Brevet FR2115401A1 — publié le 19720707

La présente invention se rapporte à un circuit onduleur statique utilisant une combinaison de deux ou plusieurs circuits onduleurs du type en pont, interconnectés au moyen de transformateurs interphases à prises réglables, afin de développer une ten-5 sion de sortie en échelons présentant une distorsion harmonique faible» Grâce au positionnement sélectif des prises et à nns ac-tivation séquentielle convenable des éléments commutateurs de puissance composant les circuits en pont, une sinusoïde en échelons peut être obtenue comme forme d'onde de tension à la sortie 10 de l'onduleur. Les onduleurs statiques conformes à la technique actuelle, destinés à produire des formes d'ondes de tension sinusoïdales, emploient généralement des techniques utilisant soit des ponts à haute fréquence avec modulation à la fréquence de sortie fondamentale, soit un schéma compensateur d'harmoniques né-15 cessitant de nombrevc étages onduleurs individuels. Bien que chacune de ces techniques permette d'obtenir la tension de sortie souhaitée, elles présentent toutes deux des inconvénients. Parmi ces inconvénients figurent le prix des éléments de commutation rapides nécessaires dans les ponts à fréquences élevées, et la 2D nécessité de prévoir des transformateurs de sortie individuels pour chacun des étages onduleurs du schéma à compensation d'harmoniques. Cette dernière technique est décrite dans le brevet U.S. N° 3.4-91.282 de la demanderesse. La présente invention utilise un circuit onduleur statique 25 différentiel à ponts multiples, comportant un auto-transformateur inter-phases associé à chaque circuit de pont. La position des prises sur les transformateurs interphases est choisie de manière que l'activation séquentielle prédéterminée des éléments de commutation des circuits de pont permettent de combiner les tensions 30 correspondantes aux diverses combinaisons dàs sections entre prises des transformateurs interphases, afin de générer une tension de sortie en échelons de sinusoïde entre les prises des trais-formateurs interphases. Ce schéma autorise l'emploi de dispositife de commutation économiques, comme les transistors de puissance, 35 en raison des fréquences de commutation relativement basses qui sont nécessaires. De plus, ce schéma limite le temps pendant lequel les transformateurs interphases sont amenés à supporter la 71 42231 2 2115401 tension totale. Ceci minimise les exigences en volts-secondes pour les transformateurs interphases et permet donc l'utilisation de transformateurs relativement petits» Cette invention deviendra plus facilement compréhensible à partir de la description suivante te donnée à titre d'exemple, en liaison avec les dessins joints sur lesquels : la fig. 1 est une illustration schématique de l'onduleur statique utilisant les principes de l'invention ; les fig, 2A, 2B et 2C illustrent graphiquement le fonction-10 nement de l'onduleur statique de la fig. 1 ; et, les fig. J et 4 sont des représentations schématiques d'autres formes possibles de l'invention. En se référant à la fig. 1, on trouve illustré un circuit onduleur différentiel à ponts multiples, composé des circuits en 15 ponts complets B1 et B2, et des auto-transformateurs interphases T1 et T2, muni des prises réglables TP1 et $P2 qui sont connectées aux bornes d'une charge électrique L. La conduction des éléments de commutation des circuits en pont B1 et B2 qui sont représentés ici par les transistors Q1-Q4 et Q5-Q8, respectivement, 2 0 es-j; commandée par un circuit de commande programmé de transistors 20, en réponse aux impulsions d'horloge fournies par une horloge principale 30. Le rapport de transformation choisi par le positionnement des prises 1TP1 et TP2, en liaison avec la séquence de commande 25 de transistor établie par le circuit de commande 20, détermine la forae de la tension composée fournie sur la charge L. Pour illustrer les possibilités du circuit onduleur différentiel 10, supposons que la prise TP1 soit positionnée pour établir un rapport 15/85 sur le transformateur T1, comme on l'a re-3D présenté sur la fig. 1, et qu'une prise TP2 soit positionnée pour obtenir le rapport 35/65 pour le tran^bmateur T2. Ces positions des prises ne constituent qu'un ensemble de positions possibles. Il est évident que de nombreuses autres combinaisons sont possibles. Avec les rapports choisis, des niveaux de tension intermé-35 diaires de 15 35 %* 50 %, 65 %, 85 %, et 100 % de la tension d'entrée continue totale, par rapport à la masse, peuvent être développés aux bornes de la charge L. Une sinusoïde en échelons, 71 42231 3 2115401 du type illustré sur la fig» 2A, peut être synthétisée par la séquence de commande des transistors indiquée sur la fig. 2B. Par exemple, le niveau de tension correspondant à 15 % de E™ pour la DO demi—période positive de la forme d'onde de la fig. 2A est obtenu 5 en débloquant les transistors Q1 et Q4 du circuit