Brevet FR2420874A1 — publié le 19791019

La présente invention a trait aux régulateurs pour alternateurs de petite puissance, notamment pour alternateurs destinés à l'alimentacior électrique des véhicules automobiles. On sait que les alterna.eurs de véhicules automobiles sort associés à des régulateurs qui agissent sur le courant d'excitation de façon à maintenir la tension de sortie à une valeur prédéterminée. Si le régulateur ne hache pas le courant d'excita .ion, la valeur maximum dudit courant est essentiellement déterminée par la tension d'alimentation et la résistance du bobinage inducteur ; cependant, la puissance débitée par l'alLernateur est, en pratique, limitée par la température maximale, que peuvent supporter les bobinages induits de l'alternateur, ptincipalement en raison de la présence d'isolants sensibles à une élévation excessive de la température. On a déjà proposé, pour éviter une élévation excessive de la température de l'alternateur en fonctionnement, de limiter le courant d'excitation maximum en donnant au bobinage inducteur une valeur de résistance élevée ; cette façon d'opérer limite la puissance de l'alternateur dans les plages de fonctionnement qui ne correspondent pas à l'obtention d'une température maximum dars les bobinages de stator. On a également proposé de limiter par un régulateur d'intensité la valeur du courant inducteur mais cette méthode présente les mêmes inconvénients que précédemment indiqué puisque la régulation d'intensité intervient même pour les plages de fonctionnement où la température maximum admissible sur le stator n'est pas atteinte.Dans le brevet français 1 338 010, on a proposé de réduire le courant de sortie de l'alternateur en fonction de la température du stator relevée au moyen d'un capteur constitué par une thermistance ; cette régulation est réalisée en réduisant de façon continue l'alimentation du bobinage inducteur, la thermistance-capteur agissant sur la tension de commande d'un transistor ballast. Un tel dispositif présente un inconvénient non négligeable en raison du fait que la régulation en fonction de la température du stator est réalisée de façon continue et permanente de sorte que les valeurs de la tension et du courant de charge se trouvent déjà réduites pour des plages de fonctionnement dans lesquelles les températures de stator Sont pourtant parfaitement admissibles. La présente invention a pour but de décrire un régulateur associé à un alternateur de petite puissance, ce régulateur per mettant, pour une construction donnée de l'alternateur, d'obtenir une puissance maximum dans une très large plage de vitesse de rotation. Pour ce faire, le régulateur selon l'invention se comporte comme un régulateur de tension de type classique, tant que la température du stator reste inférieure à une température maximum prédéterminée, et diminue ensuite la tension de référence du régulateur en fonction de la température lorsque la température du stator atteint ledit seuil.On constate qu'avec un régulateur de ce type, il ne se produit aucune limitation en fonction de la température tant que les températures du stator restent admissibles, ce qui permet de bénéficier de la puissance. maximum que l'on peut tirer de l'alternateur ; la limitation du courant d'excitation en fonction de la température n'intervient que lorsqu' elle est vraiment nécessaire pour maintenir la température des bobinages induits à une valeur admissible, compte tenu des qualités des isolants. I1 est clair que, dans ces conditions, on peut adopter pour l'alternateur associé au régulateur selon l'invention des caractéristiques constructives permettant l'obtention d'un fort courant dans les plages de fonctionnement qui correspondent à des températures de stator relativement faibles. Le principe du régulateur selon l'invention est donc de comporter deux étages, à savoir un étage de régulation de tension classique et un étage de régulation de température qui intervient uniquement lorsque les températulEs dans les bobinages induits deviennent excessives. La présente invention a donc pour objet le produit industriel nouveau que constitue un régulateur électronique associé à un alternateur, destiné notamment à l'alimentation électrique d'un véhicule automobile, ce régulateur assurant l'alimentation du bobinage d'excitation de son alternateur associé en fonction de la valeur d'une tension T, qui est comparée à une tension de référence TrX et comprenant d'autre