Brevet FR2044656A1 — publié le 19710226

La présente invention concerne le perfectionnement des systèmes de commande de la puissance du courant continu, en mode de commutation,au moyen de l'utilisation de commutateurssans contacts, tels que les dé coupeurs du type à thyristor ou les transistors de commutation0 Les systèmes de commande de la puissance du courant continu, du type à commutation, mentionné ci-dessus ont été largement utilisés pour la commande de moteurs électriques et de sourcgj d'énvrgie, mais leur tension ou courant de sortie comporte une composante al- ternative élevée et leurs courants d'entrée comportent une composante alternative élevée0 En d'autresterm des filtres devaient être disposés à l'entrée et à la sortie, Ceci entraînait une augmentation importante des dimensions et du poids de tels systèmes, En particulier, la composante alternative à l'entrée pouvait provoquer des interférences ou perturbations par induction qui constituent un problème important dans la commande de véhicules à commande électrique, En conséquence c'est un but de l'invention de réaliser un système nouveau et perfectionné de commande de la puissance du courant continu, du type à commutationsscapable de diminuer les composantes alternatives de sa tension ou son courant de sortie et son courant d'entrée et, par conséquent, le puissance des filtres d'entrée et de sortie. C'est un autre but de l'invention de réaliser un système nouveau et peneftionné de commande de la puissance du courant continu, dont le poids est inférieur à celui du système polyphasé classique à èouursmultiples, capable de réaliser considérablement le bub décrit au paragraphe précédent ainsi que de diminuer la composante alternative du courant de sortie de chaque circuit découpeur compris dans le système et i de ce faits d'alléger le régime de commutation imposé sur chaque découpeur impliqué et de diminuer corrélativement la perte de commutation afin de diminuer les dimensions et le poids de chaque circuit de commutation impliqué. Selon l'invention il est réalisé un système de commande de la puissance du courant continus comprexlant plusieurs moyens de commutation alimentésiar une source commune de courant direct et comnandés pour être rendus conducteur et non conducteursde telle manière que chacun desdits moyens de commutation devienne conducteur et non conducteur à des instants suivant les instants aux quels le moyen de commutation le précédant directement devient conducteur et non conducteur dlU11 intervalle de temps prédéterminé respectivement, une section d'enroulement de réactance connectée en série à chacun desdits plusieurs moyens de commutation, une charge ou décharge à travers laquelle ou lesquelles la somme des courants desdites sectionSd'enroulements de réactance ou les courants desdites sections d'enroulements passe ou passent respectivement, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de couplage magnétique destinés à rendre les courant desdites réactances toujours sensiblement égaux les uns aux autres0 tes moyens de couplage magnétique comprennent, de préférence, plusieurs voies magnétiques pour rendre les courants desdites réactances toujours sensiblement égaux les uns aux autres et une autre voie magnétique couplée magnétiquement auxdites plusieurs voies magnétiques à travers des entrefers ou espaces. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractérise tique s et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la descrip tipn explicative qui v suivre en se reportant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'eemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels la figure 1 est un schéma des connexions d'un système de commande conforme aux principes de l'invention les figures 2A, 23 et 2C sont des schémas de connexions illustrant le fonctionnement du système représente sur la figure A - les figures 3k et 33 sont des formes d'cades apparassant en différents points du circuit représenté sur la figure A - la figure 4A est un circuit de connexions d'une modification de l'invention - la figure 43 est une forme d'ondes illustrant le fonctionnement du circuit représenté sur la figure 4A - les figures 5 à 8 sont des schémas de connexions d'autres formes de réalisation de l'invention Sur les figures, les meAmes références désignent des composants correspondants ou similaires. En référence aux dessins et à la figure 1 en particulier on voit qu'aux bornes d'une source de courant direct l sont connectés deux ensembles ou circuits dé coupeurs comprenant chacun un disposi- tif de commutation 2a ou 2b (appelé ci-après "découpeur") et une diode d'étouffement 3a ou 3b connectés l'un à l'autre en serié, les deux diodes étant connectées l'une à l'autre en série et en opposition par l'intermédiaire d'une réactance 4.La réactance 4 comprend un enroulement 4a disposé inductivement autour d'un noyau magnétique du type à branches multiples et une prise centrale sur l'enroulement 4a connectée à une borne d'une charge 5 dont l'autre borne est raccordée à la fois aux anodes des diodes 3a et 3b et à une borne de la source J. Un circuit de commande (non représenté)est prévu pour rendre conducteurs et non conducteurs les deux découpeurs. 