WO2012172486A2 - Alternateur a régulation de tension - Google Patents

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WO2012172486A2 PCT/IB2012/052969 IB2012052969W WO2012172486A2 WO 2012172486 A2 WO2012172486 A2 WO 2012172486A2 IB 2012052969 W IB2012052969 W IB 2012052969W WO 2012172486 A2 WO2012172486 A2 WO 2012172486A2
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Emile MOUNI
Samuel Moser
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Moteurs Leroy-Somer
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    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
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    • H02K19/36—Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches
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    • H02P9/14—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
    • H02P9/26—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P9/30—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P9/302—Brushless excitation

Definitions

  • the present invention relates to a synchronous electric machine.
  • alternators With the development of power plants using increasingly efficient alternators, it has become crucial to ensure the fastest possible load recovery or load shedding. This has led to increasingly advanced machines in terms of electromagnetic design. More and more powerful calculators are used in this context.
  • Known synchronous generators are composed of a coil exciter which delivers on a diode bridge and a main machine.
  • the voltage of the exciter armature is rectified and is used to power the pole wheel of the main machine thus producing the voltage required for installation.
  • This voltage is controlled by a voltage regulator which supplies the excitation inductor with the excitation current as a function of the output voltage of the main machine.
  • the excitation energy is supplied either by deriving the voltage from the main machine, or from auxiliary windings placed in the notches of the main machine or by using a permanent magnet machine mounted on the same shaft as the main machine. .
  • the invention aims to meet at least part of this need and achieves, in one of its aspects, through an alternator to electrically connect to a load, the alternator comprising:
  • a rotor comprising:
  • a switching system for selectively connecting the pole wheel to the exciter armature and the dissipative component, and a controller controlling the switching system so as to regulate the current in the pole wheel and, in response to a decrease of the load applied to the alternator, connect the dissipative component to the polar wheel to dissipate inductive energy stored in the polar wheel.
  • the invention makes it possible, by adjusting the current in the pole wheel, to regulate the output voltage of the alternator and consequently to improve the response time of the alternator during large decreases in the load. .
  • the current in the polar wheel is very quickly reduced, and voltage overshoots during decreases in the load are also greatly reduced.
  • the control of the current of the polar wheel makes it possible to get rid of the time constant of the exciter and to obtain improved performances compared to the known solutions.
  • the dissipative component is preferably purely ohmic. In variants, the dissipative component is of any kind, the invention not being limited to a particular type of dissipative component.
  • the controller can be integrated into the rotor. In a variant, the controller is not integrated with the rotor.
  • the rotor preferably comprises a rectifier supplying from the exciter armature a continuous bus to which the switching system is connected.
  • the DC bus may include a filter capacitor whose capacity is less than 30 ⁇ / kW of excitation power.
  • a filter capacitor By using the dissipative component to dissipate energy, a very small filter capacitor is used, unlike known power electronics structures.
  • the continuous bus is unfiltered.
  • the switching system comprises switchable electronic components, such as, for example, IGBT transistors.
  • the switching system preferably comprises an H-bridge, double quadrant, delivering on the pole wheel.
  • a current sensor may be disposed at the rotor for measuring the current in the pole wheel and for transmitting to the controller and / or a voltage regulator the value of the current thus measured.
  • the current sensor can be of any kind, in particular Hall effect or inductive.
  • a temperature sensor of the pole wheel may be disposed at the rotor.
  • the alternator comprises a stator, comprising an exciter inductor, which may comprise permanent magnets.
  • the exciter inductor is wound.
  • the stator preferably comprises a voltage regulator, which can be composed of a voltage regulation module and a DC generator.
  • the stator voltage regulator preferably acts by pulse width modulation on the switchable electronic components of the rotor switching system.
  • the voltage regulator can further provide the exciter of the machine with a current sufficient to ensure operation in overload and at the same time avoid excessive heating of the exciter . In this case we speak of double-function regulation.
  • the voltage regulator can only perform a regulation function.
  • the dimensioning of this inductor can be chosen to ensure proper operation of the alternator throughout its power range.
  • the voltage regulator is placed in a remote cabinet.
  • An alternator according to the invention may comprise a wireless transmission system arranged between the rotor controller and the stator voltage regulator, making it possible to avoid the use of rings and brushes, the durability of which may be limited and requiring special needs. important maintenance.
  • the wireless transmission system may be composed of two transmission modules, one disposed at the rotor, the other at the stator, and wireless transmission channels connecting said modules.
  • the value of the current in the pole wheel, measured by the rotor current sensor, can be transmitted to the stator voltage regulator via the bidirectional wireless transmission system.
  • the value of the temperature of the pole wheel measured by the rotor temperature sensor can be transmitted by the wireless transmission system to the voltage regulator. This information can be used for purposes of monitoring the proper operation of the machine.
  • the information transmitted and received by the wireless transmission system may be in binary form.
  • the invention is not limited to a particular encoding of the data.
