Brevet FR2049033A1 — publié le 19710326

La présente invention concerne la régulation de la tension engendrée par une machine électrique tournante. Bien que la description ci-après soit relative à la régula- tion de la tension continue engendrée par une génératrice, il doit être bien compris que l'invention s'applique également à la régulation de la tension engendrée par un alternateur : il suffit alors, en effet, de redresser cette tension et d'utiliser le régulateur ae l'invention pour donner une valeur constante à la tension redressée. Dans certaines applications et, en particulier, en vue de la production d'une puissance électrique relativement importante à bord d'un véhicule, on utilise habituellement des machines tournantes auto-excitées associées à un régulateur de facon à former un ensemble autonome ; c'est-à-dire dans lequel la puissance consommée par le régulateur et nar l'enroulement shunt d'excitation de la machine est fournie par la machine elle-même, sans aucun recours à une autre source d'énergie électrique. Cette exigence d'autonomie de l'ensemble machine tournanterégulateur pose le nroblème de l'amorçage de la machine. En effet c'est souhaitable d'obtenir une vitesse d'amorçage aussi faible que possible. Or l'on sait que la vitesse d'amorçage d'une machine tournante à auto-excitation shunt est d'autant plus faible oue la résistance opnosée à ce courant par les circuits d'excitation et de régulation connectés en série est elle-même plus faible. T1 en résulte que, pour obtenir la vitesse d'amorçage minimale, il est nécessaire d'utiliser un dispositif de régulation qui n'introduise qu'une résistance aussi faible oue nossible en série avec l'enroulement d'excit@tion. Or, on s'efforce actuellement, d'une façon générale et chaque fois oue cela est nossible, d'utiliser des régulateurs purement statiques, en raison des avantages évidents qu'ils présentent, (?ar rapport aux distositifs traditionnels du type mécanione ou électro-mécani@ue. Malheureusement les transistors à jonctions, qui sont habituellement utilisés dans les régulateurs statioues destinés à diverses anDlications, orésentent, dans l'application particulière visée c-dessus, l'inconvénient important de comporter des barrières de potentiel, donc d'introduire une résistance relati vement élevée en série avec l'enroulement d'excitation. Pour surmonter les difficultés d'amorçage qui résultent de cette résistance élevée, il a été proposé diverses solutions qui comportent l'inconvénient, soit de faire appel à une source limentation séparée pour injecter temporairement un courant 'a- morçage dans l'enroulement d'excitation, soit d'introduire un relais électro-mécanique destiné à court-circuiter momentanément le régulateur. La présente invention se propose de réaliser un régulateur purement stationne, apte à permettre l'amorcåge aisé de la machine tournante à laquelle il est associé. Elle a pour objet l'ensemble constitué par une machine tournante à auto-excitation shunt et par un régulateur de la tension engendrée aux bornes de sortie de la machine, ledit régulateur comportant au moins un composant semi-conducteur connecté en série avec l'enroulement d'excitation de la machine entre lesdites bornes et des moyens d'engendrer un signal de commande du courant qui circule dans ledit composant et ledit enroulement, en fonction de l'écart entre ladite tension et sa valeur de consigne, et se caractérisé par la présence, dans le circuit dudit régulateur, d'au moins un composant semi-conducteur du type unipolaire. Comme cela apparaîtra clairement dans la description ciaprès, ce composant semi-conducteur unipolaire, de préférence un transistor à effet de champ, a pour fonction essentielle de réduire la résistance apparente du circuit régulateur pendant la période d'amorçage; Au dessin annexé La figure I est le schéma de principe d'un rode d'exécution préféré d'un ensemble machine tournante-régulateur conforme à l'invention la figure 2 représente une variante les figures 3 et 4 représentent deux modes d'exécution simplifiés et la fiure 5 est le schéma d'organes génrateurs du signal de