Brevet FR2350723A1 — publié le 19771202

L'invention concerne un générateur électrique à fréquence différentielle et notamment un tel générateur utilisant l'interférence de deux tensions de fréquence différente dans le but d'obtenir, après redressements adéquats, une tension résultante dont la fréquence est la fréquence d'interférence, c'est-à-dire la demi-différence des fréquences des tensions composantes. L'interférence de deux tensions de fréquence différente est communément utilisée en électronique, mais il s'agit ici de l'interférence de tensions polyphasées obtenues par des alternateurs. Le générateur électrique selon l'invention est constitué par - deux alternateurs ayant chacun leur fréquence propre, et comportant pour chacune de leurs phases un nombre d'enroulements égal au nombre de leurs phases, chacun desdits enroulements d'une phase d'un alternateur étant monté en série avec l'enroulement correspondant d'une phase de l'autre alternateur, de manière que tous les enroulements d'une phase d'un alternateur soient chacun montés en série respectivement avec un enroulement appartenant à une phase différente prise, dans un ordre déterminé, dans l'autre alternateur, - des ponts redresseurs contrôlés à double-sens en nombre égal au nombre des phases, les sorties des enroulements d'un alternateur étant réunies auxdits ponts redresseurs, par quoi les ponts redresseurs délivrent un courant polyphasé dont la fréquence est la demidifférence des fréquences des alternateurs. Avant leur traitement par les ponts redresseurs, les courants sont à fréquence relativement élevée et peuvent être transformés avantageusement par des appareils d'importance plus réduite que s'il s'agissait de traiter des courants à plus faible fréquence. Selon une autre caractéristique de l'invention, les sorties des enroulements d'un alternateur sont réunies aux ponts redresseurs par l'intermédiaire de transformateurs. Une application importante de ce type de générateur consiste à obtenir une tension à fréquence variable à partir d'un mouvement uniforme, ou, inversement,une tension à fréquence constante à partir d'un mouvement à vitesse variable. Selon une autre caractéristique, les alternateurs sont en traînées par un différentiel. En régulant convenablement la tension et le couple, et par conséquent la vitesse des alternateurs, on arrive à donner à la fréquence du courant résultant, la grandeur désirée indépendamment de la vitesse d'entralnement du différentiel. Selon encore une caractéristique de l'invention, chaque alternateur est muni de deux enroulements d'excitation, les premiers enroulements de chaque alternateur étant alimentés ensemble dans le sens direct, c'est-à-dire qu'un accroissement du courant dans ces premiers enroulements provoque un accroissement du flux d'excitation dans chacun des alternateurs, et les seconds enroulements de chaque alternateur étant alimentés ensemble en sens inverse, c'est-à-dire qu'un accroissement du courant dans ces seconds enroulements provoque un accroissement du flux d'excitation dans un alternateur et une diminution de ce flux dans l'autre alternateur. Dans l'autre alternateur, les premiers enroulements d'excitation étant réunis à un régulateur de tension tandis que les seconds le sont à un régulateur de fréquence. En faisant varier le courant dans les enroulements alimentés ensemble dans le sens direct, on agit dans le meme sens sur la tension et le couple des deux alternateurs qui ne changent donc pas de vitesse, mais leur tension varie pour chacun dans le même sens. En agissant sur le courant dans les enroulements alimentés ensemble en sens inverse, on fait varier les couples en sens inverse, et par conséquent, on fait varier la fréquence d'interférence. