Brevet FR2079214A1 — publié le 19711112

- 1 - 2079214 L'invention concerne un convertisseur à circuit oscillant comprenant un montage en pont formé d'au moins quatre consnutateurs commandés à caractéristique de redresseur et dont la première diagonale comporte un condensateur et une bobine en série, une source de tension constante étant branchée sur la seconde diagonale, deux conœrutateurs opposés du pont ayant le même sens passant et une diode étant montée en antiparallèle sur au moins deux commutateurs. Le circuit oscillant oscille librement selon le mode et l'état de commutation du convertisseur et il prélève de l'énergie sur la source de tension ou lui en restitue. Le convertisseur à circuit oscillant est utilisé soit dans des dispositifs de chauffage de matière par induction, soit comme redresseur ; lorsqu'il est utilisé comme redresseur, la charge couplée sur le condensateur du circuit oscillant amortit ce dernier. Les eojnautateurs peuvent être des thyristors. Un convertisseur connu à convertisseur oscillant du type mentionné comporte deux diodes et quatre thyristors et chacune des deux diodes est nontée en antiparallèle sur l'un des deux thyristors montés en série dans le pont. lin autre convertisseur connu à circuit oscillant comporte quatre diodes et quatre thyristors, une diode étant montée en antiparallèle sur chaque thyristor. Les diodes de ces deux convertisseurs sont calculées pour le courant nominal du circuit oscillant. d'une fraction On apport d'énergie d'une durée arbitraire/de la demi-période permet d'obtenir de ces convertisseurs une tension alternative sinusoïdale d'amplitude constante. L'un des groupes de deux thyristors à même sens passant devient bloquant après chaque passage par zéro du courant du circuit oséillant. Ensuite, le courant du circuit oscillant du premier de ces convertisseurs connus reste nul. XL en résulte une discontinuité de potentiel de part et d'autre du seuil de la tension du condensateur du circuit oscillant à l'extrémité correspondante du pont. Il est possible d'en prélever un signal de commande pour le thyristor de l'autre paire devant ensuite être déclenché, ce signal déclenchant une oscillation libre par l'intermédiaire de ce thyristor et de la diode correspondante. Les deux diodes auxiliaires du second convertisseur connu empêchent ces discontinuités de potentiel de se former, car elles permettent à l'oscillation de retourner vers la source immédiatement après le passage par zéro du courant. Ainsi, la tension de blocage apparaissant sur les thyristors est considérablement moins forte que celle du premier convertisseur 71 03484 - 2 - 2079214 connu. Par ailleurs, il se produit une alimentation en retour d'énergie au lieu de l'oscillation libre. Une charge du convertisseur en'composantes réactives modifie la fréquence qui, cependant, doit être constante dans de nombreuses applications . L'invention est destinée à éviter les inconvénients des convertisseurs connus à circuit oscillant et, en particulier, à limiter les discontinuités ou transitoires de potentiel et à en dériver par conversion des impulsions de commande de deux thyristors du pont. Par ailleurs, les durées de déblocage des transistors utilisés le cas échéant doivent être faibles. De plus, la fréquence du convertisseur doit être maintenue constante de manière simple. Selon une particularité essentielle de l'invention, les extrémités de la première diagonale comportant le montage en série du circuit oscillant sont connectées individuellement à la première extrémité et/ou à la seconde extrémité de la seconde diagonale par des combinaisons de composants linéaires et non linéaires. Les composants peuvent être des résistances, des condensateurs, des diodes, des limiteurs de tension, etc. Les deux extrémités de la première diagonale sont connectées, de préférence, à la première extrémité de la seconde diagonale par un condensateur et une résistance en série. Selon une variante avantageuse de réalisation, chacune des extrémités de la première diagonale est connectée à la seconde extrémité de la seconde diagonale par une résistance et une diode en série, le sens passant de la diode étant dirigé de la seconde extrémité à l'extrémité correspondante de première diagonale. Selon une autre variante de réalisation, une diode et une résistance en série connectent chaque extrémité de la première diagonale à la seconde extrémité de la seconde diagonale- , un condensateur et une résistance en série étant montés entre la connexion de la diode et de la résistance et la première extrémité de la seconde diagonale et l'anode de la diode étant reliée à. cette connexion. Les discontinuités ou transitoires des différents modes de réalisation sont limitées et converties de manière que les courbes