CH615632A5 - - Google Patents

Description

L'invention propose, comme cela va être plus amplement exposé dans la suite de la présente description, une solution très bien adaptée au problème posé.

Lorsque les machines fonctionnent en génératrices, le seul paramètre dont on dispose pour en régler la vitesse, est le courant débité par celles-ci.

Il faut donc régler le débit des deux machines pour que les intensités débitées déterminent leur vitesse respective, la s

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tension apparaissant aux bornes de la charge devant par ailleurs rester constante.

L'invention propose, là encore, comme cela va être développé dans la suite de la description, l'emploi d'une génératrice remplissant les conditions requises.

La solution proposée par la suite consiste à disposer en contre-rotation deux machines dynamo-électriques constituant volant d'inertie, chacune des machines comportant un rotor à aimants permanents qui constitue l'inducteur et un stator supportant les enroulements induits. Le stator peut être du type avec ou sans fer, la loi de commande obtenue étant en effet identique dans les deux cas.

Les éléments lourds des machines peuvent ainsi être situés sur le rotor, leur commande étant assurée par un procédé particulier de commutation des enroulements qui constitue l'une des caractéristiques essentielles de l'invention.

La connaissance des lois physiques qui régissent le comportement des machines permet d'établir les lois de commande qui produisent des couples perturbateurs qui peuvent être très faibles.

Les différentes phases de fonctionnement des deux machines sont définies par la revendication 1.

Un tel mode de fonctionnement présente un certain nombre d'avantages:

— les couples perturbateurs produits étant très faibles, le pilotage effectue des corrections peu fréquentes;

— le système étant autonome, une panne momentanée du pilotage ne compromet pas la mission, et cela tant au point de vue de l'accumulation ou de la restitution de l'énergie que de celui des couples appliqués au satellite;

— de même, l'écart de vitesse étant mémorisé dans l'électronique de commande, le pilotage n'a pas à effectuer de correction continue;

— enfin, la conception même de l'électronique de commande ne nécessite pas une refonte de l'électronique si la quantité d'énergie à stocker est différente car, dans un tel cas, seules les informations mémorisées dans les mémoires mortes et les dimensionne-ments des commutateurs de puissance seraient à reprendre.

La suite de la description va, d'une part, préciser une modalité de mise en œuvre de l'invention et, d'autre part, donner, à titre d'exemple, les moyens propres à mettre en œuvre un ensemble de deux roues contre-rotatives dont les caractéristiques techniques peuvent se résumer comme suit:

— Energie stockée par unité de masse d'installation 35Wh/kg

— Nombre de cycles de charge et de décharge ... théorique-

— Rendement à la décharge pour une ment tension de bord de 50 V 83%

— Puissance nécessaire à l'électronique 23 W

— Pertes dans une machine fonctionnant en moteur 20 W

— Pertes dans une machine fonctionnant en génératrice 30 W

— Profondeur de modulation (DOD) 76%

— Tension nominale de la machine 47 V

— Vitesse nominale de la machine 14400 t/mn

— Vitesse maximale de fonctionnement 42600 t/mn

— Vitesse minimale de fonctionnement 18000 t/mn

— Inertie du rotor d'une machine 0,4 kg/m2

— Moment cinétique différentiel créé par les machines 100 Nms

— Variation du moment cinétique différentiel +25%

— Couple maximal applicable bfê 0,036 <Nm<0,18

— Affichage de la correction de vitesse 10 bits+ (entrée pilotage) 1 bit de signe

— Protection contre les surcharges assuré

— Couple perturbateur en moteur

à charge nominale 2 x 10~4 Nm

— Couple perturbateur en génératrice

à décharge nominale 3 x 10-4 Nm

— Couple perturbateur en génératrice avec variation de charge de 25% 3 x 10"3 Nm

— Energie récupérable pour un ensemble de deux machines contre-rotatives 4,3 MJ

— Régulation de la tension en phase de récupération avec une variation de charge de

±30% +1%

Enfin, on décrira la partie électronique nécessaire au fonctionnement des machines, cette partie électronique étant dissociée en une électronique de commande et une électronique de traitement, elle-même comportant, d'une part, un ensemble de positionnement des commandes et, d'autre part, un ensemble de calcul.

Pour la clarté de l'exposé, on adoptera dans la suite de la description le système de notation exposé ci-après, pour désigner les différents paramètres mis en œuvre dans le procédé de régulation de la tension de bord et de pilotage d'un engin spatial, conforme à l'invention:

— <Bi, cù2, pour désigner respectivement les vitesses angulaires des deux machines;

— caTH, pour désigner la vitesse théorique moyenne des machines;

■— Acûi, A(ù2, pour désigner respectivement les écarts de vitesse des machines par rapport à «aTH;

— coTi, coTî, pour désigner les vitesses théoriques respectives des deux machines;

— Acoc, pour désigner l'écart de vitesse demandé par le satellite pour créer le couple.

A partir de ces notations, il est possible de déterminer le processus nécessaire à la mise en œuvre de l'invention, à savoir:

Dans la phase moteur en recherche de vitesse maximale:

a) Pour appliquer les commandes sur les moteurs:

Tenir compte à la fois de la loi théorique coTH de montée en vitesse et de l'écart instantané des vitesses Acoi, A<»2 commandé par le pilotage en faisant:

coi=roTH+Ami et a>2=toTH—Am2

b) Mémoriser l'écart des vitesses Acûi, A(a2 au moyen d'une intégration du signal d'erreur provenant du pilotage.

c) Pour appliquer sur les machines, des commandes tenant compte de Amc, réaliser:

— Couple SH (sens horaire)

Roue de la machine 1 ti :AtOi t2 :Acoi = Acoi + A(dc Roue de la machine 2 tj :Aco2

t2:Aa)2=Aa>2

— Couple SAH (sens antihoraire)

Roue de la machine 1 ti :Ami t2:A<Di=Affli Roue de la machine 2 ti :A<b2

t2:Ato2=Aû)2—Acoc d) Pour synchroniser l'application de la commande à la vitesse de la machine, utiliser la fréquence d'horloge Fr synchronisée sur la vitesse coi, ffl2 des machines.

Dans la phase générateur:

a) Pour appliquer les commandes sur les génératrices:

— Tenir compte à la fois de la loi théorique fflTH et de l'écart instantané de vitesse Affli, Aa>2 commandé par le pilotage en faisant:

coi=fflTH+Affli etco2=roTH—Aco2

b) Mémoriser l'écart de vitesse commandé Affli, Am2 au moyen d'une intégration du signal d'erreur provenant du pilotage.

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c) Pour appliquer sur les machines, des commandes tenant compte de Aö)c, réaliser:

— Couple SH (sens horaire)

Roue de la machine 1 ti :A(Di »

t2:Aa>1=Aco1 + —

2

Roue de la machine 2 ti:Aoû2 ^co t2 :AGÛ2 AÛ)2 H ~

2

— Couple SAH (sens antihoraire)

Roue de la machine 1 tj :A(»i «

tzîAw^Aû)!-^-2

Roue de la machine 2 ti :Aoo2 a„

t2:Aô)2=Acû2-J=^

2

c) Pour synchroniser l'application de la commande à la vitesse de la machine, utiliser la fréquence d'horloge Fr synchronisée sur la vitesse ûh, cù2 des machines.

d) Asservir constamment la fréquence d'horloge qui commande la loi de décroissance en vitesse, sur la tension de la barre alimentation.

Les caractéristiques, avantages et particularités de la présente invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-après en référence aux dessins schématiques annexés.

