Brevet FR2225873A1 — publié le 19741108

La présente invention concerne les dispositifs statiques prévus pour transformer une tension continue en tension alternative à amplitude et fréquence réglables, et se rapporte plus particuliere- ment à un onduleur autonome avec un circuit de commutation universel et peut être utilisée, en particulier, pour le réglage de la vitesse des moteurs électriques synchrones et asynchrones. On connaît une grande quantité d'onduleurs autonomes à commutation entre phases ou à deux échelons, comportant un groupe de thyristors principaux montés en pont, des diodes de courant inverse, prévues pour la récupération de la puissance réactive de charge par le réseau à courant continu, et des dispositifs de commutation comportant des selfs, des condensateurs et des thyristors auxiliaires. Dans les onduleurs indiqués, les thyristors principaux débitent une tension triphasée ou à n phases sur la charge, les diodes de courant inverse assurent l'échange de la puissance réactive entre les phases de la charge et sa récupération partielle par le réseau à courant continu, tandis que les dispositifs de commutation assurent la commutation des thyristors principaux selon un programme déterminé. Les inconvénients des onduleurs autonomes connus sont soit 1'importance de la puissance installée des selfs et des condensateurs de commutation, soit la grande quantité d'équipement auxiliaire, soit la complication du système de commande de l'onduleur à cause de la nécessité de séparation des processus de commutation et de charge. En outre, dans beaucoup de schémas d'onduleurs connus, la présence de diodes de courant inverse nécessite des circuits supplémentaires de recharge des condensateurs de commutation, ce qui amène une série de phénomènes indésirables - une réduction du temps disponible pour le rétablissement de la faculté de commande des thyristors, pour une même valeur de la capacité du condensateur de commutation; - l'accroissement de la charge en courant des thyristors et des diodes à cause du phénomène d'accumulation de l'énergie de la self de commutation; - le recours à des selfs afin d'exclure la décharge instantanée de la capacité. L'inconvénient des schémas des onduleurs autonomes, dans lesquels on utilise une recharge unilatérale des condensateurs, réside dans une recharge "à vide" du condensateur de commutation, pour le préparer à la commutation suivante. Cette circonstance entraine l'- accroissement des pertes de commutation et réduit sensiblement la fréquence maximale admissible de l'onduleur. L'invention a pour but l'élimination des inconvénients propres aux onduleurs autonomes connus indiqués plus haut. L'invention est basée sur 1e problème de la mise au point d'un onduleur indépendant avec un circuit de commutation universel, qui assure la réalisation de n'importe quel régime de travail assigné avec un intervalle de conduction des thyristors principaux N = 120, 150, 180 degrés électriques, avec une charge automatique du condensateur de commutation, assumant les fonctions d'un dispositif de protection en cas de perturbation de la conversion, ce qui, dans l'ensemble, permet de simplifier le schéma de l'onduleur et d'assurer l'amélioration de sa fiabilité, et qui permette de simplifier des dispositifs de récupération de la puissance réactive de charge par le réseau. Ceci est obtenu par le fait, que dans l'onduleur autonome proposé avec un circuit universel de commutation, comportant des thyristors principaux, assemblés selon un montage en pont triphasé, raccordé par son entrée à une source d'alimentation à courant continu, et du côté du courant alternatif, à des thyristors de commutation connectés en pont triphasé raccordé du côté du courant continu à une source de recharge et à des thyristors supplémentaires, montés en pont monophasé, dans une diagonale duquel est branché un condensateur de commutation, selon l'invention, le groupe anodique du pont monophasé des thyristors supplémentaires est raccordé au groupe cathodique du pont triphasé des thyristors de commutation et à travers une self et une diode, au pôle positif de la source de recharge, tandis que le groupe cathodique du pont de thyristors indiqué est raccordé au groupe anodique du pont triphasé de thyristors mentionné et au pôle négatif de la source de recharge. En cas d'utilisation dans le