Brevet FR3154889A1 — publié le 20250502

Système d’alimentation d’un moteur électrique pour l’entraînement d’une machine mécanique rotative à forte variation de couple sur un tour, le système comprenant un dispositif d’alimentation fournissant un courant alternatif dont l’intensité (Iv) varie proportionnellement au couple exercé par le moteur. Le système comprend un dispositif de régulation de la puissance fournie au moteur, le dispositif de régulation fournissant une tension alternative (Uv) asservie au courant (Iv) et en opposition de phase avec le courant (Iv). Figure pour l’abrégé : Fig.3 Pilotage, par un moteur électrique, d’une machine mécanique à forte variation de couple sur un tour. La présente invention concerne le pilotage, par un moteur électrique, d’une machine mécanique rotative à forte variation de couple sur un tour. L’invention se rapporte plus particulièrement au domaine des machines à froid, notamment celles pour détecteurs à infrarouge. Etat de la technique antérieure Les machines mécaniques rotatives à forte variation de couple sur un tour sont employées dans différents domaines, pour des fonctions nécessitant des efforts par intermittence. Dans le domaine du froid, les machines rotatives sont parfois utilisées pour alternativement comprimer un fluide gazeux et permettre sa détente. C’est notamment le cas pour la mise en œuvre du cycle thermodynamique de Stirling, cycle qui se traduit par une alternance de compressions et de détentes d’un gaz dans un circuit fermé. Une machine qui applique le cycle de Stirling comprend notamment un piston destiné à comprimer le gaz dans une chambre de compression. Avec une bielle, le piston forme un ensemble entraîné par un vilebrequin. Celui-ci est animé d’un mouvement circulaire, par un moteur électrique, et impose au piston un mouvement alternatif rectiligne par l’intermédiaire de la bielle. Étant donné que le cycle de Stirling comprend quatre étapes, le piston est entrainé par le moteur de façon que la machine effectue successivement les quatre étapes. Ainsi la machine provoque une compression du gaz dans la chambre de compression, un transfert vers une chambre de détente du gaz comprimé, une détente du gaz dans ladite chambre, puis un transfert du gaz détendu vers la chambre de compression. Le gaz s’échauffe lors de la compression, et se refroidit lors de la détente. Les machines utilisant le cycle de Stirling permettent d’atteindre des valeurs de froid très basses, et de faire varier très rapidement la vitesse de refroidissement. Il suffit pour cela d’ajuster la fréquence des cycles, en ajustant la vitesse de rotation du moteur électrique. De fait, ces machines sont souvent utilisées pour des applications qui exigent des niveaux de froid très intenses, ou de la précision et de la réactivité dans la gestion du froid. Une application est celle de la régulation de température de certains détecteurs à infrarouge. Selon le cycle de Stirling, le gaz est fortement comprimé dans la chambre de compression. Il en résulte que la bielle encaisse des efforts alternatifs avec des extremums très importants, et que les variations de couple thermodynamique sur le vilebrequin sont corrélativement très importantes. Ces variations sont répercutées sur le moteur, lequel doit en conséquence fournir un couple d’entraînement dont les variations sont elles aussi très importantes. Dans les cas où le moteur est alimenté à tension constante, par exemple au moyen d’une batterie, la puissance électrique fournie varie dans de larges proportions parce que l’intensité du courant varie dans de larges proportions. Le réseau qui alimente la machine à froid doit faire face aux variations de puissance électrique consommée. Parfois cela peut poser problème. C’est le cas par exemple d’une machine de refroidissement à cycle de Stirling utilisée pour un détecteur à infrarouge à bord d’un aéronef. Le réseau électrique alimente divers composants qui contribuent au bon fonctionnement de l’aéronef. Dans ce cas, il est souhaitable de stabiliser la consommation de puissance électrique, c’est-à-dire de la rendre régulière, avec des variations faibles ou très faibles, pour plusieurs raisons. Par exemple, une consommation régulière d’électricité réduit, voire évite totalement, les perturbations électriques sur le réseau. En conséquence les composants du réseau, y compris un dispositif d’alimentation du moteur, sont préservés. Leur durée de vie et leur fiabilité sont meilleures. Une consommation régulière d’électricité limite aussi les valeurs maximales de puissance à fournir. Cela permet