EP0642144B1 - Dispositif de transmission de signaux électriques de puissance à un ensemble tournant - Google Patents

Dispositif de transmission de signaux électriques de puissance à un ensemble tournant Download PDF

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EP0642144B1
EP0642144B1 EP94401718A EP94401718A EP0642144B1 EP 0642144 B1 EP0642144 B1 EP 0642144B1 EP 94401718 A EP94401718 A EP 94401718A EP 94401718 A EP94401718 A EP 94401718A EP 0642144 B1 EP0642144 B1 EP 0642144B1
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memory
digital
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Françis Girard
Jean-Pierre Gaston Pouget
Christian Roger
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Safran Transmission Systems SAS
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Hispano Suiza SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/18—Rotary transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H01F2038/143—Inductive couplings for signals

Definitions

  • the subject of the present invention is a signal device power electrics with variable frequency and phases, from a fixed assembly to a rotating assembly.
  • this device is no longer suitable if one wishes obtain an electrical signal on the rotating part, the shape, frequency and phase must be variable in to a large extent. Indeed, for optimal performance, it is necessary to make the whole installation work at the resonance.
  • the voltage-current phase shift is achieved, from well known way, in the primary circuit by means of a capacitor.
  • the installation of a second capacitor in the secondary circuit is hardly possible for technological reasons related to its volume and the speed of rotation of the rotating assembly. It follows that it is impossible to obtain constant power across the secondary if the supply frequency varies between 0 and 10000 Hz. In addition, it is not possible to transmit different signals without multiplying the number of transformers.
  • the primary winding is powered by a source at fixed frequency and the rotating assembly further includes a so-called switching power supply which receives the power of the secondary winding, a digital memory, consisting of a digital matrix, which delivers, under the impulse of a clock, a stored digital signal comprising the desired characteristics, a digital converter analog receiving said stored digital signal and finally an amplifier giving the analog signal obtained the desired power.
  • a switching power supply which receives the power of the secondary winding
  • a digital memory consisting of a digital matrix, which delivers, under the impulse of a clock, a stored digital signal comprising the desired characteristics, a digital converter analog receiving said stored digital signal and finally an amplifier giving the analog signal obtained the desired power.
  • the matrix of the digital memory with n columns of m elements which define the resolution of the period and of the amplitude of the stored signal.
  • Said digital memory can be a read only memory, a erasable memory, programmable memory or, finally, a RAM.
  • the device according to the invention further includes a counter which increments the n columns and loop from last to first, a circuit of reset and an initialization register.
  • a control system makes it possible to transmit, from outside the device, operating parameters which are introduced in digital form.
  • This transmission can be done by means of an electro-optical chain, preferably incorporated in the rotating transformer, by means of electromagnetic radiation in the radio frequency range or by means of infrared radiation.
  • an electro-optical chain preferably incorporated in the rotating transformer
  • electromagnetic radiation in the radio frequency range or by means of infrared radiation.
  • the rotating transformer in Figure 1 allows you to transmit electrical power from a fixed assembly 1 to a rotating assembly 2.
  • This transformer has a first part 3 of the frame supported by the fixed assembly 1 and inside which is a winding primary 4, and a second part 5 of the supported frame by the rotating assembly 2 and inside which finds a primary winding 6.
  • the parts 3 and 5 of the armature are coaxial and separated by a air gap 7 as small as possible.
