Brevet FR2225871A1 — publié le 19741108

La présente invention se rapporte d'une manière générale à la conversion statique d'une puissance électrique. Elle vise plus particulièrement un dispositif utilisant une source de ten sion de haute fréquence destinée à fournir, à des circuits conver tisseurs, uniquement de la puissance réactive et des courants har moniques. Un des inconvénients des circuits convertisseurs stati ques classiques employant la commutation naturelle, réside dans le fait qu'il existe des composantes de courant en quadrature (puis sance réactive) et des composantes de courant harmoniques. Un convertisseur à commutation naturelle possède un facteur de puis sance inhérent, avec retard de phase, qui doit normalement être corrigé par l'utilisation de condensateurs de correction du fac teur de puissance. La dimension de ces condensateurs est variable mais dans les applications de forte puissance, les condensateurs de correction du facteur de puissance peuvent être importants et, par suite, constituer un élément majeur de la conception et du prix de tels dispositifs de conversion. L'utilisation de filtres d'harmoniques destinés à suppri mer les composantes harmoniques indésirables présente fréquemment des inconvénients encore plus grands du fait que de nombreux et difficiles problèmes de conception doivent être résolus. De plus, ces filtres harmoniques deviennent souvent encore plus complexes quand ils doivent être autoaccordables en fonction des variations de fréquence. Même avec des dispositions de ce dernier type, il est souvent difficile d'éviter des résonances parasites entre les fil tres d'harmoniques et le dispositif connecté. Une certaine réussite a été obtenue, dans des disposi tions antérieures, par la correction du facteur de puissance des disaasitifs convertisseurs, et sans l'utilisation~decondensateurs importants et coûteux grâce à la rcrmutation forcée ; mais si on - pu réussir à maîtriser les spécifications sur la puissance réac tive, le problème des harmoniques paras-iiHDspe==si5te. Ainsi, jus- qu'a présent, il n'existait pas de dispositions convenables satis faisant aux exigences diun dispositif de conversion, en ce qui concerne la puissance réactive ainsi que l'élimination simultanee des composantes harmoniques parasites, sans utiliser des filtres et des condensateurs extérieurs qui sont croûteux et d'une efficacité incertaine. Pour fournir de manière interne la puissance réactive requise par un dispositif convertisseur, et pour éviter l'apparition de courants harmoniques dans les circuits connectés, la présente invention procure une disposition pour appliquer une tension sur les entrées réunies de deux circuits convertisseurs. La tension fournie sur les entrées des circuits convertisseurs est à une fréquence relativement élevée et cette liaison commune sera dénommée "liaison haute fréquence". La liaison haute fréquence fournit la tension à partir de laquelle les deux circuits convertisseurs formulent leurs tensions de sortie. La liaison haute fréquence peut être un générateur de tension, un générateur synchrone surexcité appelé communément condensateur synchrone, ou un circuit statique comme par exemple un circuit à inductance-capacité (LC). Les circuits convertisseurs ont leurs entrées réunies et une source de puissance est connectée à la sortie du premier circuit convertisseur. Ce premier circuit convertisseur est monté pour fonctionner en mode flrégénérateurI,, de sorte que la puissance circule de sa sortie vers son entrée. Le deuxième circuit convertisseur est placé de manière à faire circuler la puissance de son entrée vers sa sortie. Ces circuits convertisseurs peuvent être d'un type quelconque approprié, fonction de l'usage particulier prévu. Par exemple, si on souhaite convertir une puissance électrique alternative d'une certaine fréquence à une autre fréquence, les circuits de conversion peuvent être des circuits cyclo-convertisseurs à commutation naturelle.Dans un tel cas, la liaison à haute fréquence devra posséder une fréquence élevée par rapport à celles présentes à la sortie de chacun des circuits cyclo-convertisseurs. La liaison haute fréquence fournira ainsi les besoins en puissance réactive des deux circuits cyclo-convertisseurs, ainsique les courants harmoniques apparaissant sur leurs entrées. La puissance réelle est, bien entendu, obtenue à partir de l'alimentation (alimentation alternative