Sur ces dessins:

la fig. 1 est une représentation schématique du phénomène de base régissant la loi de commande en moteur conforme à l'invention d'une machine;

la fig. 2 est un schéma synoptique montrant l'asservissement dans le fonctionnement de deux machines montées en contre-rotation durant la phase d'accumulation d'énergie;

la fig. 3 est une vue schématique en perspective partielle montrant le positionnement des induits et des inducteurs d'une machine;

la fig. 4 est une vue schématique montrant la répartition de l'induction magnétique de la machine selon la fig. 3;

la fig. 5 est une vue schématique partielle montrant une partie élémentaire de la machine selon la fig. 3;

les fig. 6 et 7 sont des vues schématiques partielles montrant la répartition du flux d'un inducteur selon la fig. 5 et mettant en évidence le phénomène de commutation conforme à l'invention;

la fig. 8 est un diagramme montrant la variation du couple en fonction de la position de la commande des commutateurs;

la fig. 9 est un diagramme montrant la variation de la vitesse angulaire en fonction de la position de la commande des commutateurs;

la fig. 10 est un diagramme permettant de déterminer la vitesse réelle en fonction moteur;

la fig. 11 est un diagramme montrant la variation instantanée de la force contre-électromotrice totale dans la fonction moteur;

la fig. 12 est un diagramme montrant la variation instantanée du courant dans un moteur qui ne posséderait pas de self;

la fig. 13 est un diagramme montrant la variation instantanée réelle du courant dans la fonction moteur, c'est-à-dire possédant de la self;

la fig. 14 est une représentation schématique du phénomène de base régissant la loi de commande en génératrice d'une machine;

la fig. 15 est un schéma synoptique montrant l'asservissement dans le fonctionnement de deux machines montées en contre-rotation durant la phase de restitution d'énergie;

la fig. 16 est un diagramme représentant la position des quatre portes de prélèvement de l'énergie et leur durée respective, cela par rapport aux forces électromotrices instantanées présentées sur les bobines;

la fig. 17 est un diagramme représentant la course maximale de positionnement de la commande;

la fig. 18 est un diagramme représentant les forces électromotrices pouvant être obtenues en sortie de machine sans opération de filtrage;

la fig. 19 est un diagramme représentant le déplacement du point de fonctionnement en génératrice lors d'un changement de la commande;

les fig. 20 et 21 sont des diagrammes des signaux reçus par le capteur;

la fig. 22 est un diagramme montrant l'évolution des portes de commande sur variation des signaux capteurs;

la fig. 23 est un schéma représentant la disposition des capteurs; la fig. 24 est un graphique représentant l'allure de la force électromotrice dans une seule bobine;

la fig. 25 est un graphique représentant l'allure des signaux de commutation, et la fig. 26 est un graphique représentant l'allure des signaux de commutation après décodage.

la fig. 27 est un diagramme montrant un cycle de fonctionnement possible des machines;

la fig. 28 est un synoptique d'ensemble montrant la disposition des éléments nécessaires au fonctionnement des machines;

la fig. 29 est un schéma montrant la disposition des éléments formant l'électronique de commande;

la fig. 30 est un schéma des commutateurs de puissance;

les fig. 31 et 32 sont des synoptiques de fonctionnement, respectivement en moteur et en générateur;

les fig. 33 et 34 sont les schémas des détections de début de portes;

les fig. 35 et 36 sont les schémas des circuits des décompteurs; les fig. 37 et 38 sont les schémas des circuits des commandes de retard;

les fig. 39 et 40 sont les schémas des circuits de transformation de détection en commande;

la fig. 41 est le schéma du circuit du séquenceur;

la fig. 42 est le schéma du circuit de l'aiguillage du séquenceur; la fig. 43 est le schéma du circuit de l'unité arithmétique;

la fig. 44 est le schéma du circuit de calcul de ojTH;

la fig. 45 est le schéma du circuit de calcul de Fo;

la fig. 46 est le schéma du circuit de calcul de Arac;

la fig. 47 est le schéma du circuit de calcul du changement de régime de fonctionnement;

la fig. 48 est le schéma du circuit de calcul de Acûi ;

la fig. 49 est le schéma du circuit de calcul de Aa)2;

les fig. 50 et 51 sont des graphiques de fonctionnement en moteur, et les fig. 52 à 55 sont des graphiques de fonctionnement en générateur.

En partant de considérations générales, le synoptique de fonctionnement des machines doit tout d'abord tenir compte d'un certain nombre de paramètres.

Ainsi, et dans le cas de l'application du système en stockage d'énergie à un satellite du type géostationnaire, il faut remarquer que le temps d'éclipsé est essentiellement variable au cours d'une année.

Par ailleurs, la vitesse des machines en fin de charge doit rester dans une certaine plage, car la vitesse maximale est limitée par les caractéristiques mécaniques de la machine et la vitesse minimale est limitée par l'énergie récupérée. Or, le pilotage introduit dans le système des corrections qui peuvent faire glisser les vitesses des machines vers des valeurs limites.

Les différents cycles possibles de charge et de décharge d'un tel système sont donc constamment variables et l'asservissement doit permettre l'élaboration des informations: vitesse théorique, position de la commande et limitation contre les surintensités dans les cycles de stockage d'énergie et de restitution d'énergie.

Si l'on se reporte aux fig. 2 et 15, montrant le synoptique d'ensemble de l'installation de stockage et de restitution d'énergie avec pilotage, respectivement durant le fonctionnement en

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accumulation d'énergie et durant le fonctionnement en restitution d'énergie, on voit que les machines sont identiques, qu'elles fonctionnent en moteurs Ml, M2 dans le premier cas, ou en générateur Gl, G2 dans le deuxième cas, leur rotation s'effectuant en sens inverse sur un axe commun A.

Pour plus de clarté, on a représenté sur la fig. 2, en trait plein, les éléments utilisés en fonction accumulation d'énergie et, en trait interrompu, les éléments non utilisés durant cette phase et, sur la fig. 15, en trait plein, les éléments utilisés en fonction restitution d'énergie et, en trait interrompu, les éléments non utilisés durant cette phase.

En fonction d'accumulation d'énergie selon la fig. 2, chaque machine Ml ou M2 reçoit l'énergie électrique de générateurs solaires 1 à travers des commutateurs de puissance 2 et 3 qui assurent, à des instants déterminés, la commutation de la source sur les enroulements statoriques des machines.

Des systèmes de contrôle de vitesse 4 et 5 ont pour rôle de commander les commutateurs de puissance et cette commande est effectuée sur synthèse des informations: position, vitesse du rotor et ordres provenant d'un générateur de commande de vitesse 6.

Le générateur 6 délivre les ordres permettant d'imposer les vitesses de fonctionnement des moteurs; ces ordres étant obtenus après traitement des informations: signal de dépointage Sdp, vitesse du rotor et loi de montée en vitesse. En fonction de récupération d'énergie selon la fig. 15, chaque générateur Gl ou G2 fournit de l'énergie à une charge 7 qui est constituée par les équipements de bord du satellite. Les commutateurs de puissance 2 et 3 sont les mêmes que ceux utilisés dans la fonction accumulation d'énergie et assurent la commutation de la source d'énergie 1 sur les enroulements à chaque instant désiré.

Des systèmes de contrôle de débit 8 et 9 effectuent une synthèse des informations: position, vitesse du rotor, ordre provenant du générateur de commande de débit. Us assurent, de plus, la commande des commutateurs de puissance.

Le générateur de commande de débit 10 délivre les ordres qui permettent d'imposer les débits de chacune des génératrices. Ces ordres sont obtenus après traitement des informations: signal de dépointage Sdp, tension aux bornes de la charge, vitesse du rotor et loi de restitution de l'énergie à couple constant. Il est à noter que la tension aux bornes de l'utilisation est maintenue constante, quelles que soient les variations de débit imposées par la charge,

La phase de stockage d'énergie requiert la démonstration de la formule donnant la loi de commande du moteur.

En fonction moteur et en se reportant à la fig. 1, on peut démontrer, à partir des lois fondamentales de l'électrotechnique: force électromagnétique

F B I l newtons force électromotrice

E' B -t v U R I

— X X =

volts teslas m m/s V

. . X x ,et teslas amp. m r> x

S2 amp.

En réglant convenablement l'instant de commutation des conducteurs voyant défiler les inducteurs, il est donc possible d'accroître et de contrôler la vitesse de ce défilement dans la mesure où le couple résistant est très faible, ce qui répond au 5 cas présent, comme cela sera expliqué par la suite (présence de paliers magnétiques).

Si l'on se reporte maintenant à la fig. 3, qui montre schémati-quement la conception d'un moteur générateur conforme à l'invention à six inducteurs mobiles à aimants permanents et à io quatre spires fixes formant induits au pas magnétique P, on voit que, si l'on fait passer un courant I dans la spire a1 à partir de la position représentée sur cette figure, les forces de Laplace créées dans les brins vont mettre les inducteurs b1 et c1 en rotation selon F dans la mesure où ceux-ci peuvent pivoter solidairement 15 autour de l'axe.

Si l'on considère que la répartition de l'induction est trapézoïdale, comme cela est représenté sur la fig. 4, que le courant est sensiblement constant, et si l'on avance le début de passage du courant, tel que cela est montré en détail sur les fig. 5,6 et 7, on 20 obtient dans de telles conditions l'expression de la force dans la zone croissante que la vitesse engendrée, v, de déplacement d'un conducteur dans le champ magnétique ou de la vitesse v' de déplacement de l'inducteur fournissant ce champ magnétique, qui lui est égale et directement opposée, est plus élevée lorsque l'induction B devient plus faible en assimilant E' à U=Cte par le fait que le produit R x I peut être négligé dans le présent cas.