l’utilisation de composants plus petits, plus légers. C’est le cas par exemple pour le moteur. En pratique, pour limiter l’intensité maximale du couple électrique à fournir, et donc pour limiter les variations de puissance consommée sur un tour, des solutions ont été proposées. L’une d’elles consiste à assujettir un volant d’inertie au vilebrequin. Le volant accumule de l’énergie avant la compression du gaz, pour la restituer par inertie pendant la compression. L’énergie mécanique fournie par le volant s’ajoute à l’énergie électrique instantanée fournie par le réseau au moteur, jusqu’à ce que le gaz atteigne sa pression maximale. Il en résulte que le courant maximal est moins intense, par rapport à ce qu’il serait en l’absence de volant d’inertie. La variation de puissance consommée sur un tour est diminuée. Ce phénomène est visualisé par les figures 1 et 2, lesquelles font partie d’un jeu présenté plus loin. La FIG. 1 montre des évolutions d’énergies dans la machine, par un repère dont l’axe des abscisses Ox correspond au temps et dont l’axe des ordonnées Oy correspond à des intensités. La courbe Iv représente la variation de courant et la courbe Cv représente la variation de couple mécanique, lui-même lié aux variations de pression du gaz. Le courant électrique Iv varie proportionnellement au couple mécanique Cv, le courant et le couple étant forts ou faibles simultanément. La FIG. 2 montre l’impact de la variation d’intensité du courant Iv sur la puissance électrique Pv, par deux repères pour chacun desquels l’axe des abscisses Ox correspond au temps. Dans le repère de gauche, l’axe des ordonnées Oy correspond à la tension Uc d’alimentation du moteur. Cette tension Uc est constante. Dans le repère de droite, l’axe des ordonnées Oy désigne la puissance électrique Pv consommée par le moteur. Cette puissance Pv est variable, parce que la tension Uc est constante et que l’intensité Iv est variable. Il apparaît que la puissance Pv varie malgré la présence du volant d’inertie. De plus, le volant augmente la masse, l’encombrement et le coût de la machine. Une autre solution proposée, pour limiter les variations de puissance consommée sur un tour, consiste à utiliser un circuit électrique comprenant un ou plusieurs condensateurs. Mais cette solution présente l’inconvénient d’être encombrante ; elle exige des condensateurs de grande dimension parce que les fréquences de charge et de décharge sont faibles, liées aux vitesses de rotation de la machine à froid. Il existe donc un besoin d’amélioration de la gestion de la puissance électrique consommée sur un tour par une machine à froid. L’invention cherche à pallier les inconvénients précités et a pour but général de réduire, voire de supprimer totalement, les variations de puissance consommée sur un tour. L’invention cherche également à empêcher toute influence électrique néfaste, comme des appels de courant, des parasitages, ou autre. L’invention vise aussi à réduire la masse d’une machine à froid, à diminuer son encombrement, et à baisser ses coûts de fabrication et de maintenance. Un but encore de l’invention est d’atténuer, voire de faire disparaître, les effets perturbateurs des phénomènes mécaniques comme les vibrations, les chocs, ou autres. Pour ce faire, l’invention propose un système d’alimentation d’un moteur électrique pour l’entraînement d’une machine mécanique rotative à forte variation de couple sur un tour, le système comprenant un dispositif d’alimentation fournissant un courant alternatif dont l’intensité varie proportionnellement au couple exercé par le moteur. Le système comprend un dispositif de régulation de la puissance fournie au moteur, le dispositif de régulation fournissant une tension alternative asservie au courant et en opposition de phase avec le courant. La tension diminue lorsque le courant augmente et vice versa. La tension est à son niveau minimal lorsque le courant est à son niveau maximal, et la tension est à son niveau maximal lorsque le courant est à son niveau minimal. Les valeurs de tension sont établies pour que la puissance électrique obtenue permette le fonctionnement de la machine à froid. La puissance électrique consommée par la machine à froid est beaucoup plus stable. Un avantage qui en découle est la réduction significative de perturbations électriques sur le réseau. Des avantages subséquents sont la préservation des composants du réseau, et aussi une amélioration de leur durée de vie et de leur fiabilité. Un avantage encore est une limitation de la puissance électrique maximale à fournir, parce qu’elle permet