Brevet FR2081048A1 — publié le 19711126

L'invention est relative à un appareil onduleur de puissance destiné à la transformation d'une tension continue en une tension alternative. La possibilité d'obtenir des dispositifs de coupure à semiconducteur perfectionnés, tels que les transistors de puissance, des appareils de coupure â gril-5 le de commande, des thyristors, etc... est à la base de nombreux efforts tentés pour réduire les dimensions et le poids des' circuits de filtrage de sortie des onduleurs par l'utilisation de techniques complexes de coupure à haute fréquence. Parmi les exemples de ces techniques d'onduleurs» on peut citer: l'onduleur à suppression de porteuse à phase décalée (S.P.C.C.), l'onduleur à haute fréquence 10 à démodulation de phase, l'onduleur à forme d'onde programmée, 1'onduleur à modulation de largeur d'impulsion et l'onduleur à haute fréquence à ondes en échelons. Le but de la présente invention est de réaliser" un onduleur de puissance de conception simple et de coût réduit. 15 Un autre but de l'invention est de réaliser un onduleur qui présente un ren dement supérieur de modulation de charge transitoire?. Un autre but de l'invention est de réaliser un onduleur de puissance qui produit une forme d'onde de tension alternative qui est pratiquement une copie d'une forme d'onde de tension de référence et dépourvue d'harmoniques de rang 20 inférieur. L'invention concerne un onduleur de puissance pour transformer une tension continue en une tension alternative caractérisé par un étage de puissance comprenant des dispositifs de coupure reliés entr'eux pour fournir une tension de sortie du dit onduleur, par un circuit pilote répondant à des signaux d'action-25 nement en commutant les dits dispositifs de coupure pour produire la dite tension de sortie alternative,par une source fournissant une tension alternative de référence d'amplitude et de fréquence prédéterminées, et par un circuit de commande ayant une première et une deuxième entrée ainsi qu^une sortie reliée au dit circuit pilote, la dite tension alternative de»référence étant appliquée à 30 la dite première entrée et la dite tension alternative de sortie étant appliquée à la dite deuxième entrée, le dit circùit de comaandte produisant les signaux d' actionnement pour le circuit pilote suite à des; écarts de la dite tension alternative de sortie dépassant des limites positive oit négative prédéterminées par rapport à la dite tension alternative de référença, le dit circuit pilote report-35 dant aux dits signaux d'actionnement en commutaa-fe les dits dispositifs de coupure de puissance de manière à maintenir l'onde âe la tension alternative de sortie à l'intérieur des dites limites positive et négative prédéterminées pour produire une forme d'onde de tension alternatire de sortie qui soit pratiquement line copie de la dite tension alternatiTe de référence. 1*0 L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va 71 06390 2 2081048 suivre et aux dessins annexés. Sur ces dessins? - La figcire T est une représentation schématique d'une réalisation préférée. - Les figures 2 et 3 sont des représentations de formes d'onde illustrant le 5 fonctionnement de la réalisation de la figure 1. - La figure H est une représentation schématique d'une variante d'agencement d'onduleur semblable à celle représentée à la figure 1 et - La figure 5 est une représentation en coupe d'une spire d'une 'bobine d'arrêt utilisée dans la représentation de la figure U. 10 Sur la figure 1, est représenté schématiquement un étage d'onduleur de puissance èn pont 10 comprenant des thyristors de puissance Q1, Q2, Q3 et QU, * une source de tension continue et un circuit de commande 20 des thyristors de puissance, pour engendrer des signaux de grille de commande B et B. La tension de sortie de l'onduleur E apparaissant au transformateur de sortie T est 15 engendrée dans les paires de thyristors Q1, QU et Q2, Q3, qui sont rendus conductibles alternativement. L'onde résultant de la modulation de largeur d'impulsion est filtrée par la bobine d'arrêt L1 et par le condensateur C1 pour fournir une onde de sortie sans harmonique, c'est-à-dire une onde sinusoïdale. Bien que l'étage de puissance illustré utilise un transformateur de sortie, l'invention 20 est également applicable à des circuits onduleurs n'utilisant pas de transformateur. Le circuit de commande 20 fonctionne dans le but de réduire au minimum la distorsion de la tension de sortie E . de l'onduleur en commandant la conducti- out on des thyristors Q1, Q2, Q3 et QU en fonction de l'écart de la tension de