  • the power supply of the rotor and controller transmission module is preferably performed from the exciter induced excitation voltage of the rectifier. This makes it possible to benefit from different power supplies for the transmission module and the controller.
  • a control device may be present to initialize, when starting the alternator, all the electronic components, to ensure a gradual increase in the output voltage of the main machine.
  • the starting time is adjustable according to the need of the machine. With this device, the voltage rise ramp can be carried out in a time interval of between 1 second and 180 seconds. This allows a gradual start and a reduction of the risk of stalling the drive motor of the machine.
  • the controller may be arranged to control the switching system to regulate the current in the pole wheel by pulse width modulation.
  • the duty cycle of the pulse width modulation may be a function of the output voltage of the main machine, and preferably also of the value of the current in the pole wheel and the load.
  • the duty cycle can be calculated as a function of the output voltage by applying a suitable control law, such as for example a simple PID ("proportional-integral-derivative") law, or a predictive control law.
  • a suitable control law such as for example a simple PID ("proportional-integral-derivative") law, or a predictive control law.
  • the duty cycle can advantageously be a function of the value of the current in the polar wheel in order to limit the latter when it is excessive.
  • the duty cycle of pulse width modulation can also be a function of the temperature of the pole wheel, in order to decrease the current in case of excessive temperature.
  • the controller can reduce the duty cycle of the pulse width modulation, and can connect the dissipative component to the polar wheel, to dissipate inductive energy stored in said wheel.
  • the inductive energy may be dissipated as heat in the dissipative component, and a lower portion may be stored in the filter capacitor when the latter is present.
  • connection of the dissipative component to the polar wheel is established when the duty cycle of the pulse width modulation is zero, and ceases when the duty cycle becomes non-zero again.
  • the controller may comprise at least one integrated circuit.
  • the rectifier, the switching system and the controller may be mounted on sectors, which may be metallic, and preferably attached to an axial end of the exciter armature. Said sectors can be in the form of croissants.
  • the rectifier, the switching system and the controller can be mounted on one or more modules fixed directly on the rotor, in particular through one or more insulating supports.
  • another subject of the invention is a method for reducing the response time to load shedding of an alternator as defined above, in which:
  • the controller acts on the switching system to connect the pole wheel to the dissipative component to dissipate inductive energy stored in the pole wheel.
  • the method according to the invention can allow the inversion of the voltage across the pole wheel, rapidly reducing the current in said wheel and thus limiting the exceeding of the voltage. All the features of the invention listed above apply to the process.
  • the controller can advantageously adjust the duty cycle of the pulse width modulation of the switching system to to quickly increase the current of the polar wheel, thus reducing the voltage drop and improve the response time of the alternator.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an alternator according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic representation of an alternator according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic and partial representation of an alternator according to the invention.
  • FIG. 4A illustrates the operation of the alternator according to the invention, in normal operation
  • FIG. 4B illustrates the operation of the alternator according to the invention during large decreases in the load
  • FIG. 5A represents an example of a rotor according to the invention
  • FIG. 5B is an enlarged view of certain elements of the rotor of FIG.
  • Figure 6 is an enlarged view of another example of a rotor according to the invention.
  • An alternator according to the prior art is connected to a load 8, and comprises a wound exciter 2a, 2b, delivering on a rectifier 3 composed of a bridge of diodes double alternation, and a main machine 4, 5.
  • the tension of the exciter armature 2a rectified serves to feed the pole wheel 4 of the main machine.
  • the voltage is controlled by a voltage regulator 7, powered by a source 12 and supplying the excitation inductor 2b with the excitation current as a function of the output voltage of the main machine 4, 5.
  • the alternator 1 according to the invention, represented in FIG. 2, comprises a rotor 6 and a stator 9, which can be connected to a load 8.
  • the rotor 6 comprises a pole wheel 4 and an exciter armature 2a.
  • the rotor 6 comprises a rectifier 3, composed of a bridge of full-wave diodes, supplying from the exciter armature 2a a continuous bus 26 to which a switching system 11 is connected.
  • the continuous bus 26 comprises in the example described a filter capacitor 21 whose capacity is for example less than 30 ⁇ / kW of excitation power.
  • the DC bus 26 is unfiltered.
  • the rotor 6 comprises a dissipative component 20, which is purely ohmic in the example described.
  • the switching system 11 which can be composed as illustrated of three switchable electronic components 22, 23, 24, for example IGBT transistors, and two diodes 27 and 28, selectively connect the pole wheel 4 to the armature d. 2a or the dissipative component 20.
  • the switching system 11 comprises an H-bridge, double quadrant, composed of the diodes 27, 28 and switchable electronic components 22 and 24, which flow on the polar wheel 4.
  • the alternator 1 also comprises a controller 13 controlling the switching system 1 1, so as to regulate the current I rp in the polar wheel 4 by pulse width modulation.
  • the duty cycle of the pulse width modulation is a function of the output voltage of the main machine, so as to maintain as much as possible the voltage delivered by the alternator to a predefined value.
