Brevet FR2111828A1 — publié le 19720609

Il est connu dans la technique d'utiliser un signal cfô réaction provenant de la sortie d'un transformateur de puissance d'un onduleur qui est comparé à un signal de référence alternatif pour la commande l'amorçage des interrupteurs de l'onduleur afin de ^ développer un courant de sortie alternatif qui se rapproche d'un signal de référence alternatif dans des limites prescrites, alors que la présente invention décrite assure la compensation du retard de transport de l'onde de sortie alternative d'un onduleur, produit par le temps d'emmagasinage des éléments interrupteurs -10 fto*1 parfaits de l'onduleur, la tension de réaction n'assurant pas l'anticipation optimale des excursions du signal de sortie alternatif au delà des limites du signal de référence alternatif. La présente invention définit une technique perfectionnée pour assurer l'anticipation d'excursions du signal de sortie al-15 ternatif de l'onduleur. L'invention utilise un circuit qui contrôle le changement de l'intensité du courant par rapport au tenps dans un circuit de filtrage associé à la sortie du transformateur de puissance de l'onduleur» Ce changement d'intensité assure l'anticipation optimale des excursions de tension, et un signal cor-20 respondant à ce changement d'intensité est appliqué au circuit de commande de l'onduleur afin de réduire au minimum les excursions de tension du signal alternatif au delà des limites pràs-crites définies par le signal de référence alternatif. La figure 1 est une illustration schématique de la forme 25 préférée de réalisation ; les figures 2 et 3 sont des représentations de formes d'ondes illustrant le fonctionnement de la forme de réalisation de la figure 1 ; la figure 4 est une illustration schématique d'un autre 30 agencement d'onduleur similaire à celui représenté à la figure 1; et la figure p est une autre illustration schématique du procédé de contrôle du changement de l'intensité de sortie de l'onduleur de la figure 1. 35 En référence à la figure 1, l'étage de puissance type en pont 10 d'un onduleur schématiquement représenté comprend les interrupteurs de puissance Q1, Q2, Q3 Q4-, une source de 71 38242 2 2111828 tension courant continu, et un circuit 20 de commande de conduction des interrupteurs de puissance, destiné à produire les signaux B et B de déclenchement de ces derniers. La tension E . out de sortie du circuit onduleur, apparaissant aux bornes du trans-5 formateur de sortie T est développée par la conduction alternée commandée des paires Q1-Q4 et Q2-Q3 d'interrupteurs de puissance. Le train d'impulsions modulé par impulsions à largeur variable est filtré par la bobine de choc L1 et la capacité Cl de façon à produire une onde 'de sortie à harmoniques neutralisés, ty-10 piquement une onde sinusoïdale0 Le circuit de commande 20 a pour fonction de réduire au minimum la distortion de la tension E ^ de sortie de l'onduleur en commandant la conduction des interrupteurs de puissance Q1 à Q4 en fonction de la divergence de cette tension de sortie par 15 rapport à une tension de référence de valeur et de fréquence commandées. Le circuit de commande 20 applique essentiellement un. déclânchement au hasard des paires d'interrupteurs de l'onduleur par l'intermédiaire d'un circuit d'attaque 50 en réponse à une divergence préétablie de la valeur de la tension de sortie de 20 l'onduleur par rapport à la tension de référence, et ce faisant oblige essentiellement la tension de sortie de l'onduleur à reproduire la tension de référence. La fréquence de la référence alternative correspond à la fréquence désirée de la tension de sortie de l'onduleur. 