Brevet FR2111827A1 — publié le 19720609

La présente invention a pour ob;jet un dispositif de commande à cycle d1hystérésis d'un transformateur de puissance. Une faible composante de courant continu de déséquilibre entre les volts-seconde des demi-cycles alternatifs dans le fonc-5 tionnement d'un transformateur de puissance de sortie d'un onduleur statique coursait continu-courant alternatif, peut avoir pour résultat un "amorçage" éventuel du noyau magnétique du transformateur de puissance à une extrémité de son cycle d'hystérésis asymétrique. L'intensité du courant d'excitation avec un noyau 10 "amorcé" ou saturé, peut dépasser de plusieurs fois le courant de charge instantané le plus élevé imposé à l'onduleur, à moins que soient ne prises certaines mesures preventives. Les circuits ondu leurs statiques les plus récents posent un nouveau problème auquel ne satisfont suffisamment aucunes des solutions antérieure-15 ment utilisées, telles que la division du noyau et l'achèvement prématuré du demi-cycle de conduction des interrupteurs de puissance. Dans ces récents onduleurs qui produisent une forme d'onde (habituellement sinusoïdale) de fréquence fondamentale prescrite, au moyen de nombreux cyles discontinus de commutation par pério-20 L'une des causes principales de la composante courant conti-30 nu dans les onduleurs provient du fait des erreurs de temps de commutation commises par inadvertanceDans les réalisations ré-centes d1 onduleurs, le problème se complique considérablement car il surgit une accumulation de ces erreurs de temps de commutation en raison de la création de segments multiples, alors que dans 55 les solutions classiques à onde rectangulaire ou quasi-rectabulaire, il n'y a qu'un seul segment commandé par demi-période. On évite une condition potentielle d'emballement en détec 71 38241 2 2111827 tant l'état du transformateur de puissance plutôt qu'en tentant d'équilibrer les volts-seconde au moyen d'un dispositif indépendant. Une fois imminente ia saturation du transformateur de puissance, l'augmentation du courant d'excitation tend à réduire les 5 volts-seconde fournis par l'intermédiaire de l'impédance interne de la source d'attaque (moyen classique de commander la saturation); toutefois, un dispositif détecteur indépendant doit compenser cette perte de volts-seconde et par suite perdre sa stabilité. 10 Un dispositif détecteur magnétique est utilisé dans l'inven tion pour contrôler l'état du flux magnétique du noyau du transformateur de sortie de l'onduleur durant les demi-cycles alternés de l'onde de tension de sortie alternative de l'onduleur. Si un déséquilibre se produit entre le flux magnétique des demi-cycles 15 alternés, le dispositif détecteur magnétique transmet un signal représentant ce déséquilibre à un circuit antisaturation du transformateur de puissance, qui lui-même développe un signal de rétroaction ou de réaction. Ce signal de rétroaction est appliqué au circuit de comman-20 de qui a pour fonction de commander la création de ces diverses impulsions de tension positives et négatives de demi-cycle pour régler la teneur en volts-seconde de ces impulsions de tension afin de rétablir approximativement l'équilibre entre les états de flux magnétique des demi-cycles positifs et négatifs de la ten-25 sion de sortie alternative de l'onduleur. Un dispositif détecteur magnétique particulièrement utile comprend un petit noyau en C qui chevauche un petit entrefer à échelons du noyau du transformateur de puissance sans faire contact avec ce dernier. L'entrefer échelonné est relativement exempt 30 de flux magnétique, sauf en cas d'imminence de saturation du noyau du transformateur à une extrémité du cycle d'hystérésis. La bobine (A) associée au noyau C répond à la présence du flux magnétique dans l'entrefer à échelons en transmettant un signal au circuit de commande d'antisaturation. 