Brevet FR2647282A1 — publié le 19901123

La présente invention concerne un dispositif électronique de régulation pour réguler la vitesse de rotation et/ou la tension de sortie d'une machine électrique tournante , telle qu'un moteur ou une génératrice de courant , du type dans lequel la tension de sortie de la machine tournante ou d'un dispositif tachymétrique dont ladite tension de sortie est indicative de la vitesse de la machine, est comparée à un signal de référence, le signal d'erreur obtenu après cette comparaison est amplifié et corrigé dans un circuit amplificateur dont la sortie est appliquée à un circuit de modulation de type PWM (modulation de largeur d'impulsion de l'anglais"pulse - width modulation")dont la sortie est elle-même appliquée à au moins des premiers moyens de commande de courant du type transistor de puissance ou analogue destinés à commander le courant d'alimentation de la machine. Pour le contrôle de la vitesse d'un moteur (voir figure 1A), dans de nombreux cas d'applications , les commandes électroniques unidirectionnelles suffisent à remplir les fonctions demandées . Les régulateurs de tension, par contrôle du courant d'excitation, des alternateurs ou génératrices à courant continu (voir figure 1B) sont exclusivement du type unidirectionnel . Pour les deux applications précitées , le schéma de base du dispositif de régulation électronique est identique . Ainsi, à la figure lA, la tension de sortie du dispositif tachymétrique 1 , qui est indicative de la vitesse de rotation du moteur 6 , est comparée à un signal de référence 2.Le signal d'erreur résultant de cette comparaison est amplifié et corrigé dans un circuit amplificateur 3 , puis transformé en signal à rapport cyclique variable dans un générateur PWM 4. Le signal de sortie du générateur 4 est utilisé pour commander un transistor bipolaire de puissance 5 qui contrôle le courant d'alimentation du moteur 6. A la figure 1B, la tension de sortie de la génératrice à courant continu 7 est comparée à un signal de réfé rence 8 . Le signal d'erreur résultant de cette comparaison est amplifié et corrigé dans un circuit amplificateur 9 puis il est transformé en signal à rapport cyclique variable dans un générateur PWM 10 . La sortie du générateur 10 est utilisée pour commander un transistor de puissance 11 qui contrôle le courant dans l'enroulement d'excitation 12 de la génératrice 7. Les montages précités présentent trois inconvénients majeurs . Tout d'abord , ils ne procurent aucun isolement galvanique entre la machine électrique tournante et le circuit électronique de régulation . La tension nominale d'alimentation du moteur ou de l'enroulement d'excitation de la génératrice est fixée par la tension d'alimentation de ce circuit électronique de régulation. Ceci est particulièrement gênant dans les applications embarquées sur véhicule ou aéronef dans lesquelles la tension disponible est généralement celle délivrée par les batteries, c'est-à-dire 28 volts nominal pouvant descendre à 17 volts en fonctionnement de secours . Avec des tensions aussi faibles , les moteurs et les enroulements d'excitation ne peuvent possèder qu'un nombre de spires réduit ce qui n'autorise aucun ajustement à la conception. De plus, même pour des puissances commandées peu élevées , les courants transportés sont importants . La section des câbles de liaison doit donc être élevée . Pour des distances importantes, plusieurs dizaines de mètres a' bord des aéronefs modernes , la masse et le coût de ces câbles deviennent prohibitifs . En outre, la structure métallique de l'aéronef ou du véhicule terrestre servant de conducteur de retour , le transistor de puissance compris dans le circuit de régulation est référencé au point chaud de ce circuit, c'est-à-dire l'une des bornes du moteur ou l'une des bornes du circuit d'excitation de la génératrice , puisque l'on souhaite n'avoir qu'un seul câble de liaison.Cette contrainte complique les circuits électroniques associés au transistor de puissance Le but de l'invention est de proposer un dispositif électronique de régulation qui ne présente pas les inconvénients précités Ainsi, le dispositif électronique de régulation conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transformateur haute fréquence ayant un enroulement primaire dont une borne est reliée auxdits moyens de commande de courant et un enroulement secondaire dont une borne est reliée à la machine tournante par l'intermédiaire d'une première diode Grâce aux dispositions constructives précitées, le transformateur assure l'isolement galvanique entre la machine électrique tournante et le circuit électronique de régulation .En outre, la tension nominale de fonctionnement de la machine électrique peut être choisie de manière indépendante de la tension d'alimentation du circuit électronique. Par ailleurs, même pour des tensions d'alimentation faibles, il est possible , du côté de la machine électrique tournante, d'avoir une tension élevée , par conséquent un courant faible , et ainsi une section de câble beaucoup plus faible que dans les circuits de régulation connus. Finalement, les moyens de commande de courant , par exemple un transistor de puissance , peuvent être sans difficulté référencés au point froid de l'alimentation, c'est-à-dire une tension basse tension d'alimentation du circuit électronique de régulation, tout en ne conservant qu'un seul câble de liaison. Selon une première caractéristique avantageuse de l'invention, le transformateur haute fréquence comprend un enroulement auxiliaire dont une borne est reliée, par l'intermédiaire d'une seconde diode , à la tension d'alimentation -du circuit de régulation qui est également appliquée à la seconde borne de l'enroulement -primaire du transformateur , c'est-à-dire celle qui n'est pas reliée au transistor de puissance Grâce à ladite seconde diode, l'enroulement auxi liaire précité assure l'écoulement de l'énergie magnétique pendant les phases de blocage du transistor de puissance. L'invention n'est pas limitée à l'utilisation d'un transistor bipolaire de puissance . Ainsi , celui-ci peut être remplacé par un thyristor , un circuit GTO c'est-à-dire un thyristor à extinction commandé par la gâ chette (de l'anglais gate turn-off-switch"),ou un transistor MOS de puissance. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, une troisième diode est interconnectée entre la borne positive de la première diode et la masse du dispositif. Cette troisième diode permet , lorsque les moyens de commande de courant sont à l'état bloqué, de main tenir le courant d'alimentation de la machine à sa valeur nominale Selon une première variante de réalisation de l'invention, le dispositif comprend deux transformateurs haute fréquence reliés en parallèle entre deux moyens de commande de courant et la machine tournante . Dans ce schéma qui est applicable pour la commande de puissances élevées, chaque transformateur haute fréquence est conçu pour assu rer, alternativement et pendant des durées égales, le passa ge du courant d'alimentation vers la machine tournante. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, pouvant être avantageusement mise en oeuvre pour la commande de puissances élevées , le transformateur haute fréquence du circuit électronique de régulation eom -prend un enroulement primaire à point milieu et un enroule ment secondaire à point milieu, chaque borne de l'enroulement primaire étant reliée à un générateur de type PWM par l'intermédiaire de moyens de commande de courant respectifs,tandis que chaque borne de l'enroulement secondai re est reliée à la machine tournante par l'intermédiaire d'une diode respective, lesdits enroulements primaire et se condaire étant conçus pour assurer , alternativement et pendant des durées égales , l'alimentation en courant de la machine tournante D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui va suivre Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs La figure 1A est un schéma d'un dispositif de régulation de vitesse d'un moteur selon l'art antérieur La figure 1B est un schéma d'un dispositif de régulation d'une génératrice de courant selon l'art antérieur;; Les figures 2A et 2B sont des schémas d'un dispositif de régulation conforme à l'invention, respectivement pour un moteur et une génératrice, selon une première forme de réalisation de l'invention La figure 3A est un schéma d'un dispositif de régulation conforme à l'invention , pour un moteur , selon une seconde variante de réalisation, et La figure 3B est un schéma d'un dispositif de régulation pour génératrice, selon une troisième forme de réalisation de l'invention. Aux figures annexées , on a représenté un dispositif électronique de régulation pour réguler la vitesse de rotation et/ou la tension de sortie d'une machine électrique tournante telle qu'un moteur 6 (voir figures 2A et 3A )ou une génératrice de courant continu ou alternatif 7 , a enroulement d'excitation 12 (voir figures 2B et 3B), du type dans lequel la tension de sortie de la machine tournante ou d'un dispositif tachymétrique 1 (figures 2A et 3A) dont la tension de sortie est indicative de la vitesse de la machine tournante, est comparée à un signal de référence 2 respect il vement 8, le signal d'erreur après cette comparaison est amplifié et corrigé dans un