Brevet FR2399759A1 — publié le 19790302

La présente invention a pour objet un procédé pour- piloter un groupe stabilisateur de courant alternatif destiné a' alimenter un réseau en courant alternatif à caractéristiques définies à partir du réseau de secteur. 11 invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité. Comme on le sait, ce genre d'appareillage est indispensable dans certains cas pour stabiliser le courant alternatif fourni aux dispositifs d'utilisation, par exemple des ensembles d'informatique. Ces appareillages comportent des moyens pour mainte-nir l'alimenta- tion en courant stabilisé, en caste coupure momentanée du secteur, des connexions étant prévues avec le secteur et avec une batterie. On connaît ainsi divers types de groupes stabilisateurs, par exemple un groupe constitué par la combinaison d'un moteur asynchrone et d'un alternateur avec interposition d'un volant d'inertie. le moteur asynchrone est relié au secteur, et l'alternateur, associé à son excitatrice, fournit un courant régulé aux appareils d'utilisation. Le moteur asynchrone entraille le volant et l'alternateur, ce dernier alimentant en permanence l'installation. Ce groupe a une autonomie de l'ordre de 0,3 secondes environ, et assure une protection essentiellement contre les micro-coupures. Un second type de groupe stabilisateur connu est constitué par l'assemblage d'un moteur à courant continu et d'un alternateur avec interposition d'un volant d'inertie. En cas de coupure du secteur alimentant Xe moteur à courant continu, celui-ci est alimenté par une batterie, laquelle assure au groupe une autonomie de plusieurs minutes. L'invention concerne plus specialement-le premier type de groupe stabilisateur, convenablement modifié afin de pouvoir entre piloté au moyen du procédé et du dispositif selon l'invention. A cet effet, le procédé contorme à l'invention consiste à assurer, en cas de coupure du courant de secteur, le pilotage du groupe stabilisateur par un système électronique comprenant un pont à thyristors régulé à une fréquence déterminée par une Rase de temps, et alimenté en courant continu par une batterie. En cas de coupure du secteur, la fréquence de la tension à la sortie de l'alternateur diminue, de sorte que l'ouverture des thyristors du pont est commandée avant l'instant où la tension alternativepasse par zéro à la sortie de l'alternateur, dès que la fréquence de cette tension est devenue inférieure à celle de la tension maintenue aux bornes du pont à thyristors. De ce fait, ce dernier cède de énergie au groupe stabilisateur Jusqu a ce que la fréquence soit redevenue normale à la sortie de ce dernier. Suivant un mode d'exécution du procédé précité, dans lequel le groupe stabilisateur comporte un moteur asynchrone relié au secteur d'une part, et à une machine synchrone fonctionnant en alternateur d'autre part, on connecte le pont de thyristors à la machine synchrone, on règle la fréquence de la base de temps à une valeur légèrement inférieure à celle de la fréquence de sortie de la machine synchrone quand celle-ci est normalement alimentée par le secteur, et on intercale entre la base de temps et le pont de thyristors un générateur d'impulsions capable de commander l'ouverture des thyristors à la fréquence prédéterminée par la base de temps. On compare ainsi en permanence la fréquence du courant à la sortie de l'alternateur avec la fréquence de référence de la base de temps, de façon que le pont de thyristors alimente automatiquement l'alternateur dès que, après une coupure du courant de secteur, la fréquence du courant à la sortie de l'alternateur a diminué suffisamment pour que la tension dudit courant s'annule après l'ouverture des thyristors du pont, comme indiqué précédemment. Le dispositif selon l'invention, destiné à la mise en oeuvre de ce procédé, comprend un système électronique pourvu d'un pont à thyristors alimenté par une batterie en courant continu, et capable de délivrer au groupe stabilisateur, courant de forme recta=wlllaire fréquence prédéterminée au moyen d'une base de temps, en cas de