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaîtront au cours de la description de réalisations particulières données ci-après, avec l'aide des figures qui représentent schématiquement : - La figure 1, les enroulements des deux alternateurs, - la figure 2, le détail de leur couplage, - les figures 3a, 3b et 3c, les courbes représentatives des courants d'une phase du générateur, - la figure 4, les courbes de courant à redresser, - la figure 5, un exemPle d'alimentation de charge résistive, - la figure 6, un exemple d'alimentation de charge réactive, - la figure 7, un montage avec les deux alternateurs montés sur le meme arbre, - la figure 8, un montage avec les deux alternateurs entraînés séparément par des moteurs, - la figure 9, un montage avec les deux alternateurs entraînés par les sorties d'un différentiel, et - la figure 10, les régulateurs de tension et de fréquencetdu montage précédent. L'exemple décrit concerne des alternateurs triphasés mais il est entendu que l'invention est applicable également avec des alternateurs comportant un nombre de phases différent. On a représenté schématiquement sur la figure 1, les stators de deux alternateurs triphasés A1 et A2 Les trois phases sont composées chacune de trois enroulements repèrés respectivement Al, A", A"l avec deux indices. Le premier indice indique le numéro 1 ou 2 de llal- ternateur, tandis que le second indice indique la phase. Par exemple : - A"12 repère le deuxième enroulement de la phase 2 de l'alternateur 1. - A"'23 repère le troisième enroulement de la phase 3 du deuxième alternateur. La figure 2, indique les montages en série des enroulements. Les ponts redresseurs commandés sont représentés par des thyristors repèrés T+ et T- pour les conductions dans un sens et dans l'autre. La figure 3a, représente les tensions aux points aX, a2 et a3 à l'entrée des ponts redresseurs de la figure 2. La figure 3b, représente la tension à la sortie d'un pont redresseur simple T+. La figure 3c, représente la tension au point A à la sortie des ponts redresseurs inversés T+ et T-. On a représenté en pointillé des transformateurs de tension (TT) qui peuvent avantageusement se placer entre les alternateurs et les ponts redresseurs en un point du circuit où la fréquence est relativement élevée de manière à obtenir la tension désirée à la sortie du dispositif où la fréquence d'interférence est basse. On voit que le nombre des circuits est égal au carré du nombre des phases (ici 9) et que le nombre de ponts redresseurs est le double du nombre de phases (6). Les circuits sont réunis en trois groupes symétriquement de manière à constituer un réseau triphasé A, B, C avec le neutre N. En appelant U1, U2 les tensions des enroulements des alternateurs A1 et A2, Uo la tension moyenne avec U1 = Uo + e U2 = Uo - e W et w2 les pulsations des deux alternateurs,cola pulsation moyenne avec W1 = # + w2 = # - # on peut écrire pour les tensions aux différents points a11 a2 et a3 (premier groupe A'), b3, b11 b2 (deuxième groupe A"), et c2, C3, c1 (troisième groupe A"'). grandeurs qui peuvent également s'écrire (pour a1, a2, a3) (a1), 2 Uo cos Et sin St + 2e sin #t cos wt 2# 2# (a2), 2 Uo cos #t sin (#t - 3 ) + 2e sin #t cos (#t - 3) (a3), 2 Uo cos #t sin (#t + 2#) + 2e sin #t cos (#t + 2#) 3 3 Les courbes représentatives sont données figures 3a. L'enveloppe de ces courbes, obtenue par un redresseur simple est représentée figure 3b.Au point A, la tension résultante serait en première approximation, en appelant K le rapport de transformation du pont, K 2 Uo [cos #t] la notation E J signifiant que l'on prend la valeur absolue de cos St (tension ondulée, toujours dans le meme sens). Ainsi que le montrent les formules ci-dessus, l'approximation est d'autant meilleure que le terme U1 - U2 e = 2 qui figure au second membre, est plus faible, c'est-à-dire que les deux tensions sont plus voisines. Pour obtenir la double alternance, on- est obligé d'utiliser un deuxième pont redressenr et de commander ces deux ponts T+ et T- en synchronisme avec la tension.On obtient ainsi au point A la tension indiquée sur la figure 3c. Dans la pre mière partie (positive) de la courbe, le pont redresseur T+ est allumé et T- éteint, dans la deuxième partie de la courbe, le pont redresseur T est éteint et T- est allumé. On obtiendrait de meme aux points B et C (figure 2) les memes tensions décalées de + 3 et - 2#, caractérisant un réseau triphasé dont la fréquence est égale à la demi-différence des fréquences des deux alternateurs. Les courbes indiquées figure 3 sont théoriques et le fonctionnement des deux ponts redresseurs commandés est en réalité plus complexe en raison principalement - de l'approximation dpnt il a été fait mention ci-dessus ; en particulier l'enveloppe des sinusoïdes des courants composants ne passe pas par zéro, - du déphasage inéluctable entre tension et intensité du fait des réactions de la charge. On a représenté figure 4 en 1, l'enveloppe