  • the controller 13 is integrated with the rotor 6 and rotates therewith. In a variant not shown, the controller 13 is not integrated with the rotor 6, being for example disposed in a remote cabinet or integral with the stator.
  • the controller 13 may comprise at least one integrated circuit.
  • the rotor 6 comprises in the illustrated example a current sensor 10 for measuring the current I rp in the pole wheel 4. The value of the current I rp thus measured is transmitted to the controller 13.
  • the current sensor 10 can be Hall effect but the invention is not limited to a particular type of current sensor.
  • a temperature sensor 25 of the pole wheel 4 may be disposed at the rotor 1, as illustrated. The value of the temperature T rp thus measured is transmitted to the controller 13.
  • the alternator 1 comprises at the stator 9, as illustrated in FIG. 3, an exciter inductor 2b and the armature 5 of the main machine, connected to the load 8.
  • the stator 9 is supplied by a power supply 12.
  • Exciter inductor 2b is wound, in the example described.
  • the exciter inductor 2b comprises permanent magnets.
  • the stator 9 comprises a voltage regulator 16, visible in FIG. 3, composed of a regulation module of the voltage 17 and of a direct current generator 18.
  • the voltage regulator 16 is composed only of a voltage regulation module 17.
  • a wireless transmission system HF is arranged between the controller 13 of the rotor 6 and the voltage regulator 16 of the stator 9 of the alternator 1.
  • the wireless transmission system is composed of a transmission module 14 disposed on the rotor 6 , a transmission module 19 disposed at the stator 9, and wireless transmission channels 15 connecting said modules.
  • the data exchanged between the transmission modules 14 and 15 are digital and for example coded on 3 bytes, ie 24 bits.
  • the value of the current ⁇ ⁇ in the pole wheel 4, measured by the current sensor 10 of the rotor 6, is transmitted to the voltage regulator 16 of the stator 9 by the wireless transmission system 14, 15, 19.
  • T rp of the temperature of the pole wheel 4, measured by the temperature sensor 25 located at the rotor 6, is transmitted by the wireless transmission system 14, 15, 19 to the voltage regulator 16 located at the stator 9.
  • the supply of the transmission module 14 and the controller 13 of the rotor 6 is done by taking a part of the energy of the exciter induced armature voltage 2a rectified by the rectifier 3.
  • a control device initializes all the electronic components and ensures a gradual increase in the output voltage of the main machine.
  • the output voltage of the rectifier 3 supplies the polar wheel 4, and the current flows in the switchable electronic component 24, as illustrated.
  • the switchable electronic component 22 is on, while the switchable electronic component 23 is blocked.
  • the dissipative component 20 and the filtering capacitor 21 are not connected to the polar wheel 4.
  • the control of the switching system 11 by the controller 13 makes it possible to regulate the output voltage of the alternator 1 around a setpoint value by acting on the ratio cyclic power supply of the polar wheel.
  • the controller 13 reduces the duty cycle a as a function of the output voltage of the alternator.
  • the duty cycle becomes zero, the switchable electronic component 22 is blocked, and the switchable electronic component 23 is on.
  • the voltage at the terminals of the pole wheel 4 is reversed, making it possible to reduce the current I rp in the pole wheel as quickly as possible and avoiding large voltage overruns at the terminals of the alternator 1.
  • the controller 13 thus connects the dissipative component 20 to the pole wheel 4, to dissipate the inductive energy stored in said pole wheel.
  • the inductive energy is dissipated as heat in the dissipative component 20, and a part of this energy is stored in the capacitor 21.
  • connection of the dissipative component 20 to the pole wheel 4 is established when the duty cycle pulse width modulation controlling the switchable electronic component 24 is zero, and ceases when the duty cycle has become non-zero again.
  • the wireless transmission module 14 receives the switching commands of the switchable electronic component 24 in binary form, for example. This information is sent to the controller 13 which generates the pulse width modulation for the switching system 11.
  • the pole wheel 4 may comprise four poles 30 and a ventilation element
  • the rectifier 3, the switching system 11 and the controller 13 may be mounted on sectors 31 attached to an axial end of the exciter armature 2a.
  • the sectors 31 are in the form of croissants in the example of FIGS. 5A and 5B.
  • the sectors 31 may also have a dissipative role of the heat.
  • the rectifier 3, the switching system 11 and the controller 13 are mounted on modules fixed directly in one or more housings made on the shaft 29 of the rotor 6, in particular through insulating supports.
  • a tapped housing 34 of axis Y perpendicular to the axis of rotation X of the rotor 6 is formed through the shaft, as shown in FIG. 6, and receives a module 35.
  • equidistributed housing angularly are used.

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Abstract

La présente invention concerne un alternateur (1) à relier électriquement à une charge, l'alternateur comportant: -un rotor comportant: -une roue polaire (4), -un induit d'excitatrice (2a), -un composant dissipatif (20), et -un système de commutation (11) permettant de relier sélectivement la roue polaire (4) à l'induit d'excitatrice (2a) et au composant dissipatif (20), et -un contrôleur (13) commandant le système de commutation (11) de façon à réguler le courant dans la roue polaire (4) et, en réponse à une diminution de la charge (8) appliquée à l'alternateur (1), relier le composant dissipatif (20) à la roue polaire (4) pour dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans la roue polaire.

