Brevet FR2090047A1 — publié le 19720114

-209Q047 La présente invention est relative à un onduleur comprenant au moins un groupe de connexion connecté à une première source de courant continu destinée à l'alimenter, chaque groupe de connexion comportant deux redresseurs principaux commandés, en sé-5 rie l'un avec l'autre, connectés entre les deux pôles de la source de courant continu, leur point de connexion constituant la borne de sortie pour la tension de sortie de l'onduleur et un dispositif de commande agencé de manière à amorcer alternativement ces redresseurs., deux redresseurs de commutation commandés qui, en série 10 l'un avec l'autre, font partie d'une connexion série connectée entre les deux pôles d''une source de courant continu, et un dispositif de commande agencé de manière à amorcer les redresseurs de commutation alternativement afin d'éteindre les redresseurs principaux, un condensateur de commutation connecté entre le point de 15 connexion des redresseurs principaux et un point de la connexion série situé entre les redresseurs de commutation, et au moins un . élément inductif agencé de manière à former, conjointement avec le condensateur de commutation, un circuit oscillant série destiné à recharger le condensateur à chaque commutation. De tels.onduleurs 20 sont déjà connus et un exemple en est représenté à la figure 1. Un condensateur Cl est connecté à la tension d'alimentation continue U2. Les réfé'r'ences T13 et T23 désignent des thyristors principaux, les références Tll et T21 des thyristors de commutation et les références Dll et D21 des diodes de réaction et de commutation. Le 25 fonctionnement est le suivant : le thyristor T13 est considéré comme étant conducteur et débitant le courant de charge I (la charge est connectée à la sortie a). Le condensateur C est alors chargé avec un potentiel positif sur son armature de droite. Le thyristor Tll s'amorce, C se déchargeant alors par l'intermédiaire 30 des thyristors T13, Tll et d'une self L. Le courant du condensateur augmente jusqu'à ce qu'il soit égal au courant dans la charge, après quoi le thyristor T13 se bloque et la diode Dll commence à débiter un courant. Le condensateur est rechargé par l'intermédiaire de la diode Dll, du thyristor Tll et de la self L et, lors-35 que sa tension atteint la valeur de crête (avec le potentiel positif à gauche), le thyristor Tll est éteint. S'il existe une composante de courant de charge réactive quelconque, elle circulera par l'intermédiaire de la diode D21 au cours de la dernière partie 71 16949 2 2090047 du processus de commutation. Lorsque la commutation est achevée , le second thyristor principal T23 peut s'amorcer. Toutefois, ce couplage présente divers inconvénients. Il a été découvert que le circuit oscillant de commutation (L,C) 5 est alimenté en.énergie par le courant dans la charge de telle sorte qu'avec un courant dans la charge élevé, la tension du condensateur peut prendre des valeurs extrêmement élevées qui ne sont limitées vers le haut que par les pertes du circuit oscillant. Ceci signifie qu'en particulier avec des onduleurs pour des ten-10 sions élevées, des efforts de tension extrêmement élevés sont appliqués aux thyristors et également qu'un condensateur très largement calculé est nécessaire du point de vue de la tension. La tension du condensateur sera également fonction de la tension d'alimentation U2 et par conséquent, avec un onduleur pos-15 sédant une tension d'alimentation variable, celle-ci ne peut pas être réduite en dessous d'une certaine limite déterminée par l'exigence d'une énergie de commutation suffisante. La tension de blocage inverse aux bornes des thyristors principaux pendant leur temps de rétablissement, c'est-à-dire la 20 période s'écoulant depuis le moment où le courant dans la charge cesse par l'intermédiaire d'un thyristor jusqu'au moment où celui-ci peut à nouveau reprendre une tension dans le sens conducteur, est fortement fonction de l'amplitude de la tension de blocage inverse au cours de cet intervalle et, par conséquent, il sera long 25 avec le couplage connu. On connaît certains dispositifs destinés à éliminer cet inconvénient, mais ils sont compliqués, exigent une puissance considérable ou ne sont pas très efficaces. Ces désavantages sont éliminés avec un onduleur suivant l'invention. Celui-ci comprend une seconde source de courant con-30 tinu entre les pôles de laquelle la connexion série précitée comportant les redresseurs de commutation est connectée, les pôles positif et négatif de cette seconde source de courant continu étant conçus de manière à présenter un potentiel supérieur et inférieur, respectivement, à celui des pôles positif et négatif, res-35 