Brevet FR2386930A1 — publié le 19781103

L'invention concerne les dispositifs pour engendrer une tension alternative v à fréquence constante réglable f et à am o o plitude 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 (réacteurs 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 f dont le rotor o inducteur est entraîné en rotation par l'arbre rotatif et est excité électriquement par une tension continue U élaborée à partir d'un régulateur de tension lui-même asservi à la tension V , le o stator induit de cet alternateur étant monophasé et relié à la charge par l'intermédiaire d'une suite de n commutateurs électroniques eux-mêmes connectés respectivement aux n enroulements primaires, montés en parallèle, d'un transformateur de composition, ces commutateurs étant choisis de façon à être automatiquement fermés lors de l'application d'une impulsion de tension sur eux et réouverts lors de l'annulation subséquente de cette impulsion, le secondaire dudit transformateur étant à point milieu et connecté à la charge à travers quatreredresseurs commandés et un filtre laissant passer uniquement la fréquence fO, des premiers moyens de commande étant prévus pour actionner sélectivement les n commutateurs de façon à engendrer dans le secondaire du transformateur de composition une tension à fréquence f1 modulée à la fréquence f0, ou plus précisément une suite d'impulsions de tension se succédant à la cadence f1, dont l'enveloppe est une courbe ondulée à f-réquen- ce fO, de préférence sinusodale, ces premiers moyens de commande comprenant un oscillateur propre à délivrer une tension de réf é- rence de fréquence f0 et un calculateur recevant lui-même cette tension de référence et la tension de sortie alternative à fré quence ft, mais non moduléeà la fréquence f , de l'alternateur, o et des seconds moyens de commande étant prévus pour rendre conducteur deux des redresseurs commandés et bloquer les autres lors des demi-alternances positives de la tension de référence et pour assurer les commandes inverses lors des demi-alternahces négatives de cette tension. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à vautre des dispositions suivantes - la fréquence f1 est comprise entre 4 et 15 fois la fréquence fO, - la fréquence f0 est égale à 400 Hz,. - l'entier n est égal à 6, - les enroulements primaires du transformateur de composition sont choisis de façon telle que les amplitudes des impulsions de tension induites dans le secondaire de ce transformateur à partir d'impulsions identiques appliquées respectivement sur ces enroulements diffèrent respectivement entre elles comme les sinus d'angles croissant régulièrement de O à 90 , - les commutateurs électroniques sont des redresseurs commandés à double alternance, - les commutateurs électroniques sont constitués chacun par un groupe de deux redresseurs commandés montés tête-bêche, - un nombre m de générateurs élémentaires de tension monophasée du genre de celui défini ci-dessus ou de parties de tels génera- teurs élémentaires sont combinés de manière à engendrer une tension polyphasée à m phases, les tensions de référence à fréquence f engendrées respectivement par les m oscillateurs de ces géné o rateurs élémentaires étant déphasées les unes par rapport aux autres de 2s/m. 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 ciaprès. Dans ce qui suit,l'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 4 montrent respectivement les formes de la tension V' susceptible d'être engendrée en un même point donné 0 du générateur de tension schématisé sur la figure 1, savoir aux bornes de l'ensemble charge-filtre, selon que la fréquence f1 est un multiple exact (figure 2) ou non (figures 3 et 4) de la fréquence fo. Et la figure 5 montre la forme de la tension de commande des redresseurs commandés délivrant ladite tension V'0. Le générateur schématisé sur la figure 1 est destiné à engendrer aux bornes d'une charge 1 une tension électrique alternative V0 à fréquence constante réglable f0 et à amplitude constante réglable vO, à partir d'un arbre 2 entraîné en rotation à une vitesse N. L'arbre 2 entraîne le rotor inducteur 