Brevet FR2252229A1 — publié le 19750620

La présente invention concerne un convertisseur statique de tension continucontinu pour l'alîmentation des circuits auxiliaires de voitures de chemin de fer à partir de ltenergie électrique disponible sur la ligne caténaire. On sait que les tensions normalisées en service sur les réseaux ferrés européens sont soit 1000 Volts 16 2/3 Hertz, soit 1500 Volts 50 Hertz, soit 1500 Volts continus, soit 3000 Volts continus. Au passage des frontières, les locomotives peuvent être échangées mais non les voitures. Celles-ci comportent des installations électriques fonctionnant entre autre sur les 24 Volts continus ou les 72 Volts continus ou les 120 Volts continus telles les batteries d'accumulateurs servant à l'éclairage. Il est donc nécessaire de transformer les différentes tensions normalisées en basse tension continue. Pour cela il existe des convertisseurs statiques dont deux solutions sont actuellement exploitées. La première solution consiste à redresser le courant alternatif de haute tension grilte à un pont de diodes puis à égaliser celui-ci grâce à un filtre passe-bas de fréquence de coupure inférieure à 16 Hertz de façon à obtenir un courant continu faiblement ondulé puis à découper en ondes rectangulaires le courant obtenu, par un hacheur dans le but de régulation du niveau de courant de façon à obtenir après intégration par un deuxième filtre passe-bas une tension moyenne de 500 Volts environ. Cette tension en dents de scie est pratiquement continue. Elle est envoyée ensuite sur un onduleur simple fournissant une tension alternative ayant pour amplitude 500 Volts.Celle-ci est abaissée par un-transformateur délivrant au secondaire une tension de meme fréquence qu'il faut redresser par un deuxième pont de diodes permettant d'obtenir une tension de valeur réduite nécessaire à l'utilisation. Cette solution a pour inconvénient de nécessiter deux circuits d'extinction dont un pour le hacheur et l'autre pour l'onduleur. La seconde solution consiste à redresser le courant alternatif du réseau par un pont de diodes et a filtrer le courant redressé comme dans la première solution. Le courant continu obtenu alimente alors en haute tension un onduleur double permettant d'obtenir des ondes rectangulaires dont l'amplitude est abaissée par un transformateur délivrant au secondaire des- ondes de même nature qu'il faut redresser par un pont de diodes et que l'on filtre ensuite par un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure dépend de la fréquence de fonctionnement de l'onduleur. L'inconvénient de ce dispositif réside dans le fait qu'il nécessite pour réaliser l'onduleur double quatre chaines de thyristors à haute tension, et deux circuits d'extinction, un par onduleur. Le convertisseur de tension continu-continu selon l'invention remédie aux inconvénients précités . -Dans celui-ci en effet, la régulation de tension est réalisée à basse tension et le nombre de circuits d'extinction de thyristors est particulierement réduit. La présente invention a pour objet un convertisseur de tension continucontinu pour alimentation de voitures de chemin de fer comportant, dans l'ordre des moyens pour transformer en une tension continue des tensions soit continues soit alternatives en provenance du réseau, un onduleur transformant cette tension continue en tension alternative, un transformateur abaisseur servant à isoler galvaniquement la charge de la haute tension caractérisé par le fait qu'un régulateur transformant ladite tension alternative de valeur réduite et de fréquence élevée en tension pratiquement continue est disposé après ledit tranformateur. Selon une particularité de l'invention ledit onduleur fournit une tension pratiquement sinusoldale à une fréquence pouvant être supérieure à 5 kilohertz. Selon une autre particularité de l'invention ledit transformateur présente un produit section de noyau magnétique par le nombre de spires particulièrement réduit. Selon une autre particularité de l'invention ledit régulateur comporte un thyristor en série et une diode de circulation d'énergie. Selon une autre particularité de l'invention ledit régulateur comporte des moyens pour réguler le niveau de la tension délivrée. En se référant aux figures schématiques 1 à 3g ci-jointes on va décrire ci-après un exemple de mise en oeuvre de la présente invention exemple donné a titre purement illustratif et nullement limitatif. Les mêmes éléments présentés par plusieurs de ces figures portent sur toutes celles-ci les mêmes références. - La figure 1 représente un schéma synoptique du convertisseur suivant