Brevet FR2167774A1 — publié le 19730824

L'invention est relative à un organe d'asservissement pour un montage stabilisateur à réglage discontinu, notamment pour alimenter des électro-aimants rapides dans des installations de traitement de données. La commande d'électro-aimants rapides constitue, comme on le sait, pour la stabilisation de la tension d'alimentation, une charge impulsionnelle importante qui exige un montage stabilisateur de conception appropriée. Par suite de la pointe de courant élevée (environ 8 ampères), les montages stabilisateurs à réglage continu ne sont pas avantageux. L'organe d'asservissement doit absorber, sous forme de résistance variable, la totalité de l'excès de puissance de la source de tension. La pointe de courant d'impulsions admissible se trouve limitée par la puissance de pertes de l'organe d'asservissement. Pour évacuer la chaleur en excès il faut mettre en oeuvre un refroidissement considérable. On connait des montages stabilisateurs à réglage discontinu, dans lesquels l'organe d'asservissement est constitué par un transistor de puissance qui est disposé en série avec une résistance dans le circuit du courant d'utilisation et qui, par l'intermédiaire d1un montage basculeur bistable met périodiquement la résistance série en circuit et hors circuit. La puissance de pertes de l'organe d'asservissement peut ainsi être considérablement réduite, car dans ce cas la limite du courant d'utilisation est fournie par le courant de collecteur maximal.Le mécanisme de réglage est assuré par un condensateur, disposé en parallèle sur la charge ou appareil d'utilisation, qui est chargé à travers la résistance série et qui est partiellement déchargé à travers l'appareil d'utilisation. Ala tension continue de sortie est superposée une ondulation qui est déterminée par le temps de décharge du condensateur à travers la résistance d'utilisation jusqu'à l'entrée en action du basculeur bistable (Cf. Lennartz, Taeger tTransistorschaltungstechnik" 1964 Pp. 103 et 104 > . L'inconvénient de ces montages stabilisateurs est constitué par la puissance de pertes dans la résistance série et par l'on- dulation de la tension continue de sortie, dont la grandeur est fonction du gain et de la sensibilité du basculeur bistable. Un inconvénient est que l'ondulation de la tension continue de sortie ne peut être réduite que par la mise en oeuvre d'éléments composants encombrants. Un inconvénient est que pour des courants d'utilisation relativement élevés le condensateur doit présenter une capacité relativement élevée, et qu'il faut encore tenir compte de ce que son courant de charge, au cours de la période d'enclenchement de l'organe d'asservissement. prend des valeurs égales à plusieurs fois le courant d'utilisation. Un. inconvénient est que les pertes totales d'un dispositif de réglage de ce genre, du type discontinu, sont équivalentes à celles du dispositif de réglage continu et que, dans ces conditions, pour des courants relativement élevés, on ne peut arriver à réduire les pertes apparaissant sous forme de chaleur. Une possibilité plus économique de stabiliser la tension d'alimentation d'électro-aimants commandés par impulsions consiste à utiliser une soupape semi-conductricecommandée (thyristor) comme organe d'asservissement. Pour cela, on sait shunter périodiquement la résistance série disposée dans le circuit d'utilisation par un thyristor commandé par des impulsions du genre d'un organe d'asservissement semi-conducteur ("Der Elektroniker" 1971 - Fascicule 4, page 181). Cette solution. n'est toutefois pas satisfaisante si on ne fait que remplacer le transistor par un thyristor en laissant subsister dans le montage la résistance série, avec les pertes qui lui sont attachées. Il est plus judicieux d'appliquer à la charge périodiquement la tension d'alimentation par l'intermédiaire de l'organe d'asservissement semi-conducteur et de commander ainsi la puissance absorbée par le dispositif d'utilisation. Cette variante présente l'avantage de travailler, tout au moins théoriquement, sans pertes. Un organe d'asservissement semi-conducteur pour courant continu appelé ainsi organe d'asservissement à courant continu, se compose essentiellement d'un interrupteur à thyristor actionné périodiquement qui est mis en service et hors service au rythme de la fréquence d'impulsions. Pour réduire les pertes dans cet interrupteur, notamment dans le cas d'un appareil d'utilisation à composante réactive inductive, il. est nécessaire d'utiliser une diode shunt, qui absorbe l'afflux de courant à l'ouverture de l'interrupteur. Contrairement au transistor qui peut être bloqué par un courant de commande, un thyristor ne peut être rendu non conducteur que lorsque son courant anodique passe par zéro.D'autre part, après l'interruption de