Brevet FR2000717A1 — publié le 19690912

La présente invention est relative à un dispositif pour commander un convertisseur de fréquence possédant des redresseurs commandés, ce convertisseur étant du type dans lequel la tension provenant d'un réseau monophasé ou polyphasé est transforméedirec-5 tement, sans une première transformation ai courant continu, en une tension monophasée ou polyphasée, dont la fréquence est inférieure et éventuellement égale à celle de la tension d'entrée. Un tel convertisseur de fréquence est constitué par un groupe de redresseurs, les redresseursc&s chaque groupe assurant 10 une commutation mutuelle par rapport à la tension, du réseau déli-mentation. Avec une alimentation monophasée, chaque groupe possède habituellement 2 ou 4 redresseurs et a des impulsions au nombre de 2, tandis qu'avec une alimentation triphasée, chaque groupe contient 3 redresseurs et^un nombre d'impulsions égal à 3. 15 Etant donné que chaque groupe de redresseurs ne peut four nir du courant que dans un sens, il faut disposer d'au moins deux groupes de redresseurs connectés en parallèle et en opposition pour une tension de sortie monophasée. Avec une tension de sortie triphasée, trois groupes de redresseurs peuvent être disposés avec une 20 connexion polygonale ou deux jeux de trois groupes connectés en parallèle et en opposition avec une connexion en étoile. Afin qu'un redresseur d'un groupe devienne conducteur, il doit recevoir une tension de commutation positive. Etant donné que la tension de commutation pour chaque redresseur est positive au 25 cours d'un intervalle de 180°, chaque redresseur peut être alln.mé ou amorcé avec un angle de retard qui peut varier de O à 180°. La commande est souvent réalisée suivant le princip^âit de commande verticale, dans lequel chaque redresseur reçoit une tension de référence pratiquement sinusoïdale dérivée du réseau d'a-30 limentation et une tension pilote qui. est commune à la totalité du groupe, ces deux tensionçëtant comparées de telle sorte que les impulsions d'amorçage ou d'allumage soient émises vers un redresseur lorsque les deux tensions précitées sont égales. On obtient ainsi une proportionnalité entre la tension de sortie émise à 35 partir d'un groupe de redresseurs et la tension pilote à partir du groupe. Dans un convertisseur de fréquence, la tension pilote est une tension alternative et la fondamentale de la tension de sortie pour le groupe de redresseurs correspondra ainsi: en fré-- 69 01223 2000717 quence et en forme de courbe à la tension pilote, qui constituera donc une "tension modèle" pour le groupe de redresseurs. Ceci amène à son tour le groupe de redresseurs à fonctionner pendant les demi-périodes positives de la tension pilote en tant que redres-5 seur , tandis qu'il 'agit en tant qu'onduleur pendant les demi-périodes négatives. Ainsi, dans deux groupes de redresseurs connectés en parallèle et en opposition, un groupe travaillera en onduleur tandis que l'autre fonctionne en redresseur et vice versa, et ce fonc-10 tionnement alterne dans les deux groupes à la cadence de la tension de sortie. La tension engendrée par un groupe de redresseurs,indépendamment de la tension de sortie désirée, contient-toujours certains harmoniques qui dépendent du nombre d'impulsions du groupe de redresseurs et étant donné que les harmoniques provenant des 15 groupes redresseurs et onduleurs sont différents à la fois en dimension et en position de phase, une self doit être connectée entre les deux groupes pour limiter les courants d'harmoniques éventuels. Une telle self est calculée de façon à n'entraîner qu*une réduction de tension raisonnable pour la fréquence fondamentale de 20 la tension de sortie. En plus des harmoniques mentionnés, les tensions de sortie des groupes de redresseurs contiendront également certains sous-hamoniques qui sont déterminés par le rapport entre les fréquences d'entrée et de sortie. Ces sous-hamoniques ont une fréquence telle-25 ment basse qu'ils ne peuvent pas être éliminés par des selfs normales, en particulier étant donné que, pour certaines relations simples entre les deux fréquences précitées, ils peuvent présenter des composantes de