l'invention. - La figure 2a représente un schéma de principe d'un onduleur faisant partie du convertisseur de la figure 1. - Les figures 2b à 2h représentent des diagrammes de tension et d'intensite en différents points de l'onduleur de la figure 2a. - La figure 3a représente un schéma de principe d'un régulateur faisant partie du convertisseur de la figure 1. - Les figures 3b à 3g représentent les diagrammes de tension et d'intensité en differents points du régulateur. On voit sur la figure 1 la réalisation générale du convertisseur disposé sur une voiture de chemin de fer. Le courant de haute tension arrive de la ligne caténaire sur laquelle appuie le pantographe 1. Le retour à la terre se fait par l'essieu 2. Un conducteur 3 vient de la locomotive et parvient aux voitures de chemin de fer. il existe un convertisseur par voiture. Il comprend un redresseur 4 constitué d'un pont'de diodes suivi d'un filtre passe-bas 5 à la sortie duquel n'importe quelle tension du réseau est continue. Il comprend en outre un ensemble 6 constitué d'un onduleur 7 et d'un transformateur abaisseur 8 suivi d'un ensemble 9 constitué d'un régulateur 12 et d'un circuit de filtrage 13 débitant sur une charge 14 telle qu'une batterie d'accumulateurs fonctionnant sur 24 ou 72 ou 120 Volts continus.La commande du régulateur 12 est réalisée par une boucle venant de la charge 14 et aboutissant au régulateur 12. Sur la figure 2a on voit la constitution de l'ensemble 6. Les références G et H représentent les bornes a'entrée portées au potentiel + et - de la tension continue provenant du filtre passe-bas 5. L'onduleur 7 est simple c' est-à-dire qu'il ne comporte que deux chaînes de thyristors 15 et 16 chacune des chaînes constituées de plusieurs thyristors et plusieurs diodes en série est figuré d'une part par un thyristor Thl et une diode D1 montés tête-bêche et d'autre part par un thyristor Th2 et une diode D2 montés tête-bêche. Dans la maille G F D E sont disposés en série une bobine d'inductance L1 la chaîne de thyristors 15, un condensateur C3 et un autre condensateur C1 de capacité bien supérieure à C3.De même dans la maille E D I H le condensateur C3 est commun aux deux mailles et se trouve disposé en série avec la chaîne de thyristors 16. L'inductance 22 et le condensateur C2 de capacité bien supérieure à C3. Le transformateur 8 a son primaire disposé au bornes du condensateur C3 et son secondaire relié au régulateur 12. Le fonctionnement de L'onduleur dont le principe est en soi connu est explicité par les diagrammes des figures 2b à 2h qui ont toutes la même origine des temps. La gâchette du thyristor C1 est commandée par des impulsions dont la période est par exemple due 200 microsecondes,-soit une fréquence de 5 kilohertz par exemple (figure 2b). Les moyens de commande des thyristors n'ont pas été représentés sur la figure 2a. A l'allumage du thyristor Thl un courant passe de l'anode vers la cathode du thyristor en venant du pôle +, G et aboutissant au pôle -, H à travers E D I (figure 2c). Un échange d'énergie électromagnétique se fait entre la bobine L1 et les condensateurs C3 et C2 et il y a oscillation. Un courant inverse du précédent passe dans la diode D1 soit IDI (figure 2d). L'amorçage de ce courant bloque le thyristor Thl : IThl s'annule lorsque 1131 s'amorce. La gâchette du thyristor Th2 est allumée à la même fréquence de répé- tition que celle du thyristor Thl mais à une moitié de période plus tard soit dans notre exemple 100 microsecondes. Le thyristor Th2 conduit et le potentiel +, G se referme par F D E sur le potentiel -, H. Le thyristor Th2 se bloque lorsqu'un courant inverse 1132 apparaît du fait de ltoscillation entre C1, C3 et L2. La charge du condensateur C3 est positive dans le cas où le courant passe de E en D et négative dans le cas inverse (figure 2h). On obtient sur les bornes du condensateur C3 une tension pratiquement sìnusoidale de fréquence 5000 Hertz. Cette tension sinusoldale peut alors être abaissée par le transformateur 8 au secondaire duquel apparaît une tension alternativement positive et négative aux bornes 17 - 18. Le transformateur 8 fonctionnant à 5 kilohertz est particulièrement léger parce que le produit section du noyau magnétique par le nombre de spires est réduit du fait des fréquences élevées d'utilisation. Sur la figure 3a on voit l'ensemble 9 constitué du régulateur 12 et du circuit de filtrage 13. Le régulateur 12 comporte un thyristor Th12 en série et une diode D12 de roue libre servant à la circulation d'énergie. Selon des variantes il peut comporter un nombre de thyristors supérieur à un. Une