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Système de commande .
L'invention concerne les systèmes de commande en général et plus particulièrement des systèmes électriques utilisant des élé- ments électroniques.
L'invention telle qu'elle est représentée au dessin annexé sert à la régulation de la vitesse d'un moteur. Cette application n'est donnée qu'à titre exemplatif. L'invention est d'application très étendue et peut être utilisée dans de nombreux cas variés.
Les systèmes de régulation des moteurs utilisent fréquemment une génératrice pour alimenter le moteur, et un amplificateur du type électronique pour régler l'excitation de l'inducteur de la génératrice en fonction d'une certaine donnée de fonctionnement du moteur, par exemple, décalage de la vitesse du moteur, courant du moteur, etc.
Des signaux supplémentaires peuvent être appliqués contre le "pompage". Pour des moteurs puissants, on peut utiliser une génératrice principale pour alimenter le moteur et une petite
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génératrice de régulation commandée par l'amplificateur peut être employée pour exciter la génératrice principale'
Le signal d'erreur, ensemble avec 'd'autres signaux utilisés dans un système déterminé, est ordinairement appliqué aux bornes de résistances série individuelles placées dans le circuit de grille de l'étage d'entrée de l'amplificateur.
Bans les systèmes de comman- de de moteurs du type décrit ci-dessus dans sa généralité, cette disposition entraîne souvent des difficultés à cause de résistances de fuite par manque d'isolement entre les enroulements inducteurs et l'induits de la ou des génératrices du système. Dans de tels systèmes, la tension d'alimentation de l'amplificateur et une par- tie de la tension de sortie sont appliquées entre les enroulements d'inducteur et d'induit de la génératrice. Cette tension peut être de l'ordre de plusieurs centaines de volts, de sorte qu'il peut y avoir un courant de fuite appréciable passant dans la résistance de fuite.
Vu la disposition des connexions des circuits, ce courant peut parcourir aussi les résistances série du circuit de grille de l'étage d'entrée de l'amplificateur et provoquer des chutes de tension supplémentaires aux bornes des résistances précitées entrai- nant l'oscillation du système et de l'imprécision dans la régulation.
Le but principal de l'invention est de créer un système de régulation dans lequel des variables indésirables du système, comme des courants étrangers au système, restent confinées dans des cir- cuits à basse impédance, l'effet de tels courants sur le fonctionne- ment du système étant ainsi rendu négligeable.
A cette fin, l'invention consiste essentiellement en un système de régulation pour une grandeur à commander, comprenant un dispositif répondant à cette grandeur de manière à produire une tension de régulation, un dispositif répondant'à cette tension de régulation dans le but de produire une paire de tensions variant en opposition, et un dispositif répondant à la différence entre ces tensions variant en opposition pour régler la grandeur qui doit être
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Deux formes d'exécution choisies de l'invention sont re- présentées à titre d'exemple au dessin annexé.
La figure 1 représente un système de commande pour un mo- teur, conforme aux principès de l'invention.
La figure 2 donne une variante pour une partie du circuit de la figure 1.
Le régulateur électronique représenté à la figure 1, est du type proportionnel c'est-à-dire que l'effet de régulation est tou- jours proportionnel au signal d'erreur. Dans le cas présent, la grandeur à régler est la vitesse d'un moteur M et le signal d'erreur est rendu proportionnel à une tension. Ceci se fait au moyen d'une génératrice de courant continu, définie ici comme la génératrice pilote P , ayant un inducteur PGF excité par une source de tension constante. La génératrice pilote est entraînée par le moteur M.
La tension de sortie de la génératrice PG varie linéairement avec sa vitesse et est donc une indication précise de la vitesse réelle du moteur. La tension de la génératrice pilote PG est comparée à une tension de référence qui apparait aux bornes d'une partie ré- glable d'une résistance R9 et la différence de tension résultante constituant le signal d'erreur, aussi dénommé "signal d'entrée", est appliquée à l'étage d'entrée d'un amplificateur électronique à deux étages servant à produire l'impulsion de correction nécessai- re à rétablir la vitesse du moteur à une valeur déterminée.
