Brevet FR2673010A1 — publié le 19920821

La présente invention a pour objet un procédé et des appareillages permettant la modification de l'une quelconque des grandeurs électriques d'un signal électrique basse fréquence quel qu'il soit, le terme de "grandeur électrique" regroupant les grandeurs physiques qui caractérisent un signal électrique comme la tension, l'intensité, la puissance, etc. On utilise dans diverses industries, des machines dont le fonctionnement nécessite un courant alternatif à tension variable, la solution la plus usuelle consistant en l'adjonction, à un transformateur d'entrée, d'un autotransformateur variable commandé par un moteur en fonction d'un circuit de régulation comparant la tension de sortie à une valeur de référence choisie. Un tel appareillage comporte un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, il est d'un volume important et d'un poids élevé et demande donc un support proportionnel. Il nécessite un câblage important. Son prix de revient est donc finalement élevé. Mais, surtout, le temps de réponse est long puisqu'il est de quelques secondes. I1 existe également des appareillages permettant de simuler le fonctionnement d'un équipement électrique sans le réaliser concrètement. Ils com- prennent généralement un transformateur basse fréquence et un amplificateur linéaire faisant office de source alternative dêphasable. Outre leur volume et leur poids importants, ces appareillages présente le grave inconvénient d'un rendement déplorable puisque leur consommation ne descend guère au dessous de 50 X de la valeur de la charge simulée et qu'elle peut même atteindre 100 % de cette valeur. La présente invention permet de remédier à ces inconvénients notamment en ce qui concerne le poids de l'appareillage et le temps de réponse, et elle possède, de plus, l'avantage de pouvoir s'appliquer à toute grandeur électrique basse fréquence. Elle a pour objet un procédé pour la modification de l'une des grandeurs électriques d'un signal électrique basse fréquence caractérisé en ce que ce signal est soumis tel quel, c'est-à-dire sans subir aucune modification préalable, à un dispositif de découpage haute-fréquence, puis soumis à un dispositif d'aiguillage. Parmi les avantages de ce procédé, on citera, outre la suppression de tout dispositif destiné à modifier le signal au préalable, la diminution considérable du poids de l'appareillage nécessaire puisque les appareils éventuellement utilisés après découpage et avant aiguillage sont des appareils haute-fréquence, la suppression de, pratiquement, tout câblage, la réduction importante du temps de réponse puisque celui-ci atteint quelques dixièmes de seconde. Selon une deuxième caractéristique de l'invention, le découpage et l'aiguillage haute-fréquence sont obtenus, chacun, à travers un commutateur bi-directionnel : un avantage de cette disposition est le fonctionnement quatre quadrants". Selon une troisième caractéristique de l'invention, les deux commutateurs bi-directionnels sont identiques, ce qui permet une standardisation de nature à diminuer le prix de revient. Selon une quatrième caractéristique, chaque commutateur est constitué de deux transistors uni-directionnels montés en série, mais en opposition, ce qui permet d'utiliser des eléments du commerce à la fois fiables et bon marché. Dans une réalisation intéressante de l'invention, on dispose un transformateur après le commutateur de découpage et avant le commutateur d'aiguillage, et une variante préférée consiste à utiliser un transformateur symétrique et un dispositif d'aiguillage constituant un dispositif de redressement. Dans une autre réalisation préférée de l'invention, les deux commutateurs bi-directionnels sont constitués par deux transistors XOS synchronisés à partir d'une horloge dont la fréquence est compatible avec le transformateur. L'invention peut s'appliquer avantageusement à la réalisation d'une régulation de signal en adjoignant aux commutateurs de découpage et d'aiguillage, des moyens suceptibles de mesurer, en au moins un point situé entre l'amont du commutateur de hachage et l'aval du commutateur d'aiguillage, au moins une grandeur caractérisant le signal, de comparer le résultat de cette mesure à au moins une référence donnée, de traiter les informations découlant de cette comparaison et de donner simultanément des instructions aux commandes des commutateurs. