Brevet FR2106542A1 — publié le 19720505

La présente invention a potir objet un circuit de filtrage couplé entre la sortie d'une source de puissance polyphasée et 9 les entrées d'un appareil convertisseur de fréquence Un convertisseur de fréquence est souvent défini comme étant 5 un changeur de fréquence, dans la mesure où il procède à la conversion d'un signal d'entrée venant d'une source de puissance à une fréquence donnée, en un signal de sortie à une deuxième fré-quencê qui est line fraction de la fréquence d'entrée. La forme d'onde à la sortie du convertisseur de fréquence n'est pas une 10 sinusoïde pure, mais est en fait composée de la composante fondamentale désirée et d'un nombre Infini de composantes à des fréquences indésirables. Les tentatives pour supprimer la distorsion harmonique présente dans le signal de sortie, conduisent généralement à 1*utilisation de moyens de filtrage du côté sor-15 tie. Gomme le filtre de sortie utilisé comprend une inductance série et une capacité en dérivation, c'est-à-dire un filtre L-C, les tensions sur les harmoniques rencontrent un circuit à haute impédance dans le filtre et, par suite, le courant de sortie fourni par le convertisseur est approximativement sinusoïdal. En 20 conséquence, le convertisseur prélève un courant essentiellement non sinusoïdal, c'est-à-dire présentant de la distorsion, sur la source de puissance, pême si la tension de la source de puissance est fondamentalement sinusoïdale. La forme du courant prélevé sur la source de puissance est semblable à la tension de sor-25 tie non filtrée du convertisseur car elle possède la même composante fondamentale à la fréquence de la source de puissance et un nombre infini de composantes additionnelles de fréquence. La distorsion du courant(ïentrée amène des caractéristiques de fonctionnement Indésirables parmi lesquelles : 30 a) distorsion de la tension aux bornes de la source de puissance, si cette source de puissance présente une impédance de sortie non négligeable; b) présence d'une valeur efficace élevée du courant, ce qui nécessite une augmentation des normes de la source de puissance, 35 afin de fournir les KVA harmoniques nécessaires; et c) la production d'interférences radioélectriques si la fréquence des harmoniques de courant est suffisamment élevée. 71 33260 2 2106542 L'utilisation des filtres accordés classiques pour supprimer ces caractéristiques ne s'est pas montrée satisfaisantes car les harmoniques çLu courant d'entrée sont fonction à la fois de la fréquence d'alimentation et de la fréquence de sortie, ces jp deux paramètres pouvant varier dans une gamme qui dépend de l'application particulière envisagée. Par exemple, dans une application à vitesse variable et fréquence constante (VSOF), la fréquence d'entrée peut varier, alors que dans une commande de vitesse de moteur, la fréquence de sortie peut varier. De plus, 10 l'utilisation de capacités en dérivation sur l'entrée du convertisseur ne s'est pas montrée satisfaisante par le fait que ces capacités doivent être de valeur importante pour apporter une atténuation appréciable sur les harmoniques, et par suite prélèvent un courant en avance de phase important, particulièrement 15 dans les applications à vitesse variable et fréquence constante qui imposent une suréîraluation des volts-ampères de la source de puissance, ce qui, dans certains cas, peut amener la source de puissance en complète auto-excitation. L'invention se rapporte à un nouveau circuit de filtrage 20 destiné à un convertisseur de fréquences du type à commutation libre, ou du type à commutation forcée, destin^ réduire les har moniques du courant produits par le fonctionnement de ce convertisseur. Le circuit de filtre comprend des inductances couplées de façon opérationnelle entre les phases appropriées d'une sour-25 ce de puissance polyphasée alimentant l'entrée du convertisseur. Ce filtre est particulièrement conçu pour être utilisé avec une source de puissance "douce" c'est-à-dire présentant une impédance de sortie relativement élevée, telle qu'un générateur, comme moyen pour éliminer les effets néfastes de l'impédance de source 30 qui contribue à la production de courants harmoniques par le convertisseur. Ce filtre fournit une voie à faible impédance à l'entrée du convertisseur pour les courants harmoniques, les empêchant ainsi de circuler dans la source de puissance et évitant les chutes de tension corrélatives produites dans cette source 35 de puissance. L'absence de ces courants harmoniques dans la sour ce de puissance rend pratiquement sinusoïdal le courant prélevé dans cette source par le convertisseur, réduisant la distorsion 71 33260 3 2106542 de la tension de la source de puissance à l'entrée, et, par suite, la distorsion de la forme d'onde de sortie, améliore le facteur de puissance, ce qui permet £e diminuer les exigences en ES, et réduit les interférences radioélectriques. 