Dispositif de réglage de la vitesse de rotation d'un moteur synchrone
L'invention a pour objet un dispositif de réglage de la vitesse de rotation d'un moteur synchrone, à induit alimenté par un onduleur à thyristors, à commutation forcée, I'onduleur étant alimenté par une tension continue constante, ce dispositif comprenant deux chaînes de réglage liées inductivement entre elles dans l'entrefer du moteur, la première chaîne réglant la valeur moyenne de la vitesse angulaire du moteur en agissant sur la fréquence de la tension de sortie de l'onduleur, fréquence qui est commandée par un convertisseur tension-fréquence à l'entrée duquel est appliquée une tension de référence et qui détermine par un circuit à éléments logiques, en fonction de cette tension, les écarts dans le temps des impulsions d'allumage successives des thyristors de l'onduleur,
cette première chaîne réglant également la valeur moyenne de la tension appliquée à l'induit du moteur, I'onduleur étant à cet effet également commandé par un convertisseur tension-durée à l'entrée duquel est appliquée une tension continue qui détermine la durée de conduction des thyristors de l'onduleur en variant le retard des impulsions d'extinction de ces thyristors relativement aux impulsions d'allumage correspondantes, la deuxième chaîne réglant le courant d'excitation du moteur, à l'aide d'un élément sommateur connecté à l'inducteur du moteur par l'intermédiaire d'lm amplificateur, cet élément sommateur faisant la somme algébrique d'au moins deux composantes de ce courant, dont l'une est produite par une source de tension continue et est appliquée à une entrée de l'élément sommateur.
Les solutions connues pour l'alimentation des moteurs synchrones par des convertisseurs statiques de tension et fréquence à thyristors, n'écartent pas en général le danger des oscillations du moteur causées par des variations du couple mécanique appliqué à son arbre. On connait une solution qui remplace par des moyens de commande électrique l'effet d'un enroulement amortisseur, mais elle n'évite pas la variation de l'angle de charge du moteur ou angle de déphasage interne. On connaît aussi une solution pour le réglage de cet angle de déphasage. On compare des trains d'impulsions de référence avec des trains d'impulsions qui traduisent la position du rotor et on agit sur le courant d'excitation du moteur pour maintenir cet angle quand le couple mécanique varie.
Cette solution n'assure pas une corrélation biunivoque entre la valeur de l'angle de déphasage interne et les signaux qui lui correspondent, il s'ensuit qu'il est difficile de fixer une valeur donnée, bien déterminée de cet angle. Etant donné la grande inertie électromagnétique de la voie d'action, on rencontre des difficultés dans le cas des variations rapides du couple mécanique. De plus, I'utilisation d'une boucle de réglage classique conduit au fait qu'on ne peut pas empêcher l'apparition d'un écart initial de l'angle de déphasage, indispensable pour déclencher le processus de réglage.
On connaît aussi des solutions utilisant un onduleur à thyristors commandés par la tension propre du moteur synchrone, I'onduleur étant alimenté par la tension de sortie d'un redresseur commandé, branché au réseau.
Grâce à ces solutions il est possible d'atténuer les risques d'oscillations et de décrochages du moteur, mais au prix de la rigidité de la caractéristique mécanique du moteur, dont le comportement cinématique se rapproche de celui des moteurs à courant continu. Ces solutions rendent également plus difficile le démarrage autonome du moteur, opération qui nécessite la commutation forcée du courant d'une phase à l'autre de l'enroulement de l'induit.
On peut éviter les inconvénients cités en utilisant, conformément à la présente invention, un dispositif qui est caractérisé en ce que la deuxième chaîne, qui fournit le courant d'excitation, règle également la valeur de l'angle de déphasage interne du moteur, par un réglage de ce courant d'excitation qui est obtenu à l'aide d'un générateur de fonction dont la sortie est branchée à une autre entrée de l'élément sommateur et qui produit iin courant alternatif de forme, d'amplitude et de phase ajustables, mais dont la période est commandée par la vitesse de rotation du moteur au moyen d'un signal de réaction appliqué sous forme d'une tension à l'entrée du générateur, et en ce que la première chaîne, qui fournit la tension de fréquence alimentant l'induit du moteur,
assure la compensation des imperfections dudit réglage du courant d'excitation du moteur en vue de maintenir la valeur imposée pour l'angle de déphasage interne du moteur en rapport avec les variations du couple mécanique appliqué, en appliquant à l'entrée du convertisseur tension-durée la tension de sortie d'un comparateur qui fait la différence entre une tension de référence et une autre tension représentant ledit angle de déphasage.
La figure unique du dessin représente à titre d'exemple, et sous forme d'un schéma-bloc, une forme d'exécution du dispositif, objet de l'invention.
