Brevet FR2232119A1 — publié le 19741227

la @ren@@ invention concerne un convertisseur piloté @@@ @@@ co@@nant un onduleur à circuit oscillant et @@ @@ pour @@rner une botterie partir d'un réseou à @@ sion continu varisole. Le origente invention crée un montere ou dispositif à circuit qui, destiné à charger une motterie à partir d'une source de tousion continue, out d'une concertion simmle et assure an haut e@ré ce sûreté de fonctionnement. En particulier, il s'sait é@2lement s'@@@prter une solution au problème posé par des tensions continues d'entrée présentant des valeurs variables et même den eromes de brandeur différents. Pour commanger le puissence de charge on peut utilise un réulateur de courant continu, constitué par des transistors ou des thyristors, à condition que le rapport entre la tension du réseau à courant continu et la tension de la batterie ne soit pas trop important. La durée de mise en circuit du réculateur de courant continu impose à ce rapport de tension une limite qui, compte tenu de son efficacité, ne peut pas être réduite à volonté. La relation entre le rappot de tension et la durée de mise en circuit pour un réqulateur de courant continu est donnée par référence à la loi connue régissant les transformateurs. Lorsqu'il existe une très forte différence e niveau de tension entre le réseau d'elimentation et le dispositif utilisateur il est préférable de cenvertir la tension continue par l'intermédisire d'un onduleur en une tension alternative et d'a@apter celle-ci à l'aide d'un transformateur au niveau de tension existant du côté du dispositif utilisateur. La tension alternative doit ensuite être convertie par l'intermédiaire d'un redressour @@ une tension continue qu'il convient éventuellement encore de lisser se façon à charger la batterie d'une manière uniforme. cette fin il faut prévoir en@re le redresseur et la batterie un dispositif de filtrage. En porticulier dans les chemine de fer il se bose le pro@lè@@ charger le batterie des voitures à voyageurs à plui d'un résenu plus haute tension alors qu'il est connecté à le @@@, sont l'ension est en général de 24 volts, des @is @@@s utili@@teure de puissance plus réduite.Lang le cas de @@ai@ @@ @@ervent tous les réseaux électrifiés d'Europe la batterie des voitures à voyageurs doit alors pouvoir eAtre alimentée à partir de chacun des réseaux de tension admis sur le plan international. : cet égard il s'agit des tensions suivantes: (1) tension continue : 1 500 V (2) tension continue : 3 000 V (3) tension alternative : 1 500 V, 50 Hz (4) tension alternative : 1 000 V, 16 2/3 Kz Suivant un agencement connu, l'alimentation en énergie de la batterie est concue de façon que celle-ci soit alimente z partir d'un réseau à tension continue par l'inter@édiaire d'un groupe convertisseur.Lorsqu'il s'agit e charger la batterie à partir d'un roseau à tension alternatives la tension est d'abord abaissée au moyen d'un transformateur et ensuite redresse. Dans ce cas, le redresseur est réalisé sous une forme réglable afin de pouvoir commander la puissance de charge (voir l'article de U. Knau et H. Seeger (Friedrich Krup GmbH) intitulé " Die Energieversorgung der Reisezugwagen der Deutschen Bundesbahn aus der Zugsammelschiene" (Alinentation en énergie des voitures à voyageurs des chenins de fer allemands à partir de la barre collectrice des trains). En raison de leurs inconvénients bien connus, les convertisseurs rotatifs sont remplacés par des convertisseurs statiques cui sont équipés de valves semi-conductrices. il est ainsi connu un montage ou dispositif à circuit oui, pour la conversion en courant alternatif, utilise un convertisseur de courant autoréglable à la suite duquel sont montés un transformateur et un redresseur. Dans ce cas, pour commander la puissance de charge, il faut également prévoir un redresseur commandé (voir la publication BBC-Nachrichten, Décembre 1970, pages 394-397 " Statischer Umformer für Batterieladung und Beleuchtung auf Nahverkehrsfahrzeugen" (Convertisseur statique pour permettre la charge de batteries et l'éclairage sur des véhicules de transport à faible distance) de W. Pivit. Lorsnu'il s'agit de tensions de service élevées, les onduleurs comportant des transistors sont moins appropriés puisque la rigidité diélectrinue des transistors est en général réduite. par conséquent, un nombre relativement important de transistors doivent être montés en série dans chaque branche de valves. En outre, en cas d'utilisation de transistors, la commande est los coûteuse puisque, comme on le sait, les transistors doivent être commandés pondant toute la durée du passage du courant. De plus, étant donné que les transistors ne permettent au'une faible amplification d'intensité, des préamplificateurs sont indispensables. La solution apportée à ce problème, suivant l'invention pour un dispositif du type