Brevet FR2241821A1 — publié le 19750321

La présente invention concerne un dispositif de régulation de la valeur efficace d'une grandeur pulsatoire. De telles régula- tions de valeur efficace, intéressant surtout des installations électriques de chauffage ou d'éolairage, ne posent pas de problèmes particuliers lorsque la grandeur réglée est sinusoïdale, car la valeur de crête et la valeur efficace sont alors reliés par un facteur constant connu dit facteur de crête ou d'amplitude. Si la grandeur réglée présente un taux d'harmoniques irrégulier qui ntesJ plus négligeable, ce facteur est au contraire soumis à des variations continuelles. On pourrait, certes, envisager de former à l'aide d'un appareil de mesure approprié à partir de la valeur reelle de la gran- deur réglée, la valeur efficace de celle-ci et la comparer à une valeur de consigne à entrée dùn régulateur. Mais l'utilisation d'un appareil de mesure de la valeur efficace dtune grandeur irré- gulièrement pulsatoire représente une relativement grande complication et dépense. L'invention a pour objet un dispositif qui permette d'éviter une telle complication. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comporte un régulateur intégral qui reçoit à son entrée la différence entre une grandeur proportionnelle à la valeur de consigne élevée au carré et la grandeur de valeur réelle egalement éle- vée au carré. Le principe de l'invention consiste donc à influencer la grandeur réglée en sorte que sa valeur résultante quadratique suive une valeur prédéterminée, le régulateur, de toutes fa çons nécessaire étant alors utilisé en même temps aussi à la four mation de cette valeur résultante. Pour des régulations dites à valeur fixe, dans lesquelles la valeur de consigne ne change que très rarement, il peut suffire dtintrodulre déjà sous forme quadratique la valeur de consigne de la valeur efficace, c'est-à-dire de ne pas former son narré plus tard au moyen de générateurs de fonction ou multiplicateurs Dans le cas le plus simple, le dispositif de régulation selon lsinvention peùt alors remplir son rôle avec un seul géné- rateur de fonction, ou multiplicateur, pour la formation du carré de la valeur réelle. S'il faut changer plus souvent la valeur de consigne, il est avantageux et plus pratique de procéder à une introduction li néaire de celle-ci. En extension de l'invention, le dispositif comporte en ce cas deux multiplicateurs recevant sur leurs deux entrées, l'un la grandeur de valeur de consigne, l'autre la gran deur de valeur réelle, et les tensions de sortie de ces deux mul- biplicateurs sont amenées sous forme soustractive à entrée du régulateur intégral.On peut bien entendu utiliser aussi, au lieu des multiplicateurs, des générateurs de fonction réalisés au mepe- de diodes à valeur de seuils Cette variante se simplifie encore quant aux besoins en multiplicateurs ou générateurs de fonction s entrée du régulateur intégral est reliée à la sortie d'un malt@@ plicateur dont une entrée reçoive la différenee entme la grandeur de valeur de consigne et la grandeur de valeur reelis, l'autre la somme desdites grandeurs. Pour accélérer le processus de régulation, il est bon que le signal de sortie du régulateur intégral soit augmenté dgun si- gnal proportionnel à la valeur de consigne. Cette précommande a pour effet de soutenir le régulateur intégral dans son rôle con- sistant à éliminer l'écart de régulation. Un champ d'application préféré de l'invention réside dans la régulation de courant de fours de fusion à électrodes ai imer- tés en courant alternatif. Il s 'y était avéré avantageux pour l'accélération du processus de régulation de sup@rposer le régula- teur intégral au régulateur de courant du four, c c'est-à-dire de faire agir en valeur de consigne du régulateur de courant du four le signal de sortie du régulateur intégral augmenté éventuellement du signal de valeur de consigne lui-même, Les fours électriques dits de refusion de laitier consta- tuent un genre particulier de fours de fusion à électrodes. Il s'y est avéré avantageux de rendre variable la fréquence fondamentale du courant du four.Etant donné que la régulation de la va leur efficace par rapport à une variation de fréquence progresse lentement on pourrait risquer en mdme temps. de surcharger passagèrement les organes de correction lors dune diminution de la fréquence du courant du four, oar, à valeur de consigne inchangée de la valeur efficace, il faut alors procéder à une réduction os de l'amplitude du courant. Ainsi une mesure de sécurité conforme à l'invention consiste-t-olle à ramener le signal de sortie du régulateur intégral à zéro pour la durée de chaque diminution de la fréquence du courant du four.Dans le cas le plus simple, on y parvient au moyen dtun différentiateur alimenté à son entrée pa: une tension proportionnelle à la fréquence. Dans les fours de rusion à électroden alimentés par eonver tisseur statique de fréquence où la fréquence du courant du four est