Brevet FR2210859A1 — publié le 19740712

La présente invention concerne un convertisseur statique pour raccordement à des réseaux haute tension de diverses natures et comprenant un circuit d'entrée, un commutateur 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 être 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. On connais aussi un convertisseur statique constitué par deux onduleurs identiques, avec protection contre les sur tensions et les surintensités. Les deux montages sont très coQteux et difficiles à loger (BBC Nachrichten, mai-juin 1971). L'invention a donc pour objet la création d'un convertisseur 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 semiconducteurs, un circuit de commande et un circuit de sortie. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le commutateur à semiconducteurs est constitué par un condensateur d'entrée, plusieurs semiconducteurs en série et en parallèle, une inductance de sortie et une diode de sortie, le couplage des semiconducteurs étant déterminé par la tension injectée et la puissance 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 etdes 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 commutateur à semiconducteurs; la figure 3 représente le schéma d'une autre forme de réalisation du convertisseur; et la figure 4 représente une variante de la figure 3. Sur le schéma synoptique de la figure 1, la tension injectée, continue ou alternative, est transmise dans le circuit d'entrée, par un redresseur 1 et un filtre d'entrée 2, à un commutateur à semiconducteurs 3. La tension convertie est couplée dans le circuit de sortie, 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 & re 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. Dans une forme de réalisation représentée à la figure 2, le commutateur à semiconducteurs 3 comprend un condensateur 7 qui, en liaison avec une inductance, forme le filtre d'entrée 2, un bloc 8 de groupes de semiconducteurs couplés en parallèle et en série, une inductance de sortie 9 et une diode de sortie 11. Dans le commutateur 3, les semiconducteurs du bloc 8, couplés en conséquence, appliquent la tension à l'inductance de sortie 9, qui délivre la tension appropriée à la batterie. Dans le cas de hautes tensions alternatives d'entrée, le filtrage des harmoniques s'effectue dans le circuit de sortie basee tension, par suite des avantages constructifs qui en résultent pour l'isolation. La commande agit sur les semiconducteurs du bloc. Les valeurs de sortie mesurées indiquent si la durée de conduction des semiconducteurs doit être augmentée ou diminuée. La durée de conduction est diminuée quand la tension d'entrée est élevée et n versement. Dans la variante représentée à la figure 3, le condensateur d'entrée 7 est divisé en plusieurs condensateurs partiels. A chaque condensateur partiel correspond un goupe de semiconducteurs en parallèle, provenant de la division du bloc 8. Chaque groupe est connecté à une partie de l'inductance de sortie, également divisée. I1 est toutefois possible aussi de relier chaque semiconducteur à une partie de l'inductance de sortie, comme le montre la figure 4. On peut démontrer que la disposition du commutateur à semiconducteurs selon l'invention permet de réduire notablement l'excursion de tension produite sur le bloc de semiconducteurs par les tensions d'entrée de nature différente. Les tensions d'entrée précédemment énumérées sont admissibles quand le convertisseur est utilisé, dans la forme de réalisation décrite, pour la charge des batteries à bord des trains. Ces tensions 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 min = 600 V et U = 4200 V. L'excursion de la tension d'entrée est par suite U /U max max min 7. Le bloc de semiconducteurs 8 est chargé par une tension inverse égale à la tension d'entrée à commuter et à la tension de sortie constante ou de batterie, multipliée par le rapport de transformation de l'inductance de sortie 9. Le dernier facteur K étantconstant, la tension inverse appliquée au bloc de semiconducteurs pour une tension Umin est min USmin = Umin + K. Lorsque K = Cumin, comme dans le montage considéré, on voit que la tension appliquée ne fluctue qu'entre Us in = 2 Umin et Usmax = 8 Umin (excursion de la tension inverse : Us /Us i = 4). Cette croissance non linéaire de la tension appliquée aux semiconducteurs est un avantage essentiel du montage décrit. Le convertisseur décrit ci-dessus présente les avantages suivants absence de pièces rotatives et par suite sensibles aux dérangements, possibilité d'alimentation par tous les réseaux de nature différente rencontrés en pratique, réduction de l'excursion de tension, possibilité de filtrage des harmoniques dans le circuit de sortie et constitution simple et rationnelle. 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 pour raccordement à des réseaux de diverses natures, comprenant un circuit d'entrée, un commutateur à semiconducteurs, un circuit de commande et un circuit de sortie, et caractérisé en ce que le commutateur à semiconducteurs est constitué par un condensateur d'entrée, plusieurs semiconducteurs en série et en parallèle, une inductance de sortie et une diode de sortie, le couplage des semiconducteurs étant toujours déterminé par la tension injectée et la puissance de sortie. 2. Convertisseur statique selon revendicatinfFl, caractérisé par la division du condensateur d'entrée en plusieurs condensateurs partiels couplés en série et reliés chacun à un groupe de semiconducteurs en parallèle. 3. Convertisseur statique selon revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les sorties des groupes de semiconducteurs en parallèle sont reliées chacune à une partie de l'inductance de sortie divisée. 4. Convertisseur statique selon revendication 1 et une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la commande influence la durée de conduction des semiconducteurs. 5. Convertisseur statique selon revendication 1 et une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le filtrage des harmoniques s'effectue dans le circuit de sortie basse tension, dans le cas de hautes tensions alternatives d'entrée.