  • This kind of known transformer allows to conveniently transmit a industrial frequency electrical power and this regardless of the speed of rotation of the part rotating.
  • a rotating transformer like the one just described is used for the realization of a device according to the invention such as that shown in the figure 2.
  • Secondary winding 6 transmits power fixed frequency electric in sinusoidal form at one supply 8 known as switching, of known type, which supplies in DC voltages the different circuits that make up the device of the invention and which are studied below.
  • the shape of the signal that we want to obtain on the part rotating is stored in a digital memory 9.
  • This last consists of a matrix of n columns each comprising m elements.
  • the m elements of each column correspond to the value of the analog signal expressed in binary.
  • the word binary gives the resolution of the amplitude of the signal.
  • the n columns correspond to the resolution of the period.
  • This digital memory can be a read only memory (usually called ROM), an erasable memory (usually called EPROM), a programmable memory (usually called PAL) or RAM (usually called RAM).
  • ROM read only memory
  • EPROM erasable memory
  • PAL programmable memory
  • RAM usually called RAM
  • Signal shaping is done by a converter digital-analog 10. This turns into a voltage the value of the binary word presented at its entry by the memory, image of m elements of one of the n columns.
  • a power amplifier 11 amplifies the analog signal from converter 10.
  • a clock 12 a veritable “metronome” of the device generates a rectangular signal as soon as it is switched on. She pilot in particular a counter 13 including a more detailed diagram of a example is given in figure 3.
  • the main function of counter 13 is to increment the n memory columns 9 and loop back from the last to the first and then present the binary word of each column to the digital-to-analog converter 10.
  • the main function of counter 13 is to increment the n memory columns 9 and loop back from the last to the first and then present the binary word of each column to the digital-to-analog converter 10.
  • the latter can receive on an input 15 a trigger signal which can stop or restart at any time incrementation.
  • An initialization register 16 has the starting number that a column register 17 must take, either at the supply of the circuit is on the order of a circuit 18 of reset which can itself be controlled on an input 19.
  • the initialization register 16 can receive on an input 20 a programming signal.
  • a number of signals from control can be transmitted to the device. They concern mainly the inputs 15 of the incrementation circuit 14, 20 of the initialization circuit 16 and 19 of the reset circuit to zero 18. They can also relate to amplifier 11 whose amplification coefficient is to be adjusted by voltage, ie the amplitude of the signal obtained.
  • the rotary transformer represented by FIG. 4, of the kind of that of FIG. 1, is equipped with means allowing an electro-optical connection between the fixed assembly 1 and the rotating assembly 2. Bores are provided in the fixed armatures 3 and rotating 5 on the axis thereof. In the bore of the fixed part is a light emitting diode 20 which receives the control signals in digital form and transmits them to an optical fiber 21 itself connected to an optoelectric diode not shown which ensures the transfer of information to rotating electronics.
  • the electro-optical transmission mode which has just been described is not limiting. One could in fact use several light-emitting diodes and several opto-electric diodes combined in various ways with optical fibers.
  • This link mode is not limiting, we could use for example a radio link with antennas made up of fine threads placed opposite one another respectively on the fixed and rotating parts. A infrared radiation bond is also possible.
  • the device that we have just described makes it possible to generate, on a rotating part, a periodic power signal any shape with a bandwidth that can be at least 10 kHz. This bandwidth will depend on the digital converter conversion frequency analog, clock frequency, number of memory columns, and ultimately, bandwidth of the amplifier.

