WO1995004363A1 - Dispositif de transmission de signaux electriques de puissance a un ensemble tournant - Google Patents

Dispositif de transmission de signaux electriques de puissance a un ensemble tournant Download PDF

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Inventor
Françis Girard
Jean-Pierre Gaston Pouget
Christian Roger
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Hispano Suiza
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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 present invention relates to a device for electrical power signals with frequency and variable phases, from a fixed assembly to a rotating assembly.
  • this device is no longer suitable if it is desired to obtain an electrical signal on the rotating part whose shape, frequency and phase must be variable to a large extent. Indeed, for optimal performance, it is necessary to make the whole installation work at resonance.
  • the voltage-current phase shift is carried out, in a well known manner, in the primary circuit by means of a capacitor.
  • the installation of a second capacitor in the secondary circuit is difficult to envisage for technological reasons linked to its volume and to the speed of rotation of the rotary assembly. As a result, it is impossible to obtain a constant power at the terminals of the secondary if the supply frequency varies between 0 and 10000 Hz. Furthermore, it is impossible to transmit different signals without multiplying the number of transformers.
  • the primary winding is supplied by a source at fixed frequency and the rotating assembly further comprises 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 analog converter receiving said stored digital signal and finally an amplifier giving the analog signal obtained the desired power.
  • the matrix of the digital memory comprising n columns of m elements which respectively define the resolution of the period and of the amplitude of the stored signal.
  • Said digital memory can be a read-only memory, an erasable memory, a programmable memory or, finally, a random access memory.
  • the device according to the invention further comprises a counter which increments the n columns and loops from the last to the first, a reset circuit 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.
  • FIG. 1 shows for the record a rotary transformer of known type
  • FIG. 2 schematically shows a transmission device according to the invention
  • FIG. 3 shows schematically a counter used in a device according to the invention
  • Figure 4 shows an auxiliary rotary transformer for the transmission of information by electro-optical means
  • Figure 5 shows briefly an installation comprising several identical systems capable to deliver different signals.
  • the rotary transformer of FIG. 1 makes it possible to transmit an electrical power from a fixed assembly 1 to a rotary assembly 2.
  • This transformer comprises a first part 3 of the armature supported by the fixed assembly 1 and inside which there is a primary winding 4, and a second part 5 of the armature supported by the rotating assembly 2 and inside which is a primary winding 6.
  • parts 3 and 5 of the armature are coaxial and separated by an air gap 7 as small as possible.
  • This type of known transformer makes it possible to conveniently transmit electrical power of industrial frequency and this independently of the speed of rotation of the rotating part.
  • a rotary transformer such as that which has just been described is used for the production of a device according to the invention such as that shown in FIG. 2.
  • the secondary winding 6 transmits the power electric at fixed frequency in sinusoidal form to a so-called switching power supply 8, of known type, which supplies DC voltages to the various circuits which make up the device of the invention and which are studied below.
  • the shape of the signal which it is desired to obtain on the rotating part is stored in a digital memory 9.
  • the latter 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 binary word gives the resolution of the signal amplitude.
  • the n columns correspond to the resolution of the period.
  • This digital memory can be a read only memory (generally called ROM), an erasable memory (generally called EPROM), a programmable memory (generally called PAL) or a random access memory (generally called RAM).
  • ROM read only memory
  • EPROM erasable memory
  • PAL programmable memory
  • RAM random access memory
  • the signal is formatted by a digital-to-analog converter 10. This transforms the value of the binary word presented at its input by the memory into a voltage, image of m elements of one of the n columns.
  • a power amplifier 11 amplifies the analog signal from the converter 10.
  • a clock 12 a veritable “metronome” of the device generates a rectangular signal as soon as it is switched on. In particular, it controls a counter 13, a more detailed diagram of an example of which is given in FIG. 3.
  • the main function of the counter 13 is to increment the n columns of the memory 9 and to loop back from the last to the first, then to present the binary word of each column to the digital-analog converter 10.
  • it has an increment register 14.
  • the latter can receive on an input 15 a trigger signal which can at any time, stop or restart 1 • increment.
  • An initialization register 16 has the starting number that a column register 17 must take, either at the supply of the circuit or on the order of a reset circuit 18 which can itself be controlled on an input 19.
  • the initialization register 16 can receive a programming signal on an input 20.
  • control signals can be transmitted to the device. They mainly relate to the inputs 15 of the incrementation circuit 14, 20 of the initialization circuit 16 and 19 of the reset circuit 18. They can also relate to the amplifier 11 whose voltage amplification coefficient is to be adjusted, 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 1 • 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 there 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 opto-electric diode not shown which ensures the transfer of the information to the 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 connection mode is not limiting, one could use for example a radio link with antennas made up of fine wires placed opposite one another respectively on the fixed and rotating parts. A connection by infrared radiation is also possible.
  • the device that has just been described makes it possible to generate, on a rotating part, a periodic power signal of any shape with a bandwidth which can be at least 10 kHz. This bandwidth will depend on the frequency of conversion of the digital analog converter, the frequency of the clock, the number of columns of the memory, and finally, the bandwidth of the amplifier.

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Abstract

Dispositif de transmission de signaux électriques de puissance à fréquences et à phases variables d'un ensemble fixe (1) à un ensemble tournant (2). Le bobinage primaire (4) d'un transformateur tournant est alimenté par une source électrique à fréquence fixe et le bobinage secondaire (6) alimente une alimentation à découpage (8), tandis qu'une mémoire numérique (9) délivre un signal numérique comportant les caractéristiques souhaitées qui, après transformation dans un convertisseur numérique/analogique (10) est amplifié dans un amplificateur (11).

Description

DISPOSITIF DE TRANSMISSION DE SIGNAUX ELECTRIQUES DE PUISSANCE A UN ENSEMBLE TOURNANT
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 déjà connu, par exemple par le FR-A 2521766 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) .
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 chaîne électro-optique, de préférence incorporée au transformateur tournant, au moyen d'un rayonnement électro-magnétique dans la gamme des radio- fréquences 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 électro-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 1'armature supportée par 1'ensemble tournant 2 et à 1'intérieur de laquelle se trouve un enroulement primaire 6. Bien évidemment les parties 3 et 5 de 1'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 1'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 1•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 1•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 électro- luminescente 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 chaînes 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

REVENDICATIONS
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 1'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 1'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 l 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 chaîne 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 chaîne 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.
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