Brevet FR2008074A1 — publié le 19700116

La présente invention a trait à un générateur de courant alternatif du type sans "balais et plus particulièrement à la protection d'un tel générateur contre certaines défectuosités du système d1 excitation. 5 Des générateurs synchrones alternatifs du type sans balais sont alimentés par une excitatrice à courant alternatif et par un assemblage de redresseurs tournants» Dans de tels systèmes générateurs, le générateur principal a des enroulements d'armature sur le statoi? et un enroulement de champ sur le rotor» Une excitatrice 10 principale à courant alternatif est prévue qui a son enroulement de champ sur le stator et son enroulement d'armature sur le rotor qui est porté par le même arbre que le rotor du générateur principal ou qui peuttourner avec ce rotor du générateur. Un assemblage de redresseurs tournants est en outre monté sur le même arbre qui tourne 15 avec les rotors du générateur et de l'excitatrice et qui est électriquement connecté entre 1'enroulement d'armature de l'excitatrice et l'enroulement de champ du générateur. L'enroulement de champ fixe de l'excitatrice est alimenté par un courant continu provenant d'une source convenable quelconque qui peut être indépendante du 20 générateur principal fourni, par exemple, par une excitatrice pilote. De cette façon, un système générateur est mis en oeuvre qui ne nécessite aucun commutateur ou bague frottante, et aucun contact glissant ou aucun balai. L'expérience a montré que les redresseurs de l'assemblage 25 tournant tombent en panne plutôt dans le mode courtcircuité que dans un mode ouvert. Ce type de panne par court circuit crée cua courant de court circuit dans le circuit de l'armature de l'excitatrice principale et dans les enroulements pendant des parties du cycle de sortie de l'excitatrice. L'amplitude de ces courants de court cir-30 cuit est une fonction des constantes de l'excitatrice et du niveau d'excitation appliqué à l'enroulement de champ fixe de l'excitatrice. Un fonctionnement continu de l'excitatrice principale avec "un redresseur courtcircuité à un niveau d'excitation élevé provoque un chauffage excessif de l'excitatrice et sa destruction éventuelle, 35 ainsi qu'un endommagement possible du générateur principal. L'endommageaient du générateur se produit quand,les spires d'extrémités de l'-excitatrice sont trop chauffées et détériorent les spires in 69 14742 2 2008074 termédiaires, les spires d'extrémités étant perdues quand les spires intermédiaires sont détériorées» les spires intermédiaires des extrémités frottent alors contre les spires d'extrémités de l'enrou.-lement du stator du générateur, l'excitatrice pilote et le régula-5 teur fonctionnent alors au-dessus des niveaux de tension et de courant normaux quand un redresseur est courtcircuité» D'une façon générale, l'excitatrice principale est une machine à courant alternatif triphasé en sorte que, avec un redresseur courtcircuité, le courant démagnétisant de l'armature oscille 10 à la fréquence de l'excitatrice. les variations du flux magnétique dans l'enroulement de champ de l'excitatrice ne peuvent pas suivre les variations du courant démagnétisant en sorte que le courant de l'enroulement de champ de l'excitatrice oscille de façon à maintenir une relation constante entre les ampères tours effectifs totaux et 15 le flux magnétique• l'amplitude du courant moyen de l'enroulement de champ de l'excitatrice ou courant demandé sur une sortie particulière de l'assemblage des redresseurs tournants croît, quant un redresseur est courtcircuité, en comparaison de celle obtenue dans un fonction-20 nement normal» Avec un circuit redresseur redressant les deux altea?-nances, l'excitation nécessaire double sensiblement quand un redresseur est courtcircuité. Avec un circuit redressant une seule des alternances, ce facteur est environ égal à 4. Dans le brevet américain N° 3 210 603 au nom de la deman-25 deresse, on a décrit une disposition-de circuit permettant de protéger des générateurs et des excitatrices de générateur de certains défauts, par exemple des défauts provoqués par le non fonctionnement d'un ou de plusieurs des redresseurs de l'assemblage des redresseurs ou par un défaut d'isolement dans les enroulements de 30 l'armature de l'excitatrice» la disposition décrite dans ce brevet comporte un transformateur de courant connecté dans le circuit de l'enroulement de champ de l'excitatrice et permettant de détecter une