Brevet FR2245118A1 — publié le 19750418

La présente invention concerne le système de commande des thyristors formand un onduleur. La condition principale imposée à tout système de commande de ces onduleurs est celle de haute fiabilité qui détermine pour la majeure partie la sécurité de fonctionnement des convertisseurs statiques. Le système de commande de l'onduleur doit permettre d'appliquer les impulsions de commande aux thyristors principaux et å ceux de commutation suivant un programme donné. Pour ce faire, en cas de centrale d'un onduleur à commutation interphase, le système doit pouvoir produire des trains d'impulsions ou de groupes d'impulsions brèves, décalées entre elles d'un temps T/2n, où n est le nombre de phases de l'onduleur et T la période du courant de sortie. Dans le cas des onduleurs à double commutation qui se généralisent ces derniers temps, le système de commande doit encore pouvoir produire des trains d'impulsions larges dont la durée est celle du temps de conduction des thyristors principaux. De plus, de telles impulsions doivent présenter un certain retard par rapport à celles des thyristors de commutation. I1 existe des systèmes destinés à la commande des thyristors des onduleurs autonomes comportant un pilote réglable, une échelle, un distributeur d'impulsions, des formateurs et des amplificateurs d'impul- sions de commande ainsi qu'un temporisateur. Dans ce cas, la fonction d'échelle peut titre faite par des bascules statiques, des registres.de déca- lage à cellules ferrite-transistor, des multivibrateurs magnétiques, des dispositifs à thyristors et à capacités. Parmi les désavantages dont souffrent les systèmes de commande existants, on peut citer un grand nombre de composants nécessaires, une sensibilité relativement élevée aux parasites (les bascules et les circuits ferrite-transistor notamment), un synchronisme parfait à assurer entre le fonctionnement des échelles pour former les impulsions de commande des thyristors principaux et commutants. Dans toutes les réalisations connues, le nombre de commutations dans le système de commande correspond pratiquement à celui de commutations des éléments de puissance de l'onduleur. La disparition de cette correspondance conduit général en ment à la défaillance de l'onduleur plus ou moins dangereuse en fonction de la nature de l'incident dans le système de commande. Les échelles existantes ont pratiquement toutes cet inconvénient qu'une fausse impulsion peut en principe être délivrée par le système de commande sur toute voie, ce qui fait augmenter la probabilité de percement direct de tout 1 'onduleur. Le but de l'invention est d'éviter les inconvénients ci-dessus. La présente invention vise à procurer un système de commande de l'onduleur permettant d'améliorer la fiabilité de l'échelle, de réduire le nombre de commutations de ses éléments, de simplifier dans sa généralité le système de commande et, en particulier, l'obtention d'impulsions de commande larges dont la durée est un multiple de 27r degrés électriques, n étant le nombre de thyristors en série du systèmende commande. Le but posé est atteint par le fait que dans le système de commande de l'inverseur comportant, connectés à la source de courant continu, une échelle à thyristors, un pilote avec enroulements de sortie de polarité différente servant à commander lesdits thyristors de l'échelle, et des formateurs d'impulsions de commande à appliquer aux soupapes de lJonduleur, selon l'invention les thyristors de l'échelle sont montés en série l'un par rapport à l'autre, l'anode du premier thyristor du réseau série ainsi formé est réunie au p5le positif de ladite source d'alimentation, l s cathodes de tous lesdits thyristors sont connectées chacune à travers une résistance au pôle négatif de la source d'alimentation, les électrodes de commande des thyristors impairs dudit réseau série sont reliées à des enroulements de sortie d'une certaine polarité du pilote, les thyristors pairs dudit réseau sont couplés à des enroulements de sortie de celui-ci de polarité contraire et les formateurs d'impulsions de commande sont placEs chacun dans le circuit cathodique respectif des thyristors de l'échelle. I1 y a intérêt à avoir dans le système de commande de l'onduleur un transistor destiné à la remise à l'état initial de l'échelle et connecté par son émetteur et son collecteur respectivement à l'anode et à la cathode du premier thyristor de ladite échelle, l'ouverture dudit transistor étant commandée par la base reliée à un enroulement supplémen taire- du formateur d'impulsions de commande connecté à la cathode du dernier thyristor de l'échelle. I1 est utile également que. dans le système de commande de l'onduleur,le