en pont B1 et les transistors Q5 et Q7 du circuit en pont B2. la séquence de commande fournit une tension de 85 % de Eqç sur la prise TP1 et une tension de 100 % de E^ sur la prise TP2. La sortie différentielle globale résultante, aux bornes de la charge L, est donc 10 de +15 % de E^ç, avec la convention de polarité indiquée. Le niveau de tension correspondant à 15 % de EDC pour la demi-période négative, est obtenu en débloquant les transistors Q2 et Q3 du circuit en pont B1 et les transistors Q6 et Q8 du circuit en pont B2. La séquence de commande fournit une tension de 15 % de ®D0 1 5 sur la prise Q?P1, et un potentiel nul par rapport à la masse sur la prise TP2, et par suite une tension différentielle globale aux bornes de la charge de -15 % de E^r. Les autres échelons de tension de la forme d'onde de la fig. 2A sont engendrés d'une manière analogue, selon les séquences de commande des transistors de 20 la fig. 2B. Bien que la fréquence d'horloge du circuit de déblocage 20 soit de trente fois la fréquence de l'onde de sortie, comme le montre la séquence de déblocage de la fig. 2B nécessaire pour générer la forme d'onde de la fig. 2A, il est également évident, 25 d'après cette même séquence, que les commutateurs à transistors individuels des circuits en pont travaillent à un rythme bien inférieur, minimisant ainsi les pertes de commutation,, De plus, les commutateurs individuels à transistors n'ont jamais à supporter la pleine charge du courant, ainsi que le mon-30 tre le tableau suivant : -Les commutateurs à transistors Q1 et Q2 acheminent 85 % dû courant à pleine charge - « » " Q3 et Qfi- " 15 % rant à pleine charge _ " « u Q5 et Q6 " 65 % 35 rant à pleine charge - » " " Q7 et Q8 " 35 % rant à pleine charge i tt i tt 71 42231 2115401 Cfeci permet la conception d'onduleurs à nombre de KVA élevés, tout en évitant le prix et la complexité de commutateurs connectés en parallèles. Un examen plus approfondi des séquences de commande de la fig. 2B montre que les transformateurs interphases T1 et 5 T2 ne sont appelés à supporter la tension totale, soit 100 % de EDC ^ue pour seulement 48° sur les 360° d'un cycle. Ceci est évident pour le transformateur T1 pour lequel des volts-secondes positifs sont développés durant l'activation des transistors Q1 et Q4, des volts-secondes négatifs durant l'activation des transis-10 tors Q2 et Q3, et des volts-secondes nuls durant l'activation des transistors Q1 et Q5 ou Q2 et Q4. Ceci apparaît sur le graphique de la figure 2C, qui représente les conditions de commutation qu'on vient de décrire. Comme il existe 30 segments de commutation dans chaque cycle de la séquence de déblocage de la fig. 2B, '15 chaque segment représente 12°* Le fait que le transformateur T1 ne doive supporter la tension totale que pour quatre segments consécutifs confirme que le transformateur T1 n'a à supporter la tension totale que pour 48° sur les 360° du cycle. La même analyse s'applique au transformateur T2. Tout ceci réduit les exi-20 gences en volts-seconde pour les enroulements du transformateur, par rapport à ce qui serait nécessaire pour un transformateur qui serait soumis continuellement à la tension totale, et signifie essentiellement que le circuit d'onduleur différentiel à ponts multiples 10 peut fournir une tension à 400 hertz, tout en utili-25 sant des transformateurs interphases équivalents en dimensions à des transformateurs calculés pour une fréquence de 1,6 kHz. Outre la possibilité d'une technique efficace pour développer une"tension de sortie sinusoïdale, le circuit onduleur différentiel à ponts multiples 10, synthétise une sinusoïde présentant 30 très peu de distorsion harmoiique, comme il est indiqué ci-dessous: Rapport Amplitude crete/tension continue Rapport harmonique/ fondamental x 100 % fondamental 1,035 0 0 0 3ème harmonique 0 0 0,0243 0 ■zc 5ème harmonique 5 7ème harmonique 9ème harmonique 11ème harmonique 13ème harmonique 0,00176 Q0086 2,35 % 0 0,17 % 0,83 % 71 42231 5 2115401 L'indice de modulation du circuit 10 est de 1,035. Cet indice représente le rapport entre la valeur de la tension de la source Eqç et la valeur de crête de l'onde de sortie sinusoïdale de l'onduleur. Un indice de modulation dépasse rarement 1,1. Plus 5 l'indice de modulation est élevé, plus faible est la tension de la source continue nécessaire pour générer la sortie sinusoïdale désirée. De plus, l'amplitude de la tension que les commutateurs à transistors sont amenés à supporter, est réduite dans un circuit présentant un indice de modulation optimal. 10 Un filtre de sortie F peut être utilisé pour filtrer les si nusoïdes synthétiques de la fig. 2A et produire une sinusoïde de bonne qualité. Des formes additionnelles de l'invention sont représentées schématiquement sur les fig. 3 et 4. 