Brevet FR2039131A1 — publié le 19710115

i 2039131 La présente invention concerne un appareil convertisseur de courant et elle a trait plus particulièrement à un dispositif perfectionné pour régler le coefficient d'amortissement de cet apoareil. 5 Dins le domaine de la conversion de courant, il est d'une pratique courante de convertir une tension alternative sinusoïdale de 60 Hz d'amplitude relativement constante en une tension unipolaire et de grandeur réglable à l'aide d'éléments composants redresseurs à corps solides tels que des redresseurs 10 commandés et plus particulièrement des redresseurs commandés au silicium ou thyristors. Un thyristor peut être commuté cyclique-ment d'une condition de olocage et de haute résistance dans une condition de conduction directe et de faible résistance par application d'un signal de déclenchement aporoprié à son électrode de 15 commande. Pour une configuration donnée du circuit contenant des transistors (par exemple un pont redresseur triphasé à double voie et à six impulsions), la valeur moyenne de la tension.continue fournie par le convertisseur est déterminée par l'angle d'amorçage (alpha) des signaux de déclenchement. Ce mode de commande de la ^0 tension est couramment aopelé "commande de ohase" et il est expliqué de façon plus détaillée dans le chapitre 8," pages 295 à 324, d'un livre publié en 1964 et intitulé "Redresseurs commandés à semi-conducteurs" par F. L. GENTRY (PRENTICE-HALL, INC., ENGLEW00D CLIFFS, N. J.). Pour faire varier ou pour régler la valeur de la ^ tension, ces convertisseurs sont classiquement pourvus de moyens appropriés pour modifier l'angle alpha en fonction d'un signal de commande v-riable qui peut être programmé et réglé manuellement ou automatiquement. La tension continue engendrée par un redresseur de cou-30 rant commandé én phase est intrinsèquement caractérisé par des ondulations. La fréquence fondamentale de l'ondulation de courant continu est un multiple de la fréquence du courent alternatif d'alimentation (par exemple sixième harmonique pour un pont à six impulsions), et l'amplitude des ondulations augmente lorsque l'an-35 gle alpha croît. Si le circuit de charge qui est alimenté oar l'appareil convertisseur nécessite une tfnsion continue relativement uniforme, il est n'cess^ire d'att'nuer ces ondulations en mteroosant un filtre entre le redresseur et la charge. Le filtre comprend une self-série et de-s ccndensateurs-oarallèles dont les 40paramètres (inductance L exprimée en Henrys et capacité C exprimée BAD ORIGINAL 70 09492 2 2039131 en fsr:ds) doivent être choisis pour -tue la fréquence de résonance' du filtre soit bien inff'r" eure (par exemole inférieure à un-dixième) à la fréquence des ondulations. Ceci détermine le produit de L et C. Puisque la déoense des selfs par henry est bien 5 supérieure à celle de~ condensateurs oar fpred dans un appareil convertisseur ie c.rande puissance, il est avantageux, du point de vue de l'économie, d'utiliser le rapport minimal possible de L à C. i'.ais, lorsque ce rsoport est inférieur à une certaine valeur qui est déterminée par la résistance à pleine charge du 10 circuit de charge, l'amortissement du système est sous-amorti. Le coefficient d'amortissement d'un système du type défini plus haut est en pratique relativement faible (par exemple de 0,01). En conséquence, la réponse de la tension de sortie du filtre à des variations 'chelonnées de la charge ou à des variais tions brutales du courant alternatif d'alimentation à tendance à être oscillatoire. Le c^s le olus d-'-favorable est obtenu lorsque 1'aDDar^il convertisseur fonctionne à vide, puisque l'addition d'une résistance de charge a un cert2in effet d'amortissement sur le système. 