Brevet FR2044685A1 — publié le 19710226

20^685 la présente invention a pour objet un dispositif de commande d'une puissance en courant direct (DC) pour réduire, la grandeur moyenne globale de l'interférence inductive, pendant tout le temps de fonctionnement. 5 Si on utilise le système de hacheurs dans la commande de puissances DC, le- courant d'entrée comprend généralement une partie très ondulée constituée par des composanteharmoniques. Ces composantes harmoniques affectent différemment les circuits électriques externes, et les installations, dont il va être question ci-après. 10 Pour paUier ce problème, des dispositifs de lâcheurs multiplexes polyphasés, se sont déjà répandus avec succès. En outre, lorsqu'ils s'appliquent à la mise en oeuvre de véhicules électriques commandés en puissance DC, ces dispositifs comportent plusieurs inconvénients. Par exemple, dans ce qu'on appelle le cran d'arrêt 15 d'après lequel les moteurs électriques commandés à bord d'un véhicule, continuent à fonctionner tandis qu'ils sont maintenus en un mode de fonctionnement prédéterminé , un courant d'entrée vers le dispositif à hacheurs cccpiead une partie très ondulée conduisant à 1*interférence inductive avec les installations 20 électriques environantes. Un objet de la présente invention est de constituer un nouveau dispositif perfectionné d e hacheuis pour la commande d'une puissance DC, ce dispositif est ag&uvri en interférence inductive,engendrée par une partie ondulée d'un courant d'entrée 25 vers ce dernier, et en effeis adverses résultant des courants ïBrmoniques traversant le dispositif. Un autre objet de l'invention est de constituer un nouveau dispositif perfectionné de à hacheurspour la commande d'une' puissance DC, tout en réduisant l'interférence inductive engendrée 30 par une portion ondulée d'un courant d'entrée dans le dispositif, et les effets adverses résultant des courantsharmoniques traversant le dispositif, sur ce qu'on appelle le cran d'arrêt d'après lequel les moteurs électriques commandés alors qu'ils sont maintenus en un mode deibnetionnement prédéterminé. 35 l'invention réalise ces objets en prévoyant un dispositif de commande de puissance DC comportant n systèmes de hacheurs où n est un. nombre entier sauf un, et des dispositifs de commande 69 '31010 2 2044685 pour le fonctionnement dès systèmes dehacheui^ tels que ces systèmes soient successivement allumés avec des différences de phase prédéterminées, afin de commander une puissance DC, caractérisé en ce que on choisit un rapport du temps de conduction à la 5 période de chacun des systèmes dé bacheuis égal# à un entier multiple de l'inverse de n, et de préférence sur le cran d'arrêt d'après lequel un moteur électrique commandé poursuit sa marche tandis que le moteur électrique est maintenu en'un mode de commande de fonctionnement prédéterminé. 10 L'invention sera mieux comprise et d'autres.buts, carac téristiques et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la ■description explicative qui va suivre, en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans 15 lesquels : - la figure 1 est un diagramme de circuit schématique d'un dispositif à iacheuss multiplexe pcjlyphasé, construit selon les principes de la présente invention ; - les figures 2k-, 2B et 2C sont des formes d'onde du 20 courant développé en différents points du dispositif à lâcheurs duplexe à deux phases, tel que le dispositif illustré dans la figure 1 en modes de fonctionnement respectifs ; et - la figure 3 est un diagramme d'ensemble illustrant les détails du dispositif de.commande illustré, sur la figure 1. 