Brevet FR2199225A1 — publié le 19740405

La présente invention a pour but de décrire un dispositif permettant de transmettre une tension de façon que le rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée soit supérieur, égal ou inférieur à l'unité. Un tel dispositif peut être utilisé soit pour alimenter, à partir d'une source à tension fixe, une charge, telle qu'un moteur électrique de traction par exemple, avec une tension pouvant varier dans une large plage, soit pour alimenter à tension constante une charge à partir d'une source de courant à tension variable dans une large plage.Le dispositif selon ltinvention peut, en particulier, etre utilisé pour la commande d'un moteur électrique de traction à partir d'une batterie dtaccumulateur, ce moteur électrique pouvant autre, par exemple, un moteur à courant continu à collecteur, un moteur à commutation électronique ou un moteur asynchrone précédé d'un dispositif on duleur. progressif progressif On sait que, pour obtenir le démarragesd'un moteur de traction, on peut utiliser un rhéostat ou un ensemble de résistances ; ce dispositif a l'avantage de la simplicité mais entratne par effet Joule au cours du démarrage, des pertes excessives. On saif % ue f on a déjà décrit des dispositifs dévolteurs comportant en série, entre une source et la charge à alimenter, par exemple le moteur électrique de traction, d'une part un organe commutateur et, d'autre part, de préférence, un organe de lissage ; organe commutateur hache le courant d'alimentation provenant de la source de façon que la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge soit inférieure à la tension de la source. La présence de l'organe de lissage éventuel permet de faire en sorte que le courant dans la charge alimentée par un tel circuit dévolteur ne soit pas trop discontinu. L'avantage d'un tel dispositif dévolteur connu est de permettre, atours de la commande des moteurs électriques de traction, un démarrage progressif sans pertes excessives par effet Joule, Cependant, lorsque le démarrage est effectué, la source d'alimentation du moteur de traction, par exemple une batterie à courant continu, est connectée directement au moteur. On se trouve donc devant deux possibilités : ou bien on utilise une alimentation à tension élevée, par exemple environ 100 volts ou plus, ou bien on utilise une alimentation à tension relativement faible, par exemple environ 25 volts ou moins.Selon la premiere possibilité, on utilise un moteur dont le point de fonctionnement nominal correspond à une tension élevée : on peut ainsi utiliser un moteur économique car, à puissance égale, plus la tension nomi nale est élevée, plus les dimensions des fils d'alimenta'ion et/ou du collecteur et/ou le dimensionnement des semi-conducteurs de puissance sont réduits ; de plus, dans le cas d'un moteur à collecteur, les dimensions des balais sont plus faibles lorsque le courant est plus faible, et par consequent les pertes par frottement diminuent lorsque la tension nominale est augmentée. On voit donc, pour toutes les causes ci-dessus exposées, que l'on a intéret à augmenter la tension nominale du moteur de traction.Cependant, comme on Luta vu, un tel dispositif dévolteur de type classique entraîne, après la phase de démarrage, l'égalité de la tension fournie par la source et de la tension aux bornes du moteur : il en résulte que Si l'on utilise un moteur à tension nominale élevée, la source, par exemple la batterie, qui alimente ce moteur, devra etre une source haute tension0 Or, on sait qutà énergie égale, une batterie basse tension est plus légère et moins chère qu'une batterie haute tension ; de plus, elle est plus fiable et elle permet lthybridation avec des piles à combustible à basse tension. I1 en résulte que, dans cette première possibilité, le gain économique que l'on peut opérer sur le moteur de traction se trouve compensé par une perte sur la batterie.Au contraire, si, selon la deuxième possibilité envisagée, on utilise un système à tension nominale faible, le gain économique sur la batterie sera positif, mais il sera compensé par une perte sur le moteur, pour les raisons qui ont été exposées ci-dessus. On voit donc que les dispositifs dévolteurs de type classique entratnent nécessairement une perte, soit sur la source, soit sur la charge du circuit où ils sont