leonard.
Le procédé selon l'invention est caracté risé par le fait que l'on fait varier la phase et l'amplitude de l'un des courants - roto- rique et statorique - par rapport à sa tension au moyen d'un dispositif convertisseur de fré quence statique constitué par deux ponts com portant des valves monoanodiques contrôlées, l'un des ponts étant relié aux enroulements de la machine parcourus par le courant à régler, l'autre à une source extérieure d'énergie, les deux ponts étant reliés entre eux de façon à permettre un transfert d'énergie dans les deux sens entre ladite source et lesdits enroulements.
Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé par le fait qu'il com prend deux ponts comportant des valves mono- anodiques contrôlées, l'un des ponts étant relié aux enroulements de la machine parcourus par le courant à régler, l'autre à une source exté rieure d'énergie, les deux ponts étant reliés entre eux de manière à permettre un transfert d'énergie dans les deux sens entre ladite source et lesdits enroulements, les électrodes de con trôle des valves de chacun des ponts étant re liées à un dispositif de commande susceptible de délivrer des impulsions de tension positive,
ce dispositif étant lui-même commandé par un dispositif de déphasage destiné à faire varier les instants d'amorçage des valves par rapport à leurs tensions anodiques. Si on appelle N la vitesse réelle de la ma chine et ÏVs la vitesse du synchronisme, le glisse ment s est défini par l'expression
EMI0002.0008
La tension rotorique est alors proportionnelle à s.
Lorsque la machine est motrice et fonctionne au-dessous de la vitesse du synchronisme, le couple qu'elle développe est proportionnel au produit du flux par la composante active du courant rotôrique. Pendant la marche en géné ratrice asynchrone, le couple résistant qu'elle oppose est proportionnel au produit du flux par la composante du courant en opposition avec la tension rotorique.
On peut ainsi distinguer quatre cas pos- sibles.de fonctionnement de la machine et, en supposant celle-ci sans pertes (cas idéal), on aura 1. Le stator de la machine reçoit de la puissance électrique du réseau laquelle est transformée en puissance mécanique propor tionnelle à 1 - s et en puissance électrique proportionnelle à s que le rotor renvoie au réseau: la machine fonctionne en moteur en dessous de la vitesse du synchronisme (0 < s < 1)-.
2. Le rotor reçoit de la puissance électrique proportionnelle à s et de la puissance méca nique proportionnelle à 1- s : la machine fonctionne en génératrice en dessous de la vitesse du synchronisme et fournit de la puis sance électrique au réseau par le stator.
3. Le stator et le rotor reçoivent de la puissance électrique laquelle est transformée en puissance mécanique proportionnelle à 1 -f- s : la machine fonctionne en moteur au- dessus de la vitesse du synchronisme (s < 0). 4. La machine reçoit de la puissance mé canique proportionnelle à 1 -I-- s laquelle est transformée en puissance électrique, dont la partie proportionnelle à s est renvoyée au ré seau par le rotor, l'autre partie constante étant fournie au réseau par le stator : la machine fonctionne en génératrice hypersynchrone.
Il en résulte que, pour assurer la marche hypo- et hypersynchrone de la machine, tant en génératrice qu'en réceptrice, il faut pou voir emprunter ou fournir de l'énergie au rotor, à la fréquence du glissement. Ceci revient à faire varier la phase du courant rotorique dans toute la zone des tensions et des fréquences.
Cette condition ne peut être réalisée avec les groupes tournants qu'en opposant aux ten sions rotoriques des tensions extérieures varia bles en amplitude et en phase.
Mais on peut arriver au même but par des moyens statiques en imposant le passage des courants rotoriques à des instants choisis dans la période à l'aide de valves monoanodiques dont l'instant d'amorçage peut être contrôlé, c'est-à-dire par un dispositif convertisseur de fréquence statique.
Les tubes électroniques à vide poussé (trio des), les tubes ioniques (thyratrons, redresseurs à vapeur de mercure à grille de contrôle), de même que les transistors, répondent à cette condition. Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, une forme d'exécution du dispositif sui vant l'invention.
La fig. 1 en représente un schéma de mon tage.