25 Si l'on se réfère maintenant aux dessins et à la figure 1 en particulier, on "trouve illustré un dispositif àlacheuis multiplexe polyphasé de construction conventionnelle appliqué au fonctionnement de véhicules électriques commandés en puissance DC. le montage illustré comprend une source de puissances DC 30 représentée par un feeder 10, un pantographe 12, venant en contact par déplacement sur le feecfe* 10, une pluralité de systèmes de hacheurs 21;, 22 2n # reliés électriquement en parallèle avec le pantographe 12, et une pluralité de diodes semi-conductrices à effet de volant 31, 32 ,3ïi reliéesen série aux différents 35 systèmes de hacheurs. les systèmes d§tLacheur§ sont illustrés comme comportant des électrodes à grilles G-^ , G respectivement. les diodes sont de polarité inverse à partir des systèmes debadoeurs 31010 3 2044685 associé^ et leurs anodes sont reliées électriquement à un feeder de /retour représenté symboliquement par "la terre". La jonction de chaque système de lâcheur, et de la diode associée est reliée électriquement au moyen d'une bobine de réactance individuelle 41, 5 42,,....,ou 4*1 , à une charge généralement référencée par le n°50. La charge est illustrée sur la figure 1 comme comportant quatre moteurs DC reliés entre eux telle que chequepaixe de moteurs en s^rie soit reliée en parallèle à l'autre paire uniquement dans ton but d'illustration. La charge 50 est reliée électriquement 10 au fieder de retour comme il a été précédement décrit. Afin de fermer et d'ouvrir les systèmes de lâcheurs 21, 22, 2n en suivant des différences de phases prédéterminées , on a prévu un dispositif de commande 60 pour appliquer successivement les signaux de grilles G^ , G^, Gn, d.es systèmes de hacheuis 15 pour ouvrir et fermer ces derniers de la manière bien connue. .Comprendra facilement que tous les éléments précités , à part le feeder 10, et le feeder de retour, sont équipés sur un véhicule électrique (non indiqué). En supposant que n soit égal à 2, dans le seul but de simplifl-20 cation, le fonctionnement du montage illustré sur la figure 1 sera maintenant décrit en référence aux figures 2A, 2B et 20. Suivant la condition supposée, une paire de systèmes de hacheurs par exemple, les systèmes 21 et 22, sont alternativement allumés et éteints avec une différence de temps de T/2 entre la position 25 d'allumage d'un des hacheurs, etla position d'allumage successive de 1*autre lâcheur, ou T et la période du dispositif, suivant laquelle les systèmes de hacheurs sont chaucin allumés et éteints successivement. C'est à dire que chacun des systèmes de hacheurs accomplit l'opération de coupure suivant la période T. 30 On suppose maintenant que les systèmes de hacheurs 21 et 22, ont un temps de conduction individuelle t inférieur à une demie période fl! du dispositif. La figure 2A illustre des formes d'onde développées dans cette condition. Plus spécifiquement les systèmes de hacheurs 21 et 22, sont allumés et éteints 35 comme l'illustrait les formes d'onde a et b de la figure 2A. En position d'allumage, les systèmes produisent des courants de sorties I., et I , comme l'illustrent les formes d'onde ç et d 69 31010 4 2044685 de la figure 2A. Les courants 1^ et ~L^ traversent alors les bobines de réactance respectives 41 et 42, jusqu'à la charge 50. Par conséquent, un courant traversant la charge 50, est égal au courant de sortie résultant 1^, comme l'illustre la forme d'onde 5 e de la figure 2A, dérivée des deux bobines de réactance 41 et 42. Dans ces conditions,-un courant émis par la source 10, c'est à dire un courant d'entrée Ig, vers les deux systèmes de hacheurs, est égal à la somme des courants traversant les systèmes respectifs en position d'allumage respectivement. Le courant d'entrée 10 le, est illustré sous la forme d'onde £ de la figure 2A. O """" En comparant la forme d'onde e avec les formes ç et d illustrées sur la figure 2A, on peut voir que le courant résultant 1^ comprend une partie ondulée d'amplitude plus faible, de grandeur égale ou inférieure à une demi fois l'amplitude d'ondulation 15 développée lorsque les systèmes de hacheurs et par conséquent les bobines de réactance, fournissent séparément des courants de sortie respectifs à la charge-. Avec le temps de conduction "t . supérieur à une demi fois la