pectivement, de la première source de courant continu, tandis qu' entre chaque pôle de cette première source de courant continu et la borne du condensateur de commutation dirigée vers la sortie en courant alternatif, on connecte un redresseur de limitation, ce 71 16949 3 -209Q047 dernier ayant une polarité telle qu'il est amené à un état de blocage inverse par la tension de la première source de courant continu. D'autres détails et particularités de l'invention r La figure 1 représente un onduleur connu tel que décrit précédemment. La figure 2 représente un onduleur triphasé suivant l'in-10 vention, alimenté à partir d'un convertisseur commandé. La figure 3 représente une variante de réalisation d'un groupe de phase. La figure 4 représente un onduleur triphasé suivant une autre forme de réalisation de l'invention, alimenté à partir d'un 15 convertisseur non commandé. A la figure 2, les thyristors T1 - T6 forment un convertisseur triphasé commandé qui est connecté à un réseau triphasé R, S, T. Les thyristors sont commandés en angle de phase d'une façon connue en soi, grâce à un dispositif classique non représenté, au 20 moyen duquel la tension continue du convertisseur peut être modifiée. Cette tension est filtrée par des selfs Ll et L2 et un condensateur Cl, et la tension aux bornes de ce dernier désignée par la référence U2, est appliquée à 1'onduleur•proprement dit. Des diodes Dl - D6 forment un pont redresseur qui est connecté au même 25 réseau de tension alternative R, S, T. La tension continue du pont est filtrée par des selfs L3 et L4 en coopération avec des condensateurs Cl - C3 et la tension aux bornes des trois condensateurs est désignée par U3. Il est important que la tension U2 soit toujours inférieure de quelques volts, de préférence de quel-30 ques dizaines de volts, par rapport à la tension U3. Il convient donc de prévoir un dispositif de commande du convertisseur commandé avec une limite telle que son' angle de commande ne puisse jamais devenir inférieur à une valeur convenable pour satisfaire cette condition. 35 La signification des désignations Ul et U4 ressort clai rement des dessins. L'onduleur lui-même est constitué par trois groupes de phase identiques A, B et C, dotés chacun d'une borne de sortie en 71 16949 4 209Q047 tension alternative (a, b, c). Un dispositif de commande classique, non représenté dans un but de clarté, est prévu pour amorcer les thyristors principaux T13 et T23 de chaque groupe de phase alternativement (avec un retard de 180°), suivant une certaine fré-5 quence, de manière connue en .soi. La borne de sortie en tension alternative de chaque phase est connectée alternativement aux pôles positif et négatif de la tension d'alimentation U2. Les groupes de phase A, B, C sont commandés de façon connue en soi avec un déphasage de 120°, de telle sorte que les tensions alternatives 10 carrées aux bornes a, b, c seront mutuellement déphasées de 120° et formeront un système triphasé symétrique. Etant donné que les trois groupes de phase travaillent exactement de la même manière, seul le groupe A sera décrit. Ce groupe A comprend les thyristors principaux T13 et 15 T23, qui-sont connectés à la tension d'alimentation. Un circuit de commutation est agencé pour éteindre le thyristor principal conducteur préalablement à l'amorçage de l'autre thyristor principal, ce circuit comprenant des thyristors de commutation Tll et T21 connectés à la tension auxiliaire U3, un condensateur de com-20 mutation C et une self de commutation L. En outre, des thyristors de limitation T12 et T22, de sens de conduction opposé à celui des thyristors précédents, sont connectés entre le point de connexion situé entre L et C et les deux pôles de la tension d'alimentation, tandis que des diodes de commutation Dll et D21 sont connectées 25 entre la sortie en tension alternative et les deux pôles de la tension auxiliaire. Le fonctionnement est le suivant : On admettra que le thyristor T13 est conducteur, après quoi le courant de charge I circule à partir de la source de ten-30 sion alternative en passant par ce thyristor T13 et par la sortie en tension alternative a. Le condensateur C est chargé avec un potentiel positif sur son armature de droite. Les éléments Tll, D12, T21 et D22 ne sont.pas conducteurs. Le dispositif de commande applique une impulsion d'amorçage aux thyristors Tll et T22. 