Brevet FR2202397A1 — publié le 19740503

L'invention proposée concerne les appareils convertissant le courant continu en courant alternatif, et plus particulièrement les convertisseurs, et elle est surtout prévue pour l'alimentation en électricité du matériel roulant des chemins de fer Les convertisseurs à thyristors avec redresseur inverse comportant une bobine de self appelée self ci-dessous, en série avec le cBnve4#isseur dans le circuit d'entrée, et des condensateurs dM dutation en dérivatio! aux bornes de la charge, sont bien connus. Lorsque ces convertisseurs sont alimentés à partir d'un réseau à forte inductance interne, il devient impossible de récupérer l'excédent de puissance réactive, accumulé dans les condensateurs de commutation et dans la charge pour le renvoyer à nouveau à la source d'alimentation. C'est pourquoi, dans les circuits convertisseur-redresseur inverse, il circule un courant continu de forte intensité, avec une valeur maximale pendant la marche à vide de l'inverseur. Cela engendre des pertes supplémentaires dans les éléments du montage du convertisseur et nécessite l'accroissement de la puissance des thyristors du convertisseur et des diodes du redresseur inverse. En outre, quand ces schémas sont utilisés pour fonctionner à partir d'un réseau d'alimentation haute tension, il est difficile d'assurer la répartition régulière de la tension parmi les thyristors et les diodes en série, surtout aux régimes dynamiques. Des convertisseurs,dans lesquels les thyristors principaux de chaque branche sont shuntés par des diodes en opposition, ce qui dans le cas de leur couplage en série améliore la répartition de la tension entre ces derniers, sont également bien connus. Cependant, les convertisseurs de ce type ne peuvent entre utilisés lorsqu'ils sont branchés à une source d'alimentation à forte inductance interne Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus des convertisseurs connus. Dans cette invention, l'on se propose de mettre au point un convertisseur ayant un schéma simplifié et permettant d'améliorer sa fiabilité ainsi que de relever ses indices techniques et économiques, tout en assurant une répartition régulière de la tension parmi lts thyristors et les diodes en série sans faire appel à des circuits d'égalisation R,RC. Cet objectif est atteint par le fait que dans le convertisseur proposé, comportant dans chaque branche des thyristors en série shuntés par des diodes en opposition, une self en série dans le circuit d'entrée du con vertisseur, et des condensateurs de commutation en dérivation aux bornes de sortie du convertisseur, conformément à l'invention, une self supplémen taisre est branchée en série ags agece * branche des thyristors. I1 est avantageux d'utiliser comme diodes en opposition aux thyristors, des diodes à avalanche. Une telle réalisation du convertisseur assure le fonctionnement des thyristors pour de faibles valeurs de la tension inverse, égales à la chute de tension directe sur les diodes conductrices du redresseur inverse, réduit les pertes dans les déments du montage du convertisseur, améliore le rendement, simplifie la construction, réduit l'encombrement et le poids total du convertisseur. L'application des diodes à avalanche branchées en opposition à chacun des thyristors en série assure la répartition uniforme des tensions dans les thyristors dans le sens direct, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des dispositifs quelconques de répartition forcée de la tension. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente le schéma électrique de principe du convertisseur de courant proposé, - la figure 2 représente le circuit équivaleat;du convertisseur conforme à la figure 1, dans l'intervalle de commutation, et - la figure 3 représente le diagramme des intensités et des tensions pour les éléments du convertisseur, dans l'intervalle de commutation. Comme il ressort de la figure 1, le convertisseur est constitué des groupes de thyristors en série 1, 2, 3, 4, 5, 6 et de groupes de diodes en série 7, 8, 9, 10, 11, 12 à couplage antiparallèle directement sur les thyristors 1 à 6 formant les branches du convertisseur se présentant sous la forme d'un pont triphasé; des selfs supplémentaires 13, 14, 15, 16, 17, 18 sont branchées-enXsérie avec chaque branche du convertisseur; des condensateurs de commutation 19, 20, 21 sont branchés aux bornes de sortie du convertisseur, d'un transformateur de puissance 22 également branché aux bornes de sortie du convertisseur, et d'une self de limitation du courant 23, branchée entre la source d'alimentation (sur la figure 1, seules ces bornes positive et négative sont représentées) et l'entrée du convertisseur. Le convertisseur fonctionne comme un convertisseur parallèle en pont triphasé, dans lequel la commutation de la branche à mettre au repos s'effectue par déblocage de l'autre branche en service. Cependant, la différence du montage du convertisseur proposé concerne les particularités des processus de commutation qui se produisent à l'intérieur. Leur explication sera donnée en référence à la figure 2 qui représente un montage équivalent du convertisseur dans l'intervalle de commutation de deux de ses bras, au cours du déblocage du thyristor 6 et du blocage du thyristor 5. Il faut alors noter que chacun des éléments semi-conducteurs représentés sur la figure 2 peut être constitué par un groupe de thyristors et de diodes à couplage série parallèle. Le fonctionnement du convertisseur