25 Le circuit de commande 20 comprend un circuit comparateur GC pourvu d'une borne d'entrée positive PT, d'une borne d'entrée négative NT, d'un circuit 40 de réaction ou rétroaction positive, et d'une borne de sortie OT. La tension filtrée E ^ de sortie de l'onduleur, la tension E ^ de référence alternative produite par 50 la source de tension alternative 30, et un signal de réaction du circuit 40 sont combinés et appliqués à la borne d'entrée PT d'un circuit comparateur au moyen d'un réseau de résistances d'entrée comprenant les résistances R1, R2, R3 et E5* Le fonctionnement du circuit comparateur GO est illustré par les formes d'onde 35 des figures 2 et 3. L'onde EQui. de sortie de l'onduleur est illustrée sous la forme d'une tension alternative présentant une distortion et des signaux transitoires, alors que l'onde de 71 38242 5 2111828 référence Epe£ est illustrée sous lg. forme d'une onde présentant une distortion essentiellement nulle et exempte de composante continue. La variation de la tension E ^ de sortie de l'onduleur au delà des limites préétablies +L et —L par rapport à la tension c- de référence, représentée par la forme d'onde 3A, a pour résultat la production de signaux de sortie plus ou moins du circuit comparateur, ainsi qu'illustré par la forme d'onde 3B, qui correspond aux points P1, P2, P3, P4... de la forme d'onde 3A. Les signaux de sortie du circuit comparateur, sous la forme des si--*lg gnaux d'attaque B et B provenant du circuit 50, commandent le déclenchement des interrupteurs de puissance Q1 à Q4 afin de maintenir la tension E ^ de sortie de l'onduleur dans les limites +L et -L. L'application des signaux d'attaque B et B par le circuit 50 pour déclencher les interrupteurs de puissance Q1 à Q4 15 peut £tre typiquement réalisée selon les principes du brevet américain N° 3 412 316, délivré le 19 Novembre 1968. Le circuit de réaction 40 qui comprend la capacité C2 et un réseau diviseur comprenant les résistances E4 et S59 a pour fonction d'appliquer une partie du signal de sortie du circuit 20 comparateur à la borne d'entrée positive PT. Les limites +L et -L sont déterminées par les résistances R4 et R5 du circuit 40 de réaction, Une région d'hystérésis inhérente ou de bande d'erreur, est définie par les limites +L et -L par rapport à la tension de référence. Cette hystérésis as- 25 sure un intervalle défini de temps 4t, entre les instants successifs P1, P2, P3S P4... de commutation des interrupteurs de puissance Q1 à Q4 par les sorties d'attaque B ainsi qu'illustré à la figure 3. Pour un choix correct des composants du circuit 40 de réaction, la valeur des limites +L et -L et par suite l'interval-30 le de temps défini At, peut être modifiée de manière à égaler ou à excéder le temps d*emmagasinage des interrupteurs de puissance, et permettre ainsi aux impulsions de déclenchement appliquées à ces interrupteurs de les amener à saturation, en réduisant ainsi au minimum leur perte de sens direct en empêchant le 35 "biseautage" d'une impulsion de déclenchement. Lorsque l'intervalle de temps At est supérieur au temps d'emmagasinage des interrupteurs de puissance, le retard de transport nominal des 71 38242 4 2111828 impulsions de déclenchement ne produit aucune distortion appréciable de l'onde de sortie de l'onduleur. La capacité 02 du circuit 40 de réaction isole effectivement la "borne d'entrée PT de toute tension moyenne continue gui c; peut se présenter à la "borne de sortie OT du circuit comparateur 00. Le fonctionnement du circuit de commande 20 pour la production des signaux d'attaque B et S est identique quelle que soit la polarité de la sortie E de l'onduleur. Il n'existe aucune 10 nécessité d'utilisation pour les basculeurs logiques généralement incorporés aux circuits onduleurs de tenir compte des changements de la polarité de sortie» La sortie du circuit comparateur CC passe de B à B lorsque la différence nette entre la sortie E de l'onduleur et la ré-» out 15 ference Ere£ excede la valeur de la limite appropriée, soit +L, soit -L, établie par les résistances E4 et E5. Le circuit comparateur CC produit un signal de sortie positif lorsqu'un signal positifret existe à la borne positive d'entrée I-'ï par suite de la combinaison d'un signal proportionnel à 20 ia tension EQU^ de sortie de l'onduleur, d'un signal proportionnel à la tension de référence Ere^, et d'un signal proportionnel à la limite préétablie -L, établie par le circuit 40 de réaction. Un signal d'attaque B fait produire à la porte logique NON-ET LG un signal de sortie quj , par l'intermédiaire du fonctionnement 25 du circuit d'attaque 50, déclenche les interrupteurs de puissance Q1 et Q4 à 11 état de conduction