Brevet FR2273399A1 — publié le 19751226

L'invention due à L.E. SMOLNIKOV et N.N. LAPTEV, concerne le domaine de l'électrotechnique et plus particulièrement, un procédé pour la régulation de la tension continue sur une charge, et un dispositif pour sa réalisation. On connatt un procédé et des dispositifs pour la régulation de la tension continue, basés sur l'utilisation d'au moins une cellule onduleur principale et une cellule onduleur auxiliaire avec des transformateurs dont les enroulements de sortie sont couplés entre eux en série et raccordés à la charge à travers un redresseur. Pour les procédés connus indiqués et dans les dispositifs pour obtenir l'effet de réglage de la tension, on utilise un principe de transformation de la tension continue en impulsions rectangulaires de signes variables modulées en largeur avec une démodulation consécutive de celles-ci. Comme démodulateur, on utilise un filtre LC. La présence de ce dernier mène à un accroissement important du poids et de l'encombrement du dispositif en entier, et entrain la diminution de sa rapidité de fonctionnement et l'apparition éventuelle, à la sortie, de crêtes de surtensions notables. Le but de la présente invention est la mise au point d'un nouveau procédé de régulation de la tension continue sur une charge, selon lequel on pourrait se passer de l'utilisation d'un procédé de modulation d'impulsions en durée nécessitant une démodulation consécutive en utilisant un filtre LC, ainsi que d'un dispositif approprié à la réalisation de ce nouveau procédé, dispositif qui serait plus simple et plus fiable, de moindre encombrement et de plus grande rapidité de fonctionnement. Lt invention est basée sur le principe de la sommation de tensions rectangulaires de signe variable avec un redressement consécutif sur la charge, ainsi que sur la réalisation du processus de régulation de la tension continue sur la charge, en modifiant les signes des termes de la somme à obtenir, des tensions rectangulaires. Le problème posé est résolu par le fait que, dans le procédé de régulation de la tension continue sur une charge à l'aide d'un ensemble de cellules onduleurs à transistors commandees par une tension rectangulaire avec des transformateurs de sortie, constitué au moins par une cellule onduleur à transistors principale et une série de cellules onduleurs à transistors auxiliaires, procédé d'après lequel les tensions de sortie des cellules à transistors mentionnées sont additionnées et ensuite redressées, selon l'invention, la composante de la somme obtenue, correspondant à la cellule onduleur principale à transistors, ne change pas de signe au cours de la régulation, tandis qu'on fait varier le signe de la composante de la somme obtenue correspondant à l'une quelconque des cellules onduleurs auxiliaires à transistors, lors de la modification du signe de la différence entre, d'une part, la somme des valeurs, proportionnelles aux tensions de sortie de la cellule onduleur principale à transistors et de plusieurs autres cellules onduleurs à transistors auxiliaires et, d'autre part, la valeur proportionnelle à une tension de référence, qui détermine la tension sur la charge, en remplaçant une série de signaux de commande de blocage et de déblocage, qui s'alternent, par une série composée exclusivement de signaux de commande de blocage, appliqués aux jonctions de commande des transistors de l'une quelconque des cellules onduleurs auxiliaires mentionnée. Il est avantageux de réaliser le dispositif pour la régulation de la tension continue sur une charge selon le procédé proposé, comportant un ensemble de cellules onduleurs à transistors commandées par une tension rectangulaire, à sorties sur transformateurs, raccordées en série et accouplées à travers un -redresseur à la charge, au moins l'une de ces cellules étant la cellule principale, tandis que les autres sont des cellules onduleurs auxiliaires, dispositif quij selon l'invention, comporte un bloc logique avec une source de tension de référence et des éléments commutateurs commandés par ce bloc logique et qui, à leur tour, commandent les cellules onduleurs auxiliaires à transistors, chacune