Brevet FR2081749A1 — publié le 19711210

Le concept de neutralisation des harmoniques, des .formes d'ondes de sortie des onduleursfut à l'origine exposé par T.M. Heinrich et A„ Kernick dans le "brevet français N0 1.339<>552 concédé à la Société demanderesse. Ce concept original de neutrali-5 sation des harmoniques était basé sur un procédé de synthétisa-tion d'une onde de sortie sinusoïdale approchée par échelons en additionnant les sorties des étages d'onduleur à onde carrée, K, qui sont successivement déphasées mutuellement par des radians jl'/Ko L'addition des formes d'ondes de sortie est accomplie par 10 la connexion en série des secondaires des transformateurs de sortie connectés à chacun des étages d'onduleur. Ce concept fondamental de neutralisation des harmoniques a été par la suite perfectionné par T.M. Heinrich et J. Rosa dans une demande en cours aux Etats-Unis pour "Procédé et Appareil 15 pour la Neutralisation des Harmoniques des Onduleurd', S.ÏT. 18o54-9 du 11 Mars 1970 et concédée à la Société Demanderesse. Le perfectionnement consiste en la connexion en cascade ou en chaîne des transformateurs de sortie des étages d'onduleur afin d'obtenir le même degré de neutralisation des harmoniques, tout en ré-20 duisant la caractéristique kVÀ des transformateurs, et par suite la dimension, le poids et le prix de ces derniers, La commande de modulation par impulsions à largeur variable des onduleurs à harmoniques neutralisés se rapportait exclusivement au type d'onduleur à double pôle, c'est-à-dire un onduleur 25 dont chaque étage de puissance est constitué de circuit en pont complet, chaque pont comprenant quatre éléments commutateurs. La technique perfectionnée de neutralisation des harmoniques décrite par Heinrich et Rosa permet la modulation par impulsions à largeur variable des onduleurs à pôle unique. 30 L'invention réside dans un appareil destiné à régler la ten sion de sortie des circuits onduleurs à un seul pôlee Des circuits comparateurs individuels sont associés à chaque circuit à pôle unique d'un onduleur et produisent des formés d'ondes modulées par impulsions à largeur variable pour commander 35 l'amorçage des interrupteurs électroniques constituant le circuit à pôle uniqueo Oette forme d'onde modulée par impulsions à largeur variable est créée par les circuits comparateurs en réponse 4, 71 07700 2081749 à des signaux d'entrée consistant en une onde carrée courant alternatif variable de même fréquencse et déphasage que la tension de sortie du pôle unique non modulée, et en une tension en dents de scie de valeur constante d'une fréquence multiple de la fré-5 quence de sortie fondamentale du circuit à pôle unique. On commande la modulation par impulsions à largeur variable du circuit à pôle unique, et l'angle d'amorçage des interrupteurs électroniques en faisant varier la valeur de l'onde carrée courant alternatif par rapport au maximum ou valeur de crête de la 10 tension en dents de scie. L'invention ressortira mieux de la description illustrative qui va suivre en référence aux dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 est une illustration schématique d'un circuit réalisé selon l'invention ; 15 les figures 2, 3j 4- et 5 sont des illustrations de formes d'ondes de fonctionnement de la forme de réalisation de la figure 1 ; et la figure 6 est une illustration schématique d'un perfectionnement du circuit de la forme de réalisation de la figure 1. 20 En référence à la figure 1, le circuit onduleur triphasé 10 représenté schématiquement comprend des étages de puissance à pôle unique ou en demi-pont 12, 14- et 16 agencés en montage triphasé. Les circuits d'amorçage 18, 20 et 22 déclenchent la conduction des dispositifs interrupteurs de l'onduleur, représentés 25 ici sous la forme de thyristors 1TH à 6 TH, qui sont associés aux étages de puissance en demi-pont 12, 14-, 16, respectivement. Les signaux à onde carrée complémentaires de sortie des circuits d'amorçage 18, 20 et 22 assurent la conduction alternée des paires de thyristors constituant chaque circuit en demi-pont. Les 30 signaux de sortie à onde carrée résultant développés aux sorties polaires A, B et G des étages de puissance en demi-pont 12, 14-, 16, sont par la suite synthétisés par le circuit à transformateur 24- afin de développer une onde de sortie sinusoïdal?. Les circuits d'amorçage 18, 20, 22, déclenchent la porte 35 des thyristors onduleurs 1TH à 6TH, en réponse aux sorties à