afin de ramener la tension de sortie EQU^. dans les limites préétablies +L et -L. Inversement, le signal de sortie du circuit comparateur CC devient négatif quand un signal négatif net existe à la borne d'entrée PT par 30 suite de la combinaison du signal proportionnel à la tension E ^ de sortie de l'onduleur, d'un signal proportionnel à la tension de référence Ere£, et d'un signal proportionnel à la limite +L établie par le circuit de réaction 40. Ce signal de sortie du circuit comparateur est manifesté par un signal d'attaque B pro-35 venant de ce circuit CC0 Le signal d'attaque B a pour fonction de déclencher les interrupteurs de puissance Q2 et Q3 à l'état de conduction afin d'inverser la tendance positive de la tension 71 38242 5 2111828 Eout B qui assure la compensation de la tension de sortie E , excé- out dant la limite +L, le circuit 40 de réaction a pour fonction de 5 maintenir l'effet correctif du signal positif d'attaque B jusqu'à ce que la tension de sortie E ^ atteigne la limite négative -L. Inversement dans le cas d'un signal d'attaque B fourni par le circuit comparateur CG, le circuit de réaction a pour fonction de maintenir l'effet correctif du signal B jusqu'à ce que 10 la tension EQu^. de sortie d'onduleur atteigne la limite +L. La relation entre les signaux B et B d'attaque des interrupteurs de puissance et les formes d'onde de tension Eref et 30Ut» est illustrée à la figure 2. Il ressort de cette figure 2 que le signal d'attaque B est capable d'effectuer un régime éle-15 vé de changement dans la tension EQU^. de sortie de l'onduleur lorsque la différence ÙY1 entre le signal d'attaque B et la forme d'onde EQU^ devient faible et que la différence Ù.Y2 augmente. Inversement, le signal d'attaque B est capable d'effectuer un régime beaucoup plus élevé de changement de la tension de sortie 2G de l'onduleur à mesure qu'augmente En raison du fort régime de changement de la tension de sortie de l'onduleur, il est désirable d'assurer une anticipation dans un circuit des grands changements de tension afin d'empêcher les excursions au delà des limites +L et -Lo Oe fonction-^ nement anticipé est assuré par un circuit d'anticipation 60 qui contrôle le changement d'intensité dans la capacité C1 de filtrage de sortie par rapport au temps, et qui applique un signal de commande anticipée è la borne d'entrée PI du circuit comparateur GG. Le contrôle du changement d'intensité donne une indication 30 du changement de la tension de sortie alternative de l'onduleur avant que ne se produise effectivement ce changement de tension. Le changement d'intensité dans la capacité Cl est contrôlé par les enroulements n1, n2 et n3 du transformateur d'intensité CT. Ce transformateur CT fait également fonction d'élément inductif 35 de filtrage dans le circuit de sortie du transformateur T. Les changements d'intensité du courant dans les demi-périodes du signal alternatif de l'onduleur sont transmis par l'enroulement ni, 71 38242 6 2111828 et par les enroulements n2 et n3, au circuit d'anticipation 60. Ce circuit 60 consiste en une combinaison à démodulation synchrone des interrupteurs à transistors Q11 et Q12, avec un signal de polarisation de base fourni par la sortie du générateur d'onde 5 carrée 62, des diodes CR1 et CR2, et de la résistance R7 du signal de sortieo Le générateur 62 convertit la tension de référence alternative en une tension rectangulaire qui est déphasée par rapport à la tension de référence. Au cours de l'excursion positive de la tension de référen-10 ce, le générateur 62 produit une tension de sortie carrée qui est en opposition de phase et qui amène le transistor Q12 à la con-duction0 La demi-période positive de l'onduleur 10 est également produite, Âu cours de la demi-période positive de la tension de sortie de l'onduleur, notamment au voisinage de la tension de 15 crête, la possibilité diminuée ( û Y) d'élever la tension de sortie a pour résultat un faible changement d'intensité de courant, J'extrémité opposée au point du transformateur d'intensité CT a'intensite étant/positive. Toute tension induite dans le transformateur CT durant cette charge de la capacité est bloquée par la