dans ce cas particulier) et transférée à travers les deux circuits cyclo-convertisseurs vers une charge de sortie appropriée. Le dispositif peut également être utilisé pour convertir un courant alternatif en courant continu, pour transformer un courant continu en courant alternatif, ou pour convertir un courant continu en courant continu. Dans le premier cas, le deuxième circuit cyclo-convertisseur doit être remplacé par un redresseur classique tel qu'un redresseur à commande de phase ou un convertisseur double. Avec une telle disposition, le facteur de puissance affecté à l'alimentation alternative connectée peut etre maintenu à la valeur unité et il n'y aura pratiquement aucun courant harmonique prélevé sur l'alimentation alternative, quel que soit le niveau de tension à la sortie du dispositif.Dans le cas de conversion d'une puissance continue en puissance alternative, le premier circuit cyclo-convertisseur pourrait être remplacé par un convertisseur à commande de phase classique, ou un convertisseur double, et monté pour fonctionner en mode de régénération. L'avantage d'un tel dispositif par rapport à un convertisseur unique, est d'éviter l'apparition d'un contenu harmonique à la sortie du dispositif et d'obtenir la possibilité de fonctionnement dans une charge entièrement passive, ce qu'un convertisseur conventionnel à commutation par le section ne peut pas réaliser. Dans le cas d'une conversion continu-continu, le premier et le deuxième circuit cyclo-convertisseur seront remplacés par les convertisseurs classiques à commande de phase ou des convertisseurs doubles. Comme spécifié ci-dessus, le dispositif de conversion alternatif-alternatif présente l'avantage de pouvoir maintenir un facteur de puissance unité de chaque côté du dispositif (ou toute autre valeur souhaitée) tout en continuant à employer la commutation naturellui (dans la technique antérieure)impliquait obligatoirement un facteur de puissance avec retard de phase. De plus, tous les courants harmoniÀėî'entrée et à la sortie sont virtuellement éliminés. Les principes utilisés dans cette > tion peuvent également être mis en oeuvre pour constituer une soureCuissance réactive. En éliminant l'un des circuits cyclo-convertisseurs et~ - en utilisant une source de puissance réactive sur la liaison haute fréquence, ltéquivalent statique d'un condensateur synchrone peut être réalisé. La source de puissance réactive va fournir une accordé à inductance-capacité, comprenant une inductance 21 en parallèle sur le condensateur 23. Dans le but d'amorcer le fonctionnement du circuit accordé 19, un dispositif représenté schématiquement par la boîte 24 est prévu, pour fournir momentanément une certaine puissance au circuit accordé.Cet arrangement peut être obtenu à l'aide d'un dispositif quelconque fournissant momentanément la puissance initiale. La sortie 25 du cyclo-convertisseur il est connectée à travers une réactance de filtrage 27 sur la borne 29. De même, la sortie 31 du cyclo-convertisseur 13 est connectée à travers une réactance de filtrage 33 sur la borne 35. Les réactances de filtrage 27 et 33 sont utilisées pour minimiser la tension d'ondulation qui est produite par l'action du cyclo-convertisseur. De nouveau, pour la description, des bornes de sortie monophasées ont été indiquées pour chaque cyclo-convertisseur mais ces bornes de sortie peuvent naturellement Entre polyphasées si on le désire. Pour le fonctionnement, la borne 29 peut etre considérée comme la borne d'entrée, sur laquelle une source de puissance électrique alternative est connectée. Le circuit cyclo-convertisseur 17 est monté pour fonctionner dans le mode régénérateur", ce qui signifie que la puissance va circuler depuis la borne de sortie 25 jusqu'à la borne d'entrée 15. Un tel fonctionnement d'un circuit convertisseur est bien connu et est fréquemment utilisé dans de nombreuses applications variées. Le cyclo-convertisseur 13 est d'autre part monté pour transférer la puissance de sa borne d'entrée 17 vers sa borne de sortie 31. Par suite, le flux de puissance dans le circuit (indiqué par la flèche 37) ira de la borne d'entrée 29 à la borne 35 qui peut entre considérée comme la borne de sortie du dispositif complet. Le circuit d'alimentation de tension (ou la liaison haute fréquence) 19 fournit la tension à partir de laquelle les tensions de sortie des circuits cyclo-convertisseurs Il et 13 sont créées. Naturellement, le