onde carrée développées aux sorties des circuits comparateurs JO, 32 et 34-, respectivement. La durée et la valeur des impulsions positives et négatives constituant les sorties à onde carrée des circuits comparateurs déterminent les angles d'amorçage des thy- 71 07700 3 2081749 ristors des circuits en demi-pont associés» La variation de l'angle d'amorçage des thyristors est appelée modulation par impulsiccs à largeur variable et est utilisée pour faire varier la valeur de l'onde de sortie sinusoïdale de 1'onduleur0 Le complément 5 des impulsions à onde carrée qui déclenchent l'amorçage du thy-ristor 1ÎH de l'étage de puissance en demi-pont 12 commande l'amorçage du thyristor 2TH. Cette relation s'applique également aux thyristors des circuits en demi-pont 14 et 16o Le procédé de régulation p»r impulsions à largeur variable 10 est typiquement illustré par les formes d'ondes de la figure 2® Les formes d'ondes A, B et C de la figure 2 représentent les tensions polaires A, B et G des étages de puissance en demi-pont 12, 14- et 16 respectivement, mesurée par rapport au courant continu moins M. La partie des formes d'ondes des figures 2A, 2B et 15 20 représentée en traits pleins indique les tensions polaires dans l'état "en pleine conduction" au cours duquel l'amorçage des thyristors de chaque circuit en demi-pont est commandé de manière à connecter leurs sorties polaires respectives A, B et C des circuits en pont 12, 14- et 16 alternativement entre la ligne 20 positive pendant un demi-cycle complet et la ligne négative courant continu pendant un demi-cycle complet. Les formes d'ondes en traits interrompus A, B et C de la figure 2 illustrent les tensions polaires des circuits en demi-pont 12, 14- et 16, respectivement sous la forme modulée par impulsions à largeur varia-25 ble à un régime de répétition qui est le triple de la fréquence de sortie» L'angle de modulation, ©m, ou angle d'amorçage de cette forme d'onde est de 30°„ La valeur de la tension de sortie du circuit onduleur 10 est réduite par modulation contrôlée par impulsions à largeur variable de la valeur maximale obtenue aux 30 conditions de "conduction totale" illustrent les tensions de sortie de pôle à pôle À~B et C-A, respectivement, du circuit onduleur 10. A l'état de "conduction totale", les tensions de sortie pôle à pôle sont des ondes quasi, carrées ne contenant pas de troisième harmonique. Dans la forme 35 de tension réduite ou modulée, les formes d'ondes de tension pôle à pôle sont toujours exemptes de troisième harmonique et peuvent être combinées avec les sorties d'autres configurations 7T 07700 4 2081749 d'onduleurs triphasés (non représentées) au moyen des principes des susdites demandes de brevets pour la neutralisation des harmoniques afin de former une onde en échelons approchant d'une onde sinusoïdale» 5 Afin d'obtenir des sorties à onde carrée des circuits com parateurs 30, 32 et 34-, qui produisent la modulation désirée par impulsions à largeur variable de la forme d'onde de sortie de l'onduleur, une unique onde en dents de scie développée par un circuit intégrateur 50 est appliquée à une première entrée de 10 chaque circuit comparateur, et un signal réglable de référence, courant alternatif, à onde carrée, Erej>» développé par les circuits 70, 80 et 90, est appliqué à la seconde entrée des circuits comparateurs 30, 32 et 34-, respectivement. La forme d'onde en dents de scie, qui présente des segments 15 de polarité aussi bien positive que négative, et qui est symétrique par rapport à la valeur de tension éro, est développée par le circuit intégrateur 50 en réponse à une sortie à onde carrée développée par les circuits logiques 4-2, 4-3, 44 et 45, illustrés à la f igure 3* 20 Un compteur principal en anneau 60 répond aux signaux d'im pulsions de sortie d'un circuit de chronométrage 62 en produisant des sorties à onde carrée déphasées de 120° correspondant aux formes d'ondes A, B et G, respectivement. Ces ondes carrées sont par la suite appliquées aux portes logiques NON-ET à double en-25 trée, 42, 43 et 44 de la manière représentée à la figure 1. Les formes d'ondes a, b et c produites par le compteur principal en anneau 60 correspondant aux tensions polaires non modulées d'onduleur des étages de puissance en demi-pont 12, 14 et 16, respectivement. Le fonctionnement des portes logiques NOÏT-EÏ 42, 43 et 30 44 en réponse aux ondes carrées d'entrée du compteur en anneau 60 est illustré par les formes