diode CR2 20 et le transistor Q11. Toutefois, quand l'attaque passe au signal ÏÏ cette attaque a pour résultat de faire tirer par la capacité Cl un courant relativement fort le point du transformateur CT étant positif. Cette impulsion d'intensité est transmise par le transistor Q12 et la diode CR2 à la résistance R7 et appliquée à 25 l'entrée PT du circuit comparateur CC afin de régler le niveau continu de la référence alternative„ Le réglage de la référence alternative produit un retour prématuré anticipé au signal B afin d'éviter un dépassement de compensation par le signal B. Au cours du demi-cycle négatif de la référence alternative 30 et de la tension de sortie de l'onduleur, le transistor Q11 est commuté en conduction et le transistor Q12 est commuté au blocage, et il se produit un mode de fonctionnement similaire à celui du demi-cycle positif pour assurer l'anticipation du dépasâsment de compensation par le signal B0 55 Les valeurs des signaux d'attaque B et B sont proportion nelles à la tension d'entrée fournie par la source Y-^ç de tension courant conèinu, et sont par suite susceptibles d'engendrer la 71 38242 7 2111828 tension ondulée. Ainsi qu'il a été observé plus haut, toutefois, la capacité C3 compense la non linéarité des signaux d'attaque B et B, Etant donné que l'amplitude de la tension E ^ de sortie 5 d'onduleur est strictement proportionnelle à la tension de référence toute modulation de la tension d'entrée n'est pas transférée à la tension EQU.j_, à condition que les niveaux d'attaque B et B soient maintenus supérieurs aux valeurs de crêtes de l'onde de sortie EQU^. afin d'assurer ainsi que ni 471, ni ù V2 ne deviennent nuls. Le circuit de commande 20 répond à la variation de la tension de sortie de l'onduleur provenant de la régulation du transformateur, de la régulation du filtre de sortie, de la modulation de teiision d'entrée, etc., en modifiant les largeurs 15 des impulsions produites par les interrupteurs de puissance d'onduleur Q1, Q2, Q3 et Q4 afin d'obliger l'onde de sortie E .j. de l'onduleur à reproduire approximativement la tension de référence Eref circuit de puissance de l'onduleur est obligé de reproduire la tension de référence E £ qui est habituellement sinusoï-20 dale, mais peut être autre, avec un degré de précision qui peut être déterminé par le degré de réaction appliqué à la borne PT, la construction de l'onduleur, et le choix de S1, R2 et C3. La réponse transitoire assurée par le circuit de commande 20 est supérieure à celle fournie par les techniques connues en 25 ce sens qu'elle compense immédiatement les largeurs d'impulsions d'onduleur pour corriger à l'optimum la régulation du transformateur et/ou du filtre de sortie, ainsi que les changements de tension d'entrée fournie par la source Ce concept de commande des onduleurs à modulation par im-30 pulsions à largeur variable peut être étendu aux agencements triphasés simplement en utilisant d'autres circuits de commande pam? ghaque phase ainsi qu'une source triphasée de tension de référence. On obtiendra ainsi un onduleur triphasé qui assure la régulation de tension des phases individuelles, et une commande de 35 déphasage qui n'est pas affectée par des charges à phases non équilibrées. La figure 4 représente un autre étage de puissance 40 71 38242 8 2111828 d'onduleur, qui est d'une façon générale un étage de puissance à prise centrale. Puisque les inversions de polarité entre B et B s'effectuent à une fréquence relativement élevée, et que l'intensité est relativement forte, le couplage entre les deux branches ^ de l'étage de puissance à prise centrale est critique. On utilise un type spécial de bobine de choc du type André L2 qui est bobinée avec un fil litzendraht bifilaire et qui permet d'obtenir un couplage capacitif très serré avec capacitance répartie dans tous les enroulements de choc. La combinaison de la bobine de choc 10 André à haute fréquence et l'utilisation des capacités C3A et CJB aux bornes des entrées du circuit de puissance à prise centrale permet la commutation à haute fréquence des interrupteurs de puissances ^5 et Q6 sans distortion de sortie. En raison de l'utilisation du fil