l’utilisation de composants plus petits et plus légers. Une partie basse fréquence du dispositif de régulation régule une puissance moyenne en fonction d’un courant moyen, et une partie haute fréquence du dispositif de régulation régule la puissance moyenne en fonction d’un courant instantané. Cela permet un ajustement quasiment instantané de la valeur de tension adaptée. Il en résulte que l’opposition de phase entre le courant et la tension est effective quel que soit le niveau de sollicitation de la machine. La partie basse fréquence délivre une tension basse fréquence, la partie haute fréquence délivre une tension haute fréquence, une consigne de tension fournie par le dispositif de régulation étant la somme de la tension basse fréquence et de la tension haute fréquence. L’addition de deux valeurs de tension est une opération simple qui apporte de la fiabilité au pilotage du moteur. Sur la base de la tension finale est formée une consigne de tension destinée à un bloc d’élaboration de la tension de la machine à froid. La partie basse fréquence calcule d’abord une tension basse fréquence saturée, à partir d’une puissance saturée et d’un courant moyen saturé, pour ensuite obtenir la tension basse fréquence effective à partir d’une limitation de pente puis d’un filtrage de la tension basse fréquence saturée. Cette méthode permet des variations de tension progressives, sans à-coups, qu’elles soient rapides ou lentes. La partie haute fréquence détermine une rampe de pondération haute fréquence saturée et, en parallèle, calcule une tension haute fréquence de référence en soustrayant la tension basse fréquence effective à une tension haute fréquence théorique, laquelle est obtenue à partir d’une puissance saturée et d’un courant saturé, lui-même obtenu par extrapolation quadratique d’un courant mesuré, la rampe de pondération haute fréquence saturée et la tension haute fréquence de référence étant ensuite combinées pour obtenir la tension haute fréquence saturée, laquelle est soumise à une limitation de pente et à un filtrage, pour délivrer la tension haute fréquence effective. Cette méthode permet un équilibrage quasiment instantané de l’intensité du courant par la tension, pour une optimisation de la stabilisation de la puissance consommée. La régulation de la puissance pour la partie à basse fréquence se fait selon une valeur comprise entre 40 et 100 Hz, et la régulation de la puissance pour la partie à haute fréquence se fait selon une valeur égale ou supérieure à 4000 Hz. Des valeurs de 5000 à 10000 Hz ont donné de bons résultats. L’invention a également pour objet une machine à froid qui comprend un système d’alimentation d’un moteur électrique pour l’entraînement d’une machine mécanique rotative à forte variation de couple sur un tour, comme présenté avant. La machine met en œuvre le cycle thermodynamique de Stirling. Ce cycle permet l’obtention de niveaux de froid très bas, ou des ajustements de valeur de froid très rapides. Lors du fonctionnement de la machine, une température requise génère une consigne de vitesse de rotation du moteur, ladite consigne de vitesse générant elle-même une consigne de puissance électrique moyenne. Il existe une corrélation étroite entre la température et le fonctionnement du moteur. L’invention a encore pour objet un détecteur infrarouge comprenant une machine telle que présentée avant. Les performances d’une machine à froid mettant en œuvre le cycle de Stirling sont particulièrement adaptées à la stabilisation de température d’un capteur de machine à froid. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée avec un seul exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : FIG. 1 représente une variation d’un couple mécanique et une variation d’un courant électrique, pour une machine à froid selon l’art antérieur, FIG. 2 représente une tension et une puissance électriques pour la machine selon FIG. 1 , FIG. 3 représente une tension et une puissance électriques pour une machine à froid selon l’exemple de mise en œuvre de l’invention, FIG. 4 est un schéma qui présente globalement une régulation de puissance pour la machine selon FIG. 3 , FIG. 5 est un schéma qui détaille une partie basse fréquence de la régulation de FIG. 4 , FIG. 6 est un schéma qui détaille une partie haute fréquence de la régulation de FIG. 4 . Exposé détaillé d’un exemple de réalisation de l’invention Une machine à froid équipée d’un système d’alimentation selon l’invention est présentée sommairement sans figure. La machine met en œuvre le cycle thermodynamique de Stirling, par des successions