d'ondes D, E et F de la figure 3, qui représentent les sorties des portes logiques respectives. Ces formes d'ondes de sortie sont par la suite appliquées à la porte logique ÎT0N-ET 45 qui développe la forme d'onde d, illus-35 trée à la figure 3&» La sortie composite à onde carrée de la porte U0M-ET 45 est couplée par capacité à l'entrée négative d'un amplificateur opérationnel 52 qui est connecté de manière à 71 07700 5 2081749 fonctionner en intégrateur. L'amplificateur 52 développe une forme d'onde de sortie en dents de scie e, qui est illustrée à la figure 3, en réponse à l'onde carrée d'entrée d. Une diode Zener 54 maintient constante la valeur K de l'onde carrée d'entrée 5 alors que les composants de l'intégrateur, les résistances 55 et 56, et la capacité 57 sont choisis de manière à produire une forme d'onde de sortie linéaire en dents de scie. La forme d'onde een dents de scie ainsi développée est appliquée simultanément aux entrées négatives de chacun des circuits comparateurs 30, 32 10 et 34. Les secondes entrées des circuits comparateurs sont développées par les circuits de tensions variables de référence courant alternatif à onde carrée 70, 80 et 90, respectivement. Etant donné que ces circuits 70, 80, 90 sont identiques comme construction et fonctionnement, leur description se limitera au 15 signal de tension de référencé Ere£ développé par le circuit 70. En outre, il est évident que la description du fonctionnement du circuit comparateur 30 en réponse à l'entrée de forme d'onde en dents de scie et à l'entrée de tension de référence, Ere;p» suffira pour expliquer clairement le fonctionnement des circuits com-20 parateurs 32 et 34. Un signal variable de commande courant continu développé par une source extérieure (non représentée) ou fourni sous la forme d'un signal de tension courant continu représentant la sortie courant alternatif de 11onduleur après conditionnement par 25 le redresseur 26 et l'amplificateur 28, est appliqué atKbornes d'un circuit diviseur comprenant les résistances 102 et 104» Les niveaux de tension courant continu développés aux points r et s par le circuit diviseur sont appliqués aux circuits d'entrée associés aux bornes négative et positive respectivement des ampli-30 ficateurs opérationnels 72, 82 et 920 L'amplificateur 72 produit lin a tension de sortie courant continu dont la valeur est en »-lation avec la différence entre les valeurs des signaux d'entrée. Afin de développer une onde carrée courant alternatif à la sortie des amplificateurs opérationnels, les sorties des portes logiques 3? ÏTOH-ET 74, 84 et 94- sont couplées aux circuits négatifs d'entrée des amplificateurs opérationnels différentiels 72, 82 et 92, respectivement. Les sorties des portes NON-ET 74-, 84 et 94- sont 71 07700 6 2081749 commandées par les sorties déphasées à onde carrée a, "b et c du compteur principal en anneau 60. la porte 74 a pour effet de mettre à la terre le signal appliqué à l'entrée moins de l'amplificateur 72 durant les états logiques alternés de la forme d'onde 5 a et ce faisant fait, apparaître à la sortie du circuit amplificateur 72 une onde carrée courant alternatif qui a la même fréquence et le même déphasage que la tension polaire non modulée du circuit *12 en demi-pont. Le gain de l'amplificateur 72 et le complément de la sortie 10 courant alternatif à onde carrée, c'est-à-dire la valeur comparative des parties positive et négative de l'onde carrée courant alternatif par rapport au zéro, sont fonction, des valeurs des résistances 102, 104, 106, 108 et 110. Le circuit comparateur 30 répond à l'entrée à onde en dents 15 de scie courant alternatif et à l'entrée à onde carrée courant alternatif, Eref » en produisant des changements logiques de sortie entre ZERO et UN en réponse aux variations de la valeur de l'onde carrée courant alternatif par rapport à celle de l'onde en dents de scie; les changements des conditions logiques de sor-20 tie du circuit comparateur 30 représentant une onde carrée modulée par impulsions à largeur variable correspondant à la forme d'onde A-M de l'étage de puissance en demi-pont 12. Cette forme d'onde règle l'angle d'amorçage des thyristors 1TTT et 2THS Le degré de modulation utilisé, c'est-à-dire la commande de l'angle 25 de modulation 0m utilisé, • est fonction de la valeur de E ainsi qu'il ressort des formés "d'ondes des figures 4 et 5. Puisque la valeur de Eref est réglée par le signal de commande courant