Brevet FR2011529A1 — publié le 19700306

î 2011529 - * » •' > - ' .r- ' L'invention est relative à un onduleur triphasé.dans lequel, pour engendrer la tension de phase, on somme des impulsions rectangulaires dont l'impulsion fondamentale est plus courte qu'une demi-onde, de telle manière quë l*a: tension apparaissant à chaque 5 couple de bornes de sortie qui a la forme de marches d'escalier soit adaptée à là forme sinusoïdalé. On connaît un onduleur triphasé de ce genre dans lequel on engendre dans chacune des phases par sommation d'impulsions rectangulaires une tension en marches, d'escalier correspondant à la 10 forme sinusoïdale. L'impulsion fondamentale a ici une amplitude qui correspond à la moitié de 1'amplitude de la tension de phase et on additionne deux impulsions rectangulaires de durées différentes et d'amplitudes différentes. La sommation des diverses impulsions individuelles s'effectue par 1'intermédiaire de six ^5 transformateurs à chacun trois enroulements secondaires présentant des nombres de spires différents, dont les enroulements primaires sont alimentés chacun par un système d'onduleur. Les impulsions rectangulaires fournies par les systèmes d'onduleurs sont décâlées temporellement de 30° électriques les unes par 20 rapport aux autres. Dans un autre onduleur triphasé connu, la tension de phase est obtenue par addition d'une impulsion fondamentale rectangulaire qui s'étend sur 180° et d'une autre impulsion rectangulaire5 d'amplitude à peu près égale3 qui s'étend sur 120°. Dans ce mon-25 tage, en plus des six systèmes d'onduleurs, il faut mettre en oeuvre deux transformateurs triphasés dont les enroulements secondaires sont reliés. Dans les deux cas, on obtient bien une forme de tension relativement bonne, de sorte que le rendement de la charge appli-30 quée, en particulier un moteur triphasé, peut être considérablement amélioré par rapport à celui obtenu avec une alimentation à onduleur plus simples dont la tension ds phase a3 non pas une forme en marches d'escalier, mais une forme simplement rectangulaire. Mais pour cela, il faut tenir coaipto des pertes des trans« 35 formateurs, de sorte que la rendesent global ne subit aucune a~ mélioration essentielle. La qualité de la forme de la tension contribue, en outra, à rendre plus régulière la marche du moteur» Mais ce résultat est obtenu ?.v, prix d© dépenses considérables en fer et en cuivre paur les transformateurso En outre, les tensions 40 de phase doivesit être cosœpo^éa" clç Impulsions -rectaagulsirç.s .dont BAD ORIGINAL 69.20021 t 2011529 l'impulsion fondamentale transmet à peu près la même puissance que toutes les autres impulsions rectangulaires réunies. L'invention a pour but de réaliser ùn onduleur'triphasé * ' * ' ' • * - " . a présentant à chaque couple de bornes da sortie» une tension en 5 forme de marches d'escalier adaptée à la forme* sinusoïdale, qui fonctionne avec une forme nouvelle de tension de phase, qui offre la possibilité d'obtenir.de nombreux avantages, par exemple un meilleur rendement global, un plus faible prix, un plus faible poids, etc. 'ÀO Pour résoudre ce problème, 18 impulsion fondamentale occupe essentiellement la totalité ds la surface amplitude—temps de la tension de phase et. las autres impulsions rectangulaires forment au moins deux impulsions supplémentaires se succédant dans le temps et disposées symétriquement par rapport à l'impulsion fon-Aï damentaie, ces deux impulsions ayant la même amplitude, essentiellement inférieure à cell Dans ces conditions, on obtient une tension de phase qui ;i On obtient des avantages particulièrement grands en ne transmettant, pour la sommation, que la puissance des impulsions •35 supplémentaires par 1'intermédiaire cPun transformateur, tandis que la puissance de l'impulsion fc&£amentale est acheminée sans transformation vers les bornes de sortie. Dans ca cas, on nea besoin que d'un.petit transformateur, donc de faible poids et de. faible prix. Les pertes se produisant 40 dsït« le transforma '-.ou*: n5a BAD ORIGINAL 69 20021 3 2011529 le rendement global, de sorte que, par rapport aux montages connus, on obtient une amélioration du rendement de l'ordre de 10%. De plus, la tension que l'on peut prélever aux bornes de l'onduleur est à peu près du même ordre de grandeur que la tension de 5 réseau qui est appliquée à un redresseur monté en amont de l'onduleur, de sorte qu'on peut raccorder sans complication à l'onduleur un moteur usuel du commerce, convenant à cette tension de réseau. D'une manière