primaire de chaque formateur d'impulsions de commande soit placé entre une résistance, connectée à la cathode du thyristor approprié de l'échelle, et le pôle négatif de la source d'alimentation du système Les primaires des formateurs-d'impulsions de commande peuvent Entre montés entre les cathodes des thyristors respectifs de échelle et les condensateurs reliés en étoile dont le point commun est connecté au ptle positif de la source d'alimentation du système. Cela permet de réduire la consommation électrique. Le primaire de chaque formateur d'impulsions de commande peut aussi être connecté entre le collecteur d'un transistor supplémentaire et le ple négatif de la source d'alimentation du système, les jonctions émetteur-base desdits transistors supplémentaires étant mises en dérivation sur les thyristors de l'échelle. I1 est souhaitable, pour produire deux trains d'impulsions de commande en retard l'une sur l'autre d'un temps nécessaire à la commutation des soupapes de puissance de l'onduleur, que le système de commande de l'onduleur dispose de formateurs d'impulsions de commande supplémentaires dont chacun soit raccordé au collecteur d'un transistor ayant son émetteur relié à l'anode du thyristor- respectif de l'échelle et sa base réunie, à travers un commutateur a diode hilatdrale et une résistance, au formateur d'impulsions de commande connecté à la cathode thyristor de l'écheLle. Le systeme de commande de l'onduleur selon l'invention a trouvé avec succès des applications dans une série de convertisseurs de fréquence à thyristors d'une puissance allant jusqu'à 100 kw. On aura une idée plus juste de la présente invention grâce à la description détaillée des exemples ci-dessous, conçue, pour la clarté de l'exposé, en termes étroitement spécifiques mais nullement limitatifs pour la portée de l'inventionde sorte que chaque terme implique tous les éléments équivalents qui fonctionnent de manière analogue et ont à résoudre les memes problèmes que la présente invention Les objectifs et les avantages de la présente invention autres qu'indiqués ci-dessus seront dégagés dans la description suivante, en faisant référence aux dessins dans lesquels la figure 1 représente le schéma électrique de princIpe du système de commande de l'onduleur selon l'invention dans le cas général dont les formateurs d'impulsions de commande sont montés entre les cathodes des thyristors de l'échelle formant le réseau série et le ple négatif de la source d'alimentation la figure 2, le schéma électrique de principe du système de commande de l'onduleur selon lfinvention dont les formateurs d'impulsions de commande sont montés entre les cathodes des thyristors de l'échelle formant le réseau série et les condensateurs reliés en étoile dont le point commun est connecté au ptle positif de la source d'alimentation la figure 3, le schéma électrique de principe du système de commande de l'onduleur selon l'invention dont les formateurs d'impulsions de commande sont placés dans les collecteurs des transistors supplémentaires ayant leurs émetteurs et leurs bases raccordés en parallèle aux thyristors appropriés de l'échelle la figure 4, le~schéma électrique de principe du système de commande de l'onduleur selon l'invention permettant la génération de deux trains d'impulsions de commande et doté à cet effet de formateurs d'impulsions de commande complémentaires et de temporisateurs les figures 5a à 5g, les diagrammes séquentiels explicatifs du fonctionnement du système de commande de l'onduleur selon la figure 4. Comme on peut le voir à la figure 1, le système de commande de l'onduleur,dans le cas genéral.eomporte une échelle utilisant des thyristors 1, 2, 3, 4, 5 et 6 reliés entre eux de manière à former un réseau série, connecté par l'anode du thyristor 1 au positif de la source d'alimentation Ul. Pour la remise au repos des thyristors 1 a 6 à la fin de chaque cycle-de comptage. ladite échelle fait appel à un transistor 7, connecté par son émetteur et son collecteur respectivement à l'anode et à la cathode du thyristor 1 de l'échelle, qui,une fois en débit,produit pendant un certain temps le shuntage dudit thyristor 1 et, partant, sa coupure. Les thyristors 1 à 6 étant en série l'un par-rapport à l'autre, lé blocage du thyristor 1 entratne la coupure du reste des thyristors 2 à 6 de l'échelle. Les cathodes des thyristors 1 à 6 sont reliées à travers des résistances 8, 9, 10, 11, 12, 13 à des formateurs d'impulsions de commande qui sont en l'occurrence les transformateurs d'impulsions 14, 15, 16, 17, 18, -19 à enroulement de polarisation. Les impulsions provenant des secondaires II desdits transformateurs s'appliquent aux électrodes de commande des soupapes de puissance