Brevet FR2081858A1 — publié le 19711210

■i- 2081853 La présente invention se rapporte en général à un appareil destiné à convertir la puissance courant continu en un« puissance courant alternatif sinusoïdale à faible distorsion, par la compilation de formes d'ondes de tension de sortie d'un 5 certain nombre d'onduleurs à circuits intégrés à onde carrée, et se rapporte plus particulièrement à un procédé et à un appareil pour la neutralisation des composantes harmoniques des ondes de tension de sortie des onduleurs individuels. Un dispositif fondamental assurant la neutralisation 10 des harmoniques des onduleurs ast décrit dans le Brevet Etats-Unis 3 491 282 aux noms de T«M. Heinrich et A. Kernick, accordé le 20 Janvier 1970, et concédé à la Société Demanderesse. Le dispositif Heinrich-Kernick consiste à synthétiser une forme d*onde de sortie sinusoïdale approchée par échelons 15 en ajoutant les sorties d'un certain nombre dêétages onduleurs à onde carrée, qui sont successivement déphasées mutuellement de radians 7T/K, expression dans laquelle K est le nombre d*é-tages onduleurs à onde carrée. L*addition est effectuée par la connexion en série des enroulements secondaires des trans-20 formateurs d'isolement associés à chaque étage onduleur à onde carrée. Cette technique produit une forme d'onde de tension finale de sortie dans laquelle seuls les harmoniques de 1*ordre 2nK-l (dans laquelle n = 1, 2, 3, tous nombres entiers positifs) 25 sont présents. Cette technique réduit donc appréciablement la nécessité de circuits de filtrage lourds et coûteux généralement requis pour réduire la teneur en harmoniques des transformateurs de sortie classiques des onduleurs. Ce dispositif présente toutefois un inconvénient du 30 fait que, afin d'obtenir une forme d*onde de sortie triphasée dont les harmoniques sont neutralisés, chaque étage onduleur exige généralement un transformateur de sortie pourvu de trois enroulements secondaires isolés, un pour chaque phase de sortie. Cette nécessité conduit à une augmentation de la caractéristi-35 que kVA par unité des transformateurs par rapport à ceux utilisés dans un onduleur classique a onde carrée. Typiquement, la caractéristique kVA effective des enroulements de transformateur 08498 -2- 2081858 requis dans le dispositif Heinrich-Kernick est de 2,86 unités de puissance de sortie pour K = 3, et environ 2,80 pour k = 6. Ceci correspond à une caractéristique effective de sortie de transformateur de 2,46 unités de puissance de sortie pour l'onduleur classique à onde carrée. Par suite, les économies appréciables de poids et de prix du filtre de sortie assurées par l'onduleur à harmoniques neutralisés de Heinrich et Kernick sont partiellement contrebalancées par l'augmentation indésirable de la caractéristique des transformateurs. L'invention consiste en un dispositif d'interconnexion des transformateurs associés à chaque étage onduleur d'un certain nombre de ces étages constituant un appareil de conversion de puissance courant continu, dans un agencement en chaîne ou en cascade, contrairement à l'agencement en série décrit dans le Brevet- Etats-Unis 3 491 282. Ce dispositif qui utilise -des transformateurs entre phases conduit à des réductions supérieures à 50 % des caractéristiques des transformateurs. L'invention ressortira mieux de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple en référence aux dessins annexés sur lesquels r La Figure 1 est une illustration schématique d'un ondu leur composé de K étages. Les Figures 2 et 3 sont des illustrations de la technique antérieure de neutralisation des harmoniques: utilisée avec l'onduleur de la Figure 1. La Figure 4 est une illustration schématique d'un nouvel agencement pour l'ihterconnexion des étages de l'onduleur de la Figure 1. La Figure 5 représente un graphique de synchroniseur d'un onduleur triphasé réalisé selon l'invention. Les Figures 6 et 7 sont des représentations de synchro niseurs des tensions de sortie d'un groupe d'étages constituant l'onduleur de la Figure 1. La Figure 8 est une illustration d'un agencement synchroniseur correspondant à une autre forme d'onduleur réalisé selon l'invention. 