La résistance R9 est mise en série avec deux résistances
R16 et R21 entre deux conducteurs P et N qui amènent le courant continu d'alimentation pour l'amplificateur électronique. La résis- tance R9 est shuntée par un tube de régulation de tension classique
5 de manière que son extrémité A ait un potentiel pratiquement in- variable.
L'étage d'entrée de l'amplificateur est représenté par une double triode 1, tandis que deux tubes amplificateurs 3 et 4 ser- ' vent d'étage de sortie à l'amplificateur.
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Le moteur M reçpit son courant de la génératrice G représen- tée comme ayant un inducteur simple GF. On peut cependant employer un système inducteur convenable quelconque. L'inducteur MF du mo- teur peut être connecté à une source convenable de courant continu constant. Le moteur et la génératrice étant connectés en série dans l'exemple donné, le réglage de la vitesse s'effectue par variation de la tension d'induit.
L'inducteur GF de la génératrice est excité par une généra- trice de régulation RG. Comme indiqué, cette génératrice est du type série avec un enroulement inducteur série RSF et une paire d'enrou- lements inducteurs de commande RCF1 et RCF2 montés en opposition .
Dans des applications de ce genre, les génératrices du type de la RG ayant des enroulements inducteurs shunts sont souvent employées, au lieu de l'inducteur série représenté. Les deux génératrices G et RG sont entraînées par un moteur à vitesse constante CSM.
Comme le système de régulation est du type proportionnel, la vitesse du moteur doit être corrigée pour n'importe quel écart de la vitesse pour laquelle le système est réglé. Il ne peut pas y avoir de zone morte appréciable. En conséquence, la génératrice de régulation doit exciter convenablement l'inducteur GF de la géné- ratrice G de manière à maintenir la vitesse désirée dans toute la gamme des erreurs de vitesse y compris l'erreur zéro et doit, pour cela, maintenir son débit au niveau nécessaire quand l'excitation de ses inducteurs de commande est nulle ou quand l'excitation diffé- rentielle de ceux-ci est nulle en fonction d'une erreur de vitesse nulle.
Dans ce but, la génératrice RG est à auto-excitation et est réglée de façon à fonctionner sur sa caractérisque non saturée.
En d'autres mots, la pente de la carac téristique résistive du cir- cuit de charge de la génératrice de régulation est réglée de façon à être pratiquement tangente à la partie droite initiale de la carac- téristique de tension à vide de la machine. Ceci donne une carac- téristique de fonctionnement avec laquelle la génératrice peut avoir
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une tension de sortie n'importe où le long des courbes tangentes et le point de fonctionnement est déterminé par l'action de l'induc- teur de commande.
A titre d'exemple, si la vitesse du moteur baisse, le signal d'erreur de vitesse se matérialisant sous la forme de courant dans le système inducteur de commande amène le débit de la génératrice de régulation à un niveau plus élevé et revient à zéro au fur et à mesure du rétablissement de la vitesse du moteur à un niveau déterminé; à ce moment, la génératrice de régulation, à cause de son auto-excitation, maintient le débit nécessaire pour garder la vitesse du moteur constante. Un effet inverse se produit quand la vitesse du moteur croît. De telles génératrices de régu- lation sont bien connues.
Les inducteurs de commande RCF1 et RCF2 de la génératrice de régulation sont excités par les courants anodiques des tubes de sortie 3 et 4. Ces tubes sont montés en push-pull et connectés aux conducteurs d'alimentation positif et négatif P et N, une résistan- ce réglable R1 dans le circuit cathodique des deux tubes servant à établir la tension de service appropriée pour l'étage de sortie.
Les tubes 3 et 4 sont commandés par la. double triode 1 au moyen de leurs grilles 3g et 4g reliées respectivement aux circuits plaque de gauche et de droite du tube 1, comme indiqué, la connexion de la grille 3g comprenant une résistance R2 et celle de la grille 4g une résistance R3, les résistances R2 et R3 étant égales.
