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Procédé pour l'inversion automatique du couple d'une machine asynchrone à rotor bobiné dont la vitesse est réglée au moyen d'un convertisseur statique de fréquence, et installation pour la mise en aeuvre de ce procédé La présente invention a pour objet un procédé pour l'inversion automatique du couple d'une ma- chine asynchrone à rotor bobiné dont la vitesse est réglée au moyen d'un convertisseur statique de fréquence constitué par deux convertisseurs statiques.
Comme on le sait, la vitesse d'une machine asynchrone à rotor bobiné peut être modifiée en reliant son induit (généralement rotor) à une source extérieure d'énergie (le réseau d'alimentation par exemple) par l'intermédiaire d'un convertisseur de fréquence et en faisant varier, en grandeur et en signe, l'échange d'énergie entre ladite source et l'induit.
Lorsque le convertisseur de fréquence est un convertisseur statique constitué par deux convertisseurs, l'un redresseur, l'autre onduleur, comportant des valves contrôlées, par exemple des valves mono ou polyanodiques, et lorsque la machine doit fonctionner aussi bien en frein (générateur) qu'en moteur, il est évident que chacun des deux convertisseurs doit pouvoir fonctionner aussi bien en redresseur qu'en onduleur. En effet, lorsque la machine fonctionne en moteur, donc lorsque le transfert d'énergie se fait de l'induit à la source extérieure, le convertisseur relié à ce dernier doit fonctionner comme redresseur et le convertisseur relié à la source comme onduleur.
Par contre, lorsque la machine fonctionne en frein, l'énergie étant donc transmise de la source à l'induit, le convertisseur relié à ce dernier doit fonctionner comme onduleur et le convertisseur relié à la source comme redresseur.
Le sens du courant continu circulant entre les deux convertisseurs ne pouvant pas être inversé dans les valves, il est nécessaire de pouvoir changer la polarité de la tension continue aux bornes de chacun des convertisseurs. Il faut donc pouvoir faire basculer chacun des deux convertisseurs de redresseur en onduleur et vice versa.
L'invention a pour but de fournir un procédé permettant d'obtenir le basculement des convertisseurs et, par conséquent, l'inversion du couple de la machine et cela d'une manière automatique sans aucune intervention manuelle.
Le procédé suivant l'invention est caractérisé par le fait que l'on compare, à chaque instant, une tension proportionnelle à la vitesse de la machine à une tension de référence correspondant à la vitesse désirée, en ce que la différence de ces deux tensions, qui correspond à l'erreur de vitesse, est ensuite, d'une part, utilisée pour la commande du convertisseur relié à ladite source extérieure et, d'autre part,
comparée à une tension proportionnelle à ladite tension de référence de manière à obtenir une tension proportionnelle à l'erreur de vitesse due au seul couple extérieur agissant sur l'arbre de la machine, cette dernière tension étant ensuite utilisée pour l'inversion du couple de la machine en provoquant le basculement des deux convertisseurs et cela de manière que chaque changement de sa polarité de positive en négative provoque un basculement du convertisseur relié à l'induit de redresseur en ondu- leur, le convertisseur relié à la source extérieure basculant d'onduleur en redresseur,
un changement de sa polarité de négative en positive provoquant des basculements inverses.
L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé, comprenant un convertisseur statique de fréquence constitué par deux convertisseurs statiques, l'un redresseur,
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l'autre onduleur, comportant des valves contrôlées et reliées, respectivement, à l'induit de la machine et à une source extérieure d'énergie, les deux con- vertisseurs étant reliés entre eux de manière à permettre un transfert d'énergie dans les deux sens entre ladite source et ledit induit,
les électrodes de contrôle des valves de chacun des convertisseurs étant reliées à un générateur d'impulsions de tension positive, lui-même relié à un dispositif de commande délivrant des signaux électriques destinés à contrôler la phase desdites impulsions, caractérisée par le fait que ce dispositif de commande comprend deux sources de tension, l'une délivrant une tension proportionnelle à la vitesse de la machine, l'autre délivrant une tension de référence correspondant à une vitesse désirée,
un premier dispositif comparant ces deux tensions de manière à fournir une tension égale à leur différence, un deuxième dispositif comparant cette dernière tension avec une tension proportionnelle à ladite tension de référence de manière à fournir une tension proportionnelle à l'erreur de vitesse due au seul couple extérieur agissant sur l'arbre de la machine, un élément basculant bistable actionné par -cette dernière tension et délivrant des signaux électriques destinés à contrôler la phase des- dites impulsions de tension positive commandant les valves du convertisseur relié à l'induit,
et un amplificateur délivrant des signaux destinés à contrôler la phase des impulsions commandant les valves du convertisseur relié à la source extérieure, en fonction, d'une part, de ladite différence des deux premières tensions et, d'autre part, de ladite tension proportionnelle à l'erreur de vitesse due au seul couple extérieur.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, le schéma électrique d'une forme d'exécution de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, ainsi que quelques caractéristiques de son fonctionnement.