cyclo-convertisseur 11 est conçu pour produire une tension de sortie presque identique à celle apparaissant sur la borne d'entrée 29 (la différence entre ces deux tensions déterminant l'amplitude et la phase du courant prélevé sur la source 29). puissance réactive avec pratiquement aucune composante de puissance active, bien aucune faible portion de puissance active puisse autre fournie pour compenser les pertes dans la liaison haute fréquence. L'invention va devenir mieux compréhensible grâce à la description suivante de formes de réalisation données uniquement à titre d'exemple en se référant au dessin annexé sur lequel La figure 1 est un diagramme de circuit fonctionnel d'une forme de réalisation préférentielle de la présente invention. La figure 2 est un diagramme de circuit fonctionnel d'une autre forme de réalisation selon la présente invention, mais dont les conditions de fonctionnement sont choisies pour illustrer de fagon explicite le passage de la technique antérieure à celle selon la présente invention ; et La figure 3 est un diagramme de circuit fonctionnel de la forme de réalisation de la figure 2, disposé pour fonctionner selon la présente invention. Un premier circuit convertisseur Il et un deuxième circuit convertisseur 13 sont représentés sur la figure I. Comme spé- cifié ci-dessus, ces circuits convertisseurs peuvent être des circuits d'un type quelconque approprié, mais pour cette réalisa ra tion particulière, on les considéreXcomme des circuits cyclo- convertisseurs à commutation naturelle. Les détails de la construction et du fonctionnement de tEls circuits sont décrits et discutés en détail, avec leurs circuits associés, dans le texte "Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters" de B.R. Pelly, publié par John Wiley and Sons, inc,., 1971. L'entrée 15 du cyclo-convertisseur Il est connectée à l'entrée 17 du cyclo-convertisseur 13. Dans la réalisation particulière représentée, une entrée monophasée est indiquée mais, bien sdr, cette entrée peut etre polyphasée si on le désire. Une tension d'entrée est appliquée sur les entrées 15 et 17 des circuits cyclo-convertisseurs 11 et 13 par un circuit d'alimentation en tension 19. Ce circuit 19 peut être un générateur de tension comme on lta représenté sur les figures 2 et 3, ou bien il peut etre constitué par un circuit accordé statique, comme sur la figure 1. Ce circuit accordé statique particulier est un circuit La fréquence de la liaison haute fréquence 19 est choisie relativement élevée, par rapport à la fois à la fréquence du signal sur la borne d'entrée 29, et à la fréquence du signal sur la borne de sortie 35.La fréquence de sortie et la tension du dispositif peut etre commandée d'une manière continue (en supposant par exemple une tension d'entrée alternative constante sur la borne 29) par une commande de phase classique du circuit cyclo-convertisseur 13. (Bien entendu, le circuit cyclo-convertisseur il doit être commandé de manière à produire sur sa sortie une tension correspondant approximativement à la tension apparaissant sur la borne d'entrée 29). Tant que la fréquence de la liaison haute fréquence 19 est maintenue élevée par rapport aux fréquences des signaux sur les bornes 29 et 35, le rapport de fréquence entre le signal d'entrée sur la borne 29 et le signal de sortie sur la borne 35 peut prendre une valeur souhaitée quelconque. Ainsi, la fréquence de la tension de sortie sur la borne 35 peut être inférieure, supérieure, ou égale à la fréquence du signal d'entrée sur la borne 29.A titre d'exemple, la fréquence du signal d'entrée sur la borne 29 peut entre de 50 Hz, la fréquence du signal de sortie sur la borne 35 peut être de 60 Hz et la fréquence sur la liaison haute fréquence 19 peut entre de 400 Hz. Avec le système décrit, les courants en quadrature (réactifs) et les courants harmoniques associés aux entrées des cyclo-convertisseurs 11 et 13 restent confinés dans la liaison haute fréquence 19. En rendant la fréquence de la liaison haute fréquence suffisamment élevée, les dimensions physiques et le coût des condensateurs nécessaires pour absorber les courants en quadrature et les courants harmoniques sont relativement faibles. On a donc éliminé la nécessité d'utilisation de filtres de courant hermonique accordés avec précision et de fabrication soignée, puisque le flux des courants harmoniques dans la liaison haute fréquence 19 n'est