coupure de courant de secteur alimentant le groupe stabilisateur. Be pont à thyristors est relié, d'une part à une machine synchrone fonctionnant en alternateur lorsque l'ensemble est alimenté par le secteur, et d'autre part à une batterie, ainsi qu'à une horloge formant base de temps préréglée à une fréquence légèrement inférieure à la fréquence du courant du réseau de secteur, auquel est branché le groupe stabilisateur. Suivant une particularité importante de l'invention, la machine synchrone du groupe stabilisateur est pourvue d'un enroulement moteur et d'un enroulement alternateur logés dans des jeux d'encoches différentes ménagées dans son stator, l'enroulement moteur étant relié au pont à thyristors tandis que l'enroulement alternateur délivre un courant régulé au réseau quand le rotor de la machine est mis en rotation. L'enroulement "moteur", alimenté par le pont à thyristors, assure l'alimentation électrique de la machine, tandis que l'enrou- lement "alternateur" envoie de 11 énergie électrique sur le réseau secondaire. Ainsi, en cas de coupure du courant de secteur, l'énergie reçue par l'enroulement moteur nar l'intermédiaire du pont de thyris tors ue tors est traXlsformée en énergiv poCuar m2Ulntenir-la vitesse de rotation constante sur l'arbre de la machine. Cet arbre transforme ensuite llé- nergie mécanique reçue en énergie électrique, par l'intermédiaire de 1'enroulement alternateur. De ce fait, la machine synchrone réalisée selon l'invention fonctionne simultanément en moteur et en alternateur lorsque l'ensemble est alimenté par la batterie et le pont de thyristors, et fonctionne uniquement en alternateur lorsque l'ensemble est alimenté par le secteur. D'autres particularités et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre non limitatif, on a représenté deux modes de réalisation de l'invention. - La figure I est un schéma électrique représentant le dispositif de pilotage du groupe stabilisateur de courant alternatif, ainsi que ce dernier. - La figure 2 est une vue en élévation partielle de la machine synchrone faisant partie du groupe stabilisateur représenté à la figure 1. - La figure 3 A est un diagramme symbolisant les variations relatives de la tension à la sortie de la machine synchrone et de. la ter sion du pont ou "onduleur" à thyristors en fonction du temps, lorsque le groupe tournant stabilisateur est normalement alimenté par le courant de secteur. - La figure 3 B est un diagramme analogue à la figure 3 A mais montrant le décalage entre la tension à la sortie de l'alternateur et la tension à la sortie du pont à thyristors lorsque le secteur est coupé. - la figure 4 est u- schéma représentant les enroulements réalisés selon l'invention dans la machine synchrone de la figure 2, cette machine étant triphasée. - la figure 5 montre une variante de réalisation des enroulements précités dans le cas de courant monophasé. - la figure 6 A est un diagramme montrant notamment l'évolution dans le temps et le décalage des tensions et intensités dans le pont à thyristors, le moteur synchrone et l'alternateur lorsque ces derniers sont alimentés par la batterie. - la figure 6 B est un diagramme analogue au précédent montrant les mêmes courbes lorsque le groupe stabilisateur est alimenté par le secteur. le dispositif représenté aux figures 1, 2 et 4, est destiné à piloter un groupe stabilisateur de courant alternatif désigné dans son ensemble par la référence l, et qui doit alimenter un réseau en courant alternatif à caractéristiques bien définies à partir du réseau de secteur 2. le réseau secondaire à alimenter peut comporter par exemple des ordinateurs faisant partie d'ensembles d'informatique, ou des calculateurs industriels pour des processus de commande numérique. le groupe stabilisateur 1 comprend un moteur asynchrone 3 relié au secteur 2 avec interposition d'un contacteur 4, et accouplé à une machine synchrone 5 avec internosition d'un volant d'inertie 6, la machine synchrone 5 délivrant une charge triphasée au réseau d'utilisation par la connexion de sortie 31. De façon