20 Pour suoprimer les effets de nerturbation de courant dans un système à amortissement insuffis-nt, sous-amortissement, il était de pratique courante jusqu'à maintenant de brancher une résistance de fuite aux bornes du condensateur de filtrage, ^-ais cette solution est indésirable car elle introduit une perte de 25 puissance et elle réduit par conséquent le rendement. Une autre solution proposée est décrite dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 273 043, dans lequel en utilise un réseau de réaction relié à une boucle de régulation de la tension agencé de manière à avoir tendance à stabiliser le détecteur d'erreur de 30 charge en cas de fluctuations parasites de la source, taais ce dispositif ne résoud pas le problème de l'obtention d'une réponse amortie correctement en fonction de variations échelonnées de la charge . En conséquence, l'invention a pour but général de rés-35 User un disoositf perfectionné permettant de stabiliser un appareil de' conversion d'une puissance électrique à amortissement insuffisant. Suivant l'invention, on utilise une réaction proportionnelle dérivée de la tension ondulatoire de sortie du redres-40 seur dans une boucle de régulation dynamiquement stable et on lui ÔAD ORIGINAL * 70 09492 3 2039131 superpose une réaction nominale obtenue a la sortie du filtre. En choisissant un gain de boucle qui oermet de contrôler le comportement du système en réponse à des perturbations de courant, on obtient une stabilité dynamique du filtre. De préférence, on 5 sélectionne les paramètres de manière à se raoprocher de la condition d'amortissement critique du système à vide, de sorte que le système présente un léger excès d'amortissement en charge. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin annexé 10 qui représente, à tire d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. Sur les dessins : La Fig. 1 est un schéma synoptique fonctionnel d'un convertisseur de courant suivant l'invention; 15 La Fig. 2 est un graphique donnant les courbes gain- fréquence angulaire pour les circuits de réglage utilisés dans un mode préféré de réalisation de l'invention ; La Fig. 3 est un schéma du circuit de stabilisation et du dispositif de réaction représenté sous une forme synoptique 20 sur la Fig. 1. Dans la Fig. 1, on a représenté une source, telle que le réseau d'alimentation 11 relié à une charge 12 à l'aide d'un aopareil de conversion comprenant un convertisseur 13 branché en série avec un filtre 14. Le bloc 11 représente toute source 25 aporopriée de courant, par exemple un secteur alternatif triphasé fournissant un courant de fréquence industriel ( par exemple de60Hz.) ou en variante une batterie. Cette source assure l'alimentation en courant du convertisseur 13. Le bloc 12 représente tout circuit de charge désiré, par exemple plusieurs ondulateurs fournissant 30 une tension alternative de fréquence réglable à un groupe de moteurs à courant alternatif à vitesse variable (non représentés). On va supposer que la charge doit être excité par une tension unipolaire et relativement uniforme (Vq) d'une grandeur fixe ou variable et c'est pourquoi la sortie du convertisseur 13 est re-35 liée à la charge 12 par l'intermédiaire du filtre 14. - Le convertisseur 13 comprend des éléments redresseurs commandés agissant de façon à alimenter le filtre 14 avec une tension ondulatoire (V ) dont la valeur moyenne dépend de la distribution dans le temps d'une famille de signaux périodiques de 40 déclenchement qui sont cycliquement fournis par un générateur 15. BAD ORIGINAL 70 09492 4 2039131 La distribution dans le temps ou le rythme des signaux de déclenchement et oar conséquent la valeur de peuvent être modifiés en faisant varier la valeur d'un signal de commande dérivé par une source de signaux de référence 16 et appliqué à un amplificateur 5 prévu dans le bloc 15 correspondant au générateur d'impulsions de commande. Ce problème peut être résolu à l'aide de différents convertisseurs et de générateurs d'impulsions de commande dont les détails de conception sont bien connus et qui ne seront pas dé-écrits en détail dans la suite. Par exemple, dans un mode de réa-10 lisation de l'invention, le convertisseur 13 comprend six valves commandées disposées selon un pont classique a six impulsions, a trois pheses et à double voie pour redresser un courant sinusoïdal à 60 Hz. En variante, le convertisseur peut comporter un pont à diodes et des redresseurs commandés branchés et agencés de façon 15 à fonctionner comme un vibreur de courant continu (se reporter aux pages 343 à 346 du livre "redresseurs commandés à semi-conducteurs", cité plus haut). Le filtre 14 réduit notablement les ondulations de la tension V , de sorte que la liaison 17 entre le convertisseur et 20 le circuit de charge est excité par une tension de sortie Vq relativement uniforme. Dans ce