Brevet FR2130066A1 — publié le 19721103

* La présente invention concerne un onduleur polyphasé à thyristors à commutation automatique dans lequel chaque phase est reliée à un conducteur positif par l'intermédiaire d'un thyristor appartenant à un premier groupe et à un conducteur 5 négatif par l'intermédiaire d'un thyristor appartenant à un second groupe» De tels onduleurs sont connus (se reporter par exemple à l'article de "Heumann-Stumpe" : thyristors, 1969, pages 183 à 188). 10 En fonction des conditions imposées à 1'onduleur, on utilise différents circuits d'extinction pour assurer la commutation automatique. Dans le cas le plus simple, on utilise un dispositif d'extinction à séquence de phase dans lequel il est prévu des condensateurs de commutation entre les phases. 15 l'extinction de chaque thyristor du circuit d'onduleur est assurée par l'amorçage du thyristor dans la phase correspondante de la séquence. A l'aide du dispositif d'extinction à séquence de phases, les différentes phases ne peuvent pas être commandées avec chevauchement. Dans le cas où cela est nécessaire, on 20 utilise le procédé de l'extinction en phase dans lequel chaque phase est associée à un circuit d'extinction séparé. Dans les onduleurs qui sont utilisés pour la commande de la vitesse angulaire de machines asynchrones, on doit pouvoir modifier non seulement la fréquence de sortie mais 25 également la tension de sortie. I 71 45130 2 2130066 de faire varier la tension de sortie de l'onduleur de manière que les différents thyristors soient commandés par intermittence et dans lequel malgré tout la dépense en circuits est bien plus faible que dans le cas d'un onduleur à extinction individuelle. 5 L'invention concerne à cet effet un onduleur du type ci-dessus caractérisé en ce qu'il! est prévu,d'une manière particulièrement simple, pour chacun des deux groupes de thyristors seulement un circuit d'extinction. Ainsi il n'est évidemment pas possible de commander simultanément les différentes 10 phases avec des impulsions présentant des rapports d'utilisation différents mais ce cas n'intervient pratiquement pas pour la commande de moteurs asynchrones, la commande de la tension et de la fréquence de la tension d'alimentation d'un moteur asynchrone est par conséquent possible sans avoir à engager des dépenses "15 en circuits d'extinction individuelle. l'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels ! - la figure 1 est un schéma du circuit d'un 20 premier exemple de réalisation de l'invention. - la figure 2 est un schéma d'un transformateur de courant utilisé dans un second exemple de réalisation. - la figure 3 représente un schéma d'un second exemple de réalisation de l'invention. 25 le premier exemple de réalisation de la figure 1 comporte du côté-entrée une borne positive 11 et une borne négative 12. Ces deux bornes peuvent être reliées à une batterie ou bien -dans le cas où. l'onduleur fait partie d'un convertisseur- à un redresseur. Elles reçoivent la tension d'ali-30 mentation U-g. la borne positive 11 est reliée par l'intermédiaire d'une première self de commutation 13 à un conducteur positif 90 tandis que la borne négative 12 est reliée par l'intermédiaire d'une seconde self de commutation 16 à un conducteur négatif 91. Entre le conducteur positif 90 et le conducteur négatif 91, il* est 35 prévu un circuit triphasé à pont se composant de six thyristors 50, 53, 60, 63, 70, 73. les points de diagonales de ce circuit à pont sont reliés à trois bornes de base R, S, T qui sont elles-mêmes reliées à trois enroulements de stator 80, 81, 82 d'une machine asynchrone. 40 Six diodes de réaction 51, 52, 61, 62, 71, 72 71 45130 3 2130066 sont branchées en anti-parallèle aux six thyristors du circuit à pont mais elles ne sont cependant pas reliées au conducteur positif 90 ni au conducteur négatif 91 mais à la borne positive 91 ou à la borne négative 12. 