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Description

La présente invention a pour objet un dispositif de signaux électriques de puissance à fréquence et à phases variables, d'un ensemble fixe à un ensemble tournant.
Pour la transmission de puissance électrique d'une partie fixe à une partie tournante il est déja connu, par exemple par le FR-A- 2 521 766 d'utiliser un transformateur tournant dont une première partie fixe de l'armature supporte un bobinage primaire et dont l'autre partie tournante de l'armature, en regard de la première, supporte un bobinage secondaire. Ce dispositif connu convient pour transmettre une puissance électrique périodique à une fréquence fixe (généralement une fréquence industrielle comprise entre 50 et 400 Hz) et de forme connue (particulièrement sinusoïdale). Le document IEEE TRANS. ON INDUSTRY APPLICATIONS, vol.27, n°5 Septembre 1991, NEW YORK, pages 872-875, XP 264054 ESSER, décrit une application d'un transformateur tournant pour alimenter des robots.
En revanche, ce dispositif ne convient plus si l'on désire obtenir sur la partie tournante un signal électrique dont la forme, la fréquence et la phase doivent être variables dans une large mesure. En effet, pour un rendement optimal, il est nécessaire de faire travailler l'ensemble de l'installation à la résonnance. Le déphasage tension-intensité est réalisé, de manière bien connue, dans le circuit primaire au moyen d'un condensateur. L'implantation d'un second condensateur dans le circuit secondaire est difficilement envisageable pour des raisons technologiques liées à son volume et à la vitesse de rotation de l'ensemble tournant. Il en résulte qu'il est impossible d'obtenir une puissance constante aux bornes du secondaire si la fréquence d'alimentation varie entre 0 et 10000 Hz. Par ailleurs, il est impossible de transmettre des signaux différents sans multiplier le nombre de transformateurs.
La présente invention a précisément pour objet de remédier à ces inconvénients. A cet effet, et conformément à l'invention, le bobinage primaire est alimenté par une source à fréquence fixe et l'ensemble tournant comporte en outre une alimentation dite à découpage qui reçoit la puissance de l'enroulement secondaire, une mémoire numérique, constituée d'une matrice numérique, qui délivre, sous l'impulsion d'une horloge, un signal numérique mémorisé comportant les caractéristiques souhaitées, un convertisseur numérique analogique recevant ledit signal numérique mémorisé et enfin un amplificateur donnant au signal analogique obtenu la puissance désirée.
Dans sa forme de réalisation préférée, la matrice de la mémoire numérique comportant n colonnes de m éléments qui définissent respectivement la résolution de la période et de l'amplitude du signal mémorisé.
Ladite mémoire numérique peut être une mémoire morte, une mémoire effaçable, une mémoire programmable ou, enfin, une mémoire vive.
Avantageusement, le dispositif conforme à l'invention comporte en outre, un compteur qui incrémente les n colonnes et reboucle de la dernière à la première, un circuit de remise à zéro et un registre d'initialisation.
Dans un mode de réalisation particulièrement intéressant, un système de pilotage permet de transmettre, de l'extérieur du dispositif, des paramètres de fonctionnement qui sont introduits sous forme numérique. Cette transmission peut se faire au moyen d'une chaíne électro-optique, de préférence incorporée au transformateur tournant, au moyen d'un rayonnement électro-magnétique dans la gamme des radiofréquences ou au moyen d'un rayonnement infra rouge.
Pour des raisons de commodité et pour faciliter la compréhension, il n'a été question que d'un ensemble fixe et d'un ensemble tournant, mais il va de soi que ce qui est important c'est la vitesse angulaire relative qui existe entre les deux ensembles. En conséquence on doit conclure que cette invention concerne également le cas où les deux ensembles seraient tournants, dans le même sens ou en sens inverses, avec des vitesses angulaires relatives pouvant varier dans une large gamme.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée en regard des dessins dans lesquels :
  • la figure 1 représente pour mémoire un transformateur tournant de type connu,
  • la figure 2 représente schématiquement un dispositif de transmission conforme à l'invention,
  • la figure 3 représente schématiquement un compteur utilisé dans un dispositif conforme à l'invention,
  • la figure 4 représente un transformateur tournant auxiliaire permettant la transmission d'informations par voie electro-optique,
  • la figure 5 représente sommairement une installation comportant plusieurs systèmes identiques aptes à délivrer des signaux différents.
Le transformateur tournant de la figure 1 permet de transmettre une puissance électrique d'un ensemble fixe 1 à un ensemble tournant 2. Ce transformateur comporte une première partie 3 de l'armature supportée par l'ensemble fixe 1 et à l'intérieur de laquelle se trouve un enroulement primaire 4, et une deuxième partie 5 de l'armature supportée par l'ensemble tournant 2 et à l'intérieur de laquelle se trouve un enroulement primaire 6. Bien évidemment les parties 3 et 5 de l'armature sont coaxiales et séparées par un entrefer 7 aussi réduit que possible. Ce genre de transformateur connu permet de transmettre commodément une puissance électrique de fréquence industrielle et ceci indépendamment de la vitesse de rotation de la partie tournante.