Les fig. 2 à 4 sont des diagrammes de la tension et du courant dans une phase rotorique de la machine, à des déphasages différents. La fig. 1 représente schématiquement une machine asynchrone dont l'enroulement stato- rique, relié au réseau d'alimentation Ra, est désigné par S et l'enroulement rotorique par R. Le rotor de la machine asynchrone est connecté, par l'intermédiaire de bagues 1, 2 et 3, à un pont<I>PI</I> à double voie, dit de Graetz, constitué par six valves monoanodiques a à f, par exemple six thyratrons contrôlés par grille.
Les grilles des thyratrons a à f sont reliées à un dispositif de commande D', susceptible de délivrer des impulsions de tension positive, le quel est connecté d'une part aux bagues 1 à 3 et, d'autre part, à un dispositif de déphasage D',p Le pont<I>PI</I> est relié, d'autre part, à un deuxième pont à double voie PI,, constitué éga lement par six thyratrons g à l et connecté au réseau Ra. Les grilles des thyratrons g à l sont reliées à un dispositif de commande D", le quel est connecté d'une part au réseau Ra et, d'autre part, à un dispositif de déphasage D"d.
Une self L, prévue pour filtrer des harmo niques du courant, est insérée entre les deux ponts.
Le contrôle des thyratrons du pont<I>PI</I> se fait à la fréquence du rotor, c'est-à-dire à la fréquence du glissement. Le contrôle des thy- ratrons du pont PI, a lieu à la fréquence du réseau d'alimentation.
Ce contrôle, qui permet de varier la vi tesse et le couple de la machine, consiste à faire varier les instants d'amorçage des thyra- trons, par rapport à la tension anodique, par l'intermédiaire des grilles de contrôle. Il s'agit donc de décaler le courant 1 par rapport à la tension U (voir fig. 2 à 4). De cette manière on modifie la composante active du courant ro- torique et par conséquent le couple et la vi tesse de la machine.
Ceci est obtenu au moyen des dispositifs de commande D', et de déphasage D'd pour le pont<I>PI,</I> et au moyen des dispositifs de com mande D". et de déphasage D"d pour le pont PI,. Dans ce but, les dispositifs de commande D', et D", sont connectés respectivement aux bagues du rotor et au réseau, dont les tensions sont utilisées comme tensions de référence.
Les dispositifs de commande .D', et D", destinés donc à commander les grilles des thyratrons, respectivement, des ponts<I>PI</I> et PI,, au moyen d'impulsions de tension positive, peuvent être réalisés de n'importe quelle manière connue. Les dispositifs de déphasage D'd et D"d déter minent les instants auxquels des impulsions sont délivrées par les dispositifs de commande D', et D",., ceci par rapport aux tensions de référence.
En se référant aux fig. 2 à 4, considérons le pont de Graetz <I>PI</I> connecté au rotor et appe lons â l'angle électrique correspondant au re tard imposé par le dispositif de déphasage D',I à l'établissement du courant dans les thyratrons <I>a à</I> f. La courbe U représente la tension et la courbe 1 le courant dans une phase du rotor. On suppose la self L suffisamment grande pour que les harmoniques du courant redressé <I>Ir,</I> débité par le pont de Graetz <I>PI,</I> soient né gligeables.
Il en résulte que le courant rotori- que 1 prend l'allure représentée dans les fig. 2 à 4, dans lesquelles il est représenté par une courbe d'allure rectangulaire. Les paliers, dont la valeur est<I>Ir</I> et<I>-</I> Ir, sont raccordés par des tronçons de sinusoïdes correspondant aux pé riodes des commutations, c'est-à-dire aux inter valles de temps où se produit l'échange du cou rant entre deux thyratrons successifs.
Dans le cas de la fig. 2, on a supposé que 8 = 0 ; la composante fondamentale du cou rant rotorique est alors presque en phase avec la tension rotorique. Le rotor fournit donc la puissance au réseau extérieur. Ceci correspond à la marche du moteur au-dessous de la vitesse du synchronisme ou de la marche en généra trice hypersynchrone.
Dans le cas de la fig. 3, ô = 900 ; le cou rant rotorique est sensiblement en quadrature par rapport à la tension rotorique. Le rotor ne fournit ni ne reçoit aucune puissance de l'ex térieur. Son couple est sensiblement nul, ce qui correspond à la marche à vide du moteur.
Dans le cas de la fig. 4, ô = 1500 ; le rotor reçoit de la puissance du réseau extérieur, ce qui correspond à la marche en génératrice au- dessous de la vitesse du synchronisme et à la marche du moteur au-dessus. (Dans ce cas où on utilise les valves ioniques l'angle 1, corres pond au temps nécessaire pour la désionisa- tion).