commande, susceptibles d'être utiiisés dans le montage suivant l'invention. Les mêmes numéros de référence désignent des organes homologues aux diverses figures. On a représenté, schématiquement à la figure I > une machine tournante auto-excitée 1 et son enroulement shunt d'excitation 2. Entre les bornes de sortie A et B de cette machine sont connectés en série l'enroulement 2 et un transistor de puissance 5 au type @PN. Le transistor 5 forme, avec un transistor 6, du type PNP un montage connu sous le nom de "circuit de Darlington inversé" On sai: au, dans un tel montage, le déblocage du transistor PNP par un courant de commande appliqué à sa base a pour effet de débloquer le transistor NPN, et qué ce dernier se trouve ainsi commandé par un courant beaucoup plus faible que celui qui serait nécessaire pour le commander s'il était seul. Ce courant de commande est fourni, à travers une résistance 5, par la borne 8a d'un circuit 8, dont un exemple concret de réalisation sera décrit dans la suite, en se référant à la figure 5. ne circuit 8 reçoit, entre ses bornes 8b et Sc, la tension de sortie de la machine tournante, et la compare à une valeur de consigne, pour engendrer, entre ses bornes 8a et Ed, une tension de commande dont le rôle sera expliqu plus loin. Une diode 4 est montée entre 1 t émetteur du transistor 5 et la masse. Elle a une fonction de lissage, c'est-à-dire qu'elle protège le transistor 3 contre toute surtension susceptible de l'endommager. La partie du montage que l'on vivent de décrire est classique et susceptiole d'assurer une régulation correcte e la tension de sortie de la machine tournante, dès que celle-ci a atteint son régime permanent. En effet, régime permanent, le circuit @ fournit à la base du transistor 5 un courant de commande apte à le débloquer, le transistor 3 est lui-même débloqué par le courant de collecteur du transistor 6 et le courant engen dré sar la macnine circule finalement @ans le transistor de puis sance @ et @ans l'enroulement d'excitation @. Tcute variation, par exemple de la charge de la machine, susce@tible d'entraîner une veriatien e La tension aux ornes A et s-, se traduit par une variation du courant @e commande fourni par le circuit 8, et cette variation a pour effet; De faire varier le courart qui circule dans le transistor 3, done dans l'enroulement 2, dans un sens ropre a ramener la tension engendrée tar la machine à sa valeur de consigne. L'inconvénient e ce montage connu est la difficulté n'amor- çage. En effet, en dépit de la propriété, rappelée ci-dessus, du circuit de Darlington, il n'en reste pas moins qu'un certain courant de commande minimal est nécessaire pour déblocuer les transistors 8 et 3. Or, au moment du lancement de la machine tour nantie, la faible tension, due à l'aimantation rémanente, oui prend naissance à ses bornes de sortie, n'est pas suffisante pour que le circuit 8 puisse fournir ce courant de commande minimal. I1 en résulte que l'amorçage ne se produit pas. Pour obtenir l'amorçage, on a prévu, dans le montage de la figure 1, un transistor auxiliaire 7, du type à effet de champ, connecté entre la base du transistor 6 et la masse, et dont l'électrode de commande est reliée à la borne 8d. Par ailleurs, on a prévu, dans le disnositif 8, un circuit logique (non repré- senté à la figure 1, mais dont un exemnle d'exécution sera décrit en détail en se référant à la figure 5). Ce circuit logique a pour fonction de bloquer le transistor à effet de champ dès que la tension aux bornes A et B a atteint une valeur prédéterminée, supérieure à celle pour laauelle le courant de commande minimal susvisé est engendré. Il en résulte que, dès que la machine tournante a atteint une vitesse suffisante, le transistor à effet de champ ne joue plus aucun rôle, le montage fonctionnant comme on l'a indiqué cidessus. Par contre, au moment du lancement de la machine tournante, aucune tension d'inhibition n'est appliquée à l'électrode de commande du transistor à effet de champ. Or, I 1on sait qu'un transistor à effet de champ possède la propriété remarquable de présenter seulement une résistance purement