Brevet FR3016247A1 — publié le 20150710

La présente invention concerne un système de contrôle et de régulation d'un groupe électrogène, et un groupe électrogène ainsi équipé. Un groupe électrogène est constitué par l'assemblage d'un moteur d' entrainement et d'un alternateur. Afin de fournir une tension et une fréquence nominales, l'alternateur est équipé d'un régulateur de tension dont le rôle principal est de maintenir la tension de sortie de l'alternateur à une valeur de consigne donnée. Le régulateur de tension peut être réalisé sous la forme d'une ou plusieurs cartes électroniques logées dans une boîte à bornes de l'alternateur, dimensionnée en conséquence. Les groupes électrogènes connus comportent également un contrôleur du groupe, dont le rôle est d'afficher tous les paramètres thermiques, électriques, voire mécaniques, du groupe électrogène et d'assurer d'une part l'arrêt de celui-ci lorsque les mesures sont en dehors de limites préfixées et d'autre part sa mise en route automatique ou sur action de l'utilisateur. Ce contrôleur comporte classiquement un boîtier ou une armoire de contrôle située en un emplacement différent du régulateur de tension. US 2010/0241283 divulgue un système de contrôle d'un groupe électrogène comprenant un module de contrôle de moteur dialoguant avec un régulateur de tension d'alternateur pour assurer un contrôle du niveau de la charge électrique du groupe. US 2011/0089911 décrit un contrôleur en communication avec un régulateur de tension d'un alternateur dans un groupe électrogène et un circuit d'amorçage d'alternateur, le contrôleur visant à assurer l'amorçage par excitation séparée d'un alternateur ayant perdu son champ rémanent. Le groupe électrogène est contrôlé par un système de contrôle digital (DCS). US 6555929 B1 divulgue un contrôleur d'un groupe électrogène en communication avec un régulateur de tension d'un alternateur et un module de contrôleur de moteur. Le contrôleur du groupe calcule les paramètres de fonctionnement de l'alternateur et envoie des signaux de commande au régulateur de tension. L'invention vise à perfectionner encore les systèmes de contrôle et de régulation d'un groupe électrogène, afin notamment de faciliter l'intégration de l'alternateur, diminuer son encombrement, simplifier la fabrication du groupe électrogène et offrir de nouvelles possibilités de gestion du fonctionnement de celui-ci. L'invention vise à répondre à ce besoin, et elle y parvient grâce à un système de contrôle et de régulation d'un groupe électrogène comprenant un alternateur mécaniquement accouplé à un moteur d'entrainement, l'alternateur comportant une boîte à bornes portée par un carter et dans laquelle sont présentes des connexions électriques reliées aux bobinages de l'alternateur, le système comportant une partie contrôleur du groupe électrogène et une partie régulateur assurant la régulation d'une tension de sortie de l'alternateur, la partie régulateur de tension étant située en dehors de la boîte à bornes et solidaire de la partie contrôleur du groupe. Par « solidaire », il faut comprendre que la partie régulateur de tension est fixée 10 à la partie contrôleur du groupe ou sur un même support ou est logée dans un même boîtier que cette dernière, boîtier qui est différent d'un caisson qui renfermerait le groupe électrogène dans son ensemble. Grâce à l'invention, il est possible de réduire la taille de la boîte à bornes de l'alternateur, habituellement dimensionnée pour recevoir les bornes de connexion ainsi que 15 le régulateur de tension. Le fait de rapprocher ce dernier du contrôleur offre la possibilité de réduire les dimensions de la boîte à bornes, ce qui en abaisse le coût et diminue l'encombrement de l'alternateur, rendant son intégration au sein du groupe plus facile. De plus, le rapprochement physique du contrôleur et du régulateur, par exemple au sein d'un même boîtier, facilite le câblage et les possibilités d'échanges de données entre eux, ce qui 20 offre de nouvelles possibilités pour optimiser le coût global de la solution et en accroitre la fiabilité et la maintenance. Le système selon l'invention peut assurer des fonctions traditionnellement présentes dans un régulateur de tension et un contrôleur du groupe électrogène. Ces fonctions sont, entre autres, la régulation de tension de sortie l'alternateur, l'affichage de 25 paramètres