Lorsque l'on avance l'instant d'ouverture du circuit, de durée T, avant le passage du conducteur sous l'inducteur, le flux coupé par ce conducteur est donc plus faible que celui occupé directement sous cet inducteur, et ce par le fait de l'espacement des inducteurs et de l'inversion de polarité des champs magnétiques.

De la sorte, la vitesse moyenne v' de l'inducteur croît lorsque l'on avance la commutation et ce en conservant toutefois la même durée T d'ouverture du circuit.

30

f = ^+2f0/TJt+f„

T étant le temps nominal de passage du courant, N le nombre de positions possibles pendant le temps T et n le nombre de positions choisies pour la commande, l'avance prise sur l'instant nominal d'ouverture des commutateurs étant consécutivement:

35 Üt N '

Il est ensuite possible de démontrer le couple moteur à partir de l'expression:

40 <g,0=FR=BI-€NbR=K0I

dans laquelle:

Nb est le nombre de conducteurs et R le rayon du rotor. Toutefois, et dans le cas qui est considéré n '

=FR=BI-6Nb avec K=K„

'-'w"

=KI

(1)

L'expression de la vitesse de rotation peut encore être établie car, si RI est faible, on peut considérer que:

#0) —

Kl© =

CD =

or a>0 d'où (0 =-

UI

UI

U

K

U

K„

COo

1-

N

Il est à noter que w et & varient en fonction de

N'

comme cela est montré sur les courbes des fig. 8 et 9.

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On remarquera de même sur ces deux figures que, lorsque

— tend vers 1, le couple tend vers zéro, alors que la vitesse tend N

vers l'infini.

Cela conduit à faire certaines remarques sur les limitations des 5 lois précédemment énoncées.

Ces lois ont en effet été établies en considérant que le courant reste constant durant une fenêtre de commutation, ce qui n'est pas tout à fait exact.

De plus, le courant augmente avec co et, de ce fait, la chute de 10 tension RI n'est plus négligeable devant U lorsque co devient très grand.

La variation du courant absorbé en fonction de la vitesse ne peut donc plus, de ce fait, être négligée.

Lorsque la vitesse est stabilisée, le couple moteur est égal au 15 couple résistant tfr=Ç?m=KI

En considérant le couple résistant constant, il faut donc que KI=K0I0. 20

Ko

Or co = —ûj„;

iv

OÙ

donc I = —10.

M° 25

Ce calcul simplifié a pour but de montrer que la solution donnée par l'expression (2) précitée est bien à considérer uniquement dans le cas où le couple résistant est très faible, ce qui est précisément le cas rencontré ici où l'on met en œuvre des paliers magnétiques du genre de ceux décrits dans la demande de 30

brevet N° 74.00190 déposée le 3 janvier 1974 par la titulaire.

En ce qui concerne la force contre-électromotrice instantanée, on sait qu'elle évolue comme la force instantanée.

En effet, la force électromotrice induite dans un conducteur est donnée par la formule: 35

e = B-£v, avec v = Reo

Comme indiqué sur les fig. 11,12 et 13, la force contre-électromotrice totale fi du moteur, représentée en trait plein sur la fig. 11, alors que la force contre-électromotrice f2 dans une 40 bobine est représentée en trait interrompu sur cette même figure, varie donc beaucoup dans le temps, lorsque la commande est fortement avancée.

Le courant, qui est donné par la formule:

e-U 45

1 ~ R

prendrait par conséquent des valeurs très importantes lorsque la force contre-électromotrice est négative et, dans de telles conditions, le moteur ne pourrait fonctionner correctement.

Afin de remédier à cet inconvénient, on utilise la self propre 50 de chaque enroulement et on dispose une self extérieure introduite pour lisser le courant de façon à obtenir un taux d'ondulation faible.

Dans ces conditions, la force contre-électromotrice vue par le générateur alimentant le moteur est pratiquement une 55 tension continue comme pour un moteur classique.

La détermination de cette self en utilisant la méthode du premier harmonique permet d'obtenir la valeur maximale de l'ondulation de la force contre-électromotrice.

Après calcul développé (non effectué ici), on parvient à 60

l'expression

JL_ k _L

rc2ct 0 IMi (3)

dans laquelle: 65

K„ = B-£NbR

a = nombre de commutations par tour.

Le fonctionnement du moteur peut être vu consécutivement à travers un réseau de courbes découlant de la relation:

L =

= Kl = K

U-E'

Ku R

K2co ~R~

(4)

selon laquelle le couple est donné en fonction de la vitesse en prenant K comme paramètre.

Comme cela est montré sur la fig. 10, la relation (2) précitée donne la vitesse maximale que peut atteindre le moteur, cette vitesse étant obtenue lorsque le couple résistant #r est nul.

La vitesse réelle du moteur est définie par l'intersection de la courbe de couple résistant et de la droite déterminée par la relation (4) précitée.

Les courbes de la fig. 10 sont donc bien confirmées par la démonstration qui vient d'en être précédemment faite.

La réponse du volant à une commande du moteur peut aisément être interprétée sur le réseau de courbes de cette fig. 10.

En effet, si = #2—#1, et si on ne change pas, en utilisant la relation (4) précitée,

on obtient

COj. =

Ki U/r-

Ki /r

; puisque Wi

Après développement, on obtient donc la relation finale:

A« =

K2U

1-

k2

Ki

(5)

La vitesse (»1 va évoluer vers cû2 conformément au trajet fléché sur la fig. 10.

La phase de restitution d'énergie requiert, de la même manière, la démonstration de la formule donnant la loi de commande de la génératrice.

En fonction génératrice et en se rapportant au schéma de la fig. 14, on peut démontrer, à partir des lois fondamentales de l'électrotechnique, que:

la force électromotrice

E = B v volts teslas m m/s y =

COS 271 1

N

.1, r n . 27tn la force électromotrice fournie à la charge R est proportionnelle à la longueur du conducteur -t coupant le flux magnétique d'induction B et à la vitesse de déplacement v de ce conducteur dans le champ magnétique ou de la vitesse v' de déplacement de l'inducteur fournissant ce champ magnétique qui lui est égale et directement opposée.

La loi du flux coupé enseigne de même que la valeur de la force électromotrice induite pendant le temps T est donnée par:

E = —

t si î> représente le flux balayé ou coupé par le conducteur pendant le temps t.

Il est donc possible de moduler la force électromotrice, donc l'intensité, en effectuant un réglage du temps d'ouverture des commutateurs.

Une telle méthode présente le double avantage d'améliorer le rendement de l'installation du fait de la suppression d'un convertisseur continu-continu et de simplifier les circuits d'électronique par l'utilisation des mêmes commutateurs de puissance que ceux utilisés dans la fonction moteur.

La force électromotrice instantanée produite est d'allure trapézoïdale du fait de la répartition alternée des inducteurs, qui

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sont en fait les mêmes que ceux utilisés en fonction moteur, comme cela est représenté sur les fig. 3 à 7.

Toutefois, sa valeur maximale peut se trouver très supérieure à la tension d'alimentation dans une proportion pouvant atteindre:

E max U

-3,

cette augmentation de la force électromotrice étant obtenue par l'important accroissement de vitesse réalisé dans la phase de fonctionnement en moteur, de telle sorte qu'il peut se révéler impossible d'effectuer une commutation brutale d'une tension élevée sur une charge nécessitant une tension plus faible sans produire des pertes considérables.

La self de la génératrice ainsi qu'une self extérieure vont jouer, là encore, un rôle de régulateur.

U est à noter que cette self a pratiquement la même valeur que celle nécessaire au fonctionnement en moteur, et cela ressort de calculs qui ne seront pas démontrés dans la présente description.

En outre, et afin de ne pas provoquer de surtension et des pertes à l'ouverture du commutateur, celui-ci est bloqué après que le courant s'est annulé naturellement.

La fig. 16 montre la disposition des quatre portes de prélèvement de l'énergie Pi> P2, P3 et P4. et leur durée respective maximale Dm, cela par rapport aux forces électromotrices instantanées ei, e2, e3 et e4 présentées sur les bobines de la machine.

Il est également à noter que le commutateur est bloqué lorsque la force électromotrice est nulle, ce qui permet d'être assuré d'avoir à ce moment un courant nul dans la bobine commandée.

