Brevet FR2049213A1 — publié le 19710326

.1 2049213 La présente invention concerne les convertisseurs de courant continu en courant alterndif et réciproquement. Les commutatrices convertissant du courant continu en courant alternatif sont actuellement fréquemment remplacées par des systèmes sta-5 tiques. La présente invention a pour objet un convertisseur statique permettant d'obtenir du courant alternatif à partir d'une alimentation en courant continu. Suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, un convertisseur de courant continu en courant alternatif comprend un trans-10 formateur ayant un primaire connecté à un circuit d'alimentation par l'intermédiaire d'un dispositif commutateur connecté pour opérer sélectivement afin d'établir plusieurs trajets différents pour le courant à travers le primaire, chaque trajet établissant une tension différente aux bornes de la même partie du primaire quand le circuit d'alimentation est excité 15 afin de faire varier la tension induite dans le secondaire du transformateur. Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention un convertisseur de courant continu en courant alternatif comprend un bobinage, un circuit d'alimentation fournissant une tension unidirectionnelle, plusieurs 20 dispositifs de connexion pouvant subir une commutation et pouvant être conditionnés à plusieurs états pour l'un desquels le bobinage est déconnecté du circuit d'alimentation et deux autres états pour lesquels le bobinage est connecté au circuit d'alimentation mais de façon à recevoir respectivement différentes proportions de la tension unidirectionnelle du circuit d'alimen-25 tation et un dispositif de commande pour commander la séquence des états du dispositif de connexion et la durée de chaque état afin que la variation de la tension résultante aux bornes du bobinage ait une forme approximativement sinusoïdale. Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, un conver-30 tisseur de courant continu en courant alternatif comprend un transformateur polyphasé ayant un jeu d'enroulements primaires connecté en circuit polyphasé et un jeu d'enroulements secondaires connecté en circuit polyphasé-, deux lignes d'alimentation, plusieurs éléments de commutation connectant les extrémités des enroulements primaires aux lignes d'alimentation, chaque élé-35 ment de commutation ayant un état de conduction et un état de non=conduction et un dispositif de commande pour commander les états des éléments de commutation afin de faire passer successivement ces éléments de commutation par '70 22351 2049213 les différentes combinaisons d'une séquence prédéterminée de combinaisons différentes d'états de commutation, cette séquence de combinaisons d'états de commutation étant telle que quand les lignes d'alimentation sont excitées par une tension unidirectionnelle les variations de la tension 5 aux bornes des enroulements primaires sont mutuellement déphasées et varient approximativement d'une façon sinusoïdale. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : 10 - la figure 1 représente schématiquement le circuit d'un conver tisseur selon un mode de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 2 représente des ondes de courant apparaissant dans le convertisseur de la figure 1; - la figure 3 est un schéma plus détaillé d'une partie du circuit 15 de la figure 1; - la figure 4 est le schéma général des circuits logiques d'un système de commande pour le convertisseur de la figure 1; - la figure 5 est le schéma général des circuits logiques d'un système de régulation pour deux convertisseurs du type représenté sur la 20 figure 1; - la figure 6 représente schématiquement le circuit d'un convertisseur suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention; et - la figure 7 représente schématiquement le circuit d'un convertisseur selon un autre mode'de mise en oeuvre de l'invention. 