Description

Alternateur à régulation de tension
La présente invention a pour objet une machine électrique synchrone. Avec le développement des centrales électriques utilisant des alternateurs de plus en plus performants, il est devenu crucial d'assurer une reprise de charge ou un délestage de charge le plus rapide possible. Ceci a conduit à des machines de plus en plus évoluées sur le plan de la conception électromagnétique. Des calculateurs de plus en plus puissants sont utilisés dans ce cadre.
Les génératrices synchrones connues sont composées d'une excitatrice bobinée qui débite sur un pont de diodes et d'une machine principale. La tension de l'induit d'excitatrice est redressée et sert à alimenter la roue polaire de la machine principale permettant ainsi de produire la tension nécessaire pour l'installation. Cette tension est contrôlée grâce à un régulateur de tension qui fournit à l'inducteur d'excitatrice le courant d'excitation en fonction de la tension de sortie de la machine principale. L'énergie d'excitation est fournie soit en dérivant la tension de la machine principale, soit à partir de bobinages auxiliaires placés dans les encoches de la machine principale ou encore en utilisant une machine à aimants permanents montée sur le même arbre que la machine principale.
Il est connu du brevet US 6 362 588 de réguler la tension d'une machine synchrone grâce à un système délivrant des signaux de contrôle, de forme non sinusoïdale. Ce système n'est pas hautement fiable, car il nécessite des signaux de synchronisation qui, dans le cas d'une excitatrice, sont très riches en harmoniques, conduisant inévitablement à des difficultés de synchronisation affectant la robustesse de la solution.
Il est connu du brevet US 6 828 919 d'utiliser, dans une machine comportant des supra-conducteurs refroidis à l'aide d'un liquide cryogénique, une transmission d'information par liaison optique. Il est possible de diminuer l'influence de l'excitatrice afin d'obtenir une meilleure dynamique pour l'ensemble de la machine.
Dans ce but, peu de travaux portent sur la structure intrinsèque de la machine, et concernent surtout la partie régulation, pour laquelle de nouvelles lois de commande dites modernes sont utilisées.
II existe un besoin pour améliorer encore les performances des alternateurs, notamment lors de fortes diminutions de la charge. L'invention vise à répondre au moins en partie à ce besoin et y parvient, selon l'un de ses aspects, grâce à un alternateur à relier électriquement à une charge, l'alternateur comportant :
- un rotor comportant :
- une roue polaire,
- un induit d'excitatrice,
- un composant dissipatif, et
- un système de commutation permettant de relier sélectivement la roue polaire à l'induit d'excitatrice et au composant dissipatif, et - un contrôleur commandant le système de commutation de façon à réguler le courant dans la roue polaire et, en réponse à une diminution de la charge appliquée à l'alternateur, relier le composant dissipatif à la roue polaire pour dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans la roue polaire.
L'invention permet, en ajustant le courant dans la roue polaire, d'assurer une régulation de la tension de sortie de l'alternateur et d'améliorer de façon conséquente le temps de réponse de l'alternateur lors de fortes diminutions de la charge.
Grâce à l'invention, le courant dans la roue polaire est très vite réduit, et les dépassements de tension lors des diminutions de la charge sont fortement réduits également.
Le contrôle du courant de la roue polaire permet de s'affranchir de la constante de temps de l'excitatrice et d'obtenir des performances améliorées par rapport aux solutions connues.
Le composant dissipatif est de préférence purement ohmique. Dans des variantes, le composant dissipatif est de toute nature, l'invention n'étant pas limitée à un type de composant dissipatif particulier.
Le contrôleur peut être intégré au rotor. Dans une variante, le contrôleur est non intégré au rotor.
Le rotor comporte de préférence un redresseur alimentant à partir de l'induit d'excitatrice un bus continu auquel est relié le système de commutation.
Le bus continu peut comporter un condensateur de filtrage dont la capacité est inférieure à 30 μΡ/kW de puissance d'excitation. Grâce à l'utilisation du composant dissipatif pour dissiper l'énergie, un condensateur de filtrage de très petite taille est utilisé, contrairement aux structures d'électronique de puissance connues. Dans une variante, le bus continu est non filtré.
Le système de commutation comporte des composants électroniques commutables, tels que par exemple des transistors IGBT.
Le système de commutation comporte de préférence un pont en H, double quadrant, débitant sur la roue polaire.
Un capteur de courant peut être disposé au rotor pour mesurer le courant dans la roue polaire et pour transmettre au contrôleur et/ou à un régulateur de tension la valeur du courant ainsi mesurée. Le capteur de courant peut être de toute nature, notamment à effet Hall ou inductif.
Un capteur de température de la roue polaire peut être disposé au rotor.
L'alternateur comporte un stator, comportant un inducteur d'excitatrice, lequel peut comporter des aimants permanents. Dans une variante, l'inducteur d'excitatrice est bobiné.