71 08498 -3- 2081858 La Figure 9 est une illustration schématique du modèle d'interconnexion des étages onduleurs afin d'assurer une relation de synchroniseur de la Figure 8. La Figure 10 illustre un enroulement tertiaire utilisé 5 avec la sortie triphasée de l'onduleur pour produire des tensions de lignes à neutre courant alternatif dont les harmoniques sont neutralisés. La Figure 11 illustre les formes d'ondes correspondant au fonctionnement de l'onduleur utilisant l'enroulement tertiaire 10 de sortie. En référence à la Figure 1, le circuit onduleur 10 sché-matiquement représenté comprend un certain nombre d'étages unipolaires A, B ... K. L'onduleur unipolaire se caractérise par deux éléments interrupteurs, par exemple Al et A2, au lieu des 15 quatre interrupteurs utilisés dans les circuits onduleurs en pont complet. Bien que les onduleurs unipolaires aient été choisis aux fins de la description de l'invention, naturellement un circuit onduleur constitué d'un certain nombre de ponts monophasés ou de ponts triphasés pourraient également convenir. Chaque étage ondu-20 leur fonctionne comme un générateur d'onde carrée en produisant une forme d'onde de tension de sortie carrée par rapport au neutre • courant continu, chacune ayant la mime valeur mais un angle de phase différent. La Figure 2 représente un agencement de la technique 25 antérieure de connexion des transformateurs de sortie d'étages TA, TB, TC ...TK, correspondant aux principes du susdit brevet. Les enroulements secondaires des transformateurs TA à TK sont connectés en série pour synthétiser une forme d'onde de sortie sinusoïdale approchée par échelons, exempte d'harmoniques 30 d'ordre inférieur ainsi que représenté à la Figure 3, en additionnant les sorties des K étages onduleurs à onde carrée qui sont successivement déphaséês entre elles de *7/ /K radians. Selon cette technique, le développement de la forme d'onde de sortie sinusoïdale multiphasée dont les harmoniques sont neutralisés exige que 35 chaque étage onduleur ait un transformateur de sortie pourvu d'un enroulement secondaire distinct pour chaque phase de sortie. Chaque enroulement secondaire a les proportions voulues 71 08498 -4- 2081858 pour produire une tension selon l'équation suivante ; 5 Mkx = K y~?~ cos ~ ^ Dans laquelle : Mrx = Valeur de l'onde carrée de contribution du générateur d'onde carrée, K, à la tension de phase de sortie, X. Vjjms = Valeur efficace désirée de la composante fondamenta-10 le de la tension de phase X. K = Nombre de générateurs d'onde carrée = Déphasage de générateur d'onde carrée K, et 6^ = Déphasage de la tension de phase X. Si l'on suppose que la tension de phase X est la réfé-15 rence (6^ =0), la valeur de contribution de chaque générateur d'onde carrée sera proportionnelle au cosinus de son déphasage angulaire, ainsi que le montre la Figure 2• La nécessité de transformateurs avec enroulements secondaires distincts pour chaque phase de sortie exige l'utilisation 20 de transformateurs présentant des caractéristiques kVA indésira-blement élevées. Selon l'exposé ci-dessus, un type de caractéristique kVA par unité de- puissance de sortie pour un circuit onduleur triphasé utilisant la technique antérieure pour le développement des formes d'ondes sinusoïdales dont les harmoniques sont 25 neutralisés est de 2,86 par rapport aux dispositifs onduleurs classiques dont les caractéristiques de transformateurs sont de 2,46. La catactéristique kVA de la technique antérieure représente des transformateurs plus gros et plus lourds par rapport à ceux des circuits onduleurs classiques, et par suite rend la tech-30 nique antérieure de production des formes d'ondes sinusoïdales à harmoniques neutralisés moins attrayante pour les applications aux dispositifs de puissance des avions et des astronefs. L'invention consiste en une technique pour l'interconnexion des transformateurs de sortie des étages d'un circuit on-35 duleur, en un agencement série-parallèle en cascade au lieu de l'agencement en série de la technique antérieure, et ce faisant effectue une réduction pouvant atteindre jusqu'à 59 % de la carac 71 08498 -5- 