35 Un courant croissant commence à circuler dans le thyristor Tll, le condensateur C et la self Lia. Lorsque ce courant a atteint la même valeur que le courant dans" la charge, le courant passant par le thyristor T13 s'annule et la diode Dll commence à débiter un 71 16949 5 2090047 courant. Le thyristor principal reçoit ainsi une tension de blocage inverse égale à U4 au cours de son intervalle de rétablissement. Le circuit d'oscillation C, L continue à osciller par l'intermédiaire de la diode Dll et du thyristor Tll, jusqu'à ce que la 5 tension du condensateur devienne égale à Ul, après quoi le thyristor Tll est éteint et le thyristor T22 commence à débiter un courant. S'il existe une charge inductive, le courant dans la charge peut continuer à circuler par l'intermédiaire du thyristor T22 et de la self L, de l'énergie étant ainsi renvoyée à la source d'ali-10 mentation. A un moment approprié, de préférence lorsque le courant circulant dans le thyristor T22 et la self L est retombé à zéro, le dispositif de commande applique une impulsion d'amorçage au thyristor T23 et le processus de commutation est achevé. Comme on peut l'observer, on obtient toujours une ten-15 sion de condensateur qui est égale à Ul = ^ et, en rendant la tension U3 suffisamment élevée, on peut assurer que même avec de faibles valeurs de tension d'alimentation U2, il existe toujours une charge de condensateur suffisante pour éteindre le courant le plus élevé rencontré dans la charge. En outre, ceci éli-20 mine les problèmes précités d'une tension de condensateur augmentant fortement avec le courant dans la charge. Etant donné qu'à la fois les thyristors de commutation Tll, T21 et les diodes de commutation Dll, D21 sont connectées à la source de tension auxiliaire, sous une charge normale aucune énergie n'est obtenue de 25 la source de tension auxiliaire et appliquée à la source de tension principale lors de la commutation par l'intermédiaire du circuit de commutation, ce qui pourrait sans cela, avec un faible courant dans la charge, exiger le renvoi d'énergie à partir de la source principale vers le réseau à courant alternatif, ce qui si-30 gnifierait la mise en place d'un convertisseur supplémentaire. Etant donné que les thyristors de limitation T12, T22 sont connectés à la source de tension principale, on arrive à ce que même avec une charge inductive, aucune énergie ne doit être renvoyée à la source de tension auxiliaire, ce qui aurait également entraîné 35 le même problème. Si, comme indiqué précédemment, le thyristor T22 reçoit une impulsion d'amorçage en même temps que le thyristor Tll, cette impulsion d'amorçage doit évidemment être suffisamment longue pour 71 16949 6 2090047 que le thyristor T22 reçoive une tension dans le sens de blocage inverse avant la fin de l'impulsion d'amorçage. D'une autre façon, évidemment, T22 peut recevoir une brève impulsion d'amorçage en même temps ou légèrement après la réception de la tension de blocage 5 inverse. La figure 3 représente une autre forme de réalisation d'un groupe de phase dans un onduleur suivant l'invention. Les redresseurs et leur connexion sont exactement identiques à ce qui a été représenté à la figure 2. La self de commutation L est di-10 visée en deux selfs Ll et L2, chacune d'elles possédant deux enroulements conectés par induction entre eux. La sslf Ll possède des enroulements Lia connecté' en série avec le thyristor Tll et Llb connecté au thyristor T22, tandis que la self L2 possède des enroulements L2a en série avec le thyristor T12 et L2b en série avec le thyris-15 tor T21. Les sens des tensions induites simultanément dans les deux enroulements d'une self sont indiqués par les points à côté . des enroulements. Le couplage entre les deux enroulements dans chaque self est réalisé aussi bien que possible. Le fonctionnement du couplage est pratiquement identique 20 à ce qui a été décrit précédemment. Si le thyristor T13 est conducteur et que le thyristor Tll s'amorce, l'enroulement de self Lia et le condensateur C formeront un circuit oscillant rechargeant le condensateur C jusqu'à ce que, avec un potentiel positif à l'armature de gauche, le condensateur atteint la tension Ul, après 25 quoi le thyristor T22 commence à débiter un courant. Etant donné que les enroulements de self Lia et Llb sont bien couplés entre eux, l'enroulement Llb et le thyristor T22 peuvent immédiatement reprendre le courant circulant dans la self Lia et le thyristor Tll. La différence par comparaison avec le couplage illustré à la figure 2 30 est que le thyristor Tll peut être amorcé et un processus de commutation fais en route même si le courant dans la charge circule par l'intermédiaire du thyristor T12. L'inductance dans le circuit Tll, Lia, L2a, T12 empêche le condensateur C d'être déchargé instantanément par l'intermédiaire de ce circuit et, comme on le 35 désire, le courant du condensateur sera principalement disponible pour l'extinction du thyristor T13. Ceci signifie que ce couplage d'onduleur peut être utilisé avec un angle de phase arbitraire