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Title:
DEVICE FOR STOPPING A SINGLE-PHASE ASYNCHRONOUS MOTOR WITH PHASE-SHIFTING CAPACITOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/073913
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a device for stopping the motor when the load on the motor exceeds a predetermined value. It comprises means (D1, DZ, R1, R2) transforming the voltage variation at the phase-shifting capacitor terminals corresponding to a specific torque variation into a selected voltage variation whatever the maximum torque developed, means comparing (T1) the transformed voltage (UB) with a reference voltage and means for stopping the motor when the transformed voltage is less than the reference voltage.

Inventors:
BRUNO SERGE (FR)
Application Number:
PCT/IB2001/000494
Publication Date:
October 04, 2001
Filing Date:
March 23, 2001
Export Citation:
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Assignee:
SOMFY (FR)
BRUNO SERGE (FR)
International Classes:
B60J7/057; B60J1/17; H02H3/38; H02H7/085; H02P3/18; (IPC1-7): H02H7/085
Foreign References:
EP0408493A11991-01-16
EP0551053A11993-07-14
US4722019A1988-01-26
DE4211495A11993-03-18
Attorney, Agent or Firm:
Meylan, Robert M. (Case postale 375, Gen�ve 12, CH)
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Claims:
Revendications
1. Dispositif d\'arrt d\'un moteur asynchrone monophasé à condensateur de déphasage (C) utilisant la variation de la tension aux bornes de ce condensateur en fonction de la vitesse du moteur variant elle-mme avec la charge, pour arrter le moteur lorsque la charge sur le moteur dépasse une valeur déterminée, caractérisé en ce qu\'il comprend des moyens (D1, DZ, R1, R2) de transformation de la variation de la tension aux bornes du condensateur de déphasage correspondant à une variation de couple déterminée en une variation choisie de la tension quel que soit le couple maximum développé par le moteur, des moyens de comparaison (T1) de la tension transformée (UB) avec une tension de référence (UB-UD) et des moyens d\'arrt du moteur lorsque la tension transformée est inférieure à la tension de référence.
2. Dispositif d\'arrt selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transformation de la tension comprennent un redresseur de tension (D1), un abaisseur de tension (DZ) et un diviseur de tension (R1, R2) auquel est appliquée la tension obtenue après 1\'abaisseur de tension.
3. Dispositif d\'arrt selon la revendication 2, caractérisé en ce que 1\'abaisseur de tension est une diode Zener.
4. Dispositif d\'arrt selon la revendication 3, caractérisé en ce qu\'il comprend un premier intégrateur (R2, Cl) auquel est appliquée la tension divisée (UB) par le diviseur de tension, ce premier intégrateur délivrant une tension image du couple, un second intégrateur (R3, C2) fournissant une tension de référence (UB-UD) à partir de la tension image du couple, un comparateur flottant (T1) auxquels sont appliqués la tension image du couple et la tension de référence et un étage de sortie (T2) délivrant un signal d\'arrt lorsque la tension image du couple est inférieure à la tension de référence.
5. Dispositif d\'arrt selon la revendication 4, caractérisé en ce que le comparateur flottant est constitué d\'un transistor (T1).
6. Dispositif d\'arrt selon l\'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu\'il comprend un microprocesseur pour le traitement numérique de la tension transformée et divisée.
7. Dispositif d\'arrt selon la revendication 6, caractérisé en ce que le microprocesseur mesure la différence entre les valeurs de crte de la tension divisée (UB) entre l\'alternance n+m et n, où m est un nombre entier déterminé et invariable, tant que les valeurs de crte diminuent ou sont égales et arrte le moteur lorsque cette différence dépasse un seuil donné, et en ce que le microprocesseur redémarre le calcul à zéro lorsqu\'une valeur de crte est supérieure à la précédente.
8. Dispositif d\'arrt selon l\'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu\'il comprend des moyens de modification de la tension transformée pendant au moins une phase critique de fonctionnement.
9. Dispositif d\'arrt selon la revendication 8, dans lequel les moyens de transformation de la tension comprennent un diviseur de tension (R1, R2), caractérisé en ce que les moyens de modification de la tension transformée sont constitués de moyens de mise en parallèle d\'au moins une résistance (R6) à l\'une des résistances (R1, R2) du diviseur de tension.
10. Dispositif d\'arrt selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de mise en parallèle sont constitués d\'un transistor (T3) commandé par un temporisateur ou par le microprocesseur.
Description:
Dispositif d\'arrt d\'un moteur asynchrone monophasé à condensateur de déphasage L\'invention a pour objet un dispositif d\'arrt d\'un moteur asynchrone monophasé à condensateur de déphasage utilisant la variation de la tension aux bornes du condensateur de déphasage en fonction de la vitesse du moteur variant elle-mme avec la charge, pour arrter le moteur lorsque la charge sur le moteur atteint une valeur déterminée.

