Brevet FR2781319A1 — publié le 20000121

L'invention concerne un régulateur de tension pour un alternateur à aimant permanent, et plus particulièrement un régulateur de ce type ayant un circuit de rétroaction destiné à limiter la tension de sortie. Des alternateurs destinés à générer de l'énergie électrique comprennent habituellement un électroaimant destiné à générer un champ de flux magnétique. La tension de sortie de l'alternateur est habituellement régulée par variation du courant circulant dans cet électroaimant et, ainsi, variation du flux du champ. Par ailleurs, des alternateurs à aimant permanent ont un flux de champ relativement fixe fourni par des aimants permanents. Un procédé de régulation de la tension de sortie de l'alternateur consiste à déplacer mécaniquement soit les aimants permanents, soit un certain autre élément qui affecte le flux que la bobine mobile rencontre pendant le fonctionnement. Un tel dispositif est décrit dans le brevet des États-Unis d'Amérique N 4 766 362. Cet alternateur à aimants permanents utilisait un manchon de modulation du flux magnétique qui est porté par le rotor et tourne avec lui. La position physique du manchon par rapport au rotor peut être modifiée pendant la rotation du rotor afin de faire varier le champ du flux et de produire une tension constante en sortie lors de variations de la charge et de la vitesse du rotor. Cependant, ces systèmes mécaniques de commande ne réagissent pas suffisamment à des conditions changeantes de charge et de vitesse rencontrées dans certaines applications. De plus, ces systèmes mécaniques sont relativement coûteux à fabriquer, sont sujets à l'usure et à la détérioration et exigent un entretien important pour rester opérationnels. Un autre procédé de régulation de la tension de sortie de l'alternateur consiste à produire un champ enroulé séparé qui peut avoir un courant de polarité dans le sens direct appliqué pour renforcer l'effet du champ du flux des aimants permanents pendant une rotation à basse vitesse du rotor de l'alternateur et un courant de polarité inverse appliqué pour compenser l'effet du champ du flux pendant une rotation à haute vitesse. Un tel système de régulateur de tension est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 5 502 368. Un autre procédé de régulation de la tension de sortie d'un alternateur à aimant permanent est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 659 978. Le régulateur de ce dernier brevet utilise deux redresseurs commandés au silicium (SCR) pour shunter à la masse le courant de sortie de l'alternateur lorsque la tension de sortie dépasse une valeur souhaitée. Ce procédé nécessite une structure de circuit quelque peu complexe qui peut être coûteuse à fabriquer. Un autre procédé de régulation de la tension de sortie d'un alternateur à aimant permanent consiste à appliquer une charge choisie à la sortie, afin de faire varier ainsi la tension en correspondance avec la charge appliquée. Ceci est parfois réalisé simplement au moyen d'une résistance fixe, ou bien par un circuit plus perfectionné qui détecte le degré de variation de la charge nécessaire pour provoquer un changement souhaité de la tension de sortie, puis applique ce degré de charge précis. Dans tous les cas, l'application d'une charge supplémentaire à l'alternateur provoque le dégagement d'une chaleur substantielle qui doit être dissipée et le gaspillage d'une énergie qui pourrait être autrement utilisée. On a besoin d'un régulateur de tension pour un alternateur à aimant permanent, qui soit efficace sur une large plage de variations de la vitesse du rotor et de la charge, et qui n'exige que peu ou pas d'entretien. De plus, le régulateur devrait être relativement simple et peu coûteux à fabriquer et ne devrait pas dégager une chaleur supplémentaire inutile substantielle ou gaspiller de l'énergie. Il est proposé un régulateur de tension destiné à régler et limiter la tension de sortie d'un alternateur. Le régulateur comprend un circuit de commande ayant un redresseur double alternance destiné à imprimer une série d'impulsions demi-ondes à un premier circuit en correspondance avec le signal de sortie de l'alternateur. Un moyen à transistor comportant une électrode de commande ou gâchette, une anode connectée au premier circuit et une cathode connectée à un second circuit est prévu. Un moyen de commande de gâchette est connecté au premier circuit et est agencé de façon à générer un signal de sortie lorsque les impulsions demi-ondes produisent une tension d'entrée suffisamment élevée au moyen de commande de gâchette. Le signal de sortie est appliqué au circuit de gâchette connecté à la gâchette du moyen à transistor pour rendre conducteur ce moyen à transistor. Un moyen à détecteur est connecté au second circuit pour appliquer un signal de fixation de niveau à un troisième circuit lors de la détection d'un niveau de tension spécifique sur le deuxième circuit. Un moyen à drain est connecté au circuit de gâchette et au troisième circuit pour interconnecter le circuit de gâchette avec la masse uniquement lorsque le signal de fixation de niveau est présent sur le troisième circuit. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel simplifié des constituants principaux d'un système d'énergie conforme aux concepts de l'invention; la figure 2 est un schéma fonctionnel simplifié du régulateur de tension représenté sur la figure 1; et la figure 3 est un schéma du circuit électrique du système à énergie montré sur la figure 1. La figure 1 représente un schéma fonctionnel simplifié d'un alternateur 10 à aimant permanent interconnecté avec un régulateur 12 de tension, un circuit 14 de protection contre les surtensions, un tachymètre 16 de l'alternateur et une alimentation 18 en énergie pour le tachymètre. Le courant alternatif non régulé provenant de l'alternateur est appliqué au circuit d'entrée 20 et l'énergie redressée et régulée, indiquée en 22, est appliquée au circuit de sortie 24. Comme montré sur la figure 2, le régulateur 12 comprend un redresseur double alternance 28 qui reçoit une série d'impulsions pleines ondes 30 de l'alternateur à aimant permanent 10 et produit une série correspondante d'impulsions demi-ondes 32 sur un premier circuit 34. Le premier circuit est interconnecté avec un moyen de commutation 36 qui, lorsqu'il conduit, interconnecte le premier circuit 34 avec un deuxième circuit 38 et transmet l'énergie régulée 22 au circuit de sortie 24. Un moyen 40 de commande de gâchette est interconnecté avec le premier circuit 34 et avec un circuit de gâchette 42 partant du moyen de commutation 36. Le moyen 40 de commande de gâchette est agencé de façon à générer un signal de sortie sur le circuit de gâchette 42 lorsque les impulsions demi-ondes 32 produisent une tension d'entrée suffisamment élevée au commutateur. Ce signal de sortie rend conducteur le moyen de commutation 36, interconnectant ainsi les premier et deuxième circuits. Un moyen à détecteur 44 est interconnecté avec le deuxième circuit 38 pour appliquer un signal de fixation de niveau sur un troisième circuit 46 qui est connecté à un moyen à drain 48. Le moyen à drain est également connecté au circuit de gâchette 42 et il est agencé de façon que, lorsque le signal de fixation de niveau est appliqué au troisième circuit, le circuit de gâchette soit shunté à la masse, rendant ainsi non conducteur le moyen de commutation. En l'absence du signal de fixation de niveau, le moyen de commutation reste conducteur. La figure 3 est un schéma de circuit montrant plus en détail l'ensemble du système à énergie représenté sur la figure 1. Bien que l'invention concerne le circuit du régulateur de tension contenu dans le cadre en traits tiretés identifié par la flèche 12, sur la figure 3, le circuit 14 de protection contre les surtensions, le tachymètre 16 de l'alternateur et l'alimentation 18 en énergie du tachymètre sont identifiés simultanément au moyen de flèches appropriées afin de montrer le régulateur dans un environnement de fonctionnement typique. Cependant, seul le régulateur de tension 12 sera décrit en détail ici. Le régulateur 12 de tension, comme on le voit le mieux sur la figure 3, comprend un redresseur double alternance 28 composé de quatre diodes 60 interconnectées de la manière habituelle pour recevoir les impulsions 30 de courant alternatif pleine onde provenant de l'alternateur et appliquer les impulsions demi-ondes 32 sur le premier circuit 34 qui est connecté à la fois au moyen de commutation 36 et au moyen 40 de commande de gâchette. Le moyen 36 de commutation comprend un redresseur commandé au silicium (SCR) 62 à gâchette à haute sensibilité, du type MCR8SN, dont l'anode est connectée au premier circuit, la gâchette est connectée au circuit de gâchette 42 et la cathode est connectée à l'anode d'une diode de protection 64. La cathode de la diode de protection 64 est connectée au deuxième circuit 38. De plus, le moyen de commutation 36 comprend une résistance 66 de gâchette et de cathode de 4,7 kilohms et deux diodes opposées 68 et 70, des types 1N5819 et 1N4731, respectivement, interconnectées