sor-25 tie de l'onduleur par rapport à une tension de référence de fréquence et d'amplitude voulues. Le circuit de commande 20 intervient de manière aléatoire sur les paires de thyristors à travers un circuit pilote 50 en réponse à un écart prédéterminé de l'amplitude de l'onde de tension de sortie de l'onduleur par rapport à l'onde de tension de référence, obligeant ainsi la tension de sortie de l'on-30 duleur à être une copie de l'onde de tension de référence. La fréquence de la tension alternative de référence correspond à la fréquence de la tension de sortie, désirée de l'onduleur. Le circuit de commande 20 comprend un circuit comparateur CC ayant une borne d'entrée positive PT, une borne d'entrée négative NT, un circuit feedback po- 35 sitiff IfO et mie borne de sortie 0T. La tension de sortie filtrée E , , la tensi- - .. , , out on alternative de référence fournie par une source de tension alternative 30» et mi signal feedback venant du circuit feedback ko sont combinés et appliques à la borne d'entrée PT du circuit comparateur par l'intermédiaire d'un réseau de résistances d'entrée constitué des résistances R1, R2, R3 et R5. Le ^0 fonctionnement du circuit comparateur CC est illustré par les diagrammes des 71 06390 3 2081048 figures 2 et 3. L'onde de tension EQut est représentée comme une onde alternative présentant de la distorsion et des transitoires tandis que l'onde de référence ne présente aucune distorsion et est exempte de composante continue. L'oscillation de la tension de sortie E . à l'intérieur des limites +L et -L t>ar rap- out - r 5 port à la tension alternative de référence (A) figure 3» est obtenue grâce à la génération de signaux de tension de sortie plus et moins dans le circuit comparateur (B) figure 3. Les débuts de ces signaux correspondent avec les points P1, P2, P3, P^... de l'onde (A). Les signaux de tension de sortie du circuit compa-rateur, sous forme de signaux d'actionnement B et B transmis par le circuit pilo-10 te 50, commandent l'action des grilles des thyristors Ql, Q2, Q3 et Qk pour maintenir la tension de sortie dans les limites +L et -L. L'application des signaux d'actionnement B et B par le circuit pilote 50 pour commander les grilles des thyristors Q1, Q2, Q3 et peut se faire comme indiqué dans le brevet US No. 3 U12 316 du 19 novembre 1968. • 15 Le circuit feedback ko, qui comprend le condensateur C2 et un réseau divi seur constitué par les résistances R4 et R5 permet d'appliquer une fraction du signal de sortie du circuit comparateur à la borne d'entrée positive PT. Les limites +L et -L sont établies par les résistances Ri; et R5 du circuit feedback 40. Une hystérèse inhérente ou région de bande d'erreur est définie par 20 les limites +L et -L par rapport à la tension alternative de référence E Cette hystérèse est responsable de la durée des intervalles A t, entre les moments successifs de coupure P1, P2, P3, PU... des thyristors de puissance Q1, Q2, Q3 et QU par les signaux d'actionnement B comme indiqué à la figure 3- Pour une sélection correcte des composants du circuit feedback ^0, la valeur des li-25 mites +L et -L et par conséquent l'intervalle de temps A t, peut varier jusqu'à égaler ou dépasser le temps d'accumulation des thyristors de puissance et permettre ainsi aux impulsions de commande de grille appliquées aux thyristors d' amener ceux-ci à saturation, réduisant ainsi la résistance directe des thyristors et évitant la perte d'une impulsion de grille de thyristor de puissance. 30 Lorsque l'intervalle de tempst est plus grand que le temps d'accumulation des thyristors de puissance il n'y a pas de distorsion sensible de la forme d'onde de sortie de l'onduleur engendrée par un retard nominal de transmission d'impulsion de grille. Le condensateur C2 du circuit feedback U0 isole réellement la borne d'entrée 35 de toute tension continue moyenne qui pourrait se trouver à la borne de sortie OT du circuit comparateur CC. Le fonctionnement du circuit de commande 20 pour la génération des signaux d'actionnement B et B est le même sauf en ce qui concerne la polarité de la tension de sortie de l'onduleur. Il n'y a pas de nécessité pour un flip-flop UO logique, généralement inclu dans les circuits d'un onduleur, de tenir compte des 71 06390 i» 2081048 changements de polarité de la sortie de l'onduleur. La sortie du circuit comparateur CC varie entre B et B lorsque la différence totale entre la tension de sortie E . de l'onduleur et la tension alternati- out ve de référence E^^. dépasse la valeur de la limite choisie, soit +L, soit -L, 5 établie par les résistances