Brevet FR2559320A1 — publié le 19850809

Montage pour la régulation et la transformation de la tension, en particulier d'un générateur solaire. L'invention se rapporte à un montage pour la régulation de la tension d'un générateur avec courbe caractéristique au moins en partie à constance de courant, en particulier d'un générateur solaire, en vue de délivrer une tension transformée et élevée au niveau désiré à une charge avec faible résistance ou impédance de source. Un générateur solaire ou un générateur à courbe caractéristique analogue, par exemple un générateur-simulateur solaire, est une source de puissance électrique qui se distingue par une courbe caractéristique courant/ tension particulière. La courbe caractéristique comporte dans ce cas une partie à courant constant et une partie à tension constante qui se rejoignent dans une zone relativement courte dans laquelle se trouve le point de puissance maximale.Partantde la tension de marche à vide, la résistance de source ou l'impédance de source est tout d'abord de préférence faible; elle augmente à mesure que croit la charge dans la partie de la courbe caractéristique à tension relativement constante ce qui n'est souvent pas souhaité lors du raccordement de la charge, atteint la valeur -U/Iau point de puissance débitée maximale conformément à la pente de la tangente à la courbe caracteristique, et prend alors des valeurs très élevées dans la partie à courant constant de la courbe caractéristique allant dans le sens du point de courtcircuit. Lors de l'utilisation de générateurs solaires de ce type en astronautique, notamment dans un satellite de transmission de télévision, il faut fournir avec ces générateurs solaires des tensions continues élevées à faible résistance de source, par exemple pour l'alimentation d'un amplificateur à tubes à ondes progressives pour les émissions de télévision transmises en direct au moyen de satellites de télécommunication. Les tensions se situent dans la plage de quelques kilovolts, par exemple 8 KV.Comme les cellules solaires individuelles fournissent des tensions de fonctionnement d'environ 1/2 V pour un courant d'environ 1/4 A, des tensions aussi élevées avec les puissances nécessaires ne peuvent pas être directement débitées par un générateur solaire, car un tel générateur aurait alors des dimensions telles qu'avec les moyens actuels il ne serait pas rentable de l'envoyer dans l'est pace, par exemple de le placer sur une orbite stationnaire autour de la terre. On est donc obligé de transformer la tension initiale du générateur solaire et de l'élever à la haute tension requise. La méthode habituelle utilisée pour les satellites de télévision actuels consiste à former, à partir du générateur solaire et au moyen d'un régulateur dit en dérivation, une source de meilleure stabilité de tension à faible résistance de source. Cn transforme ensuite la puisssance débitée en courant continu en puissance débitée en courant alternatif et on l'élevé au niveau de tension désirée. Comme le régulateur de tension et le convertisseur ou transformateur sont disposés a quelque distance l'un de l'autre, le réglage est inévitablement compliqué et assorti de grosses pertes. Du fait de cette séparation du régulateur et du convertisseur, le poids de l'ensemble du montage est par ailleurs très élevé. L'invention a pour objet de mettre au point un montage du type en question qui, bien que de faible poids, permette une régulation et une transformation simples de la tension pour ltélever aux hautes tensions désirées. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que le montage comprend un régulateur série a deux positions comportant un interrupteur monté en série et une mémoire électrostatique montée en parallèle entre le générateur et la charge et dont le point de fonctionnement est choisi dans la zone a constance de courant de la courbe caractéristique du générateur, que le générateur avec l'interrupteur du régulateur a deux position, d'une part, et la mémoire électrostatique du régulateur a deux positions, d'autre part, sont decouplés par un transformateur qui transforme la tension du générateur et l'éleve au niveau désiré, et que la capacité de la mémoire électrostatique et la fréquence de commutation du régulateur a deux positions sont choisies suffisamment élevées pour qu'il en résulte la faible résistance de source désirée. Selon ces caractéristiques, la régulation et la transformation de la tension sont combinées en un montage complexe. Comme régulateur de tension on choisit un régulateur a deux positions connu avec mémoire électrostatique. Pour la régulation a deux positions de la tension du générateur solaire on utilise la résistance de source du générateur solaire en tant qu'élément série ohmique du régulateur série à deux positions. Dans les générateurs solaires, une telle régulation à deux positions en principe simple ntest pas employée car la résistance de source variable est considérée comme un défaut qui se retrouve dans la tension de sortie réglée d'où elle doit être éliminée par des moyens compliqués. Pour la transformation et l'élévation de la tension de sortie une telle régulation à deux positions est précisémment avantageuse attendu que la régulation à deux positions déclenche des processus alternatifs, c'est-à-dire la commutation entre un seuil de tension minimale et un seuil de tension maximale. On a ainsi la possibilité de découpler par l'intermédiaire d'un transformateur d'une part, le générateur solaire avec l'interrupteur du régulateur série à deux positions et, d'autre part, la mémoire électrostatique avec la charge montée en parallèle. Le rapport de transformation du transformateur est en pareil cas choisi de façon que la haute tension