5 Entre la borne positive 11 et le conducteur négatif 91, il est prévu un pont d'extinction en push-pull qui comporte quatre thyristors 30, 31, 32, 33, et , dans la dérivation de diagonale, un condensateur de commutation 34. Ce pont d'extinction sert à éteindre le premier groupe de 10 thyristors 53, 63, 73 qui est relié au conducteur négatif 91. En outre, il est prévu entre le conducteur positif 90 et la borne négative 12 un pont d'extinction à contretemps se composant de quatre thyristors 40, 41, 42, 43 et d'un condensateur de commutation 44 qui sert à éteindre le second groupe de thyristors 15 50, 60, 70 qui est relié au conducteur positif 90. Sur le même noyau en fer que la première inductance de commutation 13, il est prévu un premier enroulement secondaire 14 dont une borne est reliée à la borne négative 12 et dont l'autre borne est reliée par l'intermédiaire d'une première 20 diode de coupure 22 à la borne positive 11. De la même manière, il est prévu sur un noyau en fer commun avec la seconde self de commutation 16 un second enroulement secondaire 17 qui est relié à la borne positive 11 et, par l'intermédiaire d'une secondejdiode de coupure 23, à la borne négative 12. 25 Sur la figure 2, on a représenté un transformateur de courant qui peut être utilisé dans le premier ou dans le second exemple de réalisation. Trois conducteurs 95, 96, 97 sont entourés par un noyau en fer 93 commun. Ce noyau en fer 93 comporte un entrefer dans lequel est logéeune sonde de Hall 94. la sonde de 50 Hall 94 mesure la somme des intensités de courant dans les trois conducteurs 95, 96, 97 et tient compte également de la direction de passage des courants, lorsqu'il passe dans un conducteur un courant dont la direction est inverse de celle du courant passant dans les deux autres conducteurs, son intensité est retranchée 55 des deux autres intensités. A. la place du transformateur de courant à sonde de Hall, on pourrait également utiliser un transducteur. Dans le second exemple de réalisation de la figure 3, la disposition du pont triphasé, des diodes de réaction, des enroulements secondaires et des deux ponts d'extinction est 40 la même que dans le premier exemple, les différents composants des 71 45130 4 2130066 étages précités ont été par conséquent affectés des mêmes références numériques que sur la figure 1 et ne seront pas décrits à nouveau. Comme conducteurs 95, 96, 97, on utilise les conducteurs qui relient, dans le pont triphasé, le point de jonction d'un thyristor 5 (par exemple 50) et d'une diode de réaction (par exemple 51)' avec la borne de phase correspondante (par exemple H). On est ainsi assuré de tenir compte aussi bien du courant passant dans le thyristor que du courant passant dans la diode de réaction. Les ponts d'extinction 30-34 ou 40-44 sont 10 reliés, comme dans le premier exemple, d'un côté à la borne positive 11 ou à la borne négative 12. Par contre des diodes 24 ou 27 sont branchées entre la borne positive 11 ou la borne négative 12 et les diodes de réaction 52, 62, 72 ou 51, 61, 71è Sur le même noyau en fer que la première self 15 de commutation 13 et que le premier enroulement secondaire 14, il est prévu en outre un premier enroulement additionnel 15. qui est relié d'un côté à la borne négative 12 et de l'autre côté, par l'intermédiaire d'une troisième diode 25, au point de jonction entre la diode 27 et les diodes de réaction 51, 61, 71. De même, 20 il est prévu un second enroulement additionnel 18 sur le même noyau en fer que la seconde inductance de commutation 16 et le second enroulement secondaire 17. Ce second enroulement additionnel 18 est relié d'un côté à la borne positive 11 et de l'autre côté, par l'intermédiaire d'une quatrième diode 26, au point de jonction 25 entre la diode 24 et les diodes de réaction 52,62,72. Le mode de fonctionnement du pont triphasé est connu. Par amorçage du thyristor 50, la borne de phase R reçoit la demi-onde positive et, par amorçage du thyristor 53, elle reçoit la demi-onde négative de sa tension d'alimentation. 30 La grandeur de cette tension d'alimentation peut être modifiée en assurant l'amorçage et l'extinction répétés du thyristor 50 ou du thyristor 53 pendant une demi-onde. La tension d'alimentation est d'autant plus grande que le rapport entre la durée d'impulsion et la durée de pose entre impulsions est plus élevé. Les 35 thyristors 53, 63, 73 qui sont tous reliés au conducteur négatif 91 et qui produisent par conséquent une demi-onde négative., peuvent être éteints en commun à l'aide du premier pont d'extinction 30-34. Le circuit d'extinction du thyristor 53 a été entouré sur la figure 1 par des lignes en tirets. 