tension continue . En particulier lorsque la fréquence de sorties'approche de la fréquence d'entrée, les sous-30 hamoniques deviennent gênants, de telle sorte que la commande verticale ne convient actuellement que pour des fréquences de sortie jusqu'à un tiers de la fréquence d'entrée, avec des impulsions au nombre de trois et même moins pour des impulsions au nombre de deux. 35 La présente invention est relative à la commande de conver tisseurs de fréquence suivant le principe de commande verticale, dans lesquels lafréquence de sortie devrait être variable librement jusqu'à la fréquence d'entrée sans qu'apparaissent des sous- 69 01223 3 2000717 harmoniques ou des composantes de courant continu et avec pour base les exigences de commande ci-après. Au cours de chaque intervalle conducteur pour un redresseur dans un groupe, l'angle de retard du redresseur doit être 5 déterminé de telle sorte que la tension moyenne à partir du groupe de redresseurs pendant cet intervalle soit proportionnelle à la valeur moyenne de la tension pilote au cours du même intervalle. Si on assure alors que la tension pilote ne contient aucune composante de courant continu ou aucun harmonique ou sous-hamonique 10 indésirable et également que, pour une tension pilote polyphasée, la somme des tensions de phase est toujours nulle, les tensions de sortie des groupes de redresseurs ne contiendront pas d'autres harmoniques que ceux provenant de la fondamentale du réseau d'alimentation et du nombre d'impulsions du convertisseur. 15 Toutefois, le problème qui se présente est que la valeur moyenne de la tension pilote n'est pas connue au cours d'un intervalle, avant que celui-ci ne soit achevé. Ce problème est résolu suivant l'invention de telle sorte qu'au cours de la 1_ partie d'une période de la tension d'entrée, n étant le nombre d'impulsions du est 20 groupe de redresseurs,la tension pilote/intégrée et cette valeur d'intégration est emmagasinée pour commander le redresseur intéressé pendant la 1^ période suivante de la tension d'entrée. Des moyens de commande suivant l'invention sont donc réalisés de telle sorte que le dispositif de commande pour chaque redresseur d'un 25 groupe contient un organe intégrateur avec un dispositif de mémoire et des moyens de commutation destinés à connecter ce dispositif de mémoire alternativement à cette tension pilote et un circuit de commande pour le redresseur, les moyens de commutation étant commandés par la tension d'entrée du convertisseur à une cadence corres-30 pondant à la longueur de la période de la tension d'entrée divisée par le nombre des impulsions du groupe de commutation . Le résultat de l'application de cette commande sera que la fondamentale de la tension d'entrée sera complètement en accord avec la tension pilote, tout en étant déplacée de 1^ période de la tension d'entrée par n 35 rapport à la tension pilote. Toutefois, ceci est sans importance étant donné que, dans chaque cas, la position de phase de la tension pilote peut être sélectionnée par rapport à la position de phase désirée' de la tension de sortie. 69 01223 4 2000717 D'autres détails et particularités de l'invention ressor-tiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : Les figures 1 et 2 représentent le principe de commande 5 verticale connu pour un convertisseur statique. La figure 3 est un schéma d'un convertisseur de fréquence monophasé suivant l'invention. La figure 4 est un diagramme donnant des courbes de tension pour un convertisseur de fréquence suivant la figure 3. 10 Les figures 5 et 6 représentent deux formes de réalisation connues de convertisseurs de fréquence polyphasés . La figure 7 est un diagramme donnant les rapports entre les tensions d'entrée et de sortie du convertisseur suivant la figure 6. 