Le tube 1 est connecté aux conducteurs d'alimentation posi- tif et négatif P et N, le circuit de cathode comprenant une résistan- ce série R4 pour déterminer la tension de fonctionnement appropriée pour l'étage d'entrée de l'amplificateur. Les circuits de plaque de gauche et de droite comprennent respectivement les résistances R5 et R6 dont les extrémités éloignées des plaques sont reliées aux ,bouts opposés d'un potentiomètre P7; dont la prise variable est connectée au conducteur positif P par l'intermédiaire d'une résistan- ce Rg. Le potentiomètre P7 sert à régler les deux circuits du tube 1 de manière à obtenir les caractéristiques de commande désirées, qui , dans le cas présent, consistent dans l'équilibrage
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des inducteurs de commande RCF1 et RCF 2 pour une erreur de vi- tesse nulle.
L'action du tube régulateur de tension 5 tendant à main- tenir une tension constante entre ses électrodes, garde le potentiel du point A pratiquement constant. La grille 1R de la partie de droite du tube 1 est reliée au point A par une résistance R12, tandis que la grille IL de la partie de gauche du tube 1 est reliée à la borne positive B de la génératrice pilote PG. L'autre borne de la génératrice pilote est reliée à une prise variable T9 sur la ré- sistance R9. La tension entre les bornes A et B est la tension d'en- trée de l'amplificateur et est égale à la différence entre une ten- sion de référence réglable (A-T9) et une tension (T9-B) proportion- nelle à la vitesse du moteur M.
De plus, il existe une tension de polarisation négative de grille habituelle qui est la même pour les deux grilles IL et lR et est égale à la différence entre les chutès de tension aux bornes des résistances R9 et R4.
Quand la tension d'entrée entre les points A et B est nulle, les deux grilles IL et 1R ont le même potentiel et les courants de plaque sont égaux, donnant une différence de potentiel zéro entre les deux plaques du tube 1. Si la tension de la grille IL monte au-dessus du potentiel du point A à cause d'une tension d'entrée,' le courant plaque de la section de gauche du tube 1 augmente, aug- mentant la chute de tension aux bornes de la résistance de cathode
R4 et faisant monter le potentiel de cathode par rapport à la ligne négative N. La variation résultante de la tension grille-cathode pour la partie de gauche du tube 1, est égale à la tension d'entrée moins la variation en chute de tension aux bornes de la résistance de cathode R4.
Quand le potentiel de cathode de la partie de gauche monte, le potentiel de cathode de la partie de'droite du tube 1 monte de la même quantité, parce que les cathodes des parties gauche et droite du tube sont réunies. Par conséquent, comme la grille 1R est au potentiel fixe du point A, la tension grille-cathode (tension ,de polarisation de grille) de la partie de droite du tube 1 devient
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plus négative d'une quantité, qui est égale à l'augmentation de chute de tension aux bornes de la résistance de cathode R4. La diminution de courant plaque qui en résulte dans la partie de droi- te du tube tend à rétablir le courant qui passe dans la résistance de R4 à sa valeur première.
Si la valeur ohmique de la résistance
R4 est élevée, soit de l'ordre des résistances R5 et R6 et les parties associées du potentiomètre P7; la variation résultante du courant dans la résistance R4 est petite et la variation résultante dans chaque tension grille-cathode est approximativement égale à la moitié de la tension d'entrée. Dans ce cas, les variations de la tension de' sortie aux bornes des résistances R5, R6 et des par- ties associées du potentiomètre R7 sont approximativement égales en amplitude mais de signes opposés.
L'invention a pour avantage d'avoir des circuits de grille pour les deux parties du tube 1 essentiellement symétriques, sauf en ce qui concerne la tension d'entrée appliquée à la grille IL.
Donc n'importe quelle grille peut être utilisée pour le signal d'er- reur, et s'il faut adapter deux signaux, comme dans le cas d'un régulateur où les signaux de contre-réaction ou d'anti-pompage sont essentiels, on peut utiliser les deux grilles, une pour chaque signal.