pas critique par lui-meme, puisque ces courants harmoniques n'apparaissent pas à ltextérieurç Les demandes variables de courant réactif sur la liaison haute fréquence 19 résultant par exemple d'un changement dans la tension de sortie demandée sur la borne 35 ,d'un changement de la charge sur la borne de sortie 35, ou d'un changement dans le courant réactif souhaité circulant sur la borne 29, peuvent etre satisfaites en réalisant les réglages appropriés mais relativenent faibles de la fréquence sur la liaison haute fréquence 19.Ceci fournit effectivement un moyen de commander de manière continue la réactance capacitive de la lia- son haute fréquence 19. (Avec un condensateur synchrone, le même effet pourrait etre obtenu au moyen d'une commande appropriée de l'excitation du générateur synchrone surexcité). La description du dispositif décrit ci-dessus conduit à des tensions et des courants sur les sorties 25 et 31 des cycloconvertisseurs respectifs Il et 13, qui sont essentiellement sinu soidaux, Pour les mêmes raisons, les tensions et les courants sur les bornes 29 et 35 sont essentiellement sinusoldaux et sans composantes harmoniques notables. De plus, grâce à une commande convenable, le facteur de puissance à l'entrée du dispositif (sur la borne 29) et le facteur de puissance à la sortie du dispositif (sur la borne 35) peuvent etre tous deux maintenus à une valeur unité pour tous les niveaux de tension.Cependant, il n'est pas essentiel de maintenir ces facteurs de puissance égaux à un puisque des charges d'un facteur de puissance quelconque peuvent être acceptées à la sortie du dispositif, et il est possible d'ajuster le facteur de puissance à l'entrée à une valeur désirée quelconque avec une phase positive ou négative. Bien que la description cidessus suppose implicitement qu'une charge passive est connectée à la borne 35, il est clair que cette borne peut etre connectée sur un deuxième dispositif alternatif, auquel cas la puissance peut être transmise entre un dispositif alternatif et un autre, et le schéma en ligne devient l'équivalent d'un noeud asynchrone capable de transmettre de la puissance dans les deux directions entre deux dispositifs alternatifs indépendants.Un tel schéma fournit essentiellement les memes fonctions qu'un noeud asynchrone à redresseur-onduleur classique, mais présente -les avantages d'un facteur de puissance ajustable des deux cotés, d'un faible pourcentage de courant harmonique dans chaque dispositif, d'une réponse rapide, la possibilité de fonctionner avec une charge des phases non équilibrée dans les deux systèmes, et la possibilité de transférer de la puissance dans un dispositif complètement passif (c'est-à-dire un système qui a perdu toutes ses capacités génératri cesA Il est également évident, puisque le facteur de puissance sur chacun des deux côtés peut être commandé indépendamment du flux de puissance réelle, que chaque cyclo-convertisseur peut fournir des VAR avec avance ou retard de phase à ces dispositifs associés, sans transmission de puissance entre les deux dispositifs et par suite, aucune correction effective entre eux. Il est, de plus, évident qu'un cycle convertisseur unique avec sa source de puissance réactive à haute fréquence sur son entrée peut constituer une alimentation en VAR variable pour un dispositif alternatif unique. La source de puissance réactive peut etre une source convenable quelconque qui produit essentiellement toute la puissance réactive (bien qu'unie faible quantité de puissance active couvrant les pertes de la liaison HF soit acceptable). Des exemples de telles sources sont constitués par le circuit accordé ou le condensateur synchrone.En raison de la fréquence relativement haute de la tension fournie par la source de puissance réactive, un condensateur synchrone sera beaucoup plus petit que le même condensateur synchrone utilisé pour fournir directement la puissance réactive. Le fonctionnement de la présente invention peut etre expliqué plus en détail, en se référant à la forme de réalisation représentée sur les figures 2 et 3. En fait, les conditions de fonctionnement représentées sur la figure 2 pour cette forme de réalisation ne constituent pas un élément de l'invention mais sont inclues ici pour aider à la description du fonctionnement. Pour décrire le fonctionnement de la disposition représentée sur la figure 2, on doit faire un certain nombre dthypothèses et donner