15 La figure 1 représente en principe seulement un convertis seur statique ou une partie d'un tel convertisseur comprenant deux de redresseurs 1 et 2 avec leurs enroulements /transformateur 3 et 4. Seul le côté redresseur du transformateur a été représenté,le côté ' réseau ayant été omis. Les deux redresseurs sont représentés en 20 tant que simples redresseurs à thyristors, mais il est fréquent que chacun d'eux soit constitué par plusieurs thyristors connectés en série et en parallèle, d'une façon correspondant à la tension et au courant prévis désiré pour le convertisseur statique. Si par exemple / le redresseur 1 est conducteur, le courant peut être 25 commuté au redresseur 2 si l'anode de ce redresseur est positive par rapport à l'anode du redresseur 1, en d'autres mots si la tension dans l'enroulement 4 est supérieure à celle dans l'enroulement 3. La différence entre ces tensions est la tension de commutation E , qui est habituellement représentée sous la forme d'une K 30 tension sinusoïdale comme illustré à la figure 2a, et qui peut être obtenue à l'aide d'un transformateur de tension 7 à la figure 1. Si la tension E est considérée comme une tension sinusoïdale, J\ elle peut être transformée par le dispositif déphaseur 8 en une tension cosinusoïdale E^ , illustrée à la figure 2b , qui, conjoin-35 tement avec une tension continue de commande E provenant d'un O potentiomètre 10 par l'intermédiaire d'une résistance 9, peut être utilisée pour déterminer un angle de commande a pour un redresseur. Ceci est réalisé, par exemple, en appliquant ces deux ten 69 01223 2000717 sions au côté primaire d'un transformateur à impulsions , de telle sorte que sur le côté secondaire de celui-ci soit obtenue une impulsion lorsque la tension E dépasse la tension E , impulsion L b qui peut être utilisée pour déclencher ou allumer un redresseur, 5 en l'appliquant à l'électrode de commande de ce redresseur. On observera qu'en modifiant la tension Eg entre des valeurs d'amplitude positive et négative de la tension E^, l'angle de commande a peut être modifié de 0° à 180° et on peut démontrer que si la commande est effectuée suivant ce principe, la tension 10 continue aux bornes 5, 6 de la figure 1 sera proportionnelle à la tension de commande Eg. Si on imagine à présent que le schéma de la figure 1 fait partie d'un convertisseur de fréquence et que la tension de commande E suivant la figure 2b est remplacée par line tension alternati- b 15 ve constituant une tension pilote pour 1-e convertisseur de fréquence, on observera que la tension aux bornes 5, 6 correspondra en principe à la tension pilote à la fois en ce qui concerne la fréquence et la forme de la courbe. Ceci n'est vrai plus ou moins exactement , toutefois, que 20 si la fréquence de sortie est très faible par rapport à la fréquence d'entrée. Avec une fréquence de sortie plus élevée, la tension de sortie contiendra des harmoniques extrêmement puissants et avec des rapports de phase entre les côtés de sortie et d'entrée qui ne sont pas très simples, la tension de sortie comprendra éga-25 lement des sous-harmoniques élevés, qui peuvent entraîner une excitation de courant continu et l'apparition de courants parasites qui rendent les conditions de fonctionnement dans le convertisseur plus compliquées ou impossibles. Toutefois, de tels sous-harmoniques peuvent être évités si les conditions mentionnées précédem-30 ment sont satisfaites et ceci peut être réalisé à l'aide d'un dispositif de commande suivant l'invention,tel qu'illustré à la figure 3. Cette figure représente un convertisseur de fréquence destiné à transformer une tension alternative de fréquence supérieure en une tension alternative de fréquence inférieure. Le convertis-35 seur comprend deux groupes de redresseurs à commutation mutuelle 1,2 et 3,4, respectivement. Chaque groupe de redresseurs est doté d'un enroulement secondaire correspondant 6 et 7, respectivement, sur un transformateur de convertisseur, dont l'enroulement primai 69 01223 2000717 re 5 est alimenté par une tension alternative monophasée qui constitue ainsi la tension d'entrée pour le convertisseur. La tension de sortie du convertisseur est obtenue par l'intermédiaire de bornes 8, 9, après filtrage dans une self 89. 