dans l'intervalle de commutation (figure 2) se déroule de la façon suivante. Avant le début de la commutation, c'est-à-dire avant que l'impulsion de commande soit appliquée au thyristor 6, le courant passe par le circuit suivant : borne positive de la source d'alimentation, self de limitation du courant 23, thyristor l en conduction, self 13, phases A et B du transformateur de puissance 22, self 17, thyristor 5 et borne négative de la source d'alimentation. La charge du condensateur de commutation 20 a alors la polarité indiquée sur la figure 2. Lorsque i;'im- pulsion de commande est appliquée au thyristor 6, ce dernier est débloqué. Cela conditionne la recharge du condensateur 20 dont le courant, passant par la self 18, le thyristor 6, la diode 11 et la self 17 assure la mise à zéro du courant du thyristor 5 et le blocage de ce dernier par la chute de tension directe à la diode conductrice 11. L'intervalle de temps disponible pour le rétablissement des propriétés de blocage du thyristor 5, est déterminé par la durée de l'alternance des oscillations propres du circuit LC constitué par les selfs 17, 18 et le conducteur 20, ainsi que par l'intensité de la charge d. La commutation des thyristors des autres branches s'effectue respectivement après chaque 1/6ème de période de la fréquence de service du convertisseur, et elle s'opère d'une façon analogue au cycle considére. Les diagrammes des intensités et des tensions illustrant le régime de commutation dans le schéma représenté sur la figure 2 sont représentés sur la figure 3. il en découle en particulier que la durée totale des processus se déroulant au cours d'une commutation est égale à la moitié de la période des oscillations propres du circuit LC mentionné, et peut hêtre déterminée par la formule suivante où C est la valeur cie la capacité équivalente du condensateur 20 qui est égale + + 21 àC + 19 2 20 L, l'inductance totale des selfs 17, 18. Le temps tl prévu par le montage pour le rétablissement des propriétés de blocage du thyristor 5 se détermine de la façon suivante où t2 est l'intervalle de temps pendant lequel le courant de recharge du condensateur 20 atteint l'intensité de charge du thyristor 5 égale à d. Donc, où et U = Uc lorsque t = t co 20 o- Les valeurs des inductances des selfs 13 à 18 dans le montage du convertisdeur sont calculées de façon à limiter le taux de croissance du courant -W-- passant par les thyristors 1 à 6 au moment de leur déblocage, t r et la valeur nécessaire de la capacíté des condensateurs 19 à 21 peut être déterminée à l'aide de l'équation 3.De cette façon, le montage du convertisseur assure la limitation du taux de croissance du courant direct passant par les thyristors 1 à 6, la commutation de ces thyristors en présence d'une faible tension inverse, la recharge des condensateurs de commutation 19 à 21 dans une large gamme d'intensités et de tensions, et atours, étant donné que le courant de charge des condensateurs de commutation 19 à 21 passe par les thyristors 1 à 6 et les diodes 7 à 12, seulement pendant la durée de l'intervalle de commutation (dans un intervalle de temps de l'ordre de 100 d 200 /us), la valeur moyenne de leur intensité est très inférieure à celle des montages des convertisseurs connus.Le montage proposé du convertisseur dispose en outre de caractéristiques externes rigides particulières aux montages connus des convertisseurs parallèles en pont, en présence d'un redresseur inverse. Dans les convertisseurs haute tension, se distinguant par l'application de diodes et de thyristors en série, le schéma proposé permet en outre de réaliser un couplage antiparallèle de chaque thyristor et diode des branches correspondantes du convertisseur et du redresseur inverse, comme représenté sur la figure 1. Dans ce cas, en utilisant des diodes à avalanche, la répartition régulière de la tension aux thyristors en parallèle sera régulière, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des circuits d'égalisation R et RC. Grâce à cela, le couplage antiparallèle des diodes et des thyristors rend possible, comme mentionné plus haut, le groupement de leurs émetteurs en un seul bloc, ce qui simplifie leur construction tout en réduisant l'encombrement et le poids total du convertisseur. Le montage proposé du convertisseur a permis de réaliser un prototype de convertisseur haute tension d'une puissance de 30 kW alimenté à partir d'un réseau courant continu à 3 000 V. Les essais du prototype ont démontré une bonne aptitude de fonctionnement du montage proposé ainsi que ses avantages. Par exemple, par rapport à un prototype d'essai de même puissance, à montage classique du convertisseur en parallèle avec le redresseur inverse, l'appareil conçu suivant le nouveau schéma proposé a un rendement supérieur de 5 %, son encombrement est trois fois moindre, et son poids plus faible. Il va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou variantes sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Convertisseur de courant comportant dans chaque branche des thyristors en série shuntés par des diodes en opposition, une self en série dans le circuit d'entrée du convertisseur et des condensateurs de commutation en dérivation aux bornes de sortie du convertisseur, caractérisé en ce qu'une self supplémentaire est branchée en série avec chaque branche de thyristors. 2 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les diodes branchées en opposition aux thyristors mentionnés sont des diodes à avalanche.