but, le filtre 14 comprend une inductance-série ou self de L henrys et des cDndensateurs-paral-lèles de C farads. Pour atténuer correctement l'ondulation du courant redressé, la fréquence de résonance du filtre doit être 25 bien inférieure a la fréquence fondamentale des ondulations. Par exemple, si la vitesse angulaire fondamentale de l'ondulation est de 2 262 radians par seconde, en correspondance à la sixième harmonique de la tension d'alimentation à 60 Hz, les valeurs de L et C sont de préférence choisies de manière que leur produit soit 30 d'environ 0,000025, ce qui donne une fréquence angulaire de résonance (WN) d'environ 200 radians par seconde. D?ns un but d'économie, le rapport de L à C est maintenu à une vsleur aussi faible que possible et en conséquence, en pratique, un système tel que celui représenté sur les dessins aurait un amorti sse ment insuf-35 fisant. La tension de sortie du convertisseur de courant est réglée par un circuit de commande qui va être décrit dans la suite. Suivant l'invention, on utilise deux boucles de régulation de tension qui sont interdépendantes. 40 Comme le montre la Fig. 1, une première boucle, du 70 09492 5 2039131 type "proportionnel"} est formé par la combinaison d'un élément 18 a réaction proportionnelle reliée à l'entrée du filtre de façon à dériver un "oremier signal de réaction" de la tension ondulatoire V , d'un élément de sommation 19 pour produire un signal 5 d'erreur représentant la différence de grandeurs entre un signal de référence ou d'ordre (fourni par la source v-riable 16) et le premier signal de réaction, et d'un élément de stabilisation 20 placé soit dans la branche de transmission du signal d'erreur (comme représenté), soit dans la branche de réaction de la boucle 10 proportionnelle. Le dispositif d'amplification et de'génération d'impulsions de commande 15 et le convertisseur 13 complètent la première boucle ; il est à noter que le filtre 14 est exclus. L'élément à réaction oroportionnelle 18 peut comporter un transformateur de découplage ou un dispositif similaire et la grandeur 15 de son signal de. ré-ction est directement proportionnelle à la grandeur instantanée de Vu. Le symbole de référence H-^ est utilisé oour identifier la caractéristique de gain de transfert de cette partie du circuit. L'élément stabilisateur 20 est prévu pour atténuer l'ondulation contenue dans le oremier signal de réac-20 t'on et pour influencer "le gain de boucle en fonction de la fréquence angulaire en vue d'empêcher la boucle proportionnelle de devenir dynamiquement instable. .Dans ce but, l'élément stabilisateur est de préférence un réseau à retard et son gain statique et sa constante de temps ont été désignés resoective- ent car les 25 symboles de référence et . La caractéristique de tr nsfert du reste de la b ucle proportionnelle (amplificateur de signaux de commande, générateur d'impulsions de commande et convertisseur) sera désignée dans la suite par le symbole G . La caractéristique résultante de transfert pour la oremière br.ucle de régulation de 30 tension proportionnelle peut être exorir.iée de la façon suivante : Tl> +1 ^ * Comme indiqué sur la Fig. 1, la seconde boucle ou boucle "nominale" est constituée par la combinaison d'un élément de réac-35 tion 21 relié à la linne 17 de façon à produire un "second: signal de réaction" à oartir de la tension de sortie Vg, et d'un élément de sommation 22 pour appliquer au redresseur un signal de commande dont la grandeur est fonction de la différence -entre le signal d'erreur orécité et le second signal de réaction» La seconde 40 boucle comprend également le circuit d'amolification et de BAD ORIGINAL 70 09492 "6 2039131 générations d'impulsions décommandé 15, le convertisseur 13 et le filtre 14. L'élément de réaction 21 peut comporter un transformateur de découplage ou un composant similaire et la grandeur de son signal de réaction est sensiblement proportionnelle au 5 taux de modification de VQ oour des fréquences angulaires inférieures à sa fréquence de coupure. La caractéristique de transfert dynamique de l'élément de réaction 21 est désignée dans la suite par la référence ^2^2 cons"tante de temps de cet élément est En négligeant le filtre 14, le gain de la seconde 10 boucle peut être exprimé par la relation suivante : T ^ j ei+1 Suivant l'invention, les paramètres des boucles de régulation décrites plus haut sont choisis de manière que le 1j gain de la seconde boucle soit supérieur au g?in de la boucle proportionnelle à des fréquences voisines de la fréquence naturelle de résonance du filtre 14. En conséquence, le second signal de réaction devient prépondérant par rapport au signal d'erreur pendant des variations anormales ou transitoires du courant 20 d'alimentation ou de la charge, ce qui provoque des variations de comoensation de et une stabilisation de la réponse du filtre 14 à de telles perturbations du courant. De préférence, les paramètres sont choisis de manière que la réponse du système a des perturbations de courant à vide soit amortie de façon critique. 25 Cette condition a été représentée graphiquement sur la Fig. 2 où le gain est donné en fonction de la fréquence angulaire (échelle logarithmique) dans les conditions supposées d'absence de charge et de coefficient d'amortissement négligeable. (La dernière hypothèse est justifiée du fait que le coefficient d'amortissement •O d'un système particulier convertisseur-filtre-régulateur est en pratique relativement faible, en particulier en l'absence de charge. Par exemple, un coefficient d'amortissement-série de 0,01 est classique). Sur la Fig. 2,1e gain de la boucle proportionnelle a 35 été représenté par la courbe 23. Ordinairement, la valeur désirée du gain en courant continu de cette boucle (c'est-à-dire G^G^H^) est bien supérieure à l'unité et on a supposé un gain égal à 100 (c'est-à-dire 40 db.). Cette valeur peut être obtenue en choisissant judicieusement G^ puisou'en pratique G^ et Hj, sont habituel-40 lement déterminés respectivement o?r la structure du convertisseur 70 09492 7 2039131 et du circuit de réaction proportionnelle. Dour obtenir un amortissement critique du système dans des conditions d'absence de charge, on choisitune valeur de dont l'inverse est bien inférieur à ^ et on suppose 5 De préférence Tj = (G^ G^ En supposant = 200, on a alors 1_ = 1_ = 40 radians T1 T3 par seconde. 10 Une autre condition d'amortissement critique est que ^2 "**2 être choisi de manière que G^ T^ soit approximati vement égal à (Gg G-^ ^ gg^n résultant de la seconde O w ^ N boucle, moins le filtre 14 est représenté par la courbe 24 sur 15 la Fig. 2. La caractéristique de transfert du filtre a été représentée séparément sur cette figure et la gain de cette boucle complète (y compris le filtre) est une courbe comoosite déduite de la courbe 24 et de la caractéristique de filtre. Il apparaît par conséquent que la réponse dynamique du régulateur a des perturbations de 20 source ou de charge est contrôlée par la seconde boucle. Un amortissement critique du système par rapport à des perturbations du courant produit ordinairement une réponse d'amortissement excessif pour des variations échelonnées du signal de référence. Dans certaines applications de l'invention, il peut être souhaitable 25 d'amortir par excès le système en donnant à Hg Tg une valeur supérieure à celle pour laquelle on obtient un amortissement critique, auquel cas la déviation de Vg en réponse à des variations brutales de charge dure plus longtemps mais a une amplitude moindre. L'invention oeut être mise en pratique avec des compo-30 sants aopropriés de circuits, de tyoes' bien connus, et, à titre d'illustration, on a donné sur la Fig. 3 des détails d'un mode particulier de réalisation du réseau de stabilisation 20 et du réseau de r-'action 21. Com:ne le montre cette figure, la différence entre le signal de référence donné et le signal de réaction 35 proportionnelle Vu est appliquée aux bornes d'entrées 20a, 20b d'un réseau à retard qui comprend un condensateur-parallèle 30 branché entre deux paires de résistance-série 31, 32. Le cas échéant, le condensateur 30 peut être shunté par un circuit bouclé (non représenté) oour limiter sa charge maximale. Le signal d'er - BAD ORIGINAL 70 09492 8 2039131 reur résultant est un courant i dont la grandeur est à oeu près proportionnelle à Vu pour des fréquences inférieures à la fréquence caractéristique de coupure du r'seau de retarde Pour obtenir le signal de réaction dynamique, la tension de sortie Vq 5 du convertisseur est a.opliqué aux bornes d'entrées 21a., 21b d'un réseau de différenciation comprenant des résistances 33, 34, 35 et 36 et un transformateur 37, ces composants étant interconnectés et agencés comme indiqué sur le dessin. Les enroulements primaire et secondaire du transformateur 37 sont étroitement couplés sur un 10 noyau magnétisable comportant un entrefer. Le signal de réaction dynamique obtenu est un courant i£ dont la grandeur est sensiblement proportionnelle aux taux de modification de Vq à des fréquences inférieures à la fréquence caractéristique de coupure du circuit de réaction dynamique. 