35 La figure 1 est une illustration schématique d'un circuit onduleur statique réalisé selon l'invention; les figures 2A et 2B sont des illustrations de formes d'on 71 38241 3 2111827 de du circuit de la figure 1 ; les figures 3 et 4 illustrent le fonctionnement de l'onduleur statique de la figure 1 ; et les figures 5A et 5B sont des illustrations d'une autre ^ technique de contrôle de l'état du flux magnétique dans le noyau du transformateur de puissance d'un onduleur. L'application de la présente invention pour développer un signal de rétroaction indiquant le déséquilibre du flux magnétique entre les demi-cycles positifs et négatifs d'une tension de 10 sortie alternative d'un onduleur statique comme moyen de réglage des volts-seconde des segments discontinus de commutation de l'onduleur par demi-cycle pour rétablir l'équilibre du flux magnétique sera décrite en référence au dispositif onduleur schémati-quement représenté à la figure 1. Cet onduleur a été choisi pour 15 donner une explication claire de l'invention. Il est évident que celle-ci peut s'appliquer tout aussi bien à d'autres dispositifs onduleurs. En référence à la figure 1, l'étage type 10 de puissance d'onduleur en pont schématiquement représenté comprend les inter-20 rupteurs de puissance Q1, Q2, Q3 et Q4, une source de tension courant continu VDC, et un circuit 20 de commande de conduction des interrupteurs de puissance destiné à créer les signaux B et B de déclenchement de ces interrupteurs. La tension de sortie du circuit onduleur, apparaissant aux bornes du transformateur de 25 sortie T de ce dernier est développée par la conduction alternée commandée des paires Q1-Q4 et Q2-Q3 d'interrupteurs de puissance. Le signal de modulation par impulsions à largeur variable résultant est filtré par la bobine de choc L1 et la capacité C1 afin de produire une onde de sortie à harmoniques neutralisés, typique-30 ment une onde sinusoïdale. Le circuit de commande 20 a pour fonction de réduire au minimum la tension de sortie E ^ de l'onduleur, en réglant la conduction des interrupteurs de puissance Q1 à Q4 en fonction de la divergence de la tension de sortie de l'onduleur par rapport à 35 une tension de référence de valeur et de fréquence oomsiandees. Le circuit de commande 20 effectue essentiellement un déclenchement au hasard des paires d'interrupteurs d'onduleur au moyen d'un 71 38241 4 2111827 circuit d'attaque 50 en réponse à une divergencfi préétablie de la valeur de la tension de sortie de l'onduleur par rapport à la tension de référence, et ce faisant oblige cette tension de sortie à reproduire la tension de référence. La fréquence de référence al-^ ternative correspond à la fréquence de sortie désirée de l'onduleur. Le circuit 20 comprend un circuit comparateur CG pourvu d'une borne positive d'entrée PT, d'une borne négative d'entrée NT, d'un circuit 40 de rétroaction positive, et d'une borne de 10 sortie OT. La tension filtrée de sortie E ^ de l'onduleur, la tension Ere£ de référence courant alternatif produite par la source 30 de tension courant alternatif, et un signal de rétroaction fourni par le circuit 40 sont combinés et appliqués à la borne d'entrée PT du circuit comparateur par l'intermédiaire d'un ré-15 seau de résistances d'entrée comprenant les résistances R1, B2, R3 et B5. Le fonctionnement du circuit comparateur CC est illustré par les formes d'onde des figures 3 et 4. L'onde E .j. de sortie de l'onduleur est illustrée sous la forme d'une onde alternative contenant une distortion et des phénomènes transitoires, 20 alors que l'onde de référence alternative Ere£ est illustrée sous la forme d'une onde alternative présentant essentiellement une distortion zéro et exempte de composante à courant continu» La variation de la tension de sortie E ^ au delà de limites préétablies +L et -L par rapport à la tension de référence alternative, 25 ainsi qu'illustré par l'onde (A), a pour résultat la production de signaux de sortie positif ou négatif du circuit comparateur, ainsi qu'illustré par l'onde (B) et correspondant aux points P1, P2, P3, P4.,. de l'onde 3A. Les signaux de sortie du circuit comparateur, sous la forme de signaux d'attaque B et B du circuit 30 d'attaque 50, commandent le déclenchement des interrupteurs de puissance Q1 à Q4, afin de maintenir la tension Eoub de sortie d'onduleur dans les limites +L et -L. L'application