schéma de l'onduleur de diodes de courant inverse, insérées entre la source d'alimentation à courant continu et les phases de la charge de l'onduleur pour la compensation réciproque de la puissance réactive par phase de la charge, il est avantageux d'inserer entre le groupe anodique du pont de thyristors monophaséet le groupe cathodique ,des thyristors de commutation, une self de commutation. Ceci permet soit de réduire sensiblement l'inductance des selfs insérées entre les diodes de courant inverse et les thyristors principaux de l'onduleur, soit de les éliminer totalement du schéma. Pour assurer divers régimes de commutation, il est également avantageux de raccorder respectivement chacun des groupes anodique et cathodique de thyristors de commutation aux pôles négatif et positif de la source d'alimentation de l'onduleur, à travers un thyristor complémentaire, fonctionnant à une fréquence triple. I1 est préférable de raccorder les thyristors de commutation par leurs groupes anodique et cathodique respectivement aux pôles négatif et positif de la source d'alimentation de l'onduleur et de la source de recharge à travers des diodes de découplage. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'avoir recours à des diodes de courant inverse, car leurs fonctions sont assurées dans un tel schéma par les thyristors de commutation. En parallèle et en opposition avec les diodes de découplage indiquées raccordées aux bornes d'entrée de l'onduleur, on peut brancher des thyristors auxiliaires. Ceci permet d'exclure le passage du courant de commutation par les thyristors principaux de l'onduleur. Pour assurer la récupération de la puissance réactive par le secteur à courant alternatif, il est avantageux de raccorder à 1'onduleur un autre onduleur non autonome, assemblé selon un montage en pont triphasé, dont le groupe anodique est raccordé au p81e positif de la source de recharge et, à travers une self et une diode, aux groupes anodique et cathodique respectivement du pont monophasé de thyristors et du pont triphasé des thyristors de commutation et de raccorder le groupe cathodique de l'onduleur non autonome aux groupes anodique et cathodique des ponts de thyristors indiqués et au pôle négatif de la source de recharge. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels - la Fig. 1 représente le schéma électrique de principe d'un onduleur autonome selon l'invention; - la Fig. 2 représente le schéma électrique de principe d'un onduleur autonome selon l'invention, avec des diodes de courant inverse et une self supplémentaire de commutation; - la Fig. 3 représente le schéma électrique de principe d'un onduleur autonome selon la Fig. 2, avec des thyristors supplémentaires insérés entre les thyristors de commutation et les bornes d'entrée de l'onduleur; - la Fig. 4 représente un diagramme expliquant le fonctionnement de ltonduleur de la Fig. 3;; - la Fig. 5 représente le schéma électrique de principe d'un onduleur autonome, selon l'invention, avec des diodes supplémentaires insérées entre les groupes anodique et cathodique de thyristors et entre les bornes d'entrée de l'onduleur et le pôle positif de la source de recharge; - la Fig. 6 représente un diagramme expliquant le fonctionnement de l'onduleur de la Fig. 5; - la Fig. 7 représente le schéma électrique de principe d'un onduleur autonome selon l'invention, dans lequel en parallèle et en opposition avec les diodes raccordant les groupes anodique et cathodique des thyristors de commutation aux bornes d'entrée de l'on- duleur, sont insérés des thyristors supplémentaires;; - la Fig. 8 représente le schéma électrique de principe d'un onduleur autonome, selon l'invention, doté d'un onduleur non autonome, raccordé aux groupes anodique et cathodique des thyristors de commutation et à la source de recharge. La Fig. 1 met en évidence que l'onduleur autonome comporte généralement des thyristors principaux 1, 2, 3, 4, 5, 6, assemblés selon un montage en pont triphasé, raccordé à l'entrée d'une source U1 de courant continu, tandis que du côté courant alternatif, ce montage est raccordé à des thyristors de commutation 7, 8, 9, 10, 11, 12, également assemblés selon un montage en pont triphasé. Les groupes cathodique et anodique des thyristors de commutation 7, 8, 9, 10, 11, 12 sont raccordés à leur tour respectivement aux groupes cathodique