Un tel dispositif est décrit dans le brevet FR 2 649 260. Ce dispositif comprend un circuit délivrant une tension continue homothétique de la tension aux bornes du condensateur de déphasage du moteur, un circuit délivrant au moins une tension constante de référence et un circuit comparateur comparant ces deux tensions et délivrant un signal d\'arrt lorsque la tension continue homothétique devient égale ou inférieure à la tension de référence.

Un tel circuit est particulièrement utile comme dispositif de sécurité pour arrter le moteur d\'une installation dans laquelle la charge entraînée par le moteur risque de rencontrer un obstacle avec les risques d\'écrasement ou de détérioration de l\'installation que cela comporte. A titre d\'exemple on peut citer les portes, volets et stores motorisés.

Un dispositif analogue est décrit dans le brevet EP 0 551 053. Ce dispositif comprend en outre des moyens de compensation pour tenir compte de la

fluctuation de la tension aux bornes du condensateur de déphasage avec la température du moteur. Dans le dispositif précédent la tension de référence est de préférence constituée d\'une tension asservie à la tension du réseau d\'alimentation pour s\'affranchir des fluctuations de cette tension.

Dans les deux dispositifs selon l\'art antérieur, la tension mesurée est appliquée à un transformateur suivi d\'un circuit redresseur avant d\'tre appliquée à l\'une des entrées d\'un circuit comparateur, le rapport de transformation étant sensiblement égal à 30.

Or, dans la pratique, de tels dispositifs peuvent s\'avérer incapables de détecter une variation de couple avec une sensibilité et une précision satisfaisante.

Ceci découle du fait que dans un moteur asynchrone à condensateur de déphasage, la tension aux bornes du condensateur est sensiblement constante quel que soit la caractéristique du moteur. Cette tension est sensiblement de 560V lorsque le moteur n\'est soumis à aucune charge et de 460V lorsque le moteur est bloqué c\'est-à-dire chargé à son couple maximum. La variation totale de la tension aux bornes du condensateur est donc de 100V et cette variation est sensiblement linéaire. Ainsi, si on souhaite détecter une variation de couple de 1N, pour un moteur développant un couple maximal de 4N, la variation de tension aux bornes du condensateur sera de 100V/4 c\'est-à-dire de 25V, alors que pour un moteur développant un couple maximal de 40N la variation de tension aux bornes du condensateur sera de 100V/40 c\'est-à-dire 2,5V.

Si l\'on considère que le rapport de transformation du transformateur est de 30, on obtient donc, aux bornes du comparateur, pour une variation de couple de 1 N une variation de tension sensiblement égale à 25V/30 = 0,8V pour un moteur développant un couple de 4N et une variation de tension sensiblement égale à 2, 5V/30 = 0,08V pour un moteur développant un couple de 40N.

Cette dernière valeur peut se montrer totalement insuffisante pour détecter avec une sensibilité et une précision satisfaisante une élévation de couple devant entraîner impérativement l\'arrt du moteur.

L\'invention a pour but de remédier à cet inconvénient.

Le dispositif d\'arrt selon l\'invention est caractérisé en ce qu\'il comprend des moyens de transformation de la variation de la tension aux bornes du condensateur de déphasage correspondant à une variation de couple de 1N en une variation choisie de tension quelle que soit la puissance du moteur, des moyens de comparaison de cette variation choisie avec une tension de référence et des moyens d\'arrt du moteur lorsque la tension transformée est inférieure à la tension de référence.

Selon un mode d\'exécution de l\'invention, les moyens de transformation de la tension comprennent un redresseur de tension, un abaisseur de tension et un diviseur de tension auquel est appliquée la tension obtenue après 1\'abaisseur de tension.

L\'abaisseur de tension est de préférence constitué d\'une diode Zener, qui constitue le moyen idéal pour réaliser une chute de tension. La chute de tension pourrait toutefois tre obtenue au moyen d\'un circuit ad hoc.

La tension divisée peut tre traitée au moyen d\'un circuit analogique ou, par échantillonnage, au moyen d\'un microprocesseur.

Pour une variation de couple de 1N on choisira une variation de tension adaptée au circuit de traitement utilisé et assurant une bonne sensibilité. Les seuls composants du dispositif qui devront tre adaptés au moteur sont la diode Zener et la valeur des résistances du diviseur de tension, voire seulement la valeur de l\'une des résistances.

Le dessin annexé représente, à titre d\'exemple, deux modes d\'exécution de l\'invention.

La figure 1 est le schéma électrique d\'un mode d\'exécution à montage analogique.

La figure 2 représente l\'allure des tensions aux points A, B et E du circuit selon figure 1.