5 En outre,les groupes de redresseurs sont équipés de selfs individuelles 81 et 82 afin de retenir les harmoniques de la tension d'entrée dus au nombre des impulsions. On a représenté les circuits de commande pour les redresseurs 1 et 2 qui comprennent un transformateur de tension de sortie 11 et 21, respectivement, les 10 côtés secondaires de ces transformateurs étant connectés à l'électrode de commande du redresseur correspondant. Les côtés primaires de ces transformateurs de tension de commande sont alimentés par une tension, alternative de référence dérivée de la tension d'entrée du convertisseur , en série avec une tension de commande déri-15 vée d'un générateur de tension pilote 80. La tension alternative de référence est obtenue à partir des bornes 52 qui sont connectées à la même tension d'entrée que - l'enroulement de transformateur 5.A ïaide d'un dispositif de déphasage constitué par une résistance 524 et un condensateur 525, " 20 cette tension est déphasée de 90° et appliquée à l'enroulement primaire 523 d'un transformateur équipé de deux enroulements secon- . daires 521 et 522 qui sont connectés en série avec l'enroulement primaire de chacun des transformateurs 11 et 21, respectivement. Le générateur de tension pilote 80 fournit une tension de . 25 sortie dont la fréquence est égale à la fréquence de sortie désirée du convertisseur et dont la forme de la courbe correspond à celle de la tension de sortie du convertisseur. Ce générateur de tension pilote est connecté à des dispositifs de mémoire à intégration sous la forme de condensateurs 10, 20, 30, 40 pour chacun 30 des redresseurs 1-4 du convertisseur. Pour les condensateurs 10 et 20 appartenant aux redresseurs 1 et 2, les dispositifs de commutation sont représentés plus en détail comme constitués par des transistors 101 et 201 destinés à connecter les condensateurs au générateur de tension pilote, des transistors 102 et 202 destinés 35 à connecter^Les condensateurs aux transformateurs de tension de commande 11, 21 des redresseurs et des organes de court-circuit sous la forme de transistors 103, 203. Ces transistors sont commandé par les enroulements secondaires 511-516 d'un transforma;- 69 01223 7 2000717 teur, dont l'enroulement primaire 51 est connecté à la tension d' entrée du convertisseur de fréquence, c'est-à-dire à l'enroulement de transformateur 5. Lestransistors représentés 101-103 et 201-203 ne peuvent être conducteurs que pendant une demi-période-de la 5 tension pilote provenant du générateur 80. Afin de ten>-ir compte de l'autre demi-période également, ces transistors doivent par conséquent être connectés en parallèle et en opposition chacun avec leur propre transistor supplémentaire et chacune de ces paires de 10 transistors connectés en parallèle et en opposition est commandée de telle sorte que les condensateurs 10 et 20 puissent être chargés avec une polarité positive ou négative correspondant aux demi-périodes positives ou négatives, respectivement, de la tension pilote. Dans un but de clarté, toutefois, ces transistors supplémen-15 taires ont été omis à la figure 3. Afin de décrire plus en détail le procédé de fonctionnement de ces transistors et du dispositif de commande pour les redresseurs 1 et 2 dans leur ensemble, on se référera à la figure 4 qui représente des courbœ de tension pour différentes parties du 20 convertisseur de fréquence et de son dispositif de commande. La figure 4a représente la tension d'entrée e,. pour les enroulements de transformateurs 5, 51 et 52, tandis que la figure 4b représente la tension pilote e provenant du générateur de tension pilote 80. ou Les enroulements secondaires appartenant à l'enroulement de trans-25 formateur 51 sont alors connectés de telle sorte que pendant la première demi-période de la tension e,. suivant la figure 4a, l'enroulement de transformateur 511 fournit une tension de commande au transistor 101 d'une façon telle que le condensateur 10 soit chargé par l'intermédiaire d'une résistance de relativement faible va-30 leur 104. Pendant cette demi-période, par conséquent, une tension e^Q apparaîtra aux bornes du condensateur 10, comme indiqué à la figure 4c. Lorsque cette demi-période est achevée, le transistor 101 sera bloqué de telle sorte qu'au cours de la demi-période suivante, la tension e^Q subsistera aux bornes du condensateur 10. 