tension sinusoidale apparaissant aux bornes KL enqrovenance de I'onduleur 7 provoque des alternances positives en A B aux bornes de la diode D12, lorsque la gâchette du thyristor Th12 est allumée aux instants des zéros ascendants (figure 3b).Le circuit de filtrage 13 est constitué d'une self de lissage en série entre A et l'une des bornes de sortie M à laquelle est branchée la charge 14 et éventuel- lement d'un condensateur non représenté en parallèle de la borne M et l'autre borne de sortie N. Le rôle de la diode de roue libre D12 est de permettre la décharge de la self dans le circuit de charge 14 pendant les alternances négatives (courant dans la maille A M N B).Une boucle de commande cohstituée d'un circuit de comparaison de tension apparaissant- sur la charge 14 avec une tension d'erreur et de mise en forme d'impulsions 19 aboutit à la gâchette du thyristor Th12. -i Lorsque l'amplitude de la tension de la demi-alternance est de 50 Volts environ ce qui correspond à la tension normalisée de 800 Volts sur la caténaire on obtient entre A et B une tension V1 AB. Dans la figure 3bpn voit en pointillé la tension constante de la batterie chargée Vc. Les impulsions de la gâchette apparaissent alors aux zéros ascendants de la sinusoïde et sont provoquées par l'appareillage 19. Lorsque l'amplitude de la tension de crête croît (figure 3c) en fonction de l'accroissement de la tension de la caténaire qui est par exemple de 1600 Volts l'allumage de la gâchette du thyristor Th12 est retardé de telle sorte que la surface comprise entre cette courbe et l'axe des temps t soit toujours constante par rapport à la surface de la figure 3b. Dans la figure 3d la tension de crête est par exemple de 300 Volts correspondant aux 3600 Volts du réseau. Dans ce cas, l'allumage de la gâchette du thyristor Th12 est retardé plus que dans le cas précédent de telle sorte que la surface précitée soit toujours constante. La figure 3e correspond à la figure 3b. Le courant IIL dans la self de lissage 13 suit une courbe en dents de scie. Les figures 3f et 3g correspondant respectivement aux figures 3c et 3d représentent les intensités I2L et I3L dans la self de lissage 13. Dans les trois cas l'intensité est d'amplitude constante mais elle croît selon des pentes de plus en plus croissantes lorsque les retards d'allumage augmentent. La période de croissance de l'intensité correspond à une tension V1 A B par exemple, supérieure à la tension de charge Vc. Lorsque la tension V1 A B est inférieure à la tension de charge Vc le courant diminue. Il en resulte que l'intensité dans la self de lissage varie lentement par rapport à la période de la tension d'alimentation. La régulation de la charge 14 est donc obtenue pour n importe quelle variation de la tension normalisée du réseau. il est évident que les tensions continues d'alimentation des batteries de charge peuvent être modifiées par le rapport de transformation du transformateur 8 dans le but d'obtenir l'une des tensions continues en service sur les voitures de chemin de fer. Le convertisseur de tension selon l'invention peut être utilisé dans le domaine ferroviaire, train ou métro. Les applications particulièrement intéressantes concernent l'alimentation en énergie continue des batteries d'alimentation des circuits auxiliaires des voitures sur rails. REVENDICATIONS 1/ Convertisseur de tension continu-continu pour alimentation de voitures de chemin de fer comportant, dans l'ordre des moyens pour transformer en une tension continue des tensions soit continues soit alternatives en provenance du réseau, un onduleur transformant cette tension continue en tension alternative, un transformateur abaisseur servant à isoler galvaniquement la charge de la haute tension, caractérisé par le fait qu'un régulateur (12) transformant ladite tension alternative de valeurs réduites et de fréquence élevée en tension pratiquement continue est disposée après ledit transformateur. 2/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit onduleur (7) fournit une tension pratiquement sinusoidale à une fréquence pouvant être supérieure à 5 kilohertz. 3/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit transformateur (8) présente un produit section de noyau magnétique par le nombre de spires particulièrement réduit. 4/ Convertisseur selon la revendilcation 1, caractérisé par le fait que ledit régulateur (12) comporte au moins un thyristor en série et une diode de circulation d'énergie. 5/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit régulateur (12) comporte des moyens (19) pour réguler le niveau de la tension délivrée.