Brevet FR2210858A1 — publié le 19740712

La présente invention concerne un convertisseur statique commutable pour raccordement à des réseaux haute tension de diverses natures et comprenant un circuit d'entrée, un mécanisme de commutation, plusieurs commutateurs à semiconducteurs, un circuit de commande et un circuit de sortie. Des convertisseurs sont utilisés par exemple pour la charge de batteries, dans le cas où le réseau alimenté par la batterie doit Entre indépendant du réseau servant à charger cette dernière. I1 en est par exemple ainsi dans le cas des trains de voyageurs, qui utilisent le réseau alimenté par la batterie pour l'éclairage et la commande, tandis que la charge de la batterie est assurée par le réseau des barres omnibus haute tension du train. La charge de la batterie est particulièrement difficile dans le trafic international. On sait qu'il existe en Europe plusieurs systèmes de traction électrique, dont un à tension continue de 1,5 kV, un autre à tension continue de 3 kV, un troisième à tension alternative de 1,5 kV, 50 Hz et un quatrième à tension alternative de 1 kV, 16 2/3 Hz. Une solution connue consiste à charger une batterie par l'intermédiaire d'un chargeur, alimenté par des transformateurs dans le cas d'une tension alternative, ou d'un second chargeur qui, dans le cas d'une tension continue, est alimenté par une tension triphasée délivrée par un convertisseur rotatif continu-triphasé en amont (BBC-Nachrichten, maijuin 1971). L'invention a donc pour objet la création d'un convertisseur statique commutable pour raccordement à des réseaux haute tension de diverses natures, comprenant uniquement des éléments statiques et convenant simultanément pour tous les réseaux rencontrés en pratique. Ce convertisseur statique est constitué par un circuit d'entrée, un commutateur à semiconducteur s, un circuit de commande et un circuit de sortie. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un dispositif de mesure, déterminant la nature et la valeur de la tension d'entrée, et un mécanisme de commutation, commandé par le dispositif de mesure, sont reliés à des éléments identiques du commutateur à semiconducteurs, comprenant chacun un condensateur d'entrée, un bloc de semiconducteurs et un transformateur de sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente le schéma synoptique du principe de la charge d'une batterie par un réseau; la figure 2 représente le schéma détaillé du convertisseur et la figure 3 représente le groupement des blocs de semiconducteurs dans le cas des tensions d'entrée considérées. Sur le schéma synoptique de la figure 1, la tension injectée, continue ou alternative, est transmise par un redresseur 1 et un filtre d'entrée 2 à un commutateur à semiconducteurs 3. La tension convertie est couplée par un filtre de sortie 4 à la batterie non représentée. La tension d'entrée pouvant être de nature différente, la conversion de la tension s'effectue en fonction de la tension de sortie, car une constance très poussée de la tension convertie doit être garantie. Les valeurs de sortie sont par suite mesurées entre le filtre de sortie 4 et la batterie, puis transmises par un dispositif de saisie des mesures 5 à une commande 6 avec circuit d'amorçage 10, qui agit sur le commutateur à semiconducteurs 3. Sur le schéma détaillé de la figure 2, le redresseur 1 transmet la tension d'entrée, continue ou alternative, à un mécanisme de groupement, constitué par un filtre et un mécanisme de commutation ll. Le filtre d'entrée 2 est constitué par une inductance et un condensateur qui, dans ce cas, est divisé en condensateurs partiels 7. I1 élimine, dans le cas d'une tension alternative injectée, les harmoniques présents après le redressement par le redresseur 1 et doit être calculé pour la tension d'entrée à la fréquence minimale. Le commutateur 3 en aval comporte un nombre de blocs de semiconducteurs 8 égal à celui des condensateurs partiels. Le mécanisme de commutation 11 permet un groupement approprié de ces blocs de semiconducteurs, qui alimentent le filtre de sortie 4.La commande 6, avec le circuit d'amorçage 10, est reliée à la sortie du filtre 4. Le dispositif de saisie des mesures 5 est combiné avec lten- traînement du mécanisme de commutation, ce dernier étant mécanique de préférence. La figure 3 représente le groupement des blocs de semiconducteurs 8 pour les tensions d'entrée considérées. Les contacts des blocs de semiconducteurs peuvent être ceux du mécanisme de groupement de la tension de chauffage ou des contacts isolés, montés toutefois sur le même axe d'entrainement. La division de tension dépend dans le premier cas du nombre de résistances de filament branchées en parallèle et, dans le second cas, de la précision du couplage des condensateurs en série. Dans le commutateur 3, les semiconducteurs des blocs 8 couplés en conséquence appliquent la tension à l'inductance de sortie 9, qui la transforme pour délivrer la tension appropriée à la batterie. Dans le cas de hautes tensions d'entrée, le filtrage des harmoniques peut s'effectuer dans le circuit de sortie basse tension, par suite des avantages constructifs qui en résultent pour l'isolation. La commande agit sur les semiconducteurs des blocs. Les valeurs mesurées a la sortie indiquent si la durée de conduction des semiconducteurs doit être augmentée ou diminuée. Cette opération est effectuée par la commande. La durée de conduction est diminuée pour une tension d'entrée élevée et inversement. On peut démontrer que le montage selon l'invention permet de réduire notablement l'excursion ce tension correspondant aux tensions d'entrée de nature différente. Les tensions d'entrée précédemment citées peuvent etre appliquées au convertisseur utilisé, dans l'exemple de réalisation décrit, pour la charge des batteries à bord de trains. Elles peuvent varier de +40 % au maximum par rapport à leur valeur nominale, du fait des conditions de service, de sorte que le convertisseur doit pouvoir fonctionner sur une plage de tension comprise entre 600 V et 4200 V. L'excursion de tension est par suite d'environ 7. Par suite du groupement des semiconducteurs selon l'invention, la tension inverse du bloc n'est plus que de 300 à 900 V. L'excursion de la tension d'entrée U /U t 7 est ainsi max min réduite à une excursion de la tension inverse U8max lUSmin ~ 3. Le convertisseur décrit ci-dessus présente les avantages suivants absence de piècesrotativS et par suite sensibles aux dérangements, pos sibilité d'alimentation par toutes réseaux de nature différente rencontrès en pratique, réduction de l'excursion de tension et constitution simple et rationnellé. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Convertisseur statique commutable pour raccoidement à des réseaux haute tension de diverses natures, comprenant un circuit d'entrée, un mécanisme de commutation, un commutateur à semiconducteurs, un circuit de commande et un circuit de sortie, et caractérisé en ce qu'un dispositif de mesure, déterminant la nature et la valeur de la grandeur d'entrée, et un mécanisme de commutation, commandé par le dispositif de mesure, sont reliés à des éléments identiques du commutateur à semiconducteurs, comprenant chacun un condensateur d'entrée, un bloc de semiconducteurs et un transformateur de sortie. 2. Convertisseur selon revendication 1, aractérisé en ce que la commande détermine la durée de conduction du mécanisme de commutation et des commutateurs à semiconducteurs. 3. Convertisseur selon revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme de commutation du chauffage électrique est utilisable aussi pour la commutation des commutateurs à semiconducteurs quand le conver- tisseur selon revendication 1 est utilisé pour charger des batteries à bord des trains de voyageurs dans le trafic international.