Brevet FR2976747A1 — publié le 20121221

La présente invention a pour objet une machine électrique synchrone. Avec le développement des centrales électriques utilisant des alternateurs de plus en plus performants, il est devenu crucial d'assurer une reprise de charge ou un délestage de charge le plus rapide possible. Ceci a conduit à des machines de plus en plus évoluées sur le plan de la conception électromagnétique. Des calculateurs de plus en plus puissants sont utilisés dans ce cadre. Les génératrices synchrones connues sont composées d'une excitatrice bobinée qui débite sur un pont de diodes et d'une machine principale. La tension de l'induit d'excitatrice est redressée et sert à alimenter la roue polaire de la machine principale permettant ainsi de produire la tension nécessaire pour l'installation. Cette tension est contrôlée grâce à un régulateur de tension qui fournit à l'inducteur d'excitatrice le courant d'excitation en fonction de la tension de sortie de la machine principale. L'énergie d'excitation est fournie soit en dérivant la tension de la machine principale, soit à partir de bobinages auxiliaires placés dans les encoches de la machine principale ou encore en utilisant une machine à aimants permanents montée sur le même arbre que la machine principale. Il est connu du brevet US 6 362 588 de réguler la tension d'une machine synchrone grâce à un système délivrant des signaux de contrôle, de forme non sinusoïdale. Ce système n'est pas hautement fiable, car il nécessite des signaux de synchronisation qui, dans le cas d'une excitatrice, sont très riches en harmoniques, conduisant inévitablement à des difficultés de synchronisation affectant la robustesse de la solution. Il est possible de diminuer l'influence de l'excitatrice afin d'obtenir une meilleure dynamique pour l'ensemble de la machine. Dans ce but, peu de travaux portent sur la structure intrinsèque de la machine, et concernent surtout la partie régulation, pour laquelle de nouvelles lois de commande dites modernes sont utilisées. Il existe un besoin pour améliorer encore les performances des alternateurs, notamment lors de fortes diminutions de la charge. L'invention vise à répondre au moins en partie à ce besoin et y parvient, selon l'un de ses aspects, grâce à un alternateur à relier électriquement à une charge, l'alternateur comportant : - un rotor comportant : - une roue polaire, - un induit d'excitatrice, - un composant dissipatif, et - un système de commutation permettant de relier sélectivement la roue polaire à l'induit d'excitatrice et au composant dissipatif, et - un contrôleur commandant le système de commutation de façon à réguler le courant dans la roue polaire et, en réponse à une diminution de la charge appliquée à l'alternateur, relier le composant dissipatif à la roue polaire pour dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans la roue polaire. L'invention permet d'améliorer de façon conséquente le temps de réponse de l'alternateur lors de fortes diminutions de la charge. Grâce à l'invention, le courant dans la roue polaire est très vite réduit, et les dépassements de tension lors des diminutions de la charge sont fortement réduits également. Le composant dissipatif est de préférence purement ohmique. Dans des variantes, le composant dissipatif est de toute nature, l'invention n'étant pas limitée à un type de composant dissipatif particulier. Le contrôleur peut être intégré au rotor. Dans une variante, le contrôleur est non intégré au rotor. Le rotor comporte de préférence un redresseur alimentant à partir de l'induit d'excitatrice un bus continu auquel est relié le système de commutation. Le bus continu peut comporter un condensateur de filtrage dont la capacité est inférieure à 30 µF/kW de puissance d'excitation. Grâce à l'utilisation du composant dissipatif pour dissiper l'énergie, un condensateur de filtrage de très petite taille est utilisé, contrairement aux structures d'électronique de puissance connues. Dans une variante, le bus continu est non filtré. Le système de commutation comporte des composants électroniques commutables, tels que par exemple des transistors IGBT. Le système de commutation comporte de préférence un pont en H, double quadrant, débitant sur la roue polaire. Un capteur de courant peut être disposé au rotor pour mesurer le courant dans la roue polaire et pour transmettre au contrôleur et/ou à un régulateur de tension la valeur du courant ainsi mesurée. Le capteur de courant peut être de toute nature, notamment à effet Hall ou inductif. Un capteur de température de la roue polaire peut être disposé au rotor. L'alternateur comporte un stator, comportant un inducteur d'excitatrice, lequel 5 peut comporter des aimants permanents. Dans une variante, l'inducteur d'excitatrice est bobiné. Le stator comporte de préférence un régulateur de tension, pouvant être composé d'un module de régulation de la tension et d'un générateur de courant continu. Le régulateur de tension du stator