La figure 3 représente un mode d\'exécution à microprocesseur utilisant donc une conversion analogique/numérique.

La figure 4 illustre le mode de mesure par échantillonnage du mode d\'exécution représenté à la figure 3.

La figure 5 représente partiellement une variante des modes d\'exécution précédents.

A la figure 1, le moteur monophasé M est représenté comme d\'habitude par ses deux enroulements B1 et B2 et par son condensateur de déphasage C. Ce moteur est alimenté par une source de courant monophasé P à travers l\'un ou l\'autre des interrupteurs I1 ou I2. De manière bien connue, si l\'interrupteur I1 est fermé l\'enroulement B1 constitue l\'enroulement principal et B2 l\'enroulement auxiliaire et le moteur tourne dans un sens, alors que si l\'interrupteur I2 est fermé c\'est l\'enroulement B2 qui joue le rôle d\'enroulement principal et 1\'enroulement Bl le rôle d\'enroulement auxiliaire et le moteur tourne dans l\'autre sens.

Entre les bornes du condensateur de déphasage C sont branchées en série une diode D1, une diode Zener DZ, une résistance R1 et une résistance R2 en parallèle à laquelle est branché un condensateur chimique C1.

La diode Dl constitue un redresseur de tension Rd, la diode Zener un abaisseur de tension Ch et les résistances R1 et R2 un diviseur de tension Div. Quant à R2 et Cl, ils constituent ensemble un premier circuit intégrateur Int présentant une constante de temps 1.

Ces composants sont entourés par un trait fin discontinu à la figure 1.

Le point milieu B du diviseur de tension est relié, d\'une part, à la base d\'un transistor T1 et, d\'autre part, à l\'anode d\'une diode D2 dont la cathode est reliée à l\'émetteur de T1, cet émetteur étant en outre relié à la masse par une résistance R3 en parallèle à un condensateur chimique C2 constituant un second circuit intégrateur Int de constante de temps T2. Ces composants constituent, avec l\'intégrateur R2-C1, une unité de traitement UT. Comme on le verra plus loin, le transistor T1 constitue un comparateur flottant. Le collecteur du transistor T1 est relié à la grille d\'un transistor MOS T2 polarisé par une résistance R5. La source de T2 est reliée à la masse tandis que son drain est relié à la base de T1 à travers une résistance R4.

C\'est sur ce drain, en F, que l\'on obtient le signal commandant l\'arrt du moteur lorsque le couple résistant détecté dépasse un seuil déterminé.

La diode D1 supprime les alternances négatives de la tension aux bornes de C de manière à pouvoir travailler finalement avec un courant quasi continu au niveau de l\'unité de traitement.

Les composants essentiels du circuit sont l\'abaisseur de tension et le diviseur. Pour illustrer leur rôle on examinera deux moteurs de puissance sensiblement différente.

Soit un premier moteur développant un couple maximal de 8N. Lorsque son couple résistant varie de 0 à 8N, la tension aux bornes de son condensateur C varie de 560V

à 460V. La chute de tension est donc de 100V. Pour une variation de couple de IN la variation de tension est donc égale à 12V. Or au niveau de l\'unité de traitement on désire que la tension maximale en B soit de 25V et que la variation de tension soit de 1V pour IN. Le rapport du diviseur de tension R1/R2 doit donc tre égal à 11. La tension maximale au point A doit donc tre égale à 25V x 11 = 275V. Au moyen d\'une diode Zener DZ présentant une tension de Zener de 285V, on abaisse par conséquent la tension maximale au point à 275V.

Dans le second cas, le moteur développe un couple maximum de 50 N. Lorsque le couple varie de 0 à 50 N, la chute de tension aux bornes de C est la mme que précédemment. Pour une variation du couple de 1 N on a donc dans ce cas une variation de tension de 2 V aux bornes de C. Le rapport des résistances du diviseur R1/R2 doit donc tre égal à 1 et la tension maximale en A doit tre égale à 25V x 2 = 50V. La diode DZ doit donc présenter une tension de Zener égale à 510V.

Ainsi, quel que soit le couple maxi développé par le moteur, on pourra obtenir une variation de 1 V pour 1 N au point B en utilisant une diode Zener présentant la tension Zener adéquate et en adaptant le rapport de division du diviseur de tension.