A titre d'exemple, une tension de contre-réaction peutêtre prise au circuit d'induit de la génératrice de régulation RG pour main- tenir le système stable (caractéristique d'anti-pompage). La ten- sion du circuit d'induit de la génératrice RG est alors appliquée aux bornes d'une résistance R10 et une partie prélevée déterminée de celle-ci est appliquée aux bornes D et C d'une résistance R11, la borne C étant reliée à la borne A, pour commander la grille 1R.
Ce circuit de grille comprend en plus un condensateur C1 connecté entre une prise variable Tll de la résistance Rll et la grille
1R, de sorte que le condensateur Cl et la résistance de grille
R12 sont mis en série entre les bornes Tll et C. Normalement, le , condensateur Cl est chargé à la tension existant entre Tll et C,
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et aucun courant ne parcourt la résistance R12, de sorte que la grille 1R est au potentiel du point A, comme exposé ci-dessus.
Cependant, quand la tension entre Rll et C change pendant une opération de régulation, un courant instantané traverse la résis- tance R12, ce qui fait dévier temporairement le potentiel de la grille 1R, du potentiel fixe du ppint A. La tension apparaissant aux bornes de la résistance de grille R12 dans le circuit de la grille lR et due au condensateur C1, est une fonction du degré de variation de la tension du circuit d'induit de la génératrice de régulation, et peut être proprement définie comme signal d'anti- pompage. Celui-ci affecte la grille 1R et indirectement la grille IL comme il a été décrit pour l'application de la tension d'entrée à la grille IL. La sortie du premier étage comprenant la double triode
1 est donc proportionnelle à la somme de la tension de signal d'er- reur et de la tension d'anti-pompage.
Celle-ci est appliquée avec une polarité telle que son effet sur la sortie du tube 1 est opposé à celui de la tension d'entrée appliquée à la grille IL, et l'effet d'amortissement ainsi produit diminue la vitesse de l'opération de régulation, dans le but final d'empêcher le système d'osciller (pompage).
Au lieu d'utiliser la combinaison résistance-capacité R12
Cl, on ,peut obtenir le même effet avec un transformateur dont le secondaire remplace la résistance R12 et dont le primaire est mis aux bornes soit de la résistance Rll, de la résistance R10 ou du circuit d'induit de la génératrice de régulation.
Le grand avantage de cette disposition est que les bornes
A et C sont communes et à un potentiel constant par rapport aux tensions de signal et d'anti-pompage On remarquera que des courants de fuite à travers l'isolement entre inducteur et induit de la gé- nératrice de régulation RG ne peuvent passer que par les bornes
C et D. Celles-ci sont d'ordinaire reliées soit au circuit d'induit de cette génératrice soit à une résistance en série avec lui, ces deux éléments ayant une résistance très faible habituellement de
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l'ordre de 5 à 100 ohms. La chute de tension aux bornes de C et D par les courants de fuite qui sont d'ordinaire de l'ordre de quel- ques microampères, est donc tellement faible qu'elle a un effet négligeable sur le système.
De plus, le circuit de courants de fuite dans l'amplificateur derrière la borne C ne comprend pas d'éléments directement dans les circuits de grille du tube 1, pour la raison qu' un chemin de basse impédance vers le côté négatif N de l'alimenta- tion se présente à travers le tube 5, par exemple. Les essais faits sur le présent système de régulation montrent que l'effet de résis- tances d'isolement aussi.-faibles que 50. 000 ohms est insignifiant.
D'habitude; les résistances d'isolement sont de l'ordre de plusieurs megohms.
La fonction du système décrit jusqu'ici est de maintenir le moteur à vitesse constante pour n'importe quelle position du curseur T9 de la résistance R9. Si la vitesse du moteur M diminue, la tension de la grille IL est abaissée provoquant une réduction de courant dans la partie gauche du tube 1. Simultanément, la chute du potentiel de cathode, qui en résulte, a pour effet de remonter la tension grille-cathode de la partie de droite du tube 1. Il s'ensuit une augmentation de tension plaque de la partie gauche du ' tube et une diminution de tension plaque correspondante dans la partie droite du tube rendant la grille 3g plus positive et la grille
4g plus négative.