15 Le signal d'erreur I et le signal de réaction dynamique i^ sont appliqués dans des directions opposées a deux points de sommation 22a, 22b et leur différence comprend le signal de commande i qui est aopliqué à un amplificateur correspondant et re-présenté sur la Fig. 3 par un résistance 15a. La valeur ohmique 20 de 15a. est bien inférieure à la valeur ohmique des résistances 31 ou 33. Comme expliqué précédemment, la grandeur du signal de commande i détermine la valeur moyenne de la tension de sortie Vu du convertisseur.Habituellement, cette tension est pratiquement nulle lorsque ic = O ; elle peut être d'une polarité inverse 25 et devenir négative si la direction i est l'inverse de celle indiquée sur la Fig. 3. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est suceptible de nombreuses variations accessibles à l'homme de l'art, suivant 30 les applications envisagées et sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention. veAD ORiGfNAL " ?Q 09492 9 2039131 FjEVH^PIC'TIOMS 1°) Appareil de convrrsion d'une puissance électrique comprenant un circuit redresseur commandé relié en série par l'intermédiaire d'un filtre à une ligne omnibus raccordée à 5 une charge, le circuit redresseur étant relié à une source de courant fournissant au filtre une tension ondulatoire dont la valeur moyenne est fonction de la valeur d'un signai de commande variable fourni au circuit redresseur, le filtre comportant une inductance-série et une capacité-parallèle de valeurs appropriées 10 pour atténuer l'ondulation de la tension ondulatoire en vue d'appliquer une tension de sortie d'une oolarité "unique et relativement uniforme à ladite ligne omnibus, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part une première boucle de régulation de tension comportant un circuit de réaction proportionnelle dérivant un 15 premier signal de réaction de la tension ondulatoire et un circuit de combinaison pour produire un signal d'erreur reorésentant la différence entre un signal de référence donné et le premier signal de réaction, et d'autre part une seconde boucle de régulation de tension comprenant un circuit de réaction relié a la 20 ligne omnibus de façon à dériver un second signal de réaction de la tension de sortie et un circuit, de combinaison pour fournir au circuit redr?sneur un signal de commande dont la valeur est fonction de la différence entre le signal d'erreur et le second signal de réaction. 25 2°) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première boucle de réfulation de tension comprend un réseau stabilisateur pour atténuer l'ondulation contenue dans le premier signal dé réaction. 3°) Appareil suivant la revendiaction 1, caractérisé en 30 ce que la seconde boucle comporte un gain supérieur à celui .de la première boucle a des fréquences voisines de la fréquence de résonance du filtre de manière que le second signal de réaction devienne prépondérant par rapport au signal d'erreur pendant les perturbations de courant. 35 4°) Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les paramètres du réseau stabilisateur et du circuit de réaction dynamique sont choisis de façon à assurer l'amortissement critique de la réponse dè l'appareil à des perturbations de courant à vide. 40 5°) .Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en bab original! 09492 2039131 ce que la caractéristique de transfert dynamique du circuit de réaction dynamique est égale ou supérieure à environ (G G H ) 3//2 2 11 et en ce que sa constante de temps est approxi- 2 ^ mativement égale à la constante de temps du réseau stabilisateur,, 6°) Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau stabilisateur à une constante de temps approximativement égale à (G^ G^ H-^) ^ ORIGINAL ~