agit de préférence par modulation de largeur 10 d'impulsion sur les composants électroniques commutables du système de commutation du rotor. Dans le cas où l'inducteur d'excitatrice est bobiné, le régulateur de tension permet de fournir en outre à l'excitatrice de la machine un courant suffisant pour assurer un fonctionnement en surcharge et en même temps éviter un échauffement excessif de 15 l'excitatrice. On parle dans ce cas de régulation à double fonction. Dans une variante, le régulateur de tension est placé dans une armoire déportée. Un alternateur selon l'invention peut comporter un système de transmission sans fil disposé entre le contrôleur du rotor et le régulateur de tension du stator, permettant d'éviter l'utilisation de bagues et balais, dont la pérennité peut être limitée et nécessitant 20 des besoins importants de maintenance. Le système de transmission sans fil peut être composé de deux modules de transmission, l'un disposé au rotor, l'autre au stator, et de voies de transmission sans fil reliant lesdits modules. La valeur du courant dans la roue polaire, mesurée par le capteur de courant du 25 rotor, peut être transmise au régulateur de tension du stator grâce au système de transmission sans fil, bidirectionnel. La valeur de la température de la roue polaire mesurée par le capteur de température du rotor peut être transmise par le système de transmission sans fil au régulateur de tension. Ces informations peuvent être utilisées à des fins de surveillance du 30 bon fonctionnement de la machine. Les informations transmises et reçues par le système de transmission sans fil peuvent être sous forme binaire. L'invention n'est pas limitée à un codage particulier des données. L'alimentation du module de transmission du rotor et du contrôleur s'effectue de préférence en prélevant une partie de l'énergie de la tension redressée par le redresseur. Un dispositif de contrôle peut être présent pour initialiser, lors du démarrage de l'alternateur, l'ensemble des composants électroniques, permettant d'assurer une augmentation progressive de la tension de sortie de la machine principale. Le temps de démarrage est ajustable en fonction du besoin de la machine. Grâce à ce dispositif, la rampe de montée en tension peut s'effectuer dans un intervalle de temps compris entre 1 seconde et 180 secondes. Cela permet un démarrage progressif et une réduction des risques de calage du moteur d'entrainement de la machine. Le contrôleur peut être agencé pour commander le système de commutation de façon à réguler le courant dans la roue polaire par modulation de largeur d'impulsion. Le rapport cyclique de la modulation de largeur d'impulsion peut être fonction de la tension de sortie de la machine principale, et de la valeur du courant dans la roue polaire. Dans le cas d'une forte diminution de la charge, le contrôleur peut réduire le rapport cyclique de la modulation de largeur d'impulsion, et peut relier le composant dissipatif à la roue polaire, afin de dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans ladite roue. L'énergie inductive peut être dissipée sous forme de chaleur dans le composant dissipatif, et une partie plus faible peut être stockée dans le condensateur de filtrage, lorsque ce dernier est présent. De préférence, la connexion du composant dissipatif à la roue polaire s'établit lorsque le rapport cyclique de la modulation de largeur d'impulsion est nul, et cesse lorsque ce rapport cyclique redevient non nul. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé pour réduire le temps de réponse au délestage d'un alternateur tel que défini ci-dessus, dans lequel : - en réponse à la détection d'une diminution de la charge appliquée à l'alternateur, le contrôleur agit sur le système de commutation pour relier la roue polaire au composant dissipatif, afin de dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans la roue polaire. Toutes les caractéristiques de l'invention énumérées ci-dessus valent pour le procédé. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une représentation schématique d'un alternateur selon l'art antérieur, - la figure 2 est une représentation schématique d'un alternateur selon l'invention, - la figure 3 est une représentation schématique et partielle d'un alternateur selon l'invention, - la figure 4A illustre le fonctionnement de l'alternateur selon l'invention, 15 en fonctionnement normal, et - la figure 4B illustre le fonctionnement de l'alternateur selon l'invention lors de fortes diminutions de la charge. Un alternateur selon l'art antérieur, comme illustré à la figure 1, est relié à une charge 8, et comporte une excitatrice bobinée 2a, 2b, débitant sur un redresseur 3 composé 20 d'un pont de diodes double alternance, et une machine principale 4, 5. La tension de l'induit d'excitatrice 2a redressée sert à alimenter la roue polaire 4 de la machine principale. La tension est contrôlée par un régulateur de tension 7, alimenté par une source 12 et fournissant à l'inducteur d'excitatrice 2b le courant d'excitation en fonction de la tension de sortie de la machine principale 4, 5. 