desquelles à cet effet étant raccordée par son entrée à l'une des sorties du bloc logique et, par sa sortie A la cellule onduleur à transistors auxiliaire correspondante, le bloc logique étant réalisé de telle manière que l'élément commutateur se rapportant à une quelconque cellule onduleur auxiliaire à transistors soit fermé pour une valeur quelconque de la différence, d'une part, entre la somme des valeurs proportionnelles aux tensions dé sortie de la cellule onduleur à transistors principale et de plusieurs autres cellules onduleurs à transistors auxiliaires et, d'autre part, la valeur proportionnelle à la tension de la source de tension de référence, et qu'il s'ouvre lorsque le signe de la différence indiquée est opposé. I1 est désirable que, dans le dispositif proposé pour le réglage de la tension continue sur une charge, la source de référence soit réalisée de telle manière que la tension à ses bornes puisse être rendue variable. I1 est également avantageux, dans le dispositif proposé pour la régulation de la tension continue sur une charge, dans lequel les transformateurs de toutes les cellules onduleurs à transistors possèdent des enroulements de sortie, couplés entre eux en série et raccordés à travers un redresseur à la charge, ainsi que des enroulements de mesure, de brancher entre la source de référence et chacune des sorties du bloc logique, des circuits constitués par les enroulements de mesure des transformateurs mentionnés, couplés en serie et une diode.Le dispositif pour la régulation de la tension continue sur la charge peut être réalisé avec trois cellules onduleurs auxiliaires à transistors et, dans le bloc logique, entre la source de référence et la première sortie du bloc logique correspondant à l'élément commutateur de la première cellule onduleur à transistors auxiliaire, on peut introduire l'enroulement de mesure du transformateur de la cellule onduleur à transistors principale et une diode branchés en série entre la source de référence et la seconde sortie du bloc logique correspondant à ltélément commutateur de la seconde cellule onduleur à transistors auxiliaire, on peut aussi introduire, branchés en série, les enroulements de mesure des transformateurs de la cellule onduleur principale et de la première cellule onduleur auxiliaire et une autre diode, et encore, entre la source de référence et la troisième sortie du bloc logique, correspondant à 1élément de commutation de la troisième cellule onduleur à transistors auxiliaire, on peut introduire, branchés en série, les enroulements de mesure des transformateurs de la cellule onduleur à transistors principale, et des première et seconde cellules onduleurs -auxiliaires à transistors et une troisième diode. Les dispositifs construits selon l'invention sont simples à réaliser, fiables en service, se distinguent par une rapidité d'action élevée et peuvent être utilisés pour le réglage et la stabilisation de la tension continue de divers dispositifs électroniques, en premier lieu, des dispositifs à-semi-conducteurs. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin donné en annexe, qui représente le schéma de principe d'un mode de réalisation constructif du dispositif pour le réglage de la tension continue sur une charge. Le dispositif proposé pour le réglage de la tension continue sur une charge est alimenté à partir d'une source d'alimentation 1, et comporte un générateur pilote 2 avec un transformateur 3, une cellule onduleur à transistors principale 4 et des cellules onduleurs auxiliaires à transistors 5, 6 et 7, respectivement première, seconde et troisième. Toutes les cellules onduleurs à transistors possèdent des transformateurs. Le transformateur de la cellule onduleur à transistors principale 4 possède des enroulements primaires 41 et 42' de sortie 43 et de mesure 44 et Le transformateur de la première cellule onduleur à transistors auxiliaire 5 possède des enroulements primaires 51 et 52' de sortie 53 et de mesure 54 et Le transformateur de la seconde cellule onduleur à transistors auxiliaire 6 comporte des enroulements primaires 61, 62,de sortie 63 et de mesure 64 et 65. Le transformateur