interposés. La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients précités en proposant un dispositif pouvant fonctionner soit comme organe dévolteur, soit comme organe survolteur, lorsqu'il est interposé entre une source, par exemple une batterie et une charge , par exemple un moteur de traction. Le dispositif selon l'in- vention permet donc d'utiliser une batterie basse tension, intéressante sur le plan économique, pour alimenter un moteur de traction à tension nominale élevée : dans ce cas, le dispositif selon l'invention constitue un organe survolteur au moment du fonctionnement à tension nominale ; mais le dispositif selon l'invention peut aussi fonctionner en organe dévolteur pour que la tension dtalimentation du moteur soit amenée au-dessous de la tension nominale, et meme au dessous de la tension de la source ; en d'autres termes, lors d'un démarrage d'ur, moteur électrique de traction équipé du dispositif selon irinvention, la tension appliquée aux bornes du moteur de traction croit de zéro à la tension de la source, pendant que le dispositif selon l'invention fonctionne en organe dévolteur, puis de la tension de la source à la tension nominale du moteur, pendant que le dispositif selon l'invention fonctionne en organe survolteur. I1 convient de remarquer qu'un tel dispositif selon l'invention facilite, en outre, le freinage par récupération d'énergie. Le principe du freinage par récupération consiste à utiliser le moteur électrique comme générateur pendant le freinage pour charger la source, c'est-à-dire la batterie ; lorsqu'on utilise un dispositif dévolteur de type classique, il faut prévoir un dispositif survolteur auxiliaire puisque la tension du moteur fonctionnant en générateur est inférieure cu égale à la tension de la batterie ; au contraire, lorsque l'on utilise le dispositif selon l'invention, pour un moteur à excitation indépendante, il suffit de connecter directement le moteur à la batterie pendant le freinage, puisque la tension nominale du moteur est supérieure à celle de la batterie, et de prévoir un controle de courant inducteur du moteur pour éviter une éventuelle surcharge de ladite batterie. La présente invention a donc pour objet le produit industriel nouveau que constitue un dispositif survolteur-dévolteur interposé entre une source et une charge, caractérisé par le fait qu'il comporte un commutateur reliant un élément de stockage d'é- nergie alternativement soit à la source, soit à la charge, la tension obtenue aux bornes de la charge étant fonction de la fréquence de commutation et du temps de charge de l'élément de stockage d'énergie. Dans un mode préféré de réalisation, la source est une batterie à courant continu ; la charge est un moteur électrique de traction ; le commutateur est un circuit comportant au moins, soit un thyristor et une diode, soit un transistor et une diode,l'élé mant de stockage d'énergie comporte au moins une self ; l'élément de stockage d'énergie peut aussi constituer un transformateur. On peut avantageusement faire en sorte que le commutateur soit constitué d'une diode associée à un circuit comportant en parallèle sur une première branche un thyristor de puissance, et sur une deuxième branche, à partir de la batterie, d'une part, un circuit oscillant comportant un condensateur placé en parallèle sur un premier thyristor suivi d'une self, et d'autre part, en série avec ce circuit oscillant, un deuxième thyristor.Dans le cas où on utilise un tel circuit commutateur, on allume d'abord le thyristor de puissance : l'élément de stockage d'énergie, par exemple la self, se trouve alors en parallèle avec la source, et accumule une certaine énergie : on allume également le premier thyristor du circuit oscillant : le condensateur de ce circuit se charge, on allume ensuite le deuxième thyristor du circuit commutateur la tension aux bornes du condensateur du circuit oscillant se trouve mise en parallèle avec le thyristor de puissance qui s'éteint. On obtient l'effet de dévoltage ou de survoltage en agissant soit sur la fréquence de hachage du courant, soit sur le temps d'ouverture du thyristor de puissance, soit encore sur ces deux facteurs simultanément. Les trois thyristors et la diode sont protégés chacun par un circuit résistance-capacité disposé en parallèle sur l'élément à protéger, une self étant placée