Le chevauchement des portes de prélèvement, qui correspond à la partie hachurée sur la fig. 16, ne présente pas d'inconvénient particulier, car l'ouverture des commutateurs n'est jamais totale et leur fermeture a lieu avant la fin de la porte, ce qui a pour conséquence d'empêcher des commandes simultanées des commutateurs.

Sur les fig. 17 et 18, on voit la course maximale Cm du positionnement de la commande et la force électromotrice obtenue avant filtrage.

La fig. 17 permet de comprendre le calcul de la force électromotrice moyenne (E moy) qui est:

Dans un premier cas : n ^ N/2 1

E moy =

N

C , 1 N n nE+-—E

2 2

1 n

= E

.4 +N_

Dans un deuxième cas: n >N/2 Emoy = Bì[2-ì

Lorsque la vitesse est maximale, c'est-à-dire au début de fonctionnement en génératrice, la commande à appliquer donne toujours n > O, ce qui permet de fonctionner dans la zone spécifiée en fig. 17.

La force électromotrice est donnée par la relation:

E = E„ —

®o dans laquelle:

E0 = force électromotrice à vide de la génératrice tournant à la vitesse angulaire co0 co0 = vitesse angulaire nominale de la génératrice <a = vitesse angulaire réelle de la génératrice.

Il est donc possible de déterminer les deux lois fondamentales en génératrice:

n <N/2, E moy = E0 — | 7+ (6)

_ co Ti ni

= EXL4+nJ

co n T ni n>N/2,Emoy=E0--[2--J

Sachant que Ko = —, il est ensuite possible d'exprimer le coefficient K de la génératrice à partir des relations (6) et (7):

n<N/2,K = Ko[i+£] (8)

n>N/2,K = K0£[2-£] (9)

Afin d'atténuer les fluctuations du courant résultant de la force électromotrice non continue, il est nécessaire, comme cela a déjà été indiqué, de placer en série une self suffisante pratiquement identique en valeur à celle utilisée pour la fonction moteur.

En fonctionnement en génératrice, il doit être rappelé que l'électronique doit assurer un double rôle qui consiste, d'une part, à maintenir la tension de sortie constante quelles que soient les modifications de vitesse et, d'autre part, à obtenir des couples, produits par les deux machines identiques.

Pour ce faire, la variation de position de la commande des 20 machines est effectuée à intervalles de temps réguliers, chaque intervalle ayant pour valeur:

T

at = M

dans laquelle:

25 T = temps total de décharge.

M = nombre de pas de commande.

Les intervalles de temps étant réguliers, le calcul (non effectué ici) indique que la commande doit être modifiée pour des écarts 30 d'énergie constants.

La relation entre le courant et la vitesse doit tenir compte de deux impératifs, à savoir le maintien de la tension de sortie constante, quelles que soient les modifications de vitesse, et l'obtention de couples identiques sur les deux volants.

35 Ces conditions imposent alors deux relations fondamentales:

ii + 12 = I

Ki ii = K2 i2

(10) (H)

dans lesquelles:

40 ii, Ì2 sont les courants délivrés par les deux volants;

I est le courant appelé par la charge;

Ki, K2 sont les coefficients caractéristiques des volants donnés par les relations (8) et (9) précitées.

Un développement des calculs (qui ne sera pas effectué ici) 45 permet de donner une présentation simplifiée de la grandeur couple mise en évidence par l'hyperbole de couple utile Heu qui est indiquée sur la fig. 19 et qui est déterminée à partir de la relation

<g = -

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CÜ1+CO2

(7)

dans laquelle P est la puissance délivrée, coi et ©2 étant les vitesses respectives des deux machines.

Cette même fig. 19 montre l'évolution du couple appliqué sur le volant lors de l'application d'une nouvelle valeur de K, dont 55 la démonstration est analogue à celle faite pour le moteur, et il est à remarquer qu'une modification de la commande correspond à un changement de droite et qu'au cours du cycle de récupération d'énergie, le dispositif va balayer le faisceau des droites Ki, K2...

Le générateur qui délivre les signaux permettant d'élaborer 60 les fenêtres de commutation est un élément essentiel de la chaîne.

C'est en effet à partir du front de montée de ces signaux que le positionnement des commandes est établi.

Ce générateur peut être par exemple constitué d'un oscillateur 6S dont la self est disposée près du rotor. Trois pièces métalliques, 13-14-15, telles que représentées sur la fig. 23, solidaires du rotor, passent dans l'entrefer de deux tores 11-12 constituant la self et en modifient le coefficient de qualité.

T

La tension produite par cet oscillateur, qui est contenu dans chaque bloc contrôle de débit 8 et 9 et chaque bloc contrôle de vitesse 4 et 5, est filtrée puis appliquée à un comparateur qui transforme le signal en une commande logique, comme cela est représenté sur le diagramme des fig. 20 et 21.

Il est à noter que, compte tenu de la précision requise pour le positionnement de la commande, l'erreur maximale permise sur le seuil de déclenchement doit être inférieure à 20 mV pour des machines tournant à environ 700 t/s.

Le résultat doit toutefois être pondéré par le fait que les fenêtres de commutation Fl, F2, F3 et F4 sont élaborées à partir de deux signaux SI et S2 déphasés d'une fenêtre représentée par 1/12 tour.

Par conséquent, comme le montre la fig. 22, toute variation dans un sens sur les instants de détection est compensée par une variation inverse sur les deux dernières fenêtres, ce qui revient à dire que ces écarts doivent théoriquement se compenser en un tour du rotor et qu'en réalité la précision nécessaire sur les seuils de déclenchement pourrait être plus large.

En se reportant aux fig. 23 à 26 et à la fig. 3, on peut voir la disposition angulaire des tores ainsi que la manière dont sont traités les signaux de commutation.

Dans le cas d'une machine à 6 aimants, les pièces métalliques 13-14-15 passant dans l'entrefer des tores 11 et 12 sont réparties en trois secteurs de chacun 60°, tandis que lesdits tores sont espacés de 30°.

Dans de telles conditions, et en se référant à la fig. 24, on voit qu'au cours d'un tour complet du rotor, la force électromotrice induite dans une bobine est d'allure trapézoïdale, conformément aux lois de l'induction précédemment exposées.

Conjointement, les tores 11 et 12 ont engendré des signaux dont l'allure en est donnée sur la fig. 25.

Lorsque ces signaux sont décodés, ils se présentent ensuite sous la forme donnée sur la fig. 26 et ils sont alors directement exploitables pour la commande de la commutation appliquée sur chaque bobine.

Avant d'aller plus avant dans la description, on rappellera très brièvement les caractéristiques essentielles du procédé suivant l'invention permettant la régulation de la tension de bord et de pilotage d'un engin spatial à partir de deux machines dynamoélectriques moteur générateur, disposées en contre-rotation sur le même axe. Ces caractéristiques essentielles sont les suivantes:

En fonction d'accumulation d'énergie, chaque machine, fonctionnant alors en moteur, reçoit l'énergie électrique de générateurs solaires à travers des commutateurs de puissance qui assurent, à des instants déterminés, la commutation de la source sur les enroulements statoriques des machines.

Par ailleurs, des systèmes de contrôle de vitesse ont pour rôle de commander les commutateurs de puissance, cette commande étant effectuée sur synthèse des informations: position, vitesse du rotor et ordres provenant d'un générateur de commande de vitesse.

En fonction de récupération d'énergie, chaque machine, fonctionnant alors en génératrice, fournit de l'énergie à une charge constituée par les équipements de bord du satellite, les commutateurs de puissance étant les mêmes que ceux utilisés dans la fonction accumulation d'énergie et assurant la commutation de la source d'énergie sur les enroulements, à chaque instant désiré.

Par ailleurs, des systèmes de contrôle de débit effectuent une synthèse des informations: position, vitesse du rotor, ordre provenant du générateur de commande de débit et assurent, en outre, la commande des commutateurs de puissance.

On va maintenant décrire la partie électronique nécessaire au fonctionnement desdites machines, cette partie électronique étant dissociée en une électronique de commande et une électronique de traitement, elle-même comportant, d'une part, un ensemble de positionnement des commandes et, d'autre part, un ensemble de calcul.

615 632

On se référera plus spécialement, dans ce qui suit, au système de notation pour désigner les différents paramètres mis en œuvre dans le procédé de régulation, système de notation dont il a été question dans le préambule de la description.

On a schématisé sur le graphique ABCDEF de la fig. 27, en portant en ordonnées les vitesses angulaires co et en abscisses les temps t, les différents types possibles de charge, en phase moteur AB-CD-EF, et de décharge, en phase générateur BC-DE, réalisables à partir de conditions initiales données, telles que vitesses (a>MIN-a>MAx) ou temps de charge (ti-t2-t3).