Ce dispositif comprend un onduleur 1 à thyristors, à commutation forcée, alimenté par une tension continue constante u,, obtenue à l'aide d'un redresseur à diodes au silicium 2, couplé au réseau électrique industriel La La sortie de l'onduleur 1 est connectée à l'induit 3 du moteur synchrone M. A l'onduleur 1 sont connectés: un convertisseur de signal tension-fréquence 4 et un convertisseur de signal tension-durée 5. A l'entrée du premier convertisseur 4 est appliquée, sous la forme d'une tension continue, la grandeur de référence n' pour la valeur de la vitesse angulaire du moteur et qui, à l'aide d'un circuit à éléments logiques, permet, à des moments successifs, le passage des impulsions de tension qui commandent l'allumage et l'extinction des thyristors de l'onduleur 1.
A l'entrée du second convertisseur 5 est appliquée une tension donnée par un comparateur 6 qui compare la grandeur de référence ' et la valeur mesurée a de l'angle de déphasage interne du moteur, les deux signaux étant donnés sous forme de tensions continues, le second signal étant fourni par un capteur non représenté des valeurs instantanées de déphasage. A la sortie du convertisseur 5 on obtient des impulsions de tension qui sont en retard, par rapport aux impulsions correspondantes non retardées d'une durée proportionnelle à la tension d'entrée du convertisseur 5. Les impulsions nonretardées en provenance du convertisseur 4 sont employées pour l'allumage et celles retardées en provenance du convertisseur 5, pour l'extinction des thyristors de l'onduleur 1.
A l'inducteur 7 du moteur M est connecté, par l'intermédiaire d'un amplificateur 8, un élément sommateur 9 qui donne à sa sortie le courant d'excitation du moteur
M, courant qui est constitué par la somme algébrique de trois composantes. La première ('xi) est fournie par une source de tension continue réglable, non représentée. La seconde (I,,) est fournie par un générateur de fonction 10 capable d'engendrer une tension de forme, d'amplitude et de phase imposées, générateur auquel on applique, à son entrée, la valeur mesurée de la vitesse angulaire n du moteur, donnée par un capteur non représenté, cette valeur imposant la période de la tension de sortie du générateur 10.
La troisième composante est appliquée à l'entrée de l'élément sommateur 9 par l'intermédiaire d'un comparateur 11 qui compare la tension réelle U
ré, du réseau avec la tension nominale Urne, pour compenser les effets des variations perturbatrices de la tension du réseau électrique industriel.
On peut séparer le dispositif décrit en deux chaînes de commande principales. La première chaîne contient l'onduleur 1, les convertisseurs de signal tension-fréquence 4 et de signal tension-durée 5, le comparateur 6 et l'induit 3. Il faut ajouter encore le capteur de mesure de l'angle de déphasage a, non représenté au dessin. Les grandeurs d'entrée sont la tension continue u,, le couple mécanique appliqué cs, les valeurs de référence, sous forme des tensions continues, n' et ' et le signal de réaction a, toujours sous forme d'une tension continue. Les grandeurs de sortie sont les valeurs de la vitesse angulaire n et l'angle de déphasage interne a, il faut ajouter aussi le couple mécanique Ca développé par le moteur.
La seconde chaîne contient l'élement sommateur 9, I'amplificateur 8, le générateur de fonction 10, l'inducteur 7 et l'induit 3 du moteur M. Il faut ajouter aussi le capteur de la vitesse angulaire n, non représenté au dessin.
Les grandeurs d'entrées sont les deux composantes du courant d'excitation ('exi) (continu) et (Iex2) (alternatif) et le couple mécanique appliqué Cs. Les grandeurs de sortie sont la vitesse n, l'angle a, et le couple C,, les mêmes que pour la chaîne précédente.
La liaison entre les deux chaînes est faite d'une façon inductive, dans l'entrefer du moteur.
Enfin le dispositif comprend une chaine auxiliaire de compensation de la tension du réseau, comprenant le comparateur 11 dont les grandeurs d'entrée sont la tension nominale U'rés, du réseau et la tension réelle U du réseau, la grandeur de sortie étant constituée par la différence de ces deux valeurs.
Le fonctionnement du dispositif décrit est le suivant:
La valeur moyenne de la vitesse angulaire n du moteur M est donnée par la fréquence de sortie f de la tension de sortie u de l'onduleur 1. La valeur de l'angle de déphasage interne du moteur est donnée par l'action combinée de la tension de sortie u de l'onduleur 1, du courant d'excitation ieX fourni par l'élément sommateur 9 (par l'intermédiaire de l'amplificateur 8) et du couple mécanique Cs appliqué à l'arbre du moteur M. Si le couple mécanique Cs augmente, la vitesse angulaire n tend à diminuer, et l'angle de déphasage interne a tend à augmenter.