3 d'un alternateur 4 dont la fréquence f1 est très supérieure à fO. Le stator induit 5 de cet alternateur est monophasé et relié à la charge 1 par l'intermédiaire successivement des éléments suivants .: - une suite de n commutateurs électroniques 61 à 6n dont le type et la commande seront précisés plus loin, - n enroulements primaires 71 à 7n d'un transformateur "de composition" 8 montés en parallèle les uns sur les autres et connectés chacun à l'un des commutateurs 61 à 6n, - l'enroulement secondaire 9 à point milieu P de ce transformateur 8, - un ensemble de quatre redresseurs commandés1 o,l 1 ,11 ,111 aNionés d'une manière qui sera décrite plus loin, - et un filtre 12 choisi de façon à ne laisser passer que la fréquence fO, La tension d'excitation U appliquée aux bornes de l'inducteur 3 est une tension continue variant dans le même sens que l'em- plitude vO. Cette tension U pourrait être élaborée de toute manière désirable et appliquée directement aux dites bornes de l'inducteur rotatif 3 à travers notamment des contacts rotatifs à balais. Mais dans le mode de réalisation illustré, ladite tension U est engendrée par une excitatrice 13 dont l'enroulement inducteur fixe 14 reçoit la sortie d'un régulateur de tension 15 lui-même asservi à la sortie d'un détecteur de tension 16 branché aux bornes de la charge 1. L'induit triphasé.17 de l'excitatrice 13 est entraîné en rotation par l'arbre 2, comme l'inducteur 3, et alimente ce dernier à travers trois redresseurs 18 qui sont montés sur l'ensemble rotatif 3, 17. La tension alternative V1 de fréquence f1 engendrée aux bornes de l'induit 5 monpphasé de l'alternateur se présente sous la forme d'un train d'impulsions alternativement positives et négatives d'amplitudes identiques, les impulsions du même signe se succédant à la cadence f1. C'est avec ce train d'impulsions que l'on reconstitue, conformément à l'invention, une tension sinusoidale ou sensiblement telle à la relativement basse fréquence f o A cet effet l'on a recours - à un oscillateur 19 délivrant une tension de référence R à o fréquence constante fO, - et à un calculateur 20 qui commande les conductions des commuta teurs 61 à 6 n Ces commutateurs sont eux-mêmes choisis de façon telle qu'ils se ferment, devenant alors conducteurs, lors de l'application sur eux d'une impulsion de tension et stouvrent à nouveau, devenant alors non conducteurs, lors de l'annulation subséquente de ladite impulsion. De tels commutateurs peuvent être constitués par des redresseurs commandés à double alternance, ou par des groupes de deux redresseurs commandés tête-bêche, ou de toute autre manière désirable. On rappelle l'intérêt que présentent les commutations statiques réalisées dans de telles conditions, vu que les changements d'état (ouvert ou fermé) des commutateurs lors des passages à zéro des tensions appliquées sur eux éliminent les troubles magnétiques et électriques généralement suscités par les commutations avec création de parasites radioélectriques. Les enroulements primaires 71 à 7n sont agencés de façon telle que leurs traversées respectives par des impulsions identiques se traduisent par la création aux bornes du secondaire 9 d'impulsions d'amplitudes différentes, ces dernières pouvant varier linéairement de proche en proche ou, de préférence, selon une loi correspondant aux différents sinus d'angles croissant régulièrement de O à 90". C'est ainsi que, dans le mode de réalisation schématisé, pour lequel.le nombre n est égal à 6, on peut choisir les enroulements primaires 71 à 76 de façon telle que les amplitudes des impulsions de tension induites au secondaire par des impulsions de tension identiques appliquées sur ces enroulements primaires soient respectivement proportionnelles aux sinus des six angles 15, 30, 45, 60, 75 et 90". Pour reconstituer la tension désirée à fréquence f à o partir de l'origine d'une demi-alternance positive de la tension Ro, à l'aide du train d'impulsions V1 ci-dessus, on procède comme suit. A l'origine on ferme le commutateur 61 correspondant à l'enroulement primaire à nombre de spires maximum 71 c'est-àdire susceptible