Cela met en évidence la nécessité d'élaborer l'information vitesse théorique coTH variant entre une vitesse minimale coMIN, limitée par l'énergie récupérée, et une vitesse maximale cûmax! limitée par les caractéristiques mécaniques des machines, et de tenir compte du pilotage qui peut introduire, dans le système, des corrections pouvant faire glisser les vitesses des machines vers ces vitesses limites.

Sur la fig. 28, on a représenté le synoptique d'ensemble montrant la disposition des différents éléments aptes à réaliser les fonctions nécessaires à la mise en œuvre de l'invention.

Sur ce schéma, l'ensemble de l'installation a été dissocié en deux parties principales repérées respectivement: 100 pour l'électronique de commande et 200 pour l'électronique de traitement, cette dernière se divisant elle-même en un ensemble de positionnement des roues des machines repéré 201 et un ensemble de calcul repéré 230.

D'une façon plus particulière (voir fig. 28 et 29), l'ensemble de l'électronique de commande repéré 100 comprend essentiellement les commutateurs de puissance désignés par les références générales 2 et 3, les commutateurs d'interconnexion 101,102,103 » et 104, deux générateurs de tension de commande 105 et 106, et des diodes 107,108,109,110,111,112,113 et 114, les connexions électriques étant effectuées, d'une part, sur le générateur solaire 1 et sur l'alimentation 7 du satellite et, d'autre part, sur la barre bus 16 de distribution générale du courant.

Par ailleurs, les stators des machines 120 et 130 sont alimentés comme indiqué, en ce qui concerne leurs enroulements LI, L2, L3, L4 et L'1, L'2, L'3. L'4, et deux selfs L et L'lissent le courant de façon à obtenir un taux d'ondulation faible, comme cela a été exposé dans le brevet principal.

L'ensemble de positionnement des commandes 201 comporte essentiellement deux sous-ensembles repérés respectivement 202 pour la machine MiGi et 212 pour la machine M2G2, et des blocs de fonction communs de changement de régime de fonctionnement 204, d'aiguillage 205 et de séquence 206 le complètent en ses équipements. Le sous-ensemble 202 de la machine 120 comporte des blocs de fonction de commande de retard 207, de détection de début de portes 208, de transformation de détection en ordres de commande 209, ainsi qu'un décompteur 210 et des mémoires mortes 211. De même, le sous-ensemble 212 de la machine 130 comporte des blocs de fonction de commande de retard 217, de détection de début de portes 218, de transformation de détection en ordres de commande 219 ainsi qu'un décompteur 220 et des mémoires mortes 221.

L'ensemble de calcul 230 comporte une unité arithmétique 231 et des blocs de fonction de calcul de coTH 232, de traitement de la fréquence Fo 233, de calcul de AcûC 234, de calcul de Acoi 235 et de calcul de ACo2 236.

En ce qui concerne la détection de la position rotor/stator des machines, et comme cela a déjà été exposé précédemment, des signaux S1-S2 sont donnés par des capteurs, sous une forme logique, et ces capteurs sont contenus dans des blocs repérés 121 et 131, qui sont solidaires des machines formant les ensembles 120 et 130. Ces signaux S1-S2 sont acheminés, par les voies A et B, des capteurs aux commandes de retard 207-217 selon fig. 28. L'électronique de commande doit comporter, de toute manière, l'élaboration des circuits analogiques comprenant essentiellement les commutateurs de puissance et ses circuits associés. Les

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commutateurs de puissance, contenus dans les ensembles repérés 2 et 3 sur la fig. 29, et eux-mêmes repérés respectivement 2a, 2b, 2c, 2d et 3a, 3b, 3c, 3d, comportent, comme représenté sur la fig. 30, une cascade de quatre transistors haute tension TI, T2, T3, T4, et le circuit est conçu de telle sorte que la totalité du courant traversant chaque commutateur passe également dans chaque bobinage.

Des diodes Dl, D2 suppriment toute tension inverse aux bornes du commutateur.

D'autres diodes D3, D4 montées autour du transistor de commande T5 évitent l'application d'une tension inverse sur la jonction base émetteur dudit transistor.

Si l'on tient compte du mode de branchement au bus d'alimentation 16, chaque commutateur est commandé, selon la fig. 30, depuis les générateurs de tension 105-106, engendrant soit d'une source c—60v appliquée lors du fonctionnement en génératrice,

soit d'une source b—5V appliquée lors du fonctionnement en moteur, soit d'une source a permettant la mise en vitesse des machines dans la phase d'acquisition.

D'autre part, et quel que soit le mode de fonctionnement des machines en charge (moteur) ou décharge (génératrice), toute anomalie risquant de produire un débit trop important de l'intensité traversant lesdites machines doit être évitée. A cet effet, il est prévu un circuit de limitation de l'intensité fonctionnant suivant le même principe que la machine, soit en configuration moteur ou génératrice.

Une tension proportionnelle au courant circulant dans chaque machine est à cet effet prélevée aux bornes de résistances R1-R2 et elle est appliquée à un circuit Trigger inclus dans chaque générateur 105 et 106. De la sorte, et lorsque le courant a dépassé la valeur maximale fixée par une tension de référence,

l'état logique de sortie du Trigger permet de bloquer les commutateurs commandant les bobines de chaque machine, pendant un temps prédéterminé.

Si l'anomalie n'a pas disparu, le blocage des commutateurs va se reproduire cycliquement.

Comme cela ressort de la fig. 29, les machines sont placées dans un pont, ce qui permet d'utiliser le même commutateur de puissance aussi bien en moteur qu'en génératrice.

Le branchement des machines est donc tel que les commutateurs 101,102,103,104 conduisent durant le fonctionnement des machines en moteur et les diodes 111,112, 113,114 conduisent durant le fonctionnement des machines en génératrice.

En outre, les diodes 107 et 109 isolent le générateur solaire 1 durant le fonctionnement en génératrice, tandis que les diodes 108 et 110 isolent une machine d'une autre, lors d'une panne sur l'une des machines.

L'électronique de traitement réalise l'ensemble des opérations présentées sur les synoptiques de fonctionnement de la fig. 31 concernant la phase moteur et de la fig. 32 concernant la phase générateur.

Cette électronique de traitement a été dissociée en dix parties essentielles que l'on retrouve repérées fonctionnellement sur la fig. 28, à savoir:

202: Positionnement des commandes pour la machine 120. 55

212: Positionnement des commandes pour la machine 130.

206: Séquenceur.

231 : Unité arithmétique.

234: Calcul de AcoC.

235 : Calcul de Ami. 60

236: Calcul de Aoo2.

204: Changement de régime de fonctionnement.

232: Calcul de taTH.

233: Traitement de la fréquence Fo.

Chaque bloc de positionnement des commandes comporte: 65 — Pour la machine 120, un ensemble 202 comprenant:

— une commande de retard 207

— une détection de début de portes 208

— une transformation détection/commande 209

— un décompteur 210

— une mémoire morte 211

— Pour la machine 130, un ensemble 212 comprenant:

— une commande de retard 217

— une détection de début de portes 218

— une transformation détection/commande 219

— un décompteur 220

— une mémoire morte 221

L'ensemble est complété d'un aiguillage du séquenceur repéré 205.

Les éléments ci-dessus énoncés permettent un traitement utilisant des lois prédéterminées établies à partir d'études du comportement dynamique des machines. Ces études ont permis d'établir des tables de correspondances entre diverses grandeurs qui doivent pouvoir être présentes lors des différentes phases de traitement, et ces tables sont mémorisées dans les mémoires mortes 211 et 221.

Les informations à mémoriser sont obtenues à partir de calculs effectués sur ordinateur.

Une telle méthode ne nécessite pas un traitement très sophistiqué, ce qui permet d'utiliser une logique câblée pour sa réalisation, tout en minimisant le nombre des circuits utilisés. Seul le volume d'informations à mémoriser dans les mémoires mortes reste important, avec plus de 12 K mots de 12 bits dans le cas présent.

On retiendra des performances d'un tel système qu'il se comporte parfaitement autour des conditions initiales de fonctionnement, mais voit ses performances s'altérer lorsqu'on s'éloigne de ces conditions nominales.

Toutefois, un autre type de traitement de type autoadaptif est tout à fait envisageable, mais il nécessite beaucoup de calculs et ces opérations doivent être effectuées en utilisant un microprocesseur.