en série avec chacun des éléments protégés. Dans le cas particulier où l'élément de stockage d'énergie est un transformateur, l'un des enroulements du transformateur se trouve en série, d'une part, avec la partie du commutateur, qui comporte le circuit oscillant et tous les thyristors et, d'autre part, avec la batterie, l'autre enroulement du transformateur étant en série avec la diode du commutateur et avec le moteur de traction. Les résultats que l'on obtient sont évidemment fonction du rapport de transformation du transformateur, c'est-à-dire que l'effet de survoltage est d'autant plus accentué que le transformateur a un rapport de transformation plus élevé. On peut avantageusement selon l'invention commander les trois thyristors du circuit commutateur ci-dessus défini au moyen dtun ensemble comportant un générateur de tension en "dents de scie", dont on compare les signaux à un niveau de tension continu, cette comparaison étant réalisée par un comparateur qui génère ou non une tension, suivant que la tension en dents de scie précitée est supérieure ou inférieure au niveau de tension continu, qui lui est comparé, la tension en créneaux ainsi obtenue commandant en premier lieu, sur son flanc montant, un premier monostable délivrant des impulsions de commande que l'on envoie sur la gachette du thyristor de puissance, en second lieu, sur son flanc descendant, un deuxième monostable fournissant des impulsions que l'on envoie sur la gachette du second thyristor du circuit commutateurss ce deuxième monostable produisant également, par l'intermédiaire d'un circuit retard, des impulsions que l'on envoie surla gachette du premier thyristor du circuit commutateur. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, deux modes de réalisation représentéseur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure 1 représente le schéma d'un premier mode de réalisation du dispositif survolteur-dévolteur selon l'invention ; - la figure 2 représente le schéma d'un deuxième mode de réalisation du dispositif survolteur-dévolteur selon l'invention ; - la figure 3 représente le schéma de principe de lensem- ble générateur d'impulsions permettant de commander les gâchettes des thyristors de l'un ou l'autre des modes de réalisation des figures 1 ou 2 ; - la figure 4 représente, en fonction du temps, les impulsions obtenues au moyen des différents éléments de l'ensemble générateur de la figure 3. En se référant au dessins et plus particulièrement à la figure 1, on voit que l'on a désigné par 1 la source d'alimentation d'un moteur de traction 2. La source 1 est une batterie délivrant une tension continue de 24 volts ; le moteur 2 est un moteur à courant continu dtune tension nominale de 100 volts et d'une puissance de 3 Kw (sa vitesse de rotation est de 1 300 t/mn). Aux bornes du moteur 2, on a disposé un condensateur 3 de 1 600 P Entre la batterie 1 et le moteur 2 sont interposés en série,d'une part, un circuit à thyristors et, d'autre part, une diode 4.Le circuit à thyristors précité est interposé entre la batterie 1 et la diode 4, ladite diode étant elle-meme disposée entre les deux dérivations que constituent, d'une part, le condensateur 3 et, d'autre part, une self 5 de 1,25 mH. Le circuit à thyristors est constitué de deux branches disposées en parallèle ; l'une des branches comporte un thyristor de puissance 6 ; ltautre branche comporte un circuitoecillant dans lequel un condensateur 7 est monté en parallèle sur une self 8 précédée d'un premier thyristor 9. Le circuit oscillant 7,8,9 est suivi d'un deuxième thyristor 10. Le condensateur 7 est un condensateur de 60/t4F ; la self 8 est 20/'N. Les trois thyristors 6,9,10 et la diode 4 sont des composants électroniques fournis par la société IESTINGHOUSE, la référence commerciale de la diode 4 étant : "Wl5F", la référence com merciale du thyristor de puissance 6 étant : "21U1 Fut', et les ré férences commerciales des deux thyristors 9 et 10 étant : "2542 Fut'. Chacun de ces quatre composants est protégé par un circuit résistance-capacité monté en parallèle sur le composant à protéger, et par une self montée en série avec ledit composant. La self est constituée de quelques spires enroulées sur un noyau ferromagnétique de 2 cm2 de section comportant 0,03 mm d'entrefer total Les caractéristiques de ces éléments de protection