2a et 2b de manière qu'un intervalle de temps prédéterminé ou un déphasage prédéterminé soit assuré entre le déblocage ou le blocage du découpeur 2a et ceux du découpeur 2b respectivement. Comme le ntri les traits interrompus de la figure 1, la charge 5 peut être branchée entre la prise centrale de l'enroule- ment 4a de la réactance et l'autre borne de la source 1 durant la restauration de l'énergie. Qaund les deux découpeurs 2a et 2b sont à l'état non conduc- tewr le circuit représenté sur la figure 1 peut être équivalent à un circuit tel que celui de la figure 2A dans lequel un courant i5 parcourant la charge 5 est divisé en deux parties de courant d'intensités égales passant dens des directions opposées à travers les deux moitiés de l'enroulement 4a respectivement. Les enroulemeni sont enroulés autour des noyaux magnétiques de ânière à annuler les deux forces magnétomotrices résultant de ces parties de courant parcourant les deux moitiés de l'enroulement.Par conséquent, aucune tension n' est induite dans 1' enroulementn4a et la tension aux boches de la charge 5 est égale à zéro. Beofonctionnement du circuit qui vient d'être décrit sera appelé dans ce qui suit "mode de fonctionnement A". Quand l'un des découpeurs est à lsétat conducteur et l'autre découpeur à l'état non conducteur, le circuit représenté sur la figure 1 peut être équivalent à un circuit tel que celui représenté sur la figure 23. Dans ces conditions, la source 1 tend à appliquer une tension aux bornes de la charge 5 à travers le découpeur qui, maintenant, est à l'état conducteur, mais les parties de courant parcourant les deux sections d'enroulement sont maintenues toujours églises par suite de l'action de transformation de la réactance. Ep d'autres termes, une tension est induite dans la réactance qui permet un courant égal à celui tendant à passer de la source 1 à à travers le découpeur conducteur vers la charge 5 de s'acheminer de la diode d'étouffement vers la charge. Ceci a pour effet de rendre la tension e5 aux bornes de la charge 5 égale à la moitié de la tension de la source0 En d'autres termes, la réactance sert d'autotransformateur0 Le fonctionnement du circuit qui vient d'-. tre décrit sera appelé dans ce qui suit "mode de fonctionnement Bq Quand les deux découpeurs sont à ltétat conducteur, le circuit représenté sur la figure 1 peut être équivalent à un circuit tel que celui de la figure 2C,dans lequel chacun des découpeurs sert à fournir une moitié du courant de charge à partir de la source vers la charge. Dans ces conditions, la réactance n'induit aucune tension ce qui a pour effet de rendre la tension e aux bornes de la charge égale à la tension totale de la source. Le fonction nement du circuit qui vient d'être décrit sera appelé dans ce qui suit "mode de fonctionnement Ct?. On suppose maintenant que l'un des découpeurs, dans cet exemple le dé coupeur 2b,devient conducteur ou non conducteur en un instant suivant celui auquel l'autre découpeur 2a est devenu conducteur ou non conducteur d'un intervalle de temps égal à la moitié de la période T du système et que le temps de conduction tcond de chaque découpeur est égal ou inférieur à la moitié de la période T du système, comme le montrent les formes d'ondes a de la figure 3A. dinsà, le circuit représenté sur la figure 1 est mis successivement au mode de fonctionnement À, B, A et B, comme le montre la figure (h), dans l'ordre indiqué durant un cycle de fonctionnement. Ensuite la tension 8 aux bornes de la charge 5 varie entre zéro et la moitié de la tension de la source et continue pendant tout le temps de conduction de chaque découpeur comme le montre la forme d'ondes (b) de la figure 3A. Jn courant de charge k traverse la charge, ainsi qu'il ressort des formes d'ondes (c) de la figure 3A, et se compose de deux courants i4a et i égaux et opposés parcourant -i-b les deux moitiés de l'enroulement 4a de la réactance, ainsi qu'il ressort des formes d'ondes (d) de la figure 3À, chacun des courants e t et i4b étant égal à la moitié du courant de charge i5 et variant de la même manière que ce dernier, Ceci est dû fait que la réactance fonctionne toujours de manière à founnir des courants