Brevet FR2481857A1 — publié le 19811106

La présente invention concerne un générateur de puissance électrique, ou groupe électrogène, autonome du type comportant un moteur primaire et une machine électrique asynchrone triphasée couplée au moteur primaire et faisant fonction, en utilisa- tion, de générateur. On sait qu'une machine électrique asynchrone peut faire fonction de générateur et, par conséquent, fournir une puis- sance électrique réelle dans la mesure o elle comporte une alimen- tation externe pour la puissance réactive nécessaire à la création du champ. Lorsqu'un générateur électrique asynchrone est connecté en parallèle avec un réseau existant, la puissance réac- tive nécessaire à la création du champ dans la machine asynchrone est produite par le réseau lui-même. Le but de l'invention est de proposer un généra- teur électrique du type indiqué ci-dessus, pouvant faire fonction de générateur autonome en l'absence de connexion à un réseau d'ali- mentation existant. Pour réaliser ce but, l'invention propose un généra- teur de puissance électrique autonome comportant un moteur primaire et une machine électrique asynchrone triphasée couplée au moteur primaire et faisant fonction, en utilisation, de générateur, sa principale caractéristique résidant en ce qu'il comporte en outre au moins un ensemble de trois condensateurs connectés en triangle, les sommets de ce triangle étant chacun connectés à une phase res- pective de la machine électrique; la capacité desdits condensa- teurs ayant une valeur telle que, en fonctionnement, les condensa- teurs et les enroulements de la machine électrique constituent trois circuits qui résonnent à la fréquence correspondant à la vitesse de rotation du rotor; un inducteur étant connecté en série avec chacun desdits condensateurs de manière à constituer au moins un ensemble de trois résonateurs à inductance-capacité en série; l'inductance des inducteurs de chaque ensemble de trois résonateurs ayant une valeur telle que la fréquence de résonance des résonateurs de chaque ensemble de trois résonateurs est sensiblement égale à un harmonique impair prédéterminé de la fréquence de la tension appliquée en 248 1857 utilisation par ladite machine électrique, et un ensemble de trois bobines saturables connectées en triangle, les sommets de la connexion en triangle étant chacun connectés à une phase respective de la machine électrique. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur le dessin annexé constitué d'une figure unique représentant partiellement sous forme de blocs un schéma de circuit de générateur de puissance électrique autonome. Comme on peut le voir sur la figure unique, le géné- rateur électrique autonome de l'invention, indiqué dans son ensemble par la référence 1, comporte un moteur primaire 2 constitué par exemple d'un moteur à combustion interne, et une machine électrique asynchrone triphasée 3 couplée au moteur primaire 2. Les enroulements de la machine électrique asynchrone 3 peuvent être connectés en triangle ou en étoile. Dans ce dernier cas, un fil "neutre" N peut être connecté au centre de l'étoile et à la charge. La référence 4 désigne un capteur de vitesse qui, en utilisation, est destiné à contrôler la vitesse instantanée de rotation de l'arbre 2a du moteur primaire 2 et à produire à sa sor- tie un signal électrique indicatif de cette vitesse. Un dispositif de régulation de la vitesse-du moteur primaire 2 est indiqué par la référence 5. La référence 6 désigne un capteur de fréquence con- necté en parallèle avec les bornes de sortie d'une phase de la machine électrique asynchrone triphasée 3. La sortie de ce capteur de fré- quence 6 est connectée à une première entrée 5a du dispositif régu- lateur 5, la sortie du capteur de vitesse 4 étant connectée à une deuxième entrée 5b de celui-ci. Les références 8 et 9 désignent respectivement deux ensembles de trois circuits résonnants à inductance-capacité en série connectés en triangle, les sommets de la connexion en triangle étant chacun connectés à la borne de sortie d'une phase respective de la machine d'induction électrique asynchrone 3. 