de potentiel pemettent de prélever avec sécurité dans chaque cas, sur les extrémités des diagonales du circuit oscillant, un signal de commande des redresseurs sur lesquels le courant de transfert de charge provenant de la combinaison desdits composants doit être commuté, c'est-à-dire des redresseurs qui doivent être les premiers à être redécleriehés après le desamorçage d'une paire de redresseurs lors du passage par zéro du courant du circuit 71 03484 - 3 - 2079214 oscillant. Ce déclenchement ou amorçage ayant lieu à faible courant de la demi-période suivante et les éléments n'étant donc chargés que brièvement à faible intensité, les éléments du circuit auxiliaire peuvent être très petits. Les particularités des thyristors permettent de réaliser le circuit auxiliaire de manière que les tensions négatives de blocage soient suffisamment grandes pendant la durée de la discontinuité de potentiel pour que la durée de déblocage soit faible, de manière certaine. Le premier mode avantageux de réalisation ne fait apparaître aucune alimentation en retour d'énergie. Le second mode de réalisation fait apparaître une alimentation en retour extrêmement faible, comparée au second convertisseur connu mentionné, un condensateur monté en parallèle sur la source pouvant, par exemple, absorber cette alimentation en retour. Le troisième mode de réalisation de convertisseur selon l'invention fonctionne parfaitement bien lorsque la source de tension n'autorise aucune alimentation en retour d'énergie. Aucun intervalle pendant lequel le courant a une valeur nulle n'apparaît dans aucun des convertisseurs de l'invention après le passage du courant par zéro. L'inductance du circuit oscillant et une inductance auxiliaire sont montées en série pour la commande de la fréquence du dispositif de l'invention, l'inductance auxiliaire ne pouvant être court-circuitée que par deux redresseurs antiparallèles, de manière que la durée d'une demi-période du courant du circuit oscillant soit variable. Le convertisseur peut se synchroniser sur les signaux de commande d'un générateur d'impulsions . IL peut aussi être avantageux que les bobines soient montées en parallèle. Par ailleurs, conformément à l'invention, lorsque la charge est couplée par l'intermédiaire d'un transformateur, un condensateur peut être inséré dans le conducteur d'arrivée à ce dernier, afin qu'une composante continue du courant primaire ne puisse pas l'amener à saturation. Cette composante peut être provoquée par des asymétries du montage ou par une attaque irrégulière des commutateurs électroniques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés illustrant plusieurs modes de réalisation donnés à titre explicatif, mais nullement limitatif. Sur ces dessins, la figure 1 est un schéma d'un premier convertisseur conforme à l'invention ; 71 03484 - ^ - 2079214 les figures 2a à 21 représentent les courbes de tension et de courant passant par les différents composants du convertisseur de la figuur 1 la figure 3 est un schéma d'un second convertisseur selon l'invention ; la figure k est un schéma d'un troisième convertisseur selon l'invention réalisé pour commander une fréquence ; la figure 5 représente les courbes des courants commandés et non commandés du circuit oscillant du convertisseur de la figure 4 ; et la figure 6 est un s châtia synop tiqu® d'un dispositif incorporant un convertisseur selon l'invention. Le convertisseur à circuit oscillant de la figure 1 comprend un montage en pont formé de quatre commutateurs électroniques i, 2, 3 et 4. Une tension continue Ug appliquée à l'une des diagonales C-D du pûnt peut être prélevée en particulier sur une batterie ; l'extrémité C est connectée au pôle positif et l'extrémité D est connectée au pôle négatif de la source de tension continue. Un circuit oscillant formé d'une bobine 5 d'inductance Lg et d'un condensateur 6 de capacité Cg en série est monté entre les extrémités A et B de l'autre diagonale (de la première). Les quatre thyristors 1, 2, 3 et 4 formant les commutateurs sont disposés de manière que le courant puisse suivre les circuits 1-5-6-2 et 3-6-5-4 lorsque les groupes correspondants de deux thyristors 1,2 ou 3, 4 sont amorcés. Une diode 7 en parallèle sur un condensateur 8 et une résistance 9 en série connecte avec ces derniers les extrémités A et C de la diagonale du pont entre lesquelles le thyristor 1 est monté de manière à laisser passer le courant de C à A. Les polarités de la diode 7 et du thyristor 1 sont inverses. Une diode 10 en parallèle sur un condensateur 11 et une résistance 12 en série connecte avec ces derniers les extrémités B et C de la diagonale du pont entre lesquelles le thyristor 3 est monté de manière à laisser passer le courant de C vers B. Les polarités de la diode 11 