électriques, thermiques et/ou mécaniques du groupe électrogène, et la protection électrique, thermique et mécanique du groupe en fonction de paramètres lus ou calculés. De préférence, la partie contrôleur et la partie régulateur d'alternateur (encore appelée AVR) sont situées dans un même boitier, qui peut ou non être fixé sur l'alternateur 30 ou le moteur d'entraînement, étant de préférence fixé sur un support distant de l'alternateur et du moteur. La partie contrôleur du groupe et la partie régulateur de tension peuvent comporter des cartes électroniques, par exemple au moins deux, voire trois cartes électroniques, à circuit imprimé. De préférence la partie contrôleur du groupe et la partie régulateur comportent au moins une carte de puissance, une carte de communication et une carte de commande. La carte de puissance peut comporter des éléments de puissance alimentant un inducteur d'excitatrice de l'alternateur. La carte de commande peut comporter tout ou partie des composants numériques du système, notamment des coeurs de calculs tels qu'un ou plusieurs microprocesseurs ou microcontrôleurs. La carte de puissance peut également 10 comporter des composants numériques, notamment ceux dédiés au calcul des commandes des éléments de puissance. Le système, par exemple la partie régulateur, peut comporter au moins un radiateur, de préférence deux, pour le refroidissement des éléments de puissance alimentant l'inducteur d'excitatrice de l'alternateur. Le ou les radiateurs sont de préférence 15 contenus dans le boîtier. Le ou les radiateurs sont par exemple fixés sur la carte de puissance, de préférence sur la face de la carte de puissance à l'opposé de la carte de commande, lorsque la carte de puissance et la carte de commande sont deux cartes différentes et contenues dans le même boîtier tel que précité. 20 Le boîtier peut comporter un capot qui vient coiffer les différentes cartes et le ou les radiateurs précités. Ce capot peut comporter à l'arrière une extension qui épouse sensiblement la formes du ou des radiateurs et présente des évents de circulation d'air, à la fois sur le dessus et sur les côtés. Le capot est avantageusement réalisé par moulage de matière 25 thermoplastique. Le capot peut être agencé pour se fixer par encliquetage sur une partie avant de boîtier, comportant une façade. Le système peut comporter une interface utilisateur, de préférence reliée directement à la carte de commande. 30 L'interface utilisateur peut comporter un afficheur, par exemple du type à LEDs ou LCD, de paramètres électriques, thermiques et/ou mécaniques du groupe électrogène. L'interface utilisateur peut se situer sur une face avant du système, par exemple la façade du boîtier précité. L'interface utilisateur peut comporter un ou plusieurs boutons de contrôle. Les boutons, sans limitation de nombre, permettent d'accéder à différents paramètres du système. Par exemple, l'interface utilisateur peut être réalisée de telle sorte que le ou les boutons de contrôle permettent d'accéder à un menu de paramétrage de la partie régulateur. Les paramètres accessibles de la partie régulateur sont de préférence choisis parmi tout ou partie des paramètres suivants: la stabilité de la régulation de tension, la pente de montée en tension en fonction de la fréquence de rotation du groupe (U/f), la sélection de la fréquence de fonctionnement entre 50 Hz, 60 Hz, et éventuellement toute autre fréquence inférieure à 500 Hz, et - la sélection de la plage de tension de fonctionnement, de préférence jusqu'à 30kV. - le courant et ou la tension d'excitation L'interface peut être équipée de diodes luminescentes permettant d'informer l'utilisateur sur un mode de fonctionnement du groupe et/ou de l'installation électrique. La ou les différentes cartes de la partie contrôleur et celle(s) de la partie régulateur sont de préférence connectées entre elles par une carte de liaison équipée de connecteurs, notamment de type PCI express ou autres types de bus local série. Cette carte de liaison permet les échanges d'informations entre la partie contrôleur et la partie régulateur. La carte de liaison peut ne comporter aucun composant actif, étant de préférence constituée d'un circuit imprimé et de connecteurs de liaison. En variante, la ou les différentes cartes de la partie contrôleur du groupe et celle(s) de la partie régulateur peuvent être