de la charge, à la fois sur le plan inductif et capacitif. Le cou 71 16949 7 2090047 plage illustré à la figure 2, d'un autre côté., ne convient de préférence que pour des charges inductives et résistives. La figure 4 représente une autre forme de réalisation de l'invention. Un pont triphasé non commandé comportant des dio-5 des D31 - D36 est connecté au réseau à courant alternatif R, S, T et constitue la source d'alimentation principale, sa tension étant filtrée par des éléments L, L2 et Cl. Entre deux phases du réseau, par exemple, ou d'une autre façon à des enroulements supplémentaires sur un convertisseur-transformateur s'il en existe un, on a 10 connecté des transformateurs TRI et TR2. Ceux-ci alimentent des ponts à diodes B1 et B2 dont les tensions sont filtrées par des éléments L3, C2, Ll et L2, C3, L4, respectivement. Les tensions aux bornes des condensateurs C2 et C3 sont conçues de manière à être égales et elles sont désignées par la référence U4, comme 15 précédemment. La tension U4 doit être aussi faible que possible par comparaison avec la tension U2 et elle est choisie simplement suffisamment élevée pour obtenir un temps de rétablissement suffisamment bref pour les thyristors principaux T13, T23, par exemple avec une valeur de 30 à 50 volts. 20 Par comparaison avec le couplage illustré à la figure 3, la différence dans chaque groupe de phase est simplement que les thyristors de limitation T12 et T22 ont été remplacés par des diodes D12 et D22Î, ce qui rend la construction moins onéreuse. Les diodes D12, D22 remplissent exactement la même fonction que celle 25 décrite précédemment pour les thyristors de limitation, c'est-à-dire limiter la tension du condensateur à Ul = U2 + U4 et à débiter un courant réactif. Lorsque le thyristor de commutation Tll s'amorce pour éteindre le thyristor T13, un certain courant limité par l'enroulement de self L2a, circule par l'intermédiaire de cet 30 enroulement et la diode D12 vers la source de tension principale. Ceci n'était pas le cas avec le couplage suivant la figure 3, étant donné que le thyristor T12 n'était pas amorcé au cours de cet intervalle. Etant donné que la tension U4 dans cette forme de réalisation est constante et faible, toutefois, ce courant peut 35 être maintenu à une valeur tellement faible qu'il n'entraîne aucun inconvénient. Bien entendu, un plus grand nombre de combinaisons de diverses sources de tension continue commandées et non commandées 71 16949 209Q047 peut être utilisé à la place du circuit illustré pour produire la tension continue'principale et la tension continue auxiliaire. Une exigence commune à toutes ces formes de réalisation est toutefois que la tension U4 doit être positive et avoir toujours une valeur 5 suffisante pour obtenir un rétablissement rapide des thyristors principaux. En outre, la tension Ul à laquelle est liée la tension du condensateur de commutation, doit toujours être suffisante pour assurer l'extinction du courant dans la charge. Si, toutefois, celui-ci diminue avec la tension d'alimentation (U2), par exemple, 10 on peut évidemment laisser la tension Ul diminuer conjointement avec la tension U2, sans toutefois jamais tomber en dessous d'une valeur suffisante pour une commutation en l'absence de charge. Les onduleurs illustrés sont triphasés. Toutefois, des groupes de phase suivant l'invention peuvent évidemment être com-15 binés en connexions d'onduleur avec un nombre de phases arbitraire. Deux de ces groupes peuvent ainsi être combinés de manière à former un onduleur monophasé. Le dispositif de commande n'a pas été décrit en détail, mais il peut être réalisé de nombreuses façons connues ou éviden-20 tes pour les techniciens en la matière. Ainsi, par exemple, un oscillateur peut être conçu de manière à déclencher un compteur en anneau ou analogue avec six positions stables (pour une connexion triphasée), qui répartit les impulsions d'amorçage vers les six thyristors principaux de l'onduleur. Eventuellement, les thyris-25 tors de commutation peuvent être amorcés à partir du compteur en anneau et des circuits de retard peuvent être prévus entre chaque thyristor de commutation (par exemple Tll) et le thyristor principal (T23) qui doit débiter un courant après la commutation de telle sorte que chaque thyristor principal soit amorcé un certain tarps 3Q après le thyristor de commutation correspondant (Tll). En rendant la fréquence des impulsions de commande variable, on obtient une fréquence variable dans la tension de sortie de l'onduleur et ceci peut être utilisé, par exemple, pour commander la vitesse d'un moteur asynchrone. Bien évidemment, l'amplitude de la tension al-35 ternative peut être commandée d'une façon