Brevet FR2111888A1 — publié le 19720609

La présente invention a pour objet un dispositif changeur de fréquence. les changeurs de fréquence actuels, qu'ils soient à commutation naturelle, ou à commutation forcée, présentent des facteurs ou coefficients de déplacement d'entrée, ou facteurs de puissance a tentrée, qui, en général, dépendent de la charge électrique qu'ils alimentent en courant alternatif. Selon l'invention, un changeur de fréquence, ou cycloconvertisseur, est couplé à une source d'entrée alternative d'une premier re fréquence, et comprend un agencement d'interrupteurs à circuits intégrés dont la commande de conduction détermine la fréquence et la valeur du signal de sortie alternatif du changeur de fréquence. L'usage dans les échangeurs de fréquence de dispositifs interrupteurs bilatéraux, capable de conduire le courant aussi bien dans le sens direct que dans le sens inverse, assure la commande fermeture-ouverture par conduction de ceux-ci, " ndépendan- te de la traversée par zéro du courant de sortie du changeur de fréquence, c'est-à-dire de la polarité du courant de sortie développé aux bornes d'une charge électrique. Une forme partianlière de réalisation de l'invention consis- te en un appareil changeur de fréquence comprenant une paire de convertisseurs comportant chacun un groupe d'interrupteurs qui produisent les composantes des ondes de sortie sélectivement com- binées pour développer le signal de sortie du changeur de fréquence ce. La tension de sortie de chaque convertisseur est produite par une modulation de phases appropriée des angles d'amorçage des interrupteurs par rapport aux phases des tensions d'alimentation, grtce à une technique de commande convenable, telle que celle du croisement d'ondes sinusoidales, de telle sorte que les deux convertisseurs produisent la-même tension moyenne de sortie avec des formes d'ondes complémentaires.Ces ondes, qui sont similaires à celles produites par les convertisseurs positif et négatif du changeur de fréquence à commutation naturelle, peuvent être engendrées en satisfaisant à la relation fondamentale suivante, connue, entre les angles d'amorçage des deux convertisseurs i 2 = 1800 dans laquelle t1 est 11 angle d'amorçage du premier convertisseur et 2 est l'angle d'amorçage du second convertisseur.Toutefois, contrairement au changeur de fréquence à commutation naturelle, qui utilise des interrupteurs à conduction unidirectionnelle de telle sorte que les interrupteurs de chaque convertisseur ne peuvent conduire le courant que dans un sens seulement, l'appareil changeur de fréquence réalisé selon l'invention utilise des dispositifs interrupteurs bilatéraux fonctionnant dans un mode de commutation forcée. Etant donné que la tension de sortie fondamentale ou moyenne de chacun des convertisseurs est pratiquement la même, la commande arbitraire fermeture-ouverture des interrupteurs bilatéraux des convertisseurs selon le mode de fonctionnement à commutation forcée, est une commande sélective de conduction de ces interrupteurs, qui parmet la production d'une onde de tension de sortie constituée de segments choisis d'ondes de sortie des convertisseurs individuels. Dans le cas le plus simple, la tension de sorti du changeur de fréquence est composée de sections de demipériodes alternées des tensions de sortie des deux convertisseurs. I1 s'ensuit que l'un des convertisseurs fournit un courant de charge pendant un demi-cycle d'onde de sortie, et que le second convertisseur fournit le courant de charge pendant l'autre demicycle de l'onde de sortie. La présente invention est essentiellement basée sur la reconnaissance du fait qu'un choix judicieux de la position des intervalles de conduction des convertisseurs respectifs par rapport à une référence de temps choisie, permet de contrôler le coefficient de déplacement d'entrée du changeur de fréquence. Dans le cas d'un changeur de fréquence à commutation naturelle, les intervalles de conduction des deux convertisseurs doivent correspondre à la polarité du courant de charge en raison de l'usage d'interrupteurs unidirectionneis dans les deux convertisset=u Cette limitation a pour résultat un coefficient de déplacement ventrée décalé en arrière, c'est-à-dire que la composante fondamentale du courant d'entrée est décalée en arrière par rapport à la tension d'alimentation correspondante, d'un angle (angle de phase d'entrée) qui dépend du facteur de puissance de charge et de l'amplitude relative de la tension de sortie produite. I1 est évident, que si l'on choisit les mimes intervalles de conduction pour les deux