5 On doit noter que le filtre d'entrée est non seulement sou haitable, mais indispensable pour le fonctionnement correct d'un convertisseur du type à commutation forcée, si la source de puissance primaire présente une impédance relativement élevée. La raison en est que le fonctionnement d'un convertisseur du type à 10 commutation forcée est basé sur une commutation artificielle, c'est-à-dire que les commutateurs à semi-conducteurs qui commutent le couranijéont bloqués avant l'amorçage des autres commutateurs. En d'autres termes, les commutateurs fonctionnent dans le mode "coupure avant contact". Evidemment, si la source de puis- 15 sance présente une impédance de sortie finie et essentiellement inductive, des moyens doivent être prévus pour absorber l'énergie inductive accumulée afin d'éviter les surtensions, toujours dangereuses, aux bornes des dispositifs à semi-conducteurs, lors des commutations. 20 La nouvelle disposition du filtre d'entrée conforme à l'in vention a pour effet : a) de réduire, aux bornes de la source de puissance, la distorsion de la tension causée par le courant non sinusoïdal extrait de cette source par le convertisseur. En l'absence d'un tel fil- 25 tre, la tension de la source de puissance ainsi distordue provoquerait une augmentation de la distorsion de la tension de sortie du convertisseur, ce qui nécessiterait un filtrage accru à la sortie; et, b) de supprimer les transitoires de tension produits par le 30 fonctionnement du convertisseur en mode de commutation forcée qui imposent des interruptions du courant entre la source de puissance et ce convertisseur. En l'absence de cette suppression, les transitoires résultants pourraient détruire les commutateurs à semi-conducteurs du convertisseur. 35 L'invention est illustrée de façon non limitative par la description suivante, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : _ 71 33260 4 2106542 La fig. 1 ést un schéma de base d'un convertisseur fonctionnant à partir d'une source de puissance hexaphasée et utilisant les enseignements de l'invention» La fig. 2 est une illustration schématique d'un circuit de 5 filtre à utiliser avec une source de puissance à 9 phases; et, La fig» 3 est un diagramme vectoriel du circuit de filtre de la fig. 2. La nouvelle technique de filtrage d'entrée pour convertisseur représenté sur la fig. 2, en coopération avec une source de 10 puissance hexaphasée, est applicable à des dispositifs convertisseurs de puissance dans lesquels le nombre des phases de la source de puissance alimentant le convertisseur est 3Mf M étant un entier positif autre que 1. En se référant à l'illustration, on voit la nouvelle tech-15 nique de filtrage d'entrée illustrée SGhématiquement pour un dispositif de puissance 1, comprenant un circuit de filtrage 10 placé entre les phases de sortie d'une source de puissance représentée ici par le générateur 30 et un circuit convertisseur à sortie monophasée 50, fonctionnant dans un mode à commutation forcée» 20 Cette configuration a été choisie pour sa simplicité, dans le btrfe de faciliter la compréhension de l'invention. En fonctionnement, la sortie du générateur 30 est appliqué® au circuit du convertisseur 50 qui convertit le signal de sortie du générateur en un courant alternatif à une fréquence différen-25 te de la fréquence du générateur. Le fonctionnement du circuit du convertisseur 50 est commandé par des moyens de commande 60 qui fournissent des courants de commande ou des signaux de commande, pour contrôler le fonctionnement des dispositifs de commutation du circuit du convertisseur à la fréquence souhaitée, af3u. 30 d'obtenir la fréquence de sortie correspondante. La tension de sortie Vo du circuit du convertisseur est ensuite appliquée à une charge (non représentée). Le générateur 30 est représenté sous la forme d'un générateur hexaphasé, présentant 6 enroulements décalés à 60° l'un par 35 rapport à l'autre, comme représentés sur la fig. 1 et connectés aux liaisons 1, 2, 3, 4, 5 et 6, qui constituent les conducteurs d'alimentation du cyclo-convertisseur. 