Brevet FR2652209A1 — publié le 19910322

La présente invention se rapporte à un modulateur-régulateur de puissance électrique à pente variable convenablement antiparasité pour l'application d'une puissance et la fourniture d'une énergie électrique autorégulée à un niveau prédéterminé, modulable et variable en fonction d'au moins un paramètre d'une grandeur physique extérieure à un appareil consommateur d'énergie électrique. On emploie fréquemment des thyristors ou des triacs pour commander en puissance un organe ou élément électrique par exemple chauffant, moteur ou tout autre. Les thyristors ou triacs constituent en effet les composants électroniques classiques doseurs d'énergie. Il sont commandés classiquement sur leur gâchette par un dispositif générateur d'impulsions. Ces impulsions à niveau, à emplacement ou à fréquence réglable permettent de faire varier la puissance transmise. Le dispositif de commande impulsionnelle comprend généralement un élément de base à transformateur d'impulsions ou à transistor unijonction. Selon leur polarité les impulsions commandent l'ouverture ou la fermeture du thyristor concerné. On peut ainsi modifier l'angle d'ouverture et réaliser une commande en puissance ou une gradation progressive de la puissance. Une régulation s'avère également possible si le générateur de commande impulsionnelle se modifie en fonction d'un capteur sensible à une grandeur physique dont ltétat varie en fonction des variations de cette grandeur. Ce genre de montage nécessite un générateur d'impulsions onéreux, fragile et limité en possibilités, notamment en finesse de régulation. Par ailleurs, la commande impulsionnelle engendre des parasites notablement gênants à des fréquences audibles et dans la gamme des radio fréquences. La suppression de ceux-ci nécessite l'emploi de précautions particulières et de blindages onéreux, souvent contraires aux impératifs de ventilation des radiateurs et boîtiers. Dans bien des cas, il n'est même pas possible de descendre en dessous des niveaux autorisés malgré les divers circuits d'antiparasitage utilisés. Par ailleurs, de brusques appels de puissance sur le réseau électrique occasionnent des perturbations de celui-ci. La présente invention a pour but de supprimer tous ces inconvénients en proposant un montage modulateur-régulateur à régulateur automatique ne nécessitant aucune commande impulsionnelle distincte et présentant un degré de déparasitage élevé. A cet effet elle se rapporte à un circuit modulateur-régulateur de puissance électrique caractérisé en ce qu'il se compose de deux montages symétriques formés chacun d'un thyristor dont le circuit de gâchette se referme sur l'entrée ou la sortie par une branche de commande à résistance variable et diode et sur la sortie ou l'entrée par une branche sensible de maintien à capteur et condensateur. Dans son premier objectif, l'invention vise l'antiparasitage. Cet objectif est atteint grâce au montage selon l'invention qui s'avère très efficace depuis les basses fréquences, notamment celles audibles, jusqu'aulx fréquences radio. Cette caractéristique sous la forme d'un précieux avantage procure au module selon l'invention de larges possibilités d'utilisations même dans les milieux les plus sensibles aux parasites électriques. Un autre objet de l'invention concerne la régulation de fonctionnement entièrement automatique grâce au capteur, par exemple de température, présentant une courbe caractéristique sensiblement linéaire. Un objet supplémentaire de l'invention concerne la progressivité de montée vers l'allure maximale de manière à éviter des appels brusques de puissance, néfastes pour le réseau de distribution électrique. Un autre objet supplémentaire concerne la sécurité automatique de surchauffe ou l'autolimitation de consommation en cas d'intensité excessive. Une consommation anormale est rapidement détectée et le montage limite automatiquement et rapidement le courant jusqu'à l'extinction complète. Les caractéristiques techniques de l'invention et d'autres avantages sont consignés dans la description qui suit effectuée à titre d'exemple non limitatif sur un mode de réalisation de l'invention en référence au dessin annexé dans lequel la figure I est le schéma général de base du modulateur-régulateur déparasité selon l'invention fonctionnant sur une alternance la figure 2 est le schéma général du montage déparasité selon l'invention fonctionnant sur les deux alternances la figure 3 est le détail du schéma relatif à la sécurité de surchauffe et à l'autolimitation de l'intensité. On décrira tout d'abord, en se référant à la figure 1, le montage de base mono-alternance suffisant dans les cas simples ; c'est-à-dire dans le cas d'une