de compressions et de détentes d’un gaz dans un circuit fermé. Pour cela la machine comprend notamment un piston destiné à comprimer le gaz dans une chambre de compression. Avec une bielle, le piston forme un ensemble entraîné par un vilebrequin. Celui-ci est animé d’un mouvement circulaire, par un moteur électrique, et impose au piston un mouvement alternatif rectiligne par l’intermédiaire de la bielle. À chaque tour de vilebrequin correspond un couple mécanique dont l’intensité varie beaucoup entre un maximum et un minimum. Lorsque le gaz est comprimé à la pression la plus élevée, le couple est maximal. À l’inverse, lorsque le gaz est détendu, le couple est minimal. Un moteur électrique de la machine entraîne le vilebrequin en rotation et, de ce fait, fournit un couple électrique qui équilibre le couple mécanique. Pour l’alimentation du moteur, un système de la machine comprend un dispositif d’alimentation qui fournit un courant alternatif Iv dont l’intensité varie proportionnellement au couple exercé par le moteur. Le courant Iv a été présenté avant à l’aide de la FIG. 1 . Le système comprend un dispositif de régulation de la puissance Ps fournie au moteur, le dispositif de régulation fournissant une tension alternative Uv asservie au courant Iv et en opposition de phase avec le courant Iv. La FIG. 3 montre l’impact de la variation de tension Uv sur la puissance électrique Ps, par deux repères pour chacun desquels l’axe des abscisses Ox correspond au temps. Dans le repère de gauche, l’axe des ordonnées Oy correspond à la tension Uv d’alimentation du moteur. Cette tension Uv est variable. Dans le repère de droite, l’axe des ordonnées Oy désigne la puissance électrique Ps consommée par le moteur. Cette puissance Ps est stable, presque constante, parce que la tension Uv est variable et que l’intensité Iv est variable de façon que la tension Uv et l’intensité Iv soient en opposition de phase. Il en résulte avantageusement que le réseau électrique qui alimente la machine à froid est sollicité de manière régulière. Cela préserve ses constituants, et permet aussi de dimensionner ces derniers à minima. Un composant plus petit est plus léger et moins encombrant. Comme le montre la FIG. 4 , pour piloter le moteur électrique de la machine à froid, une partie basse fréquence BF du dispositif de régulation régule une puissance moyenne Pc en fonction d’un courant moyen Imoy, et une partie haute fréquence HF du dispositif de régulation régule la puissance moyenne Pc en fonction d’un courant instantané I, lequel est mesuré. La valeur de puissance moyenne Pc est donnée par une consigne de puissance. Un gain G_HF compris entre 0 et 1 est appliqué à une tension haute fréquence U_HF délivrée par la partie haute fréquence HF. Cela permet un ajustement quasiment instantané de la valeur de tension adaptée. Une tension basse fréquence U_BF délivrée par la partie basse fréquence BF et la tension haute fréquence U_HF sont sommées pour former une consigne de tension Uc, laquelle est envoyée à un bloc d’élaboration de la tension Uv qui alimente le moteur de la machine à froid. Il en résulte que l’opposition de phase entre le courant Iv et la tension Uv est effectif quel que soit le niveau de sollicitation de la machine. Cette méthode permet un dosage de l’intensité du courant, pour une optimisation de la stabilisation de la puissance consommée. Comme le montre la FIG. 5 , la partie basse fréquence BF calcule d’abord une tension basse fréquence saturée U_BF_0, à partir d’une puissance saturée PC_sat et d’un courant moyen saturé Imoy_sat, pour ensuite obtenir la tension basse fréquence effective U_BF à partir d’une limitation de pente puis d’un filtrage de la tension basse fréquence saturée U_BF_O. La limitation de pente ajuste la tension basse fréquence saturée U_BF_O à une valeur U_BF_1, laquelle est filtrée pour fournir la tension basse fréquence effective U_BF. Cette méthode permet des variations de tension progressives, sans à-coups, qu’elles soient rapides ou lentes. Comme le montre la FIG. 6 , la partie haute fréquence HF détermine une rampe de pondération haute fréquence saturée Pond et, en parallèle, calcule une tension haute fréquence de référence U_HF_r en soustrayant la tension basse fréquence effective U_BF à une tension haute fréquence théorique U_HF_t, laquelle est obtenue à partir d’une puissance saturée PC_sat et d’un courant saturé I_sat, lui-même obtenu par extrapolation quadratique d’un courant mesuré I, la rampe de pondération haute fréquence saturée Pond et la tension haute fréquence de référence U_HF_r