Brevet FR2260218A1 — publié le 19750829

La présente invention concerne un redresseur énergie électrique alternative et particulièrement un redresseur commande alimenté par le secteur électrique triphasé ou un alternateur triphasé, et destiné à fournir un courant fort continu à une installation de puissance relativement élevée, telle qu'un chargeur de batterie, un moteur, etc. Les redresseurs connus propres à de telles utilisations utilisent des diodes montées dans des circuits en pont, et ne comportent alors pas de régulation de niveau, ou bien, de plus en plus fréquemment, ils utilisent des thyrations ou des thyristors, également montes dans des circuits en pont, qui permettent une régulation du niveau de la tension de sortie. Dans ces derniers genres de redresseurs, les ponts peuvent ne pas comporter de diodes, ou bien ils peuvent se composer de thyristors, par exemple, associés avec des diodes pour constituer ce qu'on appelle des ponts mixtes. Malgré les précautions complémentaires prises avec les redresseurs connus d'une puissance relativement élevée, telles que des inductances intercalées dans les lignes d'alimentation pour limiter les perturbations représentées sur ces dernières, les montages couramment utilisés présentent encore des inconvénients qui ne pourraient etre surmontés que par des expédients compliqués et coûteux, en raison du dimensionnement nécessaire des composants t ils ont un facteur de puissance, communément formulé par l'expres sion cos y , d'une valeur faible, ce qui diminue le rendement des lignes d'alimentation ; ils soumettent ces dernières à des appels brutaux d'énergie qui obligent à les surdimensionner en consdquen- ce ; ils provoquent une distorsion du courant alternatif d'alimentation, pouvant atteindre l'ordre de 20 à toue%, préjudiciable au fonctionnement des générateurs ou des appareils, utilisés à d'autres fins, éventuellement branchés sur les mimes lignes ; ils conservent encore, sur la ligne d'utilisation de la tension redressée, une ondulation résiduelle, à 150 ou 300 Hz si la fréquence de source est de 50 Hz par exemple, dont l'amplitude peut être excessivement gênante ou nécessiter des filtres compliqués et motteux par leur dimensionnement s'il est nécessaire de ltéliminer. L'invention a pour objet de fournir un redresseur de puissance de construction économique qui surmonte les inconvénients précémennent cites. Suivant l'invention, un redresseur d'énergie électrique alternative, comportant un transformateur alimenté en triphasé qui applique la puissance à des soupapes de redressement, comprend deux ponts équilibrés de redressement, montés en série avec le circuit d'utilisation, qui reçoivent l'énergie du transformateur, l'un par un premier ensemble d'enroulements secondaires monté en étoile, et l'autre par un deuxième ensemble d'enroulements secondaires monté en triangle inversé quand la relation des phases en est rapportée aux phases du premier ensemble d'enroulements secondaires, de telle manière qu la connexion en série des deux ponts équilibrés de redressement constituent chacun une source alternative hexaphasée équivaut à une source dodécaphasée. En multipliant ainsi la fréquence de la source dquiva- lente, on améliore le facteur de puissance et on diminue la distorsion du courant alternatif de ligne et l'ondulation de la tension de sortie. En conséquence, le rendement des lignes est amélioré et ces dernières n'ont pas besoin d'strie surdimensionnées ; le filtrage du courant d'utilisation est facilité. De plus, l'énergie étant répartie entre un plus grand nombre de composants, ceux-ci sont moins coûteux pour une puissance d'installation donnée. De mime, les composants de filtrage ou de protection sont de dimensions plus réduites donc moins croûteux, ou apportent des aiéliora- tions considérables pour le prix des éléments correspondants des montages connus. L'invention présente encore la particularité que l'un au moins des deux ponts équilibrés de redressement est un pont mixte de diodes et de soupapes commandées, la commande de ces derni ères étant actionnée par un comparateur qui assure la régulation de la tension continue d'utilisation en la comparant à une tension continue de référence. De cette manière, on évite facilement les appels brutaux d'énergie sur la ligne d'alimentation, et on améliore encore le filtrage du caté de l'utilisation. Les diodes du redresseur suivant l'invention sont avantageusement constituées par des diodes à semi-conducteurs ; les soupapes commandées sont de préférence des thyristors, et le comparateur, un amplificateur différentiel à semi-conducteurs. Les particularités et avantages précédents, ainsi que autres, seront mieux compris à l'aide de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif. Au dessin annexé, la figure unique représente le schéma des circuits d'une réalisation d'un redresseur suivant l'invention. En référence à cette figure unique, le redresseur dcdner- gie électrique alternative suivant l'invention comprend d'une part un transformateur 1 ayant un ensemble 2 d'enroulements