2081858 téristique requise des transformateurs. La technique d'interconnexion en cascade des transformateurs est schématiquement représentée dans une forme illustrative de réalisation de circuit onduleur à la Figure 4. Le modèle pyramidal de transformateurs 5 produit par ce type d'interconnexion est désigné ci-après par les termes agencement d'interconnexion en cascade. Les sorties des prises centrales des transformateurs de sortie respectifs des étages onduleurs sont préalablement réglées pour établir la valeur désirée de signal de tension de 10 sortie à l'angle de phase correct, et les divers transformateurs de sortie associés à chaque phase d'onduleur sont interconnectés selon un agencement en cascade pour développer une forme d'onde de tension de sortie sinusoïdale dont les harmoniques sont neutralisés. 15 La Figure 4 représente.schématiquement un circuit ondu leur 20 à dix-huit pôles, présentant des sorties d'étages A, B, C, ... R, (dans lequel R = 2K, et K = 9, en ce qui concerne cet exemple particulier), par rapport au neutre N. L'interconnexion des sorties d'étages A à H, par l'agencement en cascade des 20 transformateurs entre phases îEl à T7 correspond à une phase du circuit onduleur 20, et conduit au développement d'une forme d'onde de tension sinusoïdale à harmoniques neutralisés ainsi que représenté par la forme d'onde B de la Figure 3. Deux groupements similaires d'étages onduleurs G à N et M à B, produisent 25 les deux autres tensions sinusoïdales de sortie de phases Ey^ et E-^, respectivement. Ainsi qu'il ressort du schéma de la Figure 4, la nouvelle technique d'interconnexion des transformateurs de sortie selon un agencement en cascade utilise des transformateurs entre phases au lieu des transformateurs classiques d'isolement 30 utilisés dans la technique antérieure. En cours de fonctionnement, le transformateur entre phase II,connecté entre les sorties A et B d'étages onduleurs, développe une tension de sortie entre la prise B* et le neutre N, qui est proportionnelle à la somme vectorielle des tensions appa-35 raissant aux sorties d'étages A et B pondérées par le cosinus de leurs angles de phase respectifs par rapport à la sortie Ejgsj» ou a la phase de référence. Pour obtenir la proportion désirée entre 71 08498 -6- 2081858 les sorties d'étages onduleurs en A et B, le rapport de tours des sections de transformateur entre A et B1, et B et B* doit être correctement choisi pour pondérer la sortie d'étage du cosinus de son déphasage angulaire par rapport à la tension de sortie de phase EXN* La position des prises sur les transformateurs Tl, T2 et T3 est donnée par les expressions : A - B" cos ®B A - B cos ©^ + êçs ©g 10 B'- C' cos 6C B1- C cos ©^ + cos ©g * cos ©q Çî- D' cos 6D C'- D cos ©^ + cos ©g + cos ©ç + cos ©^ dans lesquelles A-B' indique le nombre de tours du transformateur 15 Tl entre les points A et B* de la Figure 4, A - B est le nombre total de tours entre les points A et B, et A-B* est le rapport A-B de tours du transformateur qui détermine la position de la prise B». 20 Les angles ©^, ©gt etc., sont les déphasages angulaires des étages de puissance d'onduleur A, B, etc., définis par la Figure 2. Les positions des prises sur les transformateurs T4, T5 et T6 sont également données par les expressions s 25 H - G« cos Qr> H - G _ COS ©Q + COS ©JJ G' - F» COS ©p G» - F ~ COS ©p + COS ©Q + COS ©JJ F« - E* COS ©g 30 F' - E cos ©g + cos ©p + cos ©q + cos ©pj La position de la prise sur T7 est donnée par l'expression : 71 08498 -ïï- 2081858 _ yr cos 6g + COS 9p + COS 0Q + COS ©j H D* - E* cos ©A + cos ©n + cos ©^ + cos ©„ + cos ©^ + cos ©,-. + i vvc Q vvw vq » VVW Vjj T uv v Cg » vv O p COS ©Q + COS ©£J 5 D'un choix correct du rapport de tours des transforma teurs Tl à T7, il s'ensuit que le groupe en cascade de ces derniers donne à la prise X du transformateur T7 une forme d'onde de tension de sortie Ev», . . ,. ,, » . jCN qui est proportionnelle a la somme vec- 10 torielle des tensions de sortie des étages onduleurs A à H, chaque tension de sortie d'étage étant pondérée par le cosinus de son angle de phase respectif. Selon les principes de l'invention