période T du dispositif, les systèmes de hacheurs sont allumés 20 ou éteints comme l'illustre les formes d'onde a et t de la figure 2B, les systèmes de hacheurs se superposant en temps de conduction. Dans ces conditions, les systèmes de hacheurs 21 et 22 produisent des colorants de sortie et comme l'illustrait les formes d'onde ç et d de la figure 2B. Par conséquent, comme dans le cas 25 précédent, la charge 50 est traversée par un courant égal au courant de sortie résultant 1^ illustré par la.forme d'onde e de la figure 2B, dérivée des deux bobines de réactance 41 et 42. Egalement, un courant dsentrée Ig dans les systèmes de hacheurs, ëst analogue et égal auxcourants traversant les sys-30 tèmes en position d'allumage respectivement, et est illustré sur la forme d'onde f de la figure 2B. Ainsi , on pourra reconnaître , que le courant résultant 1^ traversent la charge comprend-une ondulation de moindre amplitude, c'est à dire diminué d'trn facteur de deux ou de trois, 35 par rapport au cas où les systèmes de hacheurs, et par cors équent les bobines de réactance? fournissent séparément les courants de sortie respectifs à la charge. . Si le temps de conduction t^. est égal à une demi fois la 011 CQpy 69 31010 5 20^685 période du dispositif ï, alors un des systèmes de .lïacheurs, est allumé tandis que l'autre système de hacheur est éteint simultanément, et vice versa, comme le montrent les formes d'ondes a et b de la figure 20. En d'autres termes, iin'ya qu'un des systèmes 5 de hacheurs qui soit en position d'allumage au moment où les hacheurs alternent les uns et les autres en position d'allumage. Ainsi , les systèmes dehacheurs 21 et 22, et par conséquent les bobines de réactance 41 et 42 produisent des courants de sortie 1^ et 1^2 comme le montrait les formes d'onde ç et à, et un courant 10 Ifj, traversant la charge devient un courant direct aplati comme l'illustre la forme d'onde £ car une ondulation d'un des courants de sortie "dent annuler l'ondulation de l'autre courant de sortie. Comme il a été précédement décrit, un seul des hacheurs est nécessairement en position d'allumage à un temps donné . Par 15 conséquent, un courant drentrée Ig appliqué aussi systèmes de hacheurs par la source 10, comporte une partie ondulée réduite comme l'illustre la forme d'onde f de la figure 2C. En d'autres termes, les larmoniques de la partie ondulée sont rédufites. La description précitée dans le cas où n = 2 , peut également 20 s'appliquer au cas où n = 3. On compisidra facilement , que si les systèmes de hacheurs ont un temps de conduction t égal à un tiers de la période du dispositif % un quelconque des systèmes de hacheurs est toujours en position d'allumage, ce qâ a pair conséquence-, que les systèmes de hacheurs produisent un courant direct applati 25 pour la charge, tandis que les systèmes reçoivent un courant d'entrée réduit en ondulation comme dans le cas de la figure 2C. Si le temps de conduction t est égal aie deux tiers de la période T du dispositif, alors les grstèmës de lâcheurs alimenteront la charge en un courant de sortie réduit en ondulation, et un courant 30 d'entrée également réduit. D'une manière analogue, on pourra sjprécier que dans le montage de la figure 1, dans lequel on .utilise n système de hacheur 21, 22 >2n, dans le but de commander la puissance DC fournit à la charge 50, les courants d'entrée et de sortie ■35 Ig et 1^ soient respectivement réduits d'une manière analogue en ondulation, tant que les systèmes de hacheurs ont un temps de conduction t égal à un des rapports 1/n, 2/n..,..n-1/n de la CQpy 69 31Û10 6 2.0 ^4 68 5 période du dispositif-T, c!est à-dire, un -entier multiple de la période T diirisé par n. . ... Dans les véhicules électriques commandés en puissance DC, on se sert généralement de plusieurs -crais de marche, qui sont 5 mis en oeuvre sélectivement par l'opérateur. Chaque■commande des crans de marche des tensions appliquées aux moteurs électriques