courant, il faut mettre en jeu un temps de repos, dans lequel la tension anodique est négative, afin que le thyristor retrouve sa capacité de blocage, avant qu'une tension anodique positive lui soit appliquée. Cette condition générale est donnée dans le cas d'un organe d'asservissement à courant alternatif par le passage naturel par zéro du courant. Au contraire, un organe d'asservissement à courant continu exige un montage particulier à commutation forcée, pour lequel par commutation forcée on entend des opérations au cours desquelles une tension supplémentaire doit être développée artificiellement dans le circuit de commutation, du fait qu'il n'y existe pas de tensions naturelles de commutation.La tension supplémentaire nécessaire dans le circuit de commutation est développée le plus souvent à l'aide de condensateurs, en prélevant, pour interrompre le courant du thyristor, une impulsion de courant sur un condensateur de blocage du thyristor, laquelle impulsion de courant est opposée un court instant au courant qui traverse le thyristor et surcompense ce courant. Plusieurs exemples de réalisation de systèmes de commutation forcée sont décrits et représentés dans l'ouvrage de Heumann Stumpe "Thyristoren" 1969, page 154. Un inconvénient est qu'avec la commutation forcée il faut un temps de repos du dispositif de blocage supérieur au temps de rétablissement du thyristor, par exemple du facteur 1,5, pour rétablir la capacité de redevenir non conducteur du thyristor. La fréquence des impulsions est pour cette raison relativement faible. L'organe d'asservissement à courant continu a besoin d'au moins un accumulateur d'énergie, par exemple une inductance de filtrage disposée du côté où la valeur moyenne de la tension continue est la plus faible. Cette inductance de filtrage, pour une fréquence d'impulsions relativement faible et pour des pointes de courant élevées, doit par conséquent entre fortement dimensionnée, pour obtenir un courant d'utilisation suffisamment filtré. Dans le cas d'un appareil d'utilisation à charge réactive essentiellement inductive, par exemple des machines à courant continu, ces conditions se trouvent remplies. Un inconvénient est qu'avec des appareils d'utilisation à composante réactive, inductive ou capacitive, relativement faible il faut monter une inductance de filtrage supplémentaire, de dimensions appropriées, en série avec l'appareil d'utilisation. Un autre inconvénient encore est que, sous l'influence des pointes de blocage de la tension du- condensateur pour les faibles courants d'utilisation, en particulier au voisinage de la marche à vide, il se produit des oscillations superposées qui, conjointement avec les réactances des circuits de commande, surchargent d'une manière supplémentaire les thyristors et les diodes. Un inconvénient enfin est constitué encore par les pertes dues à la commutation. L'invention a donc pour but, moyennant une complication et un prix acceptacles et l'emploi d'éléments LC, d'éviter les inconvénients exposés ci-dessus. L'invention vise donc à réaliser un organe d'asservissement à circuit continu, siège de faibles pertes, qui convienne comme organe d'asservissement dans un montage stabilisateur pour l'alimen- tation d'électro-aimants rapides, en assurant sans commutation forcée une utilisation optimale des accumulateurs d'énergie LC et en réduisant aussi, grâce à une fréquence d'impulsions élevée, le volume des moyens de filtrage. Ce problème est résolu, conformément à l'invention, par le fait qu'un circuit de charge,commandé par thyristor, du condensateur accumulateur d'énergie constitue la branche longitudinale et un circuit de décharge, commandé par thyristor, de ce condensateur constitue la branche transversale d'un réseau, de telle manière que le courant de charge et de décharge du condensateur accumulateur d'énergie soit utilisé comme courant d'utilisation et que le condensateur accumulateur d'énergie ne soit dimensionné que pour emmagasiner une différence d'énergie qui est proportionnelle à expression-dans laquelle U et Ua désignent respectivement lesten- e a- sions continues d'entrée et de sortie, iThl le courant traversant le thyristor et & la pulsation du circuit oscillant formé par l'inductance et le condensateur accumulateurs d'énergie. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention le circuit de charge est constitué par un thyristor, une inductance accumulatrice d'énergie, le condensateur accumulateur d'énergie et une diode, le circuit de décharge est constitué par un second thyristor, l'inductance accumulatrice d'énergie, le condensateur accumulateur d'énergie et une seconde diode, et le condensateur accumulateur d'énergie est shunté par une troisième diode.Selon un perfectionnement de la solution conforme à l'invention l'inductance accumulatrice d'énergie est subdivisée par une prise médiane de telle manière qu'une de ses moitiés fasse partie du circuit de charge et l'autre moitié fasse partie du circuit de décharge Contrairement à l'etat actuel connu de la technique l'organe d'asservissement à courant continu conforme à l'invention, sans commutation forcée et utilisant des éléments composants moins encombrants, permet de réaliser un montage stabilisateur comportant un organe d'asservissement présentant peu de pertes-pour alimenter des électro-aimants à pointes de courant élevées, qui satisfait aux conditions exigées relativement à l'ondulation et aux tolérances admissibles de la tension continue de sortie. L'invention est expliquée plus en détail ci-après, à l'aide de deux de ses modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un montage de base selon un principe analogue à celui de l'invention, - la figure 2 représente un mode de réalisation de la solution conforme à l'invention, - la figure 3 illustre un perfectionnement de la solution représentée sur la figure 2, - la figure 4 représente graphiquement, en fonction du temps, les courants du thyristor et la tension aux bornes du condensateur accumulateur d'énergie des figures 2 et 3, et - la figure 5 représente graphiquement, en fonction du temps, les tensions anode/cathode des thyristors et la tension aux bornes du condensateur accumulateur d'énergie de la figure 3. Comme on le sait, un thyristor, une fois qu'il est rendu conducteur, ne peut être rendu non conducteur qu'à condition d'interrompre son circuit de charge ou circuit d'utilisation ou tout au moins de réduire son courant d'utilisation à une valeur inférieure à celle du courant de maintien. L'objet de l'invention est en principe un organe d'asservissement à courant continu, dont la coupure n'est pas provoquée par commutation forcée, c'est-à-dire par la production d'une tension supplémentaire, mais par la mise en circuit d'éléments réactifs agencés et dimensionnés d'une manière appropriée. Sur un procédé analogue repose la commutation en charge connues celle-ci cependant supposant qu'une tension alternative prend naissance dans la charge ou appareil d'utilisation. Dans ces conditions la commutation en charge ne convient pas à l'application précitée, qui exige une tension continue de sortie Ua bien filtrée. La figure 1 représente un montage de base d'un principe analogue à celui de l'invention. L'organe d'asservissement à courant continu, constitué par le thyristor Th1, l'inductance accumulatrice d'énergie L et le condensateur accumulateur d'énergie C, est disposé aux bornes de la tension continue d'entrée U e Si le thyristor Th1 est rendu conducteur. il s'écoule à travers l'inductance accumulatrice d'énergie L un courant iLs qui, avec des éléments composants idéaux, est représenté par la formule (1) i - I . sint o La valeur instantanée UC de la tension aux bornes du condensateur accumulateur d'énergie est fournie par la formule (2) uC = Ue . (1 - cos U t). Dans ces formules UI est la pulsation du circuit oscillant-formé par l'inductance accumulatrice d'énergie L et le condensateur accumulateur d'énergie C. Pour Uit ='jar (- 180r) la valeur instantanée du courant iL s'annule, le thyristor Th1 cesse d'être conducteur et la tension uC aux bornes du condensateur accumulateur d'énergie peut faire circuler un courant de décharge à travers le circuit d'utilisation. Dans ces conditions il se produit à la sortie de l'organe d'asservissement à courant continu une ten sion continue fortement pulsée U ' dont la valeur moyennes d'une a manière connue, peut être modifiée par la fréquence des impulsions du thyristor Th1.Pour filtrer la tension continue pulsée de sortie U ' il faut en plus une inductance de filtrage L et a s un condensateur de filtrage C . A la sortie de l'élément de fil s trage on dispose de la tension continue de sortie filtrée U a Avec ce montage de base. on peut bien obtenir une interruption naturelle de conduction du thyristor Th1 sans commutation forcée, mais cette solution est encore peu satisfaisante. La totalité de l'énergie à transmettre à la sortie de l'organe d'asservissement à courant continu, après chaque passage à l'état conducteur du thyristor Th1, commence à être accumulées d'une manière intermédiaire, dans l'inductance accumulatrice d'énergie L et dans le condensateur accumulateur d'énergie C. Ces éléments composants doivent donc être dimensionnés d'une manière correspondant à cette énergie à transmettre. Pour filtrer d'une manière suffisante la tension continue de sortie U > l'inductance de filtrage L doit être notablement a s supérieure à l'inductance accumulatrice d'énergie L et, dans ces conditions, présenter des dimensions relativement grandes. L'in ductance de filtrage L forme d'autre parts avec