Brevet FR2251121A1 — publié le 19750606

La présente invention concerne un convertisseur statique de tension continu-alternatif triphasé pour l'alimentation auxiliaire de voitures de chemin de fer à partir de l'énergie 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 220 volts ou les 380 volts triphasé, 50 Hertz, tels les appareillages compresseurs, frigorifiques ou de conditionnement d'air. Il est donc nécessaire de transformer les différentes tensions normalisées en basse tension triphasée. 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 grâce 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 hâcheur dans le but de régulation du niveau du 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 triphasé à trois sorties fournissant une tension alternative triphasée de 50 Hertz.Les éléments précédents devant être séparés galvaniquement de l'utilisation il faut employer un transformateur triphasé 50 Hertz qui délivre à son secondaire une tension de 220 volts ou 380 volts entre phases. Cette solution a pour premier inconvénient de nécessiter deux filtres, l'un à 16 Hertz et l'autre à moins de-1000 Hertz qui sont encomr brants étant donné ces fréquences basses d'utilisation, comme second inconvénient de faire emploi d'un transformateur à la fréquence 50 Hertz et dimensionné pour la pleine puissance et comme troisième inconvénient de nécessiter deux circuits d'extinction dont un pour le hâcheur et l'autre pour l'onduleur. La seconde solution consiste à redresser le courant alternatif du réseau par un pont de diodes et à filtrer le courant redressé comme dans la première solution. Le courant continu alimente alors en haute tension trois onduleurs doubles disposés en parallèle et alimentant chacun un enroulement d'un transformateur en ondes rectangulaires de fréquence 50 Hertz. L'inconvénient de ce dispositif réside dans-le fait qu'il nécessite pour réaliser les onduleurs douze chaînes de thyristors à haute tension, que la régulation de tension se fait à haute tension et que le transformateur triphasé fonctionne à fréquence relativement basse ce qui crée des transformateurs particulièrement lourds. Le convertisseur de tension continu-alternatif triphasé selon l'invention remédie aux inconvénients précités. Dans celui-ci en effet le transformateur qui sert à l'isolement galvanique et à ltabaissement de tension est léger, la régulation de tension est réalisée à basse tension et le nombre de circuits d'extinction du thyristor est particulierement réduit ainsi que le nombre de circuits de filtrage. La présente invention a pour objet un convertisseur de tension continualternatif triphasé pour alimentation de voitures de chemins 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 trans for- mant cette tension continue en tension alternative, un transformateur abaisseur servant à isoler galvaniquement la charge de la haute tension du réseau, caractérisé par le fait qu'un cycloconvertisseur (9) transformant une tension alternative de valeur réduite et de fréquence élevée en tension alternative triphasée est disposée après ledit transformateur (8). Selon une particularité de l'invention ledit onduleur (7) fournit une tension pratiquement sinusoïdale à une fréquence égale à au moins trois fois la fréquence du réseau. Selon une autre particularité de l'invention ledit transformateur (8) prévu pour fonctionner à une fréquence au moins trois fois plus élevée que la fréquence du réseau présente un produit section de noyau magnétique par le nombre de spires particulièrement réduit. Selon une autre particularité de l'invention ledit cycloconvertisseur (9) comporte des moyens pour réguler le niveau de la tension délivrée. En se référant aux figures schématiques 1 à 3c ci-jointes on va décrire ci-après un exemple de mise en oeuvre de la présente invention, exemple donné à titre purement illustratif et nullement limitatif. Les mêmes éléments représentés 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'intensité en différents points de onduleur de la-figure 2a. La figure 3a représente un schéma de principe d'un cycloconvertisseur faisant partie du convertisseur de la figure 1. Les figures 3b et 3c représentent des diagrammes des tensions en différents points du cycloconvertisseur. 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 cycloconvertisseur 9 dont les sorties A'B'C' permettent l'alimentation en tension triphasée de 220 volts ou 380 volts à 50 Hertz. Sur la figure 2a on voit la constitution de l'ensemble 6. Les références G et H représentent les bornes d'entrée portées aux potentiels + et - de la tension continue provenant du filtre passe-bas 5. L'onduleur 7 est simple c1est-à-dire qu'il ne comporte que deux chaînes de thyristors 15 et 16. Chacune des chalnes constituée de plusieurs thyristors et plusieurs diodes en série est figurée d'une part par un thyristor Thl et une diode Dl montés tête-beche et d'autre part par un thyristor Th2 et une diode D2 montés tete-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 aux bornes du condensateur C3 et son secondaire relié au cycloconvertisseur 9. 