Brevet FR2386929A1 — publié le 19781103

L'invention est relative aux dispositifs pour engendrer une tension alternative v à fréquence constante réglable f et o o à amplitude constante réglable aux bornes d'une charge à partir d'un arbre rotatif entraîné à une vitesse généralement variable. Un domaine d'application préféré, mais non exclusif, des dispositifs générateurs du genre en question, est l'alimentation électrique des équipements de bord d'un aéronef à partir de l'arbre de l'un des moteurs d'entraînement (rédacteurs ou autres) de cet aéronef : les équipements en question peuvent être par exemple des radars à alimenter constamment en une tension à fréquence constante, ou encore des moteurs de pompes ou de ventilateurs, organes qui doivent être progressivement entraînés depuis l'arrêt à leur vitesse normale de fonctionnement. L'invention a pour but, surtout, de proposer pour les dispositifs générateurs du genre en question des réalisations exemptes d'organes mécaniques de glissement, particulièrement originales et fiables. Les dispositifs générateurs du genre en question selon l'invention sont essentiellement caractérisés en ce qu'ils comprennent un alternateur à fréquence f1 très supérieure à -f0 dont le rotor inducteur monophasé est entraîné en rotation par l'arbre rotatif et est excité électriquement par une tension alterna tive UO à fréquence f élaborée à partir d'un régulateur de ten o sion lui-même asservi à la tension VO et à la sortie d'unosçil- lateur à fréquence fO, le stator induit de cet alternateur étant polyphasé à g phases (n étant un entier supérieur à 1), et relié à la charge par deux ponts de redressement polyphasés composés chacun de n redresseurs commandés et de n redresseurs simples,des moyens étant prévus pour rendre conducteurs les n redresseurs commandés de l'un des deux ponts,et seulement ceux-ci, lors d'une demi-alternance positive sur deux de l'enveloppe de chaque tension de sortie du stator et pour rendre conducteurs les g redresseurs commandés de l'autre pont,et seulement ceux-là, lors d'une demi-alternance négative sur deux de ladite enveloppe, ces demialternances positives et négatives étant alternées. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - la fréquence f1 est comprise entre 4 et 10 fois la fréquence-f - la fréquence f est égale à 400 Hz, o - l'entier n est égal à 3, - la tension d'excitation U est engendrée par l'induit polyphasé o à redresseurs tournants, entrainé en rotation par l'arbre rotation, d'une excitatrice dont l'inducteur monophasé reçoit la sortie du régulateur de tension, après amplification éventuelle, - dans un dispositif générateur selon l'alinéa précédent, il est prévu un transformateur d'intensité dont llenroulement secondaire est fixe et dont l'enroulement primaire est entraîné en rotation avec l'induit de l'excitatrice et est branché sur celle-ci de fa çon à engendrer dans le secondaire un courant alternatif-d'ampli- tude proportionnelle à celle du courant élaboré par cette excitatrice, des moyens étant prévus -pour appliquer sur le régulateur de tension ledit courant engendré dans le secondaire de façon à realiser une boucle d'asservissement courte de dégrossissage, - dans un dispositif générateur selon au moins l'alinéa qui précè- de le précédent, il est prévu un transformateur d'intensité dont l'enroulement primaire est parcouru par le même courant que la charge et dont 1 enroulement secondaire est connecté à un enroulement formant un deuxième inducteur monophasé pour l'excitatrice, de façon que cette dernière assure une excitation coupqund" fonction de la puissance absorbe par la charge, - dans un dispositif générateur selon l'alinéa précédent, des moyes sont prévus pour régler l'excitation "compound" en fonction de la vitesse de l'arbre rotatif, - l'inducteur de l'alternateur comprend deux enroulements antagonistes dont l'un est monté en parallèle avec une diode Zener ou organe analogue de façon à annuler le courant global dans cet inducteur au voisinage des zéros de chaque alternance de ce courant, - dans un dispositif générateur comprenant une excitatrice du genre ci-dessus, 1 inducteur de 1 ' alternateur est alimenté à partir de l'induit, polyphasé à p phases, de cette excitatrice à travers deux groupes de p redresseurs commandés, des moyens étant prévus pour commander la conduction des p redresseurs de