circuit amplificateur 3 respectivement 9 dont la sortie est appliquée à un circuit générateur 4, 10, 22 de type PWM (générateur à modulation de largeur d'impulsion de l'anglais " pulse-width modulation") dont la sortie est elle-même appliquée à au moins des premiers moyens de commande de courant 14,20; 24, 25 destinés à commander le courant d'alimentation de la machine tournante 6; 7, 12.Dans les exemples représentés aux figures ,lesdits moyens de commande de courant sont constitués d'au moins un transistor bipolaire de puissance, fonctionnant en mode de commutation et référencé au point froid du circuit électronique de régulation, c'est-à-dire dont la base est reliée au générateur PWM , l'émetteur est relié à la masse du dispositif et le collecteur est relié à l'enroulement primaire d'un transformateur lui-même relié à la source d'alimentation basse tension V du dispositif Bien entendu , l'emploi d'un transistor bipolaire de puissance en tant que moyens de commutation n'est pas limitatif et on pourrait également utiliser un thyristor, un transistor MOS de puissance ou un circuit GTO , c'est-à-dire un thyristor à extinction commandée par la gâchette (de l'anglais gate turn-off switch). Aux figures 2A et 2B, le dispositif de régulation électronique selon l'invention se caractérise par un transformateur haute fréquence 13 qui assure un isolement galvanique entre la machine électrique, c'est-à-dire le moteur 6 (voir figure 2A) ou la génératrice de courant 7, 12 (figure 2 B)et le circuit électronique de régulation du dispositif qui comprend un transformateur bipolaire de puissance 14 dont l'émetteur est relié à la masse du dispositif et dont la base est reliée à la sortie d'un générateur ?wM 4 dont l'entrée est reliée à un circuit de correction et d'amplification 3 dont l'entrée est constituée d'un signal d'erreur résultant de la comparaison entre un signal de référence 2 respectivement 8 et la tension de sortie du dispositif tachymétrique 1 associé au moteur 6 ou de la génératrice 7 .Le transformateur haute fréquence 13 comprend un enroulement primaire 13a dont une borne est reliée au collecteur du transistor 14 et l'autre borne est re liée à la tension d'alimentation V et un enroulement secondaire 13b dont une borne est reliée à la masse du dispositif et dont l'autre borne est reliée à la machine tournante par l'intermédiaire d'une première diode 15 dont la cathode est elle-même reliée à la masse du dispositif par l'intermédiaire d'une troisième diode 16 dont l'anode est reliée à ladite masse . La borne du moteur 6 et celle de l'enroulement d'excitation 12 de la généra- trice 7 qui ne sont pas reliées au transformateur haute fréquence 13 sont reliées à la masse du dispositif .De même, la borne du dispositif tachymétrique 1 et celle de la génératrice 7 qui ne sont pas reliées au circuit de régulation sont également reliées à la masse du dispositif. Le transformateur 13 comprend également un enroulement auxiliaire 17 dont une borne est reliée à l'anode d'une diode 18 dont la cathode est reliée à la tension d'alimentation V et dont la cathode est reliée à la masse. Lorsque le transistor de puissance 14 qui fonctionne en mode de commutation , conduit , les enroulements primaire 13a et secondaire 13b du transformateur 13 sont traversés par des courants qui sont dans le rapport de leur nombre de spires respectives. La machine électrique tournante est traversée par le même courant grâce à la diode 15. La tension apparaissant au secondaire du transformateur 13 dépend également du nombre de ces spires et peut être sans difficulté supérieure à la tension .d'alimentation V. La tension nominale de fonctionnement de la machine tournante peut donc être choisie , dans une large plage, de manière indépendante de la tension d'alimentation V du circuit électronique de régulation. Lorsque le transistor 14 se bloque, la selfinductance élevée du moteur 6 (quelques dizaines de m) ou de l'enroulement d'excitation 12 de la génératrice 7 (quelques dizaines à quelques centaines de mH) maintient le courant d'alimentation de la machine tournante à sa valeur nominale, du fait de la présence de la diode 1o. Même pour des tensions d'alimentation faibles, il est possible, côté machine tournante, de récupérer une tension élevée et par conséquent un courant faible , ce qui permet de prévoir une section de câble électrique beaucoup plus faible que dans le cas des dispositifs connus décrits en référence aux figures 1A et 12. En outre, le transistor de puissance 14 peut sans difficulté être référencé au point froid de l'alimentation tout en ne conservant qu'un seul câble de liaison. L'enroulement auxiliaire 17 