Brevet FR2137798A1 — publié le 19721229

La présente invention se rapporte à une installation d'alimentation électrique qui peut à volonté être alimentée par un réseau à courant alternatif ou à courant continu, et, en particulier, par différents réseaux alternatifs à haute tension ayant des fréquences différentes ou par divers réseaux continus à haute tension, en utilisant un transformateur pour opérer en courant alternatif et un onduleur pour opérer en courant continu. La présente invention s'est fixée pour but d'apporter une installation d'alimentation électrique de ce genre qui est conçue de manière à pouvoir être réalisée avec un minimum de composants électriques, tout en assurant un maximum de fiabilité. Selon l'invention, une telle installation d'alimentation électrique est, en premier lieu, caractérisée en ce qu'elle comprend un seul et même transformateur servant non seulement pour le fonctionnement en courant alternatif, mais constituant aussi l'un des composants du convertisseur statique formant l'onduleur pour le fonctionnement en courant continu, en ce que deux groupes de thyristors montés en série, qui sont connectés aux deux moitiés de l'enroulement primaire dudit transformateur, sont alternativement allumés et éteints par un générateur de rythme alimenté en courant continu. L'invention s'applique tout particulièrement à ltalimenta- tion en énergie électrique de wagons des trains de voyageurs dans les cas où lténergie électrique/indifféremment provenir des différents réseaux électriques ferroviaires qui opèrent sous une tension alternative de 15 000 V à une fréquence de 16 2/3 Hz, sous une tension alternative de 25 000 V à une fréquence de 50 Hz, ou sous une tension continue de 3000 ou de 1500 V. Comparativement à l'installation d'alimentation électrique connue remplissant ces conditions (voir "Glasers Analen" 1966, pages 374 et 375), dans laquelle deux onduleurs statiques dont chacun est associé à un transformateur calculé pour toute l'intensité du courant sont connectés selon la grandeur de la tension continue soit en parallèle, soit en série, la présente invention offre l'avantage de permettre de réaliser des économies considérables, en particulier en raison de la structure relativement simple de l'onduleur et par suite de l'utilisation d'une seul transformateur principal, tout en réduisant considérablement le nombre des contacts de commutation. Dans une installation d'alimentation électrique conforme à l'invention, le pôle positif de la source électrique continue est, de préférence, connecté aux extrémités voisines des deux moitiés des primaires du transformateur ou bien -dans le cas d'une tension continue relativement basse- est connecté à une certaine distance de ces extrêmités. Ceci offre l'avantage que les deux moitiés de l'enroulement primaire du transformateur sont portées à des tensions relativement basses par rapport à la terre. La source électrique continue alimentant le générateur de rythme est, de préférence, constituée -le cas échéant en plus d'une batterie d'accumulateurs qui est branchée en parallèle sur un groupe de récepteurs- par un enroulement secondaire supplémentaire du transformateur, associé à un redresseur. On évite ainsi qu'une éventuelle baisse de tension à l'un des enroulements secondaires du transformateur, résultant de la mise en circuit brusque d'un certain nombre de récepteurs, puisse mettre en danger le bon fonctionnement du rythmeur. Il est avantageux de connecter à l'un des enroulements secondaires du transformateur, un chargeur de batteries d'accumulateurs tel que celui décrit dans le brevet allemand nO 1 275 665. Ceci a une influence favorable sur le fonctionnement dù rythmeur d'une installation d'alimentation électrique conforme à l'invention, en partfleulier, parce que dans un chargeur tel que celui qui fait l'objet de ce brevet, le courant de charge effectif s'élève lentement de sorte que le convertisseur n'est pas soumis a des charges brusques. Selon une autre particularité de l'invention, pour produire les impulsions rectangulaires nécessaires pour assurer l'allumage simultané des thyristors en série, on fait suivre le rythmeur d'un onduleur auxiliaire qui réalise alternativement pour l'un ou l'autre des groupes de thyristors, au moyen de deux circuits, avec des thyristors et des transformateurs auxiliaires, une superposition d'impulsions trapézoidales et d'impulsions pointues. