Brevet FR2724500A1 — publié le 19960315

La présente invention concerne un circuit de commande pour un générateur électrique. ' Un tel circuit peut être utilisé avec un générateur d'aéronef, par exemple entraîné par un moteur à turbine à gaz. Un type connu de générateur électrique destiné à être utilisé avec des moteurs aéronautiques est présenté dans le brevet britannique GB 1 596 291. Le générateur comprend trois étages, chacun d'entre eux ayant un rotor et un stator, les rotors étant fixés à un arbre d'entraînement commun. Le premier étage, ou excitatrice pilote, comprend un générateur à aimant permanent ayant un rotor à aimant permanent coopérant avec des enroulements de stator triphasés. Les enroulements de stator sont connectés par l'intermédiaire d'un redresseur et d'un régulateur de tension à l'enroulement d'excitateur principal formant le stator de l'excitateur principal.Le rotor de l'excitateur principal comprend des enroulements triphasés qui sont connectés par l'intermédiaire d'un redresseur à un enroulement de rotor de l'étage principal du générateur, qui a des enroulements de stator triphasés connectés à la sortie du générateur. Cette disposition est applicable à des machines à fréquence variable et des machines à sortie à courant continu dans lesquelles le stator principal du générateur est connecté par un redresseur pour donner une sortie de générateur à courant continu. La tension de sortie du générateur est régulée en comparant la tension de sortie à une référence et en commandant le régulateur de tension de manière à contrôler le champ de l'excitateur principal. Cependant, des problèmes peuvent survenir lorsque la charge appliquée sur le générateur est réduite ou retirée. Le générateur est conçu pour maintenir la tension de sortie nominale pour la pleine charge électrique et est donc capable de délivrer une tension largement plus élevée pour des charges réduites. Ce problème existe dans des générateurs qui sont entraînés à une vitesse de rotation substantiellement constante, mais est plus sérieux dans les générateurs qui sont entraînés à une vitesse variable, par exemple par un simple accouplement au moteur.De tels générateurs produisent une sortie depuis les enroulements du stator principal sur une large gamme de fréquences, typiquement de 300 à 600 Hz. Le générateur est conçu pour délivrer la tension régulée souhaitée pour la pleine charge à l'extrémité inférieure de la gamme de fréquences, et dispose donc d'une capacité en tension de sortie largement plus grande pour des fréquences supérieures. Lorsque la charge appliquée au générateur est réduite ou retirée, un régime transitoire de tension est produit à la sortie du générateur. Cela est particulièrement grave dans le cas de générateurs entraînés à des vitesses de rotation variables, lorsque la vitesse de rotation réelle tend vers la limite supérieure de la gamme de vitesses. Lorsque la charge est réduite ou retirée, la tension de sortie du générateur augmente initialement avec un saut de tension proportionnel à la charge retirée. L'unité de commande du générateur supprime l'alimentation vers l'enroulement inducteur de l'excitateur principal, mais la sortie du générateur continue à augmenter d'une manière déterminée par les constantes de temps du générateur. Cela peut donc conduire à des surtensions transitoires, qui sont au-delà des niveaux admissibles et peuvent provoquer des dégâts sur l'équipement alimenté par le générateur. Le brevet US 5 194 801 décrit une disposition destinée à éviter les surtensions sur un système de génération de puissance générant une tension de bus continue lorsque la charge est retirée ou réduite. Une résistance est branchée de manière répétée sur la sortie du générateur, par un transistor, de sorte à agir en tant que charge additionnelle sur le générateur, afin d'éviter ou de réduire la surtension transitoire. Cependant, pour éviter de bouleverser la régulation de tension du générateur, il est nécessaire de prévoir un circuit compliqué, dans lequel la tension escomptée à la sortie du générateur en l'absence de la charge fournie par la résistance est émulée et délivrée