décrit plus haut consiste à prévoir dans la branche a' tension alternative de l'onduleur à circuit oscillant un ou plusieurs circuits oscillants en série aui sont montés en série avec un ou plusieurs transformateurs dont les enroulements secondaires alimentent une batterie par l'intermédiaire d'un redresseur. Par conséquent, pour que la tension continue d'alimentation, éventuellement produite d'abord par redressement à partir d'une tension alternative du réseau de chemin de fer, puisse être convertie en une tension alternative, il est utilisé un onduleur piloté par la charge et dont le circuit de charge est constitué par le montage en série d'une inductance et d'une capacité pour former un circuit oscillant en série et un transformateur de sortie. Le circuit onduleur, qui comporte des diodes à retour de courant, peut strie réalisé sous forme de montage en pont ou à point milieu. On peut également prévoir un montage comportant un condensateur de filtrage d'entrée divise. Etant donné que la batterie ne présente qu'une faible résistance interne, le circuit de sortie de l'onduleur est un circuit oscillant en série presque exempt d'amortissement et dans lequel est insérée une tension constante par intervalles. Cette tension est la tension de batterie transformée du c8té primaire. La polarité de cette tension dépend du sens du courant dans le circuit de charge. Contrairement à ce qui se produit dans des montages connus, la commande de la puissance de charge dans l'onduleur lui-mme s'effectue avantageusement par réglage de la fréquence des impulsions de l'onduleur à circuit oscillant de sorte qu'il suffit d'utiliser un redresseur non commandé. L'invention est décrite ci-dessous à l'aide d'un exemple de réalisation illustré schématiquement aux dessins annexes. Aux différentes figures des composants analogues sont désignés de manière identique. La Fig. 1 représente un convertisseur piloté par la charge et qui est alimenté avec une tension continué d'entrée Ut. comme illustré, le convertisseur est constitué par un onduleur à circuit oscillant et un redresseur. Des onduleurs à circuit oscillant sont connus en soi (Heumann/ Stumpe "Thyrîs- toren" Teubner, Stuttgart 1968, Page 213). Dans le cas présent, l'onduleur à circuit oscillant est adapté à la mission particulière qu'il est destiné à remplir. Etant donné que l'onduleur à circuit oscillant comporte dans le circuit de charge un circuit oscillant en série qui n'admet pas de variation brusque du courant, l'onduleur a besoin d'une tension continue d'entrée aussi invariable que possible qui peut être obtenue en prévoyant un condensateur-tampon entre les bornes d'entrée.Comme représenté à la fiv.1, il se trouve dans la branche à courant alternatif de l'onduleur à circuit oscillant l'enroulement primaire d'un transformateur 1 qui alimente par l'intermédiaire de son enroulement secondaire un redresseur 2 dont la puissance de sortie charge une batterie 3. Afin d'obtenir une mise en charge uniforme de la batterie 3, il est prévu un dispositif de filtrage constitué par un condensateur 4 et une inductance 5. La Fig. 2 représente une forme de réalisation dans laquelle le condensateur de filtrage d'entrée est divisé en deux capacités partielles 6 et 7, ce qui a pour avantage de permettre 'd'économiser deux branches de pont comportant des thyristors réglables et les diodes à courant réactif montées de manière antiparallèle par rapport à ces derniers. Dans la fig. 3 il s'agit d'une application du principe consistant à disposer le transformateur 1 dans la ligne électrique reliant les thyristors aux diodes montées de- manière antiparallèle par rapport à ces derniers. Cela offre l'avantage que la puissance type du transformateur peut être choisie plus faible puisque le courant oscillant de retour provenant des composants du circuit oscillant en série n'est plus envoyé à travers le transformateur mais à travers les diodes montées de manière antiparallèle par rapport aux thyristors. Une autre forme de réalisation du principe de l'invention est illustrée à la fig.4, l'agencement représenté à cette figure répondant aux conditions qui se présentent lorsqu'il y a plusieurs niveaux diffrents de tension continue d'entrée, comme c'est le cas pour les différents réseaux de chemin de fer à partir desquels une batterie doit être chargée. Dans ce cas il est en principe concevable de prévoir plusieurs dispositifs onduleurs à circuit oscillant et de monter ceux-ci en série ou, lorsqu'il s'agit de tensions relativement faibles, de les grouper en parallèle.Une solution moins coûteuse consiste cependant prévoir dans Ta branche à tension alternative de l'onduleur circuit oscillant, plusieurs dispositifs à circuit oscillant et plusieurs transformateurs aui sont alors, en fonction de la tension continue d'entrée, montes par groupes de manière appro- pri-e on surie cu en parallèle.La fig.4 représente un exemple dans lequel il est prévu deux circuits oscillants en série constitués chacun -r une inductance et une capacité ainsi que deux transformateurs la et lb. En tenant compte de cette possibilité existent en virineipes ceux spécialisés dans le domaine concerne peuvent alors par exemple, comme indiqué en traits forts 8 et 9, choisir un montage en parallèle ou bien, en cas de suppression de ces connexions, réaliser un montage suivant la ligne de connexion 10 représentée en pointillé. Enfin, la fi7-. 