Dans le cycle stockage de l'énergie, l'information vitesse théorique coTH est élaborée à partir d'une série de compteurs Ci, Ci, C3, comme cela est représenté sur le synoptique de la fig. 5. L'horloge est constituée d'un circuit multiplieur qui module la fréquence F„ en fonction de deux informations vitesse de charge, l'une provenant du satellite et l'autre de la mémoire morte MM4bM.

Cette mémoire morte et la mémoire morte MM4aM reçoivent sur leurs entrées adresse la vitesse de début de charge mise en mémoire dans un registre. De plus, la mémoire MM4aM a pour rôle d'initialiser les compteurs.

La modulation de la fréquence horloge et l'initialisation des compteurs permettent, comme cela a déjà été rappelé sur la fig. 27, de réaliser des cycles de charge à partir de conditions initiales totalement différentes.

La mémoire MM3aM délivre donc, à partir de la variable temps, l'information vitesse théorique coTH.

En ce qui concerne l'élaboration de l'information position de la commande, la correction de vitesse AcoC commandée par le pilotage est mémorisée au moyen d'un circuit intégrateur J et elle est appliquée à deux sommateurs J] qui reçoivent, sur leur seconde entrée, l'information vitesse théorique gjTH.

Un circuit multiplieur X réduit l'information produite par le sommateur en une information modulée dans le temps, et cela est réalisé à partir d'une fréquence Fr synchronisée sur la vitesse des machines.

L'affichage de cette information vitesse estimée ainsi obtenue sur les entrées adresse des mémoires mortes MM2aM et MM2bM, permet d'obtenir en sortie la position de la commande recherchée. Dans le cas où l'intensité absorbée par une machine dépasserait une valeur maximale préaffichée, des circuits de protection réagiraient immédiatement.

Dans le cycle de restitution de l'énergie comme cela est représenté sur le synoptique de la fig. 32, l'information vitesse coTH

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est de même élaborée à partir d'une série de compteurs Ci, C2, C3, mais une contrainte supplémentaire apparaît car, en plus de l'égalité des couples, il est nécessaire d'adapter le débit des machines aux variations de la charge.

L'horloge est, dans ce cas, constituée d'un circuit multiplieur qui module sa fréquence de sortie en fonction d'une information vitesse de déchargé.

Cette information vitesse de décharge est asservie sur la tension de sortie et une comparaison du type à double seuil est effectuée entre la tension délivrée et une tension de référence. Le signal d'erreur ainsi obtenu est échantillonné, puis additionné au nombre n caractérisant la décharge avant correction.

Le réglage de la fréquence d'échantillonnage permet ainsi d'optimiser la réponse de l'asservissement.

La correction ne permet pas de compenser rapidement la modification de la position de la commande consécutive à une variation de la charge. La modification de la position de la commande est réalisée en effectuant une correction sur le contenu du compteur temps.

Le mode de fonctionnement est analogue à celui du contrôle de la fréquence horloge; seuls les seuils de comparaison sont différents.

Comme il est impossible de connaître avec exactitude la vitesse de fin de charge, il est donc, dans ces conditions, nécessaire d'initialiser les compteurs pour ne pas introduire de perturbations au niveau du satellite en début de cycle de décharge. La mémoire morte MM4AG a donc pour rôle d'initialiser les compteurs. Elle reçoit sur son entrée adresse la vitesse de début de décharge et cette dernière information est mémorisée à chaque cycle de calcul dans un registre.

L'élaboration de l'information position de la commande est similaire à celle élaborée dans le cycle de stockage d'énergie. La correction de vitesse commandée par le pilotage est mémorisée au moyen d'un circuit intégrateur, et l'information est appliquée par moitié sur les deux machines afin de tenir compte du fait que le courant total fourni par les deux génératrices doit rester constant.

Le fait d'appliquer la commande de variation de l'écart des vitesses par moitié sur les deux machines produit un accroissement de la vitesse commandée sur l'une et une diminution de la vitesse sur l'autre de manière à obtenir ainsi le couple voulu.

De plus, les variations des intensités étant de signe contraire sur les deux machines, la puissance fournie à la charge est maintenue constante.

La limitation contre les surintensités est réalisée par les mêmes circuits qu'en moteur. Seules les valeurs maximales préaffichées de l'intensité sont différentes.

Comme on le remarque aisément à l'examen des synoptiques des fig. 31 et 32, ceux-ci sont parfaitement identiques tant en cycle moteur qu'en cycle de restitution d'énergie. Cela a été recherché lors de la conception, de manière à minimiser le nombre de circuits nécessaires à la réalisation des fonctions.

Si l'on se reporte à la fig. 28, on voit que chaque ensemble fonctionnel de positionnement des commandes, à savoir 202 pour la machine 1 et 212 pour la machine 2, comporte un certain nombre d'éléments constitutifs de l'électronique de traitement.

Pour ne pas surcharger inutilement la description, on se contentera dans la suite de celle-ci de renvoyer, pour chacun desdits éléments constitutifs, à celle des fig. 33 à 49 sur laquelle on trouvera représenté son schéma de fonctionnement.

On rappellera par ailleurs qu'afin de simplifier la lecture de ces schémas, on a utilisé sur ceux-ci la notation exposée ci-après pour désigner les composants électroniques classiques qui les composent:

C = Compteur A = Additionneur

P = Porte NAND ou NOR MM = Mémoire morte I = Inverseur R = Registre

OE = OU exclusif D = Diviseur

B = Bascule Mu = Multiplieur

M = Monostable

D'une façon plus particulière, la détection du début de portes obtenue par l'élément 208 (fig. 33) pour la machine 1 et 218 (fig. 34) pour la machine 2 délivre une impulsion qui écrit dans les décompteurs 210 (fig. 35) et 220 (fig. 36) la valeur du retard à apporter à chaque commande.

Chaque décompteur, en passant à l'état zéro, délivre une impulsion qui commande le système de retard inclus dans les éléments de commande de retard repérés 207 (fig. 37) et 217 (fig. 38).

Le principe de la transformation de la détection en commande à appliquer sur chaque machine est maintenant exposé en regard des schémas des fig. 39 et 40.

Les signaux A' et B' en provenance des analyseurs de retard 207 et 217 traversent les circuits des éléments 209 et 219 et sont reçus en 2a, 2b, 2c, 2d et 3a, 3b, 3c, 3d sur la base des transistors T5,

selon la fig. 4, commandant les transistors haute tension T1 à T4 dont il a déjà été fait état, dans les commutateurs de puissance repérés 2 et 3.

Les composants peuvent être bloqués par un circuit d'inhibition de commande en provenance de l'élément 204.

Les mémoires mortes des éléments 211 et 221 sont de type connu en soi, et elles sont intercalées entre les registres contenus dans l'unité arithmétique et les décompteurs 210-220.

Le séquenceur repéré 206 et l'aiguillage repéré 205 doivent effectuer, pour chaque machine, les calculs suivants: '

— lire AcoC en série

— intégrer AcoC et calculer Acoi, Aœ2

— lire coTH dans les registres de l'unité arithmétique

— détecter le changement de régime génératrice-moteur de chaque machine.

Le séquenceur proprement dit comprend à cet effet un compteur dont la fréquence de commande est 750 kHz et des mémoires mortes commandées par ce compteur et qui délivrent les ordres nécessaires.

Le départ du séquenceur est commandé par les impulsions début de portes.

L'unité arithmétique (fig. 43) repérée 231 comprend essentiellement un additionneur, une bascule, un double multiplexeur,

deux registres s, un registre r et un diviseur par — permettant

N

de faire un battement entre deux positions successives. Un tel circuit diviseur par est rendu nécessaire par le fait que, par exemple, sur 4096 positions possibles de la commande (12 bits), seules 256 positions (8 bits) sont utilisées, mais la précision demandée, quant aux couples perturbateurs créés par les déplacements des commandes, nécessite l'utilisation desdites 4096 positions.

Si l'on opère un battement entre deux positions successives des 256 positions utilisables, il est possible de créer des positions fictives.

Si l'on divise l'espace entre deux positions successives utilisables, en 16 parties, on obtient bien 4096 positions donc 256 réelles et 3840 fictives.

Par exemple, si les deux positions successives sont 123 et 124, et si l'on commande une fois sur deux à 123 et une fois sur deux à 124, cela équivaut à une position située au milieu de l'espace compris entre les positions 123 et 124.

Le registre s détermine les 256 positions utilisables avec une précision de 12 bits.

Le registre r détermine le battement dont la capacité totale est de 64 positions fictives avec une précision de 4 bits. Le calcul AcoC est effectué par l'élément repéré 234 (fig. 20).