principaux, ou la commande de l'énergétisation de leurs champs, est fis;és généralement à, une certaine grandeur constante. Chacun de ces crans de marche, est prévu pour être utilisé consécutivement , 10 et s'appelle quelquefois cran d1arrêt„ Par exemple, on prévoit généralement des crans en série pour lesquels une pluralité de moteurs électriques principaux sont reliés en série, et des crans en parallèle, pour lesquels les mo.teurs principaux sont reliés en parralèle, et des crans de ^tuntage , pour lesquels les moteurs 1 5 principaux tournent à champ réduit . Ces crans de marche peuvent être utilisés individuelltenent comme crans d'arrêt, possédant une partie relativement grande du temps de marche. En outre, si le type conventionnel de commande par rhéostats des véhicules électriques, est mis en oeuvre consécutivement avec des résistances en 20 série interposées dans le dispositif , on observe non seulement une grande pertede puissance'. éléctrique ,, mais aussi, les résistances peuvent présenter-une grande capacité, ce qui conduit à des problèmes d!économies, en raison de leur poids éleva et de leur, encombrement » Ceci a eu pour conséquence inévitable, la commande 25 de moteurs principaux comportant des résistances en série associées, eitièrement court-circuitéss sur le cran d'arrêt particulier. Dautre part, les systèmes àhacheurs tels que décrit précéderaient, en référence à la figure -1, peuvent - réaliser le processus de commande de la vitesse de moteurs électriques principaux 30 associés pour lesquels une grande proportion de la puissance électrique n'est pas dissipée dans la commande par rhéostats . Ceci permet de prévoir cran d'arrêt, en fixant un rapport du temps de conduction des hacheurs sur la période du dispositif T soit "bon/T 5 à une grandeur, tout en maintenant les moteurs-principaux dans 35 leur.,, connexion .prédéterminée sans changer cette demièïe .Là où des dispositifs de hacheras multiplexes polyphasés-, ou de hacheurs à phase unique, doivent effectuer une commande de tension.constante, en 69 31010 7 2044685 fixent les angles de phases de commandes des hacheurs pour une certaine commande réalisée selon le processus de contrôle de l'attention appliquée, jusqu'ici on avait coutume de fixer l'angle de phase à une certaine grandeur. Ceci a conduit au fonctionnement 5 des dispositifs de très haut pourcentage d1 ondulations, et par conséquent, s'est révélé indésirable en raison de l'établissement de l'interférence inductive et desIfermonioges dûs au courant ondulé. l'invention vise a diminuer l'interférence inductive engendrée par l'ondulation développée dans un courant d'entrée 10 transmis par des systèmes de lâcheurs, et les effets adverses résultant desharmoniques de courant développé sur les côtés entrée et sortie des systèmes de hacheurs. Si l'on se réfère maintenant à la figure 3, on y trouve un modèle de dispositif' de commande illustré par le bloc 60 de 15 la figure 1, afin d'effectuer la commande sur le cran d'arrêt précité. Cfest à dire, la figure 3 illustre les détails du dispositif de commande tel qu'il est illustré au bloc 60 de la figure 1. le montage illustré comprend un dispositif de commande principale MC, manoeuvré par l'opérateur, un circuit de génération de 20 diagramme P relié à la sortie du dispositif de commande principale MC , et un circuit de comparaison et d'amplification combiné CA relié à la sortie du circuit P de génération de diagramme, le circuit P de génération de diagramme répond à une commande provenant du dispositif principal MC pour engendrer un diagramme 25 de tension pourra détermination de. courant traversant un circuit et des moteurs électriques principaux associés (non indiquéssur la figure 3), telle que la charge 50'illustrée sur la figure 1. le circuit de comparaison et d'amplification combiné CA comporte également son entrée reliée à un transformateur de courant DCCT 30 du type courant direct, pour détëc ter Hé courant traversant