continu ©m peut être directement proportionnel à ce signal„ Les formes d'ondes A, B, C et D de la figure 4 illustrent 30 les ondes modulées par impulsions à largeur variable correspondant à la forme d'onde A-M de l'étage de puissance en demi-pont 12 à mesure que l'angle de modulation établi par Ere£ varie de 0° à 60°. Chaque fois que l'onde carrée courant alternatif E £ est de valeur supérieure à la forme d'onde en dents de scie, une 35 sortie logique UN" est produite et lorsque la valeur de l'onde en dents de scie est supérieure à celle de il se produit une sortie zéro logique. En pratique, il est nécessaire de limiter JD 71 07700 7 2081749 l'angle de modulation ©m à une valeu^minimale permettant la commutation correcte des thyristors du circuit onduleur 10. le procédé .pour obtenir ce résultat consiste à limiter la valeur de crête de Ere£ de telle sorte qu'elle n'égale pas ni n'excède la 5 valeur de crête de la forme d'onde en dents de acie. Les formes d'ondes A, B et C de la figure 5 illustrent les représentations d'onde modulée par impulsions à largeur variable des formes d'ondes de sortie A-M, B-M et C-M des étages de puissance en demi-pont 12, 14 et 16,'respectivement, lorsqu'elles 10 sont modulées à un angle de 30°. Cette figure indique que les circuits en demi-pont utilisent une forme d'onde en dents de scie commune qui est modulée par les ondes carrées de valeurs égales mais déphasées mutuellement de 120°. Si le niveau courant continu, soit de la forme d'onde en 15 dents de scie, soit de l'onde carrée courant alternatif est légèrement différent du zéro, un niveau courant continu se présente dans les tensions de sortie des circuits en demi-pont de l'onduleur. Ce niveau peut être éliminé au moyen de capacités couplées aux circuits comparateurs ou à l'aide d'un signal néga-20 tif de rétroaction de la sortie du circuit en demi-pont à l'entrée positive du circuit comparateur correspondant, ainsi que représenté schématiquement à la figure 6« Bien que la forme de réalisation décrite se rapporte à une unique configuration triphasée, on remarquera que d'autres confi 25 gurations triphasées supplémentaires peuvent lui être ajoutées, chacune avec son propre circuit générateur d'onde en dents de scie, mais utilisant chacune une combinaison commune de chronomé trage-compteur en anneau pour la commande de ces configurations triphasées. 71 07700 8 2081749 REVENDICATIONS 1. Dans un appareil onduleur de puissance destiné à alimenter une charge électrique en courant alternatif au moyen d'une source de courant continu, la combinaison : d'un étage de puis- 5 sance comportant des interrupteurs de puissance à conduction commandée couplés pour appliquer alternativement la sortie de cet appareil à cette charge, U3i circuit comparateur pourvu d'une première entrée, d'une seconde entrée et d'une sortie, la sortie de ce circuit comparateur étant couplée à l'étage de puissance 10 pour commander la conduction de ces interrupteurs de puissance à conduction commandée, une première source de tension appliquant une tension en dents de scie de valeur pratiquement constante et de polarités positive et négative à cette première entrée du circuit comparateur, et une seconde source de tension pour appliquer 15 une tension variable à onde carrée des deux polarités positive et négative à cette seconde entrée du circuit comparateur, ce circuit comparateur répondant aux tensions d'entrée de ces première et seconde sources de tension de la même polarité et pratiquement d'égale valeur en produisant des impulsions de sortie 20 afin de commander la conduction de ces interrupteurs à conduction commandée, la valeur de la tension appliquée par cette seconde source de tension déterminant l'angle de modulation de ces interrupteurs de puissance. 2. Appareil onduleur de puissance, selon la revendication 1, 25 caractérisé par le fait que cette tension en dents de scie a une fréquence qui est un multiple de la fréquence fondamentale de la sortie de cet appareil, et la tension à onde carrée a la même fréquence et le même déphasage que la sortie non modulée de l'appareil. 30 3» Appareil onduleur de puissance, selon la revendication 1, comprenant des moyens pour limiter la valeur de la tension courant alternatif à onde carrée à une valeur inférieure à la valeur de crête de cette tension courant alternatif en dents de scie-, 4-» Appareil onduleur de puissance selon la revendication 1, 35 caractérisé par le fait que la valeur de la tension courant alternatif variable à onde carrée est fonction de la sortie de cet appareil« 71 07700 9 2081749 5. Appareil onduleur de-puissance selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la fréquence de cette tension en dents de scie est le triple de la fréquence fondamentale de la sortie de cet appareil. 