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre en regard des planches jointes illustrant plusieurs schémas donnés à titre purement indicatif et non limitatif, de réalisation de la présente invention. La figure 1 donne un schéma général d'une réalisation de l'invention. Les figures 2 et 3 donnent le schéma de deux commutateurs bi-directionnels selon l'invention. La figure 4 donne le schéma d'un convertisseur classique à accumulation. La figure 5 donne le schéma du convertisseur de la figure 4 adapté suivant l'invention. La figure 6 donne le schéma d'un convertisseur classique à transfert direct d'énergie. La figure 7 donne le schéma du convertisseur de la figure 6 adapté suivant l'invention. La figure 8 donne le schéma d'un système "push-pull" classique. La figure 9 donne le schéma du système "push-pull" de la figure 8 adapté suivant l'invention. La figure 10 donne le schéma d'une charge dynamique variable suivant l'invention. Sur la figure 1, le signal électrique arrive en 1 et passe successivement à travers un dispositif de découpage haute fréquence 2, un transformateur 3, un dispositif d'aiguillage haute fréquence 4 et un filtre 5. Le dispositif de découpage 2 est constitué par un commutateur bi-directionnel et assure un hachage du signal électrique. I1 sera dénommé hacheur dans la présente description. Le dispositif d'aiguillage 4, constitué également par un commutateur bidirectionnel, assure la polarisation du signal électrique. Il sera dénommé redresseur dans la présente description. Le circuit comprend, par ailleurs, une commande 6 du hacheur 2, et une commande 7 du redresseur 4, ces deux commandes étant reliées, d'une part, à une horloge 8 qui assure leur synchronisation et, d'autre part, à un ensemble 17 comprenant un appareil 9 de mesure d'une grandeur du signal en aval du filtre 5, un comparateur 10 qui compare cette grandeur à une valeur de référence 11, et transmet les informations qui en découlent à un organe de traitement 12 donnant ses instructions aux commandes 6 et 7. Le commutateur bi-directionnel illustré à la figure 2 comprend quatre diodes 13 montées en pont redresseur avec un transistor 14 reliant ses sorties notées + (plus) et - (moins). Quant au commutateur bi-directionnel de la figure 3, il comprend deux transistors polarisés 15 et 16 montés en série, mais en opposition, les deu grilles, comme les deux sources, des dits transistors étant reliées entre elles. Dans ces conditions, le fonctionnement est celui décrit ci-après. En fonction des indications qu'elle reçoit de l'ensemble 17 par l'organe de traitement 12, la commande 6 donne au hacheur 2 des instructions définaissant les durées et les cadences des temps de conduction de manière que la valeur moyenne obtenue corresponde à la forme du signal électrique désiré. Simultanément, la commande 7 du redresseur 4 a reçu les mêmes indications de l'ensemble 17 via l'organe de traitement 12 et donné au redresseur 4 des instructions définissant le programme de redressement en fonction du signal électrique désiré à la sortie. Les commandes 6 et 7, étant synchronisées par l'horloge 8, reçoivent simultanément des signaux identiques de l'ensemble 17, de telle sorte que découpage et redressement soient effectués aux mêmes cadences. Chaque commande est programme pour traiter ces informations suivant la fonction propre de l'appareillage qu'elle dessert. Le signal électrique haute-fréquence obtenu en 2 passe dans le transformateur 3 dont le rôle est double : isoler l'étage de hachage de l'étage de redressement et adapter le signal électrique de sortie en fonction de son utilisation. A la sortie du transformateur, le signal électrique haute fréquence traverse le redresseur 4 où il est traité comme dit ci-dessus, puis le filtre 5. Celui-ci ne libère que le signal électrique basse-fréquence utile qui passe au réseau d'utilisation. Quant à l'ensemble 17 son fonctionnement est classique : l'appareil de mesure 9 mesure la grandeur désirée à la sortie du filtre 5 et transmet les résultats de cette mesure au comparateur 10 qui les confronte à la valeur de référence 11 et communique le résultat à l'organe de traitement 12 qui traduit ce résultat en informations transmises aux commandes 6 et 7. Pour illustrer cette description, on donnera la réalisation concrète ciaprès. Le signal électrique d'entrée est le réseau alternatif à 50 Hz dont la tension est de 220 V et la stabilité, de i 20%. La référence choisie sera une tension continue de 10 V. La sortie utile fournira une tension alternative 50 Hz de O à 220 V, soit n fois la référence choisie, n pouvant varier de O à 22, avec une stabilité de i 1S, et une puissance disponible de 350 VA. Chacun des commutateurs bi-directionnels 2 et 4 comprend deux MOS de 1 000 Volts. Ces transistors sont polarisés et leur montage en série et en opposition avec grilles et sources communes assure le transfert de n'importe quel type de signal électrique. Le transformateur 3 est un transformateur élévateur avec 2/1 = 1,5 avec un isolement entrée/sortie de 2 500 V et une puissance transmissible de 400 VA. Le filtre de sortie 5 a une bande passante de 1 kHz. On en viendra maintenant aux schémas donnés par les autres figures qui donnent les comparaisons entre trois solutions classiques et trois solutions selon l'invention. Dans les trois cas, les solutions classiques ne permettent d'obtenir qu'un signal électrique continu de sortie à partir d'un signal électrique continu à l'entrée, tandis que les trois solutions apportées par l'invention permettent d'obtenir, même à partir d'un signal alternatif à l'entrée, un signal de sortie alternatif ou