le circuit précité, établi avec le moteur principal, pour produire une tension proportionnelle au courant relevé. Cette tension est alors comparée- au diagramme de tension du circuit T, dans le circuit de carçaraàsŒL et d'amplification CA, qui à son. tour, produit et 35 amplifie "une différence entre les deux tensions, c'est à dire, une erreur de tension à partir du transformateur DCCT par rapport au diagramme de tension du circuit P. 69 31010 2044685 Comme l'illustre la figure 3, un circuit d'oscillation OSC est prévu pour engendrer des impulsions en dfs intervalles prédéterminé de temps, pour déterminer la fréçpience '"glateLe avec laquelle une pluralité, dans ce cas, n systèmes de hacheurs 5 te3s qu'illustré sur la figure 1, sont prévus pour fonctionner successivement„ la fréquence globale des systèmes de hacheurs varie , avec une modification de 1'intervalle entre les impulsons émises par le circuit d'oscillation OSC. Des impulsions du circuit OSC sont 10 ' appliquées à un circuit de distribution DB, qui , à son tour, répartit les impulsions suivant un ordre prédéterminé dans une pluralité, dans cet exemple n circuits déphaseurs PS^, PSg...... PS^, recevant également la tension d'erreur produite par le eir-'• cuit CA de comparaison et d'amplification combinées .Ainsi, les 15 circuiis de déphasage PS,, , PSgç, 1 d. 21 sont appliqués sur les électrodes à grille associées G-^, des systèmes de hacheurs (voir figure 1) comme l'illustrent les 25 flèches G-^.r G^... °&n' la f-M=>ure 3, pour allumer les systèmes. les éléments précités- décrivent un dispositif de commande . de courant en .boucle, par lequel un courant traversant le moteur principal est commandé de manière à être proportionnel à la tension de diagramme généré par le circuit de génération de diagramme 30 P. Par exempley si le nombre de tours par unité de temps du moteur principal cgfïiit , le temps de conduction t des systèmes de hacheurs, est rallongé proportionnellement s pour accroître le produit de la tension appliquée au. moteur principal , multiplié par le rapport de tQn/ï afin de maintenir le courant de sortie 35 . total des systèmes de hacheurs, à une grandeur prédéterminée substantiellement. Sur la figure 3» le dispositif de coimasm.de principale MO 69 31010 9 2044685 est également illustré commR étant relié à une entrée d'un circuit de limitation de tension VL, à deux aitrées reliées à une paire de transformateursde tension DCPT^ et DCPT2 du type à courant direct respectivement, les"transformateurs de potentiel DCPT^ et 5 DCPT2 orL"t pour fonction de détecter une tension d'alimentation ou une tension d'entrée pour les grstèmes de hacheurs, et une tension traversant le moteur principal, respectivement , pour les alimenter à un circuit de limitation de tension "VL. lé circuit VI de limitation de tension est sensible à une commande d'un 10 cran d'arrêt effectué par le dispositif de commande principale MC, pour établir une limite de tension en fonction de sa proportion à la tension d'entrée des systèmes de hacheurs ou de la tension d'alimentation islevéepar le transformateur DCPT^. Si la tension de sortie des systèmes de hacheurs, ou la ten-15 sion traversant le moteur principal , relevé par le transformateur DCPTg» excède en grandeur la limite de tension établit par le circuit de limitation de tension VL, il se produit alors un signal de commande émis par le circuit de limitation VL .Alors ce signal dë commande est appliqué au circuit GA de comparaison et d'amplifica-20 tion combinée^ avec la polarité inverse de celle du diagramme de tension précité. Ceci permet à la commande de tension constante précitée d'être réalisée par le circuit de limitation de voltage VI, de manière à fixer un rapport de tension de sortie sur une tension d'entrée des syë;èmes de hacheurs, par conséquent le rapport 25 ^or/® 1X1:16 grandeur correspondant à la limite de tension établie par'le circuit de limitation de tension VL. Si dans le