en référence de Heinrich et Kernick, les harmoniques de la tension j. ]=XN sont de l'ordre 18n -1 et tous les harmoniques jusqu'à et y 15 compris le quinzième sont annulés. Selon le précédent exposé, la neutralisation des harmoniques de la forme d'onde E^ a été obtenue au moyen de transformateurs entre phases au lieu de transformateurs d'isolement typiquement utilisés dans la technique antérieure. L'utilisation de 20 transformateurs entre phases dans un agencement d'interconnexion en cascade pour assurer la neutralisation désirée des harmoniques de la forme d'onde de sortie réalise une réduction appréciable de poids et de prix des transformateurs par rapport aux transformateurs d'isolement de la technique antérieure, et en outre, réduit 25 appréciablement le besoin total en kVA des enroulements. Un kVA total typique d'enroulements dans cette nouvelle technique d'interconnexion en cascade est de 1, 02 par unité kVA de sortie par rapport aux 2,80 par unité kVA de sortie requis avec la technique antérieure de connexion de transformateur entre phases. ii s'en-30 suit une économie d'environ 64 % dans la caractéristique kVA. L'agencement en cascade des transformateurs pour la totalité des trois phases de sortie du circuit onduleur 20 est schématiquement représenté à la Figure 5 ; la longueur des lignes étant proportionnelle à la tension qui doit être supportée entre les bornes 35 respectives et les prises. Une seconde forme de réalisation de sorties d'étages onduleurs interconnectés au moyen de transformateurs entre phases 71 08498 —8 — 2081858 en cascade est illustrée aux Figures 6, 7, 8 et 9. Contrairement aux formes d'ondes de tension de sortie entre lignes etneutre ^XN * ^YN ' ^ZN * développées par la forme de réalisation d'onduleur représentée aux Figures 4 et 5, la forme illustrée aux 5 Figures 6 à 9 utilise la technique de connexion en cascade des transformateurs entre phases pour développer des tensions de ligne à ligne, dont les. harmoniques sont neutralisés. La Figure 6 illustre les composantes fondamentales d'une tension E^y de ligne-à-ligne à harmoniques neutralisés correspon-10 dant aux sorties d'étages onduleurs A à H. Ces tensions de synchroniseur représentent un groupe de 18 tensions de synchroniseur d'un onduleur à 18 pôles, dans lequel chaque vecteur est uniformément espacé de 20 degrés électriques. Chaque composante de tension de synchroniseur est pondérée par le cosinus de sa diver-15 gence angulaire par rapport à E^, ainsi que ce serait le cas dans la technique antérieure de neutralisation des harmoniques. L'agencement de synchroniseur de la Figure 6 peut être considéré comme la différence de deux sous-agencements illustrés en A et B à la Figure 7, qui établissent les tensions entre lignes 20 et neutre courant continu Ey,.. et EVNT , respectivement, selon DC DC l'équation E^y = EXN "* ^YN * ^es "tensi°ns de lignes à neu-25 DC DC tre ne sont pas des formes d'ondes à harmoniques neutralisés; toutefois, "lorsque les tensions de lignes à neutre Ej^ et Ey^j DC DC 30 sont combinées pour former la tension de ligne à ligne E^y, la forme d'onde résultante est une forme d'onde dont les harmoniques sont neutralisés. En référence à la Figure 8, l'agencement de syhchroni-seur représenté en A à la Figure 7 est obtenu des pôles D, E, F, 35 J -et K. Selon l'explication qui précède, la prise D* est choisie de manière à pondérer la tension polaire D du cosinus 6^ et la tension polaire J du cosinus 0g. 71 08498 -9- 2081858 25 30 35 D - D' D - J cos 9 B cos 50* ~ cos 50* + cos 10* - °»394 "D» Cos 6g + cos Qg La tension a la prise D* est : 1 cos 10* + cos 50* La prise E' est choisie pour pondérer la tension polaire cos 10* Eq + cos 50* Ej E du cos 9g et la tension polaire K du cos A : E - E» E - K cos 9. cos 70* cos + cos 9g ~ cos 70* + cos 10* ~ °»258 10 La tension a la prise E' est : 1 15 EE' r -co-s- 10* + cos 70* [C0S 10a EE + C0S 7°a TC La prise Ew est choisie de manière à pondérer E^, de (cos 10* + cos 50*) et Eg, de (cos 10* + cos 70*) ï E'-E" _ cos 10* + cos 70* n E'-B» ~ 2 cos 10* + cos 50* + cos 70* ~ U»33J- La tension en E" est 1 2 cos 10* + cos 50* + cos 70* 20 