et du thyristor 3 sont inverses. Les thyristors 1 et 3 sont montés en série dans le pont, de manière que leurs polarités soient inverses. Le convertisseur à circuit oscillant de l'invention fonctionne de la manière suivante î La bobine 5 de ce mode de réalisation est celle de chauffage d'un dispositif de chauffage de matières par induction. Un tel dispositif ne peut fonctionner avantageusement qu'avec un courant alternatif, dont la fréquence est supérieure à celle du réseau. Parfois, un courant alternatif de fréquence élevée est même nécessaire. Le dégagement de chaleur amortit le circuit oscillant en série 5» 6. On admet que l'amorçage 71 03484 - 5 - 2079214 des thyristors 1 et 2 met en service le convertisseur à circuit oscillant, des signaux de commande produits par un appareil non représenté sur la figure 1 étant appliqués aux électrodes correspondantes de commande. On remarque, d'après la figure 2a,que le courant i^ du circuit oscillant 5 suivant le trajet 1-5-6-2 devient nul à la fin du temps t^ de la première demi-période. Au moment du passage par zéro, les thyristors 1 et 2 sont désamorcés (voir figures 2b et 2g), de sorte que le circuit de courant 1-5-6-2 est bloqué. L'autre trajet de courant 3-6-5-4 ne peut pas Stre immédiatement 10 ouvert, car les thyristors 1 et 2 venant d'être désamorcés ne peuvent pas absorber directement une grande tension positive de blocage qu'ils recevraient lors de l'amorçage des thyristors 3 et 4. H faut maintenir la durée de déblocage des thyristors afin d'empêcher un réamorçage. D'après la figure 2a, le condensateur du circuit oscillant se 15 charge à la tension u6may, cette tension étant supérieure à Ug. D'après la figure 1, ce condensateur subit une inversion de charge par 1*intermédiaire de la bobine 5» de la diode 7j de la résistance 12, du condensateur 11. Le courant i^ d'inversion de charge (figure 2e) a le sens indiqué sur la figure 1. 20 "Immédiatement après le passage du courant par zéro, les thyris tors désamorcés ne sont qu'à des tensions de blocage qui sont incapables de provoquer un réamorçage, de la manière représentée d'après la courbe des potentiels des points A et B représentées enpointillé et en ligne brisée sur la figure 2a. 25 La charge par le circuit 5-7-12-11 ne dure que jusqu'à l'ins tant tg auquel le thyristor 3 est amorcé. La différence t^ - t^ est sensiblement égale à la durée de déblocage des thyristors utilisés. Le signal de commande ou d'amorçage du thyristor 3 est prélevé sur le potentiel négatif apparaissant au point B. La valeur de cette tension négative à l'ins-30 tant tg est notablement inférieure à celle qui apparaît dans le premier convertisseur connu mentionné plus haut et dans lequel l'inversion de charge n'a lieu qu'après l'allumage du thyristor 3 5 la tension pouvait prendre la grande valeur u 5 - % dans ce cas connu. Au moment de l'amorçage du thyristor 3» le courant du circuit 35 oscillant commite du montage en série 11, 12 sur le thyristor 3- Le circuit oscillant (L, C) a donc la possibilité d'osciller librement par l'intermédiaire du thyristor 3 et de la diode 7» comme le montrent les courbes de i^(figure 2d) et de ir, (fig« 2h). L'oscillation libre étant amortie, le circuit oscillant doit 40 recevoir de l'énergie. Dans ce but, un signal provenant de l'appareil de 71 03484 - 6 - 2079214 commande amorce le thyristor 4 à l'instant t^ qui précède la fin de la première derai-période négative du courant i^ du circuit oscillant ; le potentiel au point A passe de Ug à zéro. A partir de cet instant t^, le courant du circuit oscillant circule pendant la durée de t^ - t^ le long du circuit 3-6-5-4 par l'intermédiaire de la source de tension (voir figure 2f). Les thyristors 3 et 4 cessent d'être passant lors du passage par zéro du courant du circuit oscillant (voir figures 2e et 2f). Le condensateur 6 est chargé à l'instant t^ à une polarité différente de celle à laquelle il l'est à l'instant t^ ; après le blocage des redresseurs 3 et 4, le condensateur 6 subit une inversion de charge par le courant i^ passant par le circuit 10, 9j 8, 5 et un potentiel négatif apparaît au point A. La charge par ce circuit dure jusqu'à l'instant t^ auquel le thyristor 1 est amorcé. Le signal correspondant de commande est prélevé de manière analogue sur la tension négative au point A (voir figures 2a et 2c). Après 1 ^amorçage du redresseur 1, le courant du circuit oscillant commute du montage en série 8, 9 sur le thyristor 1. Le circuit oscillant peut ainsi osciller librement par l'intermédiaire du thyristor 1 et de la diode 10 (voir figures 2b et 2c). Le thyristor 2 est amorcé à un instant tg qui précède l'instant t^ et donc la fin de la seconde demi-période positive de iij, de sorte que ce courant i^ circule par le circuit 