Brevet FR2797535A1 — publié le 20010216

La présente invention concerne le domaine de la production d'électricité à bord de véhicules ou de containers par exemple, au moyen d'un alternateur, d'un redresseur et d'un hacheur survolteur. Un grand nombre de dispositifs de production d'électricité embarqués ont été proposés, avec notamment pour objectif de diminuer le poids de l'équipement. On a proposé de nombreux dispositifs dans lesquels le hacheur survolteur utilise l'inductance propre de l'alternateur, ce qui permet d'éviter l'utilisation d'un bobinage propre au hacheur. On connaît notamment par la demande GB-A-2289581 un dispositif comportant un alternateur triphasé conventionnel, un redresseur et un hacheur demipont en aval du redresseur. Un tel dispositif est relativement complexe et limité en puissance. On connaît également par le brevet US-A-5793625 un dispositif de 100 W de puissance, dans lequel l'alternateur est conventionnel et le hacheur survolteur comporte plusieurs transistors FET opérant à une très haute fréquence de commutation. On connaît encore par le brevet US-A-4825139 un dispositif dans lequel l'alternateur est conventionnel, le hacheur survolteur utilisant plusieurs transistors MOS. Ces dispositifs connus n'offrent pas entière satisfaction, étant de structure relativement complexe et non adaptés à délivrer des puissances de l'ordre du kW au moins. On utilise uniquement dans le domaine automobile, à la connaissance de la demanderesse, des alternateurs quatre pôles, présentant l'avantage d'être simples à fabriquer et de délivrer un courant à une fréquence relativement basse, donc avec de faibles pertes dans le circuit magnétique. En effet, d'une manière générale, les pertes dans le circuit magnétique augmentent avec la fréquence de l'onde du courant, donc avec le nombre de pôles. De plus, à valeur d'inductance constante, la chute de tension par phénomène d'empiétement dans les diodes du redresseur augmente avec la fréquence du courant délivré par l'alternateur, ce qui incite à utiliser un faible nombre de pôles. Par ailleurs, l'avantage de faire fonctionner le hacheur survolteur avec une fréquence de commutation très élevée est de réduire le niveau des harmoniques de courant et par conséquent l'échauffement de l'alternateur. 2 2797535 Il existe un besoin pour disposer d'un dispositif permettant de générer une puissance relativement élevée avec un rendement satisfaisant, la puissance étant typiquement comprise entre 1 et 30 kW, fiable et de faible poids, capable d'être embarqué sur un véhicule ou un container par exemple. La présente invention a ainsi pour objet un nouveau dispositif de production d'électricité destiné notamment à être embarqué sur un véhicule ou un container, comportant un alternateur triphasé apte à être entraîné en rotation à une vitesse variable par un moteur thermique, un redresseur pour générer à partir du courant délivré par l'alternateur un courant redressé et un hacheur survolteur utilisant l'inductance propre de l'alternateur pour élever la tension, ce dispositif étant caractérisé par le fait que l'alternateur comporte six ou huit pôles et par le fait que le hacheur opère avec une fréquence de commutation comprise, de préférence, entre 3 et 15 kHz. De préférence, on utilise un alternateur ayant huit pôles et une fréquence de commutation inférieure à 8 kHz. La société demanderesse a constaté que l'on pouvait faire fonctionner le dispositif selon l'invention à une telle fréquence de commutation avec un rendement global satisfaisant, le dispositif étant en outre fiable et de construction relativement aisée. Alors que l'on pouvait s'attendre en augmentant le nombre de pôles de l'alternateur à une dégradation des performances du dispositif, de par l'augmentation des pertes dans le circuit magnétique, il se trouve que de manière surprenante le dispositif selon l'invention présente un coût, un poids et un rendement pleinement compatibles avec son utilisation sur un véhicule ou un container. Une tentative d'explication réside dans le fait que l'augmentation du nombre de pôles a permis de réduire de manière importante la valeur de l'inductance de l'alternateur et d'apporter un gain sur la chute de tension par empiétement, donc une réduction du courant et des pertes joules de l'alternateur, ce qui compense l'augmentation des pertes magnétiques dans l'alternateur due au nombre de pôles plus élevé que