cos 9g Ej + cos 9^ cos 10* ed + cos 10* Eg + Enfin, la prise X est choisie pour pondérer E" de ( 2 cos 10* + cos 50* + cos 70*) et Ep de (càs 9p , soit cos 30*). F - X _ 2 cos 10* + cos 50* + cos 70* n 77Q F - E" " 2 cos 10* + cos 30* + cos 50* + cos 70* = u* -XN DC L La tension de ligne à neutre Ê 1 est égale à DC 2 cos 10* + cos 30* + cos 50* + cos 70* cos 10* Ep + cos 10* Eg + cos 30* Ep + cos 50* Ej + cos 70° E, jcos 9^ Ed + cos 9g cos 9^ Ej, Eg + cos 9p Ep + cos 9g Ej + La Figure 9 illustre schématiquement les interconnexions nécessaires pour synthétiser la tension de ligne de sortie X'. L'agencement de synchroniseur B de la Figure 7 est obtenu d*une façon similaire des tensions polaires J, K, L, P et Q« L'inter-connexiôn triphasée complète qui synthétise E^ , Ey et Êg .j. représentéê à la Figure 8. 71 08498 -10- 2081858 Des illustrations des Figures 6 à 9, il ressort que les pôles d'onduleur requis dans cette seconde forme de réalisation doivent être des multiples de jeux triphasés. Cette dernière caractéristique supporte la construction de modules triphasés 5 qui peuvent être groupés pour former des onduleurs a six pôles, neuf pôles, douze pôles, etc., selon les exigences d'une application particulière. La seconde forme de réalisation de l'agencement d'interconnexion en cascade des transformateurs de sortie d'onduleur 10 exige la moitié du nombre de pôles d'onduleur de la première forme de réalisation pour le mène degré de neutralisation des harmoniques. En outre, la valeur du courant de chaque pôle est égale et le facteur de puissance de chaque pôle est égal au facteur de puissance de la charge pour un mode triphasé équilibrée 15 II n'en est pas ainsi dans la première forme de réalisation» Toutefois, la première forme de réalisation assure une sortie triphasée soit à trois soit à quatre fils avec une caractéristique kVA minimale de transformateurs. La seconde forme de réalisation sous sa forme fondamentale assure seulement 20 une sortie a trois fils. On peut pourvoir la secondé forme de réalisation d'un quatrième fil ou d'un neutre courant alternatif, d'un certain nombre de manières. L'une des manières permettant de former le neutre courant alternatif consiste à connecter un transformateur 25 triphasé connecté en étoile à la sortie à trois fils; Les enroulements secondaires du transformateur sont connectés en triangle fermé pour former un enroulement tertiaire. La Figure 10 illustre ce transformateur et la Figure 11 représente son effet sur la valeur instantanée du neutre courant alternatif par rapport 30 au neutre courant continu. La présence de l'enroulement tertiaire oblige le neutre courant alternatif à prendre un potentiel qui permet à la somme instantanée des tensions de lignes à neutre courant alternatif d'être zéro. Si la somme des tensions triphasées n'est pas zéro, il circule dans l'enroulement tertiaire un 35 courant qui a tendance à pousser la somme vers le zéro. Pour déterminer la nouvelle fonde d'onde de tension de lignes à neutre courant alternatif, les trois tensions de lignes 71 08498 -u- 2081858 a neutre courant continu sont additionnées. La somme est une onde quasi-carrée de troisième harmonique. Si l'on soustrait un tiers de cette somme de chacune des formes d'ondes de lignes à neutre courant continu, la condition imposée par l'enroulement 5 tertiaire est satisfaite, et les nouvelles formes d'ondes de lignes à neutre courant alternatif sont obtenues. Ces tensions de lignes a neutre courant alternatif sont de la classe à harmoniques neutralisés. La caractéristique du transformateur tertiaire dépend 10 du degré de déséquilibre de la charge. Dans le cas d'une charge équilibrée, les composantes fondamentales du courant de phases s'additionnent au zéro, par suite .le courant arrivant ou quittant le neutre courant alternatif est zéro et la caractéristique du transformateur est presque zéro. Si l'on suppose que le déqé-15 quilibre maximal de charge est d'un tiers par unité d'une charge monophasée, la caractéristique kVA d'enroulements du transformateur tertiaire devient 2/9 par unitéo La valeur kVA totale d'enroulement par unité de puissance devient maintenant 1,54 au lieu de 1,32* 71 08498 -12- 2081858 REVENDICATIONS 1. Appareil onduleur de puissance destiné à alimenter une charge électrique en tension courant alternatif au moyen d'une source de tension courant continu, caractérisé par la combinai- 5 son de ï un certain nombre de générateurs de tension déphasées, développant chacun une impulsion de sortie, et un agencement d'interconnexion en cascade de transformation couplés à ces générateurs de tension afin de combiner leurs sorties pour synthétiser une tension de sortie courant alternatif à harmoniques neu-iO tralisés. 