Brevet FR2504751A1 — publié le 19821029

La présente invention concerne le domaine des générateurs d'énergie électrique, et plus précisément des systèmes générateurs à induction. Tous les générateurs d'énergie électrique cou- ramment utilisés sont pratiquement des machines synchrones. Ces générateurs sont habituellement raccordés les uns aux autres afin qu'ils forment un réseau d'alimentation élec- trique Dans d'autres cas, des générateurs synchrones sont utilisés comme générateurs autonomes d'énergie électrique. Bien que ces machines synchrones fonctionnent efficace- ment dans les applications nécessaires de création d'éner- gie électrique, elles ont un prix relativement élevé par rapport à celui d'autres générateurs connus tels que les machines à induction destinées à fonctionner en mode géné- rateur de courant. Dans l'application des machines à induction à la création d'énergie électrique, un moteur principal ou un générateur de couple tel qu'un moteur à combustion in- terne entraîne en général une machine d'induction Le géné- rateur de couple a un arbre de sortie qui est raccordé de manière qu'il entraîne l'arbre d'entrée du générateur induc- tif En général, la fréquence électrique de l'énergie pro- duite dans les lignes de sortie du générateur inductif est comparée à une référence, par exemple à 50 Hz, et la dif- férence de fréquences est utilisée pour le réglage du cou- ple produit par le générateur de couple, en circuit fermé. Un type courant d'un tel système de réglage utilise la com- mande d'un papillon de réglage placé entre un moteur à com- bustion interne et son alimentation en carburant, ce ré- glage constituant le paramètre d'entrée. Comme cette configuration de réglage présente une réaction autour de la combinaison en cascade du géné- rateur de couple et de la machine à induction, la largeur de bande de la boucle fermée peut être inférieure à celle qui peut être obtenue avec le générateur de couple consi- déré seul Bien que ce système de commande à largeur de bande relativement faible puisse maintenir la valeur moyenne de la fréquence de sortie du générateur à induction à un niveau convenable, il ne présente pas une grande insensi- bilité aux perturbations locales qui peuvent être dues par exemple à la commutation de charges locales Par exemple, lorsqu'une charge électrique importante n'est plus connec- tée, la charge du générateur de couple peut diminuer vers une valeur nulle en une fraction d'un cycle du signal élec- trique de sortie Pendant le cycle ou les deux cycles élec- triques qui précèdent le moment o cette boucle de réglage de fréquence peut répondre à la variation de charge, le couple en excès appliqué par le générateur de couple in- troduit une fréquence trop importante de l'arbre d'entrée de la machine à induction La combinaison de la fréquence de glissement de la machine à induction qui diminue vers une valeur nulle, et de la surfréquence du signal appliqué à l'arbre d'entrée de la machine à induction, peut provo- quer un dépassement important de la fréquence de sortie. Ce dépassement indésirable de la fréquence peut souvent provoquer une condition de surfréquence relativement longue car, bien que les moteurs puissent appliquer un couple, la plupart d'entre eux ne peuvent pas réduire activement leur vitesse, sauf sous l'action de pertes minimales dues au frottement Cette condition relativement longue pendant laquelle la fréquence est trop importante peut aussi poser des problèmes dans la boucle'de réglage de tension. L'invention concerne un procédé et un circuit perfectionnés de commande d'un système générateur inductif. Plus précisément, l'invention s'applique à une machine à induction à N phases, ayant un arbre d'entrée et au moins une ligne de sortie, le nombre N étant entier. Un générateur transmet un signal de réglage de fréquence électrique Oc qui est représentatif de la différence entre la phase de la tension dans la ligne de sortie et la phase d'un signal de référence Le circuit comporte en outre un générateur destiné à transmettre un signal de réglage de fréquence mécanique fm qui est représentatif de la fréquen- ce de rotation de l'arbre d'entrée du générateur inductif. r Un autre générateur transmet un signal de réglage de géné- rateur de couple ft qui est représentatif de la différence enti f et Oc Un générateur de couple tel qu'un moteur à combue mc tion interne, est sensible au signal ft et applique à l'arn d'entrée de la machine à induction un couple qui dépend du signal ft. Dans un mode de réalisation avantageux, le géné- rateur de couple est un moteur à combustion interne dont l'arbre de sortie est couplé à l'arbre d'entrée