prescrite par un transmetteur d'accélération composé d'lrn amplificateur de balayage à trois points suivi d'un intégrateur, on peut obtenir de façon particulåèrement simple ce signal de réduo- tion de la tension de sortie du régulateur intégral en faisant ac- tionner par le signal d'entrée de l'intégrateur à travers un avertisseur de valeur limitet l'entrée de commande d'un transistor à effet de champ placé avantageusement dans la branche de contreréaction dudit régulateur intégral. Ltinvention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés schématiquement par le dessin annexé. La figure 1 illustre l'application dé l'invention à une régulation de courant aveo positionnement à courant continu 1. Celui-ct est commandé de façon connue, quant à son rapport d'impulsions à travers un groupe de commande 2 par la tension continue y amenée à l'entrée de ce dernier. Le rapport d'impulsions, o'est- à-dire le temps dans lequel la tension continue cons tante U devient agissante sur le récepteur ohmique et inductif 3, augmente donc avec la valeur. de la grandeur de commande y. Cette grandeur y consiste dans le signal de sortie d'un régulateur intégral 4 qui reçoit à son entrée, à travers deux multiplicateurs 5 et 6 et sous forme soustractive, le carré de la valeur réelle I et celui de la valeur de consigne Is Les grandeurs proportionnelles à la valeur de consigne et à la valeur réelle appliquées aux bornes d'entrée 7 et 8 parviennent simultanément aux deux entrées des multiplicateurs 5 et 6 qui leur sont affectées. Ces multiplicateurs 5 et 6 utilisés en élévateurs au carré peuvent, bien enten- du, être remplacés, en cas de plus faibles exigences quant à l'exactitude de la reproduction de la caractéristique quadrati- que1 par des générateurs de fonction renfermant, par exemple, des amplificateurs et des diodes à valeur de seuil polarisées. La grandeur de sortie y du régulateur intégral 4, telle qutelle apparait à la borne 9, se modifiera à une vitesse fonction de la différence entre les valeurs quadratiques de Is et I et proreque- ra une modification correspondante du rapport d'impulsions du positionneur à courant continu 1 jusqu'à ce que sa grandeur dcen- trée, c'est-à-dire la différence entre les tensions de sortie des multiplioateurs 5 et 6, s'annule en moyenne.Ctest précisément le cas lorsque la valeur résultante quadratique et, par consé quent, aussi la valeur efficace du courant I correspondent à la valeur de consigne de courant, amenée à la borne d'entrée @@ Pour apaiser le processus'de régulation, il stest avéré avanta- geux de rendre supérieur à la période de ltoseillation fondamentale de la grandeur réglée le temps d'intégration du régulateur intégral 4, à savoir le temps Ti dans un régulateur intégral à caractéristique de fréquence 1/pTi. La figure 2 représente une variante, effet équivalent, du régulateur de valeur efficace portant sur la figure 1 la réfé- rence 10 dans laquelle, la valeur de consigne de courant étant prescrite linéairement, on se contente d'un seul élévateur au carré. Cette variante repose sur la conversion mathématique de l'expression IS2-I2 en (Is + I) (IS-I) et consiste par conséquent dans un multiplicateur 11 aux deux entrées duquel parviennent respectivement la somme et la différence de la valeur de consigne IS et de la valeur réelle I. La figure 3 est un diagramme explicatif du fonctionnement du montage selon k figure 1. Le positionneur à courant continu 1 engendre à sa sortie, à l'intérieur de chaque période T, des impulsions de tension continue dont la largeur est fonction de la grandeur de la tension de commande y. La valeur réelle de courant I ou bien son carré 12 varieront doneg conformément aux constantes de temps propres du circuit récepteur, en montée durant les temps de mise en circuit de la tension continue U et en baisse pendant les pauses de tension.Jusqu'à l'instant @t1, IS2 est supérieur à , s en sorte que la grandeur de commande y, c'est-à-dire le signal de sortie du régulateur intégral 4, augmente alors constamment dans le sens positif. L'éohelle de temps entre ti et S2 est raccourcie par-rapport aux autres laps de temps du diagramme de la figure 3, et l'on admet que ltétat compensé commence à l'instant t2 Les aires de la courbe du carré de l'intensité sous-tendues par le temps, telles qu'elles sont représentes sous forme hachurée sur la figure 3, sont ensuite égales entre elles et la valeur résultante quadratique de la valeur réelle de courant 1, par conséquent aussi sa valeur efficace, répond à la valeur de consigne presorite IS. La figure 4 illustre un exemple de réalisation adapté à des fours électriques de refusion de laitier alimentés par convertisseur statique de fréquence. Un récepteur- ohmique et induo- tif 12 formé de l'ensemble dlectrode-masse fondue- amenées de mourant est alimenté en courant alternatif à basse fréquenes, ; à partir d'un réseau alternatif ou triphasé N, par un convertisseur statique direct de fréquence 13 renfermant