et R5- Le circuit comparateur CC produit m signal de sortie positif lorsqu'un signal total positif existe à la "borne d'entrée positive PT, résultant de la combinaison d'un signal proportionnel à la tension de sortie de l'onduleur E d' un signal proportionnel à la tension de référence alternative et d'un si- 10 gnal proportionnel à la limite précalculée -L qui est établie par le circuit feedback Ho. Un signal de sortie est mis en évidence par le signal d'actionne-ment B venant d'un circuit logique NAHD LG qui, par l'action du circuit pilote 50, agit sur la grille des thyristors Q1 et QU pour les mettre en état de conduction de manière à ramener la tension de sortie E . à l'intérieur des limites out 15 +L et -L. Inversément, le signal de sortie du circuit comparateur CC devient négatif lorsqu'un signal négatif apparaît à la borne d'entrée PT du circuit comparateur, résultant de la comparateur, résultant de la combinaison du signal proportionnel à la tension de sortie E ^ de l'onduleur, d'un signal proportionnel à la tension alternative de référence -E et à un signal proportionnel à la li-20 mite précalculée +L qui est établie par le circuit feedback ko. Ce signal de sortie du circuit comparateur est mis en évidence par un signal d'actionnement B venant du circuit comparateur CC. Le signal d'actionnement B agit pour amener, par la commande des grilles, les thyristors Q2 et _Q3 en état de conduction afin d'inverser la tendance positive de la tension de sortie Eout et de la ramener à 25 l'intérieur des limites précalculées +L et -L. Dans le cas d'un signal d'action-nement B qui fournit la compensation pour une tension de sortie d'onduleur Equ^ qui dépasse la limite +L, le circuit feedback to fonctionne pour maintenir 1' effet de correction du signal d'actionnement positif B jusqu'à ce que la tension de sortie E ^ atteigne la limite négative -L. Inversément, dans le cas d'un si-30 gnal d'actionnement B venant du circuit comparateur CC, le circuit feedback fonctionne pour maintenir l'effet de correction du signal d'actionnement B jusqu'à ce que la tension de sortie d'onduleur E^^ atteigne la limite +L. La réalisation entre les signaux d'actionnement B et B et les formes d'onde des tensions de référence E _ et de sortie E , est illustrée à la figure 2. Il ref out ° 35 est visible sur la figure 2 que le signal d'actionnement B est capable d'effectuer un changement important de la tension de sortie EQ ^ lorsque la différence .A V1 entre le signal d'actionnement B et la forme d'onde E devient petite et la différence V2 devient grande. Inversément, le signal d'actionnement B est capable d'effectuer le changement le plus important dans la tension de sortie de to 1*onduleur lorsque^ ¥1 devient grand. 71 06390 5 2081048 Le conducteur C3 en liaison avec les résistances d'entrée R1 et R2 du circuit comparateur agit comme un différentiateur et augmente ainsi la sensibilité du circuit comparateur CC en vue du taux de changement de la tension de sortie EQut de l'onduleur. De plus, le condensateur C3 donne le signal anticipé correct 5 qui informe le circuit feedback de la nonlinéarité des signaux d!actionnement B et B. Les amplitudes des signaux d'actionnement B et B sont proportionnelles à la tension d'entrée venant de la source de tension continue et sont de ce fait sensibles à l'ondulation de la tension d'entrée. Comme noté ci-dessus, le condensa-10 teur C3 compense des nonlinéarités des signaux d'actionnement B et B. Pour autant que l'amplitude de la tension de sortie Eout de l'onduleur soit strictement proportionnelle à la tension de référence E ^, aucune modulation de la tension d'entrée n'est transmise à la tension de sortie E . de l'onduleur, _ out ' pourvu que le niveau des signaux d'actionnement B et B soit maintenu à une valeur 15 supérieure à celle des valeurs de pointe de la forme d'onde de la tension de sortie désirée, assurant ainsi que ni V1 ni /S V2 devient zéro. La circuit de commande 20 répond à une variation de la tension de sortie Eout de llonàuleur» résultant du réglage du transformateur, du réglage du filtre de sortie, de" la modulation de la tension de sortie etc... en modifiant les lar- 20 geurs d'impulsion des impulsions engendrées par les thyristors Q1, Q2, Q3 et Qt pour obliger l'onde de tension de sortie E de l'onduleur d'être proche de la forme d'onde de la tension de référence E L'onduleur de puissance est obligé de doubler la tension de référence E _ qui est habituellement sinusoïdale mais ref qui peut être autre avec un degré d'exactitude qui peut être commandé par le 25 choix de la valeur