ohmique très faible entre sa source et son drain. Il en résulte oue le circuit aui part de la borne A comprend la ;onction émetteur-base du transistor 5, la résistance entre le drain et la source du transistor à effet de champ et le retour de masse vers la borne Y ne comporte ?'una seule jonction, donc a une résistance nettement; plus faible eue le circuit de régulation en régime normal, lequel comporte deux jonctions en cascade. La tension relativement faible oui existe entre les bornes A et B lors du lancement est alors suffisante pour établir un cou @ant à travers le transistor 6 et le transistor à effet de champ: le transistor 6 se trouve ainsi débloqué, ce qui a pour effet de débl@@uer le trarsistor 3, donc de fournir à la bobine d'excita- tion la puis@ance nécessaire à l'amorcage. @n tel mont@@e @e@met de réauler des machines tournantes de @uissance @elativement @rande. Il est particulièrement bon marché, car le transistor de puissance @ peut être du type NPN au silicium, c'est-à-dire très bon @arché. Bien @u'on puisse imaginer diffé@ents modes d'exécution du @is@ositif 8, on en a représenté, à la figure 5, à titre purement illustratif, un exemple concret de réalisation. Ce dispositif comprend un amplificateur-compareteur essentiellement composé d'un transistor 1G et d'une diode de Zener 9, et un circuit logique essentiellement comnosé d'un transistor à effet de champ 13, de deux résistances 15 et 14 et d'un condensateur 16 constituant un oscillateur à relaxation, et d'une diode de @ener 17. En voie de fonctionnement normal de la machine, la diode de Zener C maintient une tension de référence constante sur la base du transistor 10. fia tension d'@retteur du transistor 20 est une fraction, determinée nar-la valeur de deux résistances 11 et 12, de la tension de sortie de la machine tournante. Si cette tension d'émetteur dépasse la tension de référence, le transistor 10 est bloaué, si bien cue le montage ne fournit plus de tension de commande sur la borne 8a. Il en résulte nue le courant qui circule dans l'enroulement inducteur à tenance à décroître.Lais alors, le tension à la borne d diminue, si bien nue le transistor 10 recommence à conduire. il en résulte donc le maintien, à une valeur constante, de la tension â la borne 8b. Lors du lancement @e 1 machine, la tension à la borne 8b est insuffisante pour per@ettre le passage @u courant à travers la diode de @ener 17 et le transistor à effet de champ 13. Il en resul@e @ue l'oscillateur à relaxation n'est pas en service et du'aucune @ension n'apparaît sur la borne 8d. @ar @ontre, dès que l@ ten@ion à la borne 8b a atteint une v@leur @reléterminée, l'oscillateur à relaxatio entre en fonc tionne@ent et charge, @ travers un- diode 1@, un con@ens teur 19. @'@ l@ @ension aux bo@nes de ce coniensaveur qui sert alors à @nhicer le trarsistor à effet de cham@ 7. @ans la variante d'exécution du régulateur @ue l'on a re prése@tée à la figure 2, les transistors 3a (@u type PNP) et 6a (du type PNP) sont montés en circuit de Darlington. Le transistor à effet te champ 7 est alors connecté entre la base du transistor de puissance @a et la masse. Le fonctionnement de ce montage est, en régime normal, exactement le même que celui du montage de la figure 1. Lors du lancement, le transistor ja, dont la fonction émetteur-base est en série avec la résistance ohmique du transistor à effet de champ, devient directement conducteur os l'effet de la faible tension qui existe alors entre les bornes A et 3, le transistor 6a ne jouant alors aucun rôle. Ce monte présente, sur celui de la figure 1, l'inconvénient d'utiliser un transistor PNP de nuissance, plus onéreux qu'un transistor NPN de puissance. Lorsque la machine tournante n'est pas destinée à fournir une puissance élevée, le transistor à effet de champ peut être utilisé directement comme organe de puissance du régul-teur. On aboutit ainsi au montage simplifié de la figure 3, dans lequel le transistor G effet de champ 7a est directement connecté en série avec l'enroulement d'excitation Bien entendu, ce transistor à effet de champ doit alors être en service aussi