celui des alternateurs conventionnels embarqués et l'augmentation des pertes par commutation dans le hacheur. De préférence, l'inductance en % propre par phase de l'alternateur, définie par la formule LtoIN/Vo, o L est l'inductance propre de l'alternateur, (o la pulsation, IN le 3 2797535 courant nominal à une vitesse donnée, par exemple 1500 trs/mn, et Vo la tension à vide de l'alternateur à ladite vitesse, est comprise entre 15 et 40 %, de préférence entre 20 et 30 %. Dans une réalisation préférée correspondant à une puissance de l'ordre de kW, la tension étant de 294 volts entre phases à 3 000 trs/mn, l'inductance par phase de l'alternateur est inférieure ou égale à 2 mH, de préférence inférieure ou égale à 1,5 mH, ce qui correspond à une inductance en % inférieure à 30 %. Toujours dans une réalisation préférée correspondant à une puissance de l'ordre de 10 kW, la tension étant de 294 volts entre phases à 3 000 trs/mn, l'inductance par phase de l'alternateur est supérieure ou égale à 1 mH, ce qui correspond à une inductance en pourcentage supérieure à 20 %, et la fréquence de commutation est de l'ordre de 5 kHz. La société demanderesse a constaté que ces valeurs d'inductance et de fréquence permettaient, dans le cas d'un alternateur huit pôles, de maintenir les pertes dues aux harmoniques de courant à un niveau particulièrement faible. De préférence, l'alternateur est à aimants permanents. De préférence également, le hacheur est en aval du redresseur, ce qui permet de n'utiliser qu'un seul transistor, par exemple un transistor IGBT. Ce transistor unique peut être refroidi aisément par circulation d'un liquide, alors que dans les dispositifs connus dont les hacheurs comportent plusieurs transistors, ce refroidissement est rendu plus difficile de par le nombre de transistors, lesquels ne peuvent être montés sur un refroidisseur commun sans poser des problèmes d'isolation. De préférence, la fréquence de commutation est constante, ce qui simplifie l'électronique de commande. Dans une réalisation préférée, le hacheur alimente au moins un onduleur commandé par un circuit de commande recevant une information représentative de la vitesse de rotation du rotor de l'alternateur. Ainsi le circuit de commande peut tenir compte de la puissance disponible pour les appareils reliés à l'onduleur, et commander le fonctionnement de ces derniers en conséquence. L'invention a encore pour objet un générateur électrique embarqué de puissance comprise entre 1 et 30 kW, caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison un alternateur triphasé huit pôles à aimants permanents, d'inductance en % propre par phase comprise entre 20 et 40 %, de préférence 20 à 30 %, apte à être entraîné en rotation à 4 2797535 vitesse variable par un moteur thermique, un redresseur pour générer à partir du courant délivré par l'alternateur un courant redressé et un hacheur survolteur en aval du redresseur, ce hacheur utilisant l'inductance propre de l'alternateur pour élever la tension et utilisant un seul transistor IGBT opérant à une fréquence de commutation de préférence inférieure à 8 kHz, de préférence encore de l'ordre de 5 kHz, pour court-circuiter l'alternateur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, et à l'examen du dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est un schéma en bloc d'une chaîne énergétique embarquée sur un véhicule automobile et comportant un dispositif de production d'électricité conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma électrique simplifié du dispositif de production d'électricité selon l'invention, - la figure 3 représente isolément en perspective l'alternateur, et - la figure 4 est une vue de côté avec demi-coupe axiale de l'alternateur de la figure 3. La chaîne énergétique 1 représentée sur la figure 1 comporte différents appareils 2 à 5 entraînés par des moteurs électriques, tels des motoventilateurs ou des pompes. Ces appareils 2 à 5 sont alimentés en courant triphasé de fréquence constante ou variable par deux onduleurs 7 et 8 alimentés en courant continu par un hacheur survolteur 9 relié à un redresseur 6 lui-même relié à un alternateur 10 dont le rotor est entraîné en rotation, par l'intermédiaire d'une transmission 11, par un moteur thermique 12, par exemple un moteur diesel, dont la vitesse de rotation est susceptible de varier, typiquement entre 600 et 3 600 trs/mn. La transmission 11 permet