et anodique d'un autre pont, monophasé, constitué des thyristors supplémentaires 13, 14, 15, 16, dans la diagonale duquel est inséré un condensateur de commutation 17. Ce pont monophasé comportant les thyristors 13, 14, 15, 16 est raccordé par son groupe anodique, à travers une self 18 et une dio- de de découplage 19, au pôle positif d'une source U de recharge, n tandis que par son groupe cathodique, il est raccordé au pôle négatif de cette source. Pour la compensation réciproque de la puissance réactive entre les phases de la charge de l'onduleur, on utilise des diodes de courant inverse 20, 21, 22, 23, 24, 25 (Fig. 2), qui sont insérées entre la source U1 d'alimentation de l'onduleur et les phases A, B, C de la charge. Entre les diodes 20, 21, 22,- 23, 24, 25 de courant inverse et les thyristors principaux 1, 2, 3, 4, 5, 6 de l'onduleur, sont inséries des selfs de commutation 26, 27, qui empêchent la décharge instantanée du condensateur de commutation 17 au moment de la commutation. Pour modifier le procédé de commutation entre les montages en pont des thyristors de commutation et des thyristors supplémentaires, on peut insérer en plus une self de commutation 28. Dans ce cas, les selfs 26, 27 peuvent avoir une inductance sensiblement réduite ou peuvent être totalement éliminées. Dans le cas de l'insertion de deux thyristors supplémentaires 29 et 30 (Fig. 3) entre le groupe anodique des thyristors principaux 1, 2, 3 de l'onduleur et le groupe cathodique des thyristors de commutation 7, 8, 9 d'une part et entre le groupe anodique des thyristors de commutation 10, 11, 12 et le groupe cathodique des thyristors principaux 4, 5, 6 d'autre part, le circuit assure un régime de fonctionnement de 1'onduleur avec une commutation individuelle, de groupe ou commune. On considère le fonctionnement du circuit pour le cas d'un intervalle de conduction des thyristors égal à 120 degrés électriques. On suppose que les thyristors principaux 1 et 6 sont enclenchés et que le courant de charge passe par les phases A et C. Le condensateur de commutation 17 est alors chargé avec la polarité indiquée sur la Fig. 3. Au moment t1 (Fig. 4), des impulsions de commande étroites sont appliquées aux thyristors 2, 8, 10, 14, 15. Le condensateur de commutation 17 est alors connecté entre les cathodes des thyristors principaux 1 et 2, son pôle positif étant raccordé à la cathode du thyristor 1. il se produit une commutation du courant de charge du thyristor 1 au thyristor 2 (Fig. 4a, b) et le thyristor 1 se bloque. La recharge du condensateur de commutation 17 est réalisée par trois circuits 1 - borne +U1, self 26, thyristors 2, 8, î4, condensateur de commutation 17, thyristors 15, 10, phase A, phase C, thyristor 6 et borne -U1; 2 - condensateur de commutation 17, thyristors 15, 10, diode 20, self 26, thyristors 2, 8, 14 (Fig. 4c); 3 - borne +Un, diode 19, self 18, thyristor 14, condensateur de commutation 17, thyristor 15, borne Un (Fig. 4k). Cependant, le troisième circuit n'influence pas sensiblement la durée de la décharge du condensateur de commutation 17, car 1'impédance caractéristique de ce circuit est de beaucoup supérieure à celle des deux autres circuits. Au moment t2, la tension du condensateur de commutation 17 passe par zéro (Fig. 4, g) en provoquant le changement du signe de la f.e.m. de la self 26. L'énergie électromagnétique accumulée dans la self 26 se dégage sous forme de pertes thermiques dans le thyristor 2, la diode 21 et les résistances des fils (Fig. 4, d). Simultanément, on exclut le second circuit et la recharge du condensateur de commutation est réalisée surtout par le courant de charge (Fig. 4, h, i). Au moment t3, la tension sur le condensateur de commutation 17 devient égale à la tension de la source d'alimentation U1, le circuit 1 est débranché et la charge du condensateur de commutation 17 est ensuite assurée jusqu'à la tension de la source de recharge Un Les thyristors 8 et 10 sont alors bloqués, tandis que le courant réactif de la phase A est bouclé par la diode 23 (Fig. 4, f). Au moment t4, les thyristors 14 et 15 sont bloqués et le circuit est prêt pour la commutation suivante. Ensuite, les thyristors 4, 9, 10, 13, 16 sont miss en conductien et le thyristor 2 est bloqué. Ainsi, au cours d'une période de la fréquence de sortie, le condensateur de commutation 17 