35 Pendant cette demi-période, l'enroulement de transformateur 513 fournira une tension de commande au transistor 102, de telle sorte que la tension e^Q soit appliquée par l'intermédiaire d'une résistance de forte valeur 105 et du transistor 102, en série avec l'en 69 01223 8 2000717 roulement de transformateur 521 et l'enroulement primaire du transformateur 11. Une tension 6521 aPParait alors dans l'enroulement de transformateur 521 , avec un déphasage de 90° par rapport à la tension e,. de la figure 4a. Au moment où les courbes de tension 5 e^Q et &£21 se recoupent mutuellement, le transformateur 11 sera réaimanté et une tension sera induite dans son enroulement secondaire , tension qui agira en tant que tension de commande pour le redresseur 1 qui devient alors conducteur. L'enroulement de transformateur 515 est connecté à l'enroulement primaire 51 avec une sorte 10 de connexion d'impulsions, par exemple par l'intermédiaire d'une partie aisément saturée du noyau du transformateur, de telle sorte que quand la demi-période qui vient d'être décrite a été achevée, une brève impulsion de tension (voir la figure 4d), sera in duite dans cet enroulement de transformateur, d'une façon telle que 15 le transistor 103 devienne conducteur pendant un moment. Le condensateur 10 sera ainsi court-circuité et sera déchargé par l'intermédiaire du transistor 103, de telle sorte que le condensateur 10 a une tension nulle lorsqu'il est connecté ultérieurement par le transistor 101 au générateur de tension pilote 80, pour être re~ 20 chargé. Pendant la demi-période ultérieure de la tension d'entrée ec, la tension pilote e est supérieure à celle pendant la pério-b oO de de charge précédente, la tension de charge e^ pendant la demi-période suivante de la tension d'entrée étant un peu supérieure à celle rencontrée au moment précédent et le processus décrit est 25 répété pour chaque période de la tension d'entrée e,_. De la même façon, le condensateur 20 sera chargé et fournira une tension de commande de transformateur 21 et sera ensuite rechargé par l'intermédiaire de^transistors201, 202 et 203, respectivement. La tension aux bornes de sortie 8, 9 du convertisseur de fréquence sera 30 par conséquent composée des parties séparées e^ et e^ représentées à la figure 4e des demi-périodes de la tension d'entrée e,.. Lorsque la tension pilote eQ_ change alors de polarité, les condensa- oU teurs 10 et 20 seront chargés avec une polarité opposée et ils seront connectés aux transformateurs 11 et 21 à l'aide des transis-35 tors supplémentaires mentionnés précédemment, qui n'ont pas été représentés, ce qui signifie que le groupe de redresseurs 1, 2 fonctionnera à la façon d'un onduleur. En même temps, les condensateurs 30 et 40 seront chargés de façon à commander les re- 69 01223 d 2000717 dresseurs 3 et 4 de la figure 3 avec un mode de fonctionnement en redresseur et, grâce au filtrage dans la self 89, on obtient une tension de sortie aux bornes de sortie 8, 9 qui correspond pratiquement à la tension pilote e__, mais qui est en retard par rap- OU 5 port à celle-ci d'une demi-période de la tension d'entrée. La figure 5 représente un convertisseur de fréquence mono-phasé-polyphasé de type connu qui peut convenablement être commandé avec un dispositif de commande suivant l'invention. Un tel con- .un vertisseur comprend un transformateur avec / enroulement primaire 5 10 connecté à la tension d'entrée et trois enroulements secondaires 6, 7 et 8 connectés chacun à leur propre pont redresseur 1, 2 et 3 respectivement. Les ponts redresseurs sont connectés suivant un schéma polygonal et la tension de sortie RST est obtenue à partir des sommets, de cette connexion polyginale. Chaque po^nt redresseur 15 a des impulsions au nombre de deux et les quatre redreseeurs du pont sont commandés par paires à l'aide d'un dispositif de commande correspondant à un dispositif de commande pour-l'une des paires de redresseurs 1, 2 ou 3,4 de la figure 3. Le générateur de tension pilote 80 suivant la figure 3 doit alors fournir une tension pilo-20 te .triphasée pour commander chacun des ponts redresseurs de la fi^-gure 5, de telle sorte que chaque branche du schéma de la figure 5 correspondra à un groupe 1, 2, 6 ou 3, 4, 7 suivant la figure 3. De la sorte, la condition mentionnée précédemment sera automatiquement satisfaite, d'une