Brevet FR2437104A1 — publié le 19800418

La présente invention a trait à des dispositifs de régulation pour générateurs électriques et plus précisément à des régulateurs de tension d'alternateurs synchrones. L'invention est utilisable dans des systèmes électriques à courant alternatif pour maintenir automatiquement constante la tension aux bornes d'un alternateur synchrone aux conditions de fonctionnement variables. La régulation de la tension aux bornes d'alternateurs synchrones est ordinairement effectuée et comandant le courant circulant dans le bobinage d'excitation en fonction de l'écart de la tension de sortie par rapport à une tension prédéterminée. La commande du courant dans le bobinage d'excitation est avantageusement réalisée au moyen d'une soupape commandée, par exemple un thyristor. Dans des génératrices à excitation composée, cette soupape réglable peut etre raccordée en parallèle sur l'un des éléments redresseurs du redresseur en pont faisant partie du système d'auto excitation de la génératrice.En variant l'angle d'amorçage de la soupape commandée en fonction du niveau de la tension de sortie, on peut contrôler cette tension et la maintenir constante lors des changements de conditions de fonctionnement de l'alternateur, par exemple des variations de sa charge. A cette fin, le régulateur de tension doit réagir aux variations du niveau de la tension aux bornes de l'alternateur et assurer en conséquence un décalage temporel du moment d'application de l'impulsion d'amorçage à l'élec- trode de commande de la soupape commandée. On connaît un régulateur de tension pour alternateur synchrone (voir., par exemple, "Elektrotechnicky obzor", Prague,1969, n"5, p.ol9) comprenant une soupape réglable pour commander le courant circulant dans le bobinage d'excitation de l'alternateur, un condensateur ayant un circuit de charge comportant un redresseur et un circuit de décharge, et relié par l'intermédiaire dudit circuit de charge à la sortie de l'alternateur, un autre condensateur relié par son circuit de charge propre à une source de tension continue, des moyens pour faire varier la constante de temps du circuit de charge dudit autre condensateur, commandés en fonction de la valeur de la tension aux bornes dudit premier condensateur, et un dispositif à seuil dont l'entrée est branchée en parallèle sur ledit autre condensateur et la sortie est reliée à l'électro- de de commande de la soupape comandée. Dans ce régulateur, la constante de temps du circuit de charge du premier condensateur est notablement inférieure, et celle du circuit de décharge notablement supérieure, à la période de tension de l'al4ernateur. Le premier condensateur est chargé à une tension proportionnelle à l'amplitude de la tension aux bornes de l'alternateur et maintient cette tension grâce à la constante de teinps importante de so::; circuit de charge alors que le deuxième condensateur sert à former une tension en dents de scie dont la vitesse de montée varie avec la tension aux bornes du premier condensateur, et à assurer en conséquence un décalage temporel du moment de déclenchement du dispositif à seuil et d'amor çage de le soupape conandée. L'inconvtnient principal du régulateur susdécrit réside dans sa médiocre vitesse de fonctionnement en raison de la constante de temps importante du circuit de décharge du condensateur chargé à partir de l'alternateur à réguler. Il sue produit alors, dans le syst-me régulateur/alternateur, des auto-oscillations qu'on doit supprimer au moyen d'éléments compensateurs, ce qui a pour effet un encombrement excessif du montacje du-régulateur, un ajustement difficile et une réduction de la précision de réglage. D'autre part, la vitesse réduite de fonctionnement est la cause de longues périodes transitoires qui nuisent aux conditions de fonctionnement des appareils utilisateurs. En outre, ces longues périodes transitoires sont à éviter en cas de connexion enparatèe de plusieurs alternateurs. Un autre inconvénient du régulateur antérieur est une mauvaise précision de réglage de la tension en cas de charges nonlinéaires, par exemple une soupape commandée ou un convertisseur de fréquence qui causent de fortes distorsions de'la forme d'onde à la sortie de l'alternateur, avec de. faibles variations de l'am plitude. En effet, la tension aux bornes du condensateur chargé à partir de l'alternateur n'est déterminée que par l'amplitude de la tension aux bornes de celui-ci. La présente invention se propose de mettre au point un régulateur de tension pour alternateur synchrone dans lequel la charge et la décharge du condensateur chargé à partir de l'alternateur s'opéreraient de façon à obtenir une réponse rapide du régulateur aux variations du niveau et de la forme de la tension aux bornes de l'alternateur et à arnéliorer ainsi la précision de réglage. A cet effet, on a prévu un régulateur de tension pour alternateur synchrone comprencint une soupape commandée