réalise trois cycles complets de recharge. Pour la commande des thyristors de l'onduleur examiné, il faut un dispositif simple formant six groupes d'impulsions étroites, décalées de 60 degrés électriques les unes par rapport aux antres. Simultanément avec chaque commutation est réalisée la charge automatique complémentaire du condensateur à partir de la source de recharge Un En modifiant légèrement la logique du système de commande, on peut assurer avec le circuit étudié un régime de conduction des valves durant 180 degrés électriques. On suppose que ce sont les thyristors 1, 2 et 6 qui laissent passer le courant. Au moment t1, des impulsions étroites sont envoyées aux thyristors 8, 10, 14, 15 et le blocage du thyristor 1 se produit de façon analogue à celle décrite plus hant. Puis une impulsion de commande "large" est envoyée avec un certain retard au thyristor 4 et ensuite tous les processus se répètent. Dans le cas du branchement de deux thyristors supplémentaires 29 et 30 (Fig. 3), le circuit assure le régime de fonctionnement de l'onduleur avec une commutation individuelle, de groupe ou com=Xxe. On suppose que les thyristors 1, 2 et 6 sont conducteurs. Dans le cas d'une commutation individuelle, pour le blocage du thyristor 1, les thyristors 29, 14, 15, 10 sont mis en conduction. Dans le cas d'une commutation de groupe, pour le blocage du thyristor 1, les thyristors 29, 14, 15, 10, 11, 12 sont mis en conduction. Dans le cas d'une commutation commune de l'onduleur, les thyristors 29, 14, 15, 30 sont mis en conduction. Ce dernier régime de commutation peut etre utilisé pour le débranchement de l'onduleur en cas de régimes anormaux (décrochage de la conversion, claquage d'un thyristor, etc). Le branchement de la self 28 dans le circuit des thyristors de commutation 7 à 12 et l'élimination des selfs 26, 27 du circuit assurent un mode impulsionnel de commutation des thyristors en excluant le phénomène de l'accumulation de l'énergie électromagnétique dans le circuit de commutation. La présence des diodes 20 à 25 de courant inverse dans le circuit de l'onduleur, ainsi qu'on l'a fait remarquer plus haut, en trame la formation de circuits supplémentaires pour la charge du condensateur de commutation 17, et par conséquent la diminution du temps disponible pour le rétablissement des propriétés de commande des thyristors bloqués. En outre, la présence des selfs de commutation 26, 27 dans le circuit est en principe indispensable pour éviter la décharge instantanée du condensateur de commutation 17. La variante d'onduleur autonome représentée à la Fig, 5 exclut l'inconvénient indiqué, grâce au fait que la fonction des diodes de courant inverse est assumée automatiquement par le montage en pont triphasé des thyristors de commutation 7 à 12, dont le groupe ano disque, et cathodique, est raccordé à la source U de recharge et n à la source U1 d'alimentation de l'onduleur à travers les diodes de découplage 31, 32, 33, tandis que les selfs de commutation sont totalement éliminées. On considère d'une façon plus détaillée le fonctionnement de l'onduleur dans ce cas. On suppose que les thyristors 1 et 6, ou 1, 2 et 6 conduisent. Au moment t1 (Fig. 6), les thyristors 2, 8, 10, 14 et 15 sont rendus conducteurs simultanément à partir de l'un des conformateurs d'impulsions de commande. Alors, le condensateur de commutation 17 préalablement chargé, fait passer pratiquement instantanément le courant du thyristor 1 au thyristor 2 et le premier est bloqué. Le condensateur de commutation 17 est rechargé par les cir cuits 1 - borne +U1, thyristors 2, 8, diode 31, thyristor 14, condensateur de commutation 17, thyristors 15, 10, phase A, phace C, thyristor 6, borne -U1. 2 - condensateur de commutation 17, thyristors 15, 10, phase A, B, thyristor 8, diode 31, thyristor 14. Le diagramme E de la Fig. 6 montre que la recharge du condensateur de commutation 17 est effectuée seulement par le courant de charge, c'est pourquoi avec une même valeur de la capacité, la durée de sa décharge totale jusqu'à zéro, et par conséquent, la durée disponible pour le rétablissement des propriétés de commande des thyristors bloqués est maximale. La recharge du condensateur de commutation 17 est réalisée pratiquement selon une loi linéaire par le courant continu de charge. Au moment t2, la valeur absolue de la tension sur le condensateur de commutation 17 devient égale à la tension de la source d'alimentation U1 et le thyristor 8 est bloqué (Fig. 6, d, g). Le courant réactif de la phase A circule par le circuit : phase A, phase C, thyristor 6, diode 33, thyristor 10 (Fig. 6, c, e, h). Le condensateur de commutation 17 est chargé jusqu'à la tension de la source Un de recharge à travers les thyristors 14 et 15, qui au moment t3 sont bloqués automatiquement (Fig. 6, f, i). 