Un transformateur tournant tel que celui qui vient d'être décrit est utilisé pour la réalisation d'un dispositif conforme à l'invention tel que celui représenté à la figure 2. L'enroulement secondaire 6 transmet la puissance électrique à fréquence fixe sous forme sinusoïdale à une alimentation 8 dite à découpage, de type connu, qui alimente en tensions continues les différents circuits qui composent le dispositif de l'invention et qui sont étudiés ci-après.
Conformément à la caractéristique principale de l'invention, la forme du signal que l'on désire obtenir sur la partie tournante est mémorisée dans une mémoire numérique 9. Cette dernière est constituée d'une matrice de n colonnes comportant chacune m éléments. Les m éléments de chaque colonne correspondent à la valeur du signal analogique exprimée en binaire. Le mot binaire donne la résolution de l'amplitude du signal. Les n colonnes correspondent à la résolution de la période.
Cette mémoire numérique peut être une mémoire morte (généralement appelée ROM), une mémoire effaçable (généralement appelée EPROM), une mémoire programmable (généralement appelée PAL) ou une mémoire vive (généralement appelée RAM). Pour modifier le signal mémorisé dans des ROM, EPROM ou PAL il est nécessaire d'intervenir sur le composant lui-même. En revanche, pour une mémoire RAM, le signal peut-être programmé et effacé par un circuit logique lui-même piloté par le compteur dont il sera question plus loin.
La mise en forme du signal est effectuée par un convertisseur numérique-analogique 10. Celui-ci transforme en une tension la valeur du mot binaire présenté à son entrée par la mémoire, image de m éléments d'une des n colonnes. Un amplificateur 11 de puissance amplifie le signal analogique issu du convertisseur 10.
Une horloge 12, véritable "métronome" du dispositif génère un signal rectangulaire dès sa mise sous tension. Elle pilote notamment un compteur 13 dont un schéma plus détaillé d'un exemple est donné à la figure 3.
La fonction principale du compteur 13 est d'incrémenter les n colonnes de la mémoire 9 et de reboucler de la dernière à la première, puis de présenter le mot binaire de chaque colonne au convertisseur numérique-analogique 10. A cet effet il dispose d'un registre d'incrémentation 14. Ce dernier peut recevoir sur une entrée 15 un signal de déclenchement qui peut à tout moment, arrêter ou faire repartir l'incrémentation.
Un registre d'initialisation 16 possède le numéro de départ qu'un registre de colonnes 17 doit prendre, soit à l'alimentation du circuit soit sur ordre d'un circuit 18 de remise à zéro pouvant lui même être piloté sur une entrée 19.
Le registre d'initialisation 16 peut recevoir sur une entrée 20 un signal de programmation.
Comme on l'a vu ci-dessus, un certain nombre de signaux de pilotage peuvent être transmis au dispositif. Ils concernent principalement les entrées 15 du circuit d'incrémentation 14, 20 du circuit d'initialisation 16 et 19 du circuit de remise à zéro 18. Ils peuvent concerner aussi l'amplificateur 11 dont on souhaite ajuster le coefficient d'amplification en tension, c'est à dire l'amplitude du signal obtenu.
Le transformateur tournant représenté par la figure 4, du genre de celui de la figure 1, est équipé de moyens permettant une liaison électro-optique entre l'ensemble fixe 1 et l'ensemble tournant 2. Des alésages sont prévus dans les armatures fixe 3 et tournante 5 sur l'axe de celles-ci. Dans l'alésage de la partie fixe se trouve une diode électroluminescente 20 qui reçoit les signaux de commande sous forme numérique et les transmet à une fibre optique 21 elle-même reliée à une diode opto-électrique non représentée qui assure le transfert des informations à l'électronique tournante.
Le mode de transmission électro-optique qui vient d'être décrit n'est pas limitatif. On pourrait en effet utiliser plusieurs diodes électro-luminescentes et plusieurs diodes opto-électriques combinées de diverses manières avec des fibres optiques.
Ce mode de liaison n'est pas limitatif, on pourrait utiliser par exemple une liaison radio-électrique avec des antennes constituées de fils fins placés en regard l'un de l'autre respectivement sur les parties fixes et tournantes. Une liaison par rayonnement infra-rouge est également envisageable.
Dans le dispositif de la figure 5, deux chaínes identiques sont solidaires de la partie tournante, chacune d'elles disposant d'une logique de commande 22 recevant le signal de l'horloge unique 12. Ces logiques de commande permettent de gérer les variations de phase d'un signal à l'autre comme le montrent les schémas situés à la partie droite de la figure.
Le dispositif que l'on vient de décrire permet de générer, sur une partie tournante, un signal périodique de puissance de forme quelconque avec une bande passante qui peut être d'au moins 10 kHz. Cette bande passante dépendra de la fréquence de conversion du convertisseur numérique analogique, de la fréquence de l'horloge, du nombre de colonnes de la mémoire, et finalement, de la bande passante de l'amplificateur.