classique, l'arbre de la machine synchrone est solidaire d'une excitatrice 7. le dispositif comprend, outre le groupe tournant 1, un système électronique désigné par la référence 8 dans son ensemblo, muni 5'un onduleur à thyristors 9, alimenté en courant continu par une batterie ll, et capable de délivrer au groupe stabilisateur une tension rectangulire de fréquence prédéterminée au moyen d'une base de temps 12, en cas de coupure du courant de secteur alimentant le groupe stabilisateur. Plus précisément, le système électronique de pilotage repré- - senté à la figure 1 est constitué de la manière suivante. le pont à thyristors 9 est relié d'une part à la machine synchrone 5 par une connexion 13, et d'autre part aux piles de la batterie 11 par deux liaisons 1O, 20 pourvues d'un contacteur double 16. Complémentairement, le pont à thyristors 9 est relié à une horloge constituant la base de temps 12, préréglée à une fréquence légèrement inférieure à la fréquence du courant du réseau de secteur 2, auquel est branché le groupe stabilisateur 1. Entre le pont 9 et l'horloge 12, sont interposés les éléments suivants - Un-comparateur de fréquencesî4 est relié à l'horloge 12 ainsi que par une liaison 16,à un capteur de fréquence 15 placé sur la sortie 6 de la machine synchrone 5 - Un régulateur de courant 17 est connecté au comparateur 14, ainsi qu'à un capteur de couranth8placé sur la liaison tQ,et à un générateur d'impulsions 19 lui-meme relié directement au pont à thyristors 9. Le comparateur 14 réalise la comparaison entre la fréquence de référence délivrée par l'horloge 12 et la fréquence du courant relevée par le capteur 15 à la sortie de la machine synchrone 5. Un chargeur 21 est relié -d'une part à la batterie t1-et d'autre part au secteur 2 par une connexion 22 pourvue d'un interrupteur 23. le chargeur 21 assure le maintien en charge de la batterie Il quand . l'ensemble est normalement alimenté par le secteur. Par ailleurs, un régulateur de tension 30 est branché d'une part sur l'excitatrice 7 de la-machine synchrone 5, et d'autre part sur la sortie 6 de ladite machine synchrone, afin de maintenir constante la tension à la sortie de celle-ci. On décrira maintenant les particularités de la machine synchrone 5 prévue conformément à l'invention, en se référant plus particulièrement aux figures 2 et 4. La machine synchrone 5 comprend un stator 24 dans lequel sont agencés deux jeux d'encoches différentes références respec-tivement 25 et 26;'Les encoches 25 sont des encoches d'alternateur normales, très proches de l'entrefer, et contiennent des bobinages triphasés 25a, 25b, 25c (figure 4). les encoches 26 prévues par l'invention sont plus enfoncées dans la tôle du stator 24 que les encoches 25, afin d'obtenir une grande réactance, c'est à dire une inductance de fuites importante pour étouffeites harmoniques. les encoches 26 contiennent des bobinages décalés de 30 degrés par rapport aux bobinages 25a, 25b, 25c, comme on le voit sur la figure 4. la machine 5 comprend un rotor 27, les enroulements moteur 26a, 26b, 26c étant reliés au pont à thyristors 9, tandis que les enroulements alternateur 25a, 25b, 25c placés dans les encoches 25 sont connectés à la sortie 6. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention, au moyen du dispositif qui vient d'être décrit est la suivante. Tout d'abord, lorsque le secteur 2 alimente normalement le grouse stabilisateur 1, le moteur asynchrone 3 entraîne la machine synchrone 5 qui fonctionne alors uniquement en alternateur délivrant par sa sortie 31 un courant alternatif de caractéristiques convenables pour le réseau secondaire d'utilisation.L'interrupteur 23 étant fermé, le chargeur 21 débite dans la batterie ll, laquelle alimente le pont à thyristors 9 aux bornes duquel est maintenue une tension alternative TO (figure 6 B)i En même temps, le courant Io dans l'on- duleur 9 est nul, celui-ci ne débitant pas dans la machine synchrone 5. les courbes TO et IO représentent également respectivement la tension de la machine 5 en tant que moteur synchrone, et le;courant dans cé