d'une ma- chine à induction Le moteur comporte en outre un papillon de réglage à l'entrée et un circuit associé de réglage qui est sensible au signal ft de manière que le couple appli- qué à l'arbre d'entrée dépende de ce paramètre ft. Dans ce mode de réalisation, le générateur du signal fm peut comprendre un circuit destiné à former un courant d'impulsions ayant une fréquence instantanée propor tionnelle à la fréquence instantanée de l'arbre d'entrée, et il comporte en outre un convertisseur tension-fréquence commandé par le courant d'impulsions et destiné à former une tension proportionnelle à la fréquence du courant d'im- pulsions Ce dernier signal correspond au signal précité f. m D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va sui- vre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un diagramme synoptique d'un mode de réalisation de circuit selon l'invention; la figure 2 représente sous forme de diagramme synoptique plus détaillé, un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente sous forme générale un mode de réalisation de circuit selon l'invention Sur cette figure, une-machine 12 à induction à N phases (n étant un nombre entier) a un arbre d'entrée qui est couplé (comme indiqué par la référence 13 a) à un moteur principal ou géné- rateur de couple 13 La machine 12 à induction a une ligne 12 a de sortie reliée à une charge locale 16 La ligne de 250475 1 sortie 12 a peut aussi être couplée par un commutateur 20- à un réseau externe d'alimentation Le signal de commande O est transmis à la machine 12 par une ligne 12 b. Une première boucle de réaction ou couple externe comporte un détecteur 14 de fréquence électrique monté entre la ligne 12 a et une première entrée d'un circuit 24 détec- teur de déphasage Ce détecteur 14 transmet un signal O e qui est représentatif de la fréquence électrique de la ten- sion de la ligne 12 a, parvenant à la première entrée du détecteur 24 de déphasage Ce dernier compare ce signal à un signal de référence O ref parvenant à une seconde entrée afin qu'il crée un signal de réglage de fréquence électrique éc transmis par une ligne 24 a Cette dernière est reliée à une première entrée d'un circuit additionneur 26. Une seconde boucle de réaction ou boucle interne comporte un transducteur 31 de fréquence mécanique ou d'ar- bre monté entre une ligne 13 a et une seconde entrée du cir- cuit additionneur 26 Ce transducteur 31 comporte en fait un transducteur 32 qui détecte la vitesse de rotation m de l'arbre d'entrée de la machine 12 à induction Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ce transduc- teur 32 transmet un courant d'impulsions ayant une fréquence instantanée qui est proportionnelle à la fréquence de rota- tion de l'arbre d'entrée de la machine 12 Un convertisseur fréquencetension 34 transforme ce signal e en un signal m de réglage de fréquence mécanique fm transmis par la ligne 34 a Ce signal est couplé à une seconde entrée du circuit additionneur 26 Ce dernier transmet un signal de sortie f par une ligne 26 a, ce signal étant représentatif de la t différence entre les paramètres Oc et fm Ce dernier signal fm est appliqué au générateur 13 de couple afin que les deux boucles fonctionnent en circuit fermé. Dans cette configuration, il y a en fait deux boucles de réaction qui sont imbriquées; la première bou- cle ou boucle externe, qui forme une boucle de réglage de fréquence électrique, compare la phase de la fréquence élec- trique de sortie du générateur inductif à la phase d'un signal de fréquence de référence et crée le signal de ré- glage de fréquence électrique Oc La seconde boucle ou boucle interne asure la réaction autour du générateur de couple et transmet un signal représentatif de la vitesse mécanique de l'arbre de sortie du générateur de couple afin qu'elle forme le signal de réglage de fréquence mécanique fm Ces deux signaux sont combinés afin que leur différence entraîne le générateur de couple en boucle fermée. Dans un mode de réalisation de l'invention, le générateur 13 de couple est un moteur à combustion interne. Le signal ft de commande, dans cette configuration, repré- sente un signal de commande du papillon placé entre le mo- teur 13 et son alimentation en carburant En conséquence, lorsque le signal ft fait varier la position du papillon, le moteur 13 applique un couple variable à l'arbre d'entrée de la machine 12, en boucle fermée. Lorsque le nombre d'impulsions produit par tour de l'arbre est relativement important, la boucle interne donne une grande largeur de bande et ainsi une sensibilité relativement grande si bien que le papillon peut être com- mandé rapidement et règle