de l'onduleur (non représentées sur la figure 1). La commande des thyristors 1 à 6 de l'échelle s'effectue par un pilote 20 raccordé à la source d'alimentation U1 et qui peut être un montage classique quelconque, comme le générateur de Royer. La fréquence du pilote 20 est commandée par le signal U3. A partir des enroulements de sortie du pilote 20 les impulsions d'une certaine polarité viennent sur tous les thyristors impairs 1, 3, 5 et celles de polarité opposée, sur tous les thyristors pairs 2, 4, 6. A l'application des impulsions dEouverture aux thyristors impairs 1, 3, 5. seul le thyristor 1 entre en conduction, les thyristors 3 et 5 étant séparés de la source d'alimentation U1 par les thyristors bloqués 2 et 4. Le débit du thyristor I produit l'inversion d'aimantation du transformateur d'impulsions 14 dont les secondaires II délivrent les impulsions d'ouverture des thyristors de puissance de l'onduleur. La quan Lité d'enroulements de sortie du transformateur d'impulsions dépend du schéma adopté pour l'onduleur. Pendant le deuxième temps les impulsions du pilote 20 sont envoyées sur tous les thyristors pairs 2, 4, 6. Il n'y a alors en débit qu'un seul thyristor 2, les autres étant isolés de la source d'alimentation U1 par les thyristors fermés 3 et 5. En même temps, les impulsions de commande sont formées à la sortie du transformateur d'impulsions 15. Ensuite, les impulsions s'appliquent de nouveau aux thyristors 1, 3 et 5. Les thyristors 1 et 2 étant déjà conducteurs, c'est seulement le thyristor 3 qui devra s'ouvrir et ainsi de suite. Aussi, pendant les séquences consécutives du pilote 20soles thyristors série 1 à 6 stouvrent-ils à tour de rle,ce qui a pour effet de produire des impulsions de commande successives. Pour reprendre le cycle, après l'ouverture du dernier thyristor 6Jil y a une remise au repos de l'échelle. A cet effet l'enroulement supplémentaire "a-b" du transformateur d'impulsions 19 fournit une impulsion mettant en conduction le transistor 7 en parallèle sur le thyristor 1 celui-ci-se ferme car la chute de tension dans le transistor en débit est inférieure à la tension de seuil du thyristor 1. La durée de l'impulsion c émise par l'enroulement "a-b" est de quelques dizaines à quelques centaines de microsecondes, après quoi le transistor 7 se bloque et le montage se trouve dans son état initial. Les impulsions suivantes du pilote 20 viennent de nouveau ouvrir le thyristor 1 et ainsi de suite. Ledit montage représente un diviseur de fréquence par six. Il est possible, en principe, de réaliser un diviseur de fréquence par un entier quelconque, déterminé par le nombre de thyristors de l'échelle. C'est ainsi que, pour pouvoir contrôler un inverseur à 12 phases, un tel dispositif doit comprendre douze thyristors de faible puissance. Le fait de reali- ser au moyen d'un dispositif unique les fonctions de démultiplication de la fréquence, de production et d'amplification des impulsions de commande conduit à la simplification du système. La figure 2 représente une forme de réalisation du système de commande de l'onduleur selon l'invention qui a pour caractère une consommation électrique essentiellement moindre en état de régime et une consommation pratiquement nulle en attente. Le système de commande de l'onduleur de la figure 2 se distingue par le fait que les formateurs d'impulsions de commande, c'est-à-dire les transformateurs d'impulsions 14 à 19, sont connectés entre les cathodes des thyristors 1 à 6 de l'échelle et le positif de la source d'alimentation U1 à travers des condensateurs 21, 22, 23, 24, 25 et 26 reliés en étoile dont le point commun est réuni au positif de la source U1, les résistances 8 à 13 servant à maintenir en conduction les thyristors 1 à 6. A l'état initial, tous les condensateurs 21 à 26 sont chargés par les résistances 8 à 13 à la tension de la source U1. A l'application des impulsions de rythme à partir du pilote 20 au thyristors 1, 3, S,seul le thyristor 1 s'ouvre et le condensateur 21 se décharge dans le transformateur d'impulsions 14 pour produire une impulsion de commande dans son enroulement de sortie II. Le reste du fonctionnement du montage donné est analogue à celui du montage de la figure 1. Quand on a besoin d'avoir des impulsions de commande larges, de 60, de 120 ou de 180 degrés électriques, on peut utiliser le montage donné à la figure 3. Dans ce cas, les thyristors série 1 à 6 de l'échelle sont mis en parallèle sur les jonctions émetteur-base des transistors supplémentaires 27, 28, 29, 30 et 31 respectivement dont les circuits collecteurs comportent les formateurs d'impulsions de commande 14 à 19. Le fonctionnement du système de commande est analogue aux cas précédents. C'est