bien en régime normal que pendant la période ae lancement de la machine tournante, si bien oue le disposi- tif 81 aui fournit son courant de commande ne comporte alors aucun circuit logi@ue d'inhibntion. il comporte seulement un comparateur-amplificateur, de construction banale, qui compare en permanence la valeur instantanée de la tension aux bornes A B avec une tension de référence. L'amorçage s'effectue sans difficulté, puisque la faible tension qui règne alors entre les bornes A et B établit le courant dans un circuit ne comportant aucune jonction. Toutefois, ce mon- tage très simple présenterait des inconvénients aux puissances élevées, compte tenu des performances qui seraient alors exigées -'u transistor r efyet de champ. C'est pourquoi, dans les moies d'exécution illustrés par les figures 1 et 2, le transistor à effet de champ est monté en dérivation sur un transistor du type bipolaire et n'est en service que pendant la période d'amorçage. On pourrait invaginer d'autres modes d'exécution associant ainsi un ou plusieurs transistors bipolaires à un composant auxiliaire d'amorçage du type à semi-condncteur unipolaire. Parmi les éléments à semi-conducteur du type unipolaire, on pent encore citer l'élément à effet @all, oui @ourrait @ventuel- lement être substitué à un transistor à effet de champ dans les montages décrits. A titre d'exem@le, on a représenté, à la figure 4, un montage similaire à celui de la fi@ure @, mais dans lequel le transistor à effet de champ 7a a été remplacé par un élément à effet Hall 71 et une bobine de commande 72. Le courant de commande fourni par le circuit 81 agit alors sur le champ magnétique engendré Par la bobine 7v, donc sur a valeur ace la résistance à effet Hall 71. il va de soi que divers autres montages pourront être conçus et réalisés par l'homme du métier, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Régulateur de tension destiné à être associé à une machine électrique tournante à auto-excitation comportait un enroulement shunt, ledit régulateur comportant au moins un compo- sant semi-conducteur connecté en série avec l'enroulement d'excitation de la machine et des moyens d'engendrer un signal de co,cfl,- mande du courant oui circule dans ledit composant -et ledit enrou- lement, en fonction de l'écart entre ladite tension et sa valeur de consigne, caractérisé par la présence dans le circuit dudit régulateur, d'au moins un composant semi-conducteur du type uni- nolaire traversé par le courant d'amorçage dudit régulateur. 2 - Régulateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit composant à semi-conducteur unipolaire est monté en dérivation sur un transistor, lequel commande le passage du courant dans ledit enroulement, lesdits moyens comportant un circuit d'inhibition apte à bloquer ledit composant à semi-conducteur unipolaire dès aue la tension engendrée par la machine dépasse une valeur prédéterminée. 3 - Régulateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce oue ledit transistor de commande à sa base connectée auxdits moyens et fait partie d'un circuit de Darlington inversé, lequel comporte en outre un transistor de puissance connecté en série avec ledit enroulement. 4 - Régulateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit transistor de commande est connecté en série avec ledit enroulement et fait partie d'un circuit de tarlington, lequel comporte en outre un second transistor dont la base est connectée auxdits moyens. - - Régulateur suivant la revendication , dans leauel ledit circuit d'inhibition comporte un oscillateur à relaxation aui charge un condensateur relié à l'électrode de commande dudit connosant à semi-conducteur unipolaire et une diode de Zener qui emnêche le fonctionnement dudit oscillateur tant que la tension engendrée par la machine n'a pas dépassé lad te valeur 6 - Régulateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce aue ledit composant à semi-conducteur unipolaire est un transistor à effet de chamn. 7 - Régulateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit composant â semi-conducteur unipolaire est un élément à effet Hall.