l'un de ces grou pes, et seulement de ceux-ci, lors des demi-alternances positives de la tension d'excitation et pour commander la conduction des p redresseurs de l'autre groupe, et seulement de ceux-là, lors des demi-alternances négatives de cette même tension, - m dispositifs générateurs de tension monophasée du genre ci- dessus sont associés de manière à engendrer une tension polyphasée à m phases, les tensions de référence à fréquence 50 engendrées respectivement par les m oscillateurs de ces dispositifs étant déphasées les unes par rapport aux autres de 2 t/m, et les m ar bres tournants - compris par lesdits dispositifs étant tous entraînés à la même vitesse ou à des vitesses différentes - constantes ou variant dans le même ranport~. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit, I'on-va décrire quelques modes de réalisation préférés de l'invention en se référant aux dessins ci-annexés d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ces dessins, est le schéma de principe d'un générateur de tension établi conformément à l'invention. Les figures 2 à 6 montrent respectivement les formes de la tension engendrée en respectivement 5 points différents de ce géné rateur, la tension étant portée en ordonnées et le temps en abscisses. Les figures 7 et 8 sont les schémas de principe de respectivement deux variantes d'une même partie dudit générateur, établies conformément à l'invention. Et les figures 9 et 10 montrent respectivement les formes de la tension engendrée en respectivement 1 et 2 points de la variante selon la figure 8, la tension étant portée en ordonnées et le temps en abscisses. Le générateur schématisé sur la figure 1 est destiné à engendrer aux bornes d'une charge 1 une tension électrique alternative vo à fréquence constante réglable f0 et à amplitude constanteré- glable uo, à partir d'un arbre 2 entraîné en rotation à une vitesse N. L'arbre Z entraine le rotor inducteur monophasé 3 d'un alternateur 4 dont la fréquence f1 est très supérieure à fO. Le stator induit triphasé 5 de cet alternateur est relié à la charge 1 par 11 intermédiaire de deux ponts de redressement hexaphasé P1 et P2 comprenant chacun trois redresseurs commandés (81 pour le pont P1; 82 pour le pont P2) et trois redresseurs simples (91 pour le pont P1; 92 pour le pont P2). Le fonctionnement de ces ponts sera précisé plus loin. L'arbre 2 entratne en outre l'induit triphasé 10 d'une excitatrice 11 dont l'inducteur monophasé 12 est fiXe et-alimenté d'une manière qui sera précisée plus loin. Les trois enroulements de cet induit sont-connectés, à- travers trois redresseurs 13 entraînés en rotation avec eux, à liin- ducteur 3 de l'alternateur. D'une manière en soi connue, un réseau 14 peut être branché aux bornes de cet inducteur pour compenser le cos On prévoit en outre - un détecteur de tension 15 monté de façon à mesurer à chaque instant la tension v appliquée aux bornes de la charge 1, o - un oscillateur 16 à fréquence constante fO, - et un régulateur de tension 17 recevant les sorties du détecteur 15 et de l'oscillateur 16 et lui-même connecté à l'inducteur 12 de l'excitatrice il à travers un amplificateur 18. Les trois organes 15, 16 et 17 sont alimentés en courant continu à partir d'un alternateur auxiliaire 19 comportant un rotor à aimant permanent 20 entraîné par l'arbre 2 ci-dessus et un stator polyphasé 21 associé à un ensemble redresseur polyphasé 22. Le dispositif générateur ainsi décrit fonctionne de la ma manière suivante. La tension d'excitation UO engendrée par l'excitatrice Il o se présente sous la forme d'une succession de demi-alternances identiques de même signe se reproduisant à la cadence 2 fO, comme montré sur la figure 2. C'est cette tension U qui est appliquée aux bornes de l'in o inducteur 3 de l'alternateur. Les trois tensions de fréquence f1 recueillies respectivement aux bornes des trois enroulements statoriques triphasés 5 de cet alternateur ont les formes représentées en respectivement a, b, et c sur la figure 3 : ces trois tensions se succèdent régulièrement dans le temps et admettent une enveloppe sinusoidale commu ne S de fréquence f o Les deux ponts de redressement P1 et P2 sont commandés à partir de l'oscillateur 16 de façon telle que les redresseurs commandés de l'un d'eux (81), et seulement ceux-ci, soient conducteurs pendant une demi-alternance positive