augmentation des oscillations du courant de l'enroulement de champ de l'excitatrice due à des défauts de la nature mentionnée 35 ci-dessus» le transformateur de courant permet, en outre, d'isoler la composante continue du courant de l'enroulement de champ de la composante alternative, mais la fabrication de ce transformateur de courant est critique parce que le transformateur est polarisé en 69 14742 3 2008074 courant continu, le niveau de polarisation continu étant égal, au courant moyen de l'enroulement de champ de l'excitatrice. Cette polarisation en courant continu nécessite un transformateur lourd et beaucoup plus coûteux que celui qui serait nécessaire pour la 5 composante alternative seule» En plus du transformateur de courant, la disposition décrite dans ce brevet nécessite une diode de Zener pour engendrer une tension de référence permettant de fournir le signal d'erreur nécessaire pour interrompre l'excitation de l'enroulement de champ de 10 1'excitatrice. La présente invention met en oeuvre un circuit de faible prix, de faible poids et très sûr permettant de détecter la présence d'un redresseur courtcircuité et de limiter le courant de l'en roulement de champ de l'excitatrice à un niveau acceptable en sorte 15 que le système puisse continuer à fonctionnerons provoquer de dommages ultérieurs à l'excitatrice et au générateur. Un niveau acceptable du courant de l'enroulement de champ de l'excitatrice est un niveau qui limite le courant d'armature effectif, un redresseur étant courtcircuité, à celui qui se produit dans un système normal 20 fonctionnant en régime de charge. D'une façon générale, ceci s'obtient en utilisant une simple résistance pour détecter les courants oscillatoires et les , courants excessifs de l'enroulement de champ de l'excitatrice en engendrant une tension d'erreur en réponse à ces courants, un trans-25 formateur de tension pour amplifier la tension et fournir l'isolement du signal, et un circuit à diodes utilisant des diodes ordinaires pour redresser et simultanément engendrer une tension de référence qui est comparée à ladite tension» Quand cette tension d'erreur dépasse la tension de référence, c'est-à-dire la tension 30 de chute directe ou tension de coupure des diodes, un courant circule vers ce dispositif qui interrompt ou limite la tension d'excitation appliquée à l'enroulement de champ de l'excitatrice principale . De cette façon, des éléments standards de faible poids et 35 de faible prix sont employés pour réaliser une protection efficace d'une excitatrice principale et de son générateur principal associé» Ceci a une importance particulière dans des systèmes de puissance électrique d'avions dans lesquels le poids, les dimensions.et la 69 14742 4 2008074. sécurité sont des facteurs essentiels. Ces "buts et avantages de l'invention, ainsi que d'autres, seront mieux compris en se référant à la description détaillée qui va suivre et à la figure unique annexée'. 5 Plus précisément, sur cette figure, on a représenté un mode de réalisation caractéristique de l'invention appliqué à la ■ protection d'un générateur sans balais 1,et d'une excitatrice principale 2. Le générateur 1 peut avoir une construction habituelle, et il comporte un enroulement d'armature triphasé 4 formant une 10 partie d'un stator non représenté et.un enroulement de champ 5 porté sur un rotor non représentée l'excitatrice 2 est une machine à courant alternatif qui a un enroulement d'armature triphasé 8 porté par un rotor non représenté et un enroulement de champ 9 placé sur un stator non représen.-15 té de la machine» l'enroulement d'armature 8 de l'excitatrice est électri-' quement connecté à un assemblage de redresseurs 10 qui est repré£uu-~ té sous forme d'un pont de redressement .triphasé redressant les alternances, bien qu'un autre circuit redresseur convenable puisse 20 être utilisé. Cet assemblage redresseur est connecté entre les enroulements d'armature 8 de l'excitatrice et l'enroulement du champ 5 du générateur de façon à transmettre une excitation continue audit enroulement de la façon qui va être expliquée» le rotor de l'excitatrice 2 qui porte l'enroulement d'rr-25 mature 8 et l'assemblage redresseur 10 et le rotor du générateur ruil porte l'enroulement de champ 5 sont montés ensemble sur un-arbre commun ou bien mécaniquement connectés de façon à pouvoir''etre entraînés en rotation par un arbre commun, comme indiqué parole ccn ■ tour en traits mixtes 12» 30 