de multiplier par exemple d'un facteur 2 ou 3 la vitesse de rotation du rotor, de sorte que l'alternateur 10 est entraîné à une vitesse de rotation comprise par exemple entre 1 500 trs/mn lorsque le moteur tourne au ralenti et à plus de 5 000 trs/mn lorsque le moteur 12 tourne à un régime élevé. La chaîne 1 comporte un circuit de commande 13 recevant une information représentative de la vitesse de rotation du rotor de l'alternateur 10 et commande les 2797535 différents appareils utilisateurs 2 à 5 en fonction de la puissance disponible au niveau des onduleurs 7 et 8. L'alternateur 10 est triphasé et comporte trois bobinages 10a, 10b et 10c, chacun d'inductance propre L. Le redresseur 6 comporte, de façon connue en soi, six diodes 6a à 6f agencées pour délivrer une tension redressée. Le hacheur survolteur 9 comporte un interrupteur électronique 15 apte à court- circuiter la sortie du redresseur 6, une diode 16 en aval de l'interrupteur 15 et un condensateur de stockage 17 en sortie. Le hacheur 9 est du type hacheur parallèle et utilise l'inductance propre de l'alternateur 10 pour stocker l'énergie réactive. Dans l'exemple de réalisation décrit, l'interrupteur électronique 15 est constitué par un seul transistor IGBT, commandé par un circuit électronique de commande en commutation à une fréquence de commutation constante, ce circuit électronique de commande étant réalisé de manière conventionnelle et n'étant pas représenté dans un souci de clarté du dessin. Le circuit électronique de commande est avantageusement agencé de manière à modifier le rapport cyclique du signal de commande de l'interrupteur électronique 15 en fonction de la tension en sortie du hacheur élévateur 9, de manière à réguler cette tension à une valeur de consigne. Dans l'exemple particulier de réalisation décrit, la fréquence de commutation est de 5 kHz. On a représenté isolément sur les figures 3 et 4 l'alternateur 10. L'alternateur 10 comporte un carter 11 prévu pour être refroidi par un liquide, pourvu à cet effet d'embouts de raccordement 12 et 13 à un circuit d'eau de refroidissement. L'alternateur 10 est dans l'exemple de réalisation décrit un alternateur triphasé comportant huit pôles, les trois bobinages 10a, 10b et 10c étant bobinés chacun de manière conventionnelle dans des encoches du stator 25 de l'alternateur 10, ce dernier comportant au total quarante-huit encoches. Le rotor 24 comporte dans l'exemple de réalisation décrit des aimants permanents, au nombre de quatre par pôle. 6 2797535 De préférence, on utilise des aimants à champ rémanent assez faible mais avec une bonne coercitivité (Br voisin de 1,1T nominal à 20 C et Hcj voisin de 900 kA/m nominal à 150 C). L'épaisseur des aimants utilisés est égale à 5 mm. De préférence, les tôles du stator sont en alliage de silicium, la longueur des fers étant de l'ordre de 115 mm. Toujours dans l'exemple de réalisation décrit, le nombre de spires est égal à 21. Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 4, les têtes de chignon 20 formées par les fils des bobinages à l'extérieur des fers du stator faisant saillie de part et d'autre de ces derniers sont noyées dans une résine conductrice 21, ce qui permet notamment d'en réduire les pertes. Dans l'exemple de réalisation décrit, la puissance du dispositif est de l'ordre de kW et l'inductance propre L par phase de l'alternateur est de l'ordre de 1,3 mH. La fréquence de commutation de l'interrupteur électronique 15 et la valeur de l'inductance propre de chaque phase de l'alternateur permettent d'avoir à la fois des pertes par commutation dans l'interrupteur électronique 15 et un niveau d'harmoniques compatibles avec les performances recherchées. La valeur de l'inductance propre par phase qui est choisie permet d'une part de maintenir les harmoniques à un niveau relativement bas compte tenu de la fréquence de commutation de l'interrupteur électronique et d'autre part d'éviter que la chute de tension due au phénomène d'empiétement s'avère préjudiciable pour la puissance de sortie du hacheur élévateur. L'inductance en % est choisie entre 20 et 40 %, étant de préférence comprise entre 20 et 30 %. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. On peut notamment utiliser comme interrupteur électronique 15 un ou plusieurs composants appropriés capables d'assurer la fonction de mise en court-circuit de la sortie du redresseur; il est toutefois avantageux d'utiliser un composant unique car ce dernier peut être aisément refroidi par circulation de liquide, alors que dans le cas de composants multiples, le refroidissement par liquide pose des problèmes d'isolation électrique de ces différents composants. 