248 1857 Les condensateurs communs à un ensemble de trois cir- cuits résonnants ont tous la même capacité. De même, les inducteurs communs à un ensemble de trois circuits résonnants ont tous la même inductance. Les condensateurs des ensembles de trois circuits résonnants indiqués par les références 8 et 9 sont respectivement indiquées par les références 14 et 16. Les inductances des ensembles de trois circuits résonnants désignés par les références 8 et 9 sont respectivement indiquées par les références 15 et 16. Les condensateurs 14 et 16 sont connectés sensiblement parallèles avec les enroulements de la machine électrique asynchrone triphasée. La capacité totale résultant de la connexion desdits condensateurs en parallèle doit être telle que, en utilisation, tous ces condensateurs constituent, en association avec les enroule- ments de la machine électrique 3, trois circuits qui résonnent à une fréquence correspondant à la vitesse de rotation du rotor. En fonc- tionnement, ces condensateurs fournissent à la machine électrique 3 la puissance réactive nécessaire à son fonctionnement et consti- tuent donc le dispositif d'excitation de la machine asynchrone 3. On sait que, en fonctionnement, l'inductance repré- sentée par la machine électrique asynchrone 3 varie avec les varia- tions du courant fourni. Par conséquent, pour des variations de la charge, les conditions de résonance du circuit résonnant constitué par lesdits condensateurs et par la machine électrique asynchrone 3 varient, et cette variation, comme cela est connu, entraîne une variation du module de la tension produite. Il est également nécessaire de tenir compte du fait que la charge L est ordinairement constituée par des charges dont les impédances ont une composante réactive inductive. Par consé- quent, l'inductance équivalente qui est en parallèle avec lesdits condensateurs varie nettement en outre avec les variations de la charge L. Ceci entraîne une autre modifications des conditions de résonance du dispositif décrit ci-dessus et, par conséquent, une autre variation du module de la tension produite. Pour limiter ces variations du module de la tension produite, à la fois lorsqu'on passe d'un fonctionnement en l'absence de charge à un fonctionnement avec charge et, lorsque la charge L varie elle-même, il est nécessaire de doter le générateur autonome 1 d'un dispositif de régulation qui compense les variations d'inductance indiquées ci-dessus se produisant à la fois du fait de la nature de la machine asynchrone 3 elle-même et du fait des varia- tions de la charge. A cet effet, selon l'invention, il est prévu un ensemble 22 de trois bobines saturables 23 connectées en triangle, les sommets de la connexion en triangle étant chacun connectés à une phase respective de la machine électrique asynchrone 3. Chaque bobine saturable 23 est constituée par un inducteur doté d'un noyau de feuillets de matériau magnétique à cristaux alignés. Ces bobines saturables 23 sont conçues pour tou- jours fonctionner, en utilisation, en condition de saturation, c'est-àdire en correspondance avec les parties de leurs courbes d'aimantation caractéristiques dans lesquelles une variation consi- dérable du courant magnétisant correspond à de très petites varia- tions du module de la tension appliquée. L'ensemble 22 de trois bobines saturables 23 fait fonction de régulateur de tension vrai et permet de limiter à une bande très étroite les variations de la tension. Puisque, comme cela est connu, des bobines à noyaux saturables ont des caractéristiques d'aimantation dont le compor- tement est notablement non linéaire, il s'ensuit que, si l'on applique à ces bobines une tension qui possède une forme d'onde sinusoïdale, le courant résultant est fortement déformé et, en par- ticulier, ce courant contient une composante notable d'harmoniques impairs. La demanderesse a découvert que les harmoniques impairs de plus grand poids de la forme d'onde dudit courant sont le troisième, le cinquième, le septième et le neuvième harmonique. Les troisième et neuvième harmoniques n'interfèrent sensiblement pas avec la machine électrique asynchrone 3, ni avec la charge L, puisque ces harmoniques ne circulent que dans la con- nexion en triangle 22 des bobines saturables 23. La présence du cinquième et du septième harmonique entraîne toutefois une déformation de la forme d'onde de la tension 248 18 t 7 fournie à la charge L. Pour réduire cette déformation, les induc- teurs 15 ont commodément des valeurs d'inductance telles qu'ils constituent,avec les condensateur 14, des filtres qui résonnent à la fréquence du cinquième harmonique de la fréquence de la tension produite par la machine électrique asynchrone 3. De même, les inducteurs 17 possèdent tous une valeur d'inductance telle que, avec leurs condensateurs 16 respectifs, ils constituent des filtres qui résonnent au septième harmonique de la fréquence de la tension produite par la machine électrique asyn- chrone 3. Pour le fonctionnement en l'absence de charge, le moteur primaire 2 fait tourner la machine électrique asynchrone 3, laquelle est excitée par suite de son magnétisme résiduel et de l'énergie réactive échangée avec les condensateurs 14 et 16. En particulier, pour un fonctionnement en l'absence de charge, la machine 3 est mise en-marche au point d'intersection de la caractéristique