égaux. Dans ces conditions, les découpeurs 2 et 2b sont parcourus par les courants respectifs i2a et-i2bt ainsi qu'il ressort des formes d'ondes (e) de la figure 3A, et un courant il, comme le montrent les formes d'ondes (f) de la figure 3À, est prélevé sur la source le D'autre part, étant donné que la réactance 4 ne se trouve sous tension que dans le mode de fonctionnement B et les découpeurs deviennent conducteursalternativement, dans la réactance est induite une tension e a de polatité variable, ainsi qu'il ressort de la forme d'onde tg) de la figure3AetelS n'est pas saturée en raison du fait que les forces magnétomotrices provoquées par les courants i4a et i4b s'annulent mutuellement0 On suppose maintenant que le temps de conduction t cond de chacue dé coupeur est supérieur à la moitié de la période T du système, comme le montrent les formes d'ondes (a) de la figure 33. Dans ces conditions, le mode de fonctionnement C alterne avec le mode de fonctionnement 3, ainsi qu'il ressort de la figure 33 (h).Par conséquent, la tension appliquée aux bornes de la charge varie entre- la moitié de la tension de la source dans le mode de fonctionnement B et la tension totale de la source dans le mode de fonctionnement C, comme le montre la forme d'ondes (b) de la figure 33. Les formes d'ondes (c) à (g) représentées sur la figure 3B corespondent à celles désignées par les termes références sur la figure 3Ao Sur la figure 3aGau moins l'un des découpeur est toujours à ltétatconducteur et, par conséquent, un courant i1 composé de courants d'entrée Q at i2b représentés par les tor- mes d'ondes (e) et prélevés de la source contient une composante fondamentale approximativement égale à la moitié de son intensité maximale, ainsi qu'il ressort de la forme d'ondes (f)O En outre, étant donné que la source n1 applique sa tension à la réactance que dans le mode de fonctionnement Bt dans la réactance est induite une tension e4a ainsi qutil ressort de la forme d'ondes (g) de la figure 33. il ressort de ce qui précède que dans le système dé coupeur biphasé tel qu'il est représenté sur la figure 1, une fluctuation du courant d'entrée atteint approximativement la moitié du courant de sortie, tandis qu'une ihctuation de la tension de sortie atteint approximativement la moitié de la tension de la source, le période de la fluctuation correspondant à un cycle de fonctikonnement. La figure 4 représente un système dé coupeur biphasé comprenant trois découpeurs conformément aux principes de l'in- vent ion. Le dispositif représenté est sensiblement similaire à celui de la figure 1, à l'exception du fait que trois sections dlenroulement de réactance sont disposées inductivement autour de trois branches d'un noyau magnétique respectivement et connec tées entre les découpeurs respectifs et une charge. Bie que l'invention ait été décrite. ci-dessus pour des systèmes biphasé et triphasé, il est bien entendu qu'elle est également applicable à un système de m phases utilisant m découpeurs. Dans ce cas, une réactance à m sections d'enroulement disposées induc- tivement sur m branches de son noyau magnétique respectivement et connectées entre les découpeurs associés et une charge commune. Quand on utilise un noyau du type à m branches, les branches sUr lesquelles sont disposées inductivement les sections d'enroulement respectives forment un ensemble de circuits magnétiques paraS le les et, par conséquent, les forces magnétomotrices induites dans ces branches sont toujours égales les unes aux autres. Si les enroulements disposés inductivement sur les branches respectives du noyau sont égaux en nomhre de spires les uns aux autres, les enroulements sont parcourus par des courants égaux les uns aux autres.En d'autres termes, toute tendance à provoquer une dif- férence ou un déséquilibre quelconque entre les courants parcou rant les sections d'enroulement respectives produit des forces magnétomotrices déséquilibrées dans le matériau du noyau, ce qui a pour effet de varier le flux magnétique induit dans le matériau qui, à son tour, engendre des forces magnétomotrices servant à éliminer le déséquilibre entre les courants0 Qaund les m sections d'enroulement sont connectées entre les bornes de sortie des découpeurs associés et la charge commune comme décrit ci-dessus, les courants de sortie iol délivrés par les découpeurs respectifs sont égaux les uns aux autres (i) i01 = i02 = o *e * = iom D'autre part, étant donné que les sections d'enroulement sont connectées à la charge commune, un courant de charge 4 s'exprime par l'équation Par conséquent (3) io1 = i02 = ................... = iom = io m En supposant que n dé coupeurs parmi les m phases se trouvent à l'état