de la troisième cellule onduleur à transistors auxiliaire 7 possède trois enroulements : primaires 71 et 7 et de sortie 73. Le générateur pilote 2 débite une tension rectangulaire (sous forme d'impulsions de signe variable, de forme rectangulaire) qui commande les cellules onduleurs à transistors 4, 5, 6 et 7.Son transformateur 3 possède neuf enroulements : un-primaire 3, et les autres (de 32 à 39) secondaires. En outre, dans le dispositif décrit, il y a une source de tension de référence 8, des diodes 9, 9, 10, 10e et 11, 11', des éléments commutateurs 12, 13 et 14 des cellules onduleurs auxiliaires à transistors, respectivement de la première 5, de la seconde 6 et de la troisième 7. Selon la variante donnée de réalisation du dispositif proposé, les éléments commutateurs se présentent sous la forme de transistors, qui seront appelés plus loin transistors de commande, respectivement 12, 13 et 14. Sur le dessin sont également représentés des diodes inverses-15, 16, 17, 18, 19 et 20, un redresseur 21, une charge 22, un condensateur 23, des transistors 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 et 31, et enfin, des résistances 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, ainsi que des diodes 46 et 47. La source de tension de référence 8, les enroulements de mesure 44 et 45 de la cellule onduleur à transistors principale 4, 54 et 55 de la première cellule onduleur à transistors auxiliaire 5, 64 et 65 de la seconde cellule onduleur à transistors auxiliaires 6, ainsi que les diodes 9 et 9', 10 et 10, 11 et Ilr, forment un bloc logique. Dans le bloc logique entre la source de tension de réfe- rence 8 et sa première sortie, correspondant au transistor de commande 12 (à l'élément commutateur) de la première cellule onduleur à transistors auxiliaire 5, se trouvent branchés en série l'enroulement de mesure 44 du transformateur de la cellule principale d'inversion à transistors 4 et la diode 9, (et, pour assurer le redressement à deux alternances, l'enroulement de me sure 45 de la cellule onduleur à transistors principale 4 et la diode 9'), entre la source de tension de référence 8 et sa seconde sortie, correspondant au transistor de commande 13 (à l'élément commutateur) de la seconde cellule onduleur à transistors auxiliaire 6, se trouvent branchés en série l'enroulement de mesure 44 du transformateur de la cellule onduleur principale à transistors 4, l'enroulement de mesure 54 du transformateur de la première cellule onduleur auxiliaire à transistors 5 et la diode 10 (et, pour assurer le redressement à deux alternances, l'enroulement de mesure 45 du transformateur de la cellule onduleur principale à transistors 4, l'enroulement de mesure 55 du transformateur de la première cellule onduleur auxiliaire à transistors 5 et la diode 10'), entre la source de tension de référence 8 et sa troisième sortie, correspondant au transistor de commande 14 (à l'élément commutateur) de la troisième cellule onduleur auxiliaire à transistors 7, se trouvent branchés en série ltenrou- lement de mesure 44 du transformateur de la cellule onduleur principale à transistors 4, l'enroulement de mesure 54 du transformateur de la première cellule onduleur auxiliaire à transistors 5, l'enroulement de mesure 64 du transformateur de la seconde cellule onduleur auxiliaire à transistors 6 et la diode Il (et, pour assurer le redressement à deux alternances, l'enroulement de mesure 45 du transformateur de la cellule onduleur principale à transistors 4, l'enroulement de mesure 55 du transformateur de la première cellule onduleur auxiliaire à transistors 5, l'enrou- lement de mesure 65 du transformateur de la seconde cellule on duleur auxiliaire à transistors 6 et la diode 11,), Les diodes 46 et 47 permettent d'améliorer la fiabilité du blocage des transistors 26 à 31 des cellules onduleurs auxi liaires 5, 6 et 7 lorsque les transistors de commande, respec tivement 12, 13 et 14, sont débloqués. Pour le fonctionnement normal du dispositif, il faut que la tension de sortie de la cellule onduleur principale dépasse en valeur absolue la tension de sortie de n'importe quelle cellule onduleur auxiliaire. Supposons, pour