Convertisseur électromécanique
La présente invention concerne un convertisseur électromécanique pour déplacement linéaire ou angulaire, utilisable dans des amplificateurs de relais et des amplificateurs d'interrupteurs dans le domaine électropneumatique ou électrohydraulique avec amplification supplémentaire, ainsi que dans des électro-aimants de commande avec coefficient d'amplification propre.
Différents types de convertisseurs électromécaniques dont le rôle est de convertir la grandeur électrique de commande dans une action mécanique sont utilisés soit pour le déplacement de certains organes mobiles (armatures) afin d'établir des contacts avec des relais, contacteurs, interrupteurs, etc., soit pour exécuter des commandes pneumatiques ou hydrauliques ou pour effectuer des actions mécaniques (par exemple la sélection d'un mécanisme classeur automatique).
Les convertisseurs ou converteurs électromécaniques les plus employés pour les relais et les interrupteurs, les clapets de classement des mécanismes automatiques ainsi que pour d'autres domaines d'utilisation sont les converteurs avec électro-aimants. Ce sont des éléments simples, offrant une bonne sécurité de fonctionnement ce qui justifie leur emploi fort répandu.
Ces converteurs à électro-aimants et armature mobile avec déplacement linéaire ou circulaire présentent une série de désavantages que la présente invention se propose d'éviter.
Le convertisseur selon l'invention est caractérisé par le fait que le champ dans l'entrefer qui détermine le déplaeement de l'élément mobile est donné par les ampères-tours de deux bobines de charge de deux éléments d'un amplificateur magnétique avec autosaturation, ayant les circuits magnétiques fermés par des shunts magnétiques saturés dans les parties dirigées vers l'entrefer, ces shunts ayant un nombre de tôles inférieur à celui des autres parties des circuits, les deux bobines de change sont alimentées tour à tour par des impulsions de courant, le courant dans chaque bobine étant unidirectionnel, et par le fait que des bobines de commande à courant continu, commandent l'augmentation ou la baisse du champ dans l'entrefer et implicitement le déplacement de l'élément mobile.
Dans ce qui suit, on donne plusieurs exemples de dispositifs selon l'invention, ainsi que quelques exemples d'utilisation de tels dispositifs.
Les fig. 1 à 12 représentent:
la fig. 1 un noyau magnétique du convertisseur selon l'invention,
la fig. 2 la disposition des tôles avec shunt de deux en deux tôles,
la fig. 3 un schéma de connexion d'un convertisseur amplificateur avec armature mobile (relais ou contacteur),
la fig. 4 un schéma de principe pour un mécanisme automatique de classement dimensionnel avec convertisseurs amplificateurs,
la fig. 5 une coupe à travers un convertisseur amplificateur sans armature mobile,
la fig. 6 des courbes caractéristiques courant de charge-courant de commande du convertisseur représenté dans la fig. 5:
ouvert (ligne pleine) et fermé (ligne pointillée),
la fig. 7 le flux clos dans le convertisseur de la fig. 5 (fermé),
la fig. 8 un schéma d'un interrupteur triphasé avec un convertisseur amplificateur sans armature,
la fig. 9 un schéma d'un convertisseur électropneumatique avec amplification supplémentaire,
la fig 10 un schéma d'un convertisseur électrohydraulique avec amplification supplémentaire,
la fig. 1 1 un schéma de commande d'un moteur asynchrone commandé directement depuis les traducteurs du système de programmation par l'intermédiaire d'un interrupteur avec convertisseur amplificateur,
la fig. 12 un schéma d'un dispositif de contrôle automatique de la température d'un four à l'aide d'un interrupteur et d'un convertisseur amplificateur.
Ainsi la fig. 1 montre la partie amplificatrice d'un convertisseur conformément à l'invention utilisé comme amplificateur, le convertisseur présentant des bobines 2 et 3 (chacune composée d'une bobine de travail et d'une bobine de commande) avec une culasse des ponts magnétiques dans la partie supérieure, telle que montrée dans le détail A . On observe que dans la partie supérieure montrée dans le détail (c A les tôles manquent de deux en deux. Dans la fig. 2 on voit les tôles de section U et les tôles de section I qui composent le noyau, les tôles 4 de section I sont montées seulement sur la culasse inférieure, celles de la culasse supérieure manquent comme il a été indiqué ci-dessus. Dans la fig. 3 on voit la connexion type d'un convertisseur, utilisé comme relais de haute puissance ou comme interrupteur. La tension de commande a été notée par Uc.
On remarque des bobines de travail 5, des bobines de commande 6, des diodes 7 et 8, une armature 9 et des contacts actionnés 10. Le mécanisme automatique de classement dimensionnel montré dans la fig. 4 comprend des convertisseurs 11 et 12, qui coopèrent des éléments classeurs d'après les dimensions mesurées par le traducteur T.
Le convertisseur amplificateur représenté dans la fig. 5 comprend un élément mobile 13 et un élément fixe 14. Les shunts magnétiques sont notés avec 15, 16 pour l'élément mobile et avec 17, 18 pour l'élément fixe. Le détail B indique que les ponts 18 sont disposés de telle manière qu'un seul pont ferme les flux de trois tôles du noyau 14. Les bobines de commande et de charge des éléments, connectés d'après un schéma d'amplificateur magnétique avec feedback, ont été notées par 19, 20, 21 et 22.