40 Avant le début du processus d'extinction, le 71 45130 5 2130066 condensateur de commutation 34 par exemple est chargé suffisamment pour que sa plaque de gauche soit soumise à un potentiel négatif, lorsque les deux thyristors 30 et 33 sont amorcés,, le condensateur de commutation 34 est relié d'un côté, par l'intermédiaire du 5 thyristor 30 et de la diode de réaction 52, à l'anode du thyristor à éteindre 53 et de l'autre côté, par l'intermédiaire du thyristor 33, à la cathode du thyristor 53. Du fait que le condensateur de commutation 34 a été chargé auparavant à la tension d'alimentation Œg, le thyristor 53 est soumis pendant un court 10 intervalle à la tension Ug dans la direction inverse de sorte que le courant est supprimé dans ce thyristor. Par l'intermédiaire des thyristors 30 et 33, le condensateur de commutation 34 est ensuite chargé avec une polarité inversée de sorte que maintenant la plaque de droite du condensateur est soumise à un potentiel 15 négatif, le processus d'extinction suivant peut affecter les thyristors 31 et 32. Dans le cas où un des thyristors 63 et 73 est conducteur en même temps que le thyristor 53, celui-ci est éteint par le processus de décharge du condensateur 34 décrit plus haut. 20 En conséquence, tous les thyristors simultanément conducteurs d'un groupe sont éteints. lorsque, pendant la même demi-onde, le thyristor 53 doit être éteint encore une fois après un nouvel amorçage, on doit maintenant assurer l'amorçage des deux autres thyristors 31, 32 du premier pont d'extinction afin d'appliquer 25 à nouveau la charge positive du condensateur à la cathode du thyristor 53. Lorsque la machine asynchrone fonctionne en frein, il arrive que les six thyristors 50, 53, 60, 63, 70, 73 du pont triphasé sont bloqués simultanément. Dans ce cas, seules 30 les diodes de réaction 51, 52, 61, 62, 71, 72 conduisent encore le courant de moteur. Elles renvoient l'énergie de freinage à la batterie. le mode de fonctionnement des selfs de commutation 13, 16 et des enroulements secondaires 14, 17 est connu. 35 Dans le processus d'extinction décrit plus haut, la polarité du conducteur négatif 91 est inversée pendant un court intervalle, la self de commutation 16 sert à empêcher que 1'impulsion positive de tension produite à la cathode du thyristor 33 soit transmise à la borne négative 12. Dans la self de commutation 16, il se 40 produit lors du processus d'extinction une augmentation de courant. 71 45130 e 2130066 L'énergie magnétique ainsi emmagasinée dans la self de commutation 16 est renvoyée par l'intermédiaire de l'enroulement secondaire 17 et de la diode de coupure 20 à la source de tension continue» De la même manière, la self de commutation 13 sert à empêcher l'appli-5 cation d'impulsions négatives de tension au conducteur positif 90. L'énergie magnétique emmagasinée pendant l'impulsion négative de tension dans la seLfdecommutation 13 est renvoyée par l'intermédiaire de l'enroulement secondaire 14 et de la diode de coupure 21 à la source de tension continue» 10 _ Sur la figure 3, le circuit d'extinction du thyristor 53 a été mis en évidence comme sur la figure 1• Dans le circuit d'extinction de ce second exemple de réalisation, il est en outre prévu une diode 24» Le rapport entre les nombres de spires de la self de commutation 16 et de l'enroulement 15 secondaire 17 est de préférence compris entre 2 et 4 et il a été désigné dans la suite par iù Par contre l'enroulement additionnel 18 comporte de préférence le même nombre de spires que la self de commutation» Lorsqu'il se produit le même processus d'extinction 20 que décrit plus haut, on enregistre dans le conducteur négatif 91 iin ressaut positif de tension par rapport à la borne négative 12. En conséquence, après l'inversion de polarité du condensateur 34, aussi bien l'enroulement secondaire 17 que l'enroulement additionnel 18 fournissent à leur borne de droite une impulsion négative 25 de tension» L'impulsion négative de tension de l'enroulement secondaire 17 est appliquée par l'intermédiaire de la diode de coupure 23 à la borne négative 12» Par contre, l'impulsion négative