des courbes de tensions composantes, en 2, la courbe des tensions à obtenir à la sortie des ponts redresseurs, en 3, la courbe de l'intensité déphasée d'un angle 9S par rapport à la courbe précédente. Le pont redresseur correspondant devra donc être commandé de manière à obtenir les fonctionnements suivants - de t0 (passage de la courbe 3 d'intensité par zéro) à tl (instant du passage de la courbe 1, tension, par une valeur égale à e) les ponts devront fonctionner en redresseurs, - de tl à t2 (passage de la courbe 1 tension à une valeur approximativement symétrique et égale à -e) les ponts redresseurs devront fonctionner comme des cyclo-convertisseurs, - de t2 à t3 (correspondant au passage de la courbe 3, intensité, à zéro) le pont devra fonctionner en inverseur (11inverter" en terminologie anglo-saxonne), - en suite le pont de signe opposé est commandé avec les mêmes sé quences. La composition et le fonctionnement de ces ponts redresseurs sont bien connus de l'homme de l'art, mais on signale ici les combinaisons de certains types d'entre eux avec le couplage des alternateurs qui vient d'être décrit, en raison des résultats intéressants qu'elles permettent d'obtenir. On voit sur la figure 5, un exemple de traitement des courants venant des alternateurs A1 t A2 qui sont redressés par de simples redresseurs 11. Ce courant redressé passe ensuite dans un inverseur. En supposant dans ce cas, la charge 13 purement résistive, 1'inver- seur synchrone est constitué de transistors 13 et fonctionne comme un onduleur synchronisé sur l'onde d'entrée modulée sinusoldalement. L'onde de sortie est alors sinusoldale et non plus composée d'une suite d'impulsions à fronts raides comme dans le cas des onduleurs alimentés par une tension continue d'amplitude à peu près constante. La figure 6, représente la combinaison des alternateurs montés en série , comme précédemment, avec un redresseur suivi d'un inverseur à thyristors, dans le but d'alimenter une charge réactive. Le redres seur 11 reçoit le courant provenant des. deux alternateurs. Un filtre L/C 14, 15 assure l'échange de la puissance réactive du réseau de sortie 16. Les thyristors principaux 17 sont montés en pont avec circuits d'extinctions (montage MAC MURRAY). Ce montage donne les mêmes résultats sur charge réactive que le montage précédent sur charge uniquement résistive. Les alternateurs peuvent etre entraînés à vitesse constante ou variable.Ils peuvent meme être entraînés à la même vitesse, la fréquence résultante étant égale à -la demi-différence des fréquences composantes, c'est-a-dire dans ce cas à la demidifférence des nombres de paires de pôles multipliée par la vitesse. La figure 7, montre le schéma d'un montage où les deux alternateurs sont montés sur le même arbre. Leur nombre de pôles est tel que leur fréquence est fl et f2- Le courant provenant de leur montage en série est à la fréquence f1 + 2 . Ce courant est transformé par un transformateur de tension 221 d'où sort un courant à la fréquence f~= fl 2 qui est ensuite filtré en 23.On voit qu'avec ce montage pour obvenir une fréquence de sortie donnée f, on peut utiliser des fréquences d'entrée fl et f2, beaucoup plus élevées ce qui permet de donner aux alternateurs A1 et A2 des vitesses beaucoup plus élevées que s'ils avaient à fournir du courant à la fréquence f. A puissance égale, ils peuvent etre plus petits, et par conséquent, moins chers. Le même raisonnement peut s'appliquer au transformateur qui sera calculé pour une fréquence beaucoup plus élevée. La figure 8, donne le schéma d'un autre montage où les alternateurs sont entraînés séparément par deux moteurs M1 et N dont l'un au moins est à vitesse variable. Le courant issu des alternateurs est envoyé a' l'ensemble ponts redresseurs commandés 22 d'où il sort à la fréquence f égale à la demi différence des fréquences f1 et f2 des alternateurs. On voit que si fl = f2, c'est-à-dire si par exemple les alternateurs tournent à la méme vitesse, le montage fournit du courant continu. Il suffit d'une faible variation de la vitesse de M11 ou de M2 pour faire croître progressivement la fréquence dans un sens ou dans l'autre. Ce montage est donc bien adapté au démarrage et à la commande des moteurs synchrones. La figure 9, représente un autre type de montage où les alternateurs A1 et A2 sont schématiquement représentés par