quelques définitions : ici, la liaison haute fréquence 19' est représentée sous la forme d'un générateur de tension.La première hypothèse à faire est que ce générateur de tension 19' délivre de la puissance sur les bornes d'entrée 15' et 17' des cyclo-convertisseurs respectifs 11' et î3'. On suppose aussi que le cycloconvertisseur 11' délivre une puissance P1 à sa sortie 25', à la fréquence fl et avec un facteur de puissance unité. De même, on suppose que le cyclo-convertisseur 13' délivre la puissance p2 sur sa sortie 31 ' , à la fréquence f2 et avec un facteur de puissance unité. On suppose aussi que la fréquence du générateur de tension 19' est très supérieure à la fois aux fréquences fi et f2, de telle sorte que les courants et les tensions sur les sorties 25' et 31' des cyclo-convertisseurs respectifs 11' et 13' sont essentiellement sinusoidaux. Avec ces hypothèses, la composante en phase totale (puissance active) des courants délivrés par le générateur de tension 19' est Ipl + Ip2, Ipl et Ip2 étant les composantes du courant en phase correspondant respectivement aux puissances pl et p2. De plus, chacun des cyclo-convertisseurs 11" et 13' consomment une composante de courant en quadrature retard, fournie par le générateur de tension 19', indépendante du facteur de puissance sur leurs bornes de sortie. Le générateur de tension de haute fréquence 19' fournit donc également deux composantes de courant en quadrature retard IQ1 et IQ2, prélevées par les cycloconvertisseurs respectifs 11' et 13'.Enfin, chacun des cyclo-convertisseurs prélèvent également des courants harmoniques sur la liaison haute fréquence 19' (bien qu'avec une sortie triphasée équilibrée, ce contenu harmonique soit relativement faible). Ces courants harmoniques sont désignés par IH1 et IH2 pour les cycloconvertisseurs respectifs 11' et 13'. La disposition décrite sur la figure 2 n'est pas inhabituelle car elle correspond à celle d'utgénerateur de tension 19' alimentant deux cyclo-convertisseurs à commutation naturelle indépendante, 11 r et 13', lesquels fournissent de la puissance à deux charges séparées indépendantes sur les fréquences respectives f1 et f2. En d'autres termes, c'est le cas de deux cycloconvertisseurs complètement indépendants connectés sur une source commune de tension alternative. Comme indiqué par la flèche 39, la puissance p1 circule de l'entrée 15' du cyclo-convertisseur 11' vers la sortie 25' et, comme l'indique la flèche 41, la puissance p2 circule de l'entrée 19' du cyclo-convertisseur 13' vers la sortie 31'. Le fonctionnement de la présente invention se trouve clarifié en comparant le montage de la figure 3 avec le montage de la figure 2. Comme l'indique la flèche 43, le flux de puissance dans le cyclo-convertisseur 11' a été inversé, de sorte que la puissance circule de sa sortie 25' vers son entrée 15'. Quoi qu'il en soit, le facteur de puissance d'entrée tel qu'il est vu de la borne 25' reste égal à l'unité.Une telle inversion de flux de puissance implique simplement qu'unie source alternative connectée en 29' va délivrer de la puissance sur cette entrée 29' (ou sortie 25' du cyclo-convertisseur Il'). En ce qui concerne le fonctionnement du cyclo-convertisseur 11', ceci reste une situation naturelle puisqu'un cyclo-convertisseur est, de façon inhérente, capable d'accepter un flux de puissance "inverse" (et, bien entendu, il est capable de fonctionner avec n' importe quel facteur de puissance sur la sortie 25'). On fait maintenant l'hypothè- se supplémentaire pl = p2.Dans un tel cas, indiqué sur la figure 3, la puissance réelle fournie par le générateur haute fréquence 19' est la différence entre pl et p2, c'est-à-dire 0 (Ipî + 1p2 = O). En d'autres termes, la puissance alternative à la puissance f1 est maintenant transmise directement depuis la borne d'entrée du dispositif 29', à travers les cyclo-convertisseurs 11' et 13', et est délivrée sur la borne du dispositif 35 à la fréquence f2. Le rôle du générateur de tension de haute fréquence 19' (qui peut être constitué par un condensateur synchrone), est maintenant simplement de fournir une tension, à partir de laquelle les deux convertisseurs 11' et 13' dérivent leurs possibilités de commutation, pour générer les composantes de courant réactives et harmoniques pour les circuits cyclo-convertisseurs 11' et 13'.En observant qu'aucune ne puissance réelle n'est fournie parole générateur de