primaires alimentés par une ligne d'alimentation triphasé 3, à trois fils par exemple, un premier ensemble d'enroulements secondaires 4 monté en étoile, et un deuxième ensemble d'enroulements secondaires 5 monté en triangle, et d'autre part un premier pont équilibré de redressement 10 et un deuxième pont équilibré de redressement 20 montés en série avec le circuit d'utilisation figuré par une charge 30.Le premier pont équilibré de redressement 10 est alimenté par le premier ensemble d'enroulements secondaires 4, et le deuxième pont équilibré de redressement 20 est alimenté par le deuxième ensemble d'enroulements secondaires 5, comme on va le décrire ci-dessous. Le premier pont équilibré de redressement est un pont mixte de diodes et de thyristors réalisé sous la forme du montage triphasé double alternance à étoile simple, connu sous le nom de pont de Graetz. Trois diodes 11 dont les anodes sont connectées à un point cofflmun 12 sont connectées, chacune respectivement par sa cathode, à l'anode de l'un de trois thyristors 13 dont les cathodes sont réunies à un point commun 14 qui constitue la borne positive de sortie du redresseur.Chaque point comnun à la cathode de l'une des diodes et à l'anode de l'un des thyristors correspondant est connecté, par l'intermédiaire de l'une d'entre trais inductances 15, à l'une des extrémités libres des enroulements secondaffires du premier ensemble 4. Les autres extrémités de ces enroulements sont réunies en un point comnun qui forme le centre de l'étoile. Le deuxième pont équilibré de redressement est un pont de Graetz tout à fait semblable au premier, à l'exception que trois diodes 21 simples sont mises à la place des thyristors avec leurs cathodes réunies en un point comnun positif 4 connecté directement au point commun négatif 12 du premier pont. Trois diodes 23 ont leurs anodes réunies en un point commun 24 qui constitue la borne négative de sortie du redresseur. Chaque anode dune des diodes 2f est réunie à la cathode d'une des diodes 23, et chaque point inter médiaire ainsi défini est connecté directement à chacune des bornes de sortie de deuxième ensemble d'enroulements secondaires 5. vais, cette fois, les enroulements sont montés en triangle, ce qui est bien connu. Dans le mode d'exécution non limitatif figuré, le branchement est effectué avec inversion du triangle si on considère la relation de ses phases par rapport aux phases du premier ensemble d'enroulements 4. C'est ce quton a représenté d'une manière conventionnelle, sur le dessin où l'on peut faire les remarques suivantes : Si l'on admet que les phases des tensions d'alimentation appliquées aux points intermédiaires du premier pont 10 se succèdent dans l'ordre de disposition graphique de ces points, de gauche à droite par exemple, on constate que l'ordre de succession des enroulements correspondants du premier ensemble 4 a lieu dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.En admettant la mtme convention pour les phases appliquées aux points intermédiaires du deuxième pont 20, l'ordre de succession des bornes correspondantes du deuxième ensemble d'enroulements secondaires 5 doit steffectuer dans le sens des aiguilles d'une montre, ce qui est bien le cas. Entre les bornes de sortie 14 et 24 du redresseur, sent connectés un condensateur de filtrage 31 qui dérive les ondulations résiduelles, et un potentiomètre 32 dont le curseur est réuni par un conducteur 33 à l'une des entrées d'un amplificateur diff6- rentiel 34. L'autre entrée de ltamplificateur différentiel est connectée à une borne d'une source de tension constante 35, servant de référence, dont l'autre borne. est connectée au point commun 24* La sortie de l'amplificateur différentiel 34 est connectée à l'en- trée d'un étage 36 de commande d'angle qui règle les phases des tensions de déclenchement des gâchettes des thyristors 13 auxquelles il est relié par trois sorties. En fonctionnement, l'énergie, sous forme de courant alternatif triphasé, arrive par la ligne 3, à trois fils par exem ple, sur les enroulements primaires 2 du transformateur 1 aif 0 les Champs magnétiques d'induction répartissent cette énergie entre le premier ensemble d'enroulements secondaires 4 et le deuxième ensem- ble d'enroulements secondaires 5. Dans le montage de Graetz constitué par le premier ensemble 4 et le premier pont de redressement. 