des signaux d'attaque B et B fournis par le circuit 50 pour déclencher les interrupteurs de puissance Q1 à Q4, peut être typiquement réalisée 35 selon les principes du brevet américain N° 3.412.3"16 délivré le 19 Novembre1968. Le circuit 40 de rétroaction qui comprend la capacité C2 et 71 38241 5 2111827 un réseau diviseur composé des résistances R4 et R5, a pour fonction d'appliquer une partie du signal de sortie du circuit comparateur à la borne d'entrée positive PT. Les limites +L et -L sont établies par les résistances R4 5 et R5 du circuit 40 de rétroaction. Une région inhérente d'hystérésis ou bande d'écart est déterminée par les limites +L et -L par rapport à la tension Eref de référence courant alternatif. Cette hystérésis assure un intervalle de temps défini À t, entre les instants successifs de commutation P1, P2, P3, P4... des in-10 terrupteurs de puissance Q1 à Q4 produit par les sorties d'attaque B ainsi que représenté à la figure 4. Pour un choix correct des composants du circuit 40 de rétroaction, la valeur des limites +L et -L et par suite l'intervalle défini de temps A. t, peut être modifiée de manière à égaler ou à excéder le temps d'emmaga-sinage des interrupteurs de puissance et permettre ainsi aux impulsions de déclenchement appliquées aux interrupteurs de puissance de les amener à saturation, de réduire ainsi au minimum leur perte de chute de tension de sens direct, et d'empêcher la perte ou le "biseautagew d'une impulsion de déclenchement de l'interrup-20 teur de puissance. Quand l'intervalle défini de temps A.t est supérieur au temps d'emmagasinage des interrupteurs de puissance, le décalage en arrière nominal de transport d'impulsion de déclenchement ne produit aucune distortion appréciable de l'onde de sortie de l'onduleur. 25 La capacité 02 du circuit 40 de rétroaction isole effecti vement la borne d'entrée PT de toute tension moyenne continue qui peut être appliquée à la borne de sortie OT par le circuit comparateur CCo Le fonctionnement du circuit de commande 20 pour produire 30 les signaux d'attaque B et B est le même quelle que soit la polarité de la tension de sortie EQut de l'onduleur. Il n'existe aucune nécessité d'utilisation d'un basculeur logique généralement incorporé aux circuits onduleurs pour tenir compte des changements de polarité de sortie de ceux-ci. 35 La sortie du circuit comparateur CC passe de B à B lorsque la différence nette entre la sortie E t de l'onduleur et la référence Ere£ alternative excède la valeur de la limite appropriée, 71 38241 6 2111827 soit +L, soit -L, établie par les résistances E4- et Rp. Le circuit comparateur CC produit un signal de sortie positif lorsqu'un signal positif apparaît à la borne d'entrée positive PT par suite de la combinaison d'un signal proportionnel à la ^ tension de sortie EQU^, d'un signal proportionnel à la tension Eref de référence alternative, et d'un signal proportionnel à la présente limite -L qui est établie par le circuit 4-0 de rétroaction. Le signal d'attaque B fait produire par la porte logique LG du type NOIT-ET un signal de sortie qui, par l'intermédiaire du -]q circuit d'attaque 50, amène les interrupteurs de puissances Q1 et Q4- à l'état de conduction afin de ramener la tension de sortie EQUt dans les limites préétablies +L et -L. Inversement, le signal de sortie du circuit comparateur CC devient négatif lorsqu'un signal négatif existe sur la borne d'entrée PT par suite de la 15 combinaison d'un signal proportionnel à la tension EQU^ de sortie d'onduleur, d'un signal proportionnel à la tension Eref de référence et d'uqéignal proportionnel à la limite préétablie +L établie par le circuit 40 de rétroaction. Ce signal de sortie du circuit comparateur se manifeste par un signal d'attaque B appliqué 20 à ce dernier. Le signal d'attaque B a pour fonction d'amener les interrupteurs de puissance Q2 et Q3 à l'état de conduction pour inverser la tendance positive de la tension Eou^. de sortie de l'onduleur et ramener celle-ci dans les limites préétablies +L et -L. Dans le cas d'un signal d'attaque B qui assure la compensation 25 d'une tension de sortie EQU^. qui