5 6. Dans un appareil onduleur de puissance multiphasé destiné à alimenter une charge électrique en courant alternatif au moyen d'une source de courant continu, la combinaison : de n étages de puissance en demi-pont, n étant un nombre entier et un multiple de 3» ces étages de puissance étant couplés par groupes de trois 10 pour former des circuits onduleurs triphasés, chaque étage de puissance comprenant une paire d'interrupteurs.de puissance commandés couplés pour fournir alternativement une sortie courant alternatif à cette charge, n circuits comparateurs chacun pourvus d'une première et d'une seconde entrées ainsi que d'une sor-15 tie, la sortie de chaque circuit comparateur étant couplée à l'un de ces étages de puissance pour commander l'angle de modulation des interrupteurs de puissance commandés par porte comme moyen de modulation de la sortie courant alternatif par impulsions à largeur variable, une première source de tension associée à cha-20 que circuit onduleur triphasé pour appliquer une tension en dents de scie courant alternatif de valeur pratiquement constante des deux polarités positive et négative à la première entrée de chacun de ces trois circuits comparateurs associés à ce circuit onduleur triphasé, et une seconde source de tension associée à 25 chaque circuit onduleur triphasé pour appliquer une tension courant alternatif à onde carrée de valeur variable, des deux polarités positive et négative, à la s.econde entrée de chacun des trois circuits comparateurs associés à ce circuit onduleur triphasé, les tensions à onde carrée appliquées à chaque circuit 30 comparateur du circuit triphasé ayant la même fréquence que la sortie non modulée des étages de puissance respectifs, mais chaque onde carrée étant mutuellement déphasée de 120°, ces circuits comparateurs répondant aux tensions d'entrée de la même polarité et pratiquement d'égale valeur en produisant des impulsions de 35 sortie afin de commander l'angle de modulation des interrupteurs de puissance commandés par porte respectifs et assurer ainsi la modulation par impulsions à largeur variable de la sortie de 71 07700 10 2081749 l'étage de puissance en fonction de la valeur de la tension courant alternatif à onde carrée0 7. Appareil selon la revendication 6 caractérisé par le fait que cette tension en dents de scie a une fréquence qui est 5 un multiple de la fréquence fondamentale de la sortie de ces étages de puissance. 8. Appareil selon la revendication 6, comprenant un compteur entraîné par une horloge pour produire des ondes carrées de sortie dont la fréquence et le déphasage correspondent aux sorties 10 non modulées des n étages de puissance, des moyens logiques pour convertir les ondes carrées correspondant à un circuit onduleur triphasé en une onde carrée triple de la fréquence des ondes carrées individuelles, et un circuit intégrateur pour convertir cette onde carrée en une tension linéaire courant alternatif en 15 dents de scie de valeur pratiquement constante et d'une fréquence triple de la fréquence fondamentale de la sortie des étages de puissance. 9° Appareil selon la revendication 6, comprenant des moyens pour limiter la valeur de la tension à onde carrée à une tension 20 inférieure à la valeur de crête de la tension courant alternatif en dents de scie. . 10. Appareil selon la revendication 6 caractérisé par le fait que la valeur de la tension variable courant alternatif à onde carrée est fonction du circuit onduleur triphasé. 25 11o Appareil selon la revendication 6 comprenant un circuit à transformateur pour coupler les sorties des trois é;ages de puissance constituant un circuit onduleur triphasé et produisant une tension de sortie courant alternatif triphasée » 12. Appareil selon la revendication 6, comprenant un circuit 30 pour éliminer la composante courant continu des tensions appliquées aux entrées de ces circuits comparateurs. 13» Appareil selon la revendication 10 caractérisé par le fait que cette seconde source de tension comporte un circuit destiné à convertir la sortie de l'appareil onduleur en une tension 35 courant alternatif à onde carrée.