rond bifilaire au lieu du 15 clinquant plat couramment utilisé, la capacité entre les deux bobines de choc André présente un moindre degré de capacitance grâce aux surfaces limitées de contact des bobines adjacentes. Oeci réduit appréciablement, aux bornes des bobines de choc, la capacité qui pourrait détruire les dispositifs interrupteurs de puis-20 sance en raison de la forte surintensité qui serait produite au moment de leur activation. Les bobines de choc utilisées soit dans le circuit de puissance 10, soit dans le circuit de puissance 40, sont du type "oscillant" dans lequel 1'indactance est réduite par la fréquence 25 fondamentale du courant de sortie. La bobine de choc "oscillante" améliore le rendement pour des charges légères et réduit au minimum les pertes dans des conditions de marche stable. La dérivation du changement d'intensité dans la capacité C1 de filtrage pourrait être effectuée au moyen d'une résistance 30 au lieu des inductances du transformateur d'intensité OT. L'absence de charge résistive dans le transformateur d'intensité assure un effet non linéaire produisant une sélectivité de régime de changement d'où s'ensuit une charge d'impédance accrue pour nn régime accru de changement d'intensité, c'est-à-dire que plus 35 grand est le régime de changement d'intensité, plus grande est la charge d'impédance. Ceci assure une réponse anticipée qui est proportionnelle à la vitesse de variation d'intensité. 71 38242 9 2111828 L'utilisation d'une résistance E10 au lieu du transformateur d'intensité est illustrée schéniatiquement à la figure La résistance manque de sensibilité à la fréquence et au "retour" inductif du transformateur d'intensité ce qui élimine la néces-5 sité du circuit démodulateur synchrone 60. Il est donc évident que si la sensibilité à la fréquence n'est pas requise, la réalisation d'un circuit de réaction pour introduire l'anticipation de changement de la tension de sortie par contrôle des changements d'intensité de sortie peut être réalisée grâce à l'utilisation de 10 la résistance R1C de détection d'intensité et de la résistance R7 d'entrée du comparateur. 71 38242 10 2111828 EEVEEDICATIOÏÏS 1 « Appareil onduleur de puissance destiné à convertir une tension d'entrée courant continu en une tension de sortie alternative, comprenant des interrupteurs à conduction commandée cou-^ plés entre une source de cette tension d'entrée continuât un transformateur de puissance de sortie de l'onduleur, un circuit de commande couplé à ces interrupteurs pour en commander la conduction afin de développer cette tension de sortie alternative aux bornes du transformateur de puissance de sortie, le fonction-10 nement du circuit de commande étant fonction de cette tension de sortie alternative, appareil caractérisé par un circuit de réaction anticipée couplé entre le transformateur de puissance de sortie et le circuit de commande qui applique à ce dernier un signal de commande indiquant un changement dans l'intensité du cou-15 rant du transformateur de sortie par rapport au temps. 2. Appareil onduleur de puissance selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de réaction anticipée comprend une capacité de filtrage connectée aux "bornes de sortie du transformateur de sortie et un dispositif répondant à l'intensité 20 connecté en série avec cette capacité de filtrage. 3„ Appareil onduleur de puissance selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ce dispositif répondant à l'intensité est une résistance. Appareil onduleur de puissance selon la revendication 2, 25 caractérisé par le fait que ce dispositif répondant à l'intensité est un transformateur d'intensité„ 5. Appareil onduleur de puissance selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé par le fait que le circuit de commande produit des signaux destinés à commander la 30 conduction de ces interrupteurs afin de maintenir la tension de sortie alternative dans les limites prédéterminées d'une tension de référence alternative, le signal de commande du circuit de commande anticipée de réaction fournissant au circuit de commande une indication des changements imminents de la tension de sortie 35 alternative„