Brevet FR2223889A1 — publié le 19741025

L'invention concerne un système onduleur triphasé à ré- glage de la tension de sortie et à neutralisation des harmoniques de rang inférieur à 11. Dans les systèmes onduleurs classiques, destinés à convertir une tension continue en tensions alternatives généralement triphaséesF de forme sinusoidale à faible distorsion, comme ctest le cas habituel dans les alimentations à courants alternatifs dites 'tde sécurité", il est nécessaire de filtrer inonde de sortie des onduleurs à soupapes commandées effectuant cette convet-- sion, cette onde se présentant généralement sous la forme de cré- neaux rectangulaires alternativement positifs et négatifs, afin d'éliminer les harmoniques indésirables et ne conserver que la tension fondamentale qui, seules est utile.Ces moyens de filtra- ge se présentent d'ordinaire sous forme de circuits composés d'inductances et de condensateurs, et sont d'autant plus lourds et plus chers que la teneur en harmoniques, principalement de celles de rang faible, de la tension en créneaux issue de l'onduleur à soupapes commandées est plus élevée. Par ailleurs, on désire en général, et ceci pour des raisons de régulation, que l'amplitude de la valeur fondamentale de cette onde de sortie puisse etre réglée au moyen d'une action convenable effectuée au niveau de la commande des soupapes de ltonduleur. Divers moyens ont été proposés pour réduire le taux dtharmonique de la tension délivrée par l'onduleur, et en particulier pour neutraliser complètement les harmoniques d'ordre faible, par exemple de rang 3, 5, 7o Tous ces moyens utilisent un onduleur multipolaire fournissant des tensions en créneaux dont la fréquence est égale à celle de la tension de sortie, et dont les divers piles sont reliés de diverses façons à des transformateurs dont les enroulements secondaires sont montés en série et synthétisent une forme tonde de tension de sortie sinusoldale approchée par échelons.Il a été démontré qu'avec de tels sysw tèmes onduleurs il ne subsistait plus, dans ltonde de la tension de sortie, outre l'harmonique fondamental, que les harmoniques de rang K = 12 m + 1, m étant un nombre entier, Or, pour que ces systèmes puissent fonctionner, il est nécessaire que les signaux de commande des diverses soupapes soient tous décalés les uns par rapport aux autres d'un angle électrique rigidement fixé, multiple, dans le cas d'un onduleur hexapolaire > de 30 degrés. Si cette condition n'est pas satisfaite, les harmoniques tordre faible, tels que 5 et 7, réapparaissent.Par suit, si l > on utilise un tel onduleur hexapolaire, aucun réglage de l'amplitude de la tension de sortie n'est possible par décalage variable des signaux de commande des soupapes. Il est donc nécessaire, si l'on ne veut pas renoncer à l'avantage du réglage de l'amplitude de la tension de sortie par décalage des signaux de commande des soupapes, de disposer d'un deuxième ensemble semblable à celui mentionné plus haut de monter en série les tensions de sortie des deux ensembles et de décaler en blo l'ensemble des signaux de commande des soupapes du deuxième ensemble par rapport à ceux du premier. La réduction des éléments du filtre de sortie est donc, dans cette technique, partiellement contrebalancée par ltobligaw tion d'utiliser un nombre considérable de soupapes et de transformateurs On connatts autre partt certaines techniques de commande des soupapes d'un onduleur triphasé.Ces techniques, dites "à modulation de largeur d'impulsions consistent à relier au moyen des soupapes dhacun des pales de sortie de l'onduleur alternativement au pale positif et au p81e négatif de la source à courant continu -d'alimentation, a une fréquence nettement plus élevée(au moins trois fois) que celle de la tension fondamentale que l > on désire obtenir, Les durées de liaison des pales de sortie de onduleur tripolaire aux pôles-de la source à courant continu d'alimentation varient au cours de la période de la tension fondamentale de sortie, suivant