judicieuse, l'impulsion fondamentale est en-10 gendrée en formant la moyenne de deux trains d'ondes, composés de rectangles de 180°, qui sont décalés l'un par rapport à l'autre de la valeur de leur compression. De tels trains d'ondes sont faciles à produire avec des dispositifs usuels. Le fait de former la moyenne présente l'avantage que, malgré l'utilisation de deux trains 15 d'ondes, il ne se produit aucune augmentation gênante de la tension. Pour obtenir des pertes aussi faibles que possible lors de la formation de la moyenne, il est recommandé de l'effectuer à l'aide d'une bobine à prise médiane. Pour cela, on peut se con-20 tenter d'une bobine très petite, car entre les trains d'ondes, on ,n'a besoin que cj'un faible décalage. Pour des puissances assez faibles, on pourrait aussi former la moyenne à l'aide d'une résistance. On obtient une forme optimale de la tension de phase en ré-25 duisant chaque flanc de l'impulsion fondamentale correspondant à une demi-onde entière de 15° et en donnant aux impulsions supplémentaires une durée, ainsi qu'un espacement mutuel et un espacement des flancs, de 30°. De préférence, on superpose deux impulsions supplémentaires à l'impulsion fondamentale. L'amplitude des 30 impulsions supplémentaires superposées à l'impulsion fondamentale devrait être de 15,5% de l'amplitude de cette dernière. La combinaison des tensions de phase, ainsi qu'on l'a déjà mentionné, compense le troisième harmonique ; la compression de l'impulsion fondamentale compense partiellement les cinquième et 35 septième harmoniques. Les impulsions supplémentaires permettent d'éliminer complètement les cinquième et septième harmoniques. Il en va de même du n-ième harmonique, pour autant que n = (5 + p. 12), (7 + p. 12)et p.3, preprésentant chaque nombre positif entier. 40 Les impulsions supplémentaires peuvent être engendrées par 69 20021 4 2011529 transmission, à travers des transformateurs, d'impulsions auxiliaires formées par soustraction des trains d'ondes composés de rectangles de 180°, relatifs à deux phases voisines. Ceci représente une grande simplification du fait que ces trains d'ondes 5 peuvent être utilisés aussi bien pour la formation des impulsions fondamentales que pour la formation des impulsions supplémentaires. Quoique au cours de la soustraction, il se produire une tension de valeur double, ceci est sans inconvénient, car cette tension peut être réduite en conséquence au cours de sa 10 transmission à travers des transformateurs. Pour obtenir la valeur optimale sus-indiquée de 15,5% pour l'amplitude des impulsions supplémentaires, il faut un rapport de transformation du transformateur de 1/0,0775. Du fait de ce rapport de transformation, l'impédance effective, qui se trouve en série avec la 15 charge appliquée, est également très faible. On obtient un avantage particulier en outre en prenant pour bobine l'enroulement, constituant en même temps 1'enroulement primaire, d'un transformateur servant à la transmission de la puissance des impulsions supplémentaires. Cette double fonction 20 peut être assurée pour les raisons suivanteso Lorsque les deux extrémités de la bobine présentent la même polarité, il s'écoule des deux côtés des fractions égales du courant de charge vers la prise médiane, de sorte que pour la charge l'impédance de la bobine ne joue aucun rôle. Si les extrémités de la bobine présentent 25 des polarités opposées, la résistance interne de l'alimentation en courant continu est si faible que la bdbine est pratiquement court-circuitée ; c'est pourquoi, dans ce cas encore, la bobine ne présente pour le courant de charge aucune impédance appréciable. Sur la prise médiane, on peut toujours prélever la valeur 30 moyenne et aux deux extrémités, la différence des tensions appliquées à la bobine. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, on relie la prise médiane de chaque bobine à la borne de sortie correspondante par l'intermédiaire de deux enroulements secon-35 daires montés en série, dont le premier est couplé à la bobine de l'une des phases voisines et le second est couplé à la bobine de l'autre phase voisine, par l'intermédiaire de transformateurs. On peut facilement tenir compte de l'opposition de polarités des impulsions de différence transmises par les phases voisines en 40 connnectant en opposition les deux enroulements secondaires de 69 20021 5 2011529 chaque transformateur0 De plus, on peut relier chaque extrémité de chaque bobine à un point situé entre deux éléments interrupteurs disposés en série aux