5 représente la commande et la régulation de l'onduleur. Ce dernier est, comme déjà mentionné, piloté par la charge, c'est-à-dire que la puissance réactive de commutation est fournie par le circuit de charre. Cela ne peut cepen d-nt se faire nue si la fréquence des impulsions de l'onduleur circuit oscillant est inférieure à la fréquence de résonance du circuit oscillant en série. Afin de ne pas descendre audessous du temps de désamorçage prévu pour les thyristors, la fréquence des impulsions ne doit pas être amenée immédiatement l fréquence de résonance meis il faut au contraire respecter un certain intervalle par rapport à cette dernière.Compte tenu de cet impératif, il faut surveiller le temps de désamorçage des valves pour ue, l'écart limite concerné ayant été atteint, la fréquence des impulsions puisse être empêchée d'augmenter davantage. La puissance de charge susceptible d'être atteinte par la batterie crct avec l'!lvation de la fréquence des impulsions et etteint un maximum lorsque cette dernière est voisine de la fréquence de résonance. Afin que le tranwsformateur puisse être construit sous un faible volume, la plage de fréquences de fréquences de fonctionnement est choisie aussi élevée que possible.Compte tenu des pertes dans le transformateur, les valves et d'autres composants (pertes- soi croissent avec la fréquence), la limite supérieure de la fréquence doit également être choisie dans cette optique. La fréquence e fonctionnement optimale dépend fondamentalement des conditions requises d'un appareil. Au stade de la conception d'un transformateur, le facteur déterminant est la fréquence des impulsions qui se situe à peu près à la moitié de la fréquence de résonance. En effet, si la fréquence des impulsions est encore réduite davantage, l'aire tension/temps et, par suite, le flux magnétique du transformateur reste constants.Notamment en ce oui concerne l'agencement de la fig. 5, le réglage de la puissance de charge s'effec- tue conformément à une caractéristique tension/intensité choisie en fonction du processus de charge. Ce réglage est intégré dans un générateur de caractéristique 11. Ce dernier est alimenté avec la valeur réelle du courant de charge 1Be captée par exemple par l'intermédiaire d'un shunt 12. Dans ces conditions le générateur de caractéristique fournit, conformément à la caractéristique qui lui a été préalablement affectée, une sortie oui constitue la valeur de tension nominale UBn de la batterie. Cette valeur est comparée, au point de sommation 13, à la valeur de tension effective UBe de la batterie. L'écart de réglage ainsi obtenu est amené à un régulateur 14, puis encore à un convertisseur de fréquence de tension 15. Sa fréquence de sortie est utilisée, après démultiplication dans un étage démultiplicateur 16, à l'aide d'un amplificateur d'impulsions 17 pour amorcer les thyristors de l'onduleur à circuit oscillant. La sortie du régulateur 14 agit sur le convertisseur de fréquence de tension 15 de telle manière que, en cas d'accroissement de la tension de sortie du régulateur, la fréquence des impulsions de l'onduleur à circuit oscillant et, par suite, la puissance de charge de la batterie augmentent. Un dispositif d'arrêt pour la fréquence sert à respecter l'écart limite en ce aui concerne l'amorçage des thyristors. Le courant est mesuré dans la branche à tension alternative de l'onduleur à circuit oscillant ou bien, étant donné que, comme représenté, l'onduleur est réalisé sous forme de montage en pont, dans la ligne de connexion entre les diodes et les thyristors par l'intermédiaire d'un transformateur d'intensité 18. Le courant est ensuite amené à un générateur de temps de désamorçage 19 qui, à partir de l'évolution du courant dans le temps, établit la valeur effective du temps de désamorçage en fonction de la durée du flux de courant à travers les thyristors.Dans le dispositif d'arrêt 20 prévu à la suite du générateur 19, cette valeur effective de temps de désamorçage est alors comparée à une valeur limite de temps de désamorçage tDl Lorsque la valeur effective du temps de désamorçage atteint la valeur limite prédéterminée, le dispositif d'arrêt agit de telle manière que la fréquence des impulsions de l'onduleur à circuit oscillant soit maintenue constante, même si la tension de sortie du régulateur