71 33260 5 2106542 Le convertisseur 50 est constitué par tin réseau de circuits commutateurs à semi-conducteur 55» Un circuit commutateur 55 peut Stre constitué par un ensemble quelconque convenable de dispositifs statiques, capables d'être rendus conducteurs ou non 5 conducteurs à une fréquence de commutation élevée et possédant une conduction bi-latérale. Les cirbuits représentés ici sont constitués par 4- diodes connectées dans un circuit en pont, les conducteurs 56 et 57 étant reliés à deux sommets opposés du pont. Un flispositif de commutation à conduction commandée représenté 10 ici sous la forme d'un thyristor TH à blocage par grille de commande est connecté entre les deux autres sommets du pont, ainsi qu'on l'a représenté, et une liaison de commande G est prévue pour applique^ un signal de commande de conduction à partir des moyens de commande 60. En général, les circuits de commutation 15 55 peuvent utiliser un type quelconque de dispositif statique qui bloque la circulation du courant en l'absence de signal de commande, permettant au courant de circuler dans les deux sens lorsque ce signal de commande est appliqué, et étant capable d'être commuté avec une fréquence suffisamment élevée pour permettre le 20 type de fonctionnement compatible avec la fréquence de sortie désirée. Pour une description plus complète du fonctionnement d'un convertisseur de fréquence, on se reportera au brevet E.U.A. 3.170.107. Les fonctions opérationnelles de la technique de filtrage 25 qui seront décrites en liaison avec le dispositif de puissance 1, s'appliquent de la même manière à un dispositif de puissance comportant des sources de puissance à l'entrée, ou des générateurs à 9» 12, 15 etc.. phases, et aux combinaisons d». circuit de convertisseur fournissant des tensions de sortie polyphasées. Par 30 exemple, dans le but de satisfaire les besoins classiques de dispositifs avec une sortie de puissance triphasée équilibrée, trois circuits convertisseurs du type représenté sur la fig. 1 doivent être utilisés, avec les trois sorties décalées en phase de 120°. 35 Les courants prélevés sur le générateur 30 par le circuit convertisseur à commutation forcée 50 peuvent être exprimés par les expressions analytiques suivantes : 71 33260 6 2106542 Ij =« 5 g sin C8QZ + 9©0) +^ô Bin ^10ei + 9®o> + rpç sin (116-j- + 12©Q) + ^ sin (13©]- + 12©Q) + '"J dans lesquelles pour un générateur hexaphasé, 10 "l/z $(. = r ? pour un générateur à 9 phases, IQ » courant de sortie fourni par le convertisseur ©j = 2 ITfjt © « 2/ÏTfnt et >ic O O ^ fj, fQ sont respectivement les fréquences à l'entrée et à la sortie. Une analyse précise du spectre du courant circulant dans les phases opposées du générateur hexaphasé, c'est-à-dire sur les lignes 1 et 4, 2 et 5 et 3 et 6 montre une similitude entre 20 les composantes des courants qui y circulent, ce qui permet d'établir le tableau suivant, représentatif du contenu harmonique 25 30 35 40 des courants Phase sin £Lj- dans leurs phases opposées: Phase sin (©j-lf) = -sin ©j ^ sin (2©^- + 38») ^ sin (2©j + 3©o> sin (4©-^ + ^ sin (4©j + 3®o> ^ sin (5©j + 690) ^ sin (50J + 690-TT)= 3 sin C5©I+6©0) j sin (7&J + 660) ^ sin (70J + sin g sin (8©^- + 9S0) g sin (8©-j- + 90o) sin (10©-]- + 990) ^ sin (10©j + 9©0) —■ sin (H©x + 12eo) ■sp}- sin (Ilôj + 12©0 -11-)= - sinQm,. + 12©q) ^ sin (13ÔJ + 1290) ^ sin (130J + 12©0 -If) - ^ sin (13©X + 12©q) 71 33260 ^ 2iq6542 Bien que ces composantes de courant se rapportent à un convertisseur du type à commutation forcée, ces mêmes composantes se retrouvent généralement dans les convertisseurs à commutation libre avec des composantes de courant additionnelles supplémen-5 taires. Ainsi qu'on peut le voir sur le tableau ci-dessus, les composantes de courant dont l'argument comporte la fréquence du générateur avec un coefficient multiplicateur pair (2,4,8,10 etc..) se trouvent en phase sur les lignes opposées. La mise en éviden-10 ce de cette relation entre les composantes de courant sur leurs phases opposées permet l'utilisation de paires d'inductances étroitement couplées L1- L4, L2- L5 et L3- L6, entre les conducteurs du générateur placés en opposition de phase et le neutre F du générateur, comme