du signal feedback à la borne PT, la conception de l'onduleur et par le choix de R1, R2 et C3. La réponse transitoire offerte par le circuit de commande 20 est supérieure à celle du circuit des projets antérieurs en ce qu'elle compense immédiatement les largeurs d'impulsions de l'onduleur pour apporter la correction maximum sui-30 te au réglage du transformateur et/ou du filtre de sortie Cette conception des onduleurs à commande de modulation de largeur d'impulsions peut être étendue aux dispositifs triphasés en employant simplement des circuits de commande dans chaque phase et en utilisant une source de tension de 35 référence triphasée. Il en résulte un onduleur triphasé qui fournit un réglage individuel de tension de phase et une commande de déplacement de phase qui n'est pas affectée par des charges de phase non équilibrées. La figure U représente, en variante, un étage de puissance U0, décrit globalement comme un étage de puissance à prise médiane. Vu que les inversions de 1+0 polarité entre B et B sont faites à une fréquence relativement élevée et que le 71 06390 2081048 courant est relativement grand, le couplage entre les deux branches de l'étage de puissance à prise-médiane est critique. Un tyj>e particulier de bobine d'arrêt "André" L2 est utilisée. Celle-ci est bobinée avec un conducteur Litzen bifilaire qui donne un couplage capacitif très serré.avec une capacité répartie à tra-5 vers les bobinages d'arrêt. La combinaison de la bobine d'arrêt "André" à haute fréquence et des condensateurs C3A et C3B raccordés aux entrées de l'étage de puissance à prise médiane permet des coupures à haute fréquence des thyristors Q5 et Q6 sans distorsion de sortie. La figure 5 représente la section d'une spire d'une bobine d'arrêt "André" 10 constituée d'une torsade de deux couleurs de conducteur magnétique représentées comme des torons S1 et S2. Les torons sont séparés par couleur pour obtenir les deux bobinages requis par la bobine d'arrêt "André". L'utilisation d'un conducteur bifilaire rond au lieu du conducteur plat habituellement utilisé fait que la capacitance entre les deux enroulements de la 15 bobine d'arrêt "André" est moindre à cause des surfaces de contact réduites d' enroulements voisins. Cela réduit sensiblement la capacitance aux bornes de la bobine d'arrêt qui pourrait détruire les dispositifs de coupure de puissance (thyristors) à cause du courant de pointe important qui pourrait se produire quand le dispositif de coupure de puissance (thyristor) est mis en service. 20 Les bobines d'arrêt utilisées soit dans l'étage de puissance 10 ou soit dans l'étage de puissance Uo sont du type "oscillant" dans lequel l'inductance ëst réduite pcwla fréquence fondamentale du courant de. sortie. Les bobines d' arrêt du type oscillant apportent une amélioration réelle aux faibles charges et diminuent fortement les pertes en condition d'attente normale. 71 06390 7 2081048 REVENDICATIONS. 1. Onduleur de puissance pour transformer une tension contenue en une tension alternative, caractérisé par un étage de puissance comprenant des dispositifs de coupure reliés entr'eux pour fournir la sortie du dit onduleur, par un circuit 5 pilote répondant à des signaux d'actionnement en commutant les dits dispositifs de coupure pour produire la dite tension de sortie alternative, par une source fournissant une tension alternative de référence d'amplitude et de fréquence prédéterminées et par un circuit de commande ayant une première et une deuxième entrée ainsi qu'une sortie reliée au dit circuit pilote, la dite tension alter-10 native de référence étant appliquée à la dite première entrée et la dite tension alternative de sortie étant appliquée à la dite deuxième entrée, le dit circuit de commande produisant les signaux d'actionnement pour le circuit pilote suite à des écarts de la dite tension alternative de sortie dépassant des limites posi tive et négative prédéterminées par rapport à la dite tension alternative de ré~ 15 férence, le dit circuit pilote répondant aux dits signaux d'actionnements en commutant les dits dispositifs de coupure de puissance de manière à maintenir l'onde de la tension alternative de sortie à l'intérieur des dites limites positive et négative prédéterminées pour produire une forme d'onde de tension alternative de sortie qui soit pratiquement une copie de la dite tension alternative de réf é 20 rence. 