La fig. 1 est un schéma d'ensemble d'une instal- lation pour le réglage de la vitesse d'une machine asynchrone et l'inversion automatique de son couple.
Les fig. 2 à 7 représentent quelques caractéristiques électriques de l'installation.
La machine asynchrone M qui doit fonctionner aussi bien en moteur qu'en frein et dont la vitesse est réglée, est reliée, d'une part, à un réseau d7ali- mentation A, par l'intermédiaire de son stator et, d'autre part, à un convertisseur statique de fréquence C, par l'intermédiaire de son rotor. Ce convertisseur de fréquence C est constitué, en l'occurrence, par deux convertisseurs statiques CI et CI, chacun en forme d'un pont à double voie, dit pont de Graetz, comportant des valves contrôlées.
Le convertisseur CI qui comprend, en l'occurrence, six valves monoanodiques, par exemple six thyratrons 5 à 10, est relié aux bagues 1 à 3 soli- daires de l'arbre 4 de la machine et connectées au rotor de celle-ci. Les grilles de commande des thyra- trons 5 à 10 sont reliées à un générateur GI d'im- pulsions de tension positive, connecté lui-même aux bagues 1 à 3. Le convertisseur C1 est relié, d'autre part, au convertisseur CI, constitué également par six thyratrons 11 à 16 et connecté au réseau A.
Les grilles des thyratrons 11 à 16 sont connectées à un générateur GII d'impulsions de tension positive lequel est relié au réseau A. Une self L, prévue pour filtrer les harmoniques de courant, est insérée entre les deux convertisseurs.
L'arbre 4 de la machine entraîne une dynamo tachymétrique D destinée à produire une tension proportionnelle à la vitesse de la machine. Cette tension est appliquée à l'une des deux entrées d'un dispositif comparateur 17, destiné à la comparer avec une tension proportionnelle à la vitesse désirée, dite tension de référence, produite par une source non représentée.
La sortie du comparateur 17 est reliée à l'une des entrées d'un amplificateur 18, d'une part, et à l'une des entrées d'un deuxième compara- teur 19 d'autre part. La deuxième entrée de ce comparateur 19 est reliée à la sortie d'un diviseur de tension 20 dont l'entrée est connectée à la source de tension de référence.
La sortie du comparateur 19 est reliée, d'une part, à la deuxième entrée de l'amplificateur 18 et, d'autre part, à l'entrée d'un élément basculant bistable, en l'occurrence d'une bascule de Schmitt 21.
La sortie de l'amplificateur 18 est reliée à l'entrée du générateur GII, tandis que la sortie de la bascule 21 est reliée à l'entrée du générateur GI.
II est à remarquer que les générateurs GI et GII, les comparateurs 17 et 19, le diviseur 20 et la bascule 21 peuvent être. de n'importe lequel des types connus. En l'occurrence, les générateurs GI et GII sont du type à self saturable, les comparateurs 17 et 19 à réseau de résistances et le diviseur 20 à potentiomètre.
Comme on le sait, l'énergie qui se transmet entre le rotor de la machine M et le réseau A est égale au produit de la tension redressée U par le courant continu I circulant entre les deux convertisseurs CI et CI,. Lorsque la machine M fonctionne comme moteur, l'énergie est transmise de celui-ci au réseau, le convertisseur CI étant alors redresseur et le con- vertisseur CI, onduleur.
