Brevet FR2280999A1 — publié le 19760227

La présente invention se situe dans le domaine des onduleurs à thyristors pour la transformation de courant continu en alternatif. On connais les 2 défauts principaux des thyristors: limitation en fréquence et fragilité aux surtensions. La montée en fréquence trouve sa meilleure solution dans l'excitation séquentielle de plusieurs thyristors associés. La fragilité aux surtensions trouve sa meilleure solution dans le procédé d'alimentation répartie, qui consiste en un diviseur capacitif de la tension continue d'alimentation à l'aide de plusieurs condensateurs en série dont chacun alimente un thyristor sous tension réduite. La conjugaison des deux procédés (excitation polyphasée et alimentation ré- partie) en un même ensemble onduleur a déjà fait l'objet de plusieurs brevets sous le titre " Onduleur à thyristors à excitation polyphasée et alimentation répartie ", dans lesquels les cellules-unités étaient du type symétrique à deux thyristors, avec charge du condensateur de résonance entre le pôle positif et le p8le-zéro d'une source, et décharge entre ce pale-zéro et un pôle négatif symétrique. Ces circuits à charges et décharges symétriques développent des tensions-crètes proportionnelles à Q (coefficient de surtension du circuitoscillant considéré), donc variant fortement selon les fluctuations de la charge.Le but principal de la présente invention est de réduire ces variations de tensions-crètes selon les variations de la charge, en vue d'améliorer la sécurité des thyristors de l'onduleur. L'objet de la présente invention est un onduleur séquentiel à alimentation répartie, caractérisé par le groupement en série ( ou en série-parallèle) de cellules-unités à 2 thyristors, à résonancesérie LC, de type asymétrique, avec charge du condensateur de résonance entre le polie positif de la source et le pale-zéro, et décharge sur ce même pôle-zéro; avec un circuit complémentaire de décharge de ce condensateur à travers une liaison " self + diode en série " branchée aux bornes de ce condensateur en-vue de réduire sa tension inverse.A noter que l'on appelle ici, en montage sous alimentation répartie, du nom de " source " de chaque cellule, le condensateur de forte capacité faisant partie du diviseur capacitif et correspondant à sa cellule-unité. Le circuit de cette cellule-unité est représenté sut la figure I , qui en montre un groupement de 3 en série, toutes identiques. En isolant l'une d'elles, par exemple la première à droite, I désigne le thyristor du circuit de charge, 2 le thyristor du circuit de décharge, BI le condensateur de forte capacité appelé " source " de la cellule, LI la self de résonance et C le condensateur de résonance; lI une self(de valeur très supérieure à Lof en série avec une diode DI constituant le circuit auxiliaire de décharge lente de CI et connecté à ses bornes , PI un primaire du transfor mateur de sortie, en série avec LI CI , assurant le couplage à la charge R branchée aux bornes du secondaire S.On désigne par +E et par 0 les pôles positif et négatif de la source totale d'alimentation continue, dont BI B2 B3 forment le diviseur capacitif et constituent chacun une " source " pour chaque cellule correspondante, source de f.e.m. E/3 dans cet exemple de la figure I à 3 cellules en série.On désigne par II le courant alternatif qui traverse le primaire PI ; par VCI la tension aux bornes du condensateur d'accord CI et par VI la tension aux bornes du thyristor I ; et par + le flux alternatif dans le noyau commun, en rappelant à l'intérieur de chaque alternance par les termes PI P2 P3 la provenance de chaque alternance de flux.Les courbes de ces valeurs ( II VCI VI + ), fonctions périodiques du temps t, sont repré- sentées sur la figure 2 , superposées en correspondance de phases.Prenant comme origine des temps la première impulsion attaquant le gate (porte, gâchette) du thyristor I , et l'appelant " impulsion NO I ", elle déclenche une première alternance positive de courant à travers I-LI - CI -PI - B1 