Le pont Pll permet de son côté de régler l'intensité du courant rotorique. En effet, en agissant sur les grilles de commande des thy- ratrons constituant le pont PI,, on fait varier la tension redressée aux bornes de ce pont et par conséquent le courant circulant entre les deux ponts ou encore le courant rotorique.
Dans la pratique, le pont<I>PI</I> fonctionne soit complètement en redresseur, soit complète ment en onduleur afin de travailler avec un facteur de puissance optimum de la machine. En effet, dans ce cas, le courant est sensible ment soit en phase, soit en opposition de phase avec sa tension. Ainsi lorsque la machine fonctionne en dessous de la vitesse du synchro nisme, la marche en moteur correspond au fonctionnement du pont<I>PI</I> en redresseur et la marche en génératrice asynchrone correspond au fonctionnement du pont Pl en onduleur. Si le pont<I>PI</I> fonctionne en redresseur, le pont PI, fonctionne en onduleur et vice versa.
D'après ce qui précède, on voit donc qu'en agissant simultanément sur le contrôle des ponts de Graetz <I>PI</I> et PI,, il est possible de régler à volonté les deux paramètres suivants 1. L'amplitude du courant rotorique (qui est proportionnel au courant redressé<I>Ir),</I> par le pont PI,. 2. Le déphasage du courant rotorique par rapport à la tension rotorique, par le pont<I>PI.</I> Comme on le voit par ce qui précède, cela peut se faire d'une façon parfaitement conti nue sans intervention de contacteurs ou de re lais ; il suffit simplement de pouvoir faire va rier le déphasage des impulsions, par rapport à la tension de référence de 00 à 1800 environ.
Remarquons qu'en agissant sur le contrôle du pont de Graetz <I>PI,</I> on peut simultanément déphaser le courant rotorique et faire varier son amplitude, alors que le contrôle du pont de Graetz PI, ne permet évidemment d'agir que sur l'amplitude des courants rotoriques. Pour le réglage de la vitesse, on maintient le réglage du pont<I>PI</I> constant et on agit sur le réglage du pont PI, pour obtenir la vitesse désirée. Cela peut se faire automatiquement au moyen d'un dispositif d'asservissement destiné à imposer la vitesse selon un programme éta bli à l'avance, quelle que soit la charge.
Le réglage du pont<I>PI</I> ne se fait que lorsque l'er reur, à savoir l'écart entre la vitesse réelle de la machine et celle désirée, change de signe.
Il est bien entendu qu'à la place des thy- ratrons, on pourrait utiliser d'autres valves monoanodiques, par exemple des redresseurs<B>à</B> vapeur de mercure du type excitron, ou encore des ignitrons. Dans ce dernier cas, les instants d'amorçage sont également contrôlés par des impulsions de courant. Il va sans dire que, dans ces deux derniers cas, les dispositifs de commande doivent être prévus en conséquence.
En outre, dans l'exemple représenté, c'est le rotor qui est connecté au pont<I>PI,</I> mais il est bien entendu que les rôles du rotor et du sta tor pourraient être intervertis, le réseau étant alors connecté aux bagues et le -stator au pont <I>PI.</I> Dans ce cas, la phase et l'amplitude du cou rant statorique seront modifiées par rapport à la tension statorique, le dispositif décrit fonc tionnant de la même manière.
Il est à remarquer que, dans le cas où on se limite au fonctionnement au-dessous de la vitesse du synchronisme, il peut être intéres sant d'insérer un transformateur (ou un auto- transformateur), dans l'alimentation des ponts, de manière à modifier la tension et le courant auxquels ils sont soumis. L'adjonction de ce transformateur permet de réduire le dimension- nement des valves.
Il est à remarquer que, du point de vue di- mensionnement de l'ensemble, le fonctionne ment de part et d'autre de la vitesse du syn chronisme est particulièrement intéressant, et ceci pour les raisons suivantes Le moteur asynchrone, s'il tourne par exem ple à une vitesse double de celle du synchro nisme, peut fournir une puissance deux fois plus grande qu'à la vitesse synchrone et pour le même dimensionnement. En effet, le moteur reçoit alors de la puissance électrique à la fois par le rotor et par le stator et délivre, sur l'ar bre, une puissance mécanique qui est la somme des deux.