bornes d'entrée de la tension continue d'alimentation 5 et .on peut commander les éléments interrupteurs, correspondant aux deux extrémités d'une bobine, de même polarité, à l'aide de la même fréquence, mais avec un déphasage temporel de 30° » On voit donc qu'on peut sa contenter de trois transformateurs simples, qui constituent aussi en même temps les bobines» 10 De plus, on a encore cependant la possibilité de disposer les transformateurs des trois phases sur trois branches d'un noyau de fer commun, qui comporte au asoins une autre branche dépourvue d'enroulements. Cette derrière branche sert à fermer le circuit magnétique de chaque transformateurs au moment où il est actifs 15 lorsque les deux autres transformateurs ont leurs enroulements primaires pratiquement court-circuites® L'invention ast décrite plus en détail ci-après à 1 » aide d'un enxemple, non limitatifp de réalisation, en se référant au:; dessins annexés, dans lesquels s 20 la figure 1 représente un mode de réalisation d'une forme de tension de phase pouvant être utilisée conformément à 1"invention ; la figure 2 représente une tension de phase décalé® de 120° par rapport à celle de la figure 1 | 25 la figure 3 représente la tension formée aux bornes de sor tie de l'onduleur par combinaison des deux tensions de phases précédentes ; la figure 4 représente un premier train d'ondes composé de rectangles d© 180® ; 30 la figure 5 représente an second train d'ondes analogues mais déphasé de 30® 5 la figure ê représente la valeur moyenne des deux trains d'ondes précédents j la figure 7 représente la différence des deux trains d'on-= 35 des précédents ; la figure 8 représente la différence des deus trains d'ondes provenant d'un® seconda phase 3 la figure 9 représente la différence des deux trains d'ondes provenant de la troisième phase ; 40 la figure 10 représente la tension résultante d'une phase 5 bad original i 69 20021 2011529 la srig-ar® 11 est «an da principe du montage ' d'un mode a® réalisation conforme à I*invention ? et , i® figure 12'., ^â;:s rsfc un transformateur pouvant être utilisé iïonfDi:ïsaraeàit i l-'iiivaiiticn©' - ' - - ' tension de,- plisse di la - figure 1 se compose» pour chaque • iîemi û'une irapui^i-n fondamentale rectangulaire l'èt de deux iîapuls.Lons supplémentaires rectangulaires 2® L'impulsion fon-«iamsa-u-'s-Iô "i a 'une 6^>iitnds A "et uns durée de 150®, c'est-à-dire qu'alla est réduits sur chaque flanc de 15° par rapport à 180e« lv Les deux impulsions supplémentaires 2 ont dans le cas présent une asrîlitiïde ds OslS5> x à 5» uns durée de 30* chacune• Elles se zncci&Zjsit dans le ï-sb&s ai prisantiént un espacement mutuel et un espacement des deux fiance de 30e® 3i os combine cette tension ï la tension déphasée de 120°} représentés par la figura 28 corrsapond&nt à une* autre phase, il apparent entre les deux' bornes de • sortis correspondantes, la tension représentée par 1s r*gurs 3o Ses échelons, qui se suivent à. des intervalles c.e 50°, ent; pour amplitudes respectives 1,155 & A, 2,0 x A, 2,31 x Aj i»,0 x A et 1S155 îî A» 2- L'expérience ««entre» a'une manière surprenante, que cette tsnsx©;* s - forme rri s-adapte ires bi®i à la forme sinusoïdale lîien que les tensions Se phases ns soient formées 'que d'impulsions rectangulaires, qui ncont été modifiées que 'de très peu» as tensions de phases ont un taux exfcr&aement élevé de troisième *-*• harmonique9 qui disparaît, lors de la combinaison. Du fait de la raœpreï'sion de 1 ' iapulsion fondamental® 1- et de 1 * addition des impulsions supplémentaires 3 présentant les grandeurs indiquées, les cinquième et septième harmoniques se trouvent aussi complètement éliminées» Du t'ait, --somme on lga mentionné déjà ci-dessus9 3'-- que d «autres harmoniques dir.par aî«3s-zut encore à la suite de cette combinaisons la tension de sortie se trotî»® débarrassée des Sème, jOiïse5 ;ème; 3"ème, 15èa?a} 17kaes 15S-r»; 2terne, 27ëœe9 29èmes 31èmes 33ème„ etc® harmoniques® La tension de phase de la figure 1 peut acre 'engendrée de la manière suivantec On forme la moyenne U»p 35 d-tm psemisr train '. ' ' bad original 69 20021 7 2011529 Cette impulsion fondamentale a donc, dans chaque demi-onde, une durée de 150° et un espacement d'avec l'impulsion suivante de 30° (figure 6)0 Simultanément, on forme la différence UR+^j-0 - UR_^5° des 5 trains d'ondes des figures 4 et 5 (figure 7). D'une manière semblable, on forme dans les autres phases les différences de tensions correspondantes us+15° - us_i5° (figure 8) et uT+^5o - uT_i5° (figure 9). On remarquera que les impulsions dans les phases voisines S et T, se produisent aux instants où les impulsions supplé-10 mentaires devraient être superposées à l'impulsion fondamentale U» Dans ces conditions, les impulsions supplémentaires nécessai-res à la phase R sont élaborées au moyen d'organes d'adaptation appropriés, à partir des différences des tensions relatives aux deux phases voisines. De cette manière, on obtient la tension de 15 phase UR (figure 10). L'onduleur conforme à l'invention peut, par exemple, être constitué suivant le montage illustré par la figure 11. Aux bornes d'entrée 3 et 4 de l'onduleur, on applique la tension continue - A fournie par une alimentation en courant con- 20 tinu. La borne 3 est reliée à une ligne d'arrivée 5, la borne 4 à une ligne d'arrivée 6. A l'aide d'un diviseur de tension composé des résistances 7 et 8, on peut fixer un point neutre de référence du système. Aux lignes d'arrivée sont raccordés des montages-série qui sont représentés ici par des. ^redresseurs r, , comportant chacun deux eleménts interrupteurs/commandes 9-14 et 25 9'-14', mais qui peuvent être de n'importe quelle autre nature, par exemple des transistors. Les redresseurs 9,10 et 9',10' correspondent à la phase R, les redresseurs 11, 12 et 11', 12' à la phase S et les redresseurs 13, 14 et 13', 14' à la phase T. Ici, la commande s'effectue de telle manière que les redresseurs nommés 30 en premier, relativement à un certain temps de référence, présentent un déphasage-avance de 15° et les autres un déphasage-retard de 15*. On peut donc considérer le montage comme s'il contenait deux systèmes d'onduleurs triphasés 15 et 16, travaillant avec un décalage de phase de 30°. A chaque phase est affectée une bobine 35 17, 18, 19 dont les extrémités sont reliées par des conducteurs de liaison 20, 21, 22 et 20', 21', 22' aux points situés entre les redresseurs commandés de la même phase. Chaque bobine constitue en même temps l'enroulement primaire d'un transformateur 23, 24, 25 présentant deux enroulements secondaires 26 - 27, 28-29 et 40 30-31. La prise médiane 32 de la bobine 17 est reliée à travers 69 20021 8 2011529 les enroulements secondaires 29 et 30 à la borne de sortie 33 relative à la phase R. La prise médiane 34 de la bobine 18 est reliée à travers les enroulements secondaires 31 et 26 à la borne de sortie 35 relative à la phase S. La prise médiane 36 de la 5 bobine 19 est reliée à travers les enroulements secondaires 27 et 28 à la borne de sortie 37 relative à la phase T. Ce montage fonctionne de la manière suivante. Chacun des redresseurs est ouvert à tour de rôle pendant 180°• On obtient ainsi pour la phase R sur le conducteur de liaison 20 la tension 10 Ujl+15 K-Ij peut donc prélever la valeur moyenne de ces deux tensions, c'est-à-dire U' . D'autre part, il apparaît entre les extrémités des bobines la différence des deux tensions appliquées, ainsi que le 15 montrent les figures 7, 8 et 9 pour les phases R, S, T. Cette différence est transmise à l'enroulement secondaire avec le rapport de réduction correspondant, et, en conséquence, se trouve ajoutée aux tensions moyennes. Il en résulte qu'aux bornes de sortie 33, 35, 37, on obtient une tension de phase U telle que 20 celle représentée par la figure 10. On voit ainsi que l'impulsion fondamentale 1 qui correspond à la valeur moyenne U' peut être acheminée sans aucune transformation des bornes d'entrée 3,4 à la charge appliquée aux bornes de sortie 33, 35, 37. Une faible fraction de puissance seu-25 lement, qui correspond aux impulsions supplémentaires 2, doit être amenée au circuit de charge à travers les enroulements secondaires. Considérés du côté de la charge, les bobines et les transformateurs présentent une impédance négligeable, car du côté de l'enroulement primaire, ils sont reliés par un circuit très 30 peu résistant, qui constitue presque un cour-circuit et qui se compose de la résistance dynamique de deux éléments interrupteurs et, éventuellement de la résistance interne de l'alimentation en courant continu. Le montage de l'onduleur n'a été représenté que schémati-35 quement. On n'a pas représenté le dispositif de commande, le dispositif de blocage, les d±>des shunts, etc. On peut pour ces dispositifs appliquer n'importe quel principe de construction connu» La figure 12 représente un mode de réalisation préférentiel des trois transformateurs sur un même noyau de ferQ Ce noyau 40 comporte au total cinq branches 39-43, dont seules les branches 69 20021 9 2011529 39, 41 et 43 sont prévues chacune pour un transformateur 23-25 et portent les enroulements 17-19 et 26-31, tandis que les branches 40 et 42 sont répourvues d'enroulements. En conséquence,, chacun des transformateurs, bien que les deux autres soient pra-5 tiquement court-circuités au point de vue du courant alternatif, peut fermer son circuit magnétique à travers l'une des branches libres. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement a ceux des 10 modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés % elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes® BAD ORIGINAL 69 20021 1G 2011529 REVENDICATIONS " 1. Onduleur triphasé dans lequel- pour engendrer la tension de phasej on somme des X^jj/uiX S lOîlî» rectangulaires dont l'impulsion fondamentale est plus courte qu'une deiai-onde, de telle manière que la tension apparaissant a. chaque couple de bornes de sortie, qui a la forme de marches d'escalier soit adaptée à la forme sinusoïdale j, lequel onduleur est caractérisé en ce que l'impulsion fondamentale occupe essentiellement la totalité de la surface amplitude-temps de la tonsian de phase et les autres impulsions J1 rectangulaires forment au moins deux impulsions supplémentaires se succédant dans la temps et disposées symétriquement par rapport à 19impulsion fondamentale, ces deux impulsions ayant la même amplitude, essentiellement inférieure à celle de 1'impulsion fondaaentaie« 2. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la sommation, seule la puissance des' impulsions supplémentaires est transmise par 19intermédiaire d'un transformateur, tandis que la puissance de l'impulsion fondamentale est acheminée sans transformation vers les bornes de sortie» 3. Onduleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé" en ce que l'impulsion fondamental® est engendrée en formant la moyenne de deus: 'trains 'd «ondes composés de rectangles de 180% qui sont décalés l8un par rapport à l'autre de la valeur de leur compression o 4® Onduleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la formation de la moyenne s'effectue à l'aide d'une bobina à. prise médiane. 59 Onduleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque flanc de l'impulsion fondamentale correspondant 0 à Uîiâ demi-onde entière est réduit de 15° et les impulsions supplémentaires ont une durée9 ainsi qu-i® espacement mutuel et un espacement des flancss da 30°. 63 Onduleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on additionne deux rectangles de 30" constituant les impulsions 5 supplémentaire s et l'impulsion fondamentale. 7. Onduleur selon la revendication 6S caractérisé en ce que l'amplitude des impulsions supplémentaires est égale à 15,5% de l'amplitude de 3.'impulsion fondamentale. 8. Onduleur selon l'une des revendications 3 à 7} caractérisé 0 en rs que les impi-lsî-^s s'jc-plémor^rair^?- sont engendrées par BAD ORIGIN/ 69 20021 2011529 transmission, à travers des transformateurs, d'impulsions auxiliaires formées par soustraction des trains d'ondes composés de rectangles de 180° relatifs à deux phases voisines. 9o Onduleur selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé 5 en ce que la bobine est en même temps l'enroulement primaire d'un transformateur servant à la transmission de la puissance des impulsions supplémentaires. 10. Onduleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la prise médiane de chaque bobine est reliée à la borne de sor- 10 tie correspondante par l'intermédiaire de deux enroulements secondaires montés en série, dont le premier est couplé à la bobine de l'une des phases voisines et le second est couplé à la bobine de l'autre phase voisine, par l'intermédiaire de transformateurs. 11. Onduleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que 15 les deux enroulements secondaires de chaque transformateur sont connectés en opposition. 12. Onduleur selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que chaque extrémité de chaque bobine est reliée à un point situé entre deux éléments interrupteurs disposés en série aux 20 bornes d'entrée de la tension continue d'alimentation et les éléments interrupteurs, correspondant aux deux extrémités d'une bobine, de même polarité, sont commandés à l'aide de la même fréquence mais avec un déphasage temporel de 30°. 13. Onduleur selon l'une des revendications 2 à 12, caractéri-25 sé en ce que les transformateurs des trois phases sont disposés sur trois branches d'un même noyau de fer, qui comporte au moins une autre branche dépourvue d'enroulements.