une loi dépendant du proche dé de commande utilisé. Jusqutà maintenant ces techniques ont été utilisées dans le cas d'onduleurs triphasées, pour régler l'amplitude des tensions triphasées de sortie; les harmoniques de rang K = 3 m, m étant un nombre entier, sont en général éliminés par le mode de montage du récepteur; il subsiste cependant, en général, et principalement si le nombre d'inversions, durant une période dc la tension de sortie, de la polarité des bornes de sortie de onduleur est faible, des tensions harmoniques de rangs peu pelez vés, tels que 5 > 7 difficiles à filtrer, Il y a cependant avantage d'une façon générale, mais surtout dans le cas des alimentations à courants alternatifs devant assurer une continuité de service, à employer un nombre dtinversions de la polarité des bornes de sortie de ltonduleur, durant une période de la tension de sortie aussi faible que posr sigles de façon à améliorer le rendement du système onduleur. Le système onduleur selon l'invention supprime les inS convénients des techniques indiquées précédemment, et a pour avantage la suppression des harmoniques de rang inférieur à tl tout en permettant économiquement le réglage de la tension de sortie. Il est caractérisé en ce qui comporte - un onduleur autonome à modulation de largeur dtimpulsiona à soupapes commandées et à diodes de retour de courant, ayant deux sorties triphasées dont les tensions sont égales mais dé phasées de 30 degrés et dont les soupapes sont rendues conduc trices trois fois par période de la tension de sortie, - deux transformateurs triphasés respectivement branchés sur chaw cune des sorties triphasées dudit onduleur, dont les indices de couplage diffèrent de 30 degrés de manière que leurs ten sions secondaires soient en phase dont les rapports de transe formation sont égaux et dont les enroulements secondaires sont reliés en série pour constituer les phases de sortie dudit sysw tème onduleur avec neutre sorti, - une logique de commande des soupapes de l'onduleur de manière d'une part à permettre le déphasage des tensions de 30 degrés d'autre part à régler l'amplitude de la tension de sortie du système par réglage de la modulation de largeur dtimpulsions des signaux appliqués aux soupapes commandées de l'onduleur > de façon que celleswei conduisent trois fois par période de la tension de sortie. L'invention sera mieux comprise à l'aide d'un exemple particulier de réalisation et à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente le schéma d'un système onduleur tripha sé conforme à l'invention > - la figure 2 le diagramme des signaux de commande appliqués à chacune des soupapes de onduleur hexapolaire de la figure 1 pour une période de la tension de sortie, - la figure 3 le diagramme des formes d'ondes de tension idéa lisées appliquées aux bornes des enroulements de phase primait res des deux transformateurs de la figure 1, pour une période de la tension de sortie. " la figure 4, le diagramme des formes d'ondes de tension théo riques obtenues à la sortie de tout système onduleur réalisé conformément à l'invention, pour une période de la tension de sortie. Les diagrammes des figures 2, 3 et 4 sont gradués en aicisseS en degrés d'angle électrique. En référence à la figure 1, le schéma représente un système onduleur triphasé comportant un onduleur hexapolaire 1 alimenté par ses bornes d'entrée 3 et 4 par une source de couZ rat continu 2, de tension Es une logique de commande 81 des soupapes de ltonduleur, un premier transformateur 48 un deuxième transformateur 62 et les bornes de sortie du système 76, 77, 78S 79, cette dernière formant le point neutre pour l'utilisation. L'onduleur hexapolaire 1 est composé de douze soupapes commandées repérées 12 à 23 et de douze diodes repérées 24 à 350 Bien que, pour simplifier le schémas ces soupapes 12 à 23 soient chacune représentées sous la forme conventionnelle dtun thyristors il est entendu qu'on garde la possibilité d'enclencher et de bloquer à volonté lesdites soupapes par