conducteur, un courant d'entrée i1 prélevé sur la source s'exprime par : = n (4) ii = n io D'autre part, étant donné que la relation d'équilibre doit être maintenue entre les puissances d'entrée et de sortie, la réactance n'accumule pas d'énergie électrique.Le résultat est : (5) ei = e0 i0 où ei et eO sont une tension d'entrée et une tension de sortie respectivement0 Des équations (4) et (5) on déduit l'équation 6 suivante n (6) eo = m ei Ceci signifie que dans le système à m phases, un courant d'entrée et une tension de sortie à un moment donné quelconque peuvent être respectivement exprimés par les équations (4) et(6) selon le nombre de découpeurs se trouvant à l'état conducteur audit moment.On suppose maintenant que les découpeurs du système à phases fonctionnent en synchronisme et que chaque découpeur devient conducteur ou non conducteur en un instant suivant l'instant auquel le découpeur le précédant directement a été mis à l'état de conduction ou de non conduction d'un intervalle de temps égal à 1 de la période m T du système. Le nombre de découpeurs qui sont mis simultanément à l'état de conduction en chevauchement augmentent alors d'une unité à chaque fois que le temps de conduction t cond du découpeur dépasse T/m et varie seulement d'une unité en fonction du temps pour un temps de conduction relatif donné ou un rapport du temps de conduction tcond à la période T du système. Par conséquent, chacunedes tensions de sortie et chacun des courants d'entrée varient de manière à former une forme d'onde rectangulaire entre deux niveaux adjacents quelconques choisis entre m niveaux divisant la tension de source ou le courant de sortie en m parties ées. Par exemple, dans le cas d'un système triphasé tel que celui représenté sur la figure 4A il ou elle varie de la manière indiquée par le trait mixte quand perdes tirets quand et par un trait plein quand (figure 43). On voit donc que quand m découpeurs sont utilisés, la tension d'entrée ou la tension dé sortie contient une composante alternative diminuée de m fois, la composante alternative ayant une fréquence égale à la fréquence de fonctionnement des dé coupeurs multipliée par m. De la description ci-dessus il ressort qutune diminution de la composante alternative du courant d'entrée et de la tension de sortie de chaque découpeur lui-même contribue conjointement avec une diminution de la fréquence de la composante alternative à réduire les dimensions et le poids des réactances requises à l'entrée et à lasortie. En outre, au cas où la charge, par exemple un moteur électrique, remplit elle-m & e une fonction de filtrage, une ondulation du courant de sortie peut diminuer jusqu'à une amplitude suffisamment réduite sans qu'il soit nécessaire de prévoir un filtre de sortie quelconque0 Par exemple, l'invention appliquée à un système découpeur triphasé fonctionnant à une fréquence de 100 Hertz permet de diminuer une ondulation de courant à 5 % ou moins sans utilisation d'un filtre de sortie quelconque. La réactance utilisée dans l'invention a des dimensions et un poids extrêmement réduit en comparaison des réactances de lissage ou filtrage mztilisées nécessairement dans les systèmes découpeurs classiques0 Par exemple, une réactance telle que celle utilisée dans l'exemple ci-dessus est réduite de dix fois. Ceci est du au fait que la tension d'ondulation est réduite à un tier et la fréquence d'ondulation est augmentée de trois fois,taidis que le noyau de la réactance peut être utilisé efficacement à un degré tel qu'il est porté à saturation dans des directions opposées. Au contraire, le type classique de réactance de lissage ou filtrage est attaqué par une tension de polarisation continue élevée et une variation de la magnétisation est causée seulement par le courant ondulé,ce qui a pour résultat une utilité très réduite. En outre, suivant l'invention,l'inductance d'une charge telle qu'un moteur électrique est elle-même suffisante pour réaliser l'opération de filtrage sans qu'il soit nécessaire de prévoir un filtre quelconque. La figure 5 montre un système dé coupeur biphasé dans lequel deux découpeurs 2a et 2b sont connectés à deux charges 5a et 5b ayant sensiblement les mêmes caractéristiques par l'intermédiaire de sections d t enroulemgt distinctes disposées inductivement sur deux branches de noyau d'une réactance 4. Dans cet exemple, la réac tance 4 agit comme un transformateur et, par conséquent, le circuit représenté satisfait à ltéquation (3). En outre, étant donné que les charges 5a et 5b ont des caractéristiques sensiblement égales, les cpurantsparcourant les deux charges sont nécessairement égaux l'un à l'autre.Ceci signifie que le circuit représenté sur la figure 5 donne