d'excitation de la machine électrique et de la caractéristique du banc de condensateurs, ceci produisant une tension dont la fréquence dépend de la vitesse à laquelle le rotor tourne. Comme cela est connu, le fonctionnement de la machine électrique asynchrone en présence d'une charge varie d'après le comportement du moteur primaire. En fait, puisqu'un débit de puis- sance du rotor au stator de la machine asynchrone 3 est possible, le rotor doit prendre une vitesse supérieure à celle du champ tournant de l'entrefer. Alors, si le moteur primaire 2 devait être maintenu à une vitesse constante en présence de variations de la charge L, la fréquence de la tension produite par la machine. électrique asyn- chrone 3 diminuerait en conséquence. Ainsi, pour maintenir sensible- ment constante la fréquence de la tension produite, le moteur primaire 2 doit augmenter sa vitesse avec l'accroissement de la charge L. A cet effet, en fonctionnement, le capteur de vitesse 6 contrôle la valeur instantanée de la fréquence de la tension pro- duite et agit de façon correspondante sur le dispositif 5 de régula- tion de vitesse du moteur primaire 2 de façon que- la fréquence pro- duite soit maintenue sensiblement constante. 248 1857 Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner, à partir du générateur dont la description vient d'être-donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variations et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. 248.185 7 R E V E N D I C A T 1 0 N S 1 - Générateur de puissance électrique autonome, com- prenant un moteur primaire (2) et une machine électrique asynchrone triphasée(3) couplée au moteur primaire et faisant fonction, en uti- lisation, de générateur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: au moins un ensemble (8, 9) de trois condensateurs (14, 16) connec- tés en triangle, les sommets de la connexion en triangle étant con- nectés chacun à une phase respective de la machine électrique (3); les valeurs de capacité des condensateurs (14, 16) étant telles que, en fonctionnement, lusdits condensateurs constituent, avec les enrou- lements de la machine électrique (3), trois circuits qui résonnent à une fréquence correspondant à la vitesse de rotation du rotor; des inducteurs (15, 17) étant respectivement connectés en série avec les condensateurs (14, 16) du ou des ensembles de condensateurs, de façon à former avec eux au moins un ensemble (8, 9) de trois réso- nateurs inductance-capacité en série; les valeurs d'inductance des inducteurs (15, 17) de l'ensemble ou de chaque ensemble de trois résonateurs étant telles que la fréquence de résonance des résona- teurs de l'ensemble ou de chaque ensemble (8, 9) soit sensiblement égale à un harmonique impair prédéterminé correspondant de la fréquence de la tension fournie, en utilisation, par ladite machine électrique (3), et un ensemble (22) de trois bobines saturables (23) connectées en triangle, les sommets de la connexion en triangle étant chacun con- nectés à une phase respective de la machine électrique. 2 - Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu deux dits ensembles de trois condensateurs, chaque condensateurs (14, 16) étant connecté en série avec un dit inducteur (15, 16) respectif, de manière à constituer-deux dits ensembles (8, 9) de trois résonateurs inductance-capacité en série; les fréquences de résonance desdits ensembles de trois résonateurs (8, 9) étant respectivement égales à la cinquième fréquence harmo- nique et à la septième fréquence harmonique de la fréquence de la tension délivrée, en utilisation, par la machine électrique asyn- chrone (3). 248 1857 3 - Générateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit moteur primaire est constitué par un moteur à combus- tion interne, et dans lequel le générateur comporte un capteur de vitesse (4) qui délivre, en utilisation, à sa sortie un signal élec- trique indicatif de la vitesse de rotation de l'arbre (2a) du moteur primaire (2), et un dispositif (5) qui régule la vitesse du moteur primaire, ledit dispositif étant connecté au capteur de vitesse, le générateur étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un capteur de fréquence (6) connecté sur une phase de la machine élec- trique asynchrone triphasée (3), la' sortie dudit capteur de fréquence étant connectée audit dispositif (5) de régulation de vitesse du moteur primaire. 4 - Générateur-selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que chacune desdites bobines saturables (23) est constituée par un inducteur comportant un noyau. - Générateur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que le noyau de chacune desdites bobines saturables (23) est formé de feuillets de matériau magnétique à graIns alignés.