convertisseurs constituant le changeur de fréquence fonctionnant suivant le mode de commutation forcée selon la précédente description, l'angle de phase d'entrée et le coefficient de déplacement d'entrée sont alors identiques à ceux du changeur de fréquence à commutation naturelle.On a déterminé théoriquement, et vérifié expérimentalement, que si l'on choisit des intervalles en opposition pour la conduction des convertisseurs du changeur de fréquence, l'angle de phase d'entrée devient alors l'opposé ou l'image réfléchie de ceux associés au changeur de fréquence à commutation naturelle. I1 s'ensuit donc qu'en faisant varier la position des intervalles de conduction des convertisseurs par rapport au courant de sortie, entre le cas où 1 'angle de phase d'entrée produit est identique à celui du changeur de fréquence à commutation naturelle, et le cas où il est opposé à l'angle de phase d'entrée du changeur de fréquence à commutation naturelle, on peut également faire varier l'angle de phase d'entrée entre ces valeurs. On a également déterminé théoriquement que l'on peut produire un facteur de puissance d'entrée à décalage constant en avant ou en arrière en établissant des intervalles de conduction fixes, de telle sorte que l'un des convertisseurs soit conducteur durant la première moitié du demi-cycle de lension de sortie et que le second convertisseur soit conducteur durant l'autre demi-cycle de la tension de sortie. I1 est évident que grâce aux interrupteurs bilatéraux, le premier et le second convertisseurs peuvent tous deux conduire le courant de l'une et l'autre polarité. Par suite, en pratique, il suffit d'utiliser l'un ou l'autre des convertisseurs et d'appliquer à celui-ci les angles d'amorçage i 1 et 2, durant les premier et second intervalles de conduction respectifs. L'invention ressortira mieux de la description qui va suivre citée à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une illustration schématique d'un changeur de fréquence fondamental comprenant un premier et un second circuits convertisseurs; les figures 2A, 2B, 2C et 2D sont des illustrations de si de conduction des convertisseurs de l'appareil changeur de fréquence de la figure 1, et des positions de conduction spécifiées; les figures 3A et 3B sont des graphiques représentant l'angle de phase d'entrée en fonction des angles de phases de la charge des convertisseurs correspondant aux signaux des figures 2A à 2D;; les figures 4 et 5 sont des illustrations de signaux de conduction des premier et second convertisseurs pour la forme de réalisation de la figure 1; la figure 6 est une illustration de signaux résultant de la combinaison des signaux des figures 4 et 5; et les figures 7A, 7B et 7C sont des graphiques des relations de l'angle de phase d'entrée, de l'angle de déplacement de conduction par rapport à la composante fondamentale de la tension de sortie, et de l'angle de phase de la charge pour des rapports de tension de 0,1 à 1,0. La figure 1 représente un appareil changeur de fréquence 10 à "six impulsions11, constitué des convertisseurs 12 et 14 couplés à une source G de tension d'alimentation d'entrée alternative. Chacun des convertisseurs est constitué d'éléments interrupteurs bilatéraux QQ dont la commande de conduction est établie par les circuits 20 et 22 de commande d'angle d'amorçage, selon un diagramme prédéterminé pour développer une onde désirée de tension de sortie alternative VOut, qui est une combinaison des ondes de sortie produites par chacun des convertisseurs 12 et 14. On dispose de nombreux dispositifs à circuits intégrés pour la réalisation des caractéristiques de conduction bilatérale des interrupteurs QQO En outre, le choix de l'appareil changeur de fréquence à six impulsions pour la description de l'invention ne constitue qu'un exemple seulement.Selon la technique connue, les formes d'ondes de tension de sortie V01 et V02 des convertisseurs 12 et 14, respectivement, sont produites par une modulation de phase appropriée des angles d'amorçage des interrupteurs bilatéraux QQ par rapport aux phases des tensions d'alimentation de la source G d'entrée, au moyen de quelque technique convenable, telle que le croisement des ondes sinusordales d'une onde de référence al ternative produite par la source 24 de référence. Le circuit 20 de commande de l'angle d'amorçage engendre les angles d'amorçage i 1 des interrupteurs bilatéraux du convertisseur 12, alors que le circuit 22 de commande de l'angle d'amorçage engendre les angles d'amorçage 2 des interrupteurs bilatéraux du convertisseur 14. les tensions de sortie V01 