connectées entre elles par d'autres types de liaisons, filaires ou non, sans présence d'une carte supplémentaire. La carte de liaison peut être orientée perpendiculairement aux autres cartes et ses connecteurs peuvent venir s'engager sur des pistes de circuit imprimé de ces cartes. Au moins l'une des cartes peut comporter aussi des connecteurs de 30 périphériques, notamment de type USB et/ou de type bus CAN, et/ou des connecteurs dédiés aux mesures de paramètres électriques, thermiques et/ou mécaniques du groupe électrogène et/ou du réseau, notamment des paramètres électriques tels que les tensions et les courants. Les cartes et les connecteurs sont de préférence disposés de manière compacte afin de diminuer l'encombrement. De préférence, toutes les cartes, à l'exception de la carte de liaison, sont disposées les unes au-dessus des autres. Par exemple, la carte de communication est située entre la carte de puissance et la carte de commande. Cela peut éloigner davantage le ou les éléments de puissance portés par la carte de puissance des composants numériques portés par la carte de commande, et ainsi faciliter le refroidissement de cette dernière et réduire l'exposition à des champs magnétiques de courants forts. Le système peut comporter au moins une carte partagée par la partie contrôleur et la partie régulateur. Par exemple, la carte de communication et/ou la carte de commande peuvent être partagée entre les deux parties. Par « carte partagée par la partie contrôleur et la partie régulateur» on désigne une carte comportant à la fois des composants contribuant à réaliser des fonctions classiques d'un contrôleur et des composants contribuant à réaliser des fonctions classiques d'un régulateur. La ou les cartes partagées par la partie régulateur et par la partie contrôleur du groupe peuvent se situer entre les cartes appartenant spécifiquement à la partie contrôleur ou à la partie régulateur. Cela peut permettre de minimiser les trajets des pistes conductrices et faciliter l'obtention d'une structure compacte. De préférence, les connecteurs de périphériques et/ou les connecteurs dédiés aux mesures de paramètres électriques, thermiques et/ou mécaniques du groupe électrogène et/ou du réseau sont situés sur la ou les cartes partagées, notamment sur une même carte partagée, par exemple la carte de communication le cas échéant. Les échanges d'information entre la partie contrôleur et la partie régulateur peuvent également permettre la mise en oeuvre d'une stratégie d'aide moteur grâce au calcul de la puissance active afin de limiter les chutes et les dépassements de tension de l'alternateur pendant les transitoires de charge. L'aide au moteur peut être appliquée lorsque le moteur thermique a déjà chuté en vitesse et que sa vitesse est descendue en dessous d'une certaine valeur. L'aide au moteur peut également être appliquée dès l'application d'une charge et/ou de la variation de la puissance électrique à la sortie de l'alternateur. La détection d'une variation de la charge grâce à l'observation de la puissance électrique permet une anticipation de la chute de vitesse du moteur, et des mesures peuvent alors être mises en oeuvre pour limiter cette chute de manière efficace. L'invention a encore pour objet un groupe électrogène équipé d'un système de contrôle et de régulation selon l'invention. La puissance du groupe est de préférence supérieure ou égale à 5 kW. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente de façon schématique un exemple d'un groupe électrogène selon l'invention, - la figure 2 représente un exemple d'interface utilisateur, - la figure 3 représente un exemple d'architecture d'un système selon l'invention, - la figure 4 est une vue éclatée d'un système selon l'invention, - les figures 5 et 6 représentent isolement, en perspective, l'ensemble des cartes de circuit imprimé, selon des angles de vue différents. Le groupe électrogène 1 représenté à la figure 1 comporte un moteur thermique 2 accouplé à un alternateur 3. Ce dernier présente un carter 5 pourvu d'une boîte à bornes 4 qui contient des bornes de connexion aux bobinages d'excitatrice et d'induit principal. Le groupe 1, conformément à l'invention, est relié à un système de contrôle et de régulation 8 qui comporte une partie régulateur de tension et une partie contrôleur du groupe qui sont solidaires l'une de l'autre, étant