Par conséquent, l'inducteur de commande RCF1 véhicule un courant plus élevé que RCF 2, et pour le cas considéré, l'excitation prédominante de l'inducteur RCF 1 produit une compo- sante de flux dans la génératrice de régulation RG dont le débit augmente, de ce fait. Entretemps, l'effet d'amortissement de la commande d'anti-pompage, répondant au degré de variation de la ten- sion du circuit d'induit de la génératrice de régulation, intervient pour maintenir le système stable.
Lorsqu'on approche de l'erreur zéro, l'excitation diffé- rentielle des inducteurs de commande de la génératrice de régulation
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RCF1 et RCF2 diminue et toute tendance de la génératrice de régula- tion à dépasser l'équilibre est instantanément annihilée par une in- version de son excitation due à une élévation du potentiel, de la grille IL ce qui abaisse le potentiel de la grille 3g tandis que la tension de la grille 4g remonte. L'excitation différentielle pro- vient alors de la prédominance de l'inducteur de commande RCF2 ten- dant à diminuer le débit de la génératrice de régulation RG.
En pratique, il est souvent intéressant de pouvoir faire fonctionner un moteur tel que M dans une gamme de vitesses étendue.
Le dispositif de réalisation peut prendre unex diverses formes.
Une disposition simplifiée consiste en le maniement du curseur T9 sur la résistance R9, comme indiqué. En réglant le curseur T9 sur la résistance R9, on peut augmenter ou diminuer la vitesse du mo- teur à cause du changement advenant, après ce réglage, dans la tension de sortie de la génératrice pilote PG nécessaire. Si la vitesse varie rapidement, soit à cause de tels réglages soit à cause de variations dans la charge du moteur, le courant circulant dans le circuit d'induit de la génératrice G et du moteur M peut atteindre une valeur excessive. Dans de tels cas, une commande appropriée de limitation de courant est indispensable.
Le circuit comprenant la double triode 2 fournit une telle commande de limitation de courant. Une indication du courant du mo- teur est obtenue, par exemple, par la chute de tension aux bornes de l'inducteur série ou de commutation MSF du moteur. Cette tension est appliquée aux bornes E et F d'une résistance R13, dont une par- tie prélevée contenant la borne E est appliquée à un réseau symé- trique de redresseurs et de résistances, comprenant les résistances
R14 et R 15, et est reliée aux grilles 2L et 2R d'une double triode
2 de façon à faire partie des tensions de polarisation appliquées à celles-ci. La prise médiane H de ce réseau est reliée au point de potentiel constant A.
Dés polarisations au-delà du cut-off sont , obtenues en reliant les cathodes du tube 2 à un point de potentiel
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au-dessus de A, sur une résistance R16. Le courant circulant dans le circuit d'induit du moteur provoque des chutes de tension aux bornes des résistances R14 et R15. Pour un sens du courant, la chute de tension aux bornes de R14 s'oppose à la tension entre la,prise sur R16 et le point H, élevant donc le potentiel de la grille 2L par rapport à sa cathode, tandis que la chute de tension aux bornes de R15 a la même polarité que la tension entre la prise sur R16 et le point H, diminuant donc le potentiel de la grille 2R par rap- port à sa cathode.
On voit donc que, pour chaque sens d'écoulement du courant dans le circuit d'induit du moteur, une des grilles du tube 2 sera portée à un potentiel plus élevé par rapport à sa ca- thode tandis que l'autre potentiel de grille est rabaissé. Si le courait d'induit dépasse une certaine valeur déterminée par le ré- glage de la prise de la résistance R16, l'une ou l'autre des grilles
2L ou 2R verra son point de fonctionnement ramené en-deçà du cut- off, cette partie du tube 2 devenant conductrice, de ce fait.