d'engendrer aux bornes du secondaire 9 l'impulsion i1 d'amplitude minimum -a1 quand une impulsion k du train V1 est appliquee sur lui : une telle impulsion j1 est alors engendrée au secondaire 9 dès que la première impulsion k du train V est appliquée sur ledit enroulement primaire 71 A chacun des instants consécutifs correspondant respectivement aux débuts des impulsions g consécutives, de même signe que la première, du train considéré, instants qui sont séparés les uns des autres de temps égaux à 1/f1 secondes., le calculateur 20 compare l'amplitude r de la tension R et les amplitudes ai o i (l'indice i étant un entier compris entre 1 et n) des impulsions ji susceptibles d'être engendrées au secondaire 9 par les différents enroulements primaires 7i En fonction du résultat de cette comparaison, effectuée à chacun desdits instants, le calculateur commande la fermeture du commutateur 6i connecté à l'enroulement 7i pour lequel l'amplitude ai est la plus voisine de , ou la plus voisine inférieurement de r, ou encore la plus voisine supérieurément de r. On détermine à l'avance le nombre n de façon telle que, pour une valeur bien définie de la fréquence f17 par exemple pour la plus petite de ses valeurs envisageables, les commutateurs 6. soient fermés à tour de rôle d'abord dans l'ordre croissant de leurs indices, correspondant à des amplitudes ai croissantes,.puis dans l'ordre décroissant de ces indices, lors des présentations successives des différentes impulsions k d'un même signe du train V1 sur la série de ces commutateurs. L'ensemble est agencé de façon telle que chaque commutateur demeure fermé pendant la durée de deux impulsions k consécutives de signes contraires correspondant à deux demi-alternances consécutives de la tension V1, La tension à fréquence f1, d'amplitude modulée à la fréquence fO, ainsi reconstituée aux bornes du secondaire 9, est ensuite redressée à la cadence fo par une commande émanant de l'os cillateur 19 qui a été schématisée par la flèche 21 sur la figure t et par les impulsions rectangulaires c et d sur la figure 5, ladite commande étant appliquée aux quatre redresseurs commandés- 10, loti, 11 et 11î, lesquels sont ainsi déclenchés alternativement par groupe de deux (soit 10 et 101,soitl1et111) à la fréquence f o Les figures 2 à 4 montrent respectivement l'allure de la tension V'O ainsi redressée, qui est appliquée aux bornes de l'ensem- ble de la charge 1 et du filtre 12, la tension V appliquée à la o dite charge étant donc l'enveloppe à fréquence f de ladite ten o sion redressée V'O. On a représenté sur ces figures en traits pleins les impulsions ii considérées ci-dessus, qui traversent telles quelles les redresseurs 10 et 11 et en traits mixtes des impulsions intercalées jointivement entre les précédentes, qui correspondent aux impulsions k, du train V1, de signe opposé à celles ayant engendré lesdites impulsions j. : ces impulsions "intercalées" traversent les redresseurs 1 1 ei t11 et chacune d'elles a une amplitude identique à celle de l'impulsion ji qui la précède immédiatement, -Dans le cas de la figure 2, la fréquence f1 est égale à Il fois la fréquence fo, le nombre n est égal à 6, et la reconstitution de chaque demi-alternance à fréquence f est effectuée par la fermeture successive des six commutateurs061 à 66 dans l'ordre croissant de leurs indices, puis à nouveau des commutateurs 65 à 61 dans l'ordre décroissant de leurs indices, chaque commutateur étant réouvert avant la fermeture du suivant. Lorsque la fréquence f1 qui est proportionnelle à la vitesse N de l'arbre 2, n'est pas un multiple exact de la fréquence fO, la séquence de fermeture ci-dessus n'est plus respectée. C'est ainsi que, dans le cas illustré sur la figure 3, la fréquence f1 est inférieure à Il f0 : dans ce cas, l'un au moins des enroulements 7i est mis hors circuit. Dans l'exemple donné, c'est l'enroulement 71 qui est mis hors circuit et l'ordre correspondant à une telle mise hors circuit est automatiquement émis par le calculateur 20 lorsque la fin de la deuxième impulsion j2, complétée de l'impulsion "intercalée" consécutive, engendrée au cours de la demi-alternance à fréquence fo considérée, intervient à un instant qui précède la fin de cet tm demi-alternance dtun temps inférieur à 1/fl secondes, c'est-àdire à la durée de deux impulsions k. Dans le cas inverse illustré sur la fig.4, où la fréquence f est supérieure à 11 fO, les comparaisons effectuées par le calculateur 20 se traduisent par la répetition de la fermeture de l'un au moins des commutateurs 6i (savoir le commutateur 61 dans l'exemple illustré), avant de passer-à la commande de la fermeture du commutateur suivant de la série. Sur la fig.