Le stator comporte de préférence un régulateur de tension, pouvant être composé d'un module de régulation de la tension et d'un générateur de courant continu.
Le régulateur de tension du stator agit de préférence par modulation de largeur d'impulsion sur les composants électroniques commutables du système de commutation du rotor.
Dans le cas où l'inducteur d'excitatrice est bobiné, le régulateur de tension permet de fournir en outre à l'excitatrice de la machine un courant suffisant pour assurer un fonctionnement en surcharge et en même temps éviter un échauffement excessif de l'excitatrice. On parle dans ce cas de régulation à double fonction.
Lorsque l'inducteur d'excitatrice comporte des aimants permanents, le régulateur de tension peut assurer uniquement une fonction de régulation. Le dimensionnement de cet inducteur peut être choisi pour assurer un bon fonctionnement de l'alternateur dans toute sa plage de puissance.
Dans une variante, le régulateur de tension est placé dans une armoire déportée.
Un alternateur selon l'invention peut comporter un système de transmission sans fil disposé entre le contrôleur du rotor et le régulateur de tension du stator, permettant d'éviter l'utilisation de bagues et balais, dont la pérennité peut être limitée et nécessitant des besoins importants de maintenance. Le système de transmission sans fil peut être composé de deux modules de transmission, l'un disposé au rotor, l'autre au stator, et de voies de transmission sans fil reliant lesdits modules.
La valeur du courant dans la roue polaire, mesurée par le capteur de courant du rotor, peut être transmise au régulateur de tension du stator grâce au système de transmission sans fil, bidirectionnel.
La valeur de la température de la roue polaire mesurée par le capteur de température du rotor peut être transmise par le système de transmission sans fil au régulateur de tension. Ces informations peuvent être utilisées à des fins de surveillance du bon fonctionnement de la machine.
Les informations transmises et reçues par le système de transmission sans fil peuvent être sous forme binaire. L'invention n'est pas limitée à un codage particulier des données.
L'alimentation du module de transmission du rotor et du contrôleur s'effectue de préférence à partir de la tension d'induit d'excitatrice redressée par le redresseur. Ceci permet de bénéficier d'alimentations différentes pour le module de transmission et le contrôleur.
Un dispositif de contrôle peut être présent pour initialiser, lors du démarrage de l'alternateur, l'ensemble des composants électroniques, permettant d'assurer une augmentation progressive de la tension de sortie de la machine principale. Le temps de démarrage est ajustable en fonction du besoin de la machine. Grâce à ce dispositif, la rampe de montée en tension peut s'effectuer dans un intervalle de temps compris entre 1 seconde et 180 secondes. Cela permet un démarrage progressif et une réduction des risques de calage du moteur d'entraînement de la machine.
Le contrôleur peut être agencé pour commander le système de commutation de façon à réguler le courant dans la roue polaire par modulation de largeur d'impulsion. Le rapport cyclique de la modulation de largeur d'impulsion peut être fonction de la tension de sortie de la machine principale, et préférentiellement aussi de la valeur du courant dans la roue polaire et de la charge.
Le rapport cyclique peut être calculé en fonction de la tension de sortie en appliquant une loi de commande adaptée, telle que par exemple une loi PID (« proportionnel-intégrale-dérivée ») simple, ou une loi de commande prédictive. Le rapport cyclique peut avantageusement être fonction de la valeur du courant dans la roue polaire afin de limiter ce dernier lorsqu'il est excessif.
Le rapport cyclique de la modulation de largeur d'impulsion peut aussi être fonction de la température de la roue polaire, afin de diminuer le courant en cas de température excessive.
Dans le cas d'une forte diminution de la charge, le contrôleur peut réduire le rapport cyclique de la modulation de largeur d'impulsion, et peut relier le composant dissipatif à la roue polaire, afin de dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans ladite roue.
L'énergie inductive peut être dissipée sous forme de chaleur dans le composant dissipatif, et une partie plus faible peut être stockée dans le condensateur de filtrage, lorsque ce dernier est présent.
De préférence, la connexion du composant dissipatif à la roue polaire s'établit lorsque le rapport cyclique de la modulation de largeur d'impulsion est nul, et cesse lorsque ce rapport cyclique redevient non nul.
Le contrôleur peut comporter au moins un circuit intégré.
Le redresseur, le système de commutation et le contrôleur peuvent être montés sur des secteurs, pouvant être métalliques, et étant de préférence fixés à une extrémité axiale de l'induit d'excitatrice. Lesdits secteurs peuvent être en forme de croissants.
En variante, le redresseur, le système de commutation et le contrôleur peuvent être montés sur un ou plusieurs modules fixés directement sur le rotor, notamment au travers d'un ou plusieurs supports isolants.
L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé pour réduire le temps de réponse au délestage d'un alternateur tel que défini ci-dessus, dans lequel :
en réponse à la détection d'une diminution de la charge appliquée à l'alternateur, le contrôleur agit sur le système de commutation pour relier la roue polaire au composant dissipatif, afin de dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans la roue polaire.