10, pour chaque enroulement de l'ensemble 4, le courant. d'une alternance positive passe par l'inductance correspondante et par le thyristor correspondant du groupe 13 et revient par les deux diodes du groupe 11 connectées par les deux autres inductances aux deux autres enroulements du groupe 4, après avoir traversé la charge d'utilisation 30 et.le deuxième montage de Graetz. De meme, le courant d'une alternance négative engendré par chaque enroulement de l'ensemble 4 passe par les deux autres enroulements, les deux inductances et les deux thyristors associés, la charge, le deuxième montage de Graetz, et revient par la diode du groupe 11 et l'inductance associée qui lui est directement connectée.Les trois phases étant décalées mutuellement de 1200, et les alternances de chaque phase, de 1809, par l'effet du redressement, la charge 30 reçoit la somme de six alternances positives décalées de 600, comme si elle était alimentée par une source hexaphasée et des redresseurs d'une alternance. Une analyse semblable peut être faite pour le montage de Graetz constitué par le deuxième ensemble d'enroulements secondaires 5 et le deuxième pont redresseur 20. Mais chacune des six alternances fournies à la charge 30 par ce deuxième montage de Graetz est décalée de 300 par rapport à l'alternance voisine dans le temps fournie par le premier montage. La charge 30 reçoit donc la somme de douze alternances positives décalées de 300 deux à deux, comme si elle était alimentée par une source dodécaphasée et des redresseurs d'une alternance. L'ondulation résiduelle est si faible qu'il suffit d'une capacité relativement petite du condensateur 31 pour 11 absorber. Par ce fait, et en raison de la présence du condensateur 31, on peut se contenter de n'agir que sur un pont pour compenser les variations aléatoires des tensions d'entrée, comme on le fait par le circuit de régulation constitué du potentiomètre 32, de la source de référence 35, du comparateur 34 et de l'étage de commande d'angle 36. Par rapport à un simple pont de Graetz, on a triplé le nombre des diodes, mais ce sont des diodes deux fois moins puissantes pour une puissance d'utilisation donnée. Et pour ce prix, on a des thyristors également moins puissants, des inductances plus faciles à dimensionner, puisque les appels de courant sont considérablement réduits, et des enroulements de transformateur plus faciles à réaliser. L'ondulation résiduelle à 600 Hz, les harmoniques ou partiels, la distorsion sur le réseau, sont également très amoindris, ainsi que les contraintes de vitesses de variation en courant et en tension dans les réseaux des jonctions des diodes et des thyristors. Le facteur de puissance de l'ensemble est en outre amélioré, ce qui augmente le rendement de la ligne d'alimentation et de l'alternateur éventuel. Tous ces avantages sont particulièrement appréciables dans de nombreuses installations, telles que des installations d'alimentation de sécurité, où lton peut alors éviter le surdimensionnement habituellement nécessité pour les lignes et l'alternateur de secours. L'ondulation résiduelle de sortie est toujours inférieure à 1%, la distorsion sur le réseau, inférieure à 5%, et la régulation de la tension de sortie peut en fournir une valeur extrêmement stable, meme si les fluctuations à l'entrée atteignent plusieurs dizaines pour cent. Bien qu'il soit en général avantageux de répartir également la puissance entre les deux ensembles d'enroulements secondaires 4 et 5, ceci n'est pas indispensable, et l'on peut adopter des rapports différant de 1/2, jusqu'à 2/3 et 1/3, par exemple, sans trop compromettre les avantages précédemment exposés. D'autres modifications ou additions à la réalisation décrite et représentée à titre d'exemple sont également possibles sans sortir du champ de l'invention. REVENDICATIONS 1 Redresseur d'énergie électrique alternative, comportant un transformateur alimenté en triphasé qui applique la puissance à des soupapes de redressement, caractérisé en ce qu'il com prend deux ponts équilibrés de redressement, montés en série avec le circuit d'utilisation, qui reçoivent l'énergie du trans formateur, l'un par un premier ensemble d'enroulements secondai res monté en étoile, et l'autre par un deuxième ensemble d'en roulements secondaires monté en triangle, de telle manière que la connexion en série des deux ponts équilibrés de redresse ment, tenant lieu chacun d'une source alternative hexaphasée, équivaut à une source dodécaphasée. 2. Redresseur d'énergie électrique alternative suivant la revendi cation 1, caractérisé en ce que l'un au moins des deux ponts équilibrés de redressement est un pont mixte de diodes et de soupapes commandées, la commande de ces dernières étant action née par un comparateur, qui assure la régulation de la tension continue d'utilisation en la comparant à une tension continue de référence. 3. Redresseur d'énergie électrique alternative suivant la reven dication 2, caractérisé en ce que ledit pont équilibré mixte de redressement est un pont en montage dit de Graetz comportant trois diodes à semi-conducteurs et trois thyristors dont la commande des angles d'ouverture est actionnée par un signal de sortie du comparateur, et le deuxième pont équilibré de redres sement est un montage dit de Graetz comportant six diodes à semi-conducteurs. 4. Redresseur d'énergie électrique alternative suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit comparateur est un amplificateur différentiel à semi-conducteurs. 5. Redresseur d'énergie électrique alternative suivant l'une quel- conque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit pont équilibré mixte de redressement est alimenté par le premier ensemble d'enroulements secondaires par I1 intermédiaire de trois inductances.