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en se référant aux figures 1 et 2 qui sont des schémas de principe d'un ensemble de réalisation de l'objet de celle-ci. L'énergie pour alimenter les récepteurs de certains wagons de voyageurs est prélevée d'une ligne de chauffage 1 passant dans le train. Celle-ci est reliée par le pantographe de la locomotive au réseau électrique correspondant, et, en particulier, soit directement b un réseau à courant continu de 3 000 V ou de 1500 V, soit à un réseau alternatif de 25 000 V ou de 15 000 V par un transformateur, de sorte qu'une tension électrique alternative de 1500 ou de 1000 V est présente à la ligne 1. Dans tous les cas, l'énergie électrique de la ligne de chauffage 1 est appliquée, à travers des fusibles 2, un interrupteur 3 et une ligne 4, aux deux enroulements primaires en parallèle 5 et 6 d'un transformateur qui sont connectés à la terre par une ligne 7.Les primaires 5 et 6 sont respecti veinent associés à des eondaires 8 et 9. A l'enroulement secondaire 8 est connecté un. chargeur d'accumulateurs 10 selon le brevet allemand nO 1 275 665 qui alimente en parallèle une batterie d'accumulateurs Il et un récepteur de courant continu 12. A 1bnroulement secondaire 9 sont connectés des récepteurs de courant continu 13, notamment le. moteurs des compresseurs d'une installation de cli matisation du wagon de voyageurs. Chacun des enroulements primaires 5, 6, comporte trois prises, à savoir, une prise I, qui est approximativement une prise médiane, une prise III aux extrémités en regard de ces primaires, ainsi qu'une prise Il située entre les prises I et III. Les prises I et II du primaire 5 peuvent être connectées alternativement à la ligne 4 au moyen d'un comititateur 14, tandis que les prises I et II du primaire 6 peuvent être connectées alternativement à la ligne 7par un commutateur 16. La prise III du primaire 5 peut, à volonté, être connectée au moyen d'un commutateur 15 à la ligne 4 ou à la ligne 7, tandis qu'un commutateur 17 permet de relier la prise III ou la prise I du primaire 6 à la ligne 4. Quand la ligne de chauffage 1 est à un potentiel alternatif de 1500 V, la prise I du primaire 5 et la prise III du primaire 6 sont reliées, respectivement par le commutateur 14 ou 17, à la ligne 4, tandis que la prise III du primaire 5 et la prise I du primaire 6 sont reliées, respectivement, par le commutateur 15 ou 16, à la ligne 17. Quand la ligne de chauffage 1 est portée à un potentiel alternatif de 1000 V, les commutateurs 14 et 16 relient respectivement les prises II des primaires 5 et 6 à la ligne 4 ou 7. Dans ces conditions, le courant d'alimentation traverse une plus petite partie de chaque enroulement primaire 5, 6 -conformément à la diminution de la tension- de sorte que le chargeur 10 et le récepteur 13 reç-ent, néanmoins, des secondaires 8 et 9, des tensions alternat qui conviennent. Lorsque la ligne de chauffage 1 est portée à un potentiel continu, les primaires 5 et 6 du transformateur sont utilisés comme les composants d'un onduleur dont le rythmeur est indiqué schématiquement en 18 sur la figure 1, et est illustré plus en détail sur la figure 2. Des deux extrêmitEs opposées des primaires 5 et 6, partent deux conducteur 19 > 20, qui se rejoignent en un point 21 d'où elles sont reliées, à travers une inductance de commutation 22, une résistance 23 et une ligne 24, à la terre. Dans chacun des deux conducteurs 19 et 20 est intercalé- un certain nombre de thyristors 25 > ,26 et 27, 28, montés en série, de manière que leurs cathodes soient orientées vers le point 21. Pour simplifier le schéma, on n'a représenté que deux thyristors en série sur la figure 1. Toutefois, afin de diviser la tension d'entrée de façon à n'appliquer aux bornes de chaque thyristor que la tension qu'il est capable de supporter, un nombre plus élevé de thyristors devra être monté en série.Le rythmeur 18 est connecté par les conducteurs 29, 30, 31 et 32 aux gâchettes des thyristors et par les conducteurs 33, 34, 35 et 36 à leurs cathodes. Le rythmeur 18 coopère, de façon connue, avec un transformateur qui est connecté à une source électrique continue et qui, au moyen de deux transistors opérant en opposition, ddlivre alternativement, au moyen de deux enroulements secondaires, des courants d'allumage à l'un des groupes de thyristors 25, 26 ou à l'autre groupe de thyristors 27, 28. La tension d'alimentation continue du rythmeur 18 est fournie par la batterie d'accumulateurs 11 au moyen des conducteurs 37, 38, 39 et 40, quand les interrupteurs 41, 42, intercalés dans la ligne 38, sont fermés. L'interrupteur 41 se ferme forcément en même temps que l'interrupteur 3. L'interrupteur 42 se ferme quand l'énergie électrique provient d'un réseau à courant continu. Toutefois, la tension continue d'alimentation du rythmeur 18 peut aussi être fournie par un enroulement secondaire supplémentaire 43 du transformateur, au moyen d'un redresseur 44 qui est branché en parallèle sur la batterie 11 et sur les conducteurs 37, 3g, au moyen d'une ligne 45. Une diode 44a intercalée dans le conducteur 39 empêche la circulation d'un courant inverse entre la batterie 11 et le redresseur 44. Afin que, quand les thyristors