25 Le convertisseur représenté sur la figure 1 comprend un transforma teur triphasé comportant un jeu 5 d'enroulements primaires PR, PY et PB et un jeu 6 d'enroulements secondaires SR, SY et SB. Les enroulements primaires PR, PY et PB sont connectés à travers des commutateurs Al, Bl, Cl, A2, B2 et C2 entre deux lignes d'alimentation 8 et 10, la ligne 10 étant maintenue 30 à +V volts par rapport à la ligne 8„ Les commutateurs sont rendus conducteurs de la façon expliquée en détail ci-après suivant une séquence de commutation prédéterminée répétitive pour exciter les enroulements primaires suivant une séquence correspondante. Pendant cette séquence, la tension aux bornes de chaque enroulement 35 primaire peut être zéro volt, ou être la tension totale +V volts, ou bien cette tension totale +V volts peut être partagée avec les autres enroulements primaires. Par exemple, si les commutateurs Al et C2 sont conducteurs 70 22351 3 2049213 et tous les autres commutateurs non conducteurs, la tension aux bornes de l'enroulement PY est la tension totale +V volts, tandis que la tension aux bornes de chaque enroulement PR et PB est V/2 volts. Si le commutateur PB est aussi rendu conducteur, la tension aux bornes de chacun des enroulements 5 PR et PY est +V volts tandis que la tension aux bornes de 1'enroulement PB est égale à zéro volt. La séquence de commutation est constituée par douze combinaisons différentes d'états de commutation, ces douze combinaisons étant indiquées par la colonne 2 du tableau ci-après. 10 TABLEAU 15 20 25 30 (1) (2) (3) PR (4) PY (5) PB 1 Al B2 +V -V/2 +V/2 2 A1B2 C2 +V -V 0 3 Al C2 +V/2 -V -V/2 4 Al B1 C2 0 -V -V 5 B1 C2 -V/2 -V/2 -V 6 B1 C2 A2 -V 0 -V 7 B1 A2 -V +V/2 -V/2 8 B1 Cl A2 -V +V 0 9 Cl A2 -V/2 +V +V/2 10 Cl B2 A2 0 +V +V 11 Cl B2 +V/2 +V/2 +V 12 Al Cl B2 +V 0 +V La colonne 2 indique les commutateurs conducteurs pour 35 chacune des douze combinaisons, les autres commutateurs étant non conducteurs. Les colonnes 3, 4 et 5 indiquent les tensions correspondantes aux bornes des enroulements primaires PR, PY et PB. 70 22351 2049213 En supposant des conditions idéales et une charge résistante sur le secondaire du transformateur, la tension aux bornes de chaque enroulement secondaire SR, SY et SB sera proportionnelle à la tension aux bornes de l'enroulement primaire correspondant au même instant. La figure 2^ montre 5 que les ondes du courant sortant on la forme générale d'ondes sinusoïdales, et, en fait, il suffit d'un filtrage limité pour approcher de très près des ondes sinusoïdales, le premier harmonique appréciable étant le cinquième (dont 57o sont présents). La teneur en harmonique des ondes du courant sortant peut être 10 réduite en utilisant différentes combinaisons, chacune correspondant à celle de la figure 1, et en additionnant les ondes des courants sortants avec différents angles de phases. Avec quatre combinaisons, le cinquième et le septième harmoniques peuvent ainsi être entièrement éliminés en ne laissant subsister que le onzième harmonique et les harmoniques supérieurs. 15 De plus, les ondes peuvent être obtenues en connectant simplement les enroulements secondaires et les différentes combinaisons en série. i La figure 3 est le schéma plus détaillé du circuit de la figure 1, les commutateurs Al, C2 étant représentés sous la forme de transistors connectés dans le circuit avec six diodes 40. 20 ' La figure 4 est le schéma général des circuits logiques d'un système de commande pour commander la commutation des transistors de la figure 4. Un des circuits bistables 42 à 52 est associé à chaque transistor. Quand un circuit bistable passe à l'état appelé- état-b il produit un signal sortant positif qui est appliqué à la base du transistor associé pour 25 le faire passer à la conduction. Quand le circuit bistable revient à l'état-a, son transistor redevient non conducteur. Les circuits bistables 42 à 52 sont commandés par un registre à décalage à douze positions de termes binaires 54 qui reçoit par lè conducteur 56 des impulsions entrantes à une fréquence qui, suivant l'exemple considéré,est de 4.800 Hz. Chaque circuit bistable 30 est connecté à un. conducteur de passage à l'état-b 58 et à un conducteur de passage à l'état-a 60, chacun de ces conducteurs étant connecté à l'un des étages du registre à décalage 54. Quand un étage est un état-1, il excite le conducteur de commande connecté à cet étage pour faire passer le circuit bistable correspondant à l'êtat-b ou à l'état-a selon que le conducteur de 35 commande est un conducteur 58 ou un conducteur 60. Les douze étages du registre à décalage 54 sont numérotés pour correspondre aux numéros des douze combinaisons de la séquence de commutation donnée par le tableau ci-dessus. Ainsi, quand l'étage 1 du registre à décalage 70 22351 5 2049213 est à l'état "1", les circuits