de sortie désirée soit obtenue. La capacité du côté secondaire du transformateur se transforme avec ce rapport de transformation du côté primaire et entre en interraction avec le générateur solaire. Un tel montage ne permet pas encore d'obtenir la faible résistance de source désirée. La résistance dynamique interne Ri de l'ensemble du montage est donnée par le différentiel de courant et de tension dU/dI, les phases étant ici négligées. Comme dans le cycle de commutation, la charge appliquée doit être égale à la charge débitée, la résistance interne Ri peut être définie approximativement par le rapport entre le temps de décharge A t et la capacité C, c'est-à-dire Ri a t/C. En choisissant un temps de décharge plus court, c'est-à-dire en choisissant une fréquence de commutation élevée du régulateur série à deux positions, et une valeur de capacité suffisamment grande de la mémoire électrostatique, on peut réduire la résistance interne du montage et par consequent la résistance de la source de courant mise à disposition. Le transformateur pour la transformation et l'élévation de la tension est de préférence réalisé sous la forme d'un transformateur symétrique. Côté sortie, la capacité montée en parallèle est raccordée par l'intermédiaire d'un circuit redresseur par exemple un montage à quatre branches. Dans un montage selon l'invention, la régulation et la transformation de la tension s'effectuent quasiment sans perte et la régulation a lieu dans la zone à constance du courant des courbes caractéristiques. Si une puissance excessive dépassant la puissance nécessaire est débitée par le générateur solaire, cette puissance excédentaire reste dans le générateur solaire sous forme de perte due à une désadaptation. Grâce à la nature de la transformation ou de la conversion de la tension par capacité et résistance, le tronçon de régulation présente une dynamique optimale et aucun probleme de commutation. Du fait que la combinaison des dispositifs de régulation et de transformation et du générateur solaire, les dimensions et le poids de l'ensemble du montage peuvent être fortement réduits par rapport aux appareils classiques, jusqu a environ la moitié.Du fait de l'intégration du générateur dans le principe de régulation/ conversion, ce montage ne peut bien entendu fonctionner que sur une source de tension ayant des courbes caractéristiques appropriées. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de deux modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 est un diagramme des courbes caractéristiques du courant et de la tension d'une cellule d'un générateur solaire; la figure 2 représente schématiquement un diagramme d'un premier exemple de réalisation d'un montage pour la régulation de la tension d'un générateur solaire avec transformation de la tension selon l'invention; la figure 3 représente un second exemple de réalisation d'un montage selon l'invention. La figure 1 représente un réseau de douze courbes caractéristiques 0à 9 d'une cellule d'un générateur solaire. On a porté en ordonnée le courant en ampère et en abscisse la tension U en volt. Le réseau des caractérisques du générateur solaire correspond dans son ensemble à celui représenté, mais avec des valeurs de courant et de tension plus élevées. Partant de la tension de court-circuit à 0 Volt, la courbe caractéristique présente une constance de courant, s'infléchit ensuite lentement, le point de puissance maximal désigné par une croix se trouvant dans cette zone de transition, puis chute en direction de la tension de marche à vide avec une constance de tension pas aussi prononcée. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement un générateur solaire 1 qui est constitué d'un certain nombre de cellules individuelles interconnectées. Pour la régulation de la tension continue débitée par le générateur solaire 1 selon la courbe caractéristique ci-dessus, on utilise un régulateur série à deux positions avec mémoire électrostatique. En ce qui concerne ce régulateur série à deux positions, on a représenté uniquement un interrupteur 2 ainsi qu'un condensateur 3 en tant que mémoire électrostatique. Le générateur solaire 1 avec l'interrupteur 2 en série est fermé par un enroulement primaire 4 d'un transformateur 5. L'enroulement secondaire 6 est situé parallèlement au condensateur 3; entre l'enroulement secondaire et le condensateur est intercalée une diode 7.Parallèlement au condensateur 3, à la sortie du montage décrit, est montée une charge 8, par exemple un amplificateur à tube à ondes progressives d'un circuit de transmission de télévision d'un satellite de télécommunication. Cet amplificateur à tube à ondes progressives fonctionne avec une haute tension continue constante de par exemple 8 KV avec puissance correspondante. Dans ce montage, le générateur solaire et l'interrupteur, d'une part, et la mémoire électrostatique ainsi que la charge, d'autre part, sont découplés par le transformateur. Le rapport de transformation du transformateur 5 et les données d'établissement du générateur solaire 1 sont accordés de maniere qu'il résulte de la régulation à deux positions une tension nominale de 0,4 V d'une cellule individuelle conformément à la figure 1. La puissance fournie par le générateur solaire correspond à la puissance PO selon la figure 1. Sur cette figure 1, on peut voir que le générateur solaire est à même de fournir cette puissance nominale Po dans les courbes caractéristiquesC5à0î. L'interrupteur 2 du régulateur série à deux positions est fermé ou ouvert lorsque la tension tembe à une valeur minimale ou atteint une valeur maximale. Cette zone de commutation est désignée par une double flèche d U sur la figure 1. La zone de commutation AU est choisie petite