alternance ce représentée sur la courbe II de la figure 2. On néglige ici le courant tra- versant la dérivation li Dl, , courant négligeable en raison de la forte valeur de lI par rapport à LI . Le condensateur CI se charge à une tension-crète voisine de 2E/3 (en supposant ici un amortissement faible); sa tension VCI est représentée par la courbe VCI de la figure 2. Appelons cette cellule-unité la cellule-I ; celle du centre, la cellule-2 ; celle de gauche la cellule- 3 . L'impulsion de commande NO 2 ne sera pas appliquée, en ce montage séquentiel, au thyristor 2 de la meme cellule-I , mais à un thy ristor de la cellule- 2 ; l'impulsion NO 3 sera appliquée à un thyristor de la cellule-3; et ce sera seulement l'impulsion NO 4 qui reviendra à la cellule-l sur son thyristor 2.Ainsi, le condensateur CI sera resté chargé à sa tension crète pendant les 2 alternances successives des cellules-2 et 3 , ce qui est représenté par le palier horizontal de la courbe VCI de la figure 2.; ceci aura permis au thyristor I de bértficier d'une tension inverse (voisine de E /3 ) pen- dant toute la durée de ces 2 alternances, améliorant d'autant le " temps de recouvrement " du circuit.L'impulsion NO 4 déclenche une alternance négative du courant II et la décharge de CI vers une tension inverse, voisine de - 2E/3 en cas d'amortissement faible ( courbe VCI). in de réduire cette tension inverse au voisinage de zéro avant le prochain cycle de charge de cette cellule-I la dérivation 1I DI ( avec 11 à forte inductance) assure une décharge lente de CI qui se poursuit pendant les 2 alternances suivantes des cellules-2 et 3 déclenchées par les impulsions N0 5 et 6. La tension VCI revient au voisinage de zéro au moment où l'impulsion NO 7 déclenche à nouveau le thyristor I en un deuxième cycle de charge de CI et les cycles se répètent identiques.En retrouvant à chaque cycle de charge le condensateur à un même potentiel toujours voisin de zéro au départ, on évite l'effet cumulatif qui engendre des tensions proportionnelles au coefficient de surtension Q , comme dans le castes cellules de type symétrique. Ici, si Q varie de I à l'infini, VCI varie seulement entre E/3 et 2Et3, ce qui permet une bonne régulation de charge. Sur la figure 2, la courbe VI indique la forme de la tension aux bornes du thyristor I et lintervalle de temps t entre le blocage du thyristor et la réapparition d'une tension positive anode/cathode représente le " temps de recouvrement". Sur la figure I, qui représente à titre d'exemple non limitatif, un ensemble de 3 cellules-unités de type asymétrique constituant un onduleur séquentiel hexaphasé, 3 désigne le thyristor de charge de la cellule2 et 4 le thyristor de décharge, B2 le condensateur de"source', L2 la self de résonance, C2 le condensateur de résonance, P2 le primaire en série avec L2 C2 , et 12D21a dérivation (self+diode) aux bornes de C2.Sur la cellule-3, 5 désigne le thyristor de charge et 6 le thyristor de décharge, B3 le condensateur de " source", L3 la self de résonance, C3 le condensateur de résonance, P3 le primaire en série avec L3 C3, et 13D3 la dérivation ( self+ diode en série) aux bornes de C3 Sur cet exemple, on a représenté les 3 primaires P1P2P3bobinés dans le meme sens, moyonnant ltordre séquentiel 1-4-5-2-3-6, ces chiffres désignant les 6 thyristors selon la figure Z. Selon cette séquence, la courbe du flux + dans le primaire est représentée sur la figure 2 avec références à chacun des primaires engendrant le flux.On recueille dans la charge R un courant alternatif de fréquence 3N, en appelant N la fréquence de récurrence des impulsions de commande de chaque thyristor. Une variante de cet exemple de la figure I consiste à adopter l'ordre séquentiel I-3-5-2-4-6 ( ces chiffres désignant les 6 thyristors), mais en inversant le sens d'enroulement du primaire P2 par rapport aux deux autres primaires, pour obtenir finalement la meme courbe du flux . D'autres variantes-de séquences sont possibles, faciles à définir. Une autre variante consiste à ajouter à chaque