moteur synchrone. les courbes TA et lA (figure 6 B) représentent respectivement la tension aux bornes de la machine 5 fonctionnant en alternateur, etl'intensité du courant dans cet alternateur. Entre la tension TA et la tension TO, est ménagé un décalage D de 30 degrés électriques. Sur la figure 3 A on a montré ce décalage D entre l'instant où la tension à la sortie de l'alternateur TA devient nulle, et où la tension du pont de thyristors 9 est également nulle, avant la commande de l'ouverture des thyristors par le générateur d'impulsions 19. On voit ainsi que lorsque la-tension TA à la sortie de l'alternateur s'annule, les thyristors du pont 9 sont fermés, de sorte que le pont 9 ne peut alimenter la machine synchrone 5. En cas de Eicro-coupure dans le secteur 2, le moteur asynchrone 3 n'est plus alimenté pendant--un court instant, le volant d'inertie 6 cède un peu de son énergie pour la convertir en énergie électrique par l'intermédiaire de la machine synchrone 5. Dans le cas où la coupure de courant du secteur 2 se prolonge il devient nécessaire de fournir de l'énergie au groupe tournant 1 et au réseau secondaire d'utilisation relié à la' connexion 6. le système électronique de pilotage 8 associé à la machine synchrone 5 fonctionne alors de la manière suivante. La fréquence de la tension à la sortie de la machine synchrone 5 commence à diminuer, jusqu'à ce que cette tension TA s'annule après l'instant O d'ouverture des thyristors du pont 9, comme on le voit sur la figure 3E sur laquelle ce décalage est référencé D'. La fréquence de la tension à la sortie de l'alternateur continuant à diminuer, ce décalage augmente à chaque fois que les tensions de l'alternateur et de l'onduleur 9 s'annulent, comme cela est visiblé sur le diagramme. En conséquence, le pont de thyristors 9 alimente les enroulements moteur de la machine synchrone 5. L'énergie reçue par les enroulements moteur 26a, 26b, 26c, entratne en rotation le rotor 27 et l'arbre de la machine 5, qui fonctionne de oe fait en moteur. La fréquence de la tension de sortie de la machine synchrone 5 est maintenue égale à la fréquence de la base de temps 12. L'angle d'ouverture des thyristors du pont 9, est réglé automatiquement de façon à conserver cette égalité quelle que soit la charge sur le réseau 32 d'utilisation/. Simultanément, l'arbre transforme l'énergie mécanique en énergie électrique par l'intermédiaire du champ tournant créé par le rotor 27 de la machine et des enroulements alternateurs 25a, 25b, 25c logés dans les encoches 25, et cette énergie électrique est fournie au réseau d'utilisation par les connexions 31 et 32. Ainsi la machine synchrone 5 conforme à l'invention fonctionne alors simultanément en moteur et en alternateur. L'enroulement alternateur constitué par les bobinages 25a, 25betc..., impose la tension, la forme d'onde et les transitoires nécessaires à l'alimentation du réseau secondaire, grâce à son décalage angulaire par rapport aux bobinages composant 11 enroulement moteur 26a, 26b, 26c, ainsi qu'à la forme particulière des encoches 26. Pour parvenir au résultat ci-dessus, on règle la fréquence de référence fournie par la base de temps 12 à une valeur très légèrement inférieure à la fréquence du courant à la sortie de la machine 5 fonctionnant en alternateur. Ainsi, si cette dernière fréquence est de 50 hertz (courant de secteur), on pourra régler la fréquence de l'horloge 12 à 49,5 hertz. le comparateur 14 assure en permanence la comparaison entre la fréquence de la base de temps 12 et celle du courant à la sortie de l'alternateur, grâce au capteur de fréquence 15.Dès que la fréquence relevée par le capteur 15 devient inférieure à celle de l'horloge 12, le décalage D' représenté à la figure 3B apparat, de sorte que le générateur d'impulsions t9 commande alors l'ouverture des thyristors du pont 9 avant l'annulation de la tension alternative à la sortie de la machine synchrone 5. Le pont de thyristors 9 débite donc dans les enroulements moteur 26a etc... de la machine synchrone 5 comme indiqué ci-dessus, en cédant un peu plus