Brevet FR2298224A1 — publié le 19760813

La présente invention concerne un systeme convertisseur de tension comportant une série de circuits redresseurs dont chacun comprend des redresseurs commandés. Ce système convertisseur de tension convient particulièrement à un matériel roulant alimenté par du courant alternatif, et la description qui va suivre se rapporte, à titre -d'exemple, à un tel matériel roulant. Suivant un type de matériel roulant alimenté par du courant alternatif, la tension alternative est transformée en tension continue pour entraîner un moteur à courant continu, au moyen d'un système convertisseur de tension faisant appel à des redres seurs commandés, par exemple des thyristors, qui facilitent une commande sans contact du circuit principal. Dans un tel cas, le système convertisseur de tension comprend habituellement un circuit redresseur qui comporte soit un montage en pont de thyristors, soit un montage en pont de thyristors et de diodes combinés. Avec un tel montage, la commande de phase des thyristors engendre des harmoniques dans le courant alternatif fourni au système convertisseur de tension. Ces harmoniques se transmettent par l'intermédiaire de la ligne d'alimentation électrique du matériel roulant, ce qui provoque des dérangements par induction dans les lignes de transmission ou analogues entourant la ligne d'alimentation en courant électrique. Afin de diminuer l'influence de ces harmoniques, il a été proposé, au lieu d'un système convertisseur de tension ne comportant qu'un seul circuit redresseur, un système convertisseur muni de plusieurs circuits redresseurs (par exemple, au nombre de trois ou quatre) , dont les bornes de courant continu sont montées en série. Dans un tel système, par exemple, l'un des circuits redresseurs commande, de façon séquentielle et cyclique, sa tension continue de sortie, tandis que les autres circuits redresseurs commandent leur tension continue de sortie par tout ou rien. Mais, dans le cas où le système convertisseur de tension comporte une série de circuits redresseurs, il se présente cet inconvénient que le courant continu de sortie (qui passe dans le moteur à courant continu) effectue un dépassement (ou "overshoot"), étant donné que, lorsque celui des circuits redresseurs qui sert à commander de façon séquentielle la tension de sortie, atteint sa valeur finale, la tension de sortie est commutée vers les circuits redresseurs a commande par tout ou rien. ce fait s'explique comme suit : d'une façon genérale, un système convertisseur de tension est branché sur une ligne de haute tension, par l'intermédiaire d'un transformateur.Ce dernier comporte un enroulement secondaire qui se subdivise en une série de jeux de bobines, dont chacune est connectée à la borne alternative du circuit redresseur correspondant du système convertisseur de tension. De plus, en vue de supprimer le courant de dépassement qui prend naissance lorsque se produit la commutation de la tension de sortie, il faut rendre parfaitement égaux les réglages de la tension alternative qui alimente les divers circuits redresseurs, avant et après la commutation de tension. Autrement dit, les proportions des réactances de commutation des diverses bobines de l'enroulement secondaire du transformateur (si l'on appelle proportion de la réactance de commutation le rapport réactance de commutation x courant nominal/tension à charge nulle dans la bobine secondaire), doivent être rendues rigoureusement égales. Mais, en pratique, il est impossible de construire un transformateur dans lequel les proportions des réactances de commutationdes bobines secondaires sont rigoureusement égales, étant donné que la proportion de réactance de commutation est inévitablement entachée de l'erreur résultant des erreurs sur le nombre de spires et sur l'accouplement magnétique entre les bobines et le noyau du transformateur. I1 s'ensuit que le pourcentage des réactances de commutation des bobines secondaires est irrégulier. Ainsi, si le pourcentage de réactance de commutation-de la bobine secondaire du circuit redresseur de commande séquentielle dépasse celui du circuit redresseur de commande par tout ou rien, il prend naissance un courant de dépassement (ou- "overshoot"). Le courant de dépassement ainsi engendré présente les conséquences fâcheuses suivantes (1) sautes brusques du courant qui passe dans le moteur à courant continu, qui se trouve ainsi endommagé (2) destruction, par la chaleur, des thyristors, diodes et éléments analogues constituant le système convertisseur de tension (3) augmentation du nombre des harmoniques dans le courant alternatif alimentant le système convertisseur de tension, ce qui engendre fâcheusement des dérangements par induction (4) augmentation rapide du couple moteur du moteur à courant continu, cette augmentation étant accompagnée du patinage des roues du matériel roulant