connue, en fonction de la fréquence ou indépendamment par rapport à celle-ci, en modifiant la tension continue d'alimentation U2, par exemple dans le couplage suivant la figure 2 en commandant la tension continue des 71 16949 9 2090047 convertisseurs (Tl - TS) par une commande à angle de phase. Les diodes de commutation (Dll et D21) peuvent éventuellement être omises. Toutefois* dans ce cas* il n'existe pas de protection automatique contre un retour d'énergie de la source au-5 xiliaire vers la source de tension principale. Dans des cas par exemple où la source de tension principale peut accepter une énergie de réaction ou lorsque l'onduleur fonctionne toujours avec un courant dans la charge relativement élevé* toutefois* ceci n'a guère de conséquence ou tout au moins le léger désavantage est 10 compensé par la simplification apportée par l'élimination des diodes . Il peut aussi être utile dans certains cas de répartir l'inductance de circuit nécessaire dans une self (L à la figure 2) en série avec le condensateur de commutation ainsi que dans des 15 selfs couplées (Ll et L2 à la figure 4) possédant des enroulements en série avec les thyristors de commutation (Tll et T21) et les redresseurs de 'limitation (T12* T22 et D12* D22* respectivement). Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bien 20 des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet. 71 16949 10 2090047 REVENDICATIONS 1. Onduleur comprenant au moins un groupe de connexion, connecté à une première source de courant continu destinée à l'alimenter, chaque groupe de connexion comportant deux redresseurs 5 principaux commandés., en série l'un avec l'autre., connectés entre les deux pôles de la source de courant continu, leur point de connexion constituant la borne de sortie pour la tension de sortie de l'onduleur, et un dispositif de commande agencé de manière a amorcer ces redresseurs alternativement, deux redresseurs de commuta-10 tion commandés qui, en série l'un avec l'autre, font partie d'une connexion série connectée entre les deux pôles d'une source de courant continu, et un dispositif de commande prévu pour amorcer les redresseurs de commutation alternativement afin d'éteindre les redresseurs principaux, un condensateur de commutation connecté 15 entre le point de connexion des redresseurs principaux et un point de la connexion série situé entre les redresseurs de commutation, au moins un élément inductif agencé de manière à former, conjointement avec le condensateur de commutation, un circuit oscillant série destiné à recharger le condensateur à chaque commutation, 20 caractérisé en ce qu'il comprend une seconde source de courant continu entre les pôles de laqueUe la connexion série comportant les redresseurs de commutation est connectée, les pôles positif et négatif de cette seconde source de courant continu étant conçus de manière à posséder un potentiel supérieur et inférieur, respecti-2 5 vement, par rapport à celui des pôles positif et négatif, respectivement, de la première source de courant continu, tandis qu'entre chaque pôle de la première source de courant continu et la borne du condensateur de commutation dirigée vers la sortie en courant alternatif est connecté un redresseur de limitation ayant 30 une polarité telle qu'il est amené à un état de blocage inverse par la tension de la première source de courant continu. 2. Onduleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément inductif est constitué par deux selfs possédant chacune deux enroulements connectés entre eux par induction, cha- 35 que self possédant un enroulement connecté en série avec un redresseur de commutation connecté à un pôle de la seconde source de courant continu d'une polarité et l'autre enroulement en série avec le redresseur de limitation connecte au pôle de la première source 71 16949 11 2090047 de courant continu offrant l'autre polarité. 3. Onduleur suivant la revendication 2 s caractérisé en ce que les redresseurs de limitation comprennent des redresseurs non commandés. 5 4. Onduleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément inductif comprend une self connectée entre le point de connexion des redresseurs principaux et le point de connexion des redresseurs de limitation. 5. Onduleur suivant la revendication 4, caractérisé en 10 ce que les redresseurs de limitation comprennent des redresseurs commandés, un dispositif de commande étant conçu, lorsqu'un redresseur de commutation connecté à une tension continue d'une certaine polarité est amorcé, tout au moins au cours d'une partie du processus de commutation, de manière à maintenir le redresseur de li-15 mitation connecté à la tension continue de l'autre polarité à l'état conducteur.