de l'un des groupes, par exemple du groupe 25, 26, s'allument, les thyristors de l'autre groupe > par exemple 27, 28, s'éteignent, un condensateur 48 est intercalé dans un conducteur qui relie des points 46 > 47 des conducteurs 19 et 20 reliant des points situés en avant des deux groupes de thyristors. Ce concensateur est chargé par l'un des groupes de thyriators, par exemple 25,26, tant que celui-ci est allumé, à travers l'enroulement primaire 6, et se décharge quand les thyristors 27, 28 s'allument. De ce fait, il applique aux cathodes des thyristors 25,26, une tension qui est plus élevée que leur tension anodique, de sorte que ces thyristors s'éteignent.Les conducteurs 19 et 20 renferment également, entre les points 46 et 47 et les enroulements primaires 5,6, des diodes 49 et 50 qui empêchent le condensateur 48 de se décharger à travers les enroulements primaires 5 et 6. Enfin, lextremité de la résistance 23, qui est connectée à la terre, est reliée par des diodes 51 aux extremités opposées des primaires 5 et 6. Par ailleurs, le conducteur 4 est relié au conducteur de terre 24 à travers un condensateur 52. Des diodes 53 sont interca lées dans le conducteur de terre 24. Quand un potentiel continu de 3000 V est appliqué à la ligne de chauffage 1, les deux prises III des extrêmités voisines des primaires 5 et 6 sont reliées, par les commutateurs 15 et 17, au conducteur 4, tandis que l'interrupteur 42 est fermé. En conséquence, conformément aux signaux de rythme en opposition issus du rythmeur 18, des courants circulent alternativement suivant des di- rections opposées, de sorte que les enroulement secondaires 8 et 9 délivrent des tensions alternatives correspondantes. Quand un potentiel continu de 1500 V seulement est appliqué à la ligne de chauffage 1, ce ne sont plus les prises III, mais les prises I des deux primaires 5,6 qui sont connectées au moyen des commutateurs 14 et 17, à la ligne 4, de sorte qu'une partie seulement des enroulements 5, 6 est parcourue par le courant électrique, avec pour résultat que les enroulements secondaires 8 et 9 délivrent approximativement les mêmes tensions alternatives qu' auparavant. En se référant à la figure 2, on voit que le rythmeur désigné par 18 sur la figure 1 se compose, en réalité, d'un circuit de rythme à transistors 54 associé à des onduleurs. La tension continue est amenée par les deux lignes 38 et 40. La ligne positive 40 alimente le rythmeur 54. Cette ligne 40 aboutit également à la prise médiane du primaire 55 d'un transformateur auxiliaire. Les deux extrêmités opposées de ce primaire sont connectées à deux lignes 56, 57 qui aboutissent respectivement à travers une diode de redressement 58, 59 et à travers le primaire 60 ou 61 d'un second transformateur auxiliaire et à travers deux thyristors auxiliaires 62, 63, à un point 64 qui est relié, à travers une inductance de commutation 65 et une résistance 66, à la ligne négative 38. A la ligne 38 est, en outre, connectée une ligne 66 provenant des emetteurs des transistors du rythmeur 54. Les gâchettes des thyristors 62, 63, sont reliées par des lignes 67, 68 et les cathodes de ces thyristors sont connectées par des lignes 69 et 70, aux enroulements secondaires en opposition du transformateur du rythmeur 54. En conséquence, les thyristors 62 et 63 s'allument alternativement en opposition de phases. L'extinction de l'un des deux thyristors 62, 63, lors de l'allumage de l'autre est assurée par un condensateur 71 qui est monté de la même façon que le condensateur 48 de la figure 1 par rapport aux thyristors 25 à 28. Enfin, les condensateurs 72 et 73 sont branchés en parallèle sur chacun des primaires 60, 61 et sur chacun des thyristors 62, 63. Chaque moitié de l'enroulement primaire 55 du premier transformateur auxiliaire, comporte un nombre d'enroulements secondaires 74, 75, 76 et 77, 78, 79 > égal à celui des thyristors 25, 26, 26a et 27, 28, 28a, composant chacun des groupes mentionnés. I1 en est de même en ce qui concerne les deux autres transformateurs auxiliaires comportant les primaires 60 et 61. Les enroulements secondaires correspondants sont désignés par 80, 81, 82 et par 83, 84,85. A l'un des enroulements secondaires du premier trains formateur auxiliaire et à l'un des enroulements secondaires des autres transformateurs auxiliair~s sont connectés respectivement un dispositif de superposition 86, 87, 88 et 89, 90, 91. Chacun de ces dispositifs est relié à la gâchette et. à la cathode de l'un des thyristors 25, 26, 26a et 27, 28, 28a. La figure 2 montre le montage intérieur des dispositifs de superposition en prenant pour exemple le dispositif 91. On voit qu'un fil de connexion de chacun des enroulements secondaires 77 et 83 est relié à un point de jonction 92 qui est connecté par un conducteur 93, à la cathode du thyristor