simplifier, que tous les éléments du sché ma sont idéals et considérons son fonctionnement en régime de stabilisation de la tension de sortie du dispositif proposé à un certain niveau relatif 1,00 et de modification de la tension d'alimentation dans la gamme allant de 0,80 à 1,20, par exemple pour le rapport suivant des coefficients de transformation des cellules onduleurs principale et auxiliaires Ko:K1:K2:K3 = 1:0, 143:0,071:0,036 (K étant le rapport entre le nombre de spires de l'enroulement de sortie du transformateur de la cellule correspondante et le nombre de spires de son enroulement primaire). Le processus de la stabilisation dans les conditions a doptéesest illustré à l'aide de la table suivante : Tension Tension Tension de sortie Tension Instabili d'ali- de sortie des cellules ondu- de sor- té relati mentation de la cel- leurs auxiliaires tie du ve de la lule ondu- - onver- tension de leur prin- première seconde troi- tisseur sortie du cipale re sième conver tisseur 0,800 +0,800 +0,115 +0,057 +0,029 1,002 +0,2 0,850 +0,850 +0,122 +0,060 -0,031 1,001 +0,1 0,900 +0,900 +0,129 -0,064 +0,032 0,997 -0,3 0,950 +0,950 +0,136 -0,068 -0,034 0,984 -1,6 1,000 +1,000 +0,143 -0,071 -0,036 1,036 +3,6 1,050 +1,050 -0,150 +0,075 +0,038 1,013 +1,3 1,100 +1,100 --0,158 +0,078 -0,040 0,980 -2,0 1,150 + 1,150 -0,165 -0,082 -0,042 1,025 +2,5 1,200 +1,200 -0,172 -0,085 +0,043 0,986 -1,4 Indépendamment de la tension de la source d'alimentation 1, le générateur pilote 2 avec le transformateur 3 (enroulement primaire 3, enroulements secondaires 32 à 39) branché sur cette source élabore des impulsions rectangulaires symétriques de signe variable, qui sont utilisées pour la commande des cellules onduleurs principale 4 et auxiliaires 5 à 7 d'inversion. Lorsque la tension minimale d'alimentation est égale, en unités relatives, à 0,80, les sommes des tensions de la source de tension de référence 8 et des enroulements de mesure correspondants 44, 45, 54, 5 et 64, 65 sont telles qu'aux diodes 9,9', 10,108 et 11,11 sont appliquées des tensions inverses, ces diodes sont bloquées et, par conséquent, le courant est appliqué aux bases des transistors de commande 12 à 14 à partir des enroulements 32 et 33 du générateur pilote et, respectivement, aux bases des transistors de commutation de toutes les cellules onduleurs auxiliaires, à partir des enroulements de 34 à 39 du générateur pilote, et les tensions de sortie de ces cellules varient en phase avec la tension de sortie de la cellule principale. Le courant ne passe alors par aucune des diodes inverses 15 à 20, et la - tension de sortie du convertisseur est égale à la somme arithmétique des tensions de sortie de toutes les cellules. Pour une tension d'alimentation égale à 0,85, l'état des diodes 9,9', 10,10' et, respectivement, les états des cellules onduleurs auxiliaires 5,6 ne varient pas, tandis que les diodes 11,11 sont traversées à tour de rôle par des courants, ce qui conditionne le blocage du transistor de commande 14 et des transistors de commutation de la cellule auxiliaire 7, qui passe du régime d'onduleur au régime de redresseur, au cours duquel à travers les diodes inverses 19,20 est réalisée une récupération de lténergie provenant du circuit extérieur allant à la source d'alimentation. Dans ce cas, la tension de sortie de la cellule donnée varie en opposition de phase par rapport à la tension de sortie de toutes les autres cellules et, par conséquent, elle est soustraite de leur somme (voir la table). Lors de, l'accroissement ultérieur de la tension d'alimentation en fonction des états des diodes 9,9', 10,10w, 11,11', chacune des cellules auxiliaires peut débiter une composante soit positive, soit négative de la tension de sortie du dispositif examiné, le signe de cette composante étant déterminé auto matiquement par le.rapport entre la tension de la source de référence et la somme des tensions des enroulements de mesure correspondants, de telle manière que la tension de sortie du dispositif décrit soit stabilisée au niveau assigné. La table donnée plus haut met en évidence, que pour les coefficients de transformation choisis, l'instabilité