et V02 constituées de segments discontinus de tension correspondant aux instants d'amorçage des interrupteurs bilatéraux, engendrées par les circuits de commande 20 et 22, sont illustrées par les ondes A des figures 4 et 5. Un circuit 30 de déplacement, attaqué par un signal de référence, choisi ici sous la forme d'une référence alternative, développe une tension de sortie rectangulaire ayant une fréquence déterminée et un décalage de phase ( p ) par rapport à la composante fondamentale des tensions V01 et V02. Une onde de sortie du circuit 30 est illustrée par leB ondes B des figures 4 et So La tension de sortie du circuit 30 agit comme signal de déclenche ment des portes logiques ET 32 et 34 en appliquant alternativement les impulsions d'amorçage 1 ? et d( 2 aux convertisseurs 12 et 14.Etant donné que les composantes fondamentales des formes d'ondes V01 et V02 sont identiques, les intervalles de conduction des convertisseurs 12 et 14 peuvent être arbitrairement établis par le circuit 30 de déplacement afin de produire une tension de sortie combinée VO du changeur de fréquence, ainsi qu'illustré à la figure 6o Afin de décrire clairement et de définir l'invention en ce qui concerne le mode de fonctionnement d'un changeur de fréquence constitué d'un premier et d'un second convertisseurs, la description utilisera des conditions de fonctionnement comparables à celles d'un changeur de fréquence à commutation naturelle.Bien que cette analogie facilite l'explication de l'invention, on s'appuiera sur le fait que l'appareil changeur de fréquence réalisé selon la présente invention est basé sur l'utilisation d'éléments interrupteurs bilatéraux qui supportent une commande arbitraire de fermeture-ouverture par conduction, et présentent une possibilité de conduction du courant dans les deux sens direct et inverse, contrairement aux dispositifs conducteurs unilatéraux utilisés dans un changeur de fréquence à commutation naturelle. il est en outre évident qu'en raison de l'usage d'interrupteurs bilatéraux, l'un ou l'autre des convertisseurs 12 ou 14 peut gtre utilisé pour produire la forme d'onde combinée de sortie et le coefficient correspondant contrôlable de déplacement d'entrée. la tension de sortie VO de l'appareil changeur de fréquence 10 correspondant aux intervalles de conduction des convertisseurs 12 et 14 d'un changeur de fréquence à commutation naturelle a un angle de charge décalé en arrière de 600 (le courant de charge lo est décalé en arrière de 600 par rapport à la composante fondamentale V0f de la tension de sortie VO), et la tension de sortie totale est représentée par l'onde de la figure 2A. La relation de l'angle de phase d'entrée en fonction de l'angle de phase de charge pour ce fonctionnement de l'appareil changeur de fréquence 10 et pour divers rapports de tension de sortie est illustrée par le graphique 1 de la figure 3A.Le rapport de tension de sortie est défini comme le rapport entre l'amplitude effective de la composante fondamentale de la tension de sortie et l'amplitude maximale possible de la composante fondamentale de la tension de sortie, c'est-à-dire r = Vo/VOmax La tension de sortie V de l'appareil changeur de fréquence 10 correspondant aux intervalles de conduction des convertisseurs 12 et 14 qui sont opposés à ceux de la figure 2A, est illustrée à la figure 2B.Du fait que les convertisseurs 12 et 14 utilisent des éléments conducteurs bilatéraux, l'un de ceux-ci, 12 ou 14, peut être destiné à constituer un convertisseur positif ou néga- tif, et par suite, l'un ou l'autre des convertisseurs peut contribuer à la partie soit positive, soit négative, du courant de charge de sortie, Les relations de l'angle de phase d'entrée et de l'angle de phase de charge pour divers rapports de tension de sortie de ces intervalles de conduction opposés sont illustrées au graphique 2 de la figure 3A. On remarquera que la sélection des intervalles de conduction des convertisseurs 12 et 14 opposés à ceux déterminés pour le changeur de fréquence classique à commutation naturelle, -illustrés à la figure 2A, donne un mode de fonctionnement qui est l'inverse de celui du changeur de fréquence à commutation naturelle en ce qui concerne la forme de la tension de sortie et l'angle de phase d'entrée.On remarquera en outre que les ondes des figures 2A et 2B dépendent de l'angle de phase de charge puisque les intervalles de conduction des convertisseurs sont choisis de manière à coïncider avec les demi-pério des du courant de charge & ko Ainsi qu'on l'a fait remarquer précédemment, il est possible de produire un coefficient