sont données dans le tableau suivant :: Référence du Résistance Capacité Nombre de spires composant en ohms en P F de la self 6 10 1 4 10 47 0,47 5 9 zo 10 1 4 15 0,22 2 Sur la figure 3, on a représenté l'ensemble générateur,qui permet la commande des thyristors 6,9,10. Cet ensemble générateur comporte un générateur de tension en "dents de scie" 11, dont la tension de sortie est comparée, par un comparateur 12, à un niveau de tension continue fourni par une source 13.Lorsque la tension de sortie du générateur ll est inférieure à la tension fournie par la source 13, le comparateur 12 envoie sur deux monostables 14 et 15 une tension, qui disparatt lorsque la tension fournie par le générateur ll devient supérieure à la tension de la source 13 : le comparateur 12 génére ainsi une tension en créneaux. Le monostable 14 fournit sur le flanc montant du créneau obtenu à partir du comparateur 12 une impulsion, qui traverse le circuit de mise en forme 14a et qui est envoyé sur la gachette du thyristor 6. Le monostable 15 fournit, sur le flanc descendant du créneau de tension obtenu à partir du comparateur 12, une impulsion qui traverse le circuit de mise en forme 15a et est envoyée sur la gachette du thyristor 10. Après interposition d'un circuit de retard 16 > le monostable 15 provoque également une impulsion retardée par rapport à l'impulsion envoyée sur la gachette du thyristor 10, ladite impulsion retardée traversant un circuit deise en forme 16a et étant envoyée sur la gâchette du thyristor o, Sur la figure 4, on a représenté, en fonction du temps, les tensions obtenues à la sortie des divers éléments de l'ensemble générateur représenté sur la figure 3. Sur la première ligne est figurée la courbe 111 de la tension en dents de scie obtenue à partir du générateur 11, le niveau de tension de comparaison déli vré par la source 13 étant représenté par la droite 113.Sur la deuxième ligne est représenthe la courbe 112 de la tension de sortie en créneaux obtenue à partir du comparateur 12. Sur la troisième ligne sont figurées les impulsions 114 obtenues à partir du monostable 14 et envoyées sur la gâchette du thyristor 6. Sur la quatrième ligne sont figurées les impulsions 115 obtenues à partir du monostable 15 et envoyées sur la gâchette du thyristor 10. Enfin, sur la cinquième ligne sont représentées les impulsions 116 obtenues à partir du circuit de retard 16 et envoyées sur la gâchette du thyristor 9. Quand on allume le thyristor de puissance 6, en envoyant sur sa gchette une impulsion 114, la self 5 se trouve branchée aux bornes de la batterie et elle accumule, par conséquent, une certaine énergie. On envoie ensuite une impulsion 115 sur le thyristor 10. La tension qui se trouve aux bornes du condensateur 7 est alors mise en parallèle avec le thyristor 6, ce qui provoque l'extinction de ce thyristor. Après un certain retard, alors que les thyristors 6 et 10 sont éteints, on envoie une impulsion 116 sur le thyristor 9 : le condensateur 7 forme avec la self 8 un circuit oscillant et se charge avec la polarité indiquée sur la figure 1.Pendant ce temps d'extinction, la self 5 restitue son énergie accumulée au moteur de traction 2. I1 est clair que la quantité d'énergie accumulde est fonction du temps d'allumage du thyristor 6 et de la fréquence de hachage du circuit commutateur. On obtient donc, avec le circuit qui vient d'être décrit, un effet dévolteur ou survolteur selon la fréquence de hachage du courant et/ou le temps d'allumage du thyristor 6. Avec le circuit qui vient d'entre décrit, on a obtenu, entre la tension de la batterie et la tension aux bornes du moteur 2, un rapport de conversion variant de 0,25 à 4 avec une fréquence de hachage de 500 Hertz et un rendement supérieur à 80 %. Sur la figure 2, on a représenté une variante de réalisation de la figure 1. Dans cette variante, on voit que la self 5 a été remplacée par un transformateur 50 comportant un enroulement primaire 51 et un enroulement secondaire 52. Tous les autres éléments du circuit de la figure 2 sont identiques aux éléments du circuit de la figure 1, qui a été ci-dessus décrit en détail ; on a donc affecté les memes numéros de référence aux éléments correspondants du circuit. Ce dispositif comporte, comme il a été précédemment indi qud pour le circuit de la figure 1, un circuit commutateur