Par contre, lorsque la machine fonctionne comme générateur (comme frein), l'énergie est transmise du réseau à ce dernier, de sorte que le convertisseur CI doit fonctionner comme onduleur et le convertisseur CI, comme redresseur.
Si l'on considère l'expression définissant le couple de la machine, à savoir C = KcDI cos (p on voit que celui-ci dépend du courant 1 et du cos q-,, le flux étant constant pour une tension d'alimentation donnée.
Or, le cos q) dépend essentielle- ment des instants d'allumage des valves du convertisseur CI, donc de la phase des impulsions commandant celui-ci et il sera le plus élevé lorsque ce dernier fonctionnera soit complètement comme redresseur (cos (p N +1), soit complètement comme ondu-
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leur (cos (p cv -0,9). Il en résulte que le signe du couple dépendra du mode de fonctionnement du convertisseur CI et sa grandeur de l'amplitude du courant 1 circulant entre les deux convertisseurs CI et CI,. donc des instants d'allumage des valves du convertisseur CI,.
Le réglage de la vitesse de la machine M est obtenu au moyen d'un dispositif d'asservissement permettant d'asservir la vitesse de la machine à une vitesse désirée, dite vitesse de référence. Cela est réalisé par la comparaison à chaque instant, d'une tension proportionnelle à la vitesse réelle de la machine avec une tension de référence correspondant à la vitesse désirée, la différence entre ces deux tensions étant utilisée pour le réglage.
Cette différence de tension qui correspond à l'écart entre la vitesse réelle de la machine et la vitesse désirée constitue l'erreur de vitesse. Si l'on désigne par s la tension correspondant à l'erreur de vitesse en présence d'un couple extérieur et par FI la tension correspondant à l'erreur de vitesse en l'absence de couple extérieur (marche à vide), on peut écrire a=ai+es où e., est la tension correspondant à l'erreur de vitesse due au seul couple extérieur.
La tension correspondant à l'erreur de vitesse en l'absence de couple extérieur est proportionnelle à la vitesse de référence
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où la tension R représente la vitesse de référence et G le gain total de la boucle ouverte d'asservissement en vitesse.
La tension d'erreur s2 due au seul couple extérieur est, soit positive, soit négative, selon que la machine fonctionne comme moteur ou comme générateur (frein).
Le procédé d'inversion automatique du couple consiste à déterminer à chaque instant le signe (la polarité) de la tension d'erreur 62 due au seul couple extérieur agissant sur l'arbre de la machine, d'une part, et dans l'utilisation de cette tension E2 pour produire le basculement, de redresseur en onduleur et vice versa, de chacun des convertisseurs CI et CI,, dans le but d'inverser le couple de la machine, d'autre part. Le principe de la détection de ce signe repose sur la relation
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qui découle des relations indiquées plus haut.
Ceci est obtenu au moyen de l'installation représentée schématiquement sur la fig. 1 de la manière suivante La tension UD générée par la dynamo tachy- métrique D, qui est proportionnelle à la vitesse réelle de la machine, est comparée dans le comparateur 17 avec la tension de référence R.
La différence a constituant donc l'erreur totale de vitesse, est appliquée à l'une des entrées de l'amplificateur 18, d'une part, et à l'une des entrées du comparateur 19, d'autre part. A l'autre entrée du comparateur 19 est appliquée la tension FI, donc la tension proportionnelle à la vitesse de référence qui est obtenue par division de la tension de référence R par 1 -f- G dans le diviseur 20. Le retranchement de la tension el de la tension 8 donne à la sortie du comparateur 7 9 la tension a2 en valeur et en signe.
Cette tension e2 est appliquée à l'entrée de la bascule de Schmitt 21, d'une part, et à la deuxième entrée de l'amplificateur 18, d'autre part.
La fig. 2 montre le diagramme du courant II en fonction de la tension 82, c'est-à-dire du signal à la sortie de la bascule 21 destiné à contrôler la phase des impulsions délivrées par le générateur GI en fonction de l'erreur a2. Comme on le voit, le courant II, à la sortie de la bascule 21, ne peut avoir que deux valeurs, l'une maximum, l'autre minimum suivant que la tension e2, à l'entrée de la bascule 21, est positive ou négative.