Le procédé selon l'invention peut permettre l'inversion de la tension aux bornes de la roue polaire, réduisant rapidement le courant dans ladite roue et limitant ainsi le dépassement de la tension. Toutes les caractéristiques de l'invention énumérées ci-dessus valent pour le procédé.
Par ailleurs, lors d'un impact de charge, en réponse à la détection d'une augmentation de la charge appliquée à l'alternateur, le contrôleur peut avantageusement ajuster le rapport cyclique de la modulation de largeur d'impulsion du système de commutation afin d'augmenter rapidement le courant de la roue polaire, permettant ainsi de réduire la chute de tension et d'améliorer le temps de réponse de l'alternateur.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d'exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
la figure 1 est une représentation schématique d'un alternateur selon l'art antérieur,
la figure 2 est une représentation schématique d'un alternateur selon l'invention,
- la figure 3 est une représentation schématique et partielle d'un alternateur selon l'invention,
la figure 4A illustre le fonctionnement de l'alternateur selon l'invention, en fonctionnement normal,
la figure 4B illustre le fonctionnement de l'alternateur selon l'invention lors de fortes diminutions de la charge,
la figure 5 A représente un exemple de rotor selon l'invention,
la figure 5B est une vue agrandie de certains éléments du rotor de la figure
5A, et
la figure 6 est une vue agrandie d'un autre exemple de rotor selon l'invention.
Un alternateur selon l'art antérieur, comme illustré à la figure 1, est relié à une charge 8, et comporte une excitatrice bobinée 2a, 2b, débitant sur un redresseur 3 composé d'un pont de diodes double alternance, et une machine principale 4, 5.
La tension de l'induit d'excitatrice 2a redressée sert à alimenter la roue polaire 4 de la machine principale. La tension est contrôlée par un régulateur de tension 7, alimenté par une source 12 et fournissant à l'inducteur d'excitatrice 2b le courant d'excitation en fonction de la tension de sortie de la machine principale 4, 5. L'alternateur 1 selon l'invention, représenté à la figure 2, comporte un rotor 6 et un stator 9, pouvant être relié à une charge 8.
Le rotor 6 comporte une roue polaire 4 et un induit d'excitatrice 2a.
Le rotor 6 comporte un redresseur 3, composé d'un pont de diodes double alternance, alimentant à partir de l'induit d'excitatrice 2a un bus continu 26 auquel est relié un système de commutation 11.
Le bus continu 26 comporte dans l'exemple décrit un condensateur de filtrage 21 dont la capacité est par exemple inférieure à 30 μΡ/kW de puissance d'excitation.
Dans une variante non représentée, le bus continu 26 est non filtré.
Le rotor 6 comporte un composant dissipatif 20, qui est purement ohmique dans l'exemple décrit.
Le système de commutation 11, qui peut être composé comme illustré de trois composants électroniques commutables 22, 23, 24, par exemple des transistors IGBT, et de deux diodes 27 et 28, permet de relier sélectivement la roue polaire 4 à l'induit d'excitatrice 2a ou au composant dissipatif 20. Dans l'exemple illustré à la figure 2, le système de commutation 11 comporte un pont en H, double quadrant, composé des diodes 27, 28 et des composants électroniques commutables 22 et 24, débitant sur la roue polaire 4.
L'alternateur 1 comporte également un contrôleur 13 commandant le système de commutation 1 1, de façon à réguler le courant Irp dans la roue polaire 4 par modulation de largeur d'impulsion. Le rapport cyclique a de la modulation de largeur d'impulsion est fonction de la tension de sortie de la machine principale, de façon à maintenir autant que possible la tension délivrée par l'alternateur à une valeur prédéfinie.
Dans l'exemple décrit, le contrôleur 13 est intégré au rotor 6 et tourne avec celui-ci. Dans une variante non représentée, le contrôleur 13 est non intégré au rotor 6, étant par exemple disposé dans une armoire déportée ou solidaire du stator.
Le contrôleur 13 peut comporter au moins un circuit intégré.
Le rotor 6 comporte dans l'exemple illustré un capteur de courant 10 pour mesurer le courant Irp dans la roue polaire 4. La valeur du courant Irp ainsi mesurée est transmise au contrôleur 13. Le capteur de courant 10 peut être à effet Hall, mais l'invention n'est pas limitée à un type de capteur de courant particulier. Un capteur de température 25 de la roue polaire 4 peut être disposé au rotor 1 , comme illustré. La valeur de la température Trp ainsi mesurée est transmise au contrôleur 13.
L'alternateur 1 comporte au stator 9, comme illustré à la figure 3, un inducteur d'excitatrice 2b et l'induit 5 de la machine principale, relié à la charge 8. Le stator 9 est alimenté par une alimentation 12.
L'inducteur d'excitatrice 2b est bobiné, dans l'exemple décrit. Dans une variante non représentée, l'inducteur d'excitatrice 2b comporte des aimants permanents.