le condensateur s de filtrage C un élément temporisateur dont la constante de s temps rend le réglage plus difficile par la mise en jeu d'oscillations pour les amplifications élevées. Ces inconvénients sont éliminés, conformément à l'invention, par le fait que la transmission d'énergie est commandée en deux stades, de sorte qu'il suffit d'accumuler, d'une manière intermédiaire, dans l'inductance accumulatrice d'énergie L et dans le condensateur accumulateur d'énergie C, une différence d'énergie Wd. Sur la figure 2 est représenté un mode de réalisation de la solution conforme à l'invention. dans lequel la disposition connue du condensateur de filtrage C à la sortie du montage ne s fait pas directement partie de l'objet de l'invention. Pour expliquer le mode de fonctionnement de montage, on décrira le déroulement,commandé en fonction du temps, du montage en deux stades ler stade : lorsque le thyristor Thi devient conducteur, il s'écoule à travers Th1, l'inductance accumulatrice d'énergie L, le condensateur accumulateur d'énergie C et la diode D1 un courant iThl qui va à la sortie et dont la variation en fonction du temps est décrite par la formule (3) iTh1 = Ue - Ua . sin # t # .L La tension UC aux bornes du condensateur accumulateur d'énergie C varie suivant la formule (4) UC = (U - U ) . (1 - cos Mt) e a Les variations en fonction du temps t de iTh1 et de uC sont représentées graphiquement sur la figure 4. A la fin de ce premier stade, c'est-à-dire une fois écoulé le temps t, une quantité d'énergie donnée par la formule est déjà transmise à la sortie. La formule (4) montre que dans le condensateur accumulateur d'énergie C lui-mEme n'est emmagasi- né, de manière intermédiaire, que la différence d'énergie Wd donnée par la formule (6) D'une manière analogue il faut dimensionner l'inductance accumulatrice d'énergie L en fonction de la différence d'énergie Wds ce qui provient essentiellement de ce qu' aussi bien le courant de charge que le courant de décharge du condensateur accumulateur d'énergie C sont utilisés comme courant de sortie.Il en résulte que les deux éléments composants peuvent être réalisés sous forme nettement plus petites ce qui. en particulier pour l'inductance accumulatrice d'énergie L entraine une économie de masse et de volume. 2ème stade : L'énergie emmagasinée dans le condensateur accumulateur d'énergie C (formule 6 > , du fait que le thyristor Th2 devient conducteur est transférée au condensateur de filtrage Cs, à travers le circuit de décharge constitué par la diode D25 le condensateur accumulateur d'énergie C, l'inductance accumulatrice d'énergie L et le thyristor Th2. Au bout d'un temps t1, qui correspond au premier stade et après que le thyristor Th2 est devenu conducteur, ce qui amène au second stade, on a le temps de repos (absence d'impulsion) tpî (figure 4). Le courant iTh circulant à travers le thyristor Th2 varie tout d'abord suivant la formule (7) iTh2 2 Ue - 3 Up . siniXt tu. L et la tension uC aux bornes du condensateur accumulateur d'énergie C suivant la formule (8) uC = U + (2 U - 3 U ). cosjjÇt a ut ut e a jusqu'à ce que cette tension uC, au bout d'un temps t2 devienne nulle. L'équation (8) montre que la tension uC aux bornes du condensateur accumulateur d'énergie C ne peut s'annuler pour tt = T (= 1800) que lorsque la condition (9) Ue > 2 Ua est satisfaite. Cette relation constitue donc une condition de fonctionnement du montage. La tension Uc ne peut devenir négative, du fait qu'en parallèle sur le condensateur accumulateur d'énergie C est disposée une diode D3 de polarité appropriée. Les variations du courant et de la tension sont représentées sur la figure 4, sur laquelle on voit qu'au bout d'un temps t2 et pendant un temps t3 le thyristor Th2 est parcouru par un courant iTh2 s provoqué par la disparition du champ magnétique de l'inductance accumulatrice d'énergie L, lequel courant au début de l'intervalle de temps t3 prend la valeur initiale I. Les variations de la valeur instantanée iTh2 de ce courant sont fournies par l'équation différentielle (10) L . diTH2 = -U dt a dont la solution est (11) iTH2 = I(t3=0) L U? . t Comme on le voit sur la figure 4, au bout du temps t3, le courant iTh2 s'annule et le thyristor Th2 cesse d'entre conducteur. Le second stade se trouve alors terminé et au bout du temps de repos tp2 on retrouve l'état initial.Le thyristor Th1 redevenant conducteur, recommence le premier stade représenté sur la figure 4 par la variation du courant iTh1 pendant l'intervalle de temps t1. Les temps de repos tp1 et tp2 indiqués sur la figure 4 sont très courts et sont du même ordre de grandeur que le temps de rétablissement des thyristors Th1 et Th2. Dans le mode de réalisation, représenté sur la figure 2, de la solution conforme à l'invention, les thyristors Th1 