2. Appareil onduleur de puissance selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ces transformateurs sont des transformateurs entre phases, et que leur agencement d'interconnexion en cascade a pour fonction de pondérer la tension de sortie 15 de chacun de ces générateurs du cosinus de l'angle de divergence défini par la position de phase de la sortie de chaque générateur de tension par rapport à la position de phase de la tension de sortie courant alternatif» 3. Appareil onduleur de puissance selon la revendica-20 tion 1 ou 2 caractérisé par le fait que la tension de sortie courant alternatif développée par l'agencement d'interconnexion en cascade des transformateurs entre phases est proportionnelle à la somme vectorielle des tensions de sortie de ces générateurs. 4« Appareil onduleur de puissance selon l'une des pré-25 cédentes revendications, caractérisé par le fait que l'agencement d'interconnexion en cascade des transformateurs entre phases comprend un certain nombre de transformateurs entre phases pourvue d'une prise de position entre les première et seconde bornes d'extrémités, les transformateurs étant connectés de manière a former 30 un groupe pyramidal avec la tension.de sortie courant alternatif développée à la position de prise d'un transformateur entre phases final situé au sommet du groupe pyramidal. 5. Appareil onduleur de puissance selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la position de prise des 35 transformateurs entre phases respectifs de ce groupe pyramidal est choisie de manière à établir un rapport de tours entre les sections du transformateur déterminées par la position de prise 71 08498 -13- 2081858 de manière à pondérer corrèctement les tensions appliquées à leurs extrémités et développer à la prise une somme vectorielle résultante des tensions. 6. Appareil onduleur de puissance selon la revendica-5 tion 4 ou 5, caractérisé par le fait que cçt appareil est un onduleur multiphasé comprenant au moins trois de ces groupes pyramidaux de transformateurs entre phases couplés aux générateurs de tension, chacun de ces groupes développant une tension de phase de sortie courant alternatif dont les harmoniques sont 10 neutralisés. 7. Appareil onduleur de puissance selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les transformateurs entre phases des groupes pyramidaux respectifs sont interconnectés de manière à développer une tension de phase de sortie courant 15 alternatif à harmoniques neutralisés entre la position de prise du transformateur final et le neutre courant continu de l'appareil onduleur. 8. Appareil onduleur de puissance selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les transformateurs entre 20 phases des groupes pyramidaux respectifs sont interconnectés pour développer une tension de sortie courant alternatif de ligne-à-ligne à harmoniques neutralisés entre les prises des transformateurs finals des groupes pyramidaux respectifs. 9. Appareil onduleur de puissance selon la revendica-25 tion 8, comprenant des moyens pour établir un neutre courant alternatif afin de produire des tensions de sortie de lignes-à-nèu-tre courant alternatif à harmoniques neutralisés. 10. Appareil ohduleur de puissance selon la revendication 4 ou 5 caractérisé par le fait que la tension de sortie de 30 chaque générateur individuel est appliquée à une extrémité de l'un des transformateurs entre phases, et est la tension développée à la prise de chacun d§®fransformateurs est appliquéé à une extrémité de l''un des'transformateurs constituant un groupe pyramidal.