Brevet FR2002114A1 — publié le 19691003

L'invention concerne un régulateur transistorisé, sans contacts, pour le réglage de la tension et pour la limitation du courant des générateurs électriques triphasés, régulateur pourvu aussi d'un dispositif pour la limitation de la tension dans les installations d'éclairage électrique. On connaît de nombreux schémas de régulateurs transistorisés, utilisant un nombre plus ou moins grand d'éléments à semi-conducteurs et ayant comme caractéristique principale le fait que pour le réglage du courant et de la tension on utilise un transistor, introduit dans le bobinage d'excitation du générateur, ce transistor fonctionnant comme interrupteur et étant à son tour commandé par un deuxième transistor. Ce deuxième transistor est commands par l'intermédiaire de sa base, par des éléments sensibles, soit à la tension du générateur, soit au courant débité par ce générateur. Les différents schémas de ce genre se distinguent en général par les modalités de commande du deuxième transistor.Dans la majorité des cas, la fréquence du réglage est influencée par les constantes électromagnétiques de l'alternateur et du régime de travail, ce qui détermine, pour des alternateurs de puissances plus grandes, la génération d'oscillations et des phénomènes pendulaires indésirables, surtout aux faibles vitesses de rotation. La présence invention remédie à cet inconvénient par le fait que la fréquence de réglage est déterminée par un élément supplémentaire qui introduit dans le circuit de réglage une tension de commande, dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation de l'alternateur et est indépendante de la charge de cet alternateur, de manière que mdme à faible vitesse, la fréquence de réglage obtenue soit suffisamment grande pour éliminer complèteraent les oscillations indésirables du système. Tenant compte du fait que le régulateur de tension détermine aux bornes de l'alternateur une tension qui doit être suffisante pour la charge complète de la batterie d'accumulateurs tampon, c'est-à-dire une tension d'environ 2,5 V par élément, valeur qui en général est supérieure à celle admise pour les lampes des circuits d'éclairage électrique, le régulateur est pourvu d'un dispositif qui protège automatiquement ces lampes en ne peraet- tant pas que la tension des circuits d'éclairage électrique dépasse la valeur maximum admissible. Par exemple, pour des batteries dont la tension nominale est de 24 Volts, la tension de char ge s'élèvera à 30 V, tandis que la valeur maximum admise dans les circuits d'éclairage électrique n'est que de 27 Volts. On connait un système pour la limitation de la tension dans l'installation d'éclairage électrique des voitures de chemin de fer, système dans lequel un relais d'éclairage de lumière électrique commande la tension réglée par le régulateur transistorisé type IVL-04, en la réduisant jusqu'à la limite nécessaire pour éviter des surtensions dans le système d'éclairage. Ce système présente cependant l'inconvénient que la tension nécessaire pour la charge de la batterie (29 V + 2,5 ) est obtenue seulement dans le cas où la charge dans l'installation d'éclairage a une certaine valeur (60 A, dans le cas du régulateur IvL-04). D'autre part, la solution constructive choisie ne réalise pas une sécurité d'exploitation suffisante. Le schéma proposé évite ces inconvénients par le fait que la limitation de la tension dans les circuits d'éclairage est obtenue sans influencer les réglages du régulateur de tension, la limitation étant réalisée par l'introduction de deux ou trois diodes de puissance au silicium dans le circuit d'éclairage électrique quand la tension dépasse la valeur admissible, de manière que la chute de tension dans ces diodes, dans leur sens de conductibilité, soit égale à la chute de tension qui est nécessaire dss le circuit d'éclairage. Quand la tension du générateur et de la batterie est réduite au-dessous de la valeur admissible pour les lampes, un relais commandé par un commutateur statique effectue une dérivation de ces soupapes évitant de cette manière la chute de la tension dans le circuit d'éclairage électrique au dessous d'une valeur non-admissible. Un mode d'éxécution de l'invention est représenté à titre d'exemple au dessin annexé dans lequel la figure unique est un schéma de principe pour le réglage de la tension et pour la limistation du courant d'un alternateur à redresseur (type Pintsch Bamag) et aussi pour la limitation de la-tension dans les circuits d'éclairage électrique alimentés par une batterie-tampon d'accumulateurs de 24 V. Dans le bobinage d'excitation 1K de l'alternateur À est introduite la jonction aollecteur-émetteur d'un transistor T1 qui a le r8le d'un interrupteur, commandé dans sa base par un deu xième trnsistor-T2, à l'aide d'une résistance R1. Le transistor T2 est à son 'tour commandé, dans sa basé, å