au régulateur de tension de l'unité de commande du générateur. La complexité accrue de l'unité de commande n'est pas souhaitable et ses performances ne sont pas entièrement satisfaisantes.De plus, elle n'est pas applicable aux systèmes à courant continu. Selon la présente invention, il est prévu un circuit de commande pour un générateur électrique du type comprenant un enroulement de stator principal pour délivrer une sortie de générateur, excité par un enroulement de rotor principal, et un enroulement de rotor d'excitateur principal, pour exciter l'enroulement de rotor principal, excité par un enroulement inducteur d'excitateur principal, le circuit de commande comprenant un moyen de détection destiné à détecter un court-circuit entre l'enroulement inducteur de l'excitateur principal et une ligne commune, et un moyen de déconnexion destiné à déconnecter la puissance depuis l'enroulement inducteur principal en réponse à une détection par le moyen de détection. Le moyen de déconnexion peut comprendre un commutateur à semi-conducteurs, tel qu'un transistor de puissance du type à effet de champ à porte isolée, agencé pour être connecté en série avec l'enroulement inducteur principal. Le moyen de détection peut comprendre un comparateur destiné à comparer la tension à l'extrémité négative de l'enroulement inducteur principal à une tension prédéterminée. La sortie du comparateur peut être connectée à une bascule. Il est ainsi possible d'obtenir une disposition relativement simple et fiable pour empêcher les surtensions transitoires à la sortie d'un générateur. En cas de détection d'une tension de sortie excessive, provoquée par exemple par la réduction ou le retrait de la charge sur le générateur, la résistance est connectée dans le trajet de recirculation du courant de l'enroulement inducteur principal. L'énergie stockée dans le champ de l'excitateur principal est ainsi dissipée relativement vite et réduit le pic de tension apparaissant pendant le régime transitoire.De plus, en cas de détection d'un court-circuit entre l'enroulement inducteur de l'excitateur principal et un défaut à la terre, l'alimentation du champ est déconnectée, limitant ainsi le pic de tension. I1 est ainsi possible de limiter la tension de sortie du générateur à des niveaux acceptables, même dans des régimes transitoires comme la réduction de la charge ou son retrait, et des conditions de courtcircuit entre l'enroulement inducteur de l'excitateur principal et un défaut à la terre, par des moyens qui conviennent à une utilisation avec des générateurs à fréquence fixe tout autant qu'à fréquence variable, ayant des sorties alternatives ou alternatives redressées (continues). La présente invention va être décrite plus en détail, à titre d'exemple, en se référant aux dessus annexés, dans lesquels La figure 1 est un schéma d'un générateur et d'une unité de commande de générateur constituant un mode de réalisation de la présente invention La figure 2 est un schéma-blocs de circuit montrant plus en détail le générateur et une partie de l'unité de commande de générateur de la figure 1 ; et La figure 3 est un schéma électrique montrant d'autres détails de la partie de l'unité de commande de générateur de la figure 1. Le générateur électrique à fréquence variable pour aéronef montré sur la figure 1 comprend une excitatrice pilote 1 sous la forme d'un générateur à aimant permanent ayant un rotor 2 à aimant permanent, et un enroulement de stator triphasé 3. L'enroulement de stator 3 est connecté à une unité de commande 4 du générateur. L'unité 4 délivre une puissance depuis l'enroulement 3 à un enroulement inducteur de stator 5 d'un excitateur principal 6. L'excitateur principal 6 a un enroulement de rotor triphasé 7 connecté par l'intermédiaire d'un redresseur en pont demi-onde 8 à un enroulement de rotor 9 d'un rotor principal du générateur. Un stator principal 10 a un enroulement triphasé qui est connecté à une sortie 11. Le rotor principal 9, avec l'enroulement de rotor 7 et l'aimant permanent 2, sont fixés à un arbre commun 12 de manière à tourner ensemble. L'arbre 12 est connecté par un accouplement