sur deux de l'enveloppe S ci-dessus, c'est-à-dire de la tension de sortie dudit oscillateur et qu'au contraire les redresseurs commandés de l'autre pont (82) et seulement ceux-là, soient conducteurs pendant une demialternance négative sur deux de cette enveloppe S, les demi-alternances positives et négatives conduites étant alternées selon les figures 4 et 5. Dans ces conditions, les tensions débitées respectivement à tour de rôle par les deux ponts P1 et P2 se présentent sous les formes d'impulsions enveloppes en demi-alternances, respectivement positives 2 et négatives B, ainsi que montré sur les figures 4 et 5. Ce sont ces différentes impulsions qui sont appliquées finalement aux bornes de la charge 1 et forment la tension enveloppe sinusoïdale VO désirée (fig.6). Les divers éléments ci-dessus forment-une boucle fermée d'asservissement agencée de façon à maintenir l'amplitude v de la tension VO, détectée à chaque instant en 15, constamment égale à celle d'une tension de consigne affichée au régulateur 17. Dans un mode de réalisation préféré indiqué à titre purement illustratif, la fréquence f0 est égale à 400 Hz et la fréquence f1 varie dans une gamme comprise entre 4 et 10 fois la fréquence fO, c'est-à-dire entre 1600 et 4000 Hz. La vitesse de rotation N de l'arbre entraîneur 2 est généralement comprise entre 6000 et 60.000 tours/mn ou même davantage. Le nornbre des paires de pôles de l'alternateur 4 peut lui-même être choisi de toute façon désirable : c'est ainsi que si ce nombre est égal à 8, une vitesse N- de 12.000 t/mn correspond à une fréquence f1 de 1*600 Hz et que, si ledit nombre est égal à 4, une vitesse de 36.000 t/mn se traduit par une fréquence f1 de 2.400 Hz. L'amplitude v est elle-même généralement comprise entre 26 et 200 volts. Comme il va de soi, de nombreuses variantes ou améliorations peuvent être apportées au générateur de tension décrit cidessus sans sortir du cadre de l'invention. En particulier l1on pourrait appliquer directement aux bornes de l'inducteur rotorique 3 de l'alternateur, par l'intermé diaire de balais conducteurs, la tension UO à fréquence f ci-des o sus qui serait alors élaborée par d'autres moyens que l'excitatri- ce à redresseurs tournants 13. De même les organes 20 d'une part et lo et 3 d'autre part pourraient être entraînés à des vitesses différentes par le même arbre 2, un train multiplicateur ou réducteur à rapport constant pouvant être interposé entre eux. Selon un perfectionnement intéressant, on monte sur le rotor de l'excitatrice 11 l'enroulement primaire 23 d'un transformateur d'intensité 24 dont le secondaire 25 est fixe, et l'on branche cet enroulement 23 en série avec l'un des redresseurs tournants 13 : comme le courant alternatif alors engendré dans le secondaire 25 est proportionnel au -courant d'excitation parcourant l'inducteur de l'alternateur 4, il suffit de brancher ce secondaire 25 sur le régulateur de tension 17 pour réaliser une boucle d'asservissement particulièrement courte qui assure un "dégrossissage" de la régulation et une réduction du temps de réponse de celle-ci. Selon un autre perfectionnement intéressant, on fait parcourir par le même courant que la charge 1 le primaire 26 d'un transformateur d'intensité 27 dont le secondaire 28 est monté en série avec un enroulement 29 formant un deuxième inducteur monophasé-pour l'excitatrice 11. De la sorte l'excitatrice 11 est alimentée à la fois-en fonction de la tension aux bornes de la charge l et en fonction de l'intensité du courant traversant cette charge : on obtient ainsi une excitation "compound1, fonction de la puissance réellement consommée par ladite charge 1 ladite excitation étant rendue automatiquement d'autant plus forte que ladite puissance est plus élevée et inversement. On peut encore perfectionner cette excitation 1,compound" en réglant celle-ci en fonction de-la vitesse N de l'arbre 2 : c'est ce qui a été schématisé par le bloc 30 sur la figure 1, lequel est interposé entre les deux enroulements en série 28 et 29 et reçoit une information de réglage en provenance de l'alternateur auxiliaire 19 dont le rotor 20 est entraîné à ladite vitesse N, le réglage en question étant assuré de façon telle que toute augmentation de la vitesse N se traduise par une réduction du courant envoyé dans l'enroulement 29 et inversement. Sur les figures 7 et 8 on a représenté