excède la limite +L, le circuit 40 de rétroaction a pour fonction de maintenir l'effet correctif du signal positif d'attaque B jusqu'à ce que la tension de sortie de l'onduleur EQnt atteigne la limite négative -L. Inversement, dans le cas d'un signal d'attaque B produit par le circuit compa-30 rateur CC, le circuit de rétroaction a pour fonction de maintenir l'effet correctif du signal d'attaque B jusqu'à ce que la tension E j_ de sortie de l'onduleur atteigne la limite +L. Outre la commande correctivs de la conduction des interrupteurs de puissance de. l'onduleur que l'on vient de décrire, un 35 autre paramètre encore, le déséquilibre de flux magnétique dans le noyau CO du transformateur de puissance T, mesuré par le détecteur magnétique M, et le circuit 60 antisaturation du transfor— 71 38241 7 2111827 mateur de sortie, assure la commande de la teneur en volts—seconde des demi-cyies de l'onde de sortie E ^ de 1'onduleur afin d'empêcher la saturation du noyau. Dans la forme particulière de réalisation représentée à la 5 figure 1, le dispositif détecteur magnétique M comprend un petit noyau Me en C qui chevauche un entrefer ou fente à échelons g formé dans le noyau 00 du transformateur de puissance. Le noyau Me chevauche l'entrefer à échelons g de telle sorte que cet entrefer g soit maintenu relativement exempt de flux magnétique sauf 10 quand la saturation du noyau CO à une extrémité de la boucle d'hystérésis du transformateur est imminente. Le noyau Me est décalé de quelques dixièmes de millimètres par rapport au noyau CO de sorte que le flux magnétique est détourné seulement en présence de flux dans l'entrefer g. L'état du flux magnétique équi-15 libré dans les demi-cycles alternés de l'onde de sortie de l'onduleur a pour résultat l'induction d'un signal total aéro dans l'enroulement W à prise centrale qui est associé au noyau Me. S'il survient dans le flux magnétique des demi-cycles de la sortie alternative de l'onduleur un déséquilibre indiquant 11 imminence pos-20 sible de la saturation du noyau CO, l'enroulement W développe un signal indiquant le déséquilibre et qui est appliqué au circuit 60 antisaturation du transformateur de puissance. Le circuit 60 antisaturation est constitué par une combinaison d'un démodulâtes? synchrone comprenant les interrupteurs à transistors Q11 et Q12 25 avec polarisation de base fournie par la sortie du générateur d'onde carrée 62, des diodes CR1, CR2, CR3 et CR4-, et de la résistance R7 du signal de sortie. Le générateur d'enie rectangulaire 62, convertit la tension de référence alternative en une tension rectangulaire qui, en raison de l'influence de la capacité 04 est 30 déphasée de 90° par rapport à la tension de référence. Les ondes d'entrée d'intensité et de tension relatives au générateur 62 d'onde carrée sont illustrées aux figures 2A et 2B0 Les interrupteurs à transistors Q11 et Q12 sont commutés en conduction alternativement de telle sorte que chaque transistor soit conducteur 35 pendant 180°; le transistor Q11 étant conducteur de la tension de référence de crête plus à la tension de référence de crête moins, et Q12 étant conducteur de la tension de référence de crête moins 71 38241 8 2111827 à la tension de référence de crête plus. Les diodes CR1, CR2, CR3 efc GR4 redressent les signaux développés par l'enroulement W à prise centrale, qui sont illustrés # par les ondes SP et SN des figures 2A et 2B, respectivement. L'on-5 de SP représente le déséquilibre de flux magnétique dans le noyau CO résultant d'un excès de volts-seconde dans le demi-cycle positif de l'onde de sortie alternative de l'onduleur, alors que l'onde SN représente le déséquilibre du flux magnétique dans le noyau CO survenant à la suite d'un excès de volts-seconde dans le demi-^0 cycle négatif de l'onde de sortie alternative de l'onduleur. Le circuit antisaturation 60 développe une tension continue aux bornes de la résistance R7 de la tension de sortie0 Ce signal est mélangé avec le signal développé aux bornes de la résistance R3 pour régler la composante de courant continu de la tension de ré-15 férence de manière à réduire la valeur