cellule un deuxième primaire parcouru seulement par le courant de décharge, le premier étant parcouru seulement par le courant de charge,et à donner à ces 6 primaires les sens d'en roulement voulus en relation avec l'ordre séquentiel adopté, en vue d'engendrer des alternances de flux unidirectionnelles: la fréquence de sortie est alors 6N, mais la présence d'une forte composante continue risque de saturer le transformateur de sortie. Sur la figure I, les selfs de résonance LIL2L3 ne sont pas couplées inductivement entre elles. Une variante consiste à les coupler inductivement dans un sens mutuel choisi de telle sorte qu déclenchement d'un thyristor crée dans le circuit du thyristor précédent une tension induite dans le sens du blocage. L'exemple de la figure I n'est pas limité à l'onduleur hexaphasé: son extrapolation à un nombre impair quelconque de cellules-unités est évidente et se pas se aisément de commentaires et de figures supplémentaires. Le procédé selon l'invention s'applique donc à ( 2k + I) cellules-unités, donc à un nombre de phases égal à 2( 2k+I), en désignant par k un nombre entier quelconque. Il s'applique également, moyennant l'addition d'un deuxième enroulement primaire sur chaque cellule,à un nombre pair de cellules-unités, donc à un nombre de phases égal à 4k où k désigne un nombre entier quelconque; donc à un nombre de phases égal à 4 ou à tout multiple de 4. Un exemple non limitatif d'onduleur tétraphasé à 2 cellules en série, est donné par la figure 3 , et les courbes correspondantes de II VCI et + sont données par la figure 4. Sur ces 2 cellules-unités, les memes chiffres désignent les memes éléments et les memes fonctions que sur la figure I, sauf les enroulements PI P2 P3 P4 qui se présentent différemment.Sur la cellule de droite de cette figure 3, on désigne par PI un primaire recevant seulement le courant de charge de CI à travers le thyristor I et par P3 un deuxième primaire recevant seulement le courant de décharge de CI à travers le thyristor 2. Sur la cellule de gauche, on désigne par P4 un primaire recevant seulement le courant de charge de à å travers le thyristor 3 et par P2 un deuxième primaire recevant seulement le courant de décharge de C2 à travers le thyristor 4. Les deux primaires PI P3 de la cellule de droite sont bobinés dans le meme sens; les deux primaires P2 P4 de la cellule gauche sont bobinés dans le meme sens l'un par rapport à l'autre; mais ce dernier sens est inversé par rapport au premier; autrement dit les 2 paires sont inversées de sens en passant d'une cellule à l'autre.Supposons l'ordre séquentiel suivant : I - 4 - 2 - 3. La succession des flux est représentée par la courbe de la figure 4.Le courant dans la charge R est alternatif de fréquence 2N, en appelant N la fréquence de récurrence de chaque thyristor. Une variante d'ordre séquentiel est 1-3-2-4 , ces chiffres désignant toujours les thyristors selon la figure 3. Une variante concernant les sens respectifs des enroulements primaires, tous les 4 bobinés dans le meme sens, donne une succession de flux unidirectionnels, une fréquence de sortie de 4N, mais une forte composante continue tendant à saturer le transformateur de sortie. Dans tous les montages indiqués ci-dessus, tant découlant de la figure I que de la figure 3, l'excitation séquentielle des " gates " peut etre obtenue soit par pilote séparé, soit par auto-pilotage; ce dernier consistant à insérer sur le circuit de chaque thyristor un petit transformateur d'intensité fournissant un signal qui, après mise en forme et dérivation en impulsions, attaque le thyristor suivant dans l'ordre séquentiel voulu. Dans tous les montages indiqués ci-dessus, la self 11 (ou 12 ou 13 ) du cir cuit auxiliaire de décharge en dérivation sur le condensateur de résonance avec diode en série, peut etre déterminée à volonté selon l'objectif assigné: décharge plus ou moins lente du condensateur entre deux cycles de charge. A la limite, cette self peut tendre vers une valeur infinie (impédance infinie) qui équivaut