1-5-6-2 et la source de tension et donc que le circuit oscillant reçoit de l'énergie (voir figure 2g). Un courant de charge i^g circule à nouveau après l'instant t^ et le point B redevient négatif (voir figure 2e). L'importance de l'amorçage détermine les instants t^ et tg des signaux d'amorçage déclenchant l'absorption d'énergie, ces instants étant réglés en fonction de la comparaison des puissances de consigne et réelle. Les courbes de i^ et de i^ des figures 2c et 2e montrent clairement que les résistances 9 et 12n'ont pas à être calculées pour le courant total du circuit oscillant. Une résistance 13 et une diode 14 sont montées en série entre les points A et D du mode de réalisation de la figure 3> le sens passant étant celui de D à A. Une résistance 15 et une diode 16 sont montées en série entre les points B et D, le sens passant étant celui de D à B. Les mêmes composants des figures 1 et 3 portent les mêmes références . Le condensateur 6 peut subir, dans ce cas, une inversion de charge par le circuit 15-16-6-5-7 lorsque les thyristors 1 et 2 sont bloqués ou par le circuit 13-14»-5-6-10 lorsque les thyristors 3 et 4 sont bloqués. Les deux circuits ne pouvant .se fermer que par la source de tension, un faible reflux d'énergie est possible dans ce mode de réalisation. Si le 71 03484 2079214 reflux d'énergie dans la source de tension continu» n'est pas possible, cette énergie peut être absorbée par un condensateur connectant les deux pôles de la source. Dans ce montage également, les thyristors sont a des tensions négatives de blocage qui suivent immédiatement le désamorçage et qui maintiennent les durées de déblocage à une faible valeur. Les éléments 1 amateur s 13, 1^ et 15, 16 peuvent n'être calculés que pour de faibles courants. Les explications données en regard des figures 1 et 2a à 2i sont valables de manière analogue. L'inversion de charge du condensateur 6 se passe pratiquement de la mlrae manière pour les modes de réalisation des figures k et 1 si les composants 8, 9, 11 et 12 sont les mêmes. Les courbes de tension aux bornes des condensateurs 8 et 11 sont les mêmes après le passage par zéro du courant du circuit oscillant. Le mode différent de fonctionnement n'apparaît qu'au moment de l'attaque svdvante des éléments 1 ou 3 de commutation. Ceci apparaît à 1'exemple du condensateur 8 qui, dans le montage de la figure 1, se décharge complètement pendant le temps tg-tg Par circuit 8-9-3-6-5. Par contre, dans le mode de réalisation de la figure 4, la décharge n'a lieu que jusqu'à la tension de la source Ug. Pour un même mode de fonctionnement, la décharge incomplète a pour conséquence une diminution dés pertes totales du circuit auxiliaire. Le courant de décharge du condensateur 8 circule par les résistances 9 et 13 et par la source Ugj lorsque celle-ci l'autorise. Si, par contre, cette source n'autorise pas une telle alimentation en retour, la décharge ne débute qu'au moment de l'attaque de l'élément 2 de commutation. La bobine 5 du mode de réalisation de la figure k n'est pas t destinée à un chauffage par induction ; une charge 18, qui est couplée en parallèle sur le condensateur 6 du circuit oscillant par l'intermédiaire d'un transformateur 19 et d'un condensateur 20 de couplage prélève de l'énergie sur le circuit oscillant. La charge 18 n'a pas à être une charge 18a purement active, mais peut comporter une composante réactive, inducti-ve 18b et/ou capacitive 18c. Le transformateur 19 est destiné à l'adaptation du circuit oscillant à l'appareil utilisateur ; la raison du condensateur 20 de couplage sera expliquée plus bas. Les composantes réactives 18b et 18c de la charge 18 désaccordent la fréquence du circuit oscillant. Une bobine auxiliaire 21, sur laquelle deux thyristors 22 et 23 sont montés en antiparallèle, est montée en série sur la bobine 5 afin de permettre à la fréquence de rester constante. Cette commande de la fréquence est décrite en regard de la figure 5. Un signal de commande attaquant la gâchette des thyristors 22 et 71 03484 - 8 - 2079214 23' à l'instant t^ provoque l'amorçage du thyristor 22, la bobine 21 étant ainsi court-eircuitée. Donc, l'inductance du circuit oscillant diminue, c ' est-à-dire que les dérivées par rapport au temps du courant (i^) et de la tension du circuit oscillant augmentent et, en conséquence, la durée de la demi-période diminue. Le thyristor 22 cesse à nouveau d'être conducteur à l'instant tg auquel le courant i du circuit oscillant atteint la même valeur qu'à l'instant t^. Le courant suit la courbe i^. La différence des instants auxquels le courant i^ et le courant i^yiont la fréquence n'aurait pas été commandée,passent par zéro est clairement visible sur la figure 5- Si les redresseurs 22 et 23 sont attaqués au même rythme et