modulation simple mono-alternance. Le circuit se développe après une borne de phase PH et une borne de neutre N et avant la borne de sortie UT correspondant à l'utilisation sur une charge Z, par exemple résistive, du type élément chauffant. Comme indiqué, moyennant une adaptation appropriée, bien d'autres applications s'avèrent possibles. telles que moteurs, turbines. climatiseurs, machines électriques de toute sorte, et de façon générale tout appareil consommant de l'énergie électrique. Après un condensateur d'entrée CPE, l'entrée du circuit s'effectue sur un pont diviseur PT rappelé au neutre par une diode DP chargée d'éliminer une alternance, la tension est prise en un point P sur ce pont PT formé de deux résistances fixes RF1 et RF2 puis, selon une branche de commande, traverse une résistance variable RV et une diode de commande DT pour aboutir à un point C. Entre les phases d'entrée et de sortie, respectivement PH et UT, est disposé un élément doseur d'énergie, par exemple un thyristor TH dont l'anode A est reliée à la phase PH et dont la cathode K aboutit à la borne d'utilisation. La résistance variable RV est réalisée sous la forme d'un potentiomètre POT dont deux bornes successives appropriées sont court-circuitées. Le potentiometre POT introduit dans le circuit de commande une résistance fixe de valeur ajustable permettant de modifier l'angle d'ouverture du thyristor commandé et de servir ainsi de point de consigne à la régulation. La modification de cette résistance et donc de la valeur du point de consigne revient à changer la pente de régulation du montage. Cette résistance ajustable peut dans certaines conditions présenter un caractère auto-ajustable ou une valeur variable en fonction d'une commande extérieure automatique ou programmée. Elle peut même, selon une variante, être supprimée et remplacée par une simple liaison électrique représentée en pointillés sur les figures. Le thyristor TH est commandé sur sa gâchette G par la branche de commande à partir d'un point C et par une branche sensible et de maintien à travers un capteur CAP, par exemple un capteur thermosensible notamment du type résistif, à résistance variable en fonction de la température. On choisit pour le montage décrit une thermistance à courbe de caractéristiques quasi linéaire de manière à bénéficier d'une régulation proportionnelle. Elle sera du type à coefficient de température positif dans le cas d'une application en régulation de température d'un local par un appareil de chauffage électrique. Selon une particularité de l'invention, le capteur thermosensible CAP est placé par une zone de collage COL, ou autre, en contact étroit direct avec le boîtier du thyristor pour permettre ainsi de réaliser une régulation-sécurité qui réagit non seulement aux modifications de la température ambiante, mais aussi à l'échauffement du thyristor par son boîtier qui est fonction de la consommation instantanée en énergie électrique de l'appareil. Ce mode de fonctionnement selon deux variables permet d'assurer simultanément les deux fonctions de régulation et de sécurité. I1 permet aussi à la régulation d'être plus proche de l'énergie réellement consommée et de disposer d'une surveillance constante de l'intensité. La branche sensible et de maintien se poursuit jusqu'a la ligne de sortie par un condensateur de forte capacité CM. Il assure le maintien de la tension entre les deux électrodes gâchette et cathode du thyristor en régime permanent à un niveau constant mais ajustable par modification de la résistance variable RV réalisée par le potentiomètre POT. Un condensateur de découplage CPS shunte la sortie. On a décrit le capteur CAP comme une résistance variable en fonction de la température. I1 convient de préciser ici que l'efficacité et la nature de ce capteur de type résistif pour de nombreuses applications, peuvent varier largement en fonction de la particularité des utilisations. Ainsi, par exemple, dans une application en chauffage, l'ambiance idéale de confort nécessite la prise en compte du degré d'humidité. Le choix et la définition d'un autre capteur, sensible simultanément au degré d'humidité et à la température, apportent une amélioration sensible du confort. Les multiples essais effectués par l'inventeur permettent d'affirmer et de certifier que le montage de base exposé ci-dessus convient par rapport aux exigences actuelles de normalisation et de confort. Bien entendu, l'utilisation dans des ambiances à températures négatives a également été essayée. Dans ce cas, un capteur à coefficient de température négative CTN s'avère nécessaire. Afin de rendre ce montage utilisable dans la pratique car conforme aux normes en vigueur, on l'a doté d'un circuit