d'énergie à chaque alternance, jusqu a ce que la fréquence du courant à la sortie de l'alternateur soit égale à la fréquence imposée par le pont de thyristors 9 et l'horloge 12. Lorsque le courant est rétabli dans le secteur 2, le;phéno- mènes inverses des précédents se produisent automatiquement : le décalage D' disparate tandis que le décalage D réapparaît, de sorte que le pont de thyristors 9 cesse d'alimenter la machine synchrone 5. Sur la figure 6A, on voit le courant IOB parcourant lton- duleur 9 et le moteur synchrone de la machine 5 lorsque celle-ci est alimentée par la batterie 11, ce courant présentant une évolution en marche d'escalier. La courbe TSB représente la tension dans le moteur synchrone et dans 1'onduleur 9 quand le groupe tournant 1 est alimenté par la batterie 11. On voit que cette tension alternative TOB présente avec la tension TA à la sortie de l'alternateur, le méme décalage électrique de 30 degrés que celui existant entre les courbes TO et TA sur la figure 6B. En plus des avantages précédemment mentionnés, le procédé et le dispositif selon l'invention en présentent d'autres. Ainsi, plus la puissance demandée par l'enroulement alternateur 25a, 25b, 25c, est importante, plus le temps d'ouverture des thyristors du pont 9 est automatiquement allongé, comme on peut s'en rendre compte d'après la figure 3E. On obtient ainsi une régulation automatique de l'énergie nécessaire au fonctionnement du groupe tournant 1, bt une fréquence imposée. La machine synchrone 5 agit comme un filtre elle reçoit de l'énergie électrique ou mécanique sous une forme quelconque et la restitue sous la forme désirée. le groupe tournant 1 prévu par l'invention supprime toute pollution du réseau d'alimentation, car il ne comporte ni redresseur, ni thyristors, ni impédance non linéaire Lorsqu'il fonctionne avec l'alimentation du secteur 2, le groupe tournant 1 fournit un excellent rendement ; il est en outre extrêmemrnt robuste. L'onduleur 9 fournit des courants carrés comme représenté à la figure 6A, que la machine synchrone 5 transforme en une tension sinusoldale TA de très bonne qualité. le fonctionnement des thyristors du pont 9 est très fiable, car leur. fermeture est automatique, et la régulation du courant est assurée par la machine synchrone, et par conséquent liée à la demande du réseau d'utilisation. Ces éléments simplifient la commande et le fonctionnement de l'onduleur 9. le volant d'inertie 6 absorbe des surcharges importantes mais de courte durée, dues par exemple au démarrage d'un moteur asynchrone sur le réseau d'utilisation. Dans la réalisation représentée à la figure 5, la machine synchrone est monophasée et ne comporte qu'un enroulement alternateur 28 décalé angulairement de 90 degrés électriques d'un enroulement moteur 29. Généralement on pourrait avoir un enroulement moteur à une phase, à deux phases en quadrature, triphasé, à quatre phases en quadrature, ou à un nombre quelconque de phases connectées en polygone. l'enroule- ment alternateur pourrait également comporter- un nombre quelconque de phases, nombre indépendant du nombre de phases motrices. Ceci permettrait d'améliorer la forme de l'onde de tension à là sortie du dispositif. L'invention n'est pas limitée aux formes d'exécution décrites et peut comporter des variantes de réalisation. Ainsi, on pourrait alimenter l'onduleur 9 par un groupe électrogène à fréquence non stable au lieu de la batterie ll. Dans ce cas, le pont de thyristors 9 peut être alimenté par un redresseur classique, l'ensemble onduleur-machine synchrone fonctionnant parfaitement. On peut aussi exécuter une machine avec onduleur monophasé et enroulements alternateurs polyphasés. Un autre avantage de l'association de la machine synchrone et du pont de thyristors 9 conformément à lXinvention, est qu'il permet d'obtenir une synchronisation d'office par l'accouplement de ces deux éléments. D'autre part, le décalage des axes magnétiques des bobinages moteur et alternateur dans la machine synchrone 5, permet de ramener à un minimum la mutuelle inductance entre les