étant ensuite combinées pour obtenir la tension haute fréquence saturée U_HF_0, laquelle est soumise à une limitation de pente et à un filtrage, pour délivrer la tension haute fréquence effective U_HF. La limitation de pente ajuste la tension haute fréquence saturée U_HF_O à une valeur U_HF_1, laquelle est filtrée pour fournir la tension haute fréquence effective U_HF. Cette méthode permet des variations de tension progressives, sans à-coups, qu’elles soient rapides ou lentes. Le pilotage du moteur ci-avant présenté est mis en œuvre pour un détecteur infrarouge qui comprend notamment un capteur, un dispositif optique, et un diaphragme. Pour capter des images de manière précise et constante, le détecteur doit être maintenu à température constante, particulièrement au niveau du capteur. À cet effet, un écran froid est assujetti au capteur et refroidi par l’action de la machine à froid. Par exemple, un doigt relie la chambre de détente à l’écran. Le doigt et l’écran sont de bons conducteurs thermiques, comprenant des métaux, des alliages métalliques ou des matériaux équivalents. Bien évidemment, l’invention n’est pas limitée à l’exemple de réalisation et de mise en œuvre décrit précédemment, et comprend tous les équivalents techniques qui entrent dans la portée des revendications qui vont suivre. Système d’alimentation d’un moteur électrique pour l’entraînement d’une machine mécanique rotative à forte variation de couple sur un tour, le système comprenant un dispositif d’alimentation fournissant un courant alternatif (Iv) dont l’intensité varie proportionnellement au couple exercé par le moteur, caractérisé par le fait qu’il comprend un dispositif de régulation de la puissance fournie au moteur, le dispositif de régulation fournissant une tension alternative (Uv) asservie au courant (Iv) et en opposition de phase avec le courant (Iv). Système selon la revendication 1, dans lequel une partie basse fréquence (BF) du dispositif de régulation régule une puissance moyenne (Pc) en fonction d’un courant moyen (Imoy), et une partie haute fréquence (HF) du dispositif de régulation régule la puissance moyenne (Pc) en fonction d’un courant instantané (I). Système selon la revendication 2, dans lequel la partie basse fréquence (BF) délivre une tension basse fréquence (U_BF), la partie haute fréquence (HF) délivre une tension haute fréquence (U_HF), une consigne de tension (Uc) fournie par le dispositif de régulation étant la somme de la tension basse fréquence (U_BF) et de la tension haute fréquence (U_HF). Système selon la revendication 3, dans lequel la partie basse fréquence (BF) calcule d’abord une tension basse fréquence saturée (U_BF_0), à partir d’une puissance saturée (PC_sat) et d’un courant moyen saturé (Imoy_sat), pour ensuite obtenir la tension basse fréquence effective (U_BF) à partir d’une limitation de pente puis d’un filtrage de la tension basse fréquence saturée (U_BF_0). Système selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la partie haute fréquence (HF) détermine une rampe de pondération haute fréquence saturée (Pond) et, en parallèle, calcule une tension haute fréquence de référence (U_HF_r) en soustrayant la tension basse fréquence effective (U_BF) à une tension haute fréquence théorique (U_HF_t), laquelle est obtenue à partir d’une puissance saturée (PC_sat) et d’un courant saturé (Imoy_sat), lui-même obtenu par extrapolation quadratique d’un courant mesuré (I), la rampe de pondération haute fréquence saturée (Pond) et la tension haute fréquence de référence (U_HF_r) étant ensuite combinées pour obtenir la tension haute fréquence saturée (U_HF_0), laquelle est soumise à une limitation de pente et à un filtrage, pour délivrer la tension haute fréquence effective (U_HF). Système selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel la régulation de la puissance pour la partie à basse fréquence (BF) se fait selon une valeur comprise entre 40 et 100 Hz, et la régulation de la puissance pour la partie à haute fréquence (HF) se fait selon une valeur égale ou supérieure à 4000 Hz. Machine à froid, caractérisée par le fait qu’elle comprend un système selon l’une des revendications 1 à 6. Machine selon la revendication 7, laquelle met en œuvre le cycle thermodynamique de Stirling. Machine selon la revendication 7 ou 8, pour laquelle une température requise génère une consigne de vitesse de rotation du moteur, ladite consigne de vitesse générant elle-même une consigne de puissance électrique moyenne (Pc). Détecteur à infrarouge comprenant une machine selon l’une des revendications 7 à 9.