2. Onduleur de puissance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend un circuit comparateur ayant un circuit d'entrée et une sortie, la dite tension alternative de référence et la dite tension alternative de sortie étant fournies au dit circuit d'entrée, le dit circuit compara- 25 teur produisant un signal de sortie répondant à des écarts de l'amplitude de la dite tension alternative de sortie par rapport à, la dite tension alternative de référence, et un circuit feedback couplé entre la sortie du dit comparateur et le circuit d'entrée pour fournir une partie du signal de sortie du circuit comparateur au circuit d'entrée, la quantité du signal de sortie fournie par le cir-30 cuit feedback au circuit d'entrée agissant pour déterminer les limites positive et négative relatives à la dite tension alternative de référence, et établissant surtout une bande de délimitation autour de la tension alternative de référence dans laquelle la tension alternative de sortie peut varier sans déclencher un signal de sortie du comparateur. 35 3. Onduleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend un circuit logique couplant la sortie du circuit comparateur et le dit circuit pilote, le dit circuit logique détectant la polarité de l'écart et produisant des signaux d'actionnement du circuit pilote qui compense cet écart en commutant le dispositif de coupure de manière à ramener l'onde de la 1+0 tension alternative de sortie dans les dites limites prédéterminées, le 71 06390 8 2081048 fonctionnement du dit circuit logique étant le même sauf en ce qui concerne la polarité de la tension alternative de sortie. 4. Onduleur suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dit circuit d'entrée comprend un circuit différentiateur raccordé entre la sor- 5 tie de l'onduleur et le dit circuit comparateur, le dit circuit différentiateur agissant pour augmenter la sensibilité du circuit comparateur jusqu'au rythme de changement de la forme d'onde de la tension alternative de sortie. 5. Onduleur suivant l'une des revendications 2, 3 ou U, caractérisé en ce que le circuit feedback comprend un circuit pour bloquer réellement toute tension 10 continue moyenne se trouvant dans le signal de sortie du circuit comparateur. 6. Onduleur suivant l'une des revendications 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les limites prédéterminées établies par le circuit feedback produit un intervalle de temps entre la commutation des dits dispositifs de coupure. Onduleur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'intervalle de 15 temps est suffisant pour pouvoir faire fonctionner les dits dispositifs de coupure en régime de saturation. 8. Onduleur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un moyen de filtrage est raccordé à la sortie de. l'onduleur, le dit moyen de filtrage comprenant une bobine d'arrêt du type suivant lequel l'inductance est 20 réduite pcurla fréquence fondamentale du courant de sortie de l'onduleur, 9. Onduleur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dit étage de puissance comprend une source de tension continue ayant une première et une deuxième borne, un étage de puissance à prise médiane comprenant 25 un premier et un deuxième dispositif de coupure, un transformateur comprenant un enroulement d'entrée ayant une borne de prise médiane et un enroulement de sorties la dite borne de prise médiane étant raccordée à la dite première borne de la dite source de tension continue, une bobine d'arrêt d*"André" ayant un premier et un deuxième bobinage, le dit premier bobinage couplant le dit premier dispo-30 sitif de coupure entre la dite seconde borne de la dite source de tension continue et une extrémité du dit enroulement d'entrée, le dit second bobinage couplant le dit second dispositif de coupure entre la dite seconde borne de la dite source de tension continue de l'autre extrémité du dit enroulement d'entrée, et un moyen de filtrage capacitif raccordé entre la prise médiane et les extrémités 35 du dit enroulement d'entrée. 10. Onduleur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la bobine d' "André" est line bobine d'arrêt à haute fréquence qui est bobinée avec un conducteur bifilaire Litzen. 11. Onduleur suivant l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que la UO dite bobine d'"André" est du type suivant lequel l'inductance est réduite par le 71 06390 9 2081048 courant de sortie de l'onduleur à fréquence fondamentale. 12. Onduleur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dite source de tension alternative de référence fournit une tension de référence sinusoïdale correspondant en amplitude et en fréquence à la tension alternative de sortie désirée, la dite tension de référence sinusoïdale étant pratiquement sans composantes continues.