électrique ; et (5) transport moins confortable. L'invention vise un système convertisseur de tension capable d'empêcher la formation d'un courant de dépassement lorsqu'une commutation de tension se produit entre un circuit redresseur qui commande sa tension continue de sortie de façon séquentielle et cyclique, et un circuit redresseur qui commande sa tension continue de sortie par tout ou rien, ce système assurant un réglage de tension régulier et sans à-coups. De façon plus précise, l'invention a pour objet un système convertisseur de tension comprenant un onvertrsser qui comporte un transformateur, dont l'enroulement primaire est branché sur une source de courant alternatif, tandis que l'enroulement secondaire est divisé en une série de jeux de bobines, et une série de circuits redresseurs de redresseurs commandés dont les bornes de courant alternatif sont reliées chacune à l'une des bobines secondaires et dont les bornes de courant continu sont montées en série, un circuit bien défini parmi ces circuits commandant sa tension continue de sortie de façon séquentielle et cyclique, tandis que les autres circuits redresseurs commandent leur tension continue de sortie par tout ou rien, ce système convertisseur de tension étant caractérisé par le fait que l'on choisit la gamme de commandes de tension de ce circuit redresseur à commande séquentielle de manière qu'elle chevauche les gammes de commandes de tension des circuits redresseurs de commande par tout ou rien. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la desription qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif plusieurs formes de réalisation. Sur ces dessins, la figure 1 est le schéma de principe d'un circuit principal d'un système convertisseur de- tension auquel peut s'appliquer l'invention la figure 2 est un schéma donnant des formes d'onde, permettant d'expliquer le fonctionnement du système convertisseur représenté à la figure 1 ;; \ la figure 3 représente les caractéristiques tension-intensité du système convertisseur de tension de la figure 1 la figure 4 représente de façon schématique la disposition des enroulements d'un transformateur conforme à l'invention la figure S donne les caractéristiques tension-intensité d'un système convertisseur de tension comportant le transformateur représenté sur la figure 4 la figure 6 représente de façon schématique la disposition des bobinages d'un autre transformateur selon l'invention 7 la figure 7 donne les caractéristiques tension-intensité d'un système convertisseur de tension, comportant le transformateur représenté sur la figure 6 la figure 8 est le schéma de principe d'une autre forme de réalisation de l'invention ; et la figure 9 est le schéma de principe d'une troisième forme de réalisation de l'invention. On décrira ci-après, en se reportant aux figures 1 et 2, le fonctionnement d'un système convertisseur de tension muni d'une série de circuits redresseurs, auquel peut s'appliquer l'invention. Comme on le voit sur la figure 1, un enroulement primaire 11 d'un transformateur 1 est relié à une source (non représentée) de courant alternatif, par l'intermédiaire de bornes ul et vl. Ce transformateur 1 comporte un enroulement secondaire, divisé en trois jeux de bobines 12, 13 et 14, et les rapports d'enroulement (et, par conséquent, les rapports de tension) entre ces bobines ont respectivement pour valeur : 1/1 et 1/2. Un système convertisseur de tension, désigné dans son ensemble par la référence 2, comprend trois circuits redresseurs 21 à 23. Chacun de ces circuits redresseurs 21 à 23 comporte un montage en pont de thyristors et de diodes (comme représenté sur la figure et es ronds alternatives de es ponts sont reliées respecti- amant à a bobines secondaire 12 par intermédiaire des bornes u12 et v12, à la bobine 13 par l'intermédiaire des bornes u13 et v , et a la bobine '4 r l'intermédiaire des bornes u14 et le plus- les bornes de nor ont-inu de ces trois circuits redresseurs - C -s-r-a montées n série, et un moteur 3 à courant continu, r jouant 5 i- rôle de charge ou de récepteur, est monté entre les circuits redresseurs 21 et 23.Les thyristors compris dans chaque circuit redresseur sont soumis à un allumage réglable, au moyen d'un dispositif (non représenté) de commande de phase. Bien entendu, le circuit redresseur peut ne comporter que A des thyristors. De plus, l'enroulement secondaire du transformateur 1, qui est représenté divisé en trois bobines 12, 13 et 14 ayant pour rapport de tensions 1/1 et 1/2, peut aussi bien être divisé en quatre bobines ayant le même rapport de tensions de 1/1, sans' que l'on sorte pour cela du cadre de l'invention. Le circuit redresseur 21 commande sa tension continue dé sortie de façon séquentielle et cyclique, comme représenté sur la figure 2 (c) tandis que les circuits redresseurs 22 et 23 commandent par tout ou rien leur tension continue de