continu. A cet effet, sur la figure 5, on a remplacé le commutateur 18 et la diode 19 de la figure 4, par deux commutateurs bi-directionnels 20 et 21 tels qu'illustrés figure 3 ; sur la figure 7, on a remplacé le commutateur 22 et les diodes 23 et 24 de la figure 6, respectivement par les commutateurs bidirectionnels 25, 26 et 27 ; sur la figure 9, on a remplacé les commutateurs 28 et 29 ainsi que les diodes 30 et 31 de la figure 8, respectivement par les commutateurs bi-directionnels 32, 33, 34 et 35. Il est entendu que l'on peut, sans sortir de l'invention, adopter des schemas analogues aux schémas proposés en vue d'obtenir de mêmes résultants et un exemple de variante possible est précisément donné par le schéma figure 10. Il s'agit d'un schéma qui, en faisant varier l'amplitude et la phase de l'intensité du signal électrique d'entrée, permet de simuler la consommation réelle d'un appareillage électrique, dans des conditions données non réalisées concrètement. Il comprend successivement une entrée 36, un commutateur bi-directionnel de découpage haute fréquence 37 avec sa commande 44, un transformateur 38, un commutateur bi-directionnel d'aiguillage haute fréquence 39 avec sa commande 45, un filtre 40, un ensemble résistif variable 41 faisant office de charge active et une capacité 42 faisant office de charge réactive. Les commandes 44 et 45 sont synchronisées grâce à l'horloge 46. Par ailleurs, quatre ensembles 43, 49, 47 et 50 aux fonctions analogues à celles de l'ensemble 17, mesurent respectivement la tension et l'intensité du signal électrique en 36 et en 51, et chacun d'entre eux, après comparaison à une valeur de référence propre, envoie ses informations à un organe de traitement 48 qui les transforme en instructions adressées les unes aux commandes 44 et 45 et les autres, à l'ensemble résistif 41. Comme dans le cas du schéma de la figure 1, la commande 44 définira au commutateur 37 les durées et les cadences de conduction qu'il doit assurer en fonction de la forme de la grandeur électrique désirée, et la commande 45 définira le programme d'aiguillage du commutateur 39 en fonction du signal électrique désiré en 51. Quant à l'ensemble résistif 41, sa résistance sera modulée par les instructions qu'il recevra de l'organe de traitement 48 de telle manière que les conditions de fonctionnement correspondent bien à celles de l'appareil dont on a voulu simuler la charge. Le rendement d'un tel appareillage est nettement supérieur à celui des dispositifs connus, sa consommation étant généralement bien inférieure à 15 X de la valeur de la charge simulée. REVENDICATIONS l. Procédé pour la modification d'au moins une des grandeurs définissant un signal électrique basse fréquence, caractérisé en ce que ce signal est soumis tel quel, ctest-à-dire sans subir aucune modification préalable, à un dispositif de découpage haute-fréquence (2) qui le découpe en fonction des caractéristiques du signal électrique désiré à la sortie, puis soumis à un dispositif d'aiguillage (4). 2. Procédé suivant la revendication l, caractérisé en ce que le découpage et l'aiguillage sont obtenus, chacun, à travers un commutateur bi-directionnel. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les commutateurs bi-directionnels sont identiques. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que chaque commutateur est constitué de deux transistors uni-directionnels (15,16) montés en série, mais en opposition. 5. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'aiguillage est programmé pour agir selon les mêmes rythmes que le dispositif de découpage. 6. Appareillage pour la modification d'au moins une des grandeurs définissant un signal électrique basse fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend, disposés en série, un dispositif de découpage haute-fréquence (2) constitué par au moins un premier commutateur bi-directionnel, un transformateur (3) et un dispositif d'aiguillage (4) constitué par au moins un second commutateur bi-directionnel programmé pour agir selon les mêmes rythmes que le dispositif de découpage. 7. Appareillage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le transformateur (3) est un transformateur symétrique et que le dispositif d'aiguillage (4) constitue un dispositif de redressement. 8. Appareillage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les commandes des commutateurs bi-directionnels de hachage et d'aiguillage sont synchronisées au moyen d'une horloge (8) dont la fréquence est compatible avec le transformateur. 9. Appareillage suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens susceptibles de mesurer au moins une caractéristique du courant électrique en au moins un point situé entre l'amont du dispositif de hachage (2) et l'aval du commutateur d'aiguillage (4), de comparer cette mesure à une référence donnée, de traiter les informations découlant de cette comparaison et de donner les instructions en conséquence aux commandes des commutateurs bi-directionnels de hachage et d'aiguillage.