assure de son côté l'écoulement de l'énergie magnétique pendant les phases de blocage du transistor 14, grâce à la présence de la diode 18. Dans le cas de puissances élevées à commander, une variante de réalisation avantageuse de l'invention, représentée à la figure 3A,utilise un montage à deux transformateurs haute fréquence 13 et 19. Ce schéma met en oeuvre un moteur 6 mais est tout à fait applicable au cas d'une génératrice de courant. Les deux ensembles constitués par la diode 15 ,le transformateur 13 , la diode 18 et le transistor bipolaire de puissance 14 d'une part, et la diode 21, le transforma teur 19, la diode 18 et le transistor de puissance 20 d'autre part sont identiques et fonctionnent chacun comme cela a été décrit en référence aux figures 2A et 2B. Dans le schéma de la figure 3A , le point commun aux diodes 15 et 21 est relié à la borne positive d'une diode 16 dont la borne négative est reliée à la masse du dispositif .Le générateur PWM 22 délivrant les signaux de commande des transistors 14 et 20, aux bases desquels il est relié , peut être constitué de deux générateurs indépendants identiques tels que ceux repérés 4 et 10 aux figures précédentes et synchronisés entre eux de manière connue de l'homme du métier. Les transformateurs 13 et 19 sont identiques et les transistors 14 et 20 fonctionnent tous deux en mode de commutation . Le transistor 20 conduit le courant dans l'enroulement primaire l9a du transformateur 19 lorsque le transistor 14 est bloqué. Dans ce cas, la diode 21 assure l'écoulement du courant secondaire vers le moteur 6. Au contraire , le transistor 14 conduit le courant d'alimentation dans l'enroulement primaire 13a du transformateur 13 lorsque le transistor 20 est bloqué . Dans ce cas, la diode 15 assure l'écoulement du courant secondaire vers le moteur 6 . Les durées de conduction des transistors 14 et 20 sont identiques .Lorsque les deux transistors sont bloqués , la diode 16 assure le maintien du courant d'alimentation dans le moteur 6 du fait de la selfinductance élevée de celui-ci Pour des puissances élevées, une autre variante avantageuse de réalisation de l'invention est représentée à la figure 3B . Cette variante de réalisation applicable tant à un moteur qu'à une génératrice de courant , met en oeuvre un transformateur haute fréquence 23 qui comprend un enroulement primaire à point milieu 23c qui est relié à la tension d'alimentation V du dispositif et qui détermine deux enroulements élémentaires 23a et 23b.La borne de l'enroulement 23a qui n'est pas reliée à la tension V, est reliée au collecteur d'un transistor bipolaire de puissance 24 tandis que la borne de l'enroulement 23b qui n'est pas reliée à la tension V est reliée au collecteur d'un transistor bipolaire de puissance 25. Les émetteurs des transistors 24 et 25 sont tous deux reliés à la masse du dispositif. Les bases des transistors 24 et 25 sont reliées à un générateur PWM 22 lui-même relié à un circuit correcteur et amplificateur 9 dont l'entrée est constituée par le signal dterreur résultant de la comparaison entre le signal de référence 8 et la tension de sortie de la génératrice 7. Le transformateur haute fréquence 23 comprend également un enroulement secondaire à point milieu 23f qui est relié à la masse du dispositif et qui détermine deux enroulements secondaires élémentaires 23d et 23e. La borne de l'enroulement 23d qui n'est pas reliée à la masse,est reliée à l'anode d'une diode 26 dont la cathode est reliée à la borne de l'enroulement d'excitation 12 de la génératrice 7, qui n'est pas reliée à la masse, tandis que la borne de l'enroulement 23e qui n'est pas reliée à la mas se,est reliée à a' l'anode d'une diode 27 dont la cathode est également reliée à la borne de l'enroulement d'excitation 12 qui n'est pas reliée à la masse Les transistors de puissance 24 et 25 , qui sont identiques , sont commandés par le générateur PWM 22 de ma nière identique à celle décrite en référence à la figure 3A. Le passage du courant d'alimentation vers l'enroulement d'excitation 12 de la génératrice 7 , pendant les phases de conduction respectives des transistors 24 et 25, et le maintien du courant d'alimentation à sa valeur nominale, pendant les phases de blocage desdits transistors , est alternativement assuré par les diodes 26 et 27 . Comme décrit en référence à la figure 3 A, le générateur PWM 22 pourrait être remplacé par deux générateurs identiques tels que les générateurs 4 et 10 et synchronisés entre eux de manière connue de l'homme du métier. La présente invention propose donc un dispositif électronique de régulation , pour réguler la vitesse de rotation et/ou la tension