Si le courant d'excitation ieX augmente aussi d'une manière convenable un moment avant le commencement de l'augmentation du couple mécanique, les tendances à la variation de la vitesse angulaire, respectivement de l'angle de déphasage interne sont supprimées.
Si la compensation n'est pas parfaite, la boucle de réglage de l'angle de déphasage assure l'augmentation nécessaire de la tension u pour que cet angle revienne à sa valeur initiale et que la valeur de la vitesse angulaire revienne rapidement à sa valeur initiale. C'est-à-dire que les deux chaînes de commande, I'une par le courant d'excitation,
I'autre par la boucle de régulation de l'angle de déphasage interne, exercent une action réciproque favorable, la première facilitant l'action de la seconde par la modulation du courant d'excitation, la seconde assurant par la boucle de réglage de l'angle de déphasage la compensation des imperfections de l'action de la première chaîne.
Si le couple mécanique Cs diminue, les processus décrits se répètent, mais les variations se produisent en sens contraire.
La chaîne auxiliaire comprenant le comparateur i 1 permet de compenser les effets des variations de la tension du réseau.
Le moteur synchrone et son dispositif de réglage permettent la variation continue de la vitesse de rotation entre de larges limites. Cette vitesse n'est plus fonction du courant d'excitation comme dans le cas des moteurs à courant continu, et l'indépendance prononcée des propriétés cinématiques envers les variations du couple mécanique permettent tous les comportements demandés par la machine entraînée, en particulier le fonctionnement à couple constant ou à puissance constante dans tout le domaine de variation de la vitesse. Le poids et les dimensions du moteur seront plus faibles que dans le cas d'un moteur à courant continu de même performance. De plus il n'y a pas de collecteur.
Le réglage du courant d'excitation est compatible non seulement avec la commande de l'angle de déphasage interne du moteur, mais aussi avec celle du courant de l'induit ou de la puissance réactive aux bornes principales. La possibilité de supprimer ou de diminuer la variation de la puissance réactive facilite l'utilisation des onduleurs de grande puissance.
Par la solution décrite, I'angle de déphasage interne du moteur est réglé à la valeur désirée par sa tension de référence appliquée à l'entrée du comparateur de la boucle de réglage de cet angle. Cette boucle agit par l'induit du moteur, c'est-à-dire par une voie à inertie électromagnétique réduite. De plus, à cette boucle de réglage classique revient seulement une action régulatrice conn- plémentaire, la tâche principale consistant à éviter les effets des variations du couple mécanique étant assumée par le réglage du courant d'excitation du moteur.
Il est possible que ce réglage soit fait en tenant compte de l'inertie électromagnétique de l'inducteur du moteur et des autres causes de retard, donc il n'est plus nécessaire d'avoir un écart initial entre la valeur instantanée de l'angle de déphasage interne et la valeur imposée pour déclencher le processus de réglage. Si l'intervention de la boucle de réglage est nncessaire, c'est seulement pour compenser les imperfections du réglage du courant d'excitation et notamment par une voie à inertie électromagnétique réduite. Ainsi, quand il s'agit des variations périodiques prévisibles du couple mécanique appliqué à l'arbre du moteur, par l'action combinée des deux chaînes de commande décrites, on peut compter sur une efficacité élevée.
Dans ce cas, la chaîne qui agit en réglant le courant d'excitation, réduit la tendance à un écart de l'angle réglé, tandis que la boucle de réglage de la deuxième chaîne, qui agit par la tension d'alimentation de l'induit du moteur, élimine les imperfections du réglage du courant d'excitation. On voit que, par cette action combinée, il n'est plus indispensable de prévoir un réglage trop rigoureux du courant d'excitation et les effets d'éventuelles variations aléatoires du couple mécanique sont aussi atténués. S'il est possible de détecter les variations du couple mécanique par des capteurs convenablement placés, le réglage nécessaire peut être obtenu à l'aide d'un générateur de fonction comprenant ces capteurs et des traducteurs des grandeurs qui déterminent les variations du couple. Les capteurs détectent les valeurs anticipées de ces grandeurs.
La commande bien déterminée de l'angle de déphasage interne assure les prémises d'une régulation de position et de la création d'une synchro-machine de puissance ù hautes performances. Il est également possible de réaliser la commande synchrone et en phase de plusieurs moteurs éloignés les uns des autres, possédant des puissances bien différentes et fonctionnant à vitesse variable, ou l'entraînement d'un arbre de travail commun par plusieurs moteurs avec une répartition de la charge proportionnelle aux puissances des moteurs d'entraînement et sans efforts mécaniques parasites dans les différentes sections de l'arbre.