pour commander le courant circulant dans le bobinage d'excitation de l'alternateur à réguler,un condensateur connecté à la sortie de l'al- ternateur par l'intermédiaire d'un circuit de charge comportant ur redresseur,et un dispositif à seuil dont l'entrée est alimentée par un signal qui est fonction de la tension aux bornes du condensateur et dont la sortie est reliée à I'électrode'de commande de la soupape réglable, lequel régulateur,conformément à l'invention, comprend en outre une source de courant constant,un commutateur commandé,ce commutateur commandé étant branché,ainsi que les bornes de sortie de la source de courant constant et les bornes d'entrée du dispositif à seuil, en parallèle sur le condensateur, et un circuit formateur d'impulsions dont l'entrée est reliée à la sortie de l'alternateur à réguler et dont la sortie est reliée à l'entrée de commande du commutateur commandé,les paramètres dudit circuit de charge du condensateur étant choisis de sorte que la constante de temps du circuit de charge soit notablement supérieure au cycle de tension de l'alternateur à réguler. Le régulateur proposé est capable de réagir à la valeur moyenne, durant une alternance, de la tension alternatIve aux bornes de l'alternateur ainsi qu'aux variations de cette moyenne se produisant à des intervalles qui sont égaux à la période de la tension aux bornes de l'alternateur,ce qui permet d'augmenter considérablement la rapidité de fonctionnement du régulateur et la précision de réglage. La source de courant continu stabilisé du régulateur peut être composée d'un transistor dont le collecteur est relié à l'une des bornes d'un condensateur,d'une source de tension continue dont l'une des bornes est reliée à l'autre borne du condensateur,d'une première résistance branchée entre l'émetteur du transistor et l'autre borne de la source de tension continue, d'une deuxième résistance branchée entre la base du transistor et la première borne de la source de tension continue, et d'une diode Zener insérée entre la base du transistor et l'autre borne de la source de tension continue. Le commutateur commandé faisant partie du régulateur peut être constitué par un transistor dont l'espace collecteur-émetteur est connecté en parallèle sur le condensateur et dont la base constitue l'entrée de commande du commutateur. Le circuit formateur d'impulsions du régulateur peut se colaposer d'une diode Zener branchée à travers une résistance, en parallèle sur la sortie de l'alternateur, et d'un circuit RC de différentiation dont l'entrée est en parallèle avec la diode Zener et la sortie est reliée à l'entrée de commande du commutateur. L'invention va maIntenant être décrite dans un exemple par ticulier mais non limitatif de réalisation, avec références aux dessins annexes dans lesquels: -la figure 1 représente le schéma électrique d'un régulateur csnforrete à l'invention, avec 1 'alternateur à réguler connecté à celui-ci, -la figure 2 montre des détails du régulateur en question; et -la figure 3 re-résente les diagrammes de la tension en divers points du montage du régulateur. En se référant à la figure 1, un alternateur à réguler 1 comporte un bobinage d'excitation 2 relié par l'intermédiaire d'un système d'auto-excitation à la sortie de l'alternateur 1.Le système d ' auto-excitation se compose d'un redresseur en pont 3 avec, à sa sortie, le bobinage d'excitation 2, ainsi que d'une self-inductance 4 et d'un -transformateur 5 placés à la sortie de l'alternateur 1. Le signal prélevé sur ceux-ci est appliqué à l'entrée du redresseur 3, ce dernier étant constitué d'éléments redresseurs 6. La régulation de la tension aux bornes de l'alternateur 1 est assurée par un régulateur de tension 7 dont l'entrée est alimentée par un signal recueilli sur un transformateur 8 branché à la sortie de l'alternateur 1. Le régulateur 7 comprend un condensateur 9 qui est relié, par l'intermédiaire d'un circuit de charge constitué par un retresseur 10 et une résistance 11 connectés en série, à la sortie du transformateur 8, une source 12 de courant constant, un commutateur commandé 13 et un dispositif à seuil 14, tous les trois étant connectés parallèlement au condensateur 9, un circuit 15 formateur d'impulsions inséré entre la sortie du transformateur 8 et l'entrée de commande 16 du cornutSteur 13, et un thyristor 17 dont l'c]ectrode de commande 18 est reliée à la sortie du dispositif à seuil 14.Les paramètres de la résistance Il et du condensateur 9 doivent être tels qutils permettent à la constante de temps du circuit de charge du condensateur à travers le redres our 10 d'être notablement supérieure Q la période de la tension aux bornes de l'alternateur 1. Le thyristor 17 se trouve en connexion opposée-parallèle (tête-bêche) avec un des éléments redresseurs 6, et notamment avec celui d'entre eux dont la tension anodique par rapport à la cathode a une phase voisine de celle de la tension de sortie du transformateur 