leur stator 25, 26 et leur rotor 27, 28 entraînés respectivement par les sorties d'un différentiel mécanique 29. Les rotors ont chacun deux enroulements inducteurs, 31, 32 et 33, 34 réunis respectivement au régula teur de tension 35set et au régulateur de fréquence 36. Ces régulateurs reçoivent comme il sera expliqué plus loin, les signaux d'un détecteur de tension 37 et des deux détecteurs de vitesse des moteurs 38 et 39. Les enroulements (non représentés) des stators sont connectés comme indiqué sur les figures 1 et 2,et alimentent l'ensemble ponts redresseurs 22.On voit que les enroulements inducteurs 31 et 33 sont montés directement en série, c'est-à-dire que toute variation du courant entralne une variation du flux de même sens dans les deux alternateurs, tandis que les deux autres enroulements 32 et 34 sont alimentés en sens invers, c'est-à-dire qu'une variation du courant entraîne une augmentation du flux dans un alternateur, et une diminution du flux dans l'autre. La figure 10, représente les schémas des régulateurs de tension 35 et de fréquence 36. Le régulateur de tension 35 reçoit les indications de tension du détecteur 37, et de la référence de tension 42. Le comparateur 43 envoie par l'intermédiaire d'un amplificateur 44, la tension d'excitation voulue aux enroulements 31 et 33. Le régulateur de fréquence reçoit les indications N1 et N2 des détecteurs 39 et 41 de vitesse (nombre de tours/seconde) des alternateurs. Il possède une référence de fréquence 45 qu'il compare grâce au comparateur 46, aux indications fournies par le détecteur de fréquence 38, le comparateur envoie le signal de comparaison à deux multiplieurs 47 et 48 qui reçoivent les indications N1 et N2 respectivement des détecteurs 39 et 41, et qui effectuent les multiplications des indi cations provenant du comparateur 46 par et No , No étant la vitesse N N d'entrée du différentiel. Après amplificaiion par les amplificateurs 49 et 51, les indications fournies par les multiplieurs 47 et 48 sont envoyées respectivement aux enroulements 39 et 41. Le fonctionnement de ce dispositif est explicite ci-après. On appellera N1 et N2 le nombre de tours par seconde des alternateurs A et A2 P1 et P2 leur nombre de paires de pôles, avec P = P1 + P2 et p = P1 -p2 et #2 les flux inducteurs C1 et C2 leur couple Par hypothèse on a supposé que le rapport du différentiel était égal à l'unité ; donc en négligeant les forces d'accélération lors des variations de vitesse, et les frottements, on a, en remarquant que les couples sont proportionnels aux flux C1 = C2 et t 2 D'autre part, les tensions sont également proportionnelies aux flux et aux vitesses de rotation ; les flux étant égaux, on aura Par ailleurs, les fréquences des alternateurs sont égales à : fl = P1 N1 et f2 = P2 N2 et la fréquence différentielle : f = p' N0 + pn I1 résulte de ces formules, et de celles qui ont été établies plus haut, que - pour agir sur la fréquence différentielle (ou la stabiliser) on modifiera le rapport des vitesses N1 et N2 ; - pour réguler la tension U, on agira sur les flux (qui devront rester égaux). On voit que le ,montage décrit figure 9, permet de réaliser ces régulations. Le régulateur de tension 35 fait varier dans le même sens et de la même quantité, les flux t et 2 tandis que le régulateur de fréquence 36 en introduisant une différence entre les flux 51 et 2 fait varier les couples C1 et C2 entraînant une variation en sens inverse des vitesses N1 et N2, c'es-à-dire n. Cette variation de vitesse est transitoire et, une fois les nouvelles vitesses obtenues, le courant dans les enroulements 34 doit etre stabilisé sinon annulé.On remarquera toutefois que les deux opérations de régulation (tension et fréquence) ne sont pas tout à fait indépendantes. I1 est avantageux de réduire, ainsi qu'il a été dit plus haut, le terme d'erreur e = U1 U2, c'est-à-dire de rendre les tensions U1 et U2 aussi voisines2que possible. Autrement dit, on s'efforcera de diminuer les écarts entre N1 e-t N2. On a vu que f = p' No + pn , pour que N1 et N2 soient égaux, on devra avoir f = p' N0 . On choisira donc en conséquence, les rapports entre la fréquence différentielle, les nombres de paires de pôles et la vitesse d'entrée du différentiel,pour que cette formule soit vérifiée pour une valeur moyenne de ces grandeurs, en tenant compte éventuellement des