d'antiparasitage efficace déjà testé, qui permet d'affaiblir suffisamment l'amplitude des parasites et de leurs harmoniques sur une gamme étendue de fréquences jusqu'aux radio-fréquences. Pour garantir l'antiparasitage, on prévoit une self SLF par exemple à barreau de ferrite qui est montée dans le circuit de cathode du ou de chaque thyristor immédiatement en aval de la cathode. Une autre self SLFN est montée sur le circuit de neutre entre la borne N et la borne reliée au neutre du premier composant d'entrée à savoir le condensateur d'entrée CPE. Le circuit est complété par une résistance d'entrée RE en parallèle sur le condensateur d'entrée CPE et une résistance de sortie RS en parallèle sur le condensateur de sortie CPS agissant avec les selfs et les condensateurs à la manière de filtres très efficaces. En se référant à la figure 2, on décrira maintenant le montage double alternance. Ce montage se caractérise par l'emploi de deux thyristors identiques TH1 et TH2 entre la borne d'entrée du secteur PH et la borne d'utilisation UT, commandés chacun par un circuit conforme à celui décrit ci-dessus. Ces thyristors sont montés tête-bêche c'est-àdire inversés et protégés entre leurs électrodes anode-cathode par une branche à résistance R et condensateur C, destinée à éviter leur claquage par les crêtes éventuelles de tension provenant des appareils raccordés ou duréseau. Les thyristors réagissent chacun sur une alternance distincte. Les montages de base propres à chaque alternance s'avèrent identiques et conformes à celui décrit cidessus introduisant la symétrie du schéma. En ce qui concerne les références du dessin, on adoptera pour les mêmes composants les mêmes références que celles utilisées ci-dessus en ajoutant un élément numérique de différenciation 1 ou 2 selon l'appartenance au montage de la première alternance (positive) ou de la deuxième alternance (négative). On distingue ainsi une branche sensible et de maintien formée d'un capteur CAP1 ou CAP2 en série avec un condensateur de maintien CM1 et CM2 et une branche de commande formée par un potentiomètre POT1 ou POT2 en série avec une diode DT1 ou DT2. Les résistances ajustables destinées à faire varier le point de consigne sont réalisées chacune comme précédemment sous la forme d'un potentiomètre. En raison de la symétrie des deux parties de ce montage, les deux potentiomètres POT1 et POT2 sont couplés mécaniquement, par exemple sous la forme d'un potentiomètre double POTD symbolisé au niveau du schéma par deux lignes pointillées parallèles. La résistance fixe prévue dans la branche de commande est référencée RF3. Les deux capteurs référencés CAP1 et CAP2, présentent des caractéristiques aussi proches que possible afin d'assurer le fonctionnement symétrique nécessaire. Ces capteurs sont disposés à proximité l'un de l'autre afin de réagir de la même façon aux variations de la grandeur physique surveillée. L'antiparasitage est réalisé par deux selfs SLF1 et SLF2 propres à chaque thyristor TH1 et TH2 montées dans leur circuit de cathode entre la cathode et l'entrée ou la sortie du montage et par une self de neutre SLFN sur le retour du neutre, les condensateurs d'entrée CPE et de sortie CPS étant shuntés chacun par une résistance d'entrée RE ou de sortie RS. On examinera maintenant le détail du montage représenté sur la figure 3. Cette figure a pour but de montrer la liaison thermique existant entre le boîtier des thyristors TH1 ou TH2 et les capteurs CAP1 et CAP2 selon la version préférée de l'invention. Le capteur référencé CAP est solidarisé au boîtier du thyristor référencé TH par une couche ou un point de colle COL, souple et thermiquement conductrice, par exemple une colle aux silicones ou tout autre produit convenable. L'élévation de température du boîtier du ou des thyristor(s), caractéristique d'une consommation maximale, modifiera automatiquement et légèrement le point de fonctionnement vers le bas selon une réaction d'autolimitation. On n'atteindra donc que progressivement la consommation maximale. Cette caractéristique permet d'éviter des appels importants et brutaux de puissance sur le réseau de distribution électrique. Une élévation supplémentaire de température du boîtier du thyristor au-delà du seuil critique, caractéristique d'une consommation excessive traduisant une surchauffe, provoquera le déplacement rapide du point de fonctionnement vers le bas jusqu'à la coupure de l'alimentation. Bien entendu, la fixation du seuil critique ou de surchauffe résulte des caractéristiques de l'appareil ou d'exigences légales ou règlementaires. Selon la variante préférée, chaque capteur est monté sur ou en relation thermique avec le boîtier de chaque thyristor de manière à