deux variantes perfectionnées du mode d'alimentation de l'inducteur 3 à partir de l'induit 10 de l'excitatrice 11. Dans la première variante, illustrée sur la figure 7, l'enroulement inducteur 3 est monté en série avec un enroulement 31 identique, mais antagoniste, monté lui-même en parallèle avec une diode Zener 32. Cette diode Zener est choisie de façon telle qu'elle courte-circuite l'enroulement 31 tant que la tension appliquée à ses bornes demeure supérieure à une valeur prédéterminée, et qu'au contraire elle soit bloquée lorsque ladite tension devient inférieure à ladite valeur : dans ces conditions, les tensions résiduelles engendrées dans les deux enroulements antagonistes 3, 31 s'annulent exactement, ce qui facilite les passages à zéro de la tension UO. Dans la deuxième variante illustrée sur la figure 8, deux groupes G1 et G2 de redresseurs commandés composés chacun de trois redresseurs commandés (331 pour le groupe G1; 332 pour le groupe G2) sont interposés entre les enroulements de phases de l'induit 10 et l'inducteur 3, et donc entrainés en rotation avec ces éléments. La conduction des trois redresseurs commandés du groupe G1 et le blocage des trois autres sont assurés pendant les demi alternances positives de la tension de référence à la fréquence f o délivrée par l'oscillateur 16 alors que la commande inverse est assurée pendant les demi-alternances négatives de ladite tension. Les commandes respectives en question sont assurées à partir de l'oscillateur 16 par des impulsions de tension telles que celles représentées en d et e sur la figure 10, à l'aide notamment de moyens opto-électroniques, ou transformateurs tournants ... etc. Dans ces conditions, la tension appliquée aux bornes de l'inducteur 3 présente une forme sinusoIdale se rapprochant de la perfection telle que celle illustrée en U' sur la figure 9. o Plusieurs dispositifs générateurs élémentaires du genre de celui qui a été décrit ci-dessus et qui engendre une tension électrique monophasée peuvent être combinés de manière à former un générateur composite de tension électrique biphasée, triphasée ou plus généralement polyphasée. Dans ce cas, si le nombre de phases est m, le nombre des générateurs élémentaires est égal à m et les oscillateurs 16 compris respectivement par ces m générateurs délivrent des tensions électriques de référence déphasées entre elles de proche en proche d'un angle égal à 2 it/m. Les rotors de ces m dispositifs peuvent être montés sur le même arbre 2 ou être entraînés par plusieurs arbres distincts animés à la même vitesse. Dans de tels groupes de générateurs, les tensions correspondant aux m phases peuvent être réglées indépendamment les unes des autres en agissant sur les régulateurs de tension.17 correspondants, ce qui permet une. grande souplesse. Si la fréquence de référence f définie par l'oscilla o teur 16 est constante, chaque générateur élémentaire du genre décrit ci-dessus engendre une tension de fréquence constante f , et ce quelle que soit la vitesse N de l'arbre entraîneur 2, laquelle peut être fortement variable, le rapport entre les valeurs eXtrê- mes de cette vitesse étant généralement compris entre 2 et 3. Mais on peut également, indépendamment du fait que la vitesse N soit variable ou non, faire varier la fréquence de référence f01 ce qui permet de réaliser des générateurs de tension à fréquence variable depuis une -valeur nulle jusqu'à toute valeur désirable. On peut aussi faire varier pour chaque générateur le point de consigne du régulateur de tension 17 de façon telle par exemple que l'amplitude v de la tension engendrée aux bornes de la charge 1 varie linéairement avec la fréquence fO. o L'application de cette dernière disposition à un générateur polyphasé, par exemple triphasé, réalisé de la manière indiquée ci-dessus par combinaison de plusieurs générateurs monophasés élémentaires, permet de résoudre d'une manière particulièrement élégante le problème du démarrage progressif des moteurs asynchrones de l'arrêt à la valeur nominale. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour engendrer une tension alternative v à o fréquence constante réglable f et à amplitude constante réglable -o aux bornes d'une charge à partir d'un arbre rotatif entraîné à une vitesse généralement variable, caractérisé en ce qu'il com prend un alternateur (4) à fréquence f1 très supérieure à f dont o le rotor inducteur monophasé (3) est entraîné en rotation par l'arbre rotatif (2) et est excité électriquement par une tension al ternative UO à fréquence f élaborée à partir d'un régulateur de o tension (17) lui-même asservi à la tension V et à la sortie o d'un oscillateur (16) à fréquence fO, le stator induit (5) de cet alternateur étant polyphasé à n phases (n étant un entier supérieur à 1), et relié à la charge (1) par deux ponts (P1,P2) de redressement polyphasé composés chacun de n redresseurs commandés (81 82) et de g redresseurs simples (91 92) des moyens étant prévus pour rendre conducteurs les n redresseurs commandés de l'un des deux ponts et seulement ceux-ci lors d'une demi-alternance positive sur deux de l'enveloppe de chaque tension de sortie du stator et pour rendre conducteurs les n redresseurs commandés de l'autre pont et seulement ceux-là lors d'une demi-alternance négative sur deux de cette enveloppe, ces demi-alternances positives et négatives étant alternées. 2. Dispositif générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence f1 est comprise entre 4 et 10 fois la fréquence fO. o 3. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendica tions 1 et 2, caractérisé en ce que la fréquence f est égale à o 400 Hz. 4. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entier n est égal à 3. 5. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension d'excitation U est engendrée par l'induit polyphasé (10) à redresseurs toute o nants (13), entraîné en rotation par arbre rotatif,. d'une excitatrice (11) dont l'inducteur monophasé (12) reçoit la sortie du régulateur de tension, après amplification éventuelle. 6. Dispositif générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur d'intensité (24) dont l'enroulement secondaire (25) est fixe et dont l'enroulement primaire (23) est entraîné en rotation avec l'induit de l'excitatrice et est branché sur celle-ci de façon à engendrer dans le secondaire un courant alternatif d'amplitude proportionnelle à celle du courant élaboré par cette excitatrice, des moyens étant prévus pour appliquer sur le régulateur de tension ledit courant engendré dans le secondaire de façon à réaliser une boucle d'asservissement courte de dégrossissage et une réduction du temps de réponse. 7. Dispositif générateur selon l'une au moins des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur d'intensité (28) dont ltenroulement primaire (26) est parcouru par le même courant que la charge et dont l'enroulement secondaire (28) est connecté à un enroulement (29) formant un deuxièmeinduc- teur monophasé pour l'excitatrice, de façon que cette dernière assure une excitation "compound" fonction de la puissance consommée par la charge. 8. Dispositif générateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que des moyens (30) sont prévus pour régler l'excitation "compound" en fonction de la vitesse de l'arbre rotatif. 9. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'inducteur de l'alternateur comprend deux enroulements antagonistes (3 et 31) dont l'un est monté en parallèle avec une diode Zener (32) ou organe analogue de façon à annuler le courant global dans cet inducteur au voisinage des zéros de chaque alternance de ce courant. 10. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'inducteur (3) de l'alterna teur est alimenté à partir de l'induit (10) polyphasé à E phases, de cette excitatrice à travers deux groupes (G1, G2) de n redresseurs commandés, des moyens étant prévus pour commander la conduction des s redresseurs de l'un de ces groupes, et seulement ceuxci, lors des demi-alternances positives de la tension d'excitation et pour commander la conduction des s redresseurs de l'autre groupe, et seulement de ceux-là, lors des demi-alternances négatives de cette même tension. 11. Dispositif générateur de tension monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est associé à m - 1 dispositifs analogues de manière à engendrer une tension polyphasée à 3 phases, les tensions de référence à fréquence f engendrées respectivement par les m oscillateurs de o ces dispositifs étant déphasées les unes par rapport aux autres de 2 a/m et les m arbres tournants compris par les m dispositifs -- entant tous entratncs à la môme vitesse ou ? des vitesses différentes - constantes ou variant dans le même rapport.