25 L'alternateur 1 selon l'invention, représenté à la figure 2, comporte un rotor 6 et un stator 9, pouvant être relié à une charge 8. Le rotor 6 comporte une roue polaire 4 et un induit d'excitatrice 2a. Le rotor 6 comporte un redresseur 3, composé d'un pont de diodes double alternance, alimentant à partir de l'induit d'excitatrice 2a un bus continu 26 auquel est relié 30 un système de commutation 11. Le bus continu 26 comporte dans l'exemple décrit un condensateur de filtrage 21 dont la capacité est par exemple inférieure à 30 µF/kW de puissance d'excitation. Dans une variante non représentée, le bus continu 26 est non filtré. Le rotor 6 comporte un composant dissipatif 20, qui est purement ohmique dans l'exemple décrit. Le système de commutation 11, qui peut être composé comme illustré de trois composants électroniques commutables 22, 23, 24, par exemple des transistors IGBT, et de deux diodes 27 et 28, permet de relier sélectivement la roue polaire 4 à l'induit d'excitatrice 2a ou au composant dissipatif 20. Dans l'exemple illustré à la figure 2, le système de commutation 11 comporte un pont en H, double quadrant, composé des diodes 27, 28 et des composants électroniques commutables 22 et 24, débitant sur la roue polaire 4. L'alternateur 1 comporte également un contrôleur 13 commandant le système de commutation 11, de façon à réguler le courant Irp dans la roue polaire 4 par modulation de largeur d'impulsion. Le rapport cyclique a de la modulation de largeur d'impulsion est fonction de la tension de sortie de la machine principale, de façon à maintenir autant que possible la tension délivrée par l'alternateur à une valeur prédéfinie. Dans l'exemple décrit, le contrôleur 13 est intégré au rotor 6 et tourne avec celui-ci. Dans une variante non représentée, le contrôleur 13 est non intégré au rotor 6, étant par exemple disposé dans une armoire déportée ou solidaire du stator. Le rotor 6 comporte dans l'exemple illustré un capteur de courant 10 pour mesurer le courant Irp dans la roue polaire 4. La valeur du courant Irp ainsi mesurée est transmise au contrôleur 13. Le capteur de courant 10 peut être à effet Hall, mais l'invention n'est pas limitée à un type de capteur de courant particulier. Un capteur de température 25 de la roue polaire 4 peut être disposé au rotor 1, comme illustré. La valeur de la température Trp ainsi mesurée est transmise au contrôleur 13. L'alternateur 1 comporte au stator 9, comme illustré à la figure 3, un inducteur d'excitatrice 2b et l'induit 5 de la machine principale, relié à la charge 8. Le stator 9 est alimenté par une alimentation 12. L'inducteur d'excitatrice 2b est bobiné, dans l'exemple décrit. Dans une variante non représentée, l'inducteur d'excitatrice 2b comporte des aimants permanents. Le stator 9 comporte un régulateur de tension 16, visible à la figure 3, composé d'un module de régulation de la tension 17 et d'un générateur de courant continu 18. Dans la variante, non illustrée, où l'inducteur d'excitatrice 2b comporte des aimants permanents, le régulateur de tension 16 n'est composé que d'un module de régulation de la tension 17. Un système de transmission sans fil HF est disposé entre le contrôleur 13 du rotor 6 et le régulateur de tension 16 du stator 9 de l'alternateur 1. Le système de transmission sans fil est composé d'un module de transmission 14 disposé au rotor 6, d'un module de transmission 19 disposé au stator 9, et de voies de transmission sans fil 15 reliant lesdits modules. Les données échangées entre les modules de transmission 14 et 15 sont 10 numériques et par exemple codées sur 3 octets, soit 24 bits. La valeur du courant IYI, dans la roue polaire 4, mesurée par le capteur de courant 10 du rotor 6, est transmise au régulateur de tension 16 du stator 9 par le système de transmission sans fil 14, 15, 19. La valeur T,7, de la température de la roue polaire 4, mesurée par le capteur de 15 température 25 situé au rotor 6, est transmise par le système de transmission sans fil 14, 15, 19 au régulateur de tension 16 situé au stator 9. L'alimentation du module de transmission 14 et du contrôleur 13 du rotor 6 se fait en prélevant une partie de l'énergie de la tension redressée par le redresseur 3. Pendant le démarrage de l'alternateur 1, un dispositif de contrôle, non 20 représenté, initialise l'ensemble des composants électroniques et assure une augmentation progressive de la tension de sortie de la machine principale. Lors du fonctionnement normal de l'alternateur 1, illustré à la figure 4A, c'est-à-dire en l'absence de diminution de la charge 8, la tension en sortie du redresseur 3 alimente la roue polaire 4, et le courant circule dans le composant électronique 25 commutable 24, comme illustré. Le composant électronique commutable 22 est passant, alors que le composant électronique commutable 23 est bloqué. Le composant