L'enroulement de champ de l'excitatrice 9 reçoit une es::- - tation à courant continu provenant d'une"source de courant contiav convenable représentée schématiquement sur la figure sous forme d'une excitatrice pilote 14. Cette excitatrice pilote peut, par exemple, comporter un aimant permanent 15 commandé par l'arbre du 35 générateur principal et électromagnétiquement relié à un enroule d'armature.fixe 16 électriquement connecté à un,,régulateur 18 en sorte qu'une tension pilote, est appliquée, au régulateur quand l'arbre, 12 tourne. • • ; ... - ; 69 14742 5 2008074 Le régulateur 18 est fabriqué et construit de façon à commander la tension, d'habitude continue, appliquée à l'enroulement de champ 9 de l'excitatrice principale 2. Cette commande peut être basée star la tension de sortie du générateur principal 1 ou sur 3.U 5 une autre information renvoyée/régulateur 18, ce régulateur fonctionnant de façon à faire varier le courant de champ de l'excitatri-ce principale en maintenant constante la tension de sortie du générateur* Ce système caractéristique sans balais utilise un générateur synchrone alternatif avec une excitation continue sans utiliser 10 de commutateur, de bagues frottantes-ou de balais» Comme expliqué précédemment, un tel générateur et son excitatrice principale doivent être protégés contre des courants défectueux se produisant quand un redresseur courtcircuité existe dans l'assemblage des redresseurs 10. Quand un redresseur tombe en 15 panne dans un mode de courtcircuit, un courtcircuit intermittant ou pulsatoire se produit aux bornes des enroulements d'armature de l'excitatrice 8. L'amplitude du courant de courtcircuit dépend de l'excitation de l'enroulement de champ de l'excitatrice» Si l'excitation de l'enroulement de champ de l'excitatrice. 9 n'est pas 20 limitée ou est interrompue, le courant de courtcircuit provoque un chauffage excessif de l'armature de l'excitatrice principale, qui peut endommager sérieusement l'excitatrice 2 et le générateur 1. Dans un système tel que celui représenté sur la figure et décrit ci-dessus, dans lequel l'excitation est fournie par une ex-25 citatrice pilote, l'excitation de l'enroulement de champ de l'excitatrice est indépendante de la tension du générateur principal, en sorte que cette excitation est maintenue, avec un redresseur éit panne, par le fonctionnement normal du régulateur 18» Selon l'invention, un circuit protecteur 20 permet de dé-30 tecter l'arrivée ou la présence d'un redresseur courtcircuité de l'assemblage 10 et de réduire immédiatement le niveau d'excitation de l'excitatrice 2# Dans le fonctionnement d'une machine à courant alternatif telle que l'excitatrice 2, la réaction d'armature due au courant dans l'enroulement d'armature est réfléchie dans l'inter-35 vale d'air et engendre une ondulation alternative superposée au courant continu dans le circuit de 1'enroulement de^champ 9o En fonctionnement normal, cette composante d'ondulation-du courant de champ a une fréquence qui est égale à six fois-la fréquence de la 69 14742 6 2008074 tension de l'excitatrice avec un redresseur triphasé redressant les deux alternances, tel que celui représenté, ou trois fois la fréquence de l'excitatrice pour un circuit redresseur triphasé redressant un^haule alternance. Quand un redresseur est courtcircuité 5 dans l'assemblage des redresseurs, une oscillation du courant de l'enroulement de champ se produit à la fréquence de l'excitatrice. Cette oscillation est très supérieure à l'ondulation de courant normale de l'enroulement de champ de 1'excitatrice0 Cette variation des caractéristiques de la composante 10 d'ondulation du courant de champ de l'excitatrice est utilisée pour détecter la présence d'un, redresseur courtcircuité. Dans ce but, le circuit de protection 20 comporte une résistance 22, connectée en série dans le circuit de l'enroulement 9 de l'enroulement de champ de l'excitatrice principale, et le circuit primaire d'un transfor-15 mateur de tension 24 connecté aux bornes de la résistance comme représenté. le circuit primaire du transformateur comporte, en outre, un condensateur 25 connecté en série avec lui. Le secondaire du transformateur 24 est connecté à un circuit à diodes 26 par l'intermédiaire d'un circuit de filtre simple 20 constitué d'une résistance 28 et d'un condensateur 29. La résistance 28 représente la résistance totale du transformateur réfléchie sur le secondaire plus une résistance supplémentaire quelconque