Le stator 9 comporte un régulateur de tension 16, visible à la figure 3, composé d'un module de régulation de la tension 17 et d'un générateur de courant continu 18.
Dans la variante, non illustrée, où l'inducteur d'excitatrice 2b comporte des aimants permanents, le régulateur de tension 16 n'est composé que d'un module de régulation de la tension 17.
Un système de transmission sans fil HF est disposé entre le contrôleur 13 du rotor 6 et le régulateur de tension 16 du stator 9 de l'alternateur 1. Le système de transmission sans fil est composé d'un module de transmission 14 disposé au rotor 6, d'un module de transmission 19 disposé au stator 9, et de voies de transmission sans fil 15 reliant lesdits modules.
Les données échangées entre les modules de transmission 14 et 15 sont numériques et par exemple codées sur 3 octets, soit 24 bits.
La valeur du courant Ιψ dans la roue polaire 4, mesurée par le capteur de courant 10 du rotor 6, est transmise au régulateur de tension 16 du stator 9 par le système de transmission sans fil 14, 15, 19.
La valeur Trp de la température de la roue polaire 4, mesurée par le capteur de température 25 situé au rotor 6, est transmise par le système de transmission sans fil 14, 15, 19 au régulateur de tension 16 situé au stator 9.
L'alimentation du module de transmission 14 et du contrôleur 13 du rotor 6 se fait en prélevant une partie de l'énergie de la tension d'induit d'excitatrice 2a redressée par le redresseur 3.
Pendant le démarrage de l'alternateur 1 , un dispositif de contrôle, non représenté, initialise l'ensemble des composants électroniques et assure une augmentation progressive de la tension de sortie de la machine principale. Lors du fonctionnement normal de l'alternateur 1, illustré à la figure 4 A, c'est- à-dire en l'absence de diminution de la charge 8, la tension en sortie du redresseur 3 alimente la roue polaire 4, et le courant circule dans le composant électronique commutable 24, comme illustré. Le composant électronique commutable 22 est passant, alors que le composant électronique commutable 23 est bloqué. Le composant dissipatif 20 et le condensateur de filtrage 21 ne sont pas reliés à la roue polaire 4.
Dans ce mode de fonctionnement ou en cas d'une application de charge, le contrôle du système de commutation 11 par le contrôleur 13 permet de réguler la tension de sortie de l'alternateur 1 autour d'une valeur de consigne en jouant sur le rapport cyclique du courant d'alimentation de la roue polaire.
Dans le cas d'une diminution de la charge 8, illustrée à la figure 4B, le contrôleur 13 réduit le rapport cyclique a en fonction de la tension de sortie de l'alternateur. Quand le rapport cyclique a devient nul, le composant électronique commutable 22 est bloqué, et le composant électronique commutable 23 est passant. Dans cette phase, la tension aux bornes de la roue polaire 4 est inversée, permettant de réduire le courant Irp dans la roue polaire le plus rapidement possible et évitant les dépassements de tension importants aux bornes de l'alternateur 1.
Le contrôleur 13 relie ainsi le composant dissipatif 20 à la roue polaire 4, pour dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans ladite roue polaire. L'énergie inductive est dissipée sous forme de chaleur dans le composant dissipatif 20, et une partie de cette énergie est stockée dans le condensateur 21.
La connexion du composant dissipatif 20 à la roue polaire 4 s'établit lorsque le rapport cyclique a de la modulation de largeur d'impulsion commandant le composant électronique commutable 24 est nul, et cesse lorsque ce rapport cyclique a redevient non nul.
Le module de transmission sans fil 14 reçoit les ordres de commutation du composant électronique commutable 24 sous forme binaire, par exemple. Ces informations sont envoyées au contrôleur 13 qui génère la modulation de largeur d'impulsion pour le système de commutation 11.
La roue polaire 4 peut comporter quatre pôles 30 et un élément de ventilation
32, comme représenté à la figure 5 A. Le redresseur 3, le système de commutation 11 et le contrôleur 13 peuvent être montés sur des secteurs 31 fixés à une extrémité axiale de l'induit d'excitatrice 2a. Les secteurs 31 sont en forme de croissants dans l'exemple des figures 5 A et 5B. Les secteurs 31 peuvent également avoir un rôle dissipatif de la chaleur.
Dans une variante, le redresseur 3, le système de commutation 11 et le contrôleur 13 sont montés sur des modules fixés directement dans un ou plusieurs logements réalisés sur l'arbre 29 du rotor 6, notamment au travers de supports isolants. Par exemple, un logement taraudé 34 d'axe Y perpendiculaire à l'axe de rotation X du rotor 6 est réalisé à travers l'arbre, comme représenté à la figure 6, et reçoit un module 35. En variante, des logements équirépartis angulairement sont utilisés.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits.
L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.