dispositif de commande précédement décrit, la grandeur de la limite de tension établie par le circuit de limitation de tenâon VL est choisi de manière "à.rendre le rapport "t /T 30 das systèmes de hacheurs égal à un multiple entier quelconque de l'inverse de n, ou 1/n, 2/n,..,.. n-1/n ou n est le nombre de systèmes âe hacheurs , alors il est possible de rédui re les parties ondulées des courants appliqués produiis par les systèmes de hacheurs sur le cran d'arrêt, comme on pourra le com-35 prendre facilement à partir de la description précédente faite en relation aux figures 2A, 2B et 2.C. L'utilité des grandeurs établies dans la limite de tension 69 31010 10 2044685 précitée, va faire l'objet d'une discussion. lorsqu'on utilise le hacheur -(n = 2) , la grandeur de tension est égale à "t /T = 1/2, dans le dispositif duplexe à deux phases, les systèmes de hacheurs produisent chacun une tension.de sortie égale en 5 grandeur à une demi» fois leur tension d'entrée. Ceci correspond au cran de marche en série des commandes par rhéostat conventionnelle réalisant ces commandes en série et en païaHèle cbs moteurs élect rique s principaux. Si au lieu des dispositifs de commande conventionnelle 10 effectuant les commandes de champs en série et enjarallèle, ©"t la commande de shuntage d'une connexion en parallèle, 011 utilise le dispositif à hacheurspour commander les moteurs électriques principaux comportant des caractéristiques de champs substantiellement ■ correspondantes à la caractéristique d'affaiblissement des 15 dispositifs précités, alors on élimine la nécessité _d,établir un dispositif de ©huntages ceci permet la simple commande à l'a .de du seul dispositif à hacheurs Ceci a pour résultat non seulement la simplification du dispositif de mise en oeuvre, et des systèmes mais encore on agrandit un grand domaine de vitesse susceptible 20 d'être utilisé sur des moteurs à plein champ . Ce grand domaine de vitesse conduit à l'avantage, que le freinage dynamique peut être appliqué au démsarage,, avec une vitesse supérieure à celle à laquelle il pouvait commencer -auparavant , chaque fois qu'on le désirait. Dans un tel.cas en supposant que le nombre (n), de 25 systèmes de hacheurs est choisi auparavant égal à 3, le cran dsarrêt étant prévu pour correspondre à chaque rapport de "t /T ™ à un tiers ou deux tiers, ces systèmes sont susceptibles de correspondre approximativement aux commandes en série et en parallèle effectués par les dispositifs de commande par rhéostat 30 conventionnels „ Cette mesure est favorable à la mise en oeuvre du présent dispositif combiné au type conventionnel de dispositifs de commande „ Tandis que lsinvention a été illustrée et décrite pour un véhicule électrique, on doit- comprendre qu&le peut également Rappliquer à un dispositif de commande de puissancesDC autre /4ue 35 pour un véhicule» Bien entenàu 31010 n 2044685 d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des " équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. 69 31010 12 • 2044685 RE TlIDIOilIOIS 1. Dispositif de commandé de puissance DC, caractérisé en ce qu'il comprend n systèmes de hachaurs , oVi n est un nombre entier sauf un, et des dispositifs de commande pour la commande 5 du fonctionnement -desdits systèmes de hacheurs, tells que les systèmes soient successivement allumés avec des différences de phases déterminées, de manière à commander une puissance DC^ et des dispositifs pour rendre un rapport du tempgé^de conduction sur la période T de chacun desdits systèmes de hacheurs, égal '10 à un multiple entier- de l'inverse de n. 2. Dispositif de commande de puissance DC suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs précités réalisent effectivement l'égalité dudit rapport de ~kon/T> à un-multiple entier de l/n^ou un cran d'arrêt par lequel -un moteur 15' électrique en commande^continue, à tourner tandis que le moteur électrique garde son mode de commande de fonctionnement prédéterminé .