nécessaire pour obtenir les caractéristiques de filtrage désirées. Le circuit à diodes 26 est connecté au régulateur 18 par 25 l'intermédiaire d'une résistance de limitation de courant 31, de façon à effectuer une commande du régulateur 18 d'une façon qui va maintenant être expliquée, bien qu'elle ne soit pas limitative. Par exemple, le circuit à diodes pourrait être utilisé pour effectuer une interruption complète du courant de l'enroulement de champ comme 30 représenté et décrit dans le brevet ci-dessus mentionné. Dans le fonctionnement de circuit de protection 20, la résistance 22 engendre un signal ou une tension proportionnelle au courant de l'enroulement de champ de l'excitatrice, la valeur de la résistance 22 étant faible en comparaison de celle des circuits de 35 l'enroulement de champ de 1'excitatricec La tension engendrée est appliquée au circuit en série constitué par le primaire du transformateur 24 et le condensateur 25, ce condensateur ayant pour rôle d'isoler la composante continue du circuit de l'enroulement de champ 69 14742 7 2008074 de la composante alternative. La valeur de la capacité du condensateur 25 est telle que son impédance électrique pour la fréquence de l'excitatrice soit faible en comparaison de l'impédance d'entrée équivalente du transformateur 24. 5 On remarquera maintenant que le transformateur de tension 24 n'est pas polarisé par la composante continue de l'enroulement du champ de l'excitatrice comme c'est le cas avec le transformateur de courant utilisé dans le circuit de protection décrit dans le brevet ci-dessus mentionné. Ainsi, le transformateur de la présente in-10 vention n'a pas besoin d'être important et lourd dans le but d'éviter la saturation, ce qui permet d'obtenir un gain immédiat de coût, de volume et de poids. le transformateur 24 fournit deux fonctions dans le circuit de protection 20, l'isolement électrique de la tension engen-15 drée dans la résistance 22 par l'alimentation continue non représentée du régulateur 18 et l'amplification de cette tension à un niveau désiré. la combinaison constituée par la résistance 28 et le condensateur forme un filtre simple pour une composante à fréquence 20 double de celle du générateur qui se produit avec des charges non équilibrées et des défauts du générateur 1. Des charges non équilibrées et des défauts se produisant sur l'enroulement d'armature 4 du générateur sont réfléchis dans l'enroulement du champ 5 du générateur à la façon d'un courant de champ oscillant à la fréquence 25 double du générateur, ce qui crée une charge oscillante star l'excitatrice principale 2 à la même fréquence double. Cette charge oscillante est à son tour réfléchie sur l'enroulement de champ 9 de l'excitatrice et sur son circuit associé. La résistance 28 et le condensateur 29 permettent d'atténuer efficacement cette composante 30 à fréquence double, si elle se produit, et quand elle se produit, jusqu'à un niveau acceptable. La tension filtrée, qui est une tension alternative, est appliquée au circuit 26 qui redresse cette tension tout en engendrant simultanément une tension de référence avec laquelle la tension 35 filtrée est comparée. La tension de référence est simplement le potentiel de coupure nécessaire pour rendre les diodes 26 conductrit-ces. Quand la tension aux bornes des diodes atteint ce potentiel, les diodes deviennent conductrices de façon à appliquer un signal 69 14742 8 2008074 d'erreur au régulateur 18« Ce signal d'erreur est engendré quand un ou plusieurs des redresseurs de l'assemblage tournant 10 deviennent courtcircuités» Quand ceci se produit, il y a une augmentation immédiate de la 5 moyenne du courant de champ continu de l'excitatrice principale, ce courant ayant une composante oscillante, le courant total circulant dans la résistance 22 o La résistance 22 engendre une tension proportionnelle à ce courant total» La composante continue est bloquée par le condensateur 25 et la partie principale de la tension oscil-10 lante est appliquée au primaire de transformateur. Quand elle est amplifiée par le transformateur 24, ce signal est suffisant pour dépasser la chute de tension directe ou la tension de coupure des diodes 26, comme on l'a expliqué. Ces diodes appliquent un signal d'erreur pulsatoire continu au régulateur 18 de façon à réduire le 15 courant d'excitation transmis à l'enroulement de champ 9 et à l'amener à un niveau acceptable, un tel niveau étant celui qui limite le courant