des valves commanda bles. La valeur réelle de courant I, reproduite en tension conti- nue par un transmetteur 14 approprié, esA amenée à Stentree dtnn régulateur de courant de four 15 de type intégral et proportion. nel, lequel commande en fonction de l'écart entre la valeur de consigne effective ISW amenée à lui-même et la valeur réelle I le convertisseur statique direct de fréquence 13 à travers un groupe de commande 16 suivi d'un amplificateur d'impulsions 750 La commutation du courant du four, des demi-ondes positives aSK demi-ondes négatives et inversement, a lieu au moyen dtun étage de commande 8 qui, aux instants voulus, commande par une ligne 19 le fonctionnement en onduleur du convertisseur de courant juste- ment conducteur et, après passage par zéro du courant I, ménages par blocage des impulsions de sortie de l'amplificateur 17, une pause sans courant qui correspond an temps de ménagement néees- saire des valves. La fréquence du courant du four est direste- ment proportionnelle à une grandeur de commande fw qui agit sur une horloge 20 et amène à l'étape de commande 18 une-sorte de grille de temps.On règle la fréquence sur un potentiomètre 21 alimenté par une tension eontinue D; en mgme temps, un transmet- teur d'accélération composé dtun amplificateur de belayage à trois points 22 suivi dtan intégrateur 23 agit en sorte que les variations de fréquence du courant du four s'effectuent non par bonds, mais avec une vitesse fonction du temps dtintégration séleetionnable de l'intégrateur 23. Le régulateur de valeur efficace représenté sur la figure 4 correspond essentiellement à celui du dispositif selon la figu- re 1 et est superposé au régulateur de courant du-four 15 de sorte que sa grandeur d sortie apparaissant à la borne 9 forme la valeur de consigne pour ledit régulateur de courant de four 15. On réalise une sorte de précommande, la valeur de consigne de la valeur efficace IS à introduire étant branchée sur le signal de sortie du régulateur intégral 4 en sorte que la valeur de cons@- gue effective IsW se compose de la somme de ces deux signaux. Une telle précommande est toujours judicieuse si le circuit de régulation lui-même fonctionne avec une certaine lenteur relative et si l'amplitude de la grandeur réglée nécessaire à l'obten- tion d'une valeur efficace déterminée dépasse toujours assurément celle-i. En cas de réduction de la fréquence avea maintien à un niveau constant de la valeur de consigne de la valeur effinane réglable sur la prise dtun potentiomètre 26, on pourrait par suite de la relativement faible vitesse de régulation du régulateur de valeur efficace, courir le risque de voir la réduc- tion néeessaire de l'amplitude du courant s'effectuer trop 1er tement en sorte que les convertisseurs de courant du convertis- seur direct de fréquence 13 soient exposés à une charge exeesei- ve. Il est prévu pour ce cas un interrupteur 24 remettant à zéro le signal de sortie de l'intégrateur 4 et actionné de son côté par un avertisseur de valeur limite 25 qui reçoit le signal d'enX trée de l'intégrateur 23. La grandeur de sortie dudit intégra tour 23 étant proportionnelle à la fréquence, sa grandeur d'entrée l'est au quotient différentiel de la fréquence par rapport au temps.Aussi, tant que la fréquence f1 du courant du fotir diminue, une grandeur d'entrée négative est amenée à ltavertisseur de valeur limite 25 et sa sortie, -comme indiqué par la relation reproduite sur son bloc symbolique entre sa grandeur d'entrée et sa grandeur de sortie a, présente un potentiel nul, si bien que Itinterrupteur 24 est actionné et provoque ainsi une remise à zero de l'intégrateur.Il en résulte, pour la durée du changement de la fréquence en direction de valeurs plus basses, la presoription de la valeur IS comme amplitude du courant à établir par la régu- lation et c'est après seulement que la nouvelle fréquence, plus faible, correspondant à la nouvelle position de la prise sur le potentiomètre 21 se soit instaurée que le blocage de linté.gra- teur 4 cesse et que la valeur de consigne effective ISW est por- tée à nouveau, par le signal de sortie du régulateur intégral 4, de la valeur IS à la valeur qui correspond, sous la fréquence désormais modifiée, à la valeur efficace 15 réglée sur le poten- tiomètre 26. La figure 5 est un diagramme de fonctionnement du disposi- tif. selon la figure 4. Au début du processus considéré, la fré- quence t adoptée correspond à une période T1. Le régulateur in tégral 4 fixe de la façon déjà exposée l'amplitude du courant du four en sorte que la valeur résultante quadratioue de ce courant corresponde à la valeur de consigne 15, ce qui se remaroue dans le diagramme par le fait que, pour chaque période, les aires hachurées placées au-dessous de la droite IS sont égeles à celle qui se trouve au-dessus de cette même droite IS2 On admettra qu'il intervienne à l'instant t1 une diminution de la fréquence2 et par conséquent une augmentation de la période, qui durera