AcoC représente la valeur de l'écart des vitesses des machines demandé par le satellite, pour créer un couple.

L'écriture de AcoC dans le registre se fera en mode série sur ordre du séquenceur.

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A chaque début de séquence, AcoC est enregistré, petit poids en tête et signe en fin.

Les calculs de Ami, déterminé par l'élément repéré 235 et montré schématiquement sur la fig. 48 et de Aco2, déterminé par l'élément repéré 236 et montré schématiquement sur la fig. 49, seront mieux compris à l'appui des graphiques représentés sur les fig. 50 à 55.

Il doit être rappelé de nouveau que:

— coTH est la vitesse théorique moyenne des deux machines

— Acoi représente l'écart entre coTH et ooTl

— Ara2 représente l'écart entre raTH et cdT2 —' raTl est la vitesse théorique de la machine 1

— raT2 est la vitesse théorique de la machine 2.

En régime moteur, on ne peut qu'accélérer une des machines pour créer un couple.

Si le couple à créer est SH (sens horaire), ce couple est obtenu (fig. 50) par accélération de RI — machine 1 — de telle sorte que ©1 augmente et

Aral=Aral + AcoC Ara2=Aro2

Si le couple à créer est SAH (sens antihoraire), ce couple est obtenu (fig. 51) par accélération de R2 — machine 2 — de telle sorte que ra2 augmente et

Ara2=Am2—AcoC Aral = Aral

En régime génératrice, AcoC est appliqué en même temps sur les deux machines, mais divisé par deux.

Si le couple à créer est SH, ce couple est obtenu (fig. 52 et 53) par augmentation du débit de G2 de telle sorte que co2 diminue et

.... AraC Ara2=Aco2H—-—

et par diminution du débit de Gl de telle sorte que col augmente et AraC

Aral=Aral H——

Si le couple à créer est SAH, ce couple est obtenu (fig. 54 et 55) par augmentation du débit de Gl de telle sorte que ral diminue et

A 1 a 1 AcoC Aral=Acoi —

2

et par diminution du débit de G2 de telle sorte que ra2 augmente et AcoC

Aco2=Ara2 —

2

Il est à noter qu'un seul graphique pourrait être utilisé pour les fig. 52-53 et 54-55, puisque l'application est simultanée.

Le calcul de coTH est déterminé par l'élément repéré 232 et schématisé sur la fig. 44.

Le système est composé d'un compteur-décompteur à 12 étages et de quatre R.O.M. de 1024 x 12 bits.

Le traitement de la fréquence Fo est déterminé par l'élément repéré 233 et schématisé sur la fig. 45.

En phase moteur, le système est prévu pour une montée en vitesse de 20 h définie par raTH, et Fo est déterminé à = 178 kHz.

Toutefois, et pour certaines durées d'éclipsés, toute la courbe coTH n'est pas décrite et les deux groupes de l'élément repéré 233 selon la fig. 45 permettent d'indiquer pour le premier à quelle vitesse doivent évoluer les machines.

Le deuxième groupe sert à indiquer, pour sa part, la vitesse de comptage de coTH linéarisé, compte tenu du temps d'ensoleillement disponible.

En phase génératrice, le système est prévu pour une utilisation maximale de 72 mn, avec possibilité de fournir une puissance trois fois supérieure par instant et Fo est alors déterminé à = 186 kHz.

En fait, Fo sera de 187,5 kHz, qui est le quart de 750 kHz, fréquence pilote du séquenceur repéré 206.

Enfin l'élément 204, schématisé sur la fig. 47, permet le changement de régime génératrice -> moteur.

Il n'est en effet pas possible de passer de génératrice en moteur ou inversement, sans prendre des précautions car, pour créer un couple C+par exemple, comme représenté sur les graphiques des fig. 24 et 26, on sait que:

Aral = Aral+AraC en moteur

. « AraC , . .

Aral = Ara 1-1——en generatrice.

Le changement s'opère donc en plusieurs temps:

— détection de changement, qui a pour but d'inhiber les commandes

— modification de raTH

— modification de la place des nouvelles commandes, soit deux séquences complètes

—■ suppression de l'inhibition des commandes.

La présente description a montré une dissociation possible de l'électronique nécessaire à l'application des lois de commande conforme au brevet principal.

A cet effet, ladite électronique a été scindée en deux parties principales:

— l'électronique de commande

— l'électronique de traitement comportant pour sa part:

— deux ensembles de positionnement, un pour la machine 1 et un pour la machine 2;

— un ensemble de calcul.

Toutefois, un autre type de traitement de type autoadaptif peut être substitué aux mémoires mortes des ensembles de positionnement des commandes et à l'ensemble de calcul.

Néanmoins, une telle adaptation nécessite l'utilisation d'un microprocesseur, ce qui n'est pas envisagé dans le cadre de la présente invention.

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r

30 feuilles dessins

Claims (8)

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1-

E' = Km 5 dans laquelle:"

est l'induction magnétique coupant les brins; est le courant moyen circulant dans la spire; est la longueur active d'un brin;

est le nombre de brins;

est le rayon de positionnement des brins;

B I l

Nb

R

n N

est le rapport du nombre de positions Avance commandée au nombre de positions totales possibles;

co est la vitesse angulaire du rotor de la machine;

— dans la phase génératrice, ime force électromotrice E, ou un courant I qui lui est associé, déterminés par les relations:

E moy

E moy co 1 ni

° ^ L4 + NJ

co n T n ° ^ N L ~N_

pourn < N/2;

pour n > N/2;

35

E„/a>0 — K0

25 ou encore, comme: E moy = Ko® ^ pour n < N/2;

E moy = KoCù 2-^- pour n > N/2;

N |_ NJ

30 relations dans lesquelles:

K0 = B-£NbR identique à la phase moteur;

-^r phase génératrice est le rapport du nombre de positions Ouverture commandée au nombre de positions totales possibles;

(û0 est la vitesse angulaire nominale de la génératrice;

co est la vitesse angulaire réelle de la génératrice;

E0 est la force électromotrice à vide de la machine à la vitesse angulaire coD.

40 3. Procédé de régulation de la tension de bord et de pilotage d'un engin spatial par un dispositif inertiel moteur générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rotor de chaque machine est pivoté sur palier magnétique et en ce que, dans la période de stockage d'énergie, des générateurs solaires alimentent 45 conjointement les spires des stators des machines à travers des ensembles de commutation de puissance, en ce qu'un signal de dépointage peut agir sur un générateur de commande de vitesse commandant deux contrôleurs de vitesse agissant eux-mêmes sur chacun desdits ensembles de commutation de puissance et so en ce que, dans la phase de restitution d'énergie, les spires des machines débitent conjointement sur la charge à travers les mêmes ensembles de commutation de puissance, en ce qu'un signal de dépointage agit sur un générateur de commande de débit commandant deux contrôleurs de débit agissant chacun 55 sur lesdits ensembles de commutation et en ce qu'un générateur de signaux fournit, par ailleurs, les signaux permettant la commande et la régulation à travers les contrôleurs de vitesse et de débit.

1-!

= BI-CNbR

ou si K„ = B-€NbR

<0]

= K0I

1. Procédé de régulation de la tension de bord et de pilotage d'un engin spatial par un dispositif inertiel moteur générateur, caractérisé en ce qu'il consiste, d'une part, à disposer à bord dudit engin spatial au moins deux machines dynamo-électriques moteur générateur en contre-rotation et, d'autre part:

— dans la phase moteur en recherche de vitesse maximale et sans correction de pilotage:

à commander à partir d'une horloge l'accroissement de la vitesse des deux machines,

à appliquer sur chaque machine des commandes qui tiennent compte de l'information: écart de vitesse commandé, à mémoriser la valeur de l'écart de vitesse commandé, valeur qui est celle imposée par la dernière correction de pilotage;

— dans la phase moteur et dès l'apparition d'une commande provenant du pilotage:

à appliquer, sur les deux machines, des commandes qui tiennent compte à la fois de la loi théorique préétablie de montée en vitesse et de l'écart instantané de vitesse commandé par le pilotage,

à utiliser, en tant que signal d'erreur provenant du pilotage, une information vitesse;

— dans la phase générateur et sans correction de pilotage: à appliquer les commandes sur les génératrices de façon à suivre la loi théorique préétablie,

à asservir la fréquence de l'horloge qui commande la loi de décroissance en vitesse sur la tension de sortie de façon à maintenir cette dernière constante, et cela quelles que soient les variations de la charge,

à appliquer, sur chacune des machines, des commandes qui tiennent compte de l'écart de vitesse commandé par la dernière correction de pilotage,

à réaliser la mémorisation de l'écart de vitesse commandé au moyen d'une intégration du signal d'erreur provenant du pilotage;

— dans la phase générateur et avec correction de pilotage:

à asservir constamment la fréquence de l'horloge qui commande la loi de décroissance en vitesse, sur la tension de sortie, à appliquer, sur les deux machines, des commandes qui tiennent compte à la fois de la loi théorique préétablie de décroissance de vitesse et de l'écart instantané de vitesse commandé par le pilotage,

à obtenir un écart de vitesse commandé au moyen d'une intégration d'un signal d'erreur provenant du pilotage, à utiliser, pour signal d'erreur provenant du pilotage, une information vitesse.