l'aide d'une diode stabilisatrice Z, par un pont diviseur de tension sensible à la tension du générateur A, ce pont diviseur comprenant un élément non-linéaire CÂT pour la correction automatique de la tension réglée, en fonction de la température du milieu ambiant ou en fonction de la température de l'électroly- te de l'accumulateur, un potentiomètre RT pour le choix de la valeur nominale de la tension réglée et la Jonction saturée collecteur-émetteur d'un transistor T3.Le circuit de réglage est alimenté à partir de la borne "plus" de la batterie et de la borne d'un redresseur supplémentaire formé par trois diodes de redres serment Df alimentées par les bornes RST du bobinage triphasé de l'alternateur, réalisant de cette manière, à l'arrêt du générateur, la séparation du bobinage d'excitation de la borne "moins" de la batterie0 Au démarrage du générateur, le transistor T1 est saturé par le courant qui passe par la résistance d'amnrçage, puisque le bobinage 1K est pratiquement connecté à la borne "plus" de la batterie0 Quand le nombre de tours croit le générateur s'amorce d'une manière normale.Quand la tension croit au delà de la ten- sion nominale, la diode stabilisatrice est dans un état de conductibilité, saturant le transistor T2, bloquant le transistor T1 et introduisant dans le bobinage d'excitation 1K une résistance R3 de grande valeur, ce qui provoque une réduction brusque de la tension aux bornes "plus et "moins" du générateur. La réduction de la tension au dessous de la valeur nominale détermine le blocage de la diode Z, le blocage du transistor X2 et la saturation du transistor 219 ce qui relie de nouveau le bobinage d'excitation à la borne "plus" de la batterie et entrat- ne donc l'accroissement brusque de la tension du générateur. Ensuite, le phénomène de réglage se répète. Pour imposer au schéma de réglage une fréquence de réglage assez grande pour éviter des phénomènes d'oscillations et et des phénomènes pendulaires, indésirables et dangereux, on réalise, à l'aide de trois résistances Rf, montées en étoile et connectées aux bornes RST, un point neutre artificiel, dont le potentiel par rapport à la borne "plus" de la batterie a des pulsations à une fréquence proportionnelle au nombre de tours du générateur. Ce potentiel est appliqué à la diode Zener à l'aide de la résistance Ra, de manière que la fréquence de réglage correspùn- dans à la fréquence de la fermeture ou de l'ouverture de la dio de Z soit contrôlée par la pulsation de ce potentiel. Puisque la fréquence de ce potentiel est d'une valeur suffisamment grande, même à un nombre de tours réduit du générateur, la formation des phénomènes pendulaires est exclue. Pour obtenir une commutation rapide des transistors en vue d'une réduction de la dispersion, le schéma est pourvu d'un couplage de région positif Rz, connecté entre le collecteur du transistor T1 et la borne "moins" de la diode Z, le schéma étant aussi pourvu d'une diode D1 connectée à l'émetteur du transistor T1, tandis que pour réaliser une protection contre les surtensions on utilise une'diode Dt connectée en parallèle avec le bobinage d'excitation IK, et une résistance R4 connectée entre la base de l'émetteur de 22. L'élément non-linéaire CÂT formé d'un dipôle à thermistor réalise la modification automatique de la tension réglée en fonction de la température du milieu ou de l'électrolyte de la batterie tampon0 En fonction des exigences de la batterie, on peut obtenir une correction de la tension réglée dans les limites de -0,01 V/OC à -0,04 V/ C. La même diode Z peut étre polarisée d'une manière supplémentaire à la variation de la résistance de la jonction collecteur-émetteur du transistor T3, normalement saturé, par le diviseur Rc, l'élément thermostabilisateur T8 et le shunt Sn. Quand la valeur réglée du courant est dépassée, la chute de tension dans le shunt Sn provoque le blocage du transistor, appliquant ainsi un saut de tension à la diode Z qui commande la réduction de la tension du générateur et implicitement la réduction du courant débité par ce générateur, tandis que si la charge du générateur continue à être diminuée, la valeur du courant ne pourra pas dépasser celle imposée par le réglage. On réalise aussi de cette manière la protection de court-circuit du générateur. Le courant limité se maintient à la meme valeur dans un large intervalle de températures du milieu, étant donné que l'élément thermostabilisateur Us formé d'une Jonction base-imetteur identique à celle du transistor T3 réalise une compensation automatique de la chute de tension de polarisation du transistor T3 dfanviron 2,5 mV/ a. Pour la limitation de la tension dans le circuit d'éclairage 1, on introduit dans le circuit les diodes de puissance 2, connec- tées en série dans le sens de conduction, de manière que la tension de batterie "Bat" soit réduite d'une valeur correspondante, réalisant