entre la gâchette et la cathode du redresseur SCR 62, comme représenté. La diode de protection 64 s'oppose à un courant inverse pouvant endommager le redresseur SCR 62, tandis que les diodes opposées 68 et 70 s'opposent à une tension inverse supérieure à 5 volts qui pourrait également endommager le redresseur SCR. On comprendra que le redresseur SCR 62 à gâchette à haute sensibilité peut être remplacé par d'autres dispositifs convenables tels qu'un thyristor ou un transistor approprié pourvu que les modifications correspondantes appropriées soient apportées aux circuits d'interfaces associés. Le moyen 40 de commande de gâchette comprend un commutateur bilatéral 74 au silicium, du type MBS4991, ayant deux conducteurs, un condensateur 76 de 0,01 pF connecté à la masse, et trois résistances 78, 80 et 82 de 62 kilohms montées en série avec le condensateur. L'un des conducteurs du commutateur bilatéral 74 est connecté au circuit de gâchette 42 et l'autre conducteur est connecté à la jonction du condensateur 76 de la résistance 82. L'extrémité opposée de la résistance 78 est connectée au premier circuit 34. Le moyen à détecteur 44 comprend une diode 86 de Zener, du type 1N4705, et une résistance 88 de 62 ohms. La cathode de la diode de Zener est connectée au deuxième circuit 38 et son anode est connectée à un conducteur de la résistance 88, l'autre conducteur de la résistance étant connecté à la masse. La jonction entre la diode de Zener 86 et la résistance 88 est connectée au troisième circuit 46. Le moyen de drain 48 comprend un transistor 90, du type MJE243, et une résistance 92 d'l kilohm dont un conducteur est connecté à la base du transistor et l'autre conducteur est connecté au troisième circuit 46. Le collecteur du transistor 90 est connecté au circuit de gâchette 42 et l'émetteur est connecté à la masse, comme montré sur la figure 3. Un dispositif d'emmagasinage d'énergie sous la forme de deux condensateurs 94 et 96 de 4700 puF, montés en parallèle, est connecté entre le deuxième circuit 38 et la masse. Le dispositif d'emmagasinage d'énergie peut tout aussi bien prendre d'autres formes convenables, telles que celle d'un condensateur de grande capacité. Un condensateur 98 de dérivation de 0,1 pF est également connecté entre le deuxième circuit 38 et la masse pour shunter à la masse tout courant transitoire de fréquence relativement élevée pouvant être présent sur le deuxième circuit. En fonctionnement, comme on le voit le mieux sur la figure 3, les impulsions demi-ondes positives 32 sont appliquées à la résistance 78 et au redresseur SCR 62. Un courant circule à travers les résistances 78, 80 et 82 pour charger le condensateur 76. Lorsque la tension aux bornes du commutateur bilatéral 74 au silicium dépasse environ 8 volts, le commutateur bilatéral commence à conduire afin qu'un courant circule depuis le condensateur 76 sur le circuit de gâchette 42 et jusqu'à la gâchette du redresseur SCR 62, amenant le redresseur SCR 62 à commencer à conduire le courant de son anode vers sa cathode. Le courant circule à travers la diode 64 et charge les deux condensateurs 94 et 96 en parallèle. Le redresseur SCR 62 continue d'être conducteur pendant toute la période de chaque impulsion appliquée 32. Pendant que la tension appliquée de chaque impulsion décroît, le courant traversant le redresseur SCR 62 décroît de façon correspondante. Lorsque le courant circulant à travers le redresseur SCR 62 descend au-dessous du courant de maintien, le redresseur SCR 62 passe dans un état non conducteur. Ce cycle se poursuit de façon répétée jusqu'à ce que des impulsions demi- ondes positives aient été appliquées aux condensateurs 94 et 96 en nombre suffisant pour élever la tension à leurs bornes jusqu'au niveau de tension de sortie souhaité du régulateur 12 qui, dans le présent exemple, est compris entre 18 et 20 volts. Lorsque la tension de sortie présente sur le deuxième circuit 38 dépasse la tension nominale de claquage de la diode de Zener 86, le transistor 90 commence à conduire. Ceci a pour effet d'évacuer le courant de gâchette depuis le circuit de gâchette 42 vers la masse, suspendant ainsi l'application des impulsions de déclenchement au redresseur SCR 62. Des impulsions d'énergie n'étant plus appliquées aux deux condensateurs 94 et 96, la tension aux bornes de ces condensateurs commence à baisser à une vitesse déterminée par la charge appliquée au circuit de sortie 24. Lorsque la tension aux bornes des deux condensateurs 94 et 96 descend audessous de la tension de claquage de