la vitesse du moteur lorsque des charges électriques sont commutées La largeur élevée de bande peut être obtenue en particulier par utilisation d'un codeur à dents monté sur le volant du vilebrequin du moteur ou sur un dispositif analogue couplé à l'arbre d'entrée de la machine d'induction La fréquence élevée de sortie du transducteur du volant réduit au minimum le retard sur la mesure de la vitesse du moteur. La boucle externe, dans cette configuration, est une boucle d'intégration qui régule étroitement la fréquence électrique Etant donné sa largeur de bande relativement faible, cette boucle donne une grande insensibilité au bruit puisque sa constante de temps correspond à plusieurs cycles à la fréquence nominale du générateur inductif. L'utilisation de la boucle à grande vitesse (bou- cle interne) donne essentiellement un réglage relativement rapide du papillon afin que les variations de la fréquence mécanique de l'arbre du moteur, qui sont rapides et ont une amplitude potentiellement élevée, telles que peut en provoquer la commutation de diverses charges, soient mi- nimales En l'absence de cette boucle le moteur peut pré- senter un excès de vitesse lorsqu'une charge électrique est mise hors circuit, avec disparition brutale du couple appliqué au moteur La boucle externe de réponse relative- ment lente est ainsi protégée contre les perturbations d'am- plitude relativement grande de l'arbre d'entrée du généra- teur, par la boucle interne En état de régime permanent, cette boucle externe assure un réglage fin de la vitesse de l'arbre du moteur si bien que la fréquence électrique du signal de sortie est réglée d'une manière relativement précise lors d'un fonctionnement à long terme. La figure 2 représente une variante de circuit de commande du fonctionnement du générateur inductif, ana- logue au mode de réalisation de la figure 1 mais dans la- quelle le générateur 13 de couple comporte un moteur méca- nique 40 et un papillon associé 42 ainsi qu'un circuit 43 de réglage de la position de ce papillon Sur la figure 2, les éléments qui correspondent à ceux du circuit de la figure 1 portent des références identiques. Le circuit de la figure 2 a deux boucles externes qui sont pratiquement analogues aux boucles décrites en référence à la figure 1, mais le détecteur 24 de phase de la première boucle externe est remplacé par un comparateur 59 de fréquence suivi par un filtre 60 de boucle Le compa- rateur 59 transmet à ce filtre un signal qui est représen- tatif de la différence de fréquences entre les signaux 6 ref et ee Le filtre 60 a une fréquence de coupure à radians/seconde pour la boucle externe à 50 Hz, et l'en- semble fonctionne à la manière d'un intégrateur Le trans- ducteur 32 de la seconde boucle externe comporte un volant couplé à l'arbre de sortie du moteur 13 et un capteur asso- cié Le volant a plusieurs dents périphériques et le trans- ducteur associé transmet une impulsion pour chaque déplace- ment angulaire d'amplitude prédéterminée (représentative 2504 ' d'une dent) de ce volant Dans ce mode de réalisation, la combinaison du volant et du capteur présente un facteur multiplicateur efficace 115 si bien que, par exemple à une fréquence de 50 Hz, la fréquence de répétition des impul- sions (ou fréquence instantanée) du signal O m est égale à 50 x 115 Hz Ces boucles externes ont un fonctionnement pratiquement identique à celui des boucles correspondantes de la figure 1. Le circuit additionneur 26 est aussi relié à un circuit 44 de polarisation du point de fonctionnement et générateur d'un signal de mise en route, variant progres- sivement, destiné au moteur du générateur 13 de couple. Deux boucles internes imbriquées sont présentes dans le générateur 13 de couple de la figure 2 La boucle la plus interne comprend un moteur 46 de commande de pa- pillon, un circuit additionneur 47 et un convertisseur tens courant 48 Cette boucle a pour rôle de supprimer l'induc- tance de retardement du moteur de commande du papillon. La boucle suivante vers l'extérieur a un potentiomètre 50 (destiné à détecter la position du papillon), un circuit 52 de compensation de fréquence et un circuit additionneur 54 Cette boucle détecte la position du papillon et linéari- se le fonctionnement du moteur de commande du papillon en réduisant la sensibilité de la boucle externe aux paramètrel du moteur du papillon. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrit et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses élé- ments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Circuit de réglage de fréquence pour générateur inductif comprenant une machine d'induction à N phases ayant un arbre d'entrée et au moins une ligne de sortie, N étant un nombre entier, ledit circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend A un dispositif ( 24) générateur d'un signal de réglage de fréquence électrique c, représentatif de la différence entre la fréquence de la tension de la ligne de sortie et une valeur de référence, B un dispositif ( 31) générateur d'un signal de réglage de fréquence mécanique f représentatif de la fré- quence de rotation de l'arbre d'entrée, C un dispositif ( 26) générateur d'un signal de réglage de générateur de couple ft représentatif de la dif- férence entre les signaux fm et 8 c, et D un dispositif générateur de couple ( 13) com- mandé par le signal ft et destiné à appliquer un couple à l'arbre d'entrée, le couple appliqué dépendant du signal ft. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif générateur d'un signal de réglage de fréquence électrique ( 24) comporte un dispositif ( 59) de détection de la différence de fréquence électrique entre la tension de la ligne de sortie et la valeur de référence, et un dispositif ( 60) destiné à intégrer la différence dé- tectée ainsi qu'un dispositif commandé par cette différence et destiné à former le signal de réglage de fréquence électrique. 3 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif générateur d'un signal de réglage de fréquence électrique ( 24) comporte un dispositif ( 59 i de détection de la différence de phases entre la tension de la ligne de sortie et la valeur de référence, et un dis- positif ( 60) commandé par cette différence et destiné à créer le signal de réglage de fréquence électrique. 4 Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif générateur de couple ( 13) est un moteur à combustion interne ( 40) ayant un arbre de sortie couplé à l'arbre d'entrée de la machine d'induction ( 12) et ayant un papillon ( 42) et un circuit associé ( 43) de commande, le papillon et son circuit de commande ayant un fonctionnement qui est commandé par le signal ft si bien que le couple appliqué à l'arbre d'en- trée est fonction du signal ft. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif générateur d'un signal de réglage de fréquence mécanique fm ( 31) comporte un dispositif ( 32) destiné à former un courant d'impulsions qui a une fré- quence instantanée proportionnelle à la fréquence instan- tanée à l'arbre d'entrée, et un convertisseur fréquence- tension ( 34) commandé par le courant d'impulsions et des- tiné à former une tension proportionnelle à la fréquence de ce courant, la tension correspondant au signal f M. 6 Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif générateur d'un courant d'impulsions ( 32) comporte un volant couplé à l'arbre de sortie et un dispositif destiné à créer une impulsion pour chaque dépla- cement angulaire d'amplitude prédéterminée du volant. 7 Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif générateur d'un signal de réglage de fréquence mécanique fm ( 31) comporte un dispositif ( 32) destiné à former un courant d'impulsions dont la fréquence instantanée est proportionnelle à la fré- quence instantanée de l'arbre d'entrée, et un convertisseur fréquencetension ( 34) commandé par le courant d'impulsions et destiné à créer une tension proportionnelle à la fré- quence du courant d'impulsions, cette tension correspondant au signal fm 8 Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif générateur d'un courant d'impulsions ( 32) comporte un volant couplé à l'arbre de sortie et un dispositif générateur d'une impulsion pour chaque déplace- ment angulaire d'amplitude prédéterminée du volant. 9 Circuit selon la revendication 4, caractérisé 1 O en ce que le papillon ( 42) est un papillon de réglage des gaz monté dans le circuit d'alimentation en carburant du moteur ( 40), et le circuit de commande de papillon ( 43) comporte un dispositif ( 46) commandé par le signal ft et destiné à régler la position du papillon. Circuit de réglage de fréquence d'un générateur inductif ( 12), ce dernier comprenant une machine à induc- tion à N phases ayant un arbre d'entrée et au moins une ligne de sortie, le nombre N étant entier, un générateur de couple ( 13) étant destiné à appliquer un couple à l'ar- bre d'entrée en fonction d'un signal de commande de géné- rateur de couple, ledit circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif ( 31, 24, 26) destiné à créer le signal de commande de générateur de couple de manière que ce signal soit représentatif de la différence entre la fréquence de rotation de l'arbre d'entrée et de la dif- férence entre la phase de la tension de la ligne de sortie et une valeur de référence.