continue à croître. Le transformateur d'intensité 18 doit en principe être agencé de manière à prélever uniquement le courant passant par les deux thyristors. L'invention a notamment pour avantage qu'elle permet de réaliser à partir d'un faible nombre de composants un montage ou dispositif à circuit particulièrement économique dans lequel, contrairement aux montages connus, il -n'est pas nécessaire de prévoir de redresseur commandé ni de dispositif additionnel pour le désamorçage automatique des thyristors. En outre, la commande et la régulation de l'onduleur sont extrêmement simples tant sur le plan de la construction que du point de vue du mode de fonctionnement. La solution proposée suivant la présente invention permet, grâce à la commutation de 1'onduleur à circuit oscillant sous la dépendance de la charge, de faire fonctionner l'onduleur à des fréquences élevées de sorte que le transformateur peut être réalisé sous ur faible volume. En outre, le champ d'application du montage n'est pas limité par des variations de tension d'entréeni même par de très fortes différences de tension d'entrée. Un autre avantage de l'invention réside en ce que, en présence d'uneinductance de fuite relativement importante du transformateur, le mode de fonctionnement de l'onduleur n'est en aucune façon compromis car l'inductance de fuite agit comme une partie de l'inductance du circuit oscillant et se trouve donc compensée dans ces effets par la capacité du circuit oscillant. On peut en général s'attendre à voir le transformateur présenter une plus forte inductance de fuite lorsqu'il est conçu pour des tensions d'isolement plus élevées. R E V E N D I C A T I O N S 1. Convertisseur piloté par la charge et comprenant un onduleur à circuit oscillant et un redresseur pour charger une batterie à partir d'un réseau à tension continue variable et pouvant être même très différente d'un cas à l'autre, caractérisé en ce que, dans la branche à tension alternative de l'onduleur à circuit oscillant, un ou plusieurs circuits oscillants en série sont montés en série avec un ou plusieurs transformateurs dont l'enroulement secondaire ou les enroulements secondaires alimentent une batterie-par l'intermédiaire d'un redresseur. 2. Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la branche à tension alternative de l'onduleur à circuit oscillant est alimentée par l'intermédiaire de thyristors et de diodes montées de façon antiparallèle par rapport à ces derniers. 3. Convertisseur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'onduleur à circuit oscillant est réalisé sous forme de montage en pont. 4. Convertisseur suivant la revendication ) caractérisé en ce que, dans deux branches du pont reliées au même point de jonction des diagonales du pont de l'onduleur à circuit oscillant, il est prévu des condensateurs à la place de valves semi-conduc trices. 5. Convertisseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le transformateur est monté électriquement dans la ligne de connexion reliant les thyristors et les diodes. 6. Procédé pour faire fonctionner un convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance de charge de la batterie est régulée par variation de la fréquence des impulsions de l'onduleur à circuit oscillant. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'écart de réglage entre la tension effective de la batterie UBe et la tension nominale de la batterie UBn est amené par l'intermédiaire d'un régulateur à un convertisseur de fréquence de tension dont la fréquence de sortie, après démultiplication dans un étage démultiplicateur, est utilisée à l'aide d'un amplificateur d'iSpulsions pour amorcer les thyristors de 1'onduleur à circuit oscillant. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la valeur de tension nominale de la batterie est établie au moyen d'un générateur de caract-ristinue à partir de la vleur effective du courant de charge de la batterie IBe 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce nue la caractéristique du générateur de caractéristique est prédéterminée en fonction du processus de charge de la batterie. 10. Procéda suivant la revendication 6 caractérisé en ce que la fréquence des impulsions de l'onduleur à circuit oscillant est limitée en fonction du temps de désamorçage de ses thyristors. 11. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce sue l'onduleur à circuit oscillant fonctionne avec une-fréquence d'impulsions oui est inférieure à la fréquence de résonance du circuit oscillant. 12. Procédé pour faire fonctionner un convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, en fonction des différentes tensions continues d'entrée de l'onduleur a' circuit oscillant, tant les circuits oscillants en série que les transformateurs sont montés dans la branche à tension alternative, par groupes, en série ou en parallèle.