15 Le circuit onduleur de tension différentielle à pont multiple 40 de la fig. 3 comprend un circuit à pont complet FB1 et un circuit demi-pont HB, la prise de sortie réglable du transformateur interphases T3 appliquant la sortie du pont complet PB sur une des bornes de la charge L et la sortie du demi-pont HB étant 20 appliquée sur la deuxièire borne de la charge L. Le nombre d'échelons de tension constituant la forme d'onde de sortie en échelons du circuit 40 est inférieur au nombre d'échelons produit par le circuit 10 de la fig. 1, en raison du nombre réduit des combinaisons de commutation pour les commutateurs à transistors Q du cir-25 cuit 40. Le circuit onduleur à tension différentielle et à ponts multiples 50 de la fig. 4 est un circuit onduleur triphasé comprenait les ponts complets FB2, PB3 et PB4 et leurs transformateurs interphases respectifs T4, T5 et T6. Une tension sinusoïdale de ligne 30 à ligne, synthétisée sous forme d'échelons, est développée sur les prises intermédiaires des transformateurs respectives A, B et C, en accord avec un positionnement correct des prises et une séquence de déblocage des commutateurs à transistors, comme on l'a décrit plus haut. En raison de la nécessité supplémentaire de 35 maintenir des relations en phase correctes entre les ondes de tension d'un circuit onduleur triphasé et en raison de la contribution en tension de chaque pont aux signaux des autres ponts, la 71 42231 6 2115401 position des prises doit être la même sur les transformateurs T1, 0?5 et T60 Il est évident, d'après tout ce qui a été dit, que le concepë-de base de l'onduleur statique à tension différentielle peut être appliqué à de nombreux circuits onduleurs à ponts multiples, en plus de ceux qui ont été illustrés ici. 71 42231 7 2115401 REVENDICATIONS 1. Appareil onduleur électrique commandé par une source de potentiel continue et transmettant un potentiel alternatif à une charge caractérisé en ce qu'il comprend une série d'étages ondu-5 leurs de puissance renfermant chacun une série de commutateurs à conduction commandée qui ferment sélectivement un circuit sur la charge, des transformateurs inter-phases couplés en fonctionnement à la sortie des étages de puissance, chacun de ces transformateurs ayant des prises placées de façon à engendrer une sér;r e 10 de tensions de sortie inégales et prédéterminées correspondant à des pourcentages prescrits dudit potentiel continu et un circuit de commande de la conduction des commutateurs qui combine arith-métiquement suivant une séquence variée lesdites tensions de sortie desdits transformateurs en engendrant des impulsions de ten-15 sion d'amplitudes diverses formant un signal de tension prédéterminé appliqué à la charge0 2o Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite série d'étages onduleurs de puissance comprend un premier et un deuxième circuit d'onduleur en ponts, comprenant chacun un 20 circuit en pont complet dont les bras renferment lesdits commutateurs et un transformateur de sortie entre phases ayant une prise mobile qui divise l'enroulement cte ce transformateur en deux sections, cette prise étant placée de façon à engendrer des tensions d'amplitudes déterminées aux bornes desdites sections, lesdites 25 prises mobiles des premier et deuxième circuits en pont étant connectées respectivement à une première et une deuxième borne de la charge. 3. Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé enœ que les amplitudes desdites tensions correspondent respectivement 35 à 15 %, 35 %, 65 % et 85 % du potentiel continu. 4. Appareil selon les revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que ledit réseau d'impulsions de tension constitue approximativement une sinusoïde ayant des demi-périodes positives et négatives et présentant un faible niveau d'harmoniques. 55 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre connecté entre les sorties du premiei; et du deuxième circuit en pont et la charge. 71 42231 8 2115401 6. Appareil onduleur commandé par une source de potentiel continu transmettant un potentiel alternatif polyphasé à une charge polyphasée caractérisé en ce qu'il comprend des circuits onduleurs en pont complet multiples renfermant chacun dans leurs bras 5 des commutateurs à conduction commandée dont le nombre correspond au nombre de phases de l'appareil onduleur, chaque circuit onduleur ayant une prise mobile qui divise l'enroulement d'un transformateur de sortie entre phases en deux sections aux bornes desquelles il s'établit deux tensions d'amplitudes prédéterminées, 10 lesdites prises étant connectées à la charge, et un circuit de commande de la conduction des commutateurs des circuits en ponts respectifs qui combine arithmétiquement suivant une séquence variée lesdites tensions d'amplitudes prédéterminées en engendrant nn réseau d'impulsions de tension d'amplitudes diverses qui for-ment tin signal de tension déterminé appliqué à la charge. 7. Appareil selon la revendication 6 caractérisé en ce que les positions respectives des prises mobiles des transformateurs de sortie respectifs sont identiques.