part au moins un capteur de température fournissant Vm, caractérisé par le fait que l'alimente tation du bobinage d'excitation est réduite par un organe comparateur dès que la température 8m dépasse une température de référence e r. Dans un mode préféré de réalisation, la tension Vm est fournie par au moins un capteur de température disposé au voisinage du stator de l'alternateur ; le capteur de température est une thermistance à coefficient négatif, ou un composant semi conducteur sensible à la température. Dans une première variante de réalisation, la tension T r est fournie par l'organe comparateur, qui reçoit une tension de référence U1 et une tension U2 et qui génère la tention Tr à partir de U1 et/ou U2 ; l'organe comparateur est constitué de deux diodes et la tension Tr est toujours égale à la plus faible des tensions U1 et U2 ; la tension U2, fonction linéaire de (Vm-Vr), est fournie par un amplificateur opérationnel qui reçoit sur l'une de ses entrées la tension Vr et sur son autre entrée les tensions U1 et Vm Dans une deuxième variante de réalisation, le transistorinterrupteur de puissance, assurant l'alimentation du bobinage d'excitation, est rendu non passant pendant un temps prédéterminé to, lorsque la température0 m atteintou dépasse le seuil e r. Dans une troisième variante de réalisation, le transistorinterrupteur est rendu non passant tant que la température m reste au-delà du seuil #r. Selon un premier mode de réalisation de l'une ou l'autre des deuxième ou troisième variantes précitées, la tension de référence T r est mise à zéro, lorsque la tempéra ture , m atteint ou dépasse son seuil préfixé dr. Selon un deuxiè- me mode de réalisation des deuxième et troisième variantes précitées, lorsque la température #m, atteint ou dépasse son seuil préfixé, le transistor qui assure l'alimentation du bobinage d'excitation est directement rendu non passant. On peut avantageusement prévoir que la tension de référence Tr soit fonction de la température extérieure ambiante ; ce résultat peut être atteint en prévoyant que Ul est obtenue par un pontdiviseur comportant un nombre de diodes classiques supérieur au nombre de diodes Zéner, ces divers éléments étant sensibles à la température ambiante; la comparaison des tensions T et Tr peut s'effectuer au moyen d'un amplificateur opérationnel, dont la sortie alimente au moins un transistor assurant l'alimentation du bobinage d'excitation ; l'alternateur associé au régulateur peut avantageusement avoir des caractéristiques électriques telles qu'il serait susceptible, dans le cas d'une régulation portant uniquement sur sa tension de sortie, de fournir un courant entraînant ure augmentation de température-non supportable par l'isolation du stator : ce résultat est atteint par exemple lorsque l'on prévoit un alternateur dont la résistance de rotor est faible. I1 est clair que, dans la première variante de réalisation, on réalise, à partir d'un certain seuil de température, une régulation continue du courant d'excitation ayant pour but de limiter la température du stator d'alternateur. Au contraire dans les deuxième et troisième variantes de réalisation, la régulation, qui s'opère au-deld du seuil de température, est une régulation par tout ou rien. Cependant, dans les deux cas, le principe essentiel de l'invention est que la régulation due à la température n'intervient sur l'excitation qu'au-delà d'un seuil de température, alors qu'en deçà de ce seuil, la régulation est uniquement fonction de la tension U1. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatiEs, deux modes de réalisation représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure I représente le schéma de principe d'une régulation selon la première variante de l'invention - la figure 2 représente le schéma électrique correspondant au schéma de principe de la figure I - la figure 3 représente deux courbes de fonctionnement afférentes à une réalisation selon la deuxième variante de l'invention - la figure 4 représente la courbe donnant, en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur, le courant débité maximum par l'alternateur figurant dans le schéma de la figure 2. En se référant aux figures 1 et 2, on voit que l'on a désigné par 1 dans son ensemble le stator d'un alternateur de véhicule automobile et par 2 le bobinage d'excitation dudit alternateur, ce bobinage d'excitation étant porté par le rotor. Les bobinages induits du stator 1 alimentent un