impératifs de maxima et de minima qui pourraient être imposés. Les avantages de ce générateur à fréquence différentielle sont nombreux. On citera la possibilité de transformer plus facilement les courants issus des alternateurs qui sont à fréquences plus élevées que la fréquence différentielle ce qui entraîne une diminution du poids des transformateurs. Ensuite, il est plus facile d'obtenir avec ce générateur, par filtrage, une onde sinusoidale à peu près pure, alors qu'avec un onduleur on travaille avec des impulsions à fronts raides. Enfin, les alternateurs fournissent des fréquences élevées et peuvent par conséquent, ineme pour des courants à fréquence industrielle, 8tre entraînés à des vitesses de rotation élevées, par exemple 12.000 tours/mn, ce qui permet à puissance égale, de diminuer dans une forte proportion leur poids et aussi leur prix. Les applications de ce générateur peuvent être très diverses et concernent tous les cas où à partir d'une source de mouvement à vitesse fixe, on désire obtenir une fréquence variable ou vice versa. On citera par exemple, l'obtention d'une fréquence fixe à partir d'une éolienne ou d'un réacteur, ou bien la régulation de la vitesse et le démarrage, à partir d'une source a' fréquence fixe, d'un moteur synchrone au asynchrone, ou encore d'un moteur linéaire. REVENDICATIONS 1. Générateur électrique à fréquence différentielle, caractérisé en ce qu'il est constitué par - deux alternateurs ayant chacun leur fréquence propre, et comportant pour chacune de leurs phases un nombre d'enroulements égal au nombre de leurs phases, chacun desdits enroulements d'une phase d'un alternateur étant monté en série avec l'enroulement correspondant d'une phase de l'autre alternateur, de manière que tous les enroulements d'une phase d'un alternateur soient chacun montés en série respectivement avec un enroulement appartenant à une phase différente prise, dans un ordre déterminé, dans l'autre alternateur ;; - des ponts redresseurs commandés à double-sens en nombre égal au nombre des phases, les sorties des enroulements d'un alternateur étant réunies auxdits ponts redresseurs, par quoi les ponts redresseurs délivrent un courant polyphasé dont la fréquence est la demidifférence des fréquences alternateurs. 2. Générateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sorties des enroulement d'un alternateur sont réunies aux ponts redresseurs par l'intermédiaire de transformateurs de tension. 3. Générateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ponts redresseurs sont constitués par un inverseur constitué de transistors synchronisés sur l'onde d'entrée. 4. Générateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de ponts redresseurs est composé d'un redresseur suivi d'un inverseur à thyristors, un filtre LC assurant l'échange de la puissance réactive de la charge, les thyristors étant montés en pont avec circuit d'extinction. 5. Générateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les alternateurs sont entraînés à la même vitesse et en ce que la fréquence différentielle désirée est obtenue en donnant aux alternateurs le nombre requis de paires de pôles. 6. Générateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les alternateurs sont entraînés par des moteurs séparés dont l'un au moins est à vitesse variable. 7. Générateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les alternateurs sont entraînés par les sorties d'un différentiel mécanique. 8. Générateur électrique selon la revendication 7, caractérisa en ce que chaque alternateur est muni de deux enroulements d'excitation, les premiers enroulements de chaque alternateur étant alimentés ensemble dans le sens direct, c'est-à-dire qu'un accroissement du courant dans ces premiers enroulements provoque un accroissement du flux d'excitation dans chacun des alternateurs, et les seconds enroulements de chaque alternateur étant alimentés ensemble en sens inverse, c'est-à-dire qu'un accroissement-du courant dans ces seconds enroulements provoque un accroissement du flux d'excitation dans un alternateur et une diminution de ce flux dans l'autre alternateur. 9. Générateur électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les premiers enroulements d'excitation sont réunis à un régulateur de tension tandis que les seconds enroulements sont réunis à un régulateur de fréquence.