alors à la suppression de cette liaison (self+ diode) aux bornes du condensateur de résonance. On cesse alors de bénéficier des avantages d'une bonne régulation de charge, mais ces montages fonctionnent et constituent de nouvelles variantes aux montages ci-dessus variante sans self ni diode aux bornes du condensateur de résonance. Un autre cas limite, constituant aussi une variante, est le cas d'une seule cellue-unité constituant à elle seule un onduleur, de faibles performances au point de vue du " temps de recouvrement ", mais valable cependant en version simplifiée. Une autre variante consiste a' utiliser un transformateur sénaré nour chante ,(au lieu du transformateur de sortie unique à primaires couplés sur un noyau commun) et à coupler entre eux les secondaires sur la charge commune R , ce couplage pouvant etre en parallèle ou en série ou en série-parallèle. Enfin, il est évident que tous les dispositifs auxiliaires de sécurité pour onduleurs à thyristors ( shunts RC , selfs saturables, limiteurs de tension etc...) s'appliquent aux montages découlant de la présente invention. L'application industrielle principale de cette invention concerne les onduleurs pour le chauffage par induction, et les générateurs d'ultra-sons et de nombreuses applications diverses. - REVENDICATIONS I.Procédé de réalisation d'onduleurs séquentiels à thyristors, à alimentation répartie par diviseur capacitif, consistant en une association-série ou sérieparallèle de cellules-unités à résonance-série LC à 2 thyristors chacune, caractérisé par le fait que chaque cellule, de type asymétrique , comporte la charge du condensateur de résonance, à travers un thyristor, entre le pôle positif et le pôle-zéro d'une source, et sa décharge à travers un thyristor vers ce me pôle-zéro;;avec un circuit complémentaire de décharge lente du condensateur à travers une forte inductance en série avec une diode, afin de réduire sa tension inverse entre deux cycles de charge 2.Dispositif selon la revendication I, réalisant un type d'onduleur séquentiel à nombre impair p de cellules-unités, à nombre de phases 2p, caractérisé par la génération d'un courant alternatif de fréquence pN, en désignant par N la fréquence de récurrence des impulsions de commande de chaque thyristor 3.Dispositif selon la revendication I, réalisant un type d'onduleur séquentiel à nombre impair p de cellules-unités, à nombre de phases 2p,caractérisé 2p ,caractérisé par la présence de 2 primaires par cellule, l'un réservé au courant de charge et l'autre au courant de décharge, engendrant un flux primaire unidirectionnel et un courant alternatif de fréquence 2pN, avec composante continue au primaire 4.Dispositif selon la revendication I; réalisant un type d'onduleur séquentiel à nombre pair de cellules-unités ( 2k, où k désigne un nombre entier), à nombre de phases 4k, caractérisé par la présence de 2 primaires par cellule, l'un réservé au courant de charge et l'autre au courant de décharge,avec primaires bobinés en sens alternés d'une cellule à la suivante, de façon à engendrer un courant alternatif de fréquence 2kN 5.Dispositif selon la revendication I, réalisant un type d'onduleur séquentiel à nombre pair 2k de cellules-unités, à nombre de phases 4k, caractérisé par la présence de 2 primaires par cellule, l'un réservé au courant de chaege et l'autre au courant de décharge, avec primaires bobinés dans le meme sens afin d'engendrer un flux primaire unidirectionnel et un courant alternatif de fréquence 4kN, mais avec forte composante continue au primaire 6. Variante des dispositifs précédents caractérisée par l'absence de la dérivation " self+ diode "aux bornes du condensateur de résonance ou cas limite 7. Variante des dispositifs précédents consistant à utiliser des transformateurs séparés sur chaque cellule en groupant leurs secondaires sur la charge commune 8.Valonante ou cas limite des dispositifs précédents limités à I seule cellule 9. Variante des dispositifs précédents caractérisée par l'excitation séquentiel le en auto-pilotage