et Th2 sont disposés en série. Lorsque le thyristor Th1 devient conducteur il faut empêcher pour le thyristor Th2 que la valeur admissible du quotient différentiel de la tension de sortie Ua au bout du temps t (12) dUa dt soit dépassée. La même condition est valable pour le thyristor Th1 lorsque le thyristor Th2 devient conducteur. Dans un perfectionnements représenté sur la figure 3, de la solution conforme'à l'invention. on contourne cette limitation en disposant l'inductance accumulatrice d'énergie L en série entre les thyristors Th1, Th2 et en raccordant le condensateur accumulateur d'énergie C à la prise médiane de l'inductance L, le passage à l'état non conducteur s'effectuant essentiellement suivant le même principe. Différentes sont les variations des tensions uTh1 et uTh2 aux bornes des thyristors Th et Th2. Les variations de la tension anode/cathode UThl du thyristor Th1 sont, comme le montre la figure 5, les suivantes. A l'instant t1=0 on a uTh1=U . Lorsque Th1, au commencement du premier stade devient conducteur, la tension anode/cathode uTh1=O pendant l'intervalle de temps t1. Le thyristor Th1 cessant d'être conducteur, uTh1 devient négative pendant le temps de repos t . A l'instant t2 -O, uTh1 croit, pendant l'intervalle de temps t2 + t3 du second stade, au delà de la valeur de la tension continue d'entrée Ue et diminue pendant le temps de repos tp2 jusqu'à U .Les variations de la tension anode/cathode UTh2 du e thyristor Th2 sont, comme on le voit sur la figure 5, les suivantes. A l'instant t1= O, uTh2 est négative et atteint pendant l'intervalle de temps t1 une valeur presque double de la tension continue d'entrée U , elle décroît au début du temps de repos e tpî jusqu'à une valeur située en dessous de Ue et décroît, une fois le thyristor Th2 devenu conducteur, jusqu'à zéro. Pendant la durée t2 + t3 du second stade, uTh2 demeure nulle ; elle devient négative au bout du temps t3 et conserve sa valeur au cours du temps de repos tp2. Ce second mode de réalisation présente notamment l'avantage que pendant les intervalles de temps t1 /2 et t2 /2 les tensions anode/cathode uTh1 et uTh2 des thyristors Th1 et Thz sont négatives et que ces intervalles de temps peuvent être utilisés comme temps de rétablissement. Dans ces conditions les temps de repos tp1 et tp2 peuvent être réduits à zéro. Du fait de ces très faibles temps de repos, voisins de zéro, on peut obtenir des fréquences d'impulsions relativement élevées, de l'ordre de 10 kHz. Les moyens de fil- trage Ls, C de la tension continue de sortie U peuvent donc s s a entre faiblement dimensionnés.cet avantage se traduit surtout sur le volume et la masse de ces éléments composants et permet un mode de construction compact de faible encombrement. REVENDICATIONS 1. Organe d'asservissement pour un montage stabilisateur à réglage discontinu. notamment pour alimenter des électro-aimants rapides, qui est réalisé sous forme d'organe d'asservissement à courant continu à thyristors et qui utilise comme accumulateur d'énergie des éléments réactifs L, C, lequel organe d'asservissement est caractérisé en ce qu'un circuit de charge, commandé par thyristor, du condensateur accumulateur d'énergie C constitue la branche longitudinale et un circuit de décharge, commandé par thyristors de ce condensateur C constitue la branche transversale d'un réseau, de telle manière que le courant de charge et de décharge du condensateur accumulateur d'énergie C soit utilisé comme courant d'utilisation et que le condensateur accumulateur d'énergie C ne soit dimensionné que pour emmagasiner une différence d'énergie Wd 2.Organe d'asservissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de charge est constitué par un thyristor Th1, une inductance accumulatrice d'énergie L, le condensateur accumulateur d'énergie C et une diode D1, le circuit de décharge est constitué par un second thyristor Th2, l'inductance accumulatrice d'énergie L, le condensateur accumulateur d'énergie C et une seconde diode D2. 3. Organe d'asservissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence d'énergie Wd est proportionnelle à expression dans laquelle U et U désignent respectivement les e a tensions continues d'entrée et de sortie. iTh1 le courant tra versant le thyristor Thl et td la pulsation du circuit oscillant formé par l'inductance L et le condensateur C accumulateurs d'énergie. 4. Organe d'asservissement selon la revendication 2, caractéri sé en ce que l'inductance accumulatrice d'énergie L est subdivisée par uneprioeiédiane de telle manière qu'une des ses moitiés fasse partie du circuit de charge et l'autre moitié fasse partie du circuit de décharge. 5. Organe d'asservissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le condensateur accumulateur d'énergie C est shunté par une diode D3.