2. Procédé de régulation de la tension de bord et de pilotage d'un engin spatial par un dispositif inertiel moteur générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait comporter à chaque machine dynamo-électrique, d'une part, un rotor ayant au moins six pas magnétiques constitués chacun d'un aimant périphérique à champ magnétique radial disposé selon un demi-pas magnétique, et la polarité des aimants étant successivement inversée et, d'autre part, un stator ayant au moins quatre bobines en forme de spires espacées les unes des autres d'un demi-pas magnétique et situées en regard des aimants de manière que les brins desdites bobines coupent les champs magnétiques, la commutation sur bobines en forme de spires étant telle que se produisent:

— dans la phase moteur, les grandeurs: couple eß, force électromotrice E' ou coefficient K sont conditionnées par les relations:

K =K0

2

REVENDICATIONS

3

615 632

4. Procédé de régulation de la tension de bord et de pilotage 60 d'un engin spatial par un dispositif inertiel moteur générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur fournissant les signaux permettant d'élaborer les fenêtres de commutation est constitué d'un oscillateur dont la self est modifiée par des segments métalliques liés au rotor et passant dans l'entrefer 65 de torses liés au stator de manière à en modifier le coefficient de surtension, et la tension ainsi produite est filtrée, puis appliquée à un comparateur qui transforme le signal en une commande logique.

5. Procédé de régulation de la tension de bord et de pilotage d'un engin spatial par un dispositif inertiel moteur générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le générateur de signaux, les segments métalliques sont égaux à un demi-pas magnétique et sont espacés entre eux d'un demi-pas magnétique, tandis que les deux tores sont espacés entre eux d'un quart de pas magnétique.

6. Procédé de régulation de la tension de bord et de pilotage d'un engin spatial par un dispositif inertiel moteur générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il consiste à disposer à bord dudit engin spatial une électronique que l'on scinde en deux parties principales, à savoir:

— une électronique de commande comprenant des commutateurs de puissance, des commutateurs d'interconnexion, deux générateurs de tension, des diodes et des connexions électriques branchées sur un générateur solaire et l'alimentation du satellite;

— une électronique de traitement, elle-même composée de deux parties, à savoir:

— un ensemble de positionnement des commandes comprenant, pour chacune des deux machines dynamo-électriques moteur générateur, un bloc de fonction de commande de retard, un bloc de détection de début de portes, un bloc de transformation de détection en ordres de commande, un décompteur, des mémoires mortes et, pour l'ensemble desdites deux machines, un séquenceur et son aiguillage ainsi qu'un bloc de changement de régime de fonctionnement, et

— un ensemble de calcul comprenant une unité arithmétique, un bloc de calcul de la vitesse théorique moyenne des machines (coTH), un bloc de calcul de l'écart de vitesse demandé par le satellite pour créer le couple (A<aC), un bloc de calcul de l'écart de vitesse (Acol) de la première machine par rapport à ladite vitesse théorique moyenne, un bloc de calcul de l'écart de vitesse (Acù2) de la seconde machine par rapport à ladite vitesse théorique moyenne, et un bloc de traitement de la fréquence d'horloge (Fo).

7. Procédé de régulation de la tension de bord et de pilotage d'un engin spatial par un dispositif inertiel moteur générateur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on fait comporter à chaque commutateur de puissance, d'une part, des transistors haute tension montés en cascade de telle sorte que la totalité du courant traversant le commutateur passe également dans chacun des bobinages de la machine qu'il contrôle et, d'autre part, des diodes associées supprimant toute tension inverse aux bornes dudit commutateur, et par le fait que l'on commande chaque commutateur, depuis des générateurs de tension produisant, soit une source 60 V, appliquée lors du fonctionnement des machines en générateur, soit une source 5 V, appliquée lors du fonctionnement des machines en moteur, soit enfin une source à tension déterminée permettant la mise en vitesse des machines durant la phase d'acquisition.

8. Procédé de régulation de la tension de bord et de pilotage d'un engin spatial par un dispositif inertiel moteur générateur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les commutateurs d'interconnexion conduisent durant le fonctionnement des machines en moteur, tandis que les diodes conduisent durant le fonctionnement des machines en générateur, et par le fait que d'autres diodes de blocage isolent, par ailleurs, le générateur solaire durant le fonctionnement des machines en générateur et isolent une machine d'une autre, lors d'une panne sur l'une des machines.

Le stockage d'énergie sur un engin spatial est rendu nécessaire par le fait que les cellules solaires qui assurent normalement le courant du bord sont périodiquement inutilisables lorsque le satellite se trouve en zone d'ombre.

Parallèlement, il est connu que le pilotage d'un satellite peut s'effectuer à l'aide de jets gazeux ou par contrôle du moment cinétique issu de la rotation de volants ou encore par les deux systèmes utilisés conjointement.

Lorsque l'on désire à la fois stocker de l'énergie en vue de sa restitution sous forme électrique en période de non-fonctionnement des cellules et faire du pilotage avec contrôle du moment cinétique, on peut disposer à bord au moins un ensemble de deux moteurs générateurs tournant en contre-rotation, comme cela est indiqué dans la demande de brevet français déposée par la titulaire le 7 avril 1976 sous le N° 76.10158 ayant pour titre «Procédé de stabilisation inertielle d'un véhicule spatial avec stockage et récupération cinétique d'énergie, et véhicule spatial mettant en œuvre ledit procédé».

De la sorte, les cellules solaires amènent les moteurs à leur vitesse maximale de rotation dans les périodes éclairées, tandis qu'en phase de restitution ceux-ci fonctionnent en générateurs afin d'assurer le courant du bord, leur vitesse étant contrôlée en permanence afin de permettre le pilotage du satellite.

La présente description a pour objet de décrire non le principe de stockage d'énergie par volant d'inertie, mais bien le fonctionnement particulier de machines dynamo-électriques aptes à remplir leurs fonctions en moteur générateur dans les conditions spatiales requises.

Dans la période éclairée, l'énergie est stockée par les volants des machines qui la règlent en absorbant la surpuissance des générateurs solaires. Ces mêmes volants sont utilisables comme système de pilotage du satellite en tant que générateurs de couples aussi faibles que cela est souhaité.

Dans la période obscure, l'énergie est restituée par ces mêmes machines qui règlent la tension délivrée. Elles sont toujours utilisables pour piloter le satellite en fournissant le moment cinétique nécessaire et elles assurent, dans tous les cas, la rigidité gyroscopique.

Un tel schéma de fonctionnement pose en fait un certain nombre de problèmes d'asservissements qui peuvent se résumer de la manière suivante: lorsque les machines fonctionnent en moteur dans la phase de recherche de vitesse de rotation maximale, le maintien d'un moment cinétique constant nécessite l'asservissement de l'écart des vitesses entre les machines.

Dans un premier cas, la vitesse du moteur pilote croît suivant une loi établie en fonction du temps, de telle sorte que le moteur asservi suit la vitesse de ce moteur pilote avec un écart de vitesse modulé par le pilotage, et il n'est alors pas nécessaire d'asservir le moteur pilote à la loi théorique.

Dans un autre cas, les deux moteurs suivent la même loi d'augmentation de vitesse, l'écart de vitesse entre les deux assurant le moment cinétique. Dans un tel cas, chaque loi de commande est modulée par le pilotage même.

Cependant, ces deux méthodes nécessitent la mesure des vitesses réelles de deux machines et de réagir en conséquence, ce qui, compte tenu de l'inertie importante de celles-ci imposée par l'énergie à récupérer, implique d'effectuer des mesures de très grande précision si l'on désire appliquer sur le satellite des couples perturbateurs faibles.

En conséquence, ces méthodes ont l'inconvénient de nécessiter un traitement important avant d'obtenir les commandes des machines, ce qui conduit à une électronique très complexe, à moins de disposer d'un calculateur de bord.