-1 on voit- encore un alternateur auxiliaire 22 dont le rotor à aimants 23 est solidaire en rotation de l'arbre 2 et dont.le stator induit polyphasé 24 fournit, après redressement par un pont 25, une-tension continue permettant d'alimenter les différents organes 15, 19 et 20 ci-dessus. On a également schématisé sur cette figure 1 par la flèche 26 une prérégulation de la tension par application directe sur le régulateur de tension 15 de la tension V1 prélevée aux bornes de l'induit 5 de l'alternateur 4 : on réalise ainsi une boucle courte de réaction assurant un dégrossissage du réglage et réduisant le temps de réponse de celui-ci, notamment lors des variations de la vitesse N de l'arbre 2. En outre la flèche 27 de ladite figure 1 symbolise une éventuelle interaction de la sortie du détecteur de tension 16 sur le calculateur 20 de façon à faire favoriser par celui-ci la fermeture des commutateurs 6i correspondant aux indices les plus-élevés, c'est-à-dire à l'induction dans le secondaire9.des impulsions dont les amplitudes sont les plus élevées, lorsque l'amplitude dé tectée v de la tension V faiblit et inversement. 0 -o Le dispositif ainsi décrit permet en définitive d'engendrer aux bornes de la charge 1 une tension V dont la fréquence f0 est o imposée par l'oscillateur 19 et dont l'amplitude vO dépend de la valeur de consigne affichée au régulateur 15. Dans un mode de réalisation préféré indiqué à titre purement illustratif, la fréquence f0 est égale à 400 Hz et la fréquence f1, variable ou non, est généralement comprise entre 4 et 15 fois la fréquence fO, c'est-à-dire entre 1600 et 6000 Hz. La vitesse de rotation N de l'arbre entraîneur 2 est généralement comprise entre 6.000 et 60.000 tours/mn ou même davantage. Le nombre des paires de pôles de l'alternateur 4 peut luimême 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 vo est elle-même généralement comprise entre 26 et 200 volts. Plusieurs dispositifs générateurs élémentaires du genre de celui qui a été décrit ci-dessus et qui engendre une tension électrique monophasée ou plusieurs parties de tels dispositifs- peuvent être combinés de manière à former un générateur composite de tension électrique biphasée, triphasée ou plus généralement polypha sée. C'est ainsi que, si le nombre des phases est , on peut combiner m générateurs élémentaires dont les oscillateurs 19 délivrent respectivement des tensions électriques de référence déphasées entre elles de proche en proche d'un angle égal à 2 s/m. Les inducteurs rotoriques 3 de ces m dispositifs peuvent être montés sur le même arbre 2 ou être entraînés par plusieurs arbres distincts animés à la même vitesse étant bien entendu qu'à chaque inducteur différent 3 correspond un induit séparé 5. Selon une variante, on utilise un seul et même alternateur 4 et l'on branche en parallèle entre l'induit 5 de cet alternateur et un ensemble récepteur polyphasé composé de m charges 1 et de g filtres 12, m ensembles composés chacun des éléments 6 à 11 décrits ci-dessus, chacun de ces derniers ensembles étant associé à un calculateur ou élément de calculateur 20 lui-me contrôlé par un oscillateur particulier 19, les fréquences de référence f o imposées par les m oscillateurs étant déphasées entre elles d'angles égaux à 2 a/m. 