8, grâce à quoi on obtient l'opposition de phase entre les tensions sur l'anode du thyristor 17 et sur la sortie du transformateur 8. La source de courant stabilisé 12 est composée d'un transistor 19 (figure 2) à collecteur relié à l'une des bornes du condensateur 9, d'une source de tension continue 20 dont l'une des bornes est reliée à l'autre borne du condensateur 9, d'une résistance 21 branchée entre l'émetteur du transistor 19 et l'autre borne de la source 20, d'une résistance 22 insérée entre la base du transistor et la borne premièrement nommée de la source 20, et d'une diode Zener ;3 connectant la base du transistor 19 à la deuxième borne de la source 20. Lapolarité de branchement de la source 20 est de nature à assurer la colncidence de sens des courants traversant le condensateur 9 en provenance de cette source 20 et du redresseur 10. Le commutateur commandé 13 (figure 1) est constitué par un transistor 24 (figure 2) dont l'espace collecteur-émetteur est en parallèle avec le condensateur 9. Le circuit 15 formateur d'impulsions (figure 1) est composé d'une diode Zener 25 (figure 2) reliée par une résistance 26 à la sortie du transformateur 8, et d'un circuit o7, 28 de différentiation RC dont l'entrée est conreo tée parallèlement à la diode Zener 25, et la sortie parallèlement à la jonction base-émetteur du transistor 24. Pendant le fonctionnement du régulateur, la demi-onde positive Ud (figure 3), présente à la sortie de l'alternateur 1 (figure ,), charge le condensateur 9 a travers le redresseur 10 et la résistance 11. En même temps le condensateur 9 est chargé par la source 20, la diode Zener 23 (figure 2) qui maintient constante 1 tension à la base du transistor 19 assurant ainsi une constance de l'intensité du courant circulant dans le circuit de collecteur de celui-ci ou, autrement dit, l'alimentation du condensateur 9 en courant de charge stabilisé en provenance de la source 20.La charge du condensateur 9 est terminée à la fin de l'alternance positive de la tension de sortie de l'alternateur > lorsque la tension aux bornes du condensateur 9 devient égale à la valeur instantanée de la tension de sortie du transformateur 8 (figure 1) et que le redresseur 10 se trouve bloqué. La courbe de variation de la tension U2 aux bornes du condensateur 9 est portée sur le diagramme de la figure 3. Le moment t1 correspond au moment où la charge du condensateur est terminée. Vu que la constante de temps du circuit de charge est assez importante, ce moment est voisin de celui de la fin de l'alternance positive de la tension aux bornes de l'alternateur. Ensuite la tension aux bornes du condensateur 9 (figure 2) croît uniquement par l'apport du courant provenant de la source 20. Au moment t2 (figure 3) où la tension U2 aux bornes du c condensateur atteint le seuil de réponse U3 du dispositif à seuil 14 (figure 1), il se forme à la sortie de ce dernier une impulsion U4 (figure 3) que l'on applique à l'électrode de commande 18 (figure 1) du thyristor 17. Etant donné que la tension anodique du thyristor 17 est en opposition de phase avec la tension aux bornes de l'alternateur, le thyristor se débloque et demeure en état de conduction jusqu'au moment t3 (figure 3) où la tension aux bornes de l'alternateur devient positive. On pourrait accroître la sûreté du système en augmentant la durée de la tension impulsionnelle U4 de sorte qu'elle soit égale, par exemple, à l'intervalle temporel entre t et t3 ou bien en produisant la tension U4 sous forme d'un train d'impulsions. Aussitôt amorcé, le thyristor 17 (figure 1) shunte l'élément redresseur 6 qui lui est associé en diminuant ainsi le courant envoyé dans le bobinage d'excitation de l'alternateur. La tension de sortie du transformateur 8 est appliquée en cours de fonctionnement du régulateur, par l'intermédiaire de la résistance 26 (figure 2), à la diode Zener 25 qui effectue l'écrêtage, au niveau correspondant à son claquage, de la demionde de la tension de l'alternateur. C'est pour cela que la tension U5 (figure 3) enregistrée sur cette diode Zener se présente sous forme trapézoidale. Au moment t3, quand la tension de sortie de l'alternateur change son signe de négatif en positif,la tension sur la diode Zener s'accroît brusquement en donnant naissance à une impulsion U6 à la sortie du circuit de différentia- tion 27, 28 (figure 2). Appliquée à la base du transistor 24, cette impulsion débloque ce dernier en permettant ainsi la décharge du condensateur 9 par l'espace collecteur-émetteur du transistor. En conséquence, la tension aux bornes du condensateur 9 tombe jusqu'à zéro comme on le voit en t4. (figure 3). Les valeurs des composants 25 à 28 sont choisies de manière à assurer le déblocage du transistor 24 pour un temps qui soit suffisant à la décharge complète du condensateur 9 mais insignifiant par rapport à la période de la tension de l'alternateur. Ensuite le condensateur se charge de nouveau par l'action