dissipatif 20 et le condensateur de filtrage 21 ne sont pas reliés à la roue polaire 4. Dans ce mode de fonctionnement, le contrôle du système de commutation 11 par le contrôleur 13 permet de réguler la tension de sortie de l'alternateur 1 autour d'une 30 valeur de consigne en jouant sur le rapport cyclique du courant d'alimentation de la roue polaire. Dans le cas d'une diminution de la charge 8, illustrée à la figure 4B, le contrôleur 13 réduit le rapport cyclique a en fonction de la tension de sortie de l'alternateur. Quand le rapport cyclique a devient nul, le composant électronique commutable 22 est bloqué, et le composant électronique commutable 23 est passant. Le contrôleur 13 relie ainsi le composant dissipatif 20 à la roue polaire 4, pour dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans ladite roue polaire. L'énergie inductive est dissipée sous forme de chaleur dans le composant dissipatif 20, et une partie de cette énergie est stockée dans le condensateur 21. La connexion du composant dissipatif 20 à la roue polaire 4 s'établit lorsque le rapport cyclique a de la modulation de largeur d'impulsion commandant le composant électronique commutable 24 est nul, et cesse lorsque ce rapport cyclique a redevient non nul. Le module de transmission sans fil 14 reçoit les ordres de commutation du composant électronique commutable 24 sous forme binaire, par exemple. Ces informations sont envoyées au contrôleur 13 qui génère la modulation de largeur d'impulsion pour le système de commutation 11. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.20 REVENDICATIONS1. Alternateur (1) à relier électriquement à une charge (8), l'alternateur comportant : - un rotor (6) comportant : - une roue polaire (4), - un induit d'excitatrice (2a), - un composant dissipatif (20), et - un système de commutation (11) permettant de relier sélectivement la roue polaire (4) à l'induit d'excitatrice (2a) et au composant dissipatif (20), et - un contrôleur (13) commandant le système de commutation (11) de façon à réguler le courant (IYp) dans la roue polaire (4) et, en réponse à une diminution de la charge (8) appliquée à l'alternateur (1), relier le composant dissipatif (20) à la roue polaire (4) pour dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans la roue polaire. 2. Alternateur selon la revendication 1, le composant dissipatif (20) étant purement ohmique. 3. Alternateur selon la revendication 1 ou 2, le contrôleur (13) étant intégré au rotor (6). 4. Alternateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, le rotor (6) comportant un redresseur (3) alimentant à partir de l'induit d'excitatrice (2a) un bus continu (26) auquel est relié le système de commutation (11). 5. Alternateur selon la revendication 4, le bus continu (26) comportant un condensateur de filtrage (21), de préférence dont la capacité est inférieure à 30 µF/kW de puissance d'excitation. 6. Alternateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le bus continu (26) étant non filtré. 7. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le système de commutation (11) comportant un pont en H débitant sur la roue polaire (4). 8. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un capteur de courant (10) pour mesurer le courant (IYp) dans la roue polaire (4)et pour transmettre au contrôleur (13) et/ou à un régulateur de tension (16) la valeur du courant (IYp) ainsi mesurée. 9. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un inducteur d'excitatrice (2b) comportant des aimants permanents. 10. Alternateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant un inducteur d'excitatrice (2b) bobiné. 11. Alternateur selon la revendication 3, comportant un système de transmission sans fil (14, 15, 19) entre le contrôleur (13) et un régulateur de tension (16) au stator (9) de l'alternateur (1). 12. Alternateur selon la revendication 11, comportant un capteur de température (25) de la roue polaire (4), la valeur mesurée (Trp) étant transmise par le système de transmission sans fil (14, 15, 19) au régulateur de tension (16) au stator (9). 13. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le contrôleur (13) étant agencé pour commander le système de commutation (11) de façon à réguler le courant (IYp) dans la roue polaire (4) par modulation de largeur d'impulsion, et de préférence la connexion du composant dissipatif (20) à la roue polaire (4) s'établissant lorsque le rapport cyclique (a) de la modulation de largeur d'impulsion est nul et cessant lorsque ce rapport cyclique redevient non nul. 14. Procédé pour réduire le temps de réponse au délestage d'un alternateur (1) 20 selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : en réponse à la détection d'une diminution de la charge (8) appliquée à l'alternateur (1), le contrôleur (13) agit sur le système de commutation (11) pour relier la roue polaire (4) au composant dissipatif (20), afin de dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans la roue polaire. 25