La connexion des bobines de commande et de charge avec les diodes est faite de telle manière (la direction des bobines par rapport aux noyaux est choisie de telle manière) que lors de l'accouplement magnétique des noyaux, la composante continue des flux s'additionne et la deuxième harmonique qui est produite dans les shunts s'additionne aussi. Dans le convertisseur représenté dans la fig. 5 dont les bobines sont connectées de manière semblable à celles du convertisseur représenté dans la fig. 3, il doit être précisé que les bobines de commande 19 et 21 sont connectées en série (comme les bobines 6 de la fig. 3), et qu'elles sont parcourues par des courants continus de commande.
Les bobines de charge 20 et 22 sont connectées en série avec deux diodes non représentées, de la même manière que les diodes 7 et 8 dans la fig. 3, puis en parallèle à la source de courant alternatif d'alimentation. Le sens de conductibilité des diodes est opposé à une branche parallèle par rapport à l'autre branche. A cause du caractère non linéaire de la caractéristique magnétique des ponts 15, 16, 17, 18 (et aussi du circuit magnétique dans son ensemble) la variation du courant de charge 1c (commun aux deux branches: impulsion de courant en contretemps) avec le courant de commande I'e (courant continu), sera celle représentée dans la fig. 6 avec ligne continue (si les noyaux sont découplés: fig. 5), et avec la ligne interrompue (si les noyaux sont accouplés: fig. 7).
La caractéristique avec ligne continue est similaire à la caractéristique d'un amplificateur magnétique à autosaturation (voir par exemple H. Storm: Magnetic amplifiers , Willey and
Sons N. Y. ou W. Schilling: Grundlagen einer Theorie des magnetischen Verstarkers , E.T.Z. 1951, Bd77,
S.465).
Dans la fig. 6 on peut remarquer les caractéristiques du courant passant par les bobines de charge 1c par rapport avec le courant de commande re, lorsque les éléments du convertisseur sont éloignés l'un de l'autre (ligne pleine) et après leur attraction (ligne pointillée).
On observe que pour le même courant de commande (¯re), le courant 1c est élevé avant l'accouplement et très réduit après l'attraction des éléments (c'est-à-dire en régime permanent). Le courant 1c est également réduit à un signal de commande qui correspond à la position découplée (+ 1'ci)
Dans ces conditions à un faible courant de charge Ief de manière que les noyaux sont déplacés 1 un vers l'autre. Mais pour réaliser ce déplacement il faudra que les enroulements de charge (chacun parcouru par un courant composé d'impulsions unidirectionnelles, donc avec une importante composante continue), soient connectés de sorte que les flux s'additionnent dans le circuit magnétique commun des noyaux (voir fig. 7).
La fig. 7 montre les éléments du convertisseur en position couplée et indique le mode de fermeture de la composante continue, respectivement de la deuxième harmonique (tiret-2 points-tiret) du flux. La fig. 8 montre le schéma d'un interrupteur (contacteur) triphasé de puissance, coopérant avec un convertisseur amplificateur sans armature, où on a représenté avec 23, 24 les noyaux du convertisseur, avec 25, 26 les bobines de charge et de commande, avec 27, 28 les diodes, et avec 29 les contacts de l'interrupteur. Dans la fig. 9 on note 30, 31 les éléments du convertisseur amplificateur, qui après réception d'un signal de commande très petit, ouvre la soupape 32, laquelle permet le passage de l'air comprimé dans le sens des flèches. Pour le convertisseur électrohydraulique de la fig. 10 on a représenté avec 33 le distributeur, 34 la pompe et 35 le moteur hydraulique.
Dans la fig. 1 1 on voit le moteur asynchrone 36, le convertisseur amplificateur 37, commandé directement par les photodiodes 38, 39, connectées en pont et éclairées par la source lumineuse 40 à travers le porte-programme 41. Dans la fig. 12 on remarque le système de régularisation de la température d'un four 42 (pour traitement thermique ou séchoir, etc.) chauffé par des éléments résistifs, connectés au réseau par l'intermédiaire du convertisseur 43, d'après la grandeur de l'écart traduit dans un signal lumineux par Ie disque obturateur 44 de l'instrument indicateur, connecté au thermocouple 45.
Le schéma est utilisé pour le contrôle des photodiodes 46, 47 connectées en pont. Les enroulements de contrôle 48 du convertisseur sont connectés dans la diagonale du pont.
Le convertisseur qui vient d'être décrit permet d'opérer, sans armature indépendante, des contacteurs de puissance de 380V et de 50 à 100A avec une puissance d'entrée très basse (5 mW -10 mW), donc directement depuis les traducteurs avec sortie sous courant continu (photodiodes, thermistors, etc.). Ceci permet de simplifier considérablement les schémas opératoires avec commande automatique, des moteurs asynchrones (50 ka) pouvant être commandés depuis les traducteurs cités ci-dessus ou depuis la sortie des circuits logiques sans éléments intermédiaires entre le traducteur et le contacteur (relais, amplificateur de puissance, etc.).
D'autre part, les éléments intermédiaires avec contacts mobiles (relais) sont supprimés de sorte que la sécurité de fonctionnement des circuits de commande est augmentée. I1 est donc possible de réaliser des schémas de commande électropneumatique ou électrohydraulique fortement simplifiés, en commandant les éléments d'exécution directement depuis les traducteurs.