ainsi que la mise en conduction du thyristor 1 s'effectue en meme temps que celle du transistor 272 ce qui fait apparattre une impulsion de commande à la sortie du transformateur 14. Après l'ouverture du thyristor 2,le circuit d'entrée du transistor 27 se trouve en courtcircuit et celui-ci se coupe. Aussi, le temps de conduction des transistors 27 à 31 est-il fonction de l'intervalle entre les impulsions rythmées issues du pilote 20,ce qui correspond pour un montage triphasé à une durée d'impulsion de 60 degrés électriques. Si les jonctions émetteur-base des transistors 27 à 31 sont connectées en shunt sur les thyristors montés deux par deux en série, le temps de conduction des transistors sera de 120 degrés blectriques, ztc. Dans le système de commande de l'onduleur à double commutation, dont le schéma de principe fait l'objet de la figure 4, les thyristors 1 à 6 de l'échelle sont reliés à la source d'alimentation UI et leur remise à l'état initial à la fin de chaque séquence s'opère à l'aide du transistor 7. Entre les cathodes des thyristors t à 6 et le négatif de la source d'alimentation U1 il y a des transformateurs d'impulsions 14 à 19 connectés à travers les résistances 8 à 13 et destinés à produire les impulsions brèves servant à l'ouverture des thyristors de commutation de l'onduleur. De plus, les anodes des thyristors l à 6 sont couplées a travers les jonctions émetteur-collecteur des transistors 27 à 32 à des formateurs d'impulsions larges 34, 35, 36, 37, 38 et 39 destinées à ouvrir les thyristors de puissance de l'onduleur. Lesdits formateurs s'alimentent à travers lesdits circuits sur une source d'alimentation à haute fréquence U2. Le décalage temporel entre les impulsions des thyristors de commutation et de puissance est assuré parades commutateurs à diodes bilatérales 40, 41 42, 43, 44 et 45, des résistances 46, 47, 48, 49, 50, 51 et des condensateurs 52, 53, 54, 55, 56 et 57 placés dans les circuits de base des transistors 27 à 32. On considérera le fonctionnement du système. Au départ, les thyristors 1 à 6 sont bloqués. Le débit des sources d'alimentation U1 et U2 met en conduction les transistors 27 et 33 dont les bases sont réunies à travers les résistances 8 et 9 au négatif de la source d'alimentation U1. Les formateurs 34 et 39 s'en trouvent connectés à la source d'alimentation à haute fréquence U2 et leurs secondaires viennent produire les impulsions larges servant à commander les thyristors de puissance de l'onduleur. A l'instant tl (figure 5a) le premier rythme du pilote 20 fait apparaître les impulsions de commande U20 destinées à l'ouverture de tous les thyristors impairs 1 > 3, 5 de l'échelle ; pourtant seul le thyristor I devient passant, le reste des thyristors étant séparés de la source U1 par les thyristors pairs bloqués. Le transformateur d'impulsions 14 comportant un noyau en alliage vendu sous la marque commerciale "Permalloy" et un enroulement -de polarisation délivre à sa sortie une impulsion de commande étroite U14 servant à l'ouverture du thyristor de commutation (figure 5b). En même temps, le condensateur 53 est mis en charge par le circuit : positif de U1 - thyristor 1 - condensateur 53 - résistances 47, 10 - négatif de U1. A l'instant t2 (figure 5c, d), lorsque la tension U53 sur le condensateur 53 atteint la valeur de disruption de la diode bilatérale 41, le transistor 28 est mis en conduction. Le retard t 3 de l'ouverture du transistor est déterminé 3 par les paramètres des éléments 41, 47, 53. Le transformateur d'impulsions 35 intervient alors pour produire une impulsion large suivante (figure 5d, e). D'autre part, le thyristor 1 passant dérive le courant du circuit émetteur-base du transistor 33 dont la coupure fait cesser l'impulsion large à la sortie du transformateur d'impulsions 39. Après un temps égal à T/6 le rythme suivant du pilote 20 produit l'application des impulsions d'ouverture à tous les thyristors pairs 2, 4, 6, mais c'est seulement le thyristor 2 qui se met à conduire pour provoquer la formation d'une nouvelle impulsion étroite U à la sortie du trains 15 formateur d'impulsions 15 (figure Sf).Au bout d'un temps: 3 le transistor 3 29 s'ouvre et le transformateur d'impulsions 36 commence à produire une impulsion large U36 (figure 5g). D'autre part, les thyristors en conduction 1 et 2 font le shuntage du circuit émetteur-base du transistor 27, ce dernier se bloque en interrompant l'impulsion de en commande U34 à la sortie du transformateur d'impulsions 34. Le rythme suivant du pilote 20 met en conduction le thyristor 3 et ainsi de suite. Après l'ouverture du thyristor 6, une impulsion supplémentaire U19 en provenance du transfor mateur d'impulsion 19 (de 1 ' e n r o u 1 e