7 2797535 L'enrobage des têtes de chignon du stator de l'alternateur dans une résine conductrice n'est pas indispensable mais présente l'avantage de faciliter le refroidissement des bobinages et d'augmenter la puissance massique de l'alternateur. De même, l'utilisation d'aimants permanents pour exciter le stator de l'alternateur est une solution préférentielle, mais on ne sort pas du cadre de la présente invention en utilisant une excitation séparée. On peut placer plusieurs alternateurs 10 côte à côte, entraînés par un axe commun, en vue d'augmenter la puissance délivrée. Finalement, on dispose grâce à l'invention d'un dispositif de génération électrique de puissance relativement élevée, typiquement comprise entre 1 et 30 kW, de poids relativement faible, fiable et de rendement élevé. 8 2797535 REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'électricité destiné notamment à être embarqué sur un véhicule ou un container, comportant un alternateur triphasé (10) apte à être entraîné en rotation à une vitesse variable par un moteur thermique, un redresseur (6) pour générer à partir du courant délivré par l'alternateur (10) un courant redressé et un hacheur survolteur (9) utilisant l'inductance propre de l'alternateur (10) pour élever la tension, caractérisé par le fait que l'alternateur comporte six ou huit pôles et par le fait que le hacheur opère avec une fréquence de commutation comprise de préférence entre 3 et 15 kHz. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que l'alternateur comporte huit pôles. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'inductance en %, définie par la formule LIoN/Vo, est comprise entre 15 et 40 %, de préférence entre 20 et 30 %, o L est l'inductance propre par phase de l'alternateur, Co la pulsation, IN le courant nominal à une vitesse donnée, Vo la tension à vide de l'alternateur à cette vitesse. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, sa puissance étant de l'ordre de 10 kW, la tension étant de 294 volts entre phases à 3 000 trs/mn, caractérisé par le fait que l'inductance propre de l'alternateur par phase est inférieure ou égale à 2 mH, de préférence inférieure ou égale à 1,5 mH. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, sa puissance étant de l'ordre de 10 kW, la tension étant de 294 volts entre phases à 3 000 trs/mn, caractérisé par le fait que l'inductance propre de l'alternateur par phase est supérieure ou égale à 1 mH. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la fréquence de commutation du hacheur (9) est inférieure à 8 kHz, de préférence de l'ordre de 5 kHz. 7. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que l'alternateur est à aimants permanents. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la puissance délivrée par le dispositif est comprise entre 1 et kW. 9 2797535 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le hacheur (9) est en aval du redresseur (6). 10. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que le hacheur (9) comporte un seul transistor IGBT. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la fréquence de commutation est constante. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le hacheur (9) alimente au moins un onduleur (7; 8) commandé par un circuit de commande (13) recevant une information représentative de la vitesse de rotation du rotor de l'alternateur. 13. Générateur électrique embarqué de puissance comprise entre 1 et 30 kW, caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison un alternateur (10) triphasé huit pôles à aimants permanents, d'inductance en % propre par phase comprise entre 20 et 40 %, de préférence entre 20 et 30 %, apte à être entraîné en rotation à une vitesse de rotation variable par un moteur thermique, un redresseur (6) pour générer à partir du courant délivré par l'alternateur un courant redressé et un hacheur survolteur (9) en aval du redresseur, ce hacheur utilisant l'inductance propre de l'alternateur pour élever la tension et utilisant un transistor IGBT opérant à une fréquence de commutation de préférence inférieure à 8 kHz, de préférence encore de l'ordre de 5 kHz, pour court-circuiter l'alternateur (6).