Par conséquent, les impulsions commandant les grilles des thyratrons 5 à 10 du convertisseur CI seront délivrées par le générateur GI soit avec un déphasage minimum (cv 00), soit avec un déphasage maximum (cv 1800) par rapport à la tension d'alimentation des valves. La fig. 3 montre l'angle d'allumage des valves cpI en fonction du courant II.
La fig. 4 montre le diagramme de la tension continue UI aux bornes du convertisseur CI en fonction de l'angle (pI. Comme on le voit, pour un angle de 90 -1800, le convertisseur CI fonctionne comme redresseur, tandis que pour un angle de 00 à 90 il fonctionne comme onduleur. II en résulte donc que le convertisseur CI fonctionnera soit complètement comme redresseur, soit complètement comme onduleur puisque l'angle cp, ne peut avoir que deux valeurs, l'une maximum, l'autre minimum.
La fig. 5 montre le diagramme de la tension continue UI aux bornes du convertisseur CI en fonction de la tension s2 et cela pour une vitesse donnée. L'amplitude de la tension UI dépend uniquement de la vitesse de la machine (elle est proportionnelle au glissement), sa polarité étant celle de la tension a2. Elle est donc positive lorsque la machine fonctionne comme moteur et négative lorsque la machine fonctionne comme générateur (frein).
Quant au convertisseur CI,, la tension continue UII est fonction de l'angle III, lequel est dépendant du courant III, c'est-à-dire du signal obtenu à la sortie de l'amplificateur 18. Le courant III dépend à la fois de la tension e et de la tension s2 qui sont appliquées aux deux entrées de l'amplificateur 18. La fig. 6 montre cette dépendance.
L'amplitude du courant III dépend de la tension s et peut avoir, pour chaque valeur de celle-ci, deux valeurs symétriques (une à la fois), par rapport à la valeur du courant pour laquelle l'angle cpII est de 900, l'une pour e2 positive, l'autre pour e2 négative.
II en est de même en ce qui concerne la tension continue UII aux bornes du convertisseur. La fig. 7 montre le diagramme de la tension UII en fonction
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des tensions e et & ,. On voit que pour chaque valeur de la tension e, la tension Un peut avoir deux valeurs symétriques, soit une valeur positive lorsque la tension F. est négative, soit une valeur négative lorsque est positive.
Il est à signaler que l'amplificateur 18 est agencé de façon que l'angle cpIl soit proportionnel à l'erreur totale e, lorsque le convertisseur CI, fonctionne comme onduleur (e, positive), et qu'il décroisse linéairement avec l'augmentation de e, lorsque le convertisseur Cil fonctionne comme redresseur (e, négative).
Il s'agit d'un amplificateur classique muni d'un étage supplémentaire agencé de manière à provoquer l'inversion de phase des signaux et à permettre la superposition d'un courant d'amplitude constante et égale à l'amplitude maximum de Iii lorsque le convertisseur CI, fonctionne comme redresseur. Cet étage est commandé par la tension e, et cela de manière qu'il se trouve hors ou en circuit suivant que la tension e, est positive ou négative.
Comme on le voit par ce qui précède, la partie de l'installation décrite et représentée, comprenant la dynamo D, la source de tension de référence R, les deux comparateurs 17 et 19, le diviseur 20, l'amplificateur 18 et la bascule 21, constitue un dispositif de commande délivrant des signaux électriques destinés à contrôler la phase des impulsions délivrées par les générateurs GI et GII et commandant les instants d'allumage des valves que comprennent les convertisseurs CI et CII.
Les signaux délivrés par ce dispositif de commande dépendent, d'une part, de l'erreur totale de vitesse et, d'autre part, de l'erreur de vitesse due au seul couple extérieur agissant sur l'arbre de la machine, notamment de son signe. Lorsque cette dernière erreur est positive la machine fonctionne comme moteur, lorsqu'elle est négative la machine fonctionne comme frein (générateur). L'installation produit donc une inversion automatique du sens du couple de la machine chaque fois que le sens du couple extérieur change.
La machine asynchrone dont la vitesse est réglée au moyen de l'installation décrite peut donc fonctionner aussi bien en frein qu'en moteur, en régime permanent comme en régime transitoire, et cela d'une manière automatique sans aucune intervention manuelle.