approprié à un moteur d'aéronef. L'unité de commande 4 est connectée à un transformateur de courant 13 à protection différentielle de générateur et à un transformateur de courant 14 à protection différentielle de ligne. Les transformateurs 13 et 14 surveillent le courant à la sortie de l'enroulement du stator principal du générateur et sur la ligne connectée à la sortie 11, de manière à signaler à l'unité de commande 4 le courant de sortie du générateur et de possibles états de défaut. L'unité de commande 4 a une entrée connectée à la sortie 11 pour surveiller la tension de sortie du générateur. L'unité de commande est représentée plus en détail sur la figure 2. L'enroulement inducteur 5 de l'excitateur principal est connecté en série avec des transistors de puissance à effet de champ à porte isolée 20 et 21, entre une ligne commune et la sortie d'un redresseur 22 dont l'entrée est connectée à l'enroulement de stator 3 de l'excitatrice pilote 1. L'enroulement inducteur 5 de l'excitateur principal est connecté en parallèle avec un circuit série comprenant une diode 23 et un circuit parallèle comprenant une résistance 24 et un transistor de puissance à effet de champ à porte isolée 25. La porte du transistor 20 est connectée à la sortie d'un amplificateur différentiel 26 ayant une première entrée connectée pour recevoir une tension de référence Vrl et une deuxième entrée connectée à la sortie 11 par l'intermédiaire d'un circuit de redressement, de moyennage et de conditionnement 27. La porte du transistor 25 est connectée à la sortie d'un circuit de commande 28 dont l'entrée est connectée à la sortie d'un comparateur 29. Le comparateur 29 a une première entrée connectée pour recevoir une tension de référence Vr2 et une deuxieme entrée connectée à la sortie d'un redresseur de crêtes 30. L'entrée du redresseur de crêtes 30 est connectée à la sortie 11. La porte du transistor 21 est connectée à la sortie d'un circuit de commande 31 dont l'entrée est connectée à la sortie d'une bascule 32. L'entrée de la bascule 32 est connectée à la sortie d'une porte ET 33 ayant une première entrée connectée à la sortie du comparateur 29 et une deuxième entrée connectée à la sortie d'un comparateur 34. Le comparateur 34 a une première entrée connectée pour recevoir une tension de référence Vr3 et une deuxième entrée connectée à l'extrémité de l'enroulement inducteur 5 connectée au transistor 20. Au moins une partie du circuit de commande 4 peut être réalisée comme circuit intégré spécifique à l'application. Pendant le fonctionnement normal du générateur, les transistors 21 et 25 sont passants, de sorte que la sortie du redresseur 22 est délivrée à l'enroulement inducteur 5 et la résistance 24 est court-circuitée. L'amplificateur différentiel 26 compare la tension de sortie du générateur à la tension de référence Vrl et commande le transistor 20 de manière à réguler le champ de l'excitateur principal en faisant varier le courant qui traverse l'enroulement 5 de l'excitateur principal. Le courant délivré par l'enroulement de rotor 7, via le redresseur 8, à l'enroulement de rotor 9 est ainsi contrôlé de manière à faire varier la sortie de l'enroulement 10 du stator principal, afin de réguler la tension de sortie du générateur au niveau de la sortie 11 du générateur. Le redresseur de crêtes 30 surveille la sortie d'une tension de crête instantanée au niveau de la sortie 11. Lorsque cette tension dépasse un niveau prédéterminé représenté par la tension de référence Vr2, le comparateur 29 bloque le transistor 25 par l'intermédiaire du circuit de commande 28, de sorte que le transistor 24 est connecté en série avec le trajet de recirculation de courant de l'enroulement inducteur 5. L'amplificateur différentiel 26 aura bloqué le transistor 20 de manière à éliminer l'alimentation de l'enroulement inducteur 5. Le courant de recirculation de l'enroulement inducteur est ainsi dissipé dans la résistance 24 relativement rapidement, de manière à éviter que la tension de crête instantanée à la sortie dépasse une valeur admissible. Le comparateur 34 compare la tension à une extrémité de l'enroulement inducteur 