bistables 42 et 50 sont à 1'état-b pour faire passer à la conduction les transistors Al et B2, tandis que tous les autres circuits bistables sont à l'état-a pour maintenir les autres transistors à la non-conduction. Quand l'étage 2 est activé par l'impulsion suivante, 5 le circuit bistable 52 passe à 1'état-b de sorte que le transistor C2 devient conducteur, et ainsi de suite pour les autres étages du registre à décalage suivant la colonne 2 du tableau. Les transistors peuvent être remplacés par d'autres dispositifs appropriés pour former les commutateurs Al à C2. Par exemple, des redresseurs 10 commandés au silicium peuvent remplacer les transistors avec l'adjonction de circuits de commutation convenables. La tension à la sortie d'un convertisseur du type de celui représenté sur la figure 1 peut être réglée de différentes façons. Suivant une » façon, deux convertisseurs, chacun du type représenté sur la figure 1, sont 15 ' utilisés avec leurs enroulements secondaires connectés en série pour produire le courant sortant. Chacun des convertisseurs comporte un système de commande de la forme générale représentée sur la figure 4, mais légèrement modifié pour permettre le déphasage de l'un des convertisseurs par rapport à l'autre. Ainsi, en considérant la figure 5, le premier des deux convertis-20 seurs comporte un système de commande comprenant un registre à décalage 54 correspondait au registre à décalage 54 de la figure 4. Ce registre à décalage commande six circuits bistables 42 à 52 (non représentés sur la figure 5 pour simplifier) qui, à leur tour, commandent les transistors commutateurs du convertisseur. Cependant, le registre à décalage 54 de la figure 5 25 ne reçoit pas les impulsions directement du conducteur d'entrée 56, mais les reçoit à travers un compteur binaire 66. Le second convertisseur est commandé par un registre à décalage 54a^ similaire aussi au registre à décalage 54 de la figure 4, et il commande six circuits bistables non représentés qui à leur tour commandent les tranastors commutateurs du second convertisseur. Le 30 registre à décalage 54éi reçoit les impulsions du conducteur d'entrée 56 à travers un compteur binaire 68. Le registre à décalage 54a^ et le compteur binaire 68 sont connectés pour être ramenés au repos à un conducteur 70 qui est excité à travers un circuit à retard variable 72 et un conducteur 73 par le registre à 35 décalage 54. La durée du retard du circuit 72 est fonction d'un signal de commande arrivant par le conducteur 74. Pendant le fonctionnement, les compteurs binaires 66 et 68 sont excités par les impulsions arrivant par le conducteur 56 et ils progressent 70 22351 6 2049213 en synchronisme avec les impulsions entrante®-. Quand chacun ^ies compteurs a atteint son compte maximal (le maximum des deux compteurs étant le même) chaque compteur émet une impulsion sortante qui décale le registre à décalage associé pour que celui-ci fasse fonctionner les circuits bistables associés 5 de la façon expliquée par rapport à la figure 4. Quand chacun des douze étages du registre à décalage 54 a été actionné, le conducteur 73 est excité. A la fin du retard établi par le circuit 72, le conducteur 70 est excité et ramène au repos le registre à décalage 54a état pour lequel son étage 1 est actionné et le compteur 68 est ramené au repos. Le compteur 68 recommence 10 alors à compter les impulsions entrantes .et à décaler le registre à décalage 54éi Le compteur 66 revient automatiquement au repos de lui-même quand il arrive à son compte maximal et.recommence ensuite le comptage, et le registre à décalage 54 revient de lui-même automatiquement au repos. Si le retard établi par le circuit 72 est égal à zéro, il 15 est évident que les deux registres à décalage 54 et 54ai sont en phase, et par suite les tensions à la sortie des enroulements secondaires des deux convertisseurs sont en phase et s'additionnent pour produire la tension sortante maximale . Par contre, si la valeur du signal du conducteur 74 est réglée de façon que le circuit à retard 72 établisse un retard défini, le décalage 20 du registre à décalage 54 et 54a est déphasé, et il en résulte un déphasage correspondant entre les tensions à la sortie des deux convertisseurs. La tension totale à la sortie devient par suite plus faible. La valeur de la tension à la sortie des deux convertisseurs peut