action sur leurs électrodes de commande,repérées 36 à 47. Par conventionS on admettra que, si un signal de commande, indiqué par un trait fort sur la figure 2, est appliqué à l'électrode de commande de l'une de ces soupapes, celle-ci est conductrice, Si aucun signal de commande n'est appliqué à la soupape, cellewei est bloquée, c'est-à-dire non conductrice.Ceci suppose que, dans le cas où les soupapes 12 à 23 sont effectivement des thyristors, il est nécessaire de leur adjoindre des moyens supplémentaires tels qutinductances, condensateurs, éventuellement thyristors auxiliaires agencés selon des techniques connues. il est également entendu que d'autres soupapes, telles que transistors ou interrupteurs commandés par électrode conviennent également pour cette application. Les douze diodes, repérées 24 à 35 sont montées, de façon connue, en antiparallèle chacune respectivement à chacune des soupapes commandées. On assure ainsi la libre circulation des courants venant soit de la source de courant continu 2 via les bornes d'entrée 3 et 4 de l'onduleur et les soupapes commandées de celui-ci et sortant des bornes 5 à 10 de celui-ci, soit entrant par les bornes 5 à 10 et se rendant à la source de courant continu 2 via les diodes et les bornes 3 et 4. Onduleur 1 est donc capable de fournir aussi bien de lténergie active que de lténergie réactive sur les bornes 5 à 10. Les signaux de commande issus de la logique de commande 81 sont appliqués aux électrodes de commande 36 à 47 des soupas pes 12 à 23. Pour des raisons de clarté de la figure 1, les conducteurs reliant la logique de commande 81 aux électrodes 36 à 47 n'ont pas été représentés0 Les signaux appliqués aux électrodes de commande 36 à 47 sont représentés sur la figure 2. Chacun de ces signaux, pris isolement, fait appel à une technique de modulation de largeur d'impulsions connue antérieurementX Comme indiqué précédemmentt lorsqu'un de ces signaux existe, c'estwà-dire est indiqué par un trait fort, la soupape commandée correspondante est conductrice, cependant que lorsque ce même signal n'existe pas, ladite soupape est bloquée.Ainsi, si lton prend pour référence les signaux de commande appliqués à l t électrode 44 de la soupape 20, on constate que cette soupape est bloquée depuis angle O jusqu'8 un angle Q, dit "angle de modulation", pouvant etre modifié à vo lonté, mais sans toutefois excéder-30 degrés d'angle électrique; ensuite la soupape est rendue conductrice jusqu'a 90 degrés d'angle électrique0 A ce moment elle est bloquée, puis rendue conductrice de nouveau à partir de angle électrique 1800 " Q jusqu'à l'angle électrique 1800 + Q;; elle est ensuite bloquée jusqu'à 270 degrés d'angle électrique, puis rendue de nouveau conductrice à partir de cet angle jusqu'à l'angle 3600 - e. Durant une période de la tension de sortie du système, la soupape 20 est donc rendue conductrice trois fois et bloquée trois fois, Ltune des caractéristiques de l'invention réside dans le choix particulier qui a été fait en ce qui concerne les décalages angulaires existant entre les douze signaux de commande appliqués aux douze électrodes de commande 36 à 47. il convient de remarquer que ces douze signaux ont un déroulement dans le temps identique à celui indiqué plus haut pour le signal appui qué à l'électrode 44, mais sont décalés les uns par rapport aux autres d'un certain angle, multiple de 30 degrés d'angle élecZ triquez En prenant, comme il a été dit plus haut, le signal appliqué à l'électrode 44 comme référence de phase, c'est-à-dire de phase O à l'origine de la période t les signaux de commande des soupapes de l'onduleur auront respectivement pour phase à l'origine de la période: I Signal appliqué à l'électrode 36 : 60 degrés d'angle électrique - " " " " 37 : 90 " " " - " " " " 38 : 180 "n fi - " " " " 39 :210 " " " - " " " " 40 :300 " " " - n " fi " 41 s330 " " " - " " " " 42 :240 " fi " n fi n fi 43 :270 " fi - " " n 44 t O fi - n "fi " 45 :n 30 " - n n w n 46 :120 " - fi fi :150 47 :150 " "n On