Claims

REVENDICATIONS
1. Alternateur (1) à relier électriquement à une charge (8), l'alternateur comportant :
- un rotor (6) comportant :
une roue polaire (4) de machine principale (4, 5), un induit d'excitatrice (2a),
un composant dissipatif (20), et
un système de commutation (1 1) permettant de relier sélectivement la roue polaire (4) à l'induit d'excitatrice (2a) et au composant dissipatif (20), et
un contrôleur (13) commandant le système de commutation (1 1) de façon à réguler le courant (Ιψ) dans la roue polaire (4) par modulation de largeur d'impulsion, et, en réponse à une diminution de la charge (8) appliquée à l'alternateur (1), relier le composant dissipatif (20) à la roue polaire (4) pour dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans la roue polaire,
le rapport cyclique (a) de la modulation de largeur d'impulsion étant fonction de la tension de sortie de la machine principale (4, 5).
2. Alternateur selon la revendication 1 , le rapport cyclique (a) de la modulation de largeur d'impulsion étant fonction du courant (Irp) dans la roue polaire (4).
3. Alternateur selon la revendication 1 ou 2, le composant dissipatif (20) étant purement ohmique.
4. Alternateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, le contrôleur (13) étant intégré au rotor (6).
5. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le rotor (6) comportant un redresseur (3) alimentant à partir de l'induit d'excitatrice (2a) un bus continu (26) auquel est relié le système de commutation (1 1).
6. Alternateur selon la revendication précédente, le bus continu (26) comportant un condensateur de filtrage (21), de préférence dont la capacité est inférieure à 30 μΡ/kW de puissance d'excitation.
7. Alternateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, le bus continu (26) étant non filtré.
8. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le système de commutation (1 1) comportant un pont en H débitant sur la roue polaire (4).
9. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'alimentation du module de transmission (14) et du contrôleur (13) du rotor (6) se faisant à partir de la tension d'induit d'excitatrice (2a) redressée par le redresseur (3).
10. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le contrôleur (13), commandant le système de commutation (1 1), comportant au moins un circuit intégré.
1 1. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le redresseur (3), le système de commutation (1 1) et le contrôleur (13) étant montés sur des secteurs (31), de préférence fixés à une extrémité axiale de l'induit d'excitatrice (2a), lesdits secteurs (31) étant notamment en forme de croissants.
12. Alternateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, le redresseur (3), le système de commutation (1 1) et le contrôleur (13) étant montés sur un ou plusieurs modules fixés directement sur le rotor (6), notamment au travers d'un ou plusieurs supports isolants.
13. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un capteur de courant (10) pour mesurer le courant (Ιψ) dans la roue polaire (4) et pour transmettre au contrôleur (13) et/ou à un régulateur de tension (16) la valeur du courant (Ιψ) ainsi mesurée.
14. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un inducteur d'excitatrice (2b) comportant des aimants permanents.
15. Alternateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, comportant un inducteur d'excitatrice (2b) bobiné.
16. Alternateur selon la revendication 4, comportant un système de transmission sans fil (14, 15, 19) entre le contrôleur (13) et un régulateur de tension (16) au stator (9) de l'alternateur (1), notamment une transmission par radio fréquence à 2.4 GHz.
17. Alternateur selon la revendication précédente, comportant un capteur de température (25) de la roue polaire (4), la valeur mesurée (Trp) étant transmise par le système de transmission sans fil (14, 15, 19) au régulateur de tension (16) au stator (9).
18. Alternateur selon la revendication précédente, le rapport cyclique (a) de la modulation de largeur d'impulsion étant fonction de la température (Trp) de la roue polaire (4)·
19. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, la connexion du composant dissipatif (20) à la roue polaire (4) s 'établissant lorsque le rapport cyclique (a) de la modulation de largeur d'impulsion est nul et cessant lorsque ce rapport cyclique redevient non nul.
20. Procédé pour réduire le temps de réponse au délestage d'un alternateur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
en réponse à la détection d'une diminution de la charge (8) appliquée à l'alternateur (1), le contrôleur (13) agit par modulation de largeur d'impulsion sur le système de commutation (1 1) pour relier la roue polaire (4) au composant dissipatif (20), afin de dissiper de l'énergie inductive emmagasinée dans la roue polaire,
le rapport cyclique (a) de la modulation de largeur d'impulsion étant fonction de la tension de sortie de la machine principale (4, 5).
21. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, en réponse à la détection d'une diminution de la charge (8) appliquée à l'alternateur (1), la tension aux bornes de la roue polaire (4) est inversée, réduisant le courant (Ιψ) dans ladite roue polaire.
22. Procédé pour réduire le temps de réponse à l'impact de charge d'un alternateur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, dans lequel :
en réponse à la détection d'une augmentation de la charge (8) appliquée à l'alternateur (1), le contrôleur (13) agit par modulation de largeur d'impulsion sur le système de commutation (1 1) en ajustant le rapport cyclique (a) de la modulation de largeur d'impulsion afin d'augmenter le courant (Irp) dans la roue polaire (4) et de réduire la chute de tension,
le rapport cyclique (a) de la modulation de largeur d'impulsion étant fonction de la tension de sortie de la machine principale (4, 5).
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