tension 19', ce générateur de tension peut être remplacé par un simple circuit accordé statique comme on l'a déjà discuté à propos de la première réalisation de la figure 1. Bien entendu, en pratique, les flux de puissance à travers les deux cyclo-convertisseurs peuvent être ajustés de manière qu'une faible différence existe entre eux et soit juste suffisante pour compenser les pertes de la liaison haute fréquence. On notera que la liaison de fréquence peut être soit un générateur de tension classique, soit un condensateur synchrone, soit un simple circuit accordé. Le type particulier choisi peut varier selon les exigences d'une application particulière, mais toutes dispositions de ce type pouvant fournir les composantes harmoniques et la composante en quadrature requises à l'entrée des circuits cyclo-convertisseurs, restent du domaine de cette invention. REVENDICATIONS 1. Un appareillage pour la conversion statique de la puissance électrique, caractérisé par le fait quel comporte une source de potentiel électrique ; un premier circuit convertisseur dans lequel un flux de puissance circule de sa sortie vers son entrée, ladite source de puissance électrique étant connectée sur cette sortie ; un deuxième circuit convertisseur dans lequel un flux de puissance circule de son entrée vers sa sortie, l'entrée dudit premier circuit convertisseur étant reliée à l'entrée dudit deuxième circuit convertisseur ; et des moyens d'alimentation en tension fournissant une tension sur les entrées du premier et du deuxième circuit convertisseur, cette tension étant utilisée pour élaborer lès tensions de sortie desdits circuits convertisseurs. 2. Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'alimentation en tension utilisent un circuit accordé. 3. Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'alimentation de tension utilisent un condensateur synchrone. 4. Un appareillage permettant la conversion statique de puissance électrique, caractérisé par lé fait qu'il comporte une source de puissance électrique alternative ; un premier-circuit cyclo-convertisseur dans lequel un flux de puissance circule de sa sortie vers son entrée, ladite source étant connectée sur ladite sortie ; un deuxième circuit cyclo-convertisseur dans lequel un flux de puissance circule de son entrée vers sa sortie, l'entrée de ce premier circuit cyclo-convertisseur étant connectée sur l'entrée dudit deuxième circuit cyclo-convertisseur ; et des moyens d'alimentation de tension fournissant une tension sur les entrées desdits premier et deuxième circuits cyclo-convertisseurs, afin d'être utilisée pour élaborer la tension de sortie desdits premier et deuxième circuits cyclo-convertisseurs, la tension fournie par lesdits moyens d'alimentation de tension ayant une fréquence qui est élevée par rapport aux fréquences des tensions présentes sur les sorties desdits premier et deuxième circuits cyclo-convertisseurs. 5. Un appareillage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits premier et deuxième circuits cyclo-convertisseurs sont des cyclo-convertisseurs à commutation naturelle. 6. Un appareillage selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'alimentation de tension comprennent un circuit accordé. 7. Un appareillage selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'alimentation de tension comprennent un condensateur synchrone. B. Un appareillage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'alimentation de tension comprennent un circuit accordé à inductance-condensateur. 9. Un appareillage pour la fourniture de puissance réactive, caractérisé par le fait qu'il comporte une source de puissance électrique alternative ; un circuit cyclo-convertisseur à commutation naturelle dont la sortie est connectée à ladite source de puissance alternative ; et une source de puissance réactive connectée à l'entrée dudit circuit cyclo-convertisseur pour fournir une tension qui est utilisée par ledit circuit cyclo-convertisseur pour élaborer sa tension de sortie, la fréquence de ladite source de puissance réactive étant élevée par rapport à la fréquence de ladite source de puissance alternative 10. Un appareillage selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite source de puissance réactive comprend un circuit accordé. 11. Un appareillage selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite source de puissance réactive comprend un condensateur synchrone.