surveiller de façon constante l'intensité consommée. Concernant le déparasitage, des selfs identiques, SLF1 et SLF2 sont prévues aux mêmes emplacements. De même, la self de neutre SLFN est conservée. En raison de sa symétrie, le principe de fonctionnement de ce montage bi-alternance est identique à celui décrit ci-dessus. Il suffit de transposer le mode de fonctionnement valable pour une alternance à 1' autre alternance. Le fonctionnement global résulte de la juxtaposition des deux fonctionnements identiques pour chaque alternance. Ce montage accepte les charges résistives les plus variées depuis les éléments chauffants des radiateurs ou convecteurs électriques jusqu'aux résistances de chauffe-eau, de fer à repasser etc... Il accepte aussi d'autres charges : moteurs électriques, compresseurs frigorifiques et, d'une façon générale, tous les appareils consommant de l'énergie électrique moyennant un capteur approprié. On indiquera ci-après, de façon nullement limitative, quelques domaines d'application : chauffage électrique de locaux et pièces climatisation congélation et réfrigération commande de lumière chauffage électrique de l'eau. Concernant la commande de lumière, on remplacera le capteur thermosensible par un capteur photosensible, par exemple une cellule photoélectrique ou tout autre capteur optoélectrique ou optoélectronique. Pour d'autres applications, il suffit bien souvent de remplacer le capteur par un autre capteur convenablement choisi et d'effectuer quelques adaptations évidentes. Finalement, le montage peut fonctionner en variateur de puissance simple en supprimant les capteurs les potentiomètres POT1 et POT2 agissent simplement en commande de puissance. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Modulateur-régulateur de puissance électrique pour la fourniture à un appareil d'une énergie électrique à puissance variable autorégulée en fonction d'au moins un paramètre d'une grandeur physique extérieure, caractérisé en ce qu'il se compose de deux thyristors TH1 et TH2 montés tête-bêche, shuntés par une branche RC, chaque thyristor comprenant dans son circuit de gâchette d'une part une diode DT1 ou DT2 en série avec une résistance ajustable POT1 et POT2 vers l'entrée pour l'un TH1 ou la sortie pour l'autre TH2, et d'autre part une branche sensible de maintien formée d'un capteur CAP1 ou CAP2 suivi d'un condensateur de maintien CM1 ou CM2, inversement vers la sortie pour l'un TH1 ou l'entrée pour l'autre TH2, l'ensemble étant complété par un point résistif d'entrée PT relié à la masse à travers une diode et des condensateurs d'entrée CPE et de sortie CPS. 2. Modulateur-régulateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que son antiparasitage comprend une self SLF1 dans le circuit de cathode du premier thyristor TH1, une self SLF2 dans le circuit de cathode du deuxième thyristor TH2, une self SLFN montée en série dans le retour au neutre et une résistance RE et RS respectivement en parallèle sur le condensateur d'entrée CPE et le condensateur de sortie CPS. 3. Modulateur-régulateur selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'au moins un capteur thermosensible est maintenu en contact thermique avec le boîtier du thyristor correspondant. 4. Modulateur-régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les résistances variables POT1 et POT2 sont des potentiomètres couplés mécaniquement entre eux. 5. Modulateur-régulateur selon la revendication 4 caractérisé en ce que les potentiomètres POT1 et POT2 sont remplacés par des résistances fixes identiques. 6. Modulateur-régulateur selon la revendication 4 caractérisé en ce que les potentiomètres POT1 et POT2 sont remplacés par une liaison conductrice. 7. Modulateur-régulateur selon l'une quelconque des revendications de 1 à 6, caractérisé en ce que les capteurs CAP1 et CAP2 sont des capteurs thermosensibles. 8. Modulateur-régulateur selon la revendication 7 caractérisé en ce que les capteurs CAP1 et CAP2 sont des capteurs sensibles à la chaleur et à l'humidité. 9. Modulateur-régulateur selon l'une quelconque des revendications de 1 à 6 caractérisé en ce que les capteurs CAP1 et CAP2 sont des capteurs sensibles au froid. 10. Modulateur-régulateur selon l'une quelconque des revendications de 1 à 6 caractérisé en ce que les capteurs CAP1 et CAP2 sont des capteurs photosensibles, cellules photo-électriques ou des capteurs optoélectriques ou optoélectroniques. 11. Modulateur-régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on supprime les capteurs CAP1 et CAP2. 12. Modulateur-régulateur selon l'une quelconque des revendications de 1 à 10, caractérisé en ce que l'on emploie un seul thyristor et son circuit associé de commande et d'antiparasitage.