de façon à obtenir une haute fréquence de commutation du régulateurserie à deux positions. La capacité C du condensateur 3 est choisie suffisamment grande pour réduire la résistance dynamique interne du montage indiqué, c'est-à-dire au total la résistance de la source de tension continue réglée. La fonction du régulateur série à deux positions constituée par l'interrupteur 2 avec commande appropriée et par le condensateur 3 est connue et n'a pas besoin d'être décrite en détail ici. L'essentiel est que le transformateur 5 pour la transformation et l'élévation de la tension soit intégré dans le régulateur série à deux positions. La figure 3 représente un autre exemple de réalisation d'un montage pour la régulation de la tension d'un générateur solaire et pour la transformation et l'élévation de la tension continue débitée. Pour les éléments identiques ou exerçant une même fonction, on a utilisé ici les mêmes signes de référence que sur la figure 1, mais auxquels on a cependant ajouté le signe ('). Les bornes d'un générateur solaire 1' sont raccordées, d'une part, à une borne d'un enroulement primaire 4' d'un transformateur 5' par I'intermédiaire d'un interrupteur 2'l et, d'autre part, à une prise médiane de l'enroulement primaire 4'. Parallelement à l'interrupteur 2'1 est prévu un interrupteur 2'2 qui est raccordé à l'autre borne de l'enroulement primaire 4'. Les bornes de l'enroulement secondaire 6' sont reliées à des points de raccordement opposés d'un montage à quatre branches 7'; les deux autres points opposés de ce circuit redresseur à quatre branches 7' sont reliés à un condensateur 3' servant de mémoire électrostatique. Parallèlement au condensateur est ici aussi montée la charge 8'. Les deux interrupteurs 2'1 et 2'2 ainsi que le condensateur 3' forment le régulateur à deux positions qui fonctionne de façon analogue à celui du premier exemple de réalisation, mais avec doublage de la tension. Dans ce montage également, le rapport de transformation du transformateur 5' et les données d'établissement du générateur solaire 1' sont mutuellement accordées de façon que la droite verticale tracée à la figure 1 et représentant la tension de 0,4 V des cellules individuelles correspondent à la régulation de tension. La zone de commutation pour la tension est ici aussi choisie suffisamment étroite pour qutil en résulte une haute fréquence de commutation. En même temps qu'une capacité choisie suffisamment grande du condensateur 3', on réalise également une faible résistance ou une faible impédance de la source de tension ainsi disponible pour la charge 8'. Si le générateur solaire se trouve dans un état correspondant à la courbe caractéristiqueOde la cellulse individuelle selon la figure 1, le point de puissance nominale PO se situe directement sur cette courbe. Au niveau du condensateur 3', il s'établit alors un courant rectangulaire symétrique constitué de rectangles directement raccordés les uns aux autres. En raison de la grande capacité C du condensateur, les flancs sont raides et les côtés superieurs sont à peine chanfreinés. Si le générateur solaire 1' se trouve dans un état correspondant aux courbes caractéristiquesà O et fournit donc un excès de puissance, la largeur des impulsions de courant est modulée. La puissance excédentaire reste dans le générateur solaire en tant que perte par désadaptation. REVENDICATIONS 1. Montage pour la régulation de la tension d'un générateur avec courbe caractéristique au moins en partie à constance de courant, en particulier d'un générateur solaire, en vue de délivrer une tension transformée et élevée au niveau désiré à une charge avec faible résistance ou impédance de source, caractérisé par le fait que le montage comprend un régulateur série à deux positions (2, 3, 7) comportant un interrupteur (2) monté en série et une mémoire électrostatique (3) montée en parallèle entre le générateur (1) et la charge (2) et dont le point de fonctionnement (PO) est choisi dans la zone à constance de courant de la courbe caractéristique ( &commat; à O > ) du générateur, que le générateur (1) avec l'interrupteur (2) du régulateur à deux positions, d'une part, et la mémoire électrostatique (3) du régulateur à deux positions, d'autre part, sont découplés par un transformateur (5) qui transforme la tension du générateur et l'élève au niveau désiré, et que la capacité (C) de la mémoire électrostatique (3) et la fréquence de commutation du régulateur à deux positions sont choisies suffisamment élevées pour qu' il en résulte la faible résistance de source désirée. 2. Montage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le transformateur (5') et le régulateur série à deux positions (2', 3', 7') sont réalisés sous la forme d'un régulateur/transformateur symétrique de tension dans lequel les bornes du générateur (1') sont raccordés à une borne de l'enroulement primaire (4') par l'intermédiaire d'un interrupteur (2'1) et à une prise médiane de l'enroulement primaire (4') du transformateur (5') et dans lequel un second interrupteur (2'2) du régulateur à deux positions est monté parallèlement au premier interrupteur (2'l) et raccordé à la seconde borne de l'enroulement primaire (4') du transformateur (5'). 3. Montage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'un circuit redresseur est prévu entre l'enroulement secondaire (6, 6') et la mémoire électrostatique (3, 3'). 4. Montage selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les bornes de l'enroulement secondaire (6') du transformateur (5') sont raccordées à deux points opposés d'un circuit redresseur à quatre branches (7') et que la mémoire électrostatique (3') est raccordée aux deux autres points opposés de ce circuit redresseur à quatre branches.