ainsi pour les lampes I un régime de- fonctionnement optimum. Les diodes de puissance 2 peuvent être shuntées par les contacts 3 d'un relais 4 commandé par le commutateur statique CS. Tant que la tension de la batterie ne dépasse pas la valeur maximum admissible dans le circuit d'éclairage (dans le cas d'une batterie de 24 V cette valeur admissible est de 27 V) et tant que le comm7tateur général h est connecté, les contacts 3 sont fermés et la tension dans le circuit d'éclairage sera égale à celle de la batterie. Quand la tension de la batterie dépasse la valeur de 27 V, le commutateur CS commande la fermeture des contacts 3 du relais 4, introduisant de cette manière en série les diodes 2, de sorte que la tension dans le circuit d'éclairage sera maintenant inférieure de 3 V à la tension de la batterie.La chute de tension dans les diodes de puissance 2 ne dépend pratiquement pas de la valeur du courant dans le circuit d'éclairage Ceci permet au régulateur de tension de fonctionner d'une manière permanente à la valeur nécessaire pour la charge de la batterie (c'est-8-dire 29,5 + 2,5 %) quelle que soit la situation dans le circuit d1 éclairage0 Pour permettre l'utilisation de quelques diodes de puissance 2 à tensions de blocage très réduites (2...3 V),donc des diodes économiques, on connecte en parallèle à ces diodes, une diode de protection, de puissance réduite 5, qui a pour rôle de compenser l'effet d'éventuelles surtensions qui peuvent être engendrées à la convection et la séparation des divers consommateurs (exemple des convertisseurs) de l'installation d'éclairage, Le relais 4 est commandé de la manière suivante par le commutateur statique OS:: Le bobinage du relais 4 est connecté au collecteur d'un transistor 4. Le circuit est réglé d'une manière telle, à l'aide des résistances variables R a et Rb, que le relais 4 ouvre le contact 3 quand la tension aux bornes du circuit d'éclairage (-) et L' atteint la valeur de 27 V (à cette valeur la diode Z1 conduit, T5 est en cours de saturation, tandis que 24 se bloque, en déconnectant pratiquement le relais 4 de la borne ', ce relais ouvrant ainsi son contact 3)et que le relais 4 ferme son contact 3, quand la tension dans le circuit d'éclairage est réduite à la valeur de 23 V ( à cette valeur la diode Z1 est bloquée, T5 est ensuite aussi bloqué et T4 se sature, connectant pratiquement le relais 4 à la borne L', ce relais fermant son contact 3). On doit noter que dans le processus de réglage du commutateur statique CS, la résistance R2 qui a pour r81e de déterminer la différence entre les tensions d'enclenchement et de déclenchement, participe au réglage dans les deux positions du commutateu; du fait qu'elle est connectée en série avec la résistance ohmique du relais 4 et que les deux résistances sont connectées en parallèle à Ra quand T4 est bloqué, et en parallèle à Rb quand le transistor T4 est sauré (on néglige la résistance collecteur émetteur de 4 saturé). D'autre part, Rb représente aussi une voie de réaction positive, qui accèlère le processus de commutation du circuit, processus qui se fait ainsi d'une manière ferme même pour des variations très lentes de la tension d'alimentation. Selon une autre manière d'effectuer le réglage, on connecte la résistance Rb seulement dans une des branches du diviseur de la diode Zoner Z1. Ceci est réalisé par la connection en série d'une diode D3, dans le sens désiré. Dans la figure, la diode D3 est représentée en pointillé, connectée dans le sens pour lequel Rb est connecté, dans le processus de comLutation, seulement dans la branche Rb, quand 4est saturé. le régulateur de tension et le dispositif de limitation présentent une série d'avantages, à savoir - ils réalisent le réglage de la tension et la limitation du courant débité par l'alternateur aux valeurs fixées par les normes, en vue de réaliser des conditions optimum pour la charge des batteries tampon d'accumulateurs, indépendamment de la valeur du courant dans les circuits d'éclairage ; - ils réalisent la limitation de la tension dans les circuits d'éclairage, à une valeur sans danger pour les lampes, dans tous les régimes de travail du groupe alternateur-batterie - ils présentent une grande sécurité de fonctionnement, puisqu'ils ne comportent que des résistances et des semi-conducteurs dont la durée de vie est très élevée ; ; - ils sont de construction simple et robuste et ntont besoin d'aucun entretien ou réglage pendant toute la durée de service ; - leur prix de revient est nettement inférieur à celui des régulateurs existants, grâce à l'utilisation d'un nombre réduit d'éléments à semiconducteurs et à l'utilisation de diodes de plus sance 2, à tensions inverses extrêmement réduites (2...3 V),donc économiques0 R E V E N D I C A T I O N S 1 - Régulateur de tension transistorisé pour générateurs électriques rotatifs, caractérisé en ce qu'en vue du