de déplacement d'entrée à décalage constant soit en avant soit en arrière si les intervalles de conduction des convertisseurs 12 et 14 sont établis de telle sorte que l'un des convertisseurs soit conducteur durant la première moitié du demi-cycle de la tension de sortie et le second convertisseur soit conducteur durant l'autre demi-cycle. les tensions de sortie correspondant à un coefficient de déplacement d'entrée à décalage constant en arrière sont représentées à la figure 2C et celles correspondant à un coefficient de déplacement d'entrée à décalage constant en avant sont représentées à la figure 2D. les angles de phase d'entrée s'y rapportant sont représentés aux graphiques 1 et 2 de la figure 3B, respectivement, pour divers rapports de tension de sortie. On remarquera que dans l'un et l'autre de ces cas, la tension de sortie est indépendante du courant de charge 1o puisque les intervalles de conduction des convertisseurs 12 et 14 coïncident avec les demi-périodes de la tension de sortie. La situation particulièrement décrite ci-dessus met en oeuvre des techniques destinées à contrôler le facteur de puissance d'entrée d'un appareil changeur de fréquence constitué d'un premier et d'un second convertisseurs utilisant des éléments interrupteurs bilatéraux. Cette technique est basée sur la reconnaissance du fait que grtce à un déplacement sélectif des intervalles de conduction des convertisseurs constituant l'appareil changeur de fréquence, par rapport à une référence de temps, par exemple la tension de sortie VO de l'appareil, l'angle désiré de phase d'entrée et le coefficient de déplacement d'entrée correspondant peuvent être établis.L'effet de ce décalage ou déplacement des intervalles de conduction des convertisseurs par rapport à la référence de temps choisie, c'est-à-dire le début de la tension de sortie, est illustré graphiquement aux figures 4, 5 et 6. le décalage des intervalles de conduction, désigné ci-dessous par rho (p) des convertisseurs 12 et 14, pour obtenir la forme d'onde illustrée aux figures 4 et 5, respectivement, est nul. L'onde de sortie V0 du changeur de fréquence illustrée à la figure 6 est une combinaison de parties sélectionnées de la forme d'onde illustrée aux figures 4 et 5.La valeur de la tension de sortie V0 de la figure 6 correspond à la tension totale de sortie, et par suite le rapport (r) entre la tension de sortie effective et la tension maximale de sortie est égal à un Etant donné que les composantes fondamentales de l'onde de sortie illustrée par la forme d'onde À des figures 4 et 5 sont identiques, la sélection des parties de ces ondes pour produire l'onde de sortie combinée illustrée par la forme d'onde B aux figures 4 et 5, respectivement, peut Aetre décalée de + Fi par le circuit 30 pour établir le coefficient désiré de déplacement d'entrée.La relation entre l'angle P de déplacement, l'angle de pha-se entrée, l'angle de phase de charge et le rapport de tension de sortie est définie comme suit dans # = angle de phase d'entrée laquelle # = angle de phase de charge P - déplacement d'intervalle de conduction n = 1, 2, 3, ... Wo = 2 # fo fo = fréquence de sortie (fréquence de la tension de sortie produite) t = temps Les relations définies par la précédente équation sont illustrées graphiquement aux figures 7A, 7B et 7C pour les angles de phases de charge de -450, OC et +450, et pour des rapports de tension de sortie allant de 0,1 à 1,00 Bien que la discussion ci-dessus ait porté sur la forme schématique de réalisation de la figure 1, et se soit limitée aux intervalles de conduction des convertisseurs correspondants aux demi-cycles de la forme d'onde de sortie, la nouvelle technique de commande décrite pour faire varier le facteur de puissance d'entrée dsun appareil changeur de fréquence s'applique également à d'autres formes de réalisation de convertisseurs de fréquence ainsi qu'a des intervalles de conduction autres que les intervalles de demipériodes. En outre, il est évident que l'un ou l'autre des convertisseurs 12 ou 14 pourrait individuellement satisfaire aux besoins d'un changeur de fréquence à double convertisseur du fait que chacun utilise des éléments conducteurs bilatéraux qui sont capables de conduire le courant de charge aussi bien positif que négatif. Il suffit donc d'utiliser un seul convertisseur pour produire les segments du signal combiné de sortie. REVENDICATIONS 1. Appareil changeur de fréquence destiné à convertir une tension d'alimentation d'entrée à courant alternatif d'une première fréquence en une tension de sortie alternative d'une seconde