relative de la tension de sortie du convertisseur pour la gamme assignée de variation de la tension d'-alimentation ne dépasse pas + 3,6X. Vu que les durées des fronts des tensions rectangulaires appliquées aux enroulements des transformateurs des cellules ne sont pas nulles, pour supprimer les crêtes de commutation, on raccorde, à la charge 22 du convertisseur branchée à travers le redresseur 21 un condensateur de commutation 23 à capacité relativement faible. Il est évident que,grSce à l'absence, en pratique, de filtre, et à la faible puissance totale des cellules auxiliaires (égale, pour l'exemple étudié, à environ 20% de la puissance totale du dispositif), le schéma possède un rendement élevé proche du rendement d'un dispositif non stabilisé pour le réglage de la tension continue sur-une charge. Sont possibles diverses modifications du dispositif. Par exemple, comme source de référence 8, on peut utiliser un stabilovolt au silicium alimenté à travers une résistance auxiliaire et un redresseur à deux alternances à partir des enroulements supplémentaires du transformateur du générateur pilote, ou du transformateur de la cellule onduleur principale. Le générateur pilote lui-même peut être raccordé par le circuit d'alimentation aux enroulements du transformateur de la cellule onduleur principale, ou à la sortie du dispositif de régulation de la tension continue. Lorsqu'on utilise une cellule onduleur principale fonctionnant en régime d'auto-oscillation, il n'est plus nécessaire d'avoir recours à un générateur pilote et la commande des transistors des cellules onduleurs auxiliaires peut être réalisée directement à partir de l'enroulement du transformateur de la cellule principale. Pour assurer le fonctionnement en régime de commutation des transistors de commutation, il est avantageux d'utiliser dans les circuits d'entrée des cellules auxiliaires, comme élément commutateur, des transistors composés, des éléments relais du type basculeur de Schmidt, etc. S'il faut améliorer la stabilité de la tension de sortie, on peut brancher en série avec la charge une cellule onduleur auxiliaire à faible puissance, en branchant l'enroulement de sortie de son transformateur en série avec les enroulements de sortie des transformateurs de toutes les autres cellules, et en faisant directement agir sur son fonctionnement la différence entre la tension sur la charge et elIe d'une source de tension de référence supplémentaire quelconque. L'utilisation d'une telle cellule, si la tension d'alimentation de celle-ci est réglée progressivement lors de la modification de la différence indiquée, assure l'ajustage automatique et progressif de la tension de sortie sur le niveau assigné de stabilisation. Ce dispositif est particulièrement indiqué pour être utilisé afin d'obtenir une tension continue stabilisée, quand on utilise comme source d'énergie un secteur alternatif triphasé non stabilisé à fréquence industrielle. Dans ce cas, comme le démontre le principe de fonctionnement exposé plus haut, on peut utiliser comme source 1 un secteur triphasé en branchant à sa sortie un redresseur en pont, sans aucun filtre complémentaire. La présence d'électrodes communes aux divers transistors du régulateur simplifie le problème de sa miniaturisation, et permet de réaliser le schéma de commande sous forme de circuits intégrés. Pour le réglage de la tension de sortie du dispositif, il faut faire varier la tension de la source de référence 8. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la tension continue sur une charge à l'aide drun ensemble de cellules onduleurs à transistors avec des sorties à transformateur commandées par une tension rectangulaire, composé au moins d'une cellule onduleur principale et d'une série de cellules onduleurs auxiliaires, selon lequel les tensions de sortie des cellules à transistors mentionnées sont additionnées, puis redressées, caractérisé en ce que la composante de la somme obtenue, correspondant à la cellule onduleur principale à transistors, ne change pas de signe au cours de la régulation, tandis que le signe de la composante de la somme obtenue, correspondant à une des