5 à la tension de référence Vr3, afin de détecter la présence d'un courtcircuit entre l'extrémité de l'enroulement inducteur 5 et la ligne commune ou la terre. Lorsqu'un tel court-circuit est détecté, et lorsque le comparateur 29 signale une forte tension de crête instantanée à la sortie du générateur, la porte ET 33 commute la bascule 31, qui bloque le transistor 21 par l'intermédiaire du circuit de commande 31. L'alimentation de l'enroulement inducteur 5 de l'excitateur principal est ainsi supprimée et ne peut pas être rétablie tant que la bascule n'est pas réactivée. Le passage sur "ET" des sorties des comparateurs 29 et 34 assure qu'il ne se produit pas de coupure sous de fortes charges/des charges de court-circuit (ou à la suite de l'application d'une charge) si le transistor 20 est passant pendant de grandes périodes du cycle de service. La figure 3 montre en détail une partie de l'unité de commande du générateur. Le redresseur de crêtes 30 comprend un redresseur triphasé 36 et un diviseur de potentiel d'entrée formé par des résistances fixes 40 et 41 et par une résistance variable 42, connecté à l'entrée non-inverseuse d'un amplificateur opérationnel 43. Une diode Zener 44 protège l'entrée non-inverseuse contre des tensions excessives. La sortie de l'amplificateur opérationnel 43 est connectée via une diode 45 à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 43 et à l'entrée inverseuse d'un comparateur à circuit intégré 46. Un condensateur de retenue de crêtes 47 et une résistance de fuite 48 sont connectés en parallèle entre la cathode de la diode 45 et une ligne d'alimentation commune. Le comparateur 29 comprend le comparateur à circuit intégré 46, une résistance de charge de sortie 49, une résistance de boucle de retour 50, et un diviseur de potentiel comprenant des résistances 51 et 52. L'entrée non-inverseuse du comparateur 56 est connectée aux résistances 50 à 52 et à l'entrée inverseuse du comparateur à circuit intégré 53, dont l'entrée noninverseuse est connectée à la sortie du comparateur 46. La sortie du comparateur 53 est connectée via une résistance de charge 54 à une ligne de source d'alimentation de manière à fournir un décalage de niveau. La sortie du comparateur 53 est connectée au circuit de commande 28. Le circuit de commande 28 comprend un oscillateur commutable formé par un circuit intégré à multivibrateur astable 35 muni de résistances 56 et 57 et d'un condensateur 58. Les sorties du circuit intégré 55 sont connectées à l'enroulement primaire d'un transformateur d'isolation 59, dont l'enroulement secondaire est connecté à un redresseur pleine onde comprenant des diodes 60 et 61. La sortie du redresseur est lissée par un condensateur 62 muni d'une résistance de fuite 63 et d'une diode Zener 64 de limitation de tension. La tension de sortie du circuit de commande 28 est appliquée entre la source et la porte du transistor 25. Le comparateur 34 comprend un comparateur à circuit intégré 65, dont l'entrée non-inverseuse est connectée à un diviseur de potentiel comprenant des résistances 66 et 67. L'entrée inverseuse du comparateur 65 est connectée à un diviseur de potentiel formé par des résistances 68 et 69. L'entrée inverseuse est de plus connectée, via un condensateur de filtrage 70, à la ligne d'alimentation commune et, via une diode de protection 71, à une ligne d'alimentation positive. Un comparateur à circuit intégré 72 a son entrée non-inverseuse connectée au diviseur de potentiel formé par les résistances 66 et 67 et son entrée inverseuse connectée à la sortie du comparateur 53. Les comparateurs 65 et 72 ont une résistance de charge 73 commune, disposition qui agit en tant que porte ET 33. La sortie de cette porte est connectée via une résistance 74 à l'entrée mise à "un" de la bascule 32 comprenant une bascule bistable à circuit intégré. L'entrée mise à "un" est connectée à la ligne commune via un condensateur de filtrage 75. L'entrée mise à "zéro" de la bascule est connectée via une borne de mise à "zéro" 76 pour recevoir un signal de commande de mise à "zéro". La sortie de la bascule 32 est connectée à un déca leur de niveau