la diode de Zener 86, le transistor 90 ne conduit plus. Des impulsions de gâchette sont de nouveau appliquées au redresseur SCR 62 qui devient conducteur et les deux condensateurs 94 et 96 se chargent de nouveau jusqu'à la tension de sortie souhaitée. Pendant tout ce cycle de fonctionnement, les impulsions pleines ondes 30 sont redressées en impulsions demi-ondes positives et appliquées au circuit de sortie 24 à une tension régulée souhaitée. Bien que l'invention ait été décrite en termes d'un régulateur de tension pour un alternateur monophasé à aimant permanent, on comprendra que les indications de l'invention peuvent être utilisées avantageusement avec tout alternateur à aimant permanent ayant une configuration polyphasée. Un avantage important de l'invention est que la tension de sortie d'un régulateur à aimant permanent est régulée efficacement sur une large gamme de vitesses du rotor et de variations de la charge. En outre, le régulateur de tension de l'invention est relativement simple et peu coûteux à fabriquer et il ne dégage pratiquement pas de chaleur supplémentaire inutile ni d'énergie perdue. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au régulateur de tension décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVEND I CATIONS 1. Régulateur (12) de tension destiné à limiter la tension de sortie d'un alternateur (10), comportant un circuit de commande et comprenant un redresseur double alternance (28) destiné à appliquer une série d'impulsions demi-ondes (32) à un premier circuit (34) en correspondance avec le signal de sortie (30) de l'alternateur, un moyen de commutation (36) interconnecté avec ledit premier circuit (34) et agencé de façon à conduire les impulsions demi-ondes à un deuxième circuit (38) uniquement lorsqu'il reçoit un signal de sortie, et un moyen de commande (40) connecté au premier circuit (34) et agencé de façon à générer et appliquer le signal de sortie au moyen de commutation (36) lorsque les impulsions demi-ondes (32) produisent une tension d'entrée suffisamment élevée pour ledit moyen de commande (40), le régulateur de tension étant caractérisé par un moyen à détecteur (44) destiné à générer un signal de fixation de niveau lors de la détection d'un niveau de tension spécifique sur le deuxième circuit (38), et un moyen à drain (48) destiné à arrêter l'application du signal de sortie au moyen de commutation (36) lors de la génération du signal de fixation de niveau. 2. Régulateur de tension (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commutation (36) est un redresseur commandé au silicium (62) à gâchette à haute sensibilité ayant une anode, une cathode et une gâchette. 3. Régulateur de tension (12) selon la revendication 2, caractérisé par une diode de protection (64) montée entre la cathode du redresseur commandé au silicium (62) à gâchette à haute sensibilité et le deuxième circuit (38). 4. Régulateur de tension (12) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de commande (40) applique le signal de sortie sur un circuit de gâchette (42) connecté à la gâchette du redresseur commandé au silicium (62) à gâchette à haute sensibilité afin de rendre le redresseur conducteur. 5. Régulateur de tension (12) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de commutation (36) comprend un commutateur bilatéral (74) interconnecté entre le premier circuit (34) et le circuit de gâchette (42), et un condensateur (76) d'emmagasinage interconnecté entre la masse et la jonction du commutateur bilatéral (74) et du premier circuit (34). 6. Régulateur de tension (12) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen à drain (48) est un transistor (90) ayant son collecteur connecté au circuit de gâchette (42), son émetteur connecté à la masse et sa base connectée au troisième circuit (46). 7. Régulateur de tension (12) selon la revendication 1, caractérisé par un dispositif (94, 96) d'emmagasinage d'énergie connecté entre le deuxième circuit (38) et la masse pour emmagasiner de l'énergie électrique uniquement pendant que le moyen de commutation (36) est conducteur. 8. Régulateur de tension (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen à détecteur (44) comprend une diode (86) de Zener et une résistance (88), la cathode de la diode (86) de Zener étant connectée au deuxième circuit (38) et l'anode de la diode de Zener étant connectée à un conducteur de la résistance (88) dont l'autre conducteur est connecté à la masse, la jonction entre la diode de Zener (86) et la résistance (88) étant connectée au moyen à drain (48).