Brevet FR2634079A1 — publié le 19900112

L'invention concerne un dispositif de régulation de tension alternative. Il existe de nombreux appareils électriques et électroniques dont les variations de la tension d'alimentation ne doivent pas dépasser un pourcentage déterminé de la tension nominale d'alimentation. Lorsque les variations de la tension de la source primaire d'alimentation, par exemple la tension du secteur, dépassent ce pourcentage, il convient de prévoir un dispositif de régulation entre la source primaire et les appareils consommateurs. C'est ainsi, par exemple, que des appareils admettant des taux de variation de leur tension d'alimentation compris suivant les c;as entre 0,1% et 5% pourront être alimentés à partir d'une tension secteur variant de + 10%. Lorsque des appareils consommateurs fonctionnent en courant continu, il est connu de les alimenter par l'intermédiaire d'un transformateur dont le secondaire délivre un certain nombre de tensions V1, V2, ...vu. A partir de ces différentes tensions alternatives qui présentent les memes taux de variation que celui de la tension appliquée au primaire du transformateur, un certain nombre de régulateurs produisent des tensions continues régulées répondant aux conditions des appareils ou groupes d'appareils consommateurs qui leur sont associés.Cette solution est coûteuse car elle nécessite autant de régulateurs qu'il y a d'appareils ou de groupes d'appareils ayant des caractéristiques d'alimentation différentes et en outre elle est fortement consommatrice en énergie électrique car ces régulateurs font appel à des ballasts qui dissipent le surcroit d'énergie électrique qu'il est indispensable de leur appliquer pour assurer la régulation voulue. Enfin, ces régulateurs ne conviennent pas lorsqu'il s'agit d'alimenter des appareils sous tension alternative. Dans ce cas, il est connu de faire appel à des régulateurs ferro-résonants qui ont l'inconvénient d'être lourds, volumineux et chers. De plus, ils réalisent une duplication des transformateurs déjà en place. On connaît également des dispositifs de régulation motorisés avec alternostat incorporé, mais ils sont également très lourds et volumineux, ont un temps de réponse élevé et sont particulièrement chers si les puissances à délivrer sont importantes. L'invention vise à réaliser un dispositif de régulation de tension alternative qui présente un encombrement et un poids réduits, une très faible consommation électrique tout en étant capable de réguler des puissances élevées, et qui soit d'un prix modique en dépit de performances élevées. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régulation de tension alternative caractérisé en ce qu'il comprend -un transformateur comportant au moins un enroulement primaire auquel, en fonctionnement, la tension alternative à réguler est appliquée, et au moins un enroulement secondaire délivrant au moins une tension alternative régulée, l'un au moins desdits enroulements étant subdivisé en plusieurs enroulements élémentaires, - une source de tension(s) de référence, - des moyens de comparaison de la tension de référence à une tension image de la tension alternative régulée, et - des moyens de commutation électronique connectés auxdits enroulements élémentaires et commandés sélectivement en fonction du résultat de ladite comparaison pour modifier le rapport de transformation dudit transformateur par mise en conduction et horscircuit desdits enroulements élémentaires De préférence, lesdits moyens de commutation électronique sont connectés 9 l'enroulement primaire du transformateur et lesdits enroulements elementaires sont constitues d'un enroulement unique pourvu de points de connexion intermediaires. Selon un mode préféré de réalisation, les moyens de commutation électronique comprennent plusieurs commutateurs électroniques commandables sélectivement et connectés chacun entre, d'une part, l'un desdits points intermédiaires ou l'une des extrémités de l'enroulement et, d'autre part, une borne d'application au dispositif de la tension å réguler. Ces commutateurs électroniques peuvent être par exemple des triacs. Selon une autre caractéristique, les moyens de comparaison comprennent deux comparateurs auxquels sont appliquées, d'une part, respectivement une tension de référence maximale et une tension de référence minimale et, d'autre part, ladite tension image de la tension alternative régulée. Selon encore une autre caractéristique, ' le dispositif comprend un compteur-décompteur dont les entrées de comptage et décomptage sont connectées, l'une a la sortie de l'un des comparateurs, l'autre å la sortie