Claims (16)

  1. Dispositif de transmission de signaux électriques de puissance à fréquences et à phases variables, d'un ensemble fixe à un ensemble tournant, comportant un transformateur tournant dont une première partie fixe de l'armature supporte un bobinage primaire et dont l'autre partie tournante de l'armature, en regard de la première, supporte un bobinage secondaire, caractérisé en ce que,
    Le bobinage primaire (4) est alimenté par une source électrique à fréquence fixe et en ce que l'ensemble tournant comporte en outre une alimentation (8) dite à découpage qui reçoit la puissance de l'enroulement secondaire (6), une mémoire numérique (9) constituée d'une matrice numérique comportant n colonnes de m éléments, qui délivre, sous l'impulsion d'une horloge (12), un signal numérique mémorisé comportant les caractéristiques souhaitées et dont les résolutions de la période et de l'amplitude sont respectivement définies par les n colonnes et les m éléments de chacune d'elles, un convertisseur numérique-analogique (10) recevant ledit signal numérique mémorisé et enfin un amplificateur (11) donnant au signal analogique obtenu, la puissance désirée.
  2. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mémoire numérique (9) est du type mémoire morte.
  3. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mémoire numérique (9) est du type mémoire effaçable.
  4. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mémoire numérique (9) est du type mémoire programmable.
  5. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mémoire numérique (9) est du type mémoire vive.
  6. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 5 caractérisé en ce que le signal mémorisé dans la mémoire vive est programmé et piloté par un système logique.
  7. Dispositif de transmission de signaux électriques selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'horloge (10) délivre un signal rectangulaire qui détermine la cadence de consultation de la mémoire (9).
  8. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comporte un compteur (13) qui incrémente les n colonnes de la mémoire et reboucle de la dernière à la première.
  9. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 8, caractérisé en ce que le compteur (13) comporte un circuit de remise à zéro (18).
  10. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte un registre d'initialisation (20) qui permet de démarrer sur une colonne déterminée soit à la mise sous tension soit sur un ordre du circuit de remise à zéro (18).
  11. Dispositif de transmission de signaux électriques selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'un système de pilotage permet de transmettre, de l'extérieur du dispositif, des paramètres de fonctionnement qui sont introduits sous forme numérique.
  12. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 11 caractérisé en ce que le système de pilotage met en oeuvre, entre l'ensemble fixe (1) et l'ensemble tournant (2), une chaíne électro-optique avec diode électro-luminescente (20), diode opto-électronique et fibre optique (21).
  13. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 12 caractérisé en ce que la chaíne électro-optique (20-21) est incorporée au transformateur tournant et sur l'axe de rotation de celui-ci.
  14. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 11, caractérisé en ce que le système de pilotage met en oeuvre, entre l'ensemble fixe (1) et l'ensemble tournant (2), des moyens radio-électriques.
  15. Dispositif de transmission de signaux électriques selon la revendication 11, caractérisé en ce que le système de pilotage met en oeuvre, entre l'ensemble fixe (1) et l'ensemble tournant (2) des moyens de transmission par rayonnement infra-rouge.
  16. Dispositif de transmission de signaux électriques selon l'une des revendications 11 à 15 caractérisé en ce que l'ensemble tournant (2) comporte plusieurs systèmes identiques aptes à délivrer des signaux différents dont les variations de paramètres sont gérées par le registre d'initialisation.
EP94401718A 1993-07-28 1994-07-27 Dispositif de transmission de signaux électriques de puissance à un ensemble tournant Expired - Lifetime EP0642144B1 (fr)

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EP0642144A1 EP0642144A1 (fr) 1995-03-08
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