de sortie de 1'enroulement additionnel 18 est transmise par l'intermédiaire de la diode 26 et de la diode de réaction 52 30 à la borne de phase R» Cette borne de phase R recevait avant le processus d'extinction un courant négatif par l'intermédiaire du thyristor 53. Après l'extinction, elle reçoit en outre un courant -diminuant exponentiellement- à partir de l'enroulement additionnel 18» Egalement dans le premier exemple de réalisation, 35 un courant négatif à décroissance exponentielle est appliqué par l'intermédiaire de la diode de réaction 52 et après l'extinction du thyristor 53 à la borne de phase R« Ce courant est engendré par l'inductance de dispersion du moteur 80, 81, 82 et par la tension inductive limitée à 4 » IL dans la self de commutation 13. U JD 40 Dans le second exemple de la figure 3, il se 71 45130 7 2130066 produj-t en outre dans l'enroulement additionnel 15 une tension d'excitation. Lorsque par exemple les thyristors 53 et 70 sont initialement conducteurs, et lorsque le thyristor 53 est ensuite éteint, le courant de moteur produit par la tension induetive 5 limitée à — • U-g et par l'inductance de moteur est appliqué à la secondé self de commutation 13 dans le circuit indépendant R - 80 - 82 - T - 70 - 13 - 24 - 52 ~ R. Après l'inversion de polarité du condensateur de commutation 34 dans le processus d'extinction, il se produit 10 à l'extrémité initiale de 1'enroulement additionnel 18, représenté par un point, une tension négative par rapport à l'autre extrémité v 1 de l'enroulement et limitée également à ~ • Ug. Cette tension est appliquée par l'intermédiaire de la diode 26 au circuit indépendant décrit plus haut et elle s'ajoute à la tension inductive, 15 entretenant l'écoulement du courant, de la première self de commutation 13» En conséquence, le courant dans le circuit indépendant diminue plus lentement que dans le premier exemple de réalisation. Même lorsque, en cours de marche de la machine 20 asynchrone»tous les thyristors sont éteints et lorsque le courant de moteur revient par l'intermédiaire des diodes indépendantes à la source de tension continue, les enroulements additionnels produisent une augmentation de la tension d'excitation. Dans ce cas les tensions dans les enroulements additionnels s'ajoutent 25 à la tension d'excitation de la machine asynchrone fonctionnant comme générateur^ de sorte que le courant de retour diminue plus lentement• Dans le second exemple de réalisation., on peut choisir l'intervalle entre les impulsions d'amorçage des thyristors 30 à une valeur supérieure, c'est-à-dire que les différents thyristors sont amorcés moins souvent pendant une demi-onde. La perte de puissance des thyristors dans le pont triphasé et dans les ponts d'extinction est par conséquent diminuée « Le rapport entre les nombres de spires de la 35 self de commutation 16 et de l'enroulement secondaire 17 est pour cette raison choisi à une valeur comprise entre 2 et 4 car, pour un trop faible rapport, le nombre de spires (par exemple 1 î 1) produit une augmentation de tension trop grande dans le conducteur négatif 91 par rapport à la borne positive 12 après blocage du 40 thyristor 53. D'autre part, le rapport des nombres de spires ne 71 45130 8 2130066 doit pas être trop grand?car l'énergie magnétique de la self de protection 16 diminue trop lentement et la fréquence de répétition des impulsions d'extinction ne peut plus par conséquent être choisie à une valeur suffisamment élevée. 5 Les processus d'amorçage et d'extinction des autres thyristors se déroulent exactement comme pour le thyristor 53» de sorte qu'on ne les décrira pas à nouveau. Le circuit d'onduleur décrit plus haut remplit par conséquent la fonction précisée au début de cette description. Aussi bien la tension que la fréquence 10 de la tension d'alimentation peuvent être réglées à volonté aux trois bornes de phase fi, S, T. En outre, la dépense en circuits est bien plus faible que dans le cas de circuits onduleurs à extinction individuelle. Dans le cas de l'extinction individuelle, il est nécessaire d'utiliser six ponts d'extinction. A la place des deux 15 ponts d'extinction 30-34 et 40-43, on peut également utiliser d'autres circuits d'extinction, comme cela est généralement classique dans la technique des thyristors. Il est essentiel que chaque groupe de thyristors ne soit associé qu'à un seul circuit d'extinction. 