moyen pour établir un court-circuit pour ces 15 composantes de courant et pour éviter leur circulation dans les enroulements du générateur. L'exigence de couplage serré est essentielle pour maintenir à une valeur pratiquement nulle les tensions harmoniques apparaissant aux bornes des paires d'inductances couplées, ainsi que pour assurer la dérivation vers le neutre 20 lî Des composantes en phase des courants associés aux tensions du générateur en opposition de phase. Des circuits magnétiques d'inductances distincts 001, 002, 003, peuvent être utilisés pour chacune des paires d'inductance, comme on l'a représenté sur la fig. 1, ou bien une structure avec 25 circuit unique à trois éléments peut leur être substituée. Les paires d'inductances travaillent cbmme dea circuits de dérivation pour les harmoniques, en shuntant les composantes de courant dans lesquelles le coefficient de la fréquence du générateur est un nombre pair, évitant §insi aux tensions harmoniques à ces fréquen-30 ces d'apparaître sur les bornes de sortie du générateur. On doit noter que, sauf un faible courant magnétisant, aucun courant sur le fondamental, clest-à-dire à la fréquence du générateur, ne circule à travers les inductances de dérivation des harmoniques. Après adjonction des paires d'inductances, le courant réel préle-35 vé sur le générateur de la fig. 1 peut être exprimé par i "^"o £sin ©j + 5 sil1 (5©j+ 6©0^ + 7 sin (7©i + 6©0) + rpf sin (116-j- + 12©0) xLn (136-j- + 12©Q) + ... T (2) 7133260 8 2106542 Une comparaison des équations 1 et 2 montre une amélioration significative de la forme du signal de courant en tant que résultat du travail des paires d'inductances. Cette amélioration se manifeste en particulier par la suppression des composantes de 5 courant présentant la plus faible fréquence et les plus fortes amplitudes, telles que 1/2 sin (2©j + 3©0) et 1/4 sin (4©^ + 3©0)» qui contribuaient de manière prépondérante à la distorsion du signal de courant. Les composantes à fréquences plus élevées qui demeurent présentes, et qui constituent une moindre gêne, peuvent 10 être aisément filtrées par des condensateurs ŒA relativement faibles, placés en shunt sur chaque phase du générateur, comme représenté sur la fig. 1. La possibilité d'utiliser des condensateurs shunt de faible valeur, permise par le fonctionnement des paires d'inductances, 15 supprime les problèmes rencontrés dans les dispositifs conventionnels qui doivent utiliser des condensateurs importants. Ces problèmes comprennent la présence d'un facteur de puissance faible du générateur, ce qui nécessite une augmentation du courant dâi-vré par ce générateur pour compenser les effets néfastes de con-20 densateurs de grande valeur. De plus, dans les deux types de convertisseur, à commutation forcée et à commutation libre, il est souvent nécessaire d'ajouter une résistance en série avec chaque condensateur en dérivation pour apporter un élément d'amortissement, afin de neutrali-25 ser les conditions d'oscillation qui résultent de la combinaison de l'inductance du générateur et du condensateur. La réduction de la valeur du condensateur, permise par l'utilisation de paires d'inductance, autorise une réduction du dimensionnement des résistances en série nécessaires pour obtenir l'amortissement désiré. 30 Les explications donnéés à propos de la source d'entrée hexaphasée de la fig. 1 s'appliquent à des sources dont le hombre des phases est un-multiple de 6, puisqu'il est évident qu'il existera des phases du géhérateur exactement opposées". Ceci n'est plus -vrai d'une source à 9 phases ou pour des sources dont le 35 nombre de phases est un multiple impair de 3 (par exemple 9,15, 21). Dans ce dernier groupe de sources, l'utilisation de paires d'inductances comme circuits dérivateurs d'harmoniques est 71 33260 2106542 également applicable, mais légèrement plus complexe à mettre en oeuvre en raison de l'absence de phases exactement opposées dans la source, ainsi qu'on le voit sur le diagramme vectoriel de la fig. 3 valable pour une source à 9 phases. La complexité accrue 5 tient à la nécessité d'établir la symétrie des enroulements pour produire une tension d'harmonique nulle nécessaire au fonctionnement en dérivâteur d'harmonique des inductances à couplage serré. Oes exigences peuvent être satisfaites par des techniques fig. 2 et représentée vectorielleaent sur la fig. 