renfermant trois thyristors 6,9 et 10 ; les gâchettes de ces trois thyristors sont reliées à un ensemble générateur d'impulsions identique à celui qui a dtd représenté sur la figure 3 et qui a été ci-dessus décrit en détail.Tous les composants du circuit de la figure 2 sont identiques à ceux du circuit de IL figure 1 ; l'enroulement primaire 51 du transformateur 50 est une self de 1 mH ; ltenroulement 52 du transformateur 50 est une self de 025 mH ; le rapport de transformation dans cet exemple était de 2 mais il pourrait, bien entendu, varier dans de très larges limites. On a constaté que les résultats obtenus avec un circuit du type de celui représenté sur la figure 2 étaient analogues à ceux obtenus avec un circuit du type de celui représenté sur la figure 1, à cette différence près, qu'en jouant sur le rapport de transformation du transformateur 50, on peut augmenter l'effet survolteur du dispositif selon l'invention. I1 est bien entendu que les modes de réalisation cidessus décrits ne sont aucunement limitatifs et pourront donner lieu à toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O ir S 1 - Dispositif survolteur-ddvolteur interposé entre une source et une charge, caractérisé par le fait qutil comporte un commutateur reliant un élément de stockage d'énergie alternativement, soit à la source, soit à la charge, la tension obtenue aux bonnes de la charge étant fonction de la fréquence de commutation et du temps de charge de l'élément de stockage d'énergie. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la source est une batterie à courant continu. 3 - Dispositif selon ltune des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la charge est un moteur électrique de traction. 4 - Dispositif selon l'une des revendications I à 3, caractérisé par le fait que le commutateur est un circuit comportant au moins, soit un thyristor et une diode, soit un transistor et une diode. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'élément de stockage d'énergie comporte au moins une self. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'élément de stockage d'énergie constitue un transformateur. 7 - Dispositif selon lune des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le commutateur est constitué d'une diode associée à un circuit comportant en parallèle sur une première branche un thyristor de puissance, et sur ungaeuxième branche, à partir de la batterie, d'une part,un circuit oscillant comportant un condensateur placé en parallèle sur un premier thyristor suivi d'une self et, d'autre part, en série avec ce circuit oscillant, un deuxième thyristor. 8 - Dispositif selon les revendications 6 et 7, prisessimultanément, caractérisé par le fait que ltun des enroulements du transformateur se trouve en série, d'une part, avec la partie du commutateur, qui comporte le circuit oscillant et tous les thyristors, et d'autre part, avec la batterie, ltautre enroulement du transformateur étant en série avec la diode du commutateur et avec le moteur de traction. 9 - Dispositif selon ltune des revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait que les trois thyristors du circuit commutateur sont commandés au moyen d'un ensemble comportant un générateur de tension en dents de scie, dont on compare les signaux à un niveau de tension continue, cette comparaison étant réalisée par un compo rateur qui génère ou non un#ension suivant que la tension en dents de scie précitée est inférieure au niveau de tension continue, qui lui est comparé, la tension en créneaux ainsi obtenue commandant, en premier lieu, sur son flanc montant, un premier monostable délivrant des impulsions de commande que l'on envoie sur la gâchette du thyristor de puissance, en second lieu, sur son flane descendant, un deuxième monostable fournissant des impulsions que lton envoie sur la gachette du iième thyristor du circuit commutateur, ce deuxième monostable produisant également, par d > un circuit de retard, des impulsions que l'on envoie sur la- gâ- chette du premier thyristor du circuit commutateur. 10 - Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait que les thyristors et la diode du circuit commutateur sont protégés chacun par un circuit résistance-capacité disposé en parallèle sur l'élément à protéger, une self étant placée en série avec chacun des éléments protégés.