ainsi être variée jusqu'à zéro par une simple modification du niveau du signal établi sur le conducteur 74 25 Les enroulements primaires des deux convertisseurs peuvent être connectés en série, de même que leurs enroulements secondaires, de la façon représentée sur la figure 6, ce qui est une combinaison convenant particulièrement dans le cas de tensions d'alimentation élevées. L'ensemble de la figure .6 comporte deux convertisseurs, chacun similaire à celui représenté 30 sur la figure 1, les enroulements primaires PR, PY et PB de l'un des convertisseurs étant connectés en série avec les enroulements primaires correspondants PaR, PaY et PaB du second convertisseur et les enroulements secondaires SR, SY et SB du premier convertisseur étant connectés en série avec les enroulements secondaires correspondants SaR, SaY et SaB du second convertisseur. 35 Six commutateurs Al, Bl, Cl, A2, B2 et C2 correspondant à ceux de la figure 1 commandent l'application de la tension aux bornes des enroulements primaires, mais de plus ainsi que le montre la figure 6, il existe un second jeu de commutateurs Aal, Bal, Cal, Aa2, Ba2 et Ca2. Les commutateurs du premier jeu 70 2235 î 7 2049213 Al à C2 sont connectés pour être commandés par un registre à décalage tel que'le registre 54 de la figure 5 de la façon expliquée ci-dessus, et le commutateurs du second jeu Aal à Ca2 sont connectés pour être commandés par un registre à décalage tel que le registre 54a^ de la figure 5, 5 L'amplitude de la tension à la sortie des enroulements secondaires connectés en série,peut être variée de la façon expliquée ci-dessus en modifiant-le déphasage des séquences de décalage des deux registres à décalage. Dans le cas d'une tension élevée à l'entrée, tous les commutateurs Aal à Ca2 doivent cependant être maintenus non conducteurs ( si désiré par un système 10 de protection automatique)pour que la tension en courant continu soit appliquée sous la commande du premier groupe de commutateurs Al à C2 et qu'elle soit appliquée aux bornes de deux enroulements en série au lieu de l'être à un seul enroulement. Une tension double peut ainsi être appliquée sans saturation des transformateurs. 15 La combinaison de régulation décrite par rapport aux figures 5 et 6 permet d'obtenir un courant régulier sans distorsion de la forme d'onde et avec un rendement élevé. Cependant, cette combinaison peut être remplacée par d'autres combinaisons de régulation pouvant avoir des avantages particuliers dans certains cas. Par exemple, la régulation peut être assurée par une 20 commutation du type à largeur variable des impulsions, par réglage de la tension à l'entrée, par variation de la forme de l'onde ou par l'utilisation d'un petit convertisseur auxiliaire de régulation. La figure 7 représente schématiquement un convertisseur fonc-♦ tionnant de façon similaire à celle du convertisseur de la figure 1 (les 25 éléments de la figure 7 correspondant à ceux de la figure 1 étant désignés par les mêmes références mais dans lequel les enroulements sont connectés en étoile au lieu d'être connectés en triangle. Au cours de la séquence de commutation, la tension en courant continu est appliquée aux bornes de deux enroulementsen série (la tension aux bornes du troisième enroulement étant 30 égale à zéro) ou aux bornes de l'enroulement en série avec les deux autres en parallèle. Les convertisseurs décrits ci-dessus sont avantageux en particulier parce que les dispositifs commutateurs n'ont jamais à supporter une tension supérieure à la tension d'alimentation en courant continu. Il suffit 35 de peu de filtrage pour obtenir des ondes sinusoïdales de qualité élevée et des charges hautement déséquilibrées et avec n'importe quels angles de phases peuvent être connectées. Le montage de ces convertisseurs permet la 70 22351 8 2049213 recirculation de l'énergie inductive entre les phases. De plus, ces convertisseurs sont réversibles du fait que la connexion d'une ligne d'alimentation en courant alternatif à la sortie normale du convertisseur permet d'obtenir du courant continu sur les bornes représentant des bornes d'entrée en cas de conversion du courant continu en courant alternatif. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 70 22351 9 2049213 REVENDICATIONS 1 - Convertisseur de courant électrique caractérisé par un bobinage3 un circuit d'alimentation en courant continu et plusieurs éléments de commutation pour appliquer différentes parties de la tension unidirection- 5 nelle totale aux bornes du bobinage^ ces éléments de commutation opérant suivant une séquence telle que la variation de tension aux bornes du bobinage ait une forme approximativement sinusoïdale. 2 - Convertisseur selon la revendication 1 caractérisé par un circuit de commande pour commander la séquence de fermeture des éLéments 10 commutateurs et la durée de fermeture de chaque commutateur afin que la variation de la tension résultante aux bornes du bobinage ait une forme approximativement sinusoïdale. 3 - Convertisseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la séquence des états des éléments de commutation est telle que 15 pour l'un des états un enroulement soit déconnecté du circuit d'alimentation et que pour deux autres états l'enroulement soit connecté au circuit d'alimentation mais de façon à recevoir respectivement différentes proportions, telles que +V et +V/2 de la tension continue du circuit d'alimentation. 4 - Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce 20 que la séquence des états des éléments de commutation comporte deux autres états dans chacun desquels la proportion de la tension reçue aux bornes de l'enroulement corresponde en amplitude mais avec le signe opposé à la proportion existant pendant l'un de ces deux autres états des éléments de commutation. 5 - Convertisseur selon l'une des revendications 2 à 4, caracté-25 risé en ce que l'enroulement est couplé par induction mutuelle à un enroulement secondaire, dans lequel est induite une tension ayant une forme d'onde correspondant à la forme d'onde de la tension reçue aux bornes du premier enroulement. 6 - Convertisseur selon la revendication 5S caractérisé en ce 30 que le premier enroulement est l'un des enroulements d'un jeu d'enroulements primaires polyphasés et l'enroulement secondaire est l'un des enroulements d'un jeu d'enroulements secondaires polyphasés, le circuit d'alimentation comprend une paire de lignes d'alimentation et les éléments de commutation sont constitués par une paire de commutateurs pour chaque extrémité de chaque 35 enroulement primaire, un commutateur de chaque paire étant connecté entre l'extrémité associée de l'enroulement et l'une des lignes d'alimentation et l'autre commutateur de la paire étant connecté entre l'extrémité de l'eiroulement 70 22351 10 2049213 et l'autre ligne d'alimentation, le circuit de commande assurant la commande du commutateur de façon que les variations de la tension appliquée aux bornes de chacun des autres enroulfements primaires correspondent à la tension appliquée au premier enroulement primaire, les variations de la 5 tension aux bornes de tous les enroulements primaires étant mutuellement déphasées. 7 - Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque commutateur est un élément de commutation commandé électroniquement -et le circuit de commande comprend plusieurs circuits à deux états, 10 chaque circuit étant associé à un élément de commutation pour le maintenir conducteur quand le circuit à deux états est dans un premier état et pour le maintenir non conducteur quand le circuit à deux états est dans le second état, un registre à décalage à plusieurs étages, chacun connecté pour commander l'état de l'un des circuits à deux états, et un circuit d'entrée 15 pour actionner les étages du registre à décalage dans un ordre tel que les circuits à deux états provoquent le fonctionnement des éléments de commutation pour produire les variations de la tension aux bornes des enroulements primaires. 8 - Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce 20 qu*il est connecté à un autre convertisseur similaire, les deux jeux d'enroulements secondaires étant connectés l'un à l'autre pour produire un courant sortant composite,.les convertisseurs comportant des circuits de régulation établissant une différence réglable des phases de commande des étages des registres à décalage des circuits de commande des deux convertisseurs afin de 25 régler l'amplitude de la tension sortante composite. 9 - Convertisseur selon .la revendication 8, caractérisé en ce que les enroulements primaires des deux convertisseurs sont connectés en série., les enroulements secondaires des deux convertisseurs étant aussi connectés en série, • .