comprenant un amplificateur opérationnel 77 et une résistance 78, dont l'entrée est connectée au circuit de commande 31. Le circuit de commande 31 est identique au circuit de commande 28 et ne sera donc pas décrit plus en détail. La sortie du circuit de commande 31 est connectée entre la source et la porte du transistor 21. Le drain du transistor 20 est connecté à l'enroulement inducteur 5 via une résistance 37 et une inductance 38 connectées en parallèle. Les résistances 40, 41, 42, 51 et 52 sont choisies telles que la sortie du comparateur 29 baisse lorsque la tension de crête instantanée à la sortie sur la borne 11 dépasse une valeur nominale de 130 volts. L'oscillateur 55 est donc mis à l'arrêt, de sorte que le condensateur 62 cesse d'être chargé via le transformateur 59 et les diodes redresseuses 60 et 61. Le condensateur 62 est ainsi déchargé à travers la résistance 63 et le transistor 25 est bloqué de manière à supprimer le court-circuit sur la résistance 24. Les résistances 66 à 69 sont choisies en sorte que la sortie du comparateur tend à augmenter lorsque la tension à l'extrémité négative de l'enroulement inducteur 5 de l'excitateur tombe au-dessous d'une valeur prédéterminée indicative, par exemple, d'un court-circuit à la terre. Si la sortie du comparateur 72 tente similairement à augmenter, alors la sortie augmente et la bascule 32 est mise à "un", de sorte que l'alimentation est supprimée depuis la porte du transistor 21, qui se bloque et déconnecte l'enroulement inducteur 5 du redresseur 22 et de l'enroulement de stator 3. Le générateur est ainsi mis à l'arrêt et peut être réactivé par un commutateur de remise à "zéro" au niveau de la borne 76. Il est ainsi possible de fournir une unité de commande de générateur qui évite des surtensions transitoires excessives apparaissant au niveau de la sortie du générateur lorsque la charge appliquée au générateur est réduite ou retirée. L'unité agit suffisamment rapidement pour empêcher que des surtensions potentiellement dangereuses soient délivrées à l'équipement connecté au générateur. De plus, dans le cas d'un court-circuit ou d'un autre défaut d'alimentation se produisant au niveau de l'enroulement inducteur 5 ou dans l'étage de comparateur et de référence 26 et Vrl (qui donne des conditions de défaut similaires à un courtcircuit entre l'enroulement inducteur et la terre), le générateur est mis à l'arrêt, de manière à empêcher que l'équipement soit soumis à des tensions de sortie excessivement élevées. L'unité de commande est capable d'empêcher des surtensions transitoires excessives, particulièrement dans le cas d'un générateur à fréquence variable dont la vitesse de rotor varie dans de larges limites. REVENDICATIONS 1. Circuit de commande pour un générateur électrique du type comprenant un enroulement de stator principal (10) pour délivrer une sortie de générateur, excité par un enroulement de rotor principal (9), et un enroulement de rotor d'excitateur principal (7), pour exciter l'enroulement de rotor principal (9), excité par un enroulement inducteur d'excitateur principal (5), caractérisé en ce que le circuit de commande comprend un moyen de détection (31-34) destiné à détecter un courtcircuit entre l'enroulement inducteur de l'excitateur principal (5) et une ligne commune, et un moyen de déconnexion (21) destiné à déconnecter la puissance depuis l'enroulement inducteur principal (5) en réponse à une détection par le moyen de détection (31-34). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de déconnexion (21) comprend un commutateur à semi-conducteurs (21) agencé pour être connecté en série avec l'enroulement inducteur principal (5). 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que le commutateur à semi-conducteurs (21) comprend un transistor (21). 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de détection (31-34) comprend un comparateur (34) destiné à comparer la tension à l'extrémité négative de l'enroulement inducteur principal (5) à une tension prédéterminée. 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que la sortie du comparateur (34) est connectée à une bascule (32).