De manière à pouvoir tre utilisée par le montage analogique de l\'unité de traitement UT, la tension au point milieu du diviseur est intégrée par le premier intégrateur R2-C1. La tension au point B est la tension

image du couple. Elle a l\'allure représentée en B à la figure 2. Cette tension est, d\'une part, appliquée à la base du transistor T1 et, d\'autre part, elle est utilisée pour créer une tension de référence au point E, c\'est-à-dire sur l\'émetteur de T1. A cet effet elle est appliquée à travers la diode D2 à l\'intégrateur C2- R3 dont la constante de temps, c\'est-à-dire la constante de décharge 2 est x fois supérieure à Tl, x étant beaucoup plus grand que 1. La diode D2 sépare l\'intégrateur C2-R3 de l\'intégrateur C1-R2 en empchant le condensateur C2 de se décharger à travers R2. On a UB=UE+UD où UD est la chute de tension sur la diode D2 bloquée, d\'où UE=UB-UD. La tension de référence reste pratiquement constante tant qu\'on a une tension en B.

Tant que la tension image du couple appliquée à la base de T1 n\'est pas descendue en dessous de la valeur de référence, c\'est-à-dire la valeur critique ou de seuil, T1 est bloqué et la tension au point G de son collecteur est égale à 0 V. Si la tension image du couple descend en dessous du seuil critique, T1 conduit et le courant à travers R5 crée une tension en G supérieure à 0 V. T2 conduit et un signal d\'arrt apparaît au point F.

Le signal à la sortie F peut tre traité de toutes manières connues. La tension obtenue au point milieu du diviseur R1/R2 peut tre traitée de manière numérique au moyen d\'un microprocesseur pop, comme représenté schématiquement à la fig. 3. Le microprocesseur doit tre équipé d\'un convertisseur analogique/numérique. On procède de préférence par échantillonnage, comme

illustré par la fig. 4. On détecte par exemple la valeur de crte de la tension UB tous les 20 ms. Tant que les crtes des alternances diminuent (ce qui signifie que le couple résistant augmente), ou sont égales, on mesure la différence des valeurs crtes entre les alternances nt4 et n. Si cette valeur, c\'est- à-dire la pente de la droite x, dépasse un seuil donné, on arrte le moteur.

Si une valeur crte d\'une alternance est plus grande que la précédente, on redémarre le calcul à"zéro", car cela veut dire que le couple résistant diminue. On pourrait, bien entendu, mesurer entre n+3 et n ou n+5 et n, etc.

Il est courant que le tablier d\'un volet roulant soit constitué de lames ajourées empilables. Lors d\'une manoeuvre de montée d\'un tel volet complètement fermé, dans un premier temps la charge opposée au moteur augmente de manière progressive : au fur et à mesure de l\'enroulement, il y a dépilement des lames et augmentation simultanée de la charge suspendue et du diamètre d\'enroulement. Puis le dépilement atteint la lame basse, dite barre de charge, qui est généralement lestée de manière importante : il y a alors un pic de couple, qui ne doit pas tre interprété comme un obstacle ou une butée par le dispositif de détection.

Il est possible d\'éviter cet inconvénient en ajoutant temporairement un ou plusieurs éléments résistifs en parallèle avec l\'une des résistances R1 ou R2 du diviseur de tension, de manière à modifier la

sensibilité et la consigne flottante du dispositif pendant la phase critique de démarrage.

La figure 5 illustre une manière de réaliser cette variante d\'exécution. Des circuits représentés aux figures 1 et 3, on a représenté ici seulement les résistances R1 et R2 du diviseur de tension. La modification consiste à ajouter un transistor T3, ici en parallèle à R2, et une résistance R6 branchée entre le collecteur du transistor T3 et le point milieu du diviseur de tension R1/R2. Le transistor T3 fonctionne en interrupteur commandé par une tension appliquée à sa base. T3 est commandé par un temporisateur lors de la mise sous tension du dispositif.

Lors de la mise sous tension, le transistor T3 est conducteur et la résistance R6 est alors en parallèle à R2. Un premier niveau de tension de référence est enregistré par le condensateur C2. Au bout d\'une durée fixe, T3 est bloqué par le temporisateur, ce qui a pour effet de déconnecter R6. Il s\'ensuit une augmentation simultanée des deux tensions d\'entrée et du comparateur flottant et ce dernier ne réagit pas. Par contre, la tension de référence prend une nouvelle valeur qui se rapproche de la tension correspondant au couple normal du moteur en fonctionnement.

Il est possible d\'affiner encore cette amélioration en disposant un deuxième transistor et une résistance supplémentaire en parallèle avec les éléments précédents.

Dans le cas du schéma de la figure 3, le transistor T3 pourrait tre piloté directement par le microprocesseur.

Cette modification, qui serait totalement inutile si les moteurs démarraient à charge constante, permet d\'atteindre en un ou plusieurs paliers successifs la zone de fonctionnement dont la sensibilité est accordée au couple nominal du moteur.

La mise en parallèle d\'un ou plusieurs éléments résistifs avec une des résistances R1 ou R2 du diviseur de tension pourrait tre exécutée pendant d\'autres phases critiques du fonctionnement du moteur.