de préférence, comme illustré à la figure 4, contenus dans un même boîtier 10. Ce boîtier 10 se trouve dans un endroit différent de la boîte à bornes 4, et peut être fixé sur un bâti éloigné de l'alternateur 3 et du moteur 2. Un exemple d'architecture du système 8 est illustré à la figure 3. Le système 8 comporte une partie contrôleur 81 du groupe et une partie régulateur 82 de tension. Le système 8 est alimenté, par exemple, via la partie contrôleur 81, par une source externe, par exemple de 8 à 35V en courant continu. La partie contrôleur 81 du groupe possède de préférence un microcontrôleur 38 comportant un coeur de calcul, ce dernier constituant la partie numérique principale du système. D'autres microcontrôleurs peuvent lui être adjoints, le cas échéant. Des entrées analogiques 40 et digitales 7 du microcontrôleur 38 permettent d'activer des commandes numériques 34 assurant le démarrage, l'arrêt, l'activation de relais et/ou d'alarmes ou permettant de piloter directement des organes du groupe électrogène 1, par exemple le démarreur, le système de préchauffage,.... Les entrées analogiques 40 peuvent supporter des sources de tension allant de 0 à 10V par exemple, des sources de courant allant de 4 à 20mA par exemple, peuvent permettre la connexion de potentiomètres, et peuvent recevoir des informations directes de capteurs positionnés à différents points du groupe 1, tels que des capteurs de pression d'huile, de température de liquide de refroidissement, de vitesse de rotation. Le système 8 comporte une interface utilisateur 27 comportant, comme on peut voir sur la figure 2, un afficheur 11, des LEDs 30, et des boutons de contrôle 29 du système 8. Les LEDs 30 permettent une lecture directe de l'état de fonctionnement du système 8, du groupe électrogène 1 et de la connexion entre le groupe et un réseau électrique externe. Dans l'exemple illustré, le système 8 comporte des connecteurs de périphériques USB 9 et CAN 6. D'autres types de connecteurs périphériques peuvent être utilisés sans sortir du périmètre de la présente invention. Ces connecteurs 9 et 6 permettent, d'une part, de recevoir des consignes de commande de l'utilisateur, par exemple via un ordinateur, et d'autre part, de transmettre des paramètres de fonctionnement sur un organe externe, et/ou de mettre à jour le logiciel interne de la solution plus communément appelé firmware. Le système 8 comporte aussi, dans l'exemple illustré, un connecteur 12, par exemple de type JTAG, pour faciliter le debuggage, mais tout autre moyen remplissant cette fonction rentre dans le cadre de la présente invention. La partie régulateur 82 comporte un élément électronique de puissance 31, un coeur de calcul 32 comprenant un circuit électronique, chargé de générer les signaux de commande 39, analogique ou numérique, à l'élément de puissance 31, pour assurer une bonne régulation de la tension de l'alternateur 5, et éventuellement un ou plusieurs microprocesseurs assurant respectivement des fonctions spécifiques de mesure, de régulation et/ou de protection. L'élément de puissance 3lest par exemple composé d'un redresseur à diodes et d'un hacheur commandé servant à alimenter l'inducteur d'excitatrice d'alternateur 5, par une liaison 23. Cette dernière délivre un courant de sortie continu, de préférence jusqu'à 6A en fonctionnement normal et jusqu'à 15A pendant quelques secondes, par exemple 10s. La partie régulateur 82 est entièrement ou partiellement contrôlable par la partie contrôleur via des signaux numériques échangés 26 entre les coeurs de calcul de ces deux parties. Ces signaux 26, véhiculés sur les circuits imprimés des cartes électroniques le cas échéant, permettent l'échange d'informations entre les deux parties 81 et 82 sans liaisons encombrantes. La partie régulateur 82 comporte des connecteurs destinés à l'échange d'information avec l'alternateur et le réseau, par exemple des connecteurs destinés respectivement aux mesures de courant 35 et de tension 36 de sortie de l'alternateur et aux mesures de tension 37 du réseau. La partie contrôleur 81 peut le cas échéant, assurer la mesure des courants 35, de tensions de sortie 36 de l'alternateur ainsi que des tensions réseau 37. En variante, les deux parties peuvent partager un seul coeur de calcul. Dans ce cas, les commandes peuvent être envoyées de ce coeur de calcul directement aux éléments de