pont de diodes 3 disposé entre la masse et la ligne d'alimentation électrique 4, qui constitue la sortie de l'alternateur. La ligne 4 alimente la batterie 5 du véhicule et les circuits de consommation schématisés par 6. Une thermistance 7 est disposée en un point du stator et constitue un capteur de température. L'alternateur, qui vient d'être décrit, est associé à un étage de régulation de tension de type classique désigné par 8 dans son ensemble. L'étage 8 est susceptible de comparer une tension T à une valeur de référence Tr. Suivant la valeur de la tension T image de la tension de sortie de l'alternateur associé, le régulateur 8 module l'alimentation du bobinage d'excitation 2 pour maintenir constante la tension de sortie de l'alternateur. La tension Tr est fournie par un organe sélecteur 9 qui reçoit, d'une part, une tension de référence U1, et, d'autre part, une tension U2 fournie par un étage de régulation de température désigné par 10 dans son ensemble. L'étage 10 reçoit d'une part, une tension de référence Vr, et, d'autre part, une tension de mesure Vm permettant le repérage de la température en un point du stator 1 et la tension de référence U1. La tension Vm est obtenue en utilisant comme capteur la thermistance 7. On va maintenant décrire en détail la réalisation des circuits 8, 9 et 10 dont l'alimentation est assurée de manière connue en soi par la borne positive de la batterie 5 ou par un plus TRIO réalisé à partir de trois diodes supplémentaires sur le pont de redressement 3. Le circuit 10 est constitué d'un amplificateur opérationnel l1 dont l'entrée négative reçoit la tension Vr par l'intermédiaire de la résistance 18. La tension Vr est obtenue à partir du pont de résistances 18a, 18b disposé aux bornes de la diode Zéner 17 et de la diode t6 qui déterminent une tension V0 indépendante de la température. L'entrée positive de l'amplificateur opérationnel reçoit d'une part la tension de référence U1 par l'intermédiaire de la résistance 13 et d'autre part, la tension Vm par l'intermédiaire de la résistance 14.La tension Vm est obtenue à partir du pont, formé par la résistance 21 et la thermistance 7, disposé aux bornes de la tension VO. De plus, l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel est relit à la masse par l'intermédiaire de la résistance 12. L'entrée négative de l'amplificateur opérationnel 11 est reliée à la sortie au moyen d'une résistance 19, de sorte que le composant 11 fonctionne en amplificateur. La Sortie de l'amplificateur 11 fournit la tension U2, qui est envoyée sur une diode 20 faisant partie de l'organe comparateur 9. L'organe comparateur 9 comporte une autre diode 22, qui est branchée entra tension U1 et la diode 20. Du côté du point commun des deux diodes 20 et 22, l'organe comparateur 9 fournit une tension Tr, qui est envoyée par l'intermédiaire d'une résistance 23 sur l'entrée positive d > un amplificateur opérationnel 24 fonctionnant en comparateur et faisant partie du circuit 8.La borne de la diode 22, qui fournit la tension Trs est raccordée à l'alimentation positive par l'inter nédiaire de la résistance 25. Lorsque la températureem du stator 1 est inférieure à un seuil rs la tension Vm est supérieure à la tension Vr en raison du choix des caractéristiques des composants précédemment décrits. La tension de sortie U2 du composant 11 s'écrit U2 w U1 + (Vm-Vr), étant un coefficient positif constant. Si 9 m est inférieure à r' il est clair que U2 est supérieure à U1. Dans ces conditions, la tention Tr est égale à U1, à la chute de tension dans la diode près et, par conséquent, l'étage de régulation 8 va fonctionner comme un régulateur de tension classique en comparant la tension T à une tension de référence Tr égale à la tension de référence Ulqui est sensible uniquement à la température ambiante et ceci de manière connue en soi. Au contraire, si la températuree m devient supérieure à la tempéra- turne 6 rs Vm devient inférieure à Vr et, dans ces conditions, u2 est inférieure à U1.A la chute de tension dans la diode près, la tension T r est alors égale à U2, c'est-à-dire que la tension Tr décroit linéairement en fonction de l'écart entre Vm et Vr. On assure ainsi, à partir du seuil de températuree,, une régulation du courant d'excitation pour limiter la température du stator de l'alternateur. Comme il a été indiqué précédemment, l'étage 8 comporte un comparateur 24, dont l'entrée positive reçoit la tension Trs l'entrée négative