de sortie d'une machine électrique tournante telle- qu'un moteur ou une génératrice de courant, qui permet de remédier aux incpnvénients des dispositifs connus . En particulier , le dispositif de régulation conforme à l'invention permet d'assurer un isolement galvanique entre la machine électrique tournante et son circuit électronique de régulation de sorte que la tension nominale de fonctionnement de la machine électrique peut être choisie , dans une large plage, de manière indépendante de la tension d'alimentation du circuit électronique de régulation . En outre, même pour des tensions d'alimentation faibles du circuit de régulation, il est possible d'obtenir une tension d'alimentation de la machine tournante qui soit élevée et par conséquent dont le courant d'alimentation soit faible de sorte que l'on peut retenir une section de câble d'alimentation beaucoup plus faible que dans les dispositifs connus . Finalement , les transistors de puissance mis en oeuvre peuvent sans difficulté être référencés au point froid du circuit d'alimentation ce qui n'est pas le cas dans les dispositifs connus. Les signes de référence insérés après les caracté ristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement la portée. REVENDICATIONS l.Dispositif électronique de régulation pour réguler la vitesse de rotation et/ou la tension de sortie d'une machine électrique tournante telle qu'un moteur (6) o une génératrice de courant (7,12), du type dans lequel la tension de sortie de la machine tournante ou d'un dispositif tachymétrique (1) dont ladite tension de sortie est indicative de la vitesse de la machine (6), est comparée à un signal de référence (2,8), le signal d'erreur obtenu après cette comparaison est amplifié et corrigé dans un circuit amplificateur (3,9) dont la sortie est appliquée à un circuit générateur (4, 10, 22) de type PWM dont la sortie est elle-même appliquée à des moyens de commande de courant du type transistor de puissance ou analogue (5, llr 14, 20; 24, 25) servant à commander le courant d'alimentation de la machine (6; 7, 12) , caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transformateur haute fréquence (13, 19, 23) ayant un enroulement primaire dont une borne est reliée auxdits moyens de commande de courant (5, 11; 14, 20; 24,25) et un enroulement secondaire dont une borne est reliée à la machine tournante (6; 7, 12) par l'intermédiaire d'une première diode (15, 21; 26, 27). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur haute fréquence (13, 19) comprend un enroulement auxiliaire (17) dont une borne est reliée, par l'intermédiaire d'une seconde diode (18), à une tension d'alimentation (V)également appliquée à la seconde borne de l'enroulement primaire (13a, l9a). 3.Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une troisième diode (16) est interconnectée entre la cathode de la première diode (15,21) et la masse du dispositif. 4.Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux transformateurs haute fréquence (13, 19) reliés en parallèle entre deux moyens de commande de courant (14, 20) et la machine tournante (6). 5.Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque transformateur haute fréquence (13, 19) est conçu pour assurer, alternativement et pendant des durées égales, le passage du courant d'alimentation vers la machine tournante (6; 7,12). 6.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur haute fréquence (23) comprend un enroulement primaire (23a, 23b) à point milieu (23c) et un enroulement secondaire (23d, 23e) à point milieu (23f), chaque borne de l'enroulement primaire (23a, 23b) étant reliée à un générateur de type PWM (22) par l'intermédiaire de moyens de commande de courant respectifs (24,25) tandis que chaque borne de l'enroulement secondaire- (23d, 23e) est reliée à la machine tournante (7,12) par l'intermédiaire d'une diode respective (26,27), lesdits enroulements primaire (23a, 23b) et secondaire (23d, 23e) étant conçus pour assurer, alternativement et pendant des durées égales, l'alimentation en courant de la machine tournante (7,12). 7.Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande de courant sont conçus pour fonctionner en mode de commutation. 8.Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande de courant sont potentiellement référencés au "point froid" du dispositif 9.Dispositif selon l'une des revendications précédentes1 caractérisé en ce que les moyens de commande de courant comprennent un transistor bipolaire de puissance. lO.Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de commande de courant comprennent un transistor MOS de puissance, un thyristor ou un circuit GTO.