jusqu'à l'intant t2. Pour la durée de cette diminution, le signal de sortie du régulateur intégral 4 est mis à zéro et seule la valeur de consigne IS prescrite sur le potentiomètre 26 est décisive pour la régulation d'amplitude, laquelle ramène alors l'amplitude du courant du four à une valeur dont on est assuré qutelle ne surchar- gera plus les valves du convertisseur de courant. A partir de l'instant t2, le régulateur intégral 4 est de nouveau en prise sans perturbation, c'est-à-dire que son blocage est terminé: il peut établir ainsi la valeur d'amplitude décisive pour la nouvelle période T2 de telle façon que la valeur résultante quadratique du courant I corresponde de nouveau à celle de la valeur de consigne 15 prescrite. La figure 6 représente une réalisation pratique d'un intégrateur ramenable à zéro. Il peut titre utilisé comme régulateur intégral 4 ou aussi comme régulateur de courant de four 15. En ce qui concerne ce dernier, il faut ajouter qu'il conviendrait d'opé- rer la remise à zéro pendant la durée des pauses de courant afin de prévenir une migration incontrôlée de la tension de sortie du régulateur de courant de four et d'éviter ainsi des impulsions de courant d'une valeur dangereuse lors de la rentrée en prise dudit régulateur.L'intégrateur à remise à zéro selon la figure 6 se compose dtun amplitificateur 27 à forte amplification à vide qui reçoit à travers des résistances d'entrée la différence des tensions U1 et U2 et présente une branche de contre-réaction qui se compose, soit uniquement, comme représenté, d'un condensateur C dans la variante d'utilisation en régulateur de valeur efficace, soit du montage en série d'une résistance ohmique et d'un condensateur en vue d'un eomportement proportionnel et intégral comme dans le cas du régulateur de courant de four 15. Dans l'un et l'autre cas, les deux armatures du condensateur de contre-rdaction C sont court-circuitées par un transistor à effet de champ 28 qui est conducteur, et agit alors sensiblement comme un interrupteur fer mé, lorsque son électrode de commande 29 reçoit un signal zéro. S'il s'agit d'un régulateur intégral purO la tension de sortie UÂ s'annule alors, au lieu que, dans un régulateur proportionnel et intégral, cette tension UA tombe à une valeur déterminée par le rapport de la résistance de contre-réaction à la résistance d'en trée. R -E V E N D I C A T I O N S Dspositif de régulation de la valeur efficace d'une @randeur pulsatoire caractérisé par le fait qu'il comporte un régulateur intégral à 11 entrée duquel est amenée la différense entre une grandeur proportionnelle à la valeur de consigne éle- vée au carré et la grandeur de valeur réelle élevée également au carré. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il comporte deux multiplicateurs qui reçoivent sur leurs deux entrées, l'un la grandeur de valeur de consigne, l'autre la grandeur de valeur réellet et dont les tensions de sortie sont amenées sous forme soustraotive à l'entrée du régulateur inté- gral. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'entrée du régulateur intégral est reliée à la sortie d'un multiplicateur dont une entrée reçoit la différence entre la grandeur de valeur de consigne et la grandeur de valeur réelle et dont l'autre reçoit la somme de ces deus grandeurs. Dispositif salon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 caractérisé par le fait qutun signal proportionnel à la valeur de consigne s'ajoute au signal de sortie du régulateur intégral. 5. Dispositif selon la revendication 4 assurant la régulation de courant dcun four de fusion à électrodes sous courant al ternatif et caractérisé par le fait que le régulateur intégral interfère avee le régulateur de courant du four. 6. Dispositif selon la revendication 5 destiné à des fours électriques de refusion de laitier et caractérisé par le fait que le signal de sortie du régulateur intégral est ramené à zéro polir la durée de chaque diminution de la fréquence du courant du four. 7a Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que le régulateur intégral est constitué par un amplificateur électronique couplé à contre-réaction- par l'effet d'un condensateur court-cirouitable' par un transistor à effet de champ. 8. Dispositif selon la revendication 7 destiné à des fours de fusion à électrodes alimentés par convertisseur statique de fréquence avec prescription de la fréquence de courant du four par une horloge et un étage de commande, l'horloge étant actionnée par un transmetteur d'accélération formé d'un amplificateur de balayage à trois points suivi d'un intégrateur, dispositif caractérisé par le fait que le signal d'entrée de l'intégrateur actionne à travers un avertisseur de valeur limite entrée de commande du transistor à effet de champ. 9.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé par le fait que le temps d'intégration choisi pour le régulateur intégral est plus grand que la période d'oscillation fondamentale de la grandeur réglée.