3* L'inductance L9 à 9 phases est bobinée sur un noyau à trois jambages. Les enroulements principaux constituant une disposition symétrique triphasée sont constitués par ¥1, ¥4 et ¥7» Les phases addition-15 nelles nécessaires pour une disposition symétrique à 9 phases, sont obtenues en établissant des combinaisons appropriées de portions des enroulements principaux. Par exemple, la phase 2 est obtenue en ajoutant un nombre de tours approprié ¥'7 de l'enroulement 17 à une prise TP située sur 1'enroulement ¥1. Le diagram-20 me vectoriel de la fig. 3 indique que le rapport entre l'enroulement jusqu'à la prise intermédiaire et l'enroulement total, doit être de 0,395 et que le rapport entre l'enroulement additionnel et l'enroulement total doit être de O,741. Ces rapports représentent également les proportions de tension apparaissant aux 25 bornes de chaque enroulement constitutif à la fréquence d'alimentation. Le courant du générateur correspondant à la configuration du filtre des fig. 2 et 3 est : La comparaison des expressions 3 et 2 montre que l'essentiel des harmoniques de courant circule à travers les inductances de 35 dérivation, conduisant ainsi à un courant de générateur approximativement sinusoïdal. Les harmoniques restants peuvent être supprimés par des capacités en dérivation, comme indiqué plus haut. variées. 10 Une de ces techniques est illustrée schématiquement sur la 71 33260 - 2106542 En raison dé l'importance des inductances dans le circuit de filtrage, et de l'utilisation de capacités minimales, le circuit de filtre ept essentiellement indépendant de la fréquence du générateur. 5 Dans certaines applications du circuit de filtre, îe posi tionnement du circuit de filtre près du convertisseur élimine la transmission des harmoniques de courant sur de grandes longueurs de câbles qui pourraient produire des interférences électriques indésirables. 71 33260 2106542 EEVEKDIOATIOUS 1. Dispositif de puissance à convertisseur de fréquence comprenant : une source de puissance polyphasée présentant une impédance mesurable, avec un nombre de phases égal à 3M, M étant 5 un entier différent de 1, et un circuit convertisseur possédant une pluralité de conducteurs d'entrée connectant de manière opérationnelle les phases de ladite source de puissance polyphasée à ce circuit convertisseurj des conducteurs de sortie connectés à une charge, ledit circuit convertisseur comprenant une série 10 de dispositifs de commutation destinés, à établit un circuit entre lesdits conducteurs d'entrée et lesdits conducteurs de sortie, de Manière à. développer sur ces sorties une forme de courant présentant une composante de fréquence fondamentale, ledit circuit convertisseur étant caractérisé par un circuit de filtre d'entrée 15 du convertisseur, comprenant des circuits inductifs couplés de manière opérationnelle placés entre lesdits conducteurs d'entrée de façon à shunter les composantes du courant d'entrée du convertisseur autres que la composante à la fréquence fondamentale, et évitant ainsi la circulation de ces composantes à travers la sour-20 ce de puissance polyphasée, ces circuits inductifs comprenant une pluralité d'inductances connectées suivant une disposition symétrique à couplage serré entre lesdits conducteurs d'entrée et un neutre électrique en shuntant les composantes de fréquence du courant d'entrée présentant une somme vectorielle nulle. 25 2. Dispositif de puissance à convertisseur conforme à la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de filtrage à l'entrée comportent des éléments capacitifs connectés en parallèle sur chacune desdites inductances. 3. Dispositif de puissance convertisseur conforme à la reven-30 dication 1 ou 2, dans lequel M est un nombre pair et dans lequel les combinaisons d'inductances symétriques à couplage étroit sont connectées entre les phases opposées de ladite source polyphasée et ledit neutre électrique, de façon à shunter les composantes de fréquence du courant d'entrée qui se trouvent en phase star les 35 phases d'entrée opposées. 4. Dispositif de puissance à convertisseur conforme à la revendication 3» dans lequel une première extrémité de chacune 71 33260 2106542 des combinaisons d'inductances symétriques à couplage serré est connectée à un .desdits conducteurs d'entrée, et dans lequel leur deuxième extrémité est reliée au neutre électrique de ladite source de puissance polyphasée.