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 15 correspondants, ce qui permet une grande souplesse. Si la fréquence de référence f définie par l'oscillateur 19 o d'un générateur élémentaire du genre décrit ci-dessus est constante, ce générateur engendre aux bornes de la charge 1 une tension de fréquence constante fO, et ce quelle que soit la vitesse N de l'arbre entraîneur 2, laquelle peut être fortement variable, le rapport entre les valeurs extrêmes 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 f0 délivrée. par l'oscillateur 19 et adapter en conséquence les fonctions programme du calculateur 20, 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 15 de façon telle par exemple que l'amplitude v de la tension engendrée aux bornes de la char o ge 1 varie linéairement avec la fréquence fo. 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 ltarrêt à la valeur nominale. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour engendrer une tension alternative V à o fréquence constante réglable f0 et à amplitude constante réglable aux bornes d'une charge à partir d'un arbre rotatif, caractérisé en ce qu'il comprend un alternateur (4) à fréquence fl très supérieure à fO dont le rotor inducteur (3) est entraîné en rotation par l'arbre rotatif (2) et est excité électriquement par une tension continue U élaborée à partir d'un régulateur de tension (15) lui-même asservi à la tension VO, le stator induit (5) de cet al ternateur étant monophasé et relié à la charge (1) par l'interné diaire d'une suite de n commutateurs électroniques (6i) eux-mêmes connectés respectivement aux n enroulements primaires (7i) montés en parallèle, d'un transformateur de composition (8), ces commutateurs étant choisis de façon à être automatiquement fermés lors de l'application d'uné impulsion de tension sur eux et réouverts lors de l'annulation subséquente de cette impulsion, le secondaire (9) dudit transformateur étant à point milieu (P) et connecté à la charge à travers quatre redresseurs commandés (14101,11,111)et un filtre(12)laissant passer uniquement la fréquence fO, des premiers moyens de commande étant prévus pour actionner sélectivement les n commutateurs de façon à engendrer dans le secondaire dX transformateur de composition une tension à fréquence f1 d'amplitude modulée à la fnpence f01 ou plus précisément une suite d'impulsions de tension se succédant à la cadence f1, dont l'enveloppe est une courbe.ondulée à fréquence fO, de préférence sinusoïdale, ces premiers moyens de commande comprenant un oscillateur (19) propre à délivrer une tension de référence de fréquence f et un calculateur (20) rece o vant lui-même cette tension de référence et la tension de sortie alternative à fréquence f1, mais non modulée à la.fréquence f07 de l'alternateur, et des seconds moyens de commande (21) étant prévus pour rendre conducteur deux des redresseurs commandés et bloquer les deux autres lors des demi-alternances positives de la tension de référence et pour assurer les commandes inverses lors des demialternances négatives de cette tension. 2. Dispositif générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence f1 est comprise entre 4 et 15 fois la fréquence f0 3. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fréquence f est égale o à 400 Hz. 4. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entier n est égal à 6. 5. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes7 caractérisé en ce que les enroulements primaires (7i) du transformateur de composition (8) sont choisis de façon telle que les amplitudes (ai) des-impulsions de tension induites dans le secondaire (9) de ce transformateur à partir d'impulsions identiques appliquées respectivement sur ces enroulements diffèrent respectivement entre elles comme les sinus d'angles croissant régulièrement de O à 900. 6. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les commutateurs électroniques (6i) sont des redresseurs commandés à double alternance. 7. Dispositif générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en'ce que les commutateurs électroniques (6i) sont constitués chacun par un groupe de deux redresseurs commandés montés tête-bêche. 8. 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 g phases, les tensions de référence à fréquence f0 engendrées respectivement par les m oscillateurs de ces générateurs élémentaires étant déphasées les unes par rapport aux autres de 2s/m *