de la demi-onde positive de la tension de l'alternateur, et le processus qui vient d'être décrit recommence. Vu la constante de temps importante du circuit de charge du condensateur 9 par le redresseur 10 et la constance du courant alimentant ce condensateur en provenance de la source 20, la charge du condensateur s'opère suivant une loi linéaire. De ce fait, la valeur instantanée de la tension aux bornes du condensateur, correspondant à l'angle de phase donné dans les limites de chaque période de tension de l'alternateur, varice d'une période à l'autre en proportion directe avec la variation de la moyenne de la tension aux bornes de l'alternateur. De la même manière, on aura une variation analogue du moment de réponse du dispositif à seuil 14 et d'amorçage du thyristor 17.C'est-à-dire que la variation de la durée de l'état de conduction du thyristor dans chaque cycle sera directement proportionnelle à l'écart de la tension aux bornes de l'alternateur, ce qui permet la régulation fiable et le maintien de cette tension au niveau requis. La décharge du condor- sateur au début de chaque période provoque une variation rapide du moment d'amorçage du thyristor à la suite de la variation de la tension aux bornes de l'alternateur en assurant une vitesse de fonctionnement élevée du régulateur. En effectuant la régulation selon la moyenne de la tension, on arrive à réaliser un système qui réagit non seulement aux variations de l'amplitude de la tension, mais aussi aux distorsions de sa forme. I1 est à signaler que, bien que le régulateur ne réagisse qu'à l'une des alternances de la tension, cela n'empêche nullement son bon fonctionnement car les aires des alternances positive et négative de la tension de l'alternateur sont égales, et par conséquent aussi leurs moyennes. Le régulateur décrit permet de maintenir la valeur efficace de la tension de l'alternateur à 0,5 près. La durée des phénomènes cransitoires lors de la régulation d'un alternateur de 600 à SCO kw de puissance est do 0,4 à 0,6 s. I1 va de soi que la présente invention ne se limite pas à l'exemple d'exécution décrit ci-dessus et que diverses modifi cations et autres variantes de réalisation du régulateur proposé son possibles ssns s'écarter pour cola du cadre etdeltesirit de L'invention, -REVENDICATIONS- 1.- Régulateur de tension pour alternateur synchrone comprenant une soupape commandée destinée à commander le courant circulant dans le bobinage d'excitation de l'alternateur à réguler, un condensateur connecté sur la sortie dudit alternateur par l'intermédiaire d'un circuit de charge comportant un redresseur, et un dispositif à seuil dont l'entrée est alimentee par un signal qui est fonction de la tension aux bornes dudit condensateur et dont la sortie est reliée à l'électrode de commande de ladite soupape commandée, caractérisé en ce qu'il comprend une source (12) de courant continu stabilisé, un commutateur commandé (13), ledit commutateur (13) étant branché, ainsi que les bornes de sortie de ladite source (12) et les bornes d'entrée dudit dispositif à seuil(14), en parallèle sus ledit condensateur (9), et un circuit formateur d'impulsions (15) dont l'entrée est reliée à la sortie de l'alternateur (1) à réguler et dont la sortie -est reliée à l'entrée (16) de commande dudit commutateur cornmandé ( 13 ), les paramètres dudit circuit de charge étant choisis de sorte que sa constante de temps soit notablement supérieure à la période de tension de l'alternateur à réguler. 2.- Régulateur de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de courant continu stabilisé (12) est composée d'un transistor (19) dont le collecteur est relié à l'une des bornes dudit condensateur (9), d'une source de tension continue (20) dont l'une des bornes (-) est reliée à l'autre borne du condensateur (9), d'une première résistance (21) branchée entre l'émetteur dudit transistor (19) et l'autre borne(+) de ladite source (12) de tension continue, d'une deuxième résistance (22) branchée entre la base dudit transistor (19) et la première borne (-) de ladite source (20) de tension continue, et d'une diode Zener (3) insérée entre la base dudit transistor (19) et l'autre borne (+) de ladite source (20) de tension continue. 3.- Régulateur de tension selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit commutateur commandé (13) est constitué par un transistor (24) dont l'espace collecteur-émetteur est connecté en parallèle sur ledit condensateur (9) et dont la base constitue l'entrée (16) de commande. 4.- Régulateur de tension selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit circuit forma teur d'impulsions (15) se compose d'une diode Zener (25) branchée, à travers une résistance (26), en parallèle sur la sortie de l'alternateur (1), et d'un circuit RC (28,27) de différentiation dont l'entrée est en parallèle avec ladite diode Zener (25), et la sortie est reliée à l'entrée de commande dudit commutateur (13).