dispose de nombreux procédés pour produire les si- gnaux décrits précédemment qui U sont élaborés par la logique de commande 81 en utilisant des moyens électroniques connus. Les bornes de sortie 5,6,7,8,9,10 de l'onduleur correspondent à deux systèmes triphasés de tensions égales mais dépha sées de 30 degrés: 5,7,9 d'une part et 6,8,10 d'autre part. Ces bornes sont reliées aux bornes des enroulements primaires des transformateurs triphasés 48 et 62, de la manière indiquée figure 10 La borne 5 est reliée à la borne 50, la borne 7 à la borne 52, la borne 9 à la borne 54, la borne -6 à la borne 64 > la borne 8 à la borne 66 et la borne 10 à la borne 680 Ces transformateurs ont le m8me rapport de- transformation.L'enroulement primaire du transformateur 48 est connecté en étoile par liaison des bornes 5t, 53 et 55, cependant que son enroulement secondaire est également connecté en étoile par liaison des bornes 57, 59 et 61 formant le point neutre 79 pour l > u tilisationO L'enroulement primaire du transformateur 62 est connecté en triangle par liaison respective des bornes 66 et 65, 68 et 67, 64 et 69, cependant que son enroulement secondaire est connecté en étoile à phases ouvertes et est relié en série avec l'enroulement secondaire du transformateur 48 par liaison respective des bornes 71 et 56, 73 et 58, 75 et 60; les bornes 70,72,74 sont reliées respectivement aux bornes de sortie 76,77 et 78 du système me onduleur et forment les bornes de phase pour leutilisation. Etant donné que les tensions de sortie triphasées de l'onduleur sont égales et déphasées de 30 , mais que les indices de couplage des deux transformateurs diffèrent du méme angle de 30 degrés et que leurs rapports de transformation sont égaux, leurs tensions secondaires sont sensiblement égales et en phase. La figure 3 indique, à titre d'exemple, les tensions théoriques apparaissant entre les bornes 50 et 51* 52 et 53, 54 et 55 des enroulements de phase primaires du transformateur 48 et celles apparaissant entre les bornes 64 et 65, 66 et 67, 68 et 69 des enroulements de phase primaires du transformateur 62. La figure 4 indique, à titre d'exemple, pour une valeur de l'angle Q d'environ 7,5 degrés d'angle électrique, ltallure théorique d'une période d'une des tensions simples et dtune des tensions composées obtenues aux bornes d'utilisation de tout système onduleur conforme à l'invention. il est possible de démontrer mathématiquement que ces tensions sont exemptes dtharmoniS ques de rang inférieur à 11, meme si l'on modifie l'angle de modulation Q dans le but de régler l'amplitude de leur onde fonda mentale. Le système selon l'invention stapplique en particulier à l'alimentation de réseaux devant assurer un service ininterrompu. REVENDICATION Système onduleur triphasé, à neutralisation des harmoniques de rang inférieur à 11 et à réglage de la tension de sort tie, caractérisé en ce quPil comporte - un onduleur autonome à modulation de largeur dtimpulsions,à soupapes commandées et à diodes de retour de courant* ayant deux sorties triphasées dont les tensions sont égales mais dé phasées de 30 degrés, et dont les soupapes sont rendues conduc trices trois fois par période de la tension de sortie - deux transformateurs triphasés respectivement branchés sur chaZ cune des sorties triphasées dudit onduleur, dont les indices de couplage diffèrent de 30 degrés de manière que lenrs tensions secondaires soient en phase, dont les rapports de transforma tion sont égaux et dont les enroulements secondaires sont re liés en série pour constituer les phases de sortie dudit sys tème onduleur, avec neutre sorti, - une logique de commande des soupapes de onduleur de manière dtune part à permettre le déphasage des tensions de 30 degrés, d'autre part à régler l'amplitude de la tension de sortie du système par réglage de la modulation de largeur d'impulsions des signaux appliqués aux soupapes commandées de l'onduleur, de façon que celles-ci conduisent trois fois par période de la tension de sortie.