m e n t a - b ) produit l'ouverture du transistor 7. Le thyristor 1 s'en trouve bloqué et le courant du réseau série de thyristors ï à 6 passe par ledit transistor 7. Après un temps, égal à la durée de l'impulsion issue de l'enroulement a-b, le transistor 7 se coupe, lui aussi, pour mettre hors courant tout le réseau série de l'échelle Sur un. rythme suivant du pilote 20 le thyristor 1 sera de nouveau conducteur et ainsi de suite. De cette façon, dans le système de commande de l'inverseur selon l'invention, la fonction d'échelle est faite par une suite de thyristors 1 a 6 qui tiennent simultanément le rôle d'amplificateur-formateurs d'impulsions étroites de commutation et celui de portes-logiques déterminant les moments se départ et d'arrêt des formateurs à transistor produisant de larges impulsions pour la commande des thyristors principaux de l'onduleur. La durée desdites impulsions dépend dans ce cas du nombre de thyristors en parallèle sur le circuit émetteur-base de chaque transistor du formateur. C'est ainsi qu'avec un seul thyristor en parallèle sur le circuit émetteur-base de chaque transistor la durée d'impulsion constitue 60 degrés électriques, avec deux thyristors, 120 degrés électriques, avec trois thyristors, 180 degrés électriques. Le système de commande selon l'invention est peu sensible à l'évolution de paramètres de ses composants et assure une synchronisation serrée entre les impulsions de commande des thyristors de commutation et de puissance de l'onduleur. REVENDICATIONS 1 Système de commande d'un onduleur comportant, raccordés à une source d'alimentation en continu, une échelle à thyristors, un pilote muni d'enroulements de sortie de polarité différente et destiné à commander les thyristors de l'échelle, et des formateurs d'impulsions de commande de l'échelle à appliquer aux soupapes de ltonduLeur à contrôler, caractérisé par le fait que les thyristors de l'échelle sont montés en série l'un par rapport à l'autre, que l'anode du premier thyristor du réseau série ainsi formé est connectée au positif de ladite source d'alimentation, que la cathode du premier thyristor comme celles des suivants sont raccordées chacune à travers une résistance au négatif de la source d'alimentation, que les électrodes de commande des thyristors impairs dudit réseau sont reliées aux enroulements de sortie dlune certaine polarité du pilote, que les thyristors pairs dudit réseau sont reliés à ses enroulements de sortie de polarité inverse, les enroulements primaires des formateurs d'impulsions de commande étant connectés chacun au circuit cathodique respectif des thyristors de l'échelle 2. Système de commande d'un onduleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un transistor connecté par son émetteur et son collecteur respectivement à l'anode et à la cathode du premier thyristorde l'échelle et dont l'ouverture est commandée par la base reliée à cet effet à un enroulement supplémentaire du formateur dtimpulsions de commande connecté à la cathode du dernier thyristor de l'échelle. 3. Système de commande de l'onduleur selon les revendication 1 et 2, caractérisé par le fait que le primaire de chaque formateur d'impulsions de commande est connecté entre une résistance raccordée à la cathode du thyristor respectif de l'échelle et le pôle négatif de la source d'alimentation du système. 4. Système de commande de l'onduleur selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les primaires des formateurs d'impulsions de commande sont montés entre les cathodes des thyristors respectifs de l'échelle et les condensateurs connectés en étoile dont le point commun est connecté au pole positif de la source d'alimentation du système. 5. Système de commande de l'onduleur selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le primaire de chaque formateur d'impulsions de commande est connecté entre le collecteur d'un transistor supplémentairc cs 1e pôle négatif de la source d'alimentation du système, les jonctions émetteurbase desdits transistors supplémentaires étant mises en parallèle sur les thyristors de l'échelle. 6. Système de commande de l'onduleur selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que,pour pouvoir produire deux trains d'impulsions de commande retardées lFune sur ltautre dgun temps nécessaire a la commutation des thyristors de puissance de l'inverseuB il comporte les formateurs d'im- pulsions de commande supplémentaires dont chacun est raccordé au collecteur d'un transistor supplémentaire ayant son émetteur relié a l'anode du thyristor respectif de l'échelle, sa base étant réunie à travers un dinistor et une résistance à un formateur d'impulsions de commande raccordé à la cathode du thyristor de l'échelle.