étant reliée par l'intermédiaire d'une résistance 26 et d'un diviseur de tension constitué de deux résistances 27 et 28 à la tension de sortie de l'alternateur. L'entrée positive du comparateur 24 est reliée à la sortie par une résistance 29 et ladite sortie alimente, par l'intermédiaire de la résistance 30, la base d'un transistor 31 dont l'émetteur est relié à la masse et dont le collecteur est relié, par l'intermédiaire de la résistance 32, à la base d'un transistor 33 ; une borne du transistor 33 est reliée à la masse par h diode 34 alors que l'autre borne est reliée à la base d'un transistor 35. L'une des bornes du transistor 35 est reliée à la diode 34 alors que l'autre borne est reliée à l'alimentation positive. Les transistors 33 et 35 constituent un montage DARLINGTON La borne de la diode 34, qui est reliée aux transistors 33 et 35, est également reliée à l'en- trée positive du comparateur 24, par l'intermédiaire d'un condensateur 36 et d'une résistance 37, et à l'alimentation du bobinage d'excitation 2. On constate que l'étage de régulation 8, qui vient d'être décrit, constitue un régulateur de tension de type classique. Le fonctionnement de l'ensemble 8, 9, 10 correspond au fonctionnement d'un régulateur de tension de type classique, lorsque la tension Tr est égale à la tension U1, clest-à-dire lorsque la température em est inférieure à la température #r, Au contraire, lorsque la température bm devient supérieure à la température tr la tension T r devient égale à U2 ce qui permet une régulation du courant d'excitation en fonction de la température.En effet, la tension Tr présentant maintenant une valeur plus faible que U1 et par suite plus faible que la tension de sortie de l'alternateur qui était précédemment asservie à U1, le comparateur 24 va rendre non passants les transistors 33 et 35 et par conséquent le débit du courant d'excitation de l'alternateur diminuera jusqu'à ce que la température #m redevienne égale ou inférieure à la température #r. On peut donc faire en sorte d'utiliser un courant d'excitation important tant que la température du stator n'est pas excessive. Pour cela il suffit de prévoir un bobinage de rotor ayant une résistance suffisamment faible pour ne pas limiter prématurément la valeur du courant d'excitation. La figure 4 représente, suivant la valeur de la résistance du bobinage inducteur, les courbes donnant l'intensité du courant maximum débité par l'alternateur 1-2 en fonction de la vitesse de rotation. La courbe A est obtenue avec un alternateur présentant par exemple une résistance de 5 SL envi- ron associé à un régulateur de tension classique sans étage de régulation de température. La courbeBest obtenue avec un alternateur de même structure mais comportant un bobinage inducteur moins résistant ( 3Jtpar exemple) et associé à un régulateur clas sique.Si la température #m est supérieure à #r (dans l'exemple pour une vitesse comprise entre 2 200 et 6 000 trs/mn) nous obtiendrons, avec un alternateur à faible résistance d'inducteur associé au régulateur sèlon l'invention, la courbe C ; mais siem est toujours inférieure ou égale àer, nous obtiendrons à pleine excita Eon la courbe B . On voit que l'ensemble alternateur-régulateur selon l'invention permet d'obtenir un ampèrage supérieur à celui fourni par un alternateur de l'état de la technique. La figure 3 représente des courbes relatives à la deuxième variante de réalisation du régulateur selon l'invention. Dans cette variante de réalisation, on compare la température #m four- nie par un capteur, du type du capteur 7 de la figure 2, à une température de référence Si r. Si la température 8 m atteint ou dé- passe la valeur #r, on coupe le courant d'excitation pendant un temps prédéterminé tO. Cette coupure est obtenue en rendant nulle la tension de référence T r d'un étage de régulation 8 analogue à celui qui a été précédemment décrit pour la première variante. Après un temps tO, on rétablit à la valeur initiale la tension de référence du régulateur et si la différence (em -er) est toujours positive, on coupe à nouveau le courant d'excitation de la même manière pendant un temps tO. Ces coupures se succèdent jusqu'à ce que la température #m du stator redevienne inférieure au seuil # r que l'on s'est fixé. Le régulateur selon l'invention comporte comme précédemment décrit, un étage de régulation de température 10 mettant en oeuvre un comparateur dont l'une des bornes d'entrée reçoit la tension