correspondant 28a. Les deux autres fils de connexion des enroulements secondaires 77 et 83 sont reliés, respectivement à travers une diode de redressement 94, 95 > à un point de jonction 96 qui, de son côté, est connecté à la gachette du thyristor 28a. Entre la diode 94 et le point de jonction 96 sont montées en série deux résistances ohmiques 97, 98 et une diode de redressement 99. Entre le point 92 et un point situé entre la diode 94 et la résistance 97 est connecté un con densateur 100.De plus, la ligne 93 est reliée à deux points situés entre les résistances 97 et 98 respectivement par une résistance 101 et par une diode de Zéner 102. Les enroulements secondaires 74, 75 et 76 de l'un des transformateurs auxiliaires engendrent, en alternance avec les secondaires 77, 78, 79, des impulsions qui ne sont qu' approximati- vexent rectangulaires du fait qu'elles ont un flanc ascendant lé gèrqment incliné. D'autre parts les enroulements secondaires 80, 81 et 82 de l'un des autres transformateurs auxiliaires produisent en alternance avec les enroulements secondaires 83, 84, 85, du troisième transformateur auxiliaire, ce qu'il est convenu d'appeler des "pointes" c'est-à-dire que iorsque 1'un des thyristors 62 ou 63 s'allume, il se produit immédiatement une impulsion très polntue qui dure environ 60 ms.Ces deux impulsions sont su perposées dans les dispositifs 86, 87, 88 et 89, 90, 90 > avec pour résultat, une impulsion rectangulaire idéale. La diode de Zéner 102 a pour but de limiter l'amplitude de ces pointes, tandis que le condensateur 100 égalise les intervalles entre ces impulsions pointues. Les impulsions rectangulaires ainsi produites, qui présentent des potentiels de commande à montée brusque -c'est-à-dire s'élevant, sur unrY1agrasme, perpendiculairement à l'bscisse- assurent- un allumage parfaitement simultané de tous les thyristors en série-d'un meAme groupe > tels que les thyristors 25, 26, 26a. Dans ces conditions, ces thyristors sont à l'abri des destructions qu'on aurait pu craindre avec des impulsions trapézoIdales, avec lesquelles le courant de commande s'élève suivant une certaine pente, de sorte que les thyristors auraient pu s'allumer avec des retards ayant pour conséquence que le dernier thyristor à s'allumer aurait à supporter toute la tension d'entrée. Un autre avantage à remarquer est que les prises I, II, III des enroulements primaires 5 et 6 du transformateur prineipal sont disposées de manière à réduire à un minimum les tensions par rapport à la terre. REVENDICATIONS 1. Installation électrique d'alimentation qui peut, sélectivement, être alimentée par un réseau à courant alternatif ou à courant continu et en particulier, par différents réseaux alternatifs à haute tension ayant des fréquences différentes ou par divers réseaux continus à haute tension différente, en utilisant un transformateur pour opérer en courant alternatif et un onduleur pour opérer en courant continu, caractérisée en ce qu'elle comprend un seul et même transformateur 5, 6, 8, 9 servant non seulement pour le fonctionnement en courant alternatif , mais constituant également l'un des composants du convertisseur statique formant l'ondu- leur pour le fonctionnement en courant continu, et en ce que deux groupes de thyristors montés en série, 25, 26, 26a ; 27, 28, 28a, qui sont connectés aux deux moitiés 5, 6 de l'enroulement primaire dudit transformateur, sont alternativement allumés et éteints par un générateur de rythmeyalimenté en courant continu. 2. Installation d'alimentation électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la borne positive de la source électrique continue est reliée aux extrgmités en regard ou voisines des deux moitiés de l'enroulement primaire du transformateur ou bien -quand la tension continue a des valeurs plus basses- à des prssituées à une certaine distance de ces extremités. 3. Installation d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'un enroulement secondaire supplémentaire du transformateur, coopérant avec un redresseur cpnstitue la source électrique continue d'alimentation du rythmeur. 4. Installation électrique d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'à un enroulement secondaire du transformateur, est connecté un chargeur de batteries d'accumulateurs selon le brevet allemand n0 1 275 665. 5. Installation d'alimentation électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que pour produire des impulsions rectangulaires destinées à assurer l'allumage simultané des thyristors en série du rythmeur, elle comporte un onduleur auxiliaire qui fournit alternativement à l'un ou à l'autre groupe de thyristors, au moyen de deux circuits et à l'aide de thyristors auxiliaires et de transformateurs auxiliaires, une combinaison d'impulsions trapézoidales d'impulsions pointues superposées.