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 meme origine des temps. La gâchette du thyristor Thl est commandée par des impulsions dont la période est par exemple de 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 en se fermant sur le 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 I DI (figure 2d). L'amorçage de ce courant bloque le thyristor Thl : IThI s'annule lorsque ID1 s'amorce. La gâchette du thyristor Th2 est allumée à la meme fréquence de répétition 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 ID2 apparaît du fait de l'oscillation entre Cl > 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 sinusoidale de fréquence- 5000 Hertz. Cette tension sinusoïdale 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 un cycloconvertisseur, élément en soi connu. Entré les bornes 17 et 18 sont disposées les chaînes des thyristors constituées chacune de deux thyristors montés tête-bêche tels que 10-20, 10'-20', 10"-20", 30-40, 30'-40', 30"-40". Les points communs de deux chaînes appelés A, B, C, sont reliés aux 3 bornes de sortie A' B' C' entre lesquelles sont disposées les charges dont seule la charge 19 entre A' et B' a été représentée. Pour expliquer le fonctionnement du cycloconvertisseur on va examiner uniquement la tension entre A et B, (figure 3b) les tensions entre B et C et A et C pouvant être établies de manière analogue à 1200 électriques près. Au cours d'une durée de 10 millisecondes et pendant des périodes de 100 microsecondes alternées avec d'autres périodes de 100 microsecondes les thyristors 10 et 30' sont allumés alternativement avec les thyristors 40 et 20'. La tension sinusoidale en provenance du transformateur 8 rend la borne 17 tantôt positive tantôt négative ainsi que la borne 18 mais inversement. quand les thyristors 10 et 30' sont allumés 17 qui est positive se referme par le thyristor 10, A, A', 19, B', B et 30' sur la borne 18 qui est négative. Pendant la demi-alternance suivante les thyristors 40 et 20' sont allumes en même temps. La borne 18 est alors positive et le courant se referme par le thyristor 40, 1, A', 19, B', B, le thyristor 20' sur la borne 17 qui est alors négative. Au cours d'une durée suivante de 10 millisecondes les thyristors 10' et 30 ainsi que 20 et 40' sont allumés alternativement pendant des périodes de 100 microsecondes. Lorsque 10' et 30 sont conducteurs, la borne 17 est positive et le courant passe par le thyristor 10', B, B', 19, A', A, le thyristor 30 et la borne 18 négative. Lorsque 20 et 40' sont conducteurs la borne 18 est positive et le courant passe par le thyristor 40', B, B', 19, A', A et le thyristor 20 pour se refermer sur la borne 17 négative. On peut remarquer qu'au cours de cette deuxième durée de 10 millisecondes le courant passe dans la charge 19 dans le sens de B' vers A' en sens inverse de la précédente durée de 10 millisecondes. C'est ce qui apparaît dans la figure 3c où est représentée une première série de demi-alternances positives suivies de demi-alternances négatives. L'intégration qui se produit dans la charge 19 transforme les demi-alternances en une courbe continue 21 de fréquence 50 Hertz. Ainsi une tension sinusoïdale -de fréquence 5000 Hertz est transformée en une tension alternative de 50 Hertz. L'amplitude de cette tension peut être régulée en agissant sur les gâchettes des thyristors à des instants décalés par rapport aux zéros de la sinusoïde 5 kilohertz. Entre A'BI, A'C', B'C' apparaissent des tensions sinusoïdales triphasées à 50 Hertz dont l'amplitude correspond à 220 volts ou 380 volts selon les besoins. 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 auxiliaire des voitures sur rails. REVENDICATIONS 1/ Convertisseur de tension continu-alternatif triphasé pour alimentation de voitures de chemins de fer comportant, dans tordre, 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 du réseau caractérisé par le fait qu'un cycloconvertisseur (9) transformant une tension alternative de valeurs réduites et de fréquence élevée en tension alternative triphasée est disposé après ledit transformateur (8). 2/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit onduleur (7) fournit une tension pratiquement sinusoldale à une fréquence égale à au moins trois fois la fréquence du réseau. 3/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit transformateur (8) prévu pour fonctionner à une fréquence au moins trois fois plus élevée que la fréquence du réseau présente un produit section de noyau magnétique par le nombre de spires particulièrement réduit. 4/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit cycloconvertisseur (9) comporte deux thyristors (10-20) par chaîne de thyristor. 5/ Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit cycloconvertisseur (9) comporte des moyens pour réguler le niveau de la tension délivrée.