au même instant, le circuit oscillant se synchronise de lui-même sur les signaux de commande, à condition que ceux-ci soient dans la plage correspondante de fréquence. XL est également possible de monter des bobines 5 et 21 en parallèle. Les faibles disymétries du pont,provoquées par des composants dissemblables ou une attaque irrégulière des thyristors,ayant pour conséquence une composante continue de la tension u^, un condensateur 20 est monté dans le conducteur d'arrivée au transformateur 19 afin que la composante continue du courant primaire ne puisse pas saturer les tôles 19a ; il pourrait très facilement en résulter des perturbations, car la composante en courant continu provoque une asymétrie marquée du pont. Le condensateur 20 de couplage peut être calculé de manière à éviter que le circuit oscillant ne cesse d'osciller, non seulement en cas de court-circuit, mais également en cas de surcharge. La figure 6 est un schéma synoptique d'un dispositif incorporant un convertisseur 24 selon l'invention. De l'énergie prélevée sur une source 25 de tension continue est convertie et dirigée sur une charge 18. La tension réélle dirigée sur la charge est comparée à la tension de consigne dans un régulateur 26a ; un signal de réglage correspondant à la différence est injecté dans un appareil 26 de commande. Une horloge 27 est également couplée à l'appareil 26 de commande. Un limiteur 28 de courant empêchant toute surcharge du convertisseur est égalaient branché sur le dispositif 26 de commande. Les dispositifs décrits conviennent, en particulier, à l'alimentation d'appareils électroniques,dont la tension de sortie doit être purement sinusoïdale et doit avoir une amplitude constante et un faible V taux de distorsion. Le mode nouveau et surprenant de fonctionnement du dispositif de l'invention se caractérise par : 1) Une faible charge de tension des redresseurs. Ceux-ci ne subissent sensiblement que la tension Ug de la source et non pas celle du 71 03484 - 9 - 2079214 circuit oscillant, qui est un multiple de celle de cette source. 2) L'absence d'alimentation en retour de la source Ug. 3) L'élimination de l'intervalle d'interruption entre les demi-périodes d'oscillation. 4) Les conditions favorables offertes par l'instant de déblocage des thyristors. H va de soi que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes, sans sortir de son cadre. 71 03484 2079214 REVEHD3SATIQMS 1. Convertisseur à circuit oscillant comprenant m pont formé d'au moins quatre commutateurs commandés à caractéristique de redresseur et dont la première diagonale comporte un condensateur et une bobine en série, une source de tension constante étant branchée sur la seconde diagonale, chaque groupe de deux commutateurs opposés du pont ayant le moue sens passant et une diode étant montée en antiparallèle sur au moins deux commutateurs électroniques, ledit convertisseur étant caractérisé en ce que des composants linéaires et/ou non linéaires relient individuellement les extrémités de la première diagonale comportant le montage en série à la première extrémité et/ou à la seconde extrsnité de la seconde diagonale. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un condensateur et une résistance en séria relient chacune des deux extrémités de la première diagonale à la première extrémité de la seconde. 3. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des extrémités de la première diagonale est reliée par une résistance et une diode en série à la seconde extrânité de la seconde diagonale, le sens passant de la diode étant dirigé de cette seconde extrémité à l'extrémité correspondante de la première diagonale. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une diode et une résistance en série relient chaque extrémité de la première diagonale à la seconde extrémité de la seconde, un condensateur et une résistance en série étant montés entre la connexion de la diode et et de la résistance et la première extrânité de la seconde diagonale et l'anode de la diode étant reliée à cette connexion. 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à caractérisé en ce que la bobine du circuit oscillant .et une bobine auxiliaire sont montées en série ou en parallèle, deux conrautateurs en antiparallèle et à caractéristique de redresseur étant capables de court-circuiter ou de brancher la bobine auxiliaire. 6. Convertisseur selon la revendication 5* caractérisé en ce que les électrodes de commande desdits deux commutateurs électroniques en antiparallèle sont attaquées simultanément. 7. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6> caractérisé en ce que, lorsqu'une charge est couplée par ^intermédiaire d'un transformateur, un condensateur de couplage est inséré dans le conducteur d'arrivée au transformateur.