dans l'enroulement d'armature 8 à la même valeur que celui obtenu dans un fonctionnement normal (c'est-à-dire sans redresseur courtcircuité) en régime de charge» 20 Le régulateur 18 peut être du type représenté et décrit dans le brevet américain N° 3 170 109 au nom de la demanderesse» Dans ce brevet, un transistor de commutation et de préamplification est utilisé pour commander la durée active du régulateur qui détermine le niveau de la tension d'excitation de l'enroulement de champ 25 de l'excitatrice» La commutation du transistor est effectuée par un signal d'erreur engendré quand la tension de sortie du générateur 1 diffère de la tension de référence, ce signal d'erreur étant appliqué entre la base et l'émetteur du transistor» Dans la présente description, le signal de sortie du cir-30 cuit à diodes 26 peut être de même appliqué entre la base et l'émetteur d'un tel transistor de façon à dépasser le signal d'erreur et de façon par suite à bloquer le régulateur 18 pendant les périodes de temps où le courant pulsatoire de court circuit du circuit de l'enroulement de champ 9 engendre un signal d'erreur» 35 Dans le fonctionnement du circuit de protection 20, le signal d'erreur engendré tombe à zéro deux fois pendant chaque période ou cycle de l'excitatrice» Quand le niveau de ce signal est inférieur à la chute de tension directe des diodes 26 et à la chute 69 14742 9 2008074 de tension base-émetteur du transistor de commutation du régulateur 18, ce régulateur est actionné. Quand le niveau de ce signal tombe au-dessous de ces caractéristiques de chute de tension, le régulateur est bloqué, 5 Pendant un fonctionnement normal du système, le signal d'erreur engendré par le circuit de protection 20 reste négligeable en sorte que la commande du régulateur 18 est effectuée seulement par un signal de réaction provenant du générateur principal par exemple. 10 Ainsi, dans le mode de réalisation selon l'invention qui vient d'être décrit, le circuit de protection 20 permet de limiter de façon efficace les oscillations du courant de l'excitatrice et par suite le courant de champ moyen de l'excitatrice, en utilisant un petit nombre d'éléments standards de faible poids et de faible 15 prix.# Ceci supprime en outre toute avarie de l'excitatrice et du générateur si un redresseur de l'assemblage tournant 10 devient défectueux et ceci s'obtient de façon économique et sans augmenter le poids. Bien que l'invention ait été décrite à l'aide d'un mode 20 de réalisation déterminé, il est clair que de nombreuses modifications peuvent lui. être apportées sans sortir du cadre de l'invention. 69 14742 10 2008074 REVENDICATIONS 1. Générateur comportant un système d1 excitation ayant un enroulement d'armature et un enroulement de champ tournant, une excitatrice ayant un enroulement de champ et un enroulement d'armature tournant avec l'enroulement de champ du générateur, un dispositif 5 redresseur tournant avec l'enroulement de champ du générateur et l'enroulement d'armature de 1'excitatrice et engendrant une excitation continue transmise à l'enroulement de champ du générateur, un dispositif transmettant un courant continu à 1'enroulement de champ de l'excitatrice, un dispositif de détection de tension connecté dais 10 le circuit de l'enroulement de champ de l'excitatrice qui détecte l'amplitude des oscillations du courant de champ de l'excitatrice et qui fournit une tension d'erreur par rapport à une tension de référence, et un circuit limitant le courant de champ de l'excitatrice quand l'amplitude de la tension d'erreur dépasse celle de la 15 tensionndè référence# 2a Générateur selon revendication 1 dans lequel un régulateur est prévu qui commande l'amplitude de l'excitation de l'enroulement de champ de l'excitatrice et qui est connecté au dispositif de détection de tension de telle sorte que le signal de sortie du 20 régulateur et le niveau de l'excitation de l'enroulement de champ, quand l'amplitude de la tension d'erreur dépasse celle de la tension de référence, soient commandés. 3. Générateur selon revendication 1 ou 2 dans lequel le dispositif de détection de tension comporte un transformateur de 25 tension ayant son enroulement primaire connecté aux bornes d'une résistance. 4. Générateur selon revendication 1 à 3 dans lequel un circuit à diodes est renfermé dans le circuit de la tension de référence et dans lequel l'enroulement secondaire du transformateur de 30 tension est connecté à ce circuit à diodes.