puissance en fonction à la fois des informations 35, 36, 37 venant de l'alternateur et du réseau et des entrées analogiques 40 et digitales 7. De préférence, la partie régulateur 82 est compatible avec différents systèmes 25 d'excitation 33 tels que SHUNT, AREP et PMG correspondant à un prélèvement de l'énergie provenant respectivement de la tension de sortie de l'alternateur, des bobinages auxiliaires de l'alternateur et à une génératrice à aimants permanents. La partie régulateur 82 peut être alimentée électriquement par au moins l'un de ces systèmes 33 d'excitation. Les tensions de réseau et/ou de l'alternateur sont par exemple triphasées et 30 comprises entre 90 et 530VAC et le courant de sortie de l'alternateur, mesuré par des transformateurs d'intensité dont le secondaire est par exemple compris entre 1 et 5Aac. Le système 8 peut aussi comporter des connecteurs dédiés, par exemple à relier un contrôleur de moteur d'entraînement. La partie régulateur 82 et la partie contrôleur 81 peuvent être réalisées avec des cartes électroniques de circuit imprimé 16, 17, 18 et une carte de liaison 19, comme illustré sur les figures 4 à 6. Les cartes 16 à 19 sont contenues dans un boîtier 10 qui comporte une partie avant 21 et un capot arrière 22 qui peut se fixer par exemple par encliquetage à l'aide de pattes 26, sur la partie avant 21. Le capot 22 présente une extension 24 à l'arrière qui vient coiffer des radiateurs 23 de refroidissement des éléments de puissance portés par la face 25 de la carte 16, opposée à la carte de commande 18. Les radiateurs 23 peuvent recouvrir entièrement les éléments de puissance sur cette face 25. L'extension 24 est ajourée, présentant des évents 28 de circulation d'air la fois sur le dessus et sur les côtés. Les trois cartes 16, 17, 18 sont disposées parallèlement les unes aux autres et connectées entre elles par la carte de liaison 19 équipée de connecteurs 20 dans l'exemple considéré et comme visible plus particulièrement sur la figure 4. La carte de liaison 19 peut ne distribuer que des petits signaux pour permettre l'échange d'informations entre les cartes 16, 17, 18 ainsi que les alimentations internes du système 8. La carte 16 de la partie régulateur 82 se trouve du côté du capot arrière 22 et la partie contrôleur 81 se trouve du côté de la partie avant 21. La partie avant 21 comporte l'interface utilisateur 27. La carte de puissance 16, appartenant à la partie régulateur 82 de tension; comporte la partie électronique de puissance et un connecteur 15, ou éventuellement plusieurs, dédiés aux alimentations des systèmes d'excitation SHUNT et/ou AREP et/ou PMG et à l'alimentation de l'inducteur d'excitatrice. La carte de communication 17, située entre la carte de puissance 16 et la carte de commande 18, est partagée par la partie régulateur 82 et la partie contrôleur 81, reçoit le 30 port USB 9 dédié au paramétrage du système, le bus CAN 6 et les connecteurs 13 dédiés aux mesures des tensions d'alternateur et de réseau ainsi que des courants d'alternateur. En variante, ces connecteurs 15 dédiés aux mesures de tension et de courants peuvent se situer tous ou en partie sur la carte de puissance 16 et/ou la carte de commande 18. La carte de communication 17 comporte aussi les sorties logiques et entrées analogiques faibles signaux. Ces signaux permettent par exemple une surveillance de certains paramètres du groupe tels que le niveau de carburant et la température du liquide de refroidissement. La carte de commande 18, également partagée entre les deux parties 81 et 82 est affectée à toutes les commandes réalisées par les boutons 29 depuis l'interface utilisateur 27 ainsi qu'à l'afficheur 11 et à l'alarme, par exemple un buzzer, le cas échéant. La connexion de ces trois cartes 16, 17, 18 est réalisée avec la carte de liaison 19 équipée de connecteurs PCI express 20 via des pistes 14 de circuit imprimé. Cette carte de liaison 19 est orientée perpendiculairement à l'empilement des trois cartes 16, 17 et 18 et les connecteurs PCI express 20. Toute autre réalisation utilisant un nombre plus ou moins important de cartes électroniques rentre dans le cadre de la présente invention. Par exemple, la carte 17 de communication peut être supprimée. Dans ce cas, les connecteurs 6, 9, 13 portés par cette carte sont par exemple répartis sur la carte 16 de puissance et la carte 17 de