réglage du courant et de la tension d'un générateur (A) de basse tension, on introduit un premier transistor (21) dans le bobinage d'Exci- station, bobinage alimenté à partir de la borne "plu" de la batterie et de la borne "moins" d'un redresseur triphasé supplémentaire (Df) ce transistor (21) étant commandé dans sa base par un deuxième transistor (T2) qui à son tour est commandé par une diode stabilisatrice fZ) commandée à l'aide d'un pont diviseur soit par la tension du générateur, soit par le courant débité, le premier transistor (21) étant introduit de manière qu'au dépassement de la tension du générateur établie par le réglage avec un potentiomètre (RT) ou au dépassement du courant traversant un shunt (Sh) qui polarise dans le sens de blocage un troisième transistor (T3) dont la Jonction collecteur-émetteur est intercalée en série avec le potentiomètre (rut) et est saturée par le pont diviseur formé par un potentiomètre de réglage de la valeur du courant limité (Ec) et par un élément thermostabilisateur (TS) une diode stabilisatrice (Z) conduit et sature le deuxième tran sistor (T2) bloquant ainsi le premier transistor (T1) et commandant de cette manière la réduction rapide de la tension du générateur à la valeur nécessaire. 2 - Régulateur de tension transistorisé selon la revendicsEnn 1,caractérisé en ce que pour obtenir une fréquence de réglage élevé,à tous les régimes de charge du générateur, on introduit sur la borne "moinswde la diode stabilisatrice (Z)une tension pulsée,à l'aide d'un groupe de trois résistances( )montées en étoile et connectes aux bornes (RST)du bobinage triphasé et à l'aide d'une résistance (R2)connectée entre le point neutre et la bornenmoins de la diode stabilisatrice (Z)ce ce qui commande la diode stabilisatrice (Z) avec une fréquence proportionnelle au nombre de tours du générateur, en éliminant de cette manière les phénomènes pendulai- res que l'on observe si ce système de résistances n'est pas prévu. 3 - dispositif pour la limitation de la tension dans les installations d'éclairage électrique, alimentées par des batteries d'accumulateurs, caractérisé en ce que pour éviter des surten- sions dans les lampes, dues à l'accroissement de la tension de la batterie pendant la période de charge, on introduit en série dans le circuit d'éclairage (t) un certain nombre de diodes de puissance ce au silicium (2) de manière que la chute de tension dans ces diodes, dans leur sens de conduction, puisse compenser l'accroissement de la tension de la batterie due à la charge et en ce qu'à la réduction de la tension de la batterie au dessous d'une valeur sans danger pur les lampes, un relais de tension (4)shunte les diodes de puissance (2), à l'aide de contacts (3), la protection des diodes de puissance (2) contre d'éventuelles surtensions dans le circuit d'éclairage étant réalisée avec une diode (5) de puissance réduite connectée, dans le sens de blocage, en parallèle avec les diodes de puissance (2). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour connecter dans le circuit d'éclairage électrique, ou pour déconnecter de ce circuit, les diodes de puissance (2), à la variation de la tension de la batterie des accumulateurs, le bobinage de tension d'un relais (4) est connecté au collecteur d'un transistor (14) normalement saturé, de manière que lorsque la tension de la batterie (Bat) croit au delà de la valeur admis sible pour le circuit d'éclairage, une diode stabilisatrice (Z) est mise en état de conduction, à l'aide d'un pont diviseur formé de deux résistances (Ra Rob), cette diode saturant un deuxième transistor (T5) qui commande le blocage du premier transistor (T4), ce qui cause le déclenchement du relais (4) et l'ouverture de ses contacts (3), introduisant de cette manière les diodes de puissance (2) dans le circuit d'éclairage, et que lorsque la tension de la batterie diminue au dessous de la valeur dangereuse, la diode stabilisatrice (Z) soit bloquée, ainsi que le deu xylème transistor (T5, tandis que le premier transistor (T4) est saturé, connectant ainsi le relais (4) aux bornes de la batterie de manière qu'à l'ouverture des contacts du relais (3) les diodes de puissance (2) soient séparées du circuit. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la tension du seuil nécessaire pour rendre là diode stabilisatrice conductrice est déterminée à l'aide d'une résistance réglable (Ra) du diviseur de tension, tandis que la différence entre la valeur de la tension d'enclenchement et celle de déclenchement du relais est fixde à la valeur voulue par une résistance de réaction (Rb) connectée entre le collecteur du premier transistor (A4) et la borne "moins" de la diode stabilisatrice, cette réaction ayant aussi pour r3le d'accélérer le processus de commutation qui, de cette manière, est effectué d'une manière ferme, ce qui réduit l'usure des contacts (3) du relais (4).