fréquence appliquée à une charge électrique, comprenant un dispositif convertisseur comportant un certain nombre d'interrupteurs bilatéraux à conduction commandée, couplés entre une source de cette tension d'alimentation d'entrée alternative et la charge électrique, chacun des interrupteurs à conduction commandée étant capable de supporter la conduction électrique dans le sens direct aussi bien qu'inverse, et un circuit de commande d'amorçage couplé au convertisseur pour établir les instants d'amorçage des interrupteurs bilatéraux afin d'engendrer un certain nombre de segments de tension correspondant à la conduction des divers interrupteurs bilatéraux à conduction commandée, appareil caractérisé par un circuit destiné à établir les intervalles de conduction de parties sélectionnées de ces segments de tension afin d'engendrer cette tension de sortie alternative, ce circuit ajustant ces intervalles de conduction par rapport à une référence de temps choisie pour faire varier le coefficient de déplacement d'entrée du convertisseur0 2.Appareil changeur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ces divers interrupteurs bilatéraux à conduction commandée constituent un premier et un second circuits convertisseurs, le circuit de commande d'amorçage commandant les instants d'amorçage de ces premier et second convertisseurs de manière que chaque circuit convertisseur développe une tension de sortie ayant approximativement la même composante fondamentale, ce circuit établissant lesdits intervalles de conduction de façon à appliquer des parties choisies de ces tensions de sortie du circuit convertisseur à la charge électrique afin de donner à cette tension de sortie alternative un coefficient prédéterminé de déplacement d'entrée de l'appareil changeur de fréquence. 7. Appareil changeur de fréquence selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les instants d'amorçage développés pour ces premier et second convertisseurs par le circuit de commande d'amorçage satisfont à la relation suivante Oc 1 + $ 2 = 1800 dans laquelle 61 définit les instants d'amorçage du premier convertisseur, et i 2 définit les instants d'amorçage du second convertisseur. 4o Appareil changeur de fréquence selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les intervalles de conduction sont choisis de façon à correspondre approximativement aux demi-périodes de la tension de sortie alternative et à coïncider approximativement aux traversées par zéro de la tension de sortie alternative de telle sorte que le premier convertisseur soit conducteur durant une demi-période de la tension de sortie et le second convertisseur soit conducteur durant l'autre demi-période. 5. Appareil changeur de fréquence selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé par le fait que la référence sélectionnée de temps est la tension de sortie alternative. 6. Appareil changeur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le coefficient de déplacement d'entrée du convertisseur est l'image réfléchie dans un miroir de celui dgun changeur de fréquence à commutation naturelle, et que des moyens sont prévus pour combiner les tensions de sortie alternatives du convertisseur et du changeur de fréquence à commutation naturelle, la combinaison de ce convertisseur et de ce changeur de fréquence à commutation naturelle donnant un appareil changeur de fréquence ayant un facteur unité de déplacement d'entrée. 7. Procédé de commande du coefficient de déplacement d'entrée d'un appareil changeur de fréquence comprenant un certain nombre d'interrupteurs bilatéraux à conduction commandée agencés de manière à constituer un premier et un second circuits convertisseurs qui sont couplés entre la source de tension d'entrée alternative et une charge électrique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à développer les instants d'amorçage de ces interrupteurs bilatéraux de ces premier et second circuits convertisseurs de telle sorte que ces convertisseurs soient capables de produire des ondes de sortie intermédiaires ayantapproximativement la même composante fondamentale, à établir leurs intervalles de conduction par rapport à une référence de temps sélectionnée, à faire passer alternativement des parties de ces formes d'onde de sortie intermédiaire de ces premier et second circuits convertisseurs à la charge pour produire une tension de sortie alternative, ces parties coïncidant avec les intervalles de conduction, et à décaler ces intervalles de conduction pour faire varier le coefficient de déplacement d'entrée de cet appareil changeur de fréquence.