de l'autre comparateur, et les sorties du compteur-décompteur pilotent lesdits commutateurs électroniques par l'intermédiaire de circuits de commande respectifs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple et illustré par le dessin annexé sur lequel la figure unique est un schéma synoptique d'un dispositif de régulation de tension alternative suivant l'invention. En se reportant a la figure unique, le dispositif représenté comprend un transformateur T comprenant un enroulement primaire Ep et un enroulement secondaire E.. L'enroulement primaire EP est connecté à des bornes A et B destinées à être connectées à une source primaire produisant la tension alternative qu'il s'agit de réguler. La tension régulée est recueillie entre les bornes C et D de sortie de l'enroulement secondaire E.. S'il est nécessaire de disposer de plusieurs niveaux de tensions alternatives régulées, des sorties intermédiaires peuvent être prévues au secondaire E. comme représenté en trait mixte sur la figure. En variante, il peut être prévu plusieurs enroulements secondaires indépendants. L'enroulement primaire Ep présente deux points de connexion intermédiaires le divisant en trois enroulements élémentaires en série Ep 1, E 2 et Ep 3 comportant respectivement n1, n2 et n3 spires, le nombre total des spires de l'enroulement primaire étant np = n1 + n2 + n3 tandis que le nombre total de spires de l'enroulement secondaire est n.. Trois commutateurs électroniques C1 , C2 et C3 , qui sont de préférence des triacs, permettent de mettre sélectivement en circuit un, deux ou trois des enroulements élémentaires Ex lu Ep 2 et Ep 3. C'est ainsi que le commutateur C1 est connecté entre, d'une part, le point commun aux enroulements E,1 et Ep 2 et, d'autre part, la borne B, le commutateur C2 est connecté entre, d'une part, le point commun aux enroulements Ep 2 et Ep3 et, d'autre part, la borne B, et le commutateur C3 est connecté en série entre l'enroulement Ep 3 et la borne B. La tension de sortie régulée prélevée entre les bornes C et D est appliquée à un étage de redressement 1 suivi d'un circuit de filtrage 2 produisant au point 3 une tension continue qui est l'image de la tension alternative régulée recueillie entre les bornes C et D. Si le transformateur comporte plusieurs enroulements secondaires indépendants, de préférence un seul de ces enroulements secondaires (le plus susceptible d'instabilité) peut être utilisé pour fournir la tension continue image de la tension alternative régulée. Une source de tension continue stabilisée 4 alimentée à partir de l'étage de redressement 1 délivre sur ses sorties S1 et S2 respectivement une tension de référence maximale Ures,,1: et une tension de référence minimale U....... La sortie S1 est connectée à l'entrée inverseuse d'un premier comparateur 5 et la sortie S2 est connectée à l'entrée non inverseuse d'un second comparateur 6. La tension image produite au point 3 par l'étage de redressement 1 et le circuit de filtrage 2 est appliquée aux deux autres entrées des comparateurs 5 et 6. Les sorties des comparateurs 5 et 6 sont connectées par l'intermédiaire de portes ET 7 et 8 respectivement, l'une à l'entrée de comptage, l'autre å entrée de décomptage d'un compteur-décompteur a sorties décimales 9. La deuxième entrée des portes 7 et 8 est connectée å la sortie d'un circuit 10 de synchronisation qui permet d'échantillonner la sortie des comparateurs 5 et 6 en synchronisme avec une phase prédéterminée de la tension à réguler appliquée entre les bornes A et B. Les sorties décimales du compteur-décompteur 9 sont connectées aux commutateurs C , C 2 et C3 par l'intermédiaire de circuits de commande D1, D2 et D3 respectivement. Ces circuits de commande peuvent être constitués, par exemple, par un circuit MOC3040 de la Société MOTOROLA qui comprend un opto-coupleur et un circuit de synchronisation permettant d'assurer que la commutation des commutateurs C1 , C2 et C3 a lieu en synchronisme avec une phase prédéterminée de la tension à réguler, en l'occurrence le passage par 0 de celle-ci. Pour la clarté du dessin, les connexions du circuit de synchronisation 10 et des circuits de commande D1, D2 et D3 å la source de tension à réguler n'ont pas été représentées sur la figure. En fonctionnement, la tension Up appliquée entre les bornes A et B de l'enroulement primaire E P engendre entre les bornes de sortie C et D de l'enroulement secondaire E. une tension alternative U. qui est fonction du rapport de transformation du transformateur T. On a U./Up s n./np Si l'on admet par exemple que le commuteur C2 est conducteur lorsque la tension UP