le même résultat que le dispositif de la figure 1 comprenant une charge unique. il est bien entendu que le concept de l'invention représenté sur la figure 5 peut être étendu à un système à m phases utilisant un noyau de réactance comportant m branches. Le dispositif représenté sur la figure 6 est similaire à la figure 5, exception faite d'une branche de noyau additionnelle fonctionnellement couplée à des noyauKde réactance à deux branches à travers des entrefers et n'ayant aucune section d'enroulement disposée inductivement sur elle. Comme dans les formes de réalisation précédentes, les courants parcourant toutes les sections d'en- roulement respectivement sont maintenues en relation équilibrée. En outre, non seulement les courants parcourant les sections d'enroulement n'engendrent pas de forces magnétomotrices égales dans les branches associées, mais engendrent aussi Hes flux magnétiques dans la branche de noyau additionnelle. Ces flux magnétiques servent alors à supprimer également les variations des courants parcourant les sections d'enroulement respectives. En d'autres termes, la branche de noyau additionnels ressemble à une réactance de lissage ou filtrage en fonctionnement et, par conséquent, la réactance 4 représentée sur la figure 6 est équivalente à un transformateur et à des réacteurs de lissage, un pour chaque phase, réunis en une structure unique. Ceci donne un résultat remarquable en ce que le dispositif a des dimensions et un poids réduit bien que son nombre de phases soit réduit pour donner des résultats moins efficaces. En cas d'utilisation d'un noyau du type à m branches, on voit des équations (1) et (3) que si l'une de ces équations est satisfaite, l'autre équation est aussi satisfaite.- Ceci résulte dans l'aspect générique de l'invention en ce que sont assurés des moyens de contnlinte ou de couplage: magnétiques pour rendre les courants de sortie fournis par les découpeur toujours sensi blement égaux les,uns aux autres. Cet'aspect 'générique de lfiSvbh- tion peut aussi être réalisé par le dispositif représenté sur la figure 7 ou 8. Le dispositif représenté sur la figure 7 ou 8 est similaire à celui représenté sur la figure 1, à l'exception de la construction de la réactance ou transformateur. Ainsi, qu:il ressort de la figure 7, le dispositif à réactance 4 agissant comme un dispositif transformateur comprend deux transformateurs indépendants 4a et 4b comportant chacun un enroulement primaire connecté à une extrémité au découpeur associé 2a ou 2b,tous les enrou lements étant connectés entre eux aux autres extrémités Le dispositif transformateur 4 comprend des enroulemnts secondaires égaux en-nombre aux .aas primaires et connectés en série à une chqrge commune 5. Par conséquent, on voit que chaque transformateur satisfait à l'équation 3. La figure 8 est une vue similaire à la figure 7, mais représente un système à m phases comprenant m découpeurs 21 ....2 des diodes dtétouffements 31 3m' et m transformateurs 4 4m . Comme sur la figure 7, m enroulements primaires w1 des transformateurs 4 4m sont connectés aux découpeurs associés, tandis que m enroulemenX secondairv w2 sont connectés en série à une charge commune 5. Bien entendu, l'invention ntest nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les doyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'es- prit de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Un système de commande de la puissance du courant continu, comprenant plusieurs moyens de commutation alimentés par une source commune de courant direct et commandés pour être rendus conducteurs et non conducteurs de telle manière que chacun desdits moyens de commutation devienne conducteur et non conducteur en des instants suivant les instants auxquels le moyen de commutation le précédant directement devient conducteur et non conducteur d'un intervalle de temps prédéterminé respectivementJune une section d'enroulement de réactance connectée en série à chacun desdits plusieurs moyens de commutation, une charge ou d Hcharges parcou ruesrespectivement~par la somme des courants issvs desdites sections d'enroulement de réactance ou les courants issus des dites sections d'enroulement, ledit système étant caractérisé en ce outil comporte des moyens de couplage magnétique pour rendre les courants desdites réactances toujours sensiblement égaux les uns aux autres. 2 - Un système suivant la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de couplage magnétique comprennent plusieurs voies magnétiques pour rendre les courants desdites réactances toujours sensiblement égaux les uns aux autres et une autre voie magnétique couplée auxdites plusieurs voies magnétiques à travers des entrefers.