L'alimentation de la tension plaque du tube 2 passe par les résistances R2 et R3 qui relient les plaques du tube 1 aux grilles
3g et 4g. La tension aux bornes de la résistance R2 ou R3 due au courant plaque passant dans la partie associée du tube 2 s'oppose à celle due à la partie correspondante du tube 1 et cette tension dépasse celle due au tube 1. La commande de limitation de courant peut donc polariser une des grilles 3g ou 4g., suivant le sens d'é- coulement du courant de l"induit du moteur, dans un sens tel que l'on maintient le courant d'induit du moteur dans des limites permises. Pour des courants d'induit de sens opposé, c'est l'autre grille de limitation de courant qui commandera le système.
Les redresseurs 16 et 17 limitent les chutes de tension aux bornes des résistances R14 et R15 quand ces tensions ont une polarité telle qu"elles s'ajoutent à la tension dérivée de R16.
Bonc, si le courant d'induit a un sens d'écoulement tel que la bor- . ne de gauche de la résistance R14 est positive, par exemple, la
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tension aux bornes de R14 est assez élevée, alors que celle de
R15 est très petite à cause de l'effet de shunt du redresseur
17 pour les courants de la polarité supposée. Pour des courants d'in- duit de sens opposé, les conditions inverses se présenteront. Les redresseurs doublent donc approximativement la sensibilité au courant limite. Si la sensibilité est suffisante, ils peuvent toutefois être omis. Les courants de fuite d'isolement peuvent passer par les bornes E et F et les résistances R14 et R15 shuntant les redresseurs.
Ces résistances ont une valeur ohmique suffisam- ment faible pour que n'importe quelles tensions apparaissant à leurs bornes par les courants de fuite. n'aient qu'un effet insi- gnifiant sur l'opération de limitation de courant. Ici aussi,, comme le point milieu H entre les résistances R14 et R15 est com- mun aux bornes A et C, les courants de fuite ne passent pas par des éléments dans d'autres circuits de grille.
La résistancecathodique commune Rl aux tubes de sortie 3 et 4 a une valeur ohmique assez importante et son effet est compa- rable à celui de la résistance R4 du tube 1, l'action de l'étage de sortie étant semblable à celle de l'étage d'entrée. Ainsi, quand les tensions de signal appliquées aux grilles 3g et 4g sont désséquilibrées, comme par le circuit de limitation de courant, les variations dans les deux courants plaque restent bien équili- brées, comme il a été décrit pour le fonctionnement du tube 1.
La figure 2 montre une variante pour le circuit cathodique de la figure 1. On utilise des résistances de cathode individuelles
R17 et R18, et une résistance de commande de variation de gain R19 est connectée entre les bouts des résistances proches des cathodes.
On obtient un gain minimum quand la résistance de commande de gain R19 est maximum.
Quoique l'invention ait été représentée dans un système de régulation à cycle fermé, il est clair qu'un système de circuits tel que celui contenant le tube 1 peut être appliqué aussi bien à
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des sytèmes à cycle ouvert ou, plus généralement, peut être employé comme un amplificateur dans un système électrique dans lequel il faut combiner plusieurs grandeurs indépendantes pour produire une seule quantité de sortie.
La description précédente montre que l"invention produit un système de régulation qui répond naturellement à grande vitesse à des variables du système qui doivent être réglées, mais qui est déjà relativement exempt de pompage. De plus des courants exté- rieurs d'une partie du système sont confinés dans des circuits à basse impédance et ne passent pas par les éléments de commande dans les circuits de grille d'autres parties du système. L'amplifi- cateur électronique compris dans le système de régulation a ses cir- cuits de grille isolés électriquement en fait, de sorte qu"il reste pratiquement insensible aux grandeurs électriques du système, dont l'amplificateur fait partie, sauf les impulsions de commande lui appliquées.
REVENDICATIONS ---------------------------
1.- Système de régulation pour une grandeur qui doit être commandée, comprenant un dispositif (PG) répondant à cette grandeur pour produire un potentiel de régulation (A-B), un dispositif (1,3,4) répondant à ce potentiel de régulation pour produire une paire de tensions variables opposées, et un dispositif (RCF1, RCF2) répondant à la différence entre ces tensions variant en opposition pour ré- gler la grandeur à commander.