Vm et l'autre une tension de référence Vr, la sortie de ce comparateur permet d'annuler ou non la valeur de la tension Tr.Sur la figure 3, la courbe de la première ligne donne l'évolution des températures de stator en fonction du temps et la courbe de la deuxième ligne donne l'évolution de la tension de référence Tr en fonction du temps. On voit que, de cette façon, on peut également réguler le courant d'excitation pour maintenir la température de stator au Il est bien entendu que les modes de réalisation ci-dessus décrits ne sont aucunement limitatifs et pourront donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de 1 linventlon ; en particulier, l'étage de régulation 10 peut recevoir des indications provenant non seulement du capteur de temperature 7 mais également d'un certain nombre d'autres capteurs permettant de tenir compte de divers paramètres tels que, par exemple, la valeur du courant d'excitation, la valeur du courant débité par l'alternateur, la vitesse de rotation de l'alter- nateur ou la température extérieure. REVENDICATIONS 1 - Régulateur électronique associé à un alternateur, destiné notamment à l'alimentation électrique d'un véhicule, ce régulateur assurant d'une part l'alimentation du bobinage d'excitation de l'alternateur associé en fonction de la valeur d'une tension T, qui est comparée à une tension de référence Tr, et comprenant d'autre part au moins un capteur de température e m fournissant une tension Ym, caractérisé par lue fait que l'alimenta- tion du bobinage d'excitation est réduite par un organe comparateur dès que la température em dépasse une température de référence 2 - Régulateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la tension V est fournie par au moins un capteur de température disposé au voisinage du stator de l'alternateur. 3 - Régulateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le capteur de température est une thermistance. 4 - Régulateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la tension Tr est fournie par l'organe- comparateur qui reçoit une tension de référence U1 et une tension U2 et qui génère la tension Tr à partir de U1 et/ou U2. 5 - Régulateur selon la revendication 4, caractérisépar le fait que la tension Tr est egale à la plus faible des tensions U1 et U2 6 - Régulateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'organe comparateur est constitué de deux diodes. 7 - Régulateur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la tension U2, fournie par un amplificateur opérationnel, est une fonction linéaire de (Vr-Vm). 8 - Régulateur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'amplificateur opérationnel reçoit sur l'une de ses entrées la tension Vr et sur son autre entrée les tensions U1 et V 9 - Régulateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'alimentation du bobinage d'excitation est assurée par l'intermédiaire d'un transistor-interrupteur de puissance, caractérisé par le fait que le transistor-interrupteur est rendu non passant pendant un temps prédéterminé to, lorsque la température e m atteint ou dépasse le seuil er. 10 - Régulateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'alimentation du bobinage d'excitation est assurée par l'intermédiaire d'un transistor-interrupteur de puissance, caractérisé par le fait que le transistor-interrupteur est rendu non passant tant que la températuree m reste au-delà du seuil e r ll - Régulateur selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé par le fait que la tension de référence Tr est mise à zéro, lorsque la température e m atteint ou dépasse son seuil préfixé. 12 - Régulateur selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel l'alimentation du bobinage d'excitation est assurée par l'intermédiaire d'un transistor, caractérisé par le fait que, lorsque la température e m atteint ou dépasse son seuil préfixé, le transistor qui assure l'alimentation du bobinage d'excitation est directement rendu non passant. 13 - Régulateur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il est associé à un alternateur ayant des caractéristiques électriques telles que ledit alternateur serait susceptible, dans le cas d'une régulation portant uniquement sur sa tension de sortie, de fournir un courant entraînant une augmentation de température non supportable par l'isolation du stator. 14 - Régulateur selon la revendication 13, caractérisé par le fait que son alternateur associé a un rotor de faible résistance.