20 Un tel groupe de thyristors peut également compor ter plus de trois thyristors. Lorsqu'on doit par exemple produire un courant alternatif exaphasé, chaque groupe contient alors six thyristors. Malgré cela, il suffit d'utiliser pour un groupe un circuit d'extinction. 25 Les enroulements additionnels 15 et 18 ralentissent la réduction du courant dans les enroulements 80, 81, 82 de la machine asynchrone pendant les pauses entre impulsions dans les thyristors. Ces thyristors ne doivent par conséquent pas être amorcés aussi souvent. Cela a une influence avantageuse aussi bien 30 sur le rendement de l'onduleur que sur celui du moteur. La précision du transformateur de courant est particulièrement avantageuse dans un onduleur à extinction de groupes car on peut mesurer à l'aide d'un seul système de mesure la somme de tous les courants passant dans le moteur. Cette valeur 35 de mesure est suffisante pour assurer la régulation du courant dans cet onduleur car dans chaque cas tous les thyristors d'un groupe sont simultanément éteints. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à 40 partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 71 45130 9 2130066 . REVENDICATIONS 1°) Onduleur polyphasé à thyristors et à commutation automatique, dans lequel chaque phase est reliée à un conducteur positif par l'intermédiaire d'un thyristor 5 appartenant à un premier groupe et à un conducteur négatif par l'intermédiaire d'un thyristor appartenant à un second groupe, onduleur caractérisé en ce qu'il est prévu un seul circuit d'extinction pour chacun des deux groupes de thyristors. 2°) Onduleur suivant la revendication 13 10 caractérisé en ce qu'±] est prévu comme circuit d'extinction un pont d'extinction à contre-temps comportant quatre thyristors. 3°) Onduleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2S comportant des diodes de réaction branchées en anti-parallèle par rapport aux thyristors9 caractérisé en 15 ce qu'il est prévu pour chaque phase un transformateur de courant qui est branché dans un conducteur reliant le point de jonction entre le thyristor relié au conducteur positif et la diode de réaction reliée à une borne négative et une borne de phase. 4°) Onduleur suivant la revendication 3, 20 caractérisé en ce que les conducteurs sont entourés par un noyau en fer commun dans l'entrefer duquel est disposée une sonde de Hall. 5°) Onduleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant des selfs de commutation branchées entre la borne positive ou la borne négative et le conducteur 25 positif ou le conducteur négatif et des enroulements secondaires associés aux selfs de commutation^ caractérisé en ce que chaque combinaison d'une self de commutation et d'un enroulement secondaire est associée à un enroulement additionnel et en ce qu'il est prévu à chaque fois un noyau en fer commun pour les trois enroulements. 30 6°) Onduleur suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est prévu entre la borne positive et la borne négative deux circuits-série qui se composent chacun d'un enroulement secondaire et d'une diode de coupure, les deux diodes de coupure étant polarisés dans le sens de blocage pour la tension 35 d'alimentation. 7°) Onduleur suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il est prévu entre la borne positive et les diodes de réaction une première diode et entre la borne positive et les diodes de réaction une seconde diode 40 et en ce que lesdites diodes sont polarisées dans le même sens que 71 45130 10 2130066 les diodes de réaction associées. 8°) Onduleur suivant la revendication 7» caractérisé en ce que le premier enroulement additionnel est relié d'un côté à la borne négative et de l'autre côté, par l'intermédiaire 5 d'une troisième diode, au point de jonction entre la seconde diode de blocage et les diodes de réactionset en ce que le second enroulement additionnel est relié d'un côté à la borne positive et de l'autre côté, par l'intermédiaire d'une quatrième diode, au point de jonction entre la première diode de blocage et les 10 diodes de réaction.