deux enroulements. Enfin, le régulateur de tension 30 de l'excitatrice 7 maintient la tension constante à la sortie de l'alternateur. Il importe que seule la fréquence du courant à la sortie de ltalterna- ter;rdpuisse déclencher l'alimentation par le pont à thyristors. REVENDICATIONS i - Procédé pour piloter un groupe stabilisateur de courant alter natif destiné à alimenter un réseau en courant alternatif à caractéristiques définies à partir du réseau de secteur, carac térisé en ce que, en cas de coupure du secteur, on assure ce pilotage par un système électronique comprenant un pont à thy ristors régulé à une fréquence déterminée par une base de temps et alimenté en courant continu par une batterie. 2 - Procédé selon la revendication i, dans lequel le groupe stabili sateur comporte un moteur asynchrone relié au secteur d'une part et à une machine synchrone fonctionnant en alternateur, caractérisé en ce qu'on connecte le pont de thyristors à la machine synchrone, on règle la fréquence de la base de temps à une valeur légèrement inférieure à celle de la fréquence de sortie de la machine synchrone quand celle-ci est normalement alimentée par le secteur, et on intercale entre la base de temps et le pont de thyristors un générateur d'impulsions capable de commander l'ouverture des thyristors à la fréquence prédéterminée par la base de temps. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on compare en permanence la fréquence du courant à la sortie de l'alterna teur avec la fréquence de référence de la base de temps, de façon que le pont de thyristors alimente automatiquement l'alter nateur dès que, après une coupure du courant de secteur, la fré quence du courant la sortie de l'alternateur a diminué suffi samment pour devenir égale à la fréquence de référence de la base de temps. 4 - Dispositif pour piloter un groupe stabilisateur de courant alter natif, destiné particulièrement à la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications t à 3, caractérisé'en ce qu'il comprend un système électronique pourvu d'un pont à thyristors alimenté par une batterie à courant continu, et capable de délivrer au groupe stabilisateur une tension rectangulaire de fréquence prédéterminée au moyen d'une base.de temps, en cas de coupure du courant de secteur alimentant le groupe stabilisateur. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pont à thyristors est relié, d'une part à une machine synchrone fonctionnant en moteur et appartenant au groupe stabilisateur, d'autre part à une batterie et complémentairement à une horloge formant base de temps préréglés à une fréquence légèrement in férieure à la fréquence du courant dn réseau de secteur auquel est branché le groupe stabilisateur. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un comparateur des fréquences de la base de temps et du courant à la sortie du groupe stabilisateur est interposé entre le pont à thyristors et la base de temps, un générateur d'impulsions étant en outre interposé entre ledit comparateur et le pont de thyristors. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'un régulateur de tension est branché sur l'excitatrice de la machine synchrone afinde maintenir constante la tension à la sortie de celle-ci, indépendamment du fonctionnement en mo teur. 8 --Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la machine synchrone est pourvue d'un enroulement moteur et d'un enroulement alternateur logés dans des jeux d'encoches diffé rentes ménagées dans son stator, l'enroulement moteur étant relié au pont à thyristors tandis qne l'enroulement alternateur délivre un courant régulé au réseau quard le rotor de la machine est mis en rotation, énergie électrique reçue par l'enroulement moteur étant transformée en énergie mécanique sur l'arbre du rotor. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enrou- lement moteur est logé dans des encoches ayant une inductance de fuites plus importante que celle de l'enroulement alternateur, et en ce que les axes magnétiques des deux bobinages constituant les dits enroulements sont décalés.