3 Au cours de la commutation suivante, les thyristors 4, 9, 10, 13, 16 sont mis en conduction simultanément et le thyristor 6 se bloque. En fonction de la logique de commande, l'onduleur autonome peut assurer un régime de conduction de 120 ou 180 degrés électriques des valves. La Fig. 7 représente une variante de l'onduleur proposé, selon laquelle, afin d'assurer une commutation individuelle, du groupe ou commune, les diodes supplémentaires 32, 33 sont branchées en parallèle et en opposition avec des thyristors 42, 43, qui sont mis en conduction à une fréquence triple, en synchronisme avec la commutation dans le groupe anodique ou cathodique correspondant des thyristors principaux 1 à 6. Par exemple, pour le blocage du thyristor 1, il faut mettre en conduction les thyristors 42, 14, 15 et 10. Pour le reste,le fonctionnement circuit est identique à celui examiné plus haut. Pour toute une série d'applications, les onduleurs autonomes doivent présenter une conductibilité directionnelle; ctest-à-dire, assurant la récupération de la puissance réactive. Dans les circuits d'onduleurs connus, on utilise à cet effet soit un ensemble complémentaire redresseur-onduleur non autonome, soit un circuit spécial avec une logique de commande compliquée, réalisant la transition de l'onduleur en régime redresseur, tandis que le redresseur passe au régime de fonctionnement en onduleur non autonome. L'onduleur autonome proposé permet de simplifier le circuit de récupération de la puissance réactive. La Fig. 8 représente une variante de l'onduleur en question dans laquelle, aux bornes de sortie du groupe de thyristors de commutation 7 à 12 en pont, à travers la self 18 et la diode de découplage 19, sont raccordés des thyristors 34, 35, 36, 37, 38, 39 d'un onduleur non autonome, réalisant la récupération de la puissance réactive de la charge, à travers un transformateur 40, par le réseau à courant alternatif. La particularité de principe de cet onduleur réside dans l'utilisation des thyristors auxiliaires de commutation 7 à 12 en qualité de redresseur de puissance réactive, ce qui permet de réduire la puissance installée des valves de puissance et de simplifier le système de commande. On considère le fonctionnement de l'onduleur dans ce cas. On suppose que les thyristors principaux 7 et 6 sont en conduction. Alors le courant de charge circule dans les phases A et C. Le condensateur de commutation 17 est chargé avec la polarité indiquée sur la Fig. 8. A un certain moment déterminé, le thyristor 2 est mis en conduction, ainsi que les thyristors de commutation et supplémentaires 8, 10-, 14, 15. Alors le pôle positif du condensateur de commutation t7 se trouve raccordé à la cathode, et le p81e négatif, à l'anode du thyristor 1 et ce dernier est bloqué. Le courant de la phase A circule par le circuit : borne +U1, le thyristor 2, thyristor 8, thyristor 15, condensateur de commutation 17, thyristor 14, thyristor 10, phase A, phase C, thyristor 6, borne -U1. Simultanément a lieu la recharge du condensateur de commutation t7 par le circuit : borne +Un, self 18, thyristor 15, condensateur de commutation 17, thyristor 14, borne -U . La constante de temps de n ce circuit est déterminée par les paramètres du condensateur de commutation 17 et de la self 18 et est choisie de beaucoup supérieure à la durée nécessaire pour le rétablissement des propriétés de commande du thyristor. Après la charge du condensateur de commutation 17 jusqu'à la 19 19 tension de la source de recharge Un, la diode/est débloquée et le courant réactif de la phase A passe par le circuit : borne +U1, thyristor 2, thyristor 8, diode 19, onduleur non autonome à thyristors 34 à 39, thyristor 10, phase A, phase C, thyristor 6, borne -U1 Pour des facteurs de puissance de la charge cos 4 0,52, le courant réactif de la phase A est partiellement bouclé par la phase B. Ainsi est réalisée la