commande. En outre, toute autre répartition entre les différentes cartes des fonctions ci- dessus, entre dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1. Système (8) de contrôle et de régulation d'un groupe électrogène (1) comprenant un alternateur (3) mécaniquement accouplé à un moteur (2) d' entrainement, l'alternateur comportant une boîte à bornes (4) portée par un carter (5) et dans laquelle sont présentes des connexions électriques reliées aux bobinages de l'alternateur; le système (8) comportant une partie contrôleur (81) du groupe électrogène (1) et une partie régulateur (82) assurant la régulation d'une tension de sortie de l'alternateur (3), la partie régulateur de tension (82) étant située en dehors de la boîte à bornes (4) et solidaire de la partie contrôleur (81) du groupe. 2. Système selon la revendication précédente, la partie contrôleur (81) et la partie régulateur (82) étant situées dans un même boitier (10) 3. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, la partie régulateur (82) comportant au moins un radiateur (23) pour le refroidissement des éléments de puissance alimentant un inducteur d'excitatrice de l'alternateur (3), le ou les radiateurs étant de préférence contenus dans le boîtier (10) défini à la revendication 2. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une interface utilisateur (27), cette interface se situe de préférence sur une façade du boîtier (10) de la revendication 2. 5. Système selon la revendication précédente, l'interface utilisateur (27) comportant un afficheur (11) de paramètres électriques, thermiques et/ou mécaniques du groupe électrogène (1) et un ou plusieurs boutons de contrôle (29). 6. Système selon la revendication précédente, l'interface utilisateur (27) étant réalisée de telle sorte que le ou les boutons de contrôle (29) permettent d'accéder à un menu de paramétrage de la partie régulateur (82). 7. Système selon la revendication précédente, les paramètres accessibles de la partie régulateur (82) étant choisis parmi tout ou partie des paramètres suivants: - la stabilité de la régulation de tension, - la pente de montée en tension en fonction de la fréquence de rotation du groupe (U/f), - la sélection de la fréquence de fonctionnement entre 50 Hz, 60 Hz, et éventuellement toute autre fréquence inférieure ou égale à 500 Hz- la sélection d'une plage de tension de fonctionnement, de préférence jusqu'à 30kV. - le courant et ou la tension d'excitation 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, la partie contrôleur (81) du groupe et la partie régulateur (82) comportant des cartes électroniques (16, 17, 18), de préférence au moins une carte de puissance (16), une carte de communication (17), une carte de commande (18). 9. Système selon la revendication 8, la ou les différentes cartes (16, 17, 18) de la partie contrôleur (81) du groupe et celle(s) de la partie régulateur (82) étant connectées entre elles par une carte (19) de liaison équipée de connecteurs (20), notamment de type PCI express. 10. Système selon la revendication 9, la carte de liaison (19) étant orientée perpendiculairement aux autre cartes (16, 17, 18), ses connecteurs (20) venant de préférence s'engager sur des pistes (14) de circuit imprimé de ces cartes (16, 17, 18). 11. Système selon l'une des revendications 8 à 10, au moins l'une (17) des cartes comportant des connecteurs de périphériques, de type USB (9) et/ou de type bus CAN (6), et/ou des connecteurs (15) dédiés aux mesures de paramètres électriques, thermiques et/ou mécaniques du groupe électrogène et/ou du réseau. 12. Système selon la revendication 8, la carte de communication (17) étant située entre la carte de puissance (16) et la carte de commande (18). 13. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, comportant au moins une carte (17, 18) partagée par les partie contrôleur (81) et la partie régulateur (82). 14. Système selon les revendications 11 et 12, les connecteurs de périphériques (6, 9) et/ou les connecteurs (15) dédiés aux mesures de paramètres électriques, thermiques et/ou mécaniques du groupe électrogène (1) et/ou du réseau, étant situés sur la ou les cartes (17) partagées. 15. Groupe électrogène équipé d'un système de contrôle et de régulation tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, la puissance du groupe étant de préférence supérieur ou égale à 5 kW.