cellules'onduleurs auxiliaires à transistors quelconque, est modifié lors de la variation du signe de la différence entre, d'une part, la valeur totale des grandeurs proportionnelles aux tensions de sortie de la cellule onduleur principale à transistors et de plusieurs autres cellules onduleurs auxiliaires à transistors et, d'autre part, la valeur proportionnelle à la tension de référence, qui détermine la tension sur la charge, en remplaçant les séquences de signaux de commande de blocage et de déblocage qui s'alternent par des séquences constituées exclusivement par des signaux de blocage, appliqués aux jonctions de commande des transistors d'une quelconque des cellules onduleurs auxiliaires à transistors. 2. Dispositif pour la réalisation de la régulation de la tension continue sur une charge selon un procédé suivant la revendication 1, comportant un ensemble de cellules onduleurs à transistors, commandées par une tension rectangulaire, avec des sorties sur transformateurs, raccordées en série et raccordées à travers un redresseur à la charge, au moins 1'une de ces cellules étant une cellule principale, les autres étant des cellules auxiliaires, caractérisé en ce qu'il comporte un bloc logique avec une source de tension de référence et des éléments de commutation commandés par le bloc logique et qui commandent, à leur tour, les cellules onduleurs auxiliaires à transistors, chacun de ces éléments commutateurs étant à cet effet raccordé par son entrée à l'une des sorties du bloc logique et, par sa sortie, à la cellule onduleur auxiliaire à transistors correspondante, le bloc logique étant réalisé due telle manière que l'élément commutateur se rapportant à une cellule auxiliaire onduleur à transistors quelconque, se ferme pour une valeur quelconque déterminée de la différence entre, d'une part, la valeur totale des gran deurs proportionnelles aux tensions de sortie de la cellule ondulateur principale à transistors et de plusieurs autres cellules onduleurs auxiliaires à transistors et, d'autre part, une valeur proportionnelle à la tension de la source de référence, et qu'il s'ouvre lorsque le signe de cette différence est opposé. 3. Dispositif selon la revendication 2 pour le réglage d'une tension continue sur une charge, caractérisé en ce que la source de référence est réalisée de manière à pouvoir faire varier la tension à ses bornes. 4. Dispositif selon les revendications 2 et 3, pour régler la tension continue sur une charge, dans lequel les transformateurs de toutes les cellules onduleurs à transistors possèdent des enroulements de sortie, qui sont raccordés entre eux en série et sont raccordés à travers un redresseur à la charge et des enroulements de mesure, caractérisé en ce qu'entre la source de référence et chacune des sorties du bloc logique est inséré un circuit constitué par les enroulements de mesure des transformateurs indiqués et une diode branchés en série. 5. Dispositif selon la revendication 4 pour régler la tension continue sur une charge, comportant trois cellules onduleurs à transistors, caractérisé en ce que, dans le bloc logique entre la source de tension de référence et la première sortie du bloc logique, correspondant à 1élément de commutation de la première cellule onduleur auxiliaire à transistors, se trouvent branchés en série l'enroulement de mesure du transformateur de la cellule onduleur principale à transistors et une diode ; entre la source de tension de référence et la seconde sortie du bloc logique, correspondant à l'élément de commutation de la seconde cellule onduleur à transistors auxiliaire, se trouvent branchés les enroulements de mesure des transformateurs de la cellule onduleur principale et de la première cellule onduleur auxiliaire et une autre diode couplés en série et, entre la source de réfé rence et la troisième sortie du bloc logique, correspondant à I'élément de commutation de la troisième cellule onduleur auxiliaire à transistors, se trouvent branchés en série les enroulements de mesure des transformateurs de la cellule onduleur principale et des première et seconde cellules onduleurs auxiliaires à transistors et une troisième diode.