façon telle que les sous-harmoniques et les 25 courants parasites ainsi que les excitations de courant continu qu'ils provoquent dans le convertisseur de fréquence à connexion polyginale sont évités. La figire 6 représente un convertisseur de fréquence triphasé-triphasé connu pour la transformation directe d'une tension 30 alternative RST en une:tension alternative de sortie UVW. Chaque phase secondaire est connectée au réseau primaire à l'aide dçGeux groupes de redresseurs 1, 4, 2, 5 et 3, 6, respectivement et chaque groupe de redresseurs a des impulsions au nombre de trois. Pour chaque groupe de redresseurs, il doit exister par conséquent 35 un dispositif de commande correspondant à celui d'une paire de redresseurs suivant la figure 3, avec trois condensateurs correspondant aux condensateurs 10, 20 de la figure.3, ainsi que leurs éléments de connexion. La figure 7a représente les courbes de ten 69 01223 2000717 10 sion pour les tensions primaires RST, tandis que la figure 7b représente une phase d'une tension pilote pour une tension secondaire U. Etarfc donné que chaque groupe de redresseurs a des impulsions au nombre de 3, les condensateurs de commande appropriés 5 dans le dispositif de commande doivent intégrer la tension pilote U pendant un tiers de la période du réseau primaire, c'est-à-dire pendant un intervalle de 120°, comme indiqué à la figure 7. Pendant le premier intervalle de 120° de la tension primaire, la tension pilote U sera intégrée par un condensateur 10 et la tension de charge de ce condensateur sera alors utilisée pour commander le redresseur correspondant pendant la période de 120° suivante de la tension primaire. Les courbes pour les tensions de commande et les tension de sortie correspondront ainsi exactement à celles illustrées à la figure 4. 15 II doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet. REVENDICATIONS 2o 1.Dispositif de commande pour convertisseur de fréquence, destiné à convertir une tension alternative de fréquence supérieure en une tension alternative de fréquence inférieure, ce conver^ tisseur comportant au moins deux groUpes de redresseurs se cont-mutant mutuellement , le dispositif de commande pour un groupe de 25 redresseurs comprenant un générateur de tension pilote qui engendre une tension pilote, dont l'amplitude et la fréquence correspondent à l'amplitude et à la fréquence désirées de la tension de sortie du convertisseur, cette tension pilote, par comparaison avec une tension de référenc^dérivée de la tension d'entrée du 30 convertisseur, donnant l'angle de commande désiré pour les redresseurs du groupe précité, caractérisé en ce .que le dispositif de commande pour chaque redresseur dans un groupe contient un organe intégrateur comportant un dispositif de mémoire et des moyens de commutation pour connecter ce dispositif de mémoire âlternativet- à 35 ment à cette tension pilote et/un circuit de commande pour le redresseur, les moyens de commutation étant commandés par la tension d'entrée du convertisseur à une cadence correspondant à la longueur de la période de tension d'entrée divisée par le nombre 69 01223 ii 2000717 des impulsions du groupe en commutation. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens intégrateurs précités avec le dispositif de mémoire sont constitués par un condensateur. 5 3. Dispositif suivant la revendication 1, destiné à un convertisseur de fréquence comportant au moins un groupe de re-desseurs à commutation avec des impulsions au nombre de deux, alimenté à partir d'une tension d'entrée monophasée, caractérisé en ce qu'au cours de chaque demi-période de la tension d'en-10 trée, la tension pilote correspondante est intégrée tandis que pendant la demi-période ultérieure de la tension d'entrée, cette valeur d'intégration est emmagasinée dans le dispositif de mémoir-re afin de commander le groupe de redresseurs pendant cette demi-période. 15 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent un dispositif de décharge qui est connecté brièvement de façon à décharger le dispositif de mémoire en même temps que celui-ci et l'organe d'intégration sont commutés du circuit de commande des redresseurs à 20 la tension pilote.