est a sa valeur nominale, on a U./Up = n./n1 + n2 car l'enroulement Ep3 est alors hors-circuit. Si la tension Up appliquée entre les bornes A et B augmente, la tension U. est maintenue dans les limites voulues en augmentant le nombre de spires de l'enroulement primaire. Ceci est obtenu en rendant conducteur le commutateur C3 et non conducteur le commutateur C2 . On a alors U./Up = n1 /n1 + n2 + n3. Si, au contraire, la tension appliquée entre les bornes A et B tend à diminuer, il convient de diminuer le nombre de spires conductrices de l'enroulement primaire Ep en rendant conducteur le commutateur C1 et non conducteur les commutateurs C2 et Q. On a U./Up = n1 In1 La sélection des commutateurs C1, C2 et C3 est assuree en comparant la tension continue appliquée au point 3 aux tensions de référence maximale Ure fiez et de référence minimale Urefijn Tant que la tension au point 3 est comprise entre Ureflaz et Ur,f,in, la sortie des comparateurs 5 et 6 reste au niveau bas et l'état des sorties decimales du compteur-décompteur 9 n'est pas modifie. Si la tension appliquée entre les bornes A et B tend à augmenter, il en va de même de la tension recueillie entre les bornes C et D et de sa tension image au point 3. Si la tension au point 3 vient à dépasser la tension Urefmax présente sur la sortie S1, , la sortie du comparateur 5 passe au niveau haut et le compteurdécompteur 9 est incrémenté par son entrée de comptage. Il s'ensuit que l'état des sorties de ce dernier est modifié et que le commutateur C3 est rendu conducteur tandis que le commutateur C2 est rendu non conducteur. La tension entre les bornes C et D tend donc à diminuer. A l'inverse, quand la tension appliquée entre les bornes A et B vient à diminuer, c'est la sortie du comparateur 6 qui passe au niveau haut et le compteurdécompteur 9 est décrémenté par son entrée de décomptage. Si le commutateur C3 était alors conducteur, il devient non conducteur et le commutateur C2 devient conducteur. Si le commutateur C2 était conducteur, c'est le commutateur C1 qui devient conducteur et le commutateur C2 non conducteur. A partir d'une situation donnée, la régulation s'effectue donc par mise hors-circuit ou mise en conduction de l'enroulement élémentaire immédiatement voisin, suivant le sens détecté de variation de la tension secondaire U.. Si l'on appelle + Up % le taux de variation de la tension primaire exprimé en pourcentage de cette tension, le dispositif décrit permet d'obtenir un taux de variation de la tension secondaire U.* = Up%/n, où n représente le nombre choisi ae commutateurs et donc d'enroulements élémentaires définis par les points de connexion intermédiaires de l'enroulement primaire. La précision de la régulation est donc directement fonction du nombre de commutateurs électroniques. En partant d'une tension secteur sinusoïdale fortement instable, le dispositif suivant l'invention permet ainsi de délivrer une tension alternative finement régulée, sans parasitage décelable et sans distorsion de la forme de la tension sinusoïdale régulée. Ce dispositif présente en outre un temps de réponse relativement court et se montre capable de réguler des puissances électriques très élevées qui ne sont limitées que par la capacité du transformateur T et des commutateurs électroniques C, C2 et C3 . Or il existe sur le marché des triacs qui permettent de commuter des puissances très importantes. Le dispositif décrit est beaucoup moins coûteux que les régulateurs connus de la technique antérieure, il présente un rendement électrique amélioré par rapport a ces derniers et, dans le cas d'appareils alimentés en tension continue, il donne la possibilité de réguler directement la tension alternative de la source primaire et de réaliser ainsi une économie substantielle sur les régulateurs de tension continue à ballasts qui, dans certains cas, pourront être constitués de simples étages de redressement et de filtrage. Ce dispositif peut recevoir de nombreuses applications, aussi bien dans le domaine des faibles que des fortes puissances. Il peut être appliqué, par exemple, à la régulation de la tension de sortie des alternateurs embarqués à bord d'engins mobiles tels que des véhicules automobiles, des aéronefs, des navires, etc.... Dans le cas d'appareils grand public tels que des appareils électroménagers, téléviseurs, microordinateurs, etc.. dont la tension d'alimentation prescrite ne correspond pas nécessairement à la tension secteur disponible, le dispositif décrit permet une adaptation automatique de la tension d'alimentation de ces appareils sans intervention humaine, ce qui représente une sécurité considérable pour les utilisateurs. Ce dispositif peut encore être utilisé pour le chauffage de filaments de tubes électroniques. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au seul mode de réalisation décrit et de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. C'est ainsi que le nombre d'enroulements élémentaires de l'enroulement primaire et le nombre correspondant de commutateurs électroniques n'est pas limité à trois, ce nombre dépendant de la précision que l'on veut obtenir sur la tension de sortie compte tenu des variations possibles de'la tension d'entrée. De même, d'autres moyens peuvent être utilisés pour comparer la tension de sortie à une ou plusieurs tensions de référence, exploiter l'information résultante et piloter les commutateurs électroniques. On notera également qu'il serait possible d'agir sur l'enroulement secondaire pour effectuer la régulation, mais cette solution n'est pas la plus favorable car il y a intérêt à maintenir l'adaptation de l'enroulement primaire à la valeur de la tension à réguler pour éviter à la fois les phénomènes de surcharge et de sous-charge. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation de tension alternative caractérisé en ce qu'il comprend - un transformateur (T) comportant au moins un enroulement primaire (Ep) auquel, en fonctionnement, la tension alternative a réguler est appliquée, et au moins un enroulement secondaire (E,) délivrant au moins une tension alternative régulée, l'un au moins desdits enroulements étant subdivisé en plusieurs enroulements élémentaires (épi1 Ep2, Ex3), - une source (4) de tension(s) de référence, - des moyens (5-6) de comparaison de la tension de référence à une tension image de la tension alternative régulée, et - des moyens de commutation électronique (C1, C2, Ca ) connectés auxdits enroulements élémentaires (Epl, Ep 2, E P 3) et commandés sélectivement en fonction du résultat de ladite comparaison pour modifier le rapport de transformation dudit transformateur par mise en conduction et hors-circuit desdits enroulements élémentaires. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commutation électronique (C1, C2, C3) sont connectés à l'enroulement primaire (Ep) du transformateur (T). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits enroulements élémentaires sont constitués d'un enroulement unique pourvu de points de connexion intermédiaires. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commutation électronique comprennent plusieurs commutateurs électroniques (Cl, C2, C3 ) commandables individuellement et connectés chacun entre, d'une part, respectivement, l'un desdits points de connexion intermédiaires ou l'une des extrémités de l'enroulement et, d'autre part, une borne d'application au dispositif de la tension à réguler. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits commutateurs électroniques (C1, C2, C3) sont des triacs. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les moyens de comparaison comprennent deux comparateurs (5, 6) auxquels sont appliquées, d'une part, respectivement, une tension de référence maximale et une tension de référence minimale et, d'autre part, ladite tension image de la tension alternative régulée. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un compteur-décompteur (9) dont les entrées de comptage et décomptage sont connectées, l'une à la sortie de l'un des comparateurs (5), l'autre à la sortie de l'autre comparateur (6), et en ce que les sorties du compteur-décompteur pilotent lesdits commutateurs électroniques (C1 , C 2 C C3 ) par l'intermédiaire de circuits de commande respectifs (D1, D2, D3). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque circuit de commande (D1, D2, D3 ) comprend un circuit de synchronisation commandant le commutateur électronique associé en synchronisme avec une phase prédéterminée de la tension à réguler. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la sortie de chaque comparateur (5, 6) est connectée à l'entrée correspondante du compteur-décompteur (9) par l'intermédiaire d'une porte ET (7, 8) dont l'autre entrée est connectée a un deuxième circuit de synchronisation (10) autorisant l'application du signal de sortie dudit comparateur (5, 6) à ladite entrée du compteur-décompteur (9) en synchronisme avec une phase prédéterminée de la tension à réguler. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 å 9, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de redressement et de filtrage (l, 2) connecté entre l'enroulement secondaire (E,) et lesdits moyens de comparaison (5, 6) et délivrant ladite tension image de la tension régulée.