de la teneur en volts-seconde des impulsions de tension du demi-cycle de sortie de l'onduleur présentant des tendances à la saturation du noyau CO, et à augmenter la teneur en volts-seconde des impulsions de tension de l'autre demi-cycle. Le réglage de la teneur en volts-seconde 20 des demi-cycles respectifs de l'onde de sortie alternative de lbn-duleur rétablit l'équilibre du flux magnétique entre les demi-cycles alternés de l'onde de sortie, en empêchant ainsi la saturation du noyau CO. Bien que la description du fonctionnement du circuit anti-25 saturation 60 ait été faite en référence à la production d'un signal de commande à courant continu, le fonctionnement du circuit 60 peut être réalisé avec d'autres circuits développant soit un signal continu, soit un signal alternatif selon la configuration du dispositif onduleur. 30 Les figures et 5B représentent schéaatiquement une au tre forme de réalisation du dispositif détecteur magnétique M. Cette forme est utile dans un transformateur de puissance ST du type blindé. Elle présente l'avantage d'éliminer la nécessité d'un entrefer échelonné* Deux bobines exploratrices W identiques 35 sont disposées autour des branches opposées du noyau, les enroulements d'exploration étant connectés selon une configuration à point milieu, avec deux enroulements de chaque côté du point 71 38241 9 2111827 milieu. Cetbe configuration convient pour la connexion directe au circuit 60 de la figure 1. En outre, il est évident que la sortie du détecteur magnétique M peufc être appliquée à un circuit indicateur 70, Figure 1, qui utilise l'état du flux magnétique du transformateur de puissance comme moyen de déterminer la saturation de ce dernier. 71 38241 2111827 REVENDICATIONS 1* Appareil onduleur de puissance destiné à convertir une tension d'entrée continue en une tension de sortie alternative comprenant un certain nombre d'interrupteurs à conduction comman-5 dée, accouplés à un transformateur de puissance de sortie qui produit la tension de sortie alternative, un circuit de commande de conduction couplé à ces interrupteurs à conduction commandée afin d'en commander la conduction en engendrant des demi-cycles positifs et négatifs de la tension de sortie alternative, ces demi-10 cycles étant constitués de multiples cycles discontinus de commutation de ces interrupteurs, appareil caractérisé par un dispositif détecteur magnétique associé au noyau du transformateur de puissance de sortie afin d'en contrôler l'état de flux magnétique durant les demi-cycles alternés de la tension de sortie alter-15 native développée dans ce transformateur et de produire un signal de sortie correspondant au déséquilibre du flux magnétique entre ces demi-cycles positif et négatif, et un circuit couplé au détecteur magnétique qui interprête ce signal de sortie comme indication de la saturation du transformateur de puissance de sortie. 20 2. Appareil onduleur de puissance selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ce circuit consiste en un circuit de commande d'antisaturation couplé entre le détecteur magnétique et le circuit de commande de conduction, le circuit de commande d'antisaturation répondant au signal de sortie du détecteur magnéti-25 que en engendrant un signal de sortie qui est appliqué au circuit de commande de conduction pour régler la teneur en volts-seconde des demi-cycles positifs et négatifs afin de rétablir approximativement l'équilibre entre les états du flux magnétique des demi-cycles positifs et négatifs de la tension de sortie alternative. 30 3» Appareil onduleur de puissance selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'une tension de référence alternative est appliquée au circuit de commande de conduction, ce dernier commandant la conduction des interrupteurs en engendrant "une tension de sortie alternative similaire à la tension de référence, 35 le signal de sortie du circuit antisaturation étant une tension continue qui est combinée avec la tension de référence afin de régler le niveau continu de la tension de référence pour contrôler la teneur en volts-seconde des demi-cycles positifs et négatifs.