récupération automatique de la puissance réactive de la charge à travers l'onduleur non autonome. Après la commutation consécutive, le thyristor 6 est bloqué et les thyristors 4, 9, 10, 13, 16 sont mis en conduction. Alors le courant réactif de la phase C est bouclé à travers les thyristors de commutation 9 et 10 et l'onduleur non autonome. Le condensateur d'accumulation 41 avec la source de recharge U n servant à la stabilisation de la tension de l'onduleur non autonome, ce qui permet de simplifier le système de commande des thyristors que l'angle d'avance à l'amorçage. Lors de l'accroissement de la puissance réactive de charge, la tension sur le condensateur et le courant récupéré par l'onduleur non autonome augmentent automatiquement, l'angle t restant constant. Ainsi, dans l'onduleur proposé, la fonction du redresseur inverse est assumée automatiquement par les thyristors de commutation 7 à 12, tandis que l'onduleur non autonome présente un système de commande simple avec un angle d'avance à l'amorçage constant. L'onduleur assure alors l'échange bilatéral de l'énergie entre la charge et le secteur pour n'importe quel régime de fonctionnement. - REVENDICATIONS. 1 - Onduleur autonome avec un circuit universel de commutation, comportant des thyristors principaux assemblés en pont triphasé, qui sont raccordés à l'entrée à une source d'alimentation à courant continu et qui sont raccordés du côté du courant alternatif à des thyristors de commutation, assemblés en pont triphasé, les thyristors de commutation, du côté du courant continu étant reliés à une source de recharge et à des thyristors supplémentaires assemblés en pont monophasé, dans la diagonale duquel est branché un condensateur de commutation, caractérisé en ce que le groupe anodique du pont monophasé des thyristors complémentaires est raccordé au groupe cathodique du pont triphasé des thyristors de commutation et à travers une self et une diode, au pôle positif de la source de recharge, tandis que le groupe cathodique du pont monophasé de thyristors est raccordé au groupe anodique dudit pont triphasé de thyristors et au pôle négatif de la source de recharge. 2 - Onduleur autonome selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en cas de branchement entre la source d'alimentation à courant continu et les phases de la charge de diodes de courant inverse, compensant réciproquement la répartition de la puissance- réactive suivant les phases de la charge de l'onduleur, entre le groupe anodique du pont monophasé de thyristors et le groupe cathodique des thyristors de commutation est branchée une self de commutation. 3 - Onduleur autonome selon la revendication 2, caractérisé en ce que les groupes anodique et cathodique des thyristors de commutation sont raccordés respectivement aux pôles négatif et positif de la source d'alimentation de l'onduleur, chacun à travers un thyristor supplémentaire, fonctionnant à une fréquence triple. 4 - Onduleur autonome selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour que les thyristors de commutation assurent les fonctions de diodes de courant inverse, les thyristors de commutation sont raccordés par leurs groupes anodique et cathodique respectivement aux pôles positif et négatif de la source d'alimentation à courant continu et de la source de recharge, à travers des diodes de découplage. 5 - Onduleur autonome selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'en parallèle et en opposition avec les diodes de découplage, entre les groupes anodique et cathodique des thyristors de commutation et les pôles de la source d'alimentation de l'onduleur, sont branchés des thyristors auxiliaires. 6 - Onduleur autonome selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un autre onduleur lui est raccordé, cet autre onduleur assurant la récupération de l'énergie réactive par le réseau et étant constitué par des thyristors connectés en pont triphasé, dont le groupe anodique est raccordé au pôle positif de la source de recharge et à travers une self et une diode, aux groupes anodique et cathodique respectivement du pont monophasé de thyristors et du pont triphasé de thyristors de commutation, le groupe cathodique de l'onduleur supplémentaire étant raccordé au groupe cathodique et au groupe anodique des ponts de thyristors indiqués et au p81e négatif de la source de recharge.