sortie, comme représenté sur la figure 2 (b et a). Lorsque le circuit redresseur 21 de commande séquentielle et les circuits redresseurs 22 et 23 de commande par tout ou rien sont en marche, la somme E d des tensions continues de sortie fournies par le convertisseur 2, c'est-à-dire la tension continue appliquée au moteur 3 à courant continu, varie de façon séquentielle au cours des stades 1, 2, 3 et 4 de production des tensions continues à- la sortie du convertisseur 2, comme représenté sur la figure 2(d). Stade0 Les deux circuits redresseurs 22 et 23 sont ouverts et seul le circuit redresseur 21 effectue la commande séquentielle. En conséquence, la tension continue de sortie Ed du convertisseur 2 est égale à la tension continue de sortie du circuit redresseur 21. Stade&commat; Le circuit redresseur 22 est fermé, le circuit redresseur 23 demeure ouvert, et le circuit redresseur 21 effectue la commande séquentielle. En conséquence, la tension continue de sortie Ed du convertisseur 2 devient égale à la somme des tensions continues de sortie des circuits redresseurs 21 et 22. Stade O : wLe circùit redresseur 22 est ouvert de nouveau, le circuit redresseur 23 est fermé et le circuit redresseur 21 effectue la commande séquentielle. Par conséquent, la tension continue de sortie Ed du convertisseur 2 devient égale à la somme des tensions continues de sortie des circuits redresseurs 21 et 23. Stade : Les deux circuits redresseurs 22 et 23 sont fermés et le circuit redresseur 21 effectue la commande séquentielle, de sorte gué la tension continue de sortie Ed du convertisseur 2 devient égale à la somme des tensions continues de sortie des circuits redresseurs 21, 22 et 23. De la sorte, le circuit redresseur 21 commande de façon séquentielle sa tension continue de sortie jusqu'à ce qufune tension de sortie finale soit atteinte, puis la formation-des tensions continues de sortie est commutée en même temps que la commande séquentielle du circuit redresseur 21, ce qui permet au convertisseur 2 de fournir la tension continue de sortie Ed qui est commandée de façon séquentielle. On se reportera maintenant à la figure 3, où l'axe des ordonnées est gradué en tensions, et l'axe des àbscisses, en intensités. Cette figure correspond au cas de la formation d'un courant de dépassement au moment de la commutation. On va décrire ce qui se produit dans le cas où la bobine secondaire du circuit redresseur 21 de commande séquentielle possède, en raison d'une erreur de fabrication, une proportion de réactance de commutation supérieure à ia proportion de réactance de commutation des bobines secondaires des autres circuits redresseurs 22 et 23 de commande par tout ou rien. Au cours du stades, comme représenté sur la figure 3, la tension continue de sortie est commandée de façon séquentielle du point O jusqu'au point P suivant une ligne droite 11 sous une intensité d'accélération donnée par commande séquentielle du circuit redresseur 21. Tout de suite après que la tension de sortie du circuit redresseur 21 a atteint son maximum au point P, elle s'annule, le circuit redresseur 22 se ferme et l'on passe au stade &commat; représenté sur la figure 2. Mais, étant donné que la bobine secondaire 13 du circuit redresseur 22 possède une proportion de réactance de commutation inférieure à celle de la bobine secondaire 12 du circuit redresseur 21, la caractéristique tensionintensité, tout de suite après passage au stade 2, est représentée par la ligne droite 12. 2 Par suite, le point de fonctionnement monte brusquement de P à Q, ce qui provoque'un dépassement de courant. Un courant de dépassement analogue peut être engendré au moment du passage aux autres stades, comme représenté sur la figure 3. On voit ainsi que l'invention vise essentiellement à empêcher la formation d'un courant de dépassement au moment de la commutation. La figure 4, sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes numéros de référence, représente une disposition nouvelle des enroulements du transformateur selon l'invention. L'enroulement primaire 11 du transformateur 1 (figure 1) se divise en une série de bobines 111 à 114 (figure 4). Comme sur la figure 1, ce transformateur comporte des bobines secondaires 12, 13 -et 14 pour des circuits redresseurs 21, 22 et 23. Les bobines primaires 11I et 112 sont montées en série, et la bobine secondaire 12 est intercalée entre ces bobines 111 et 112.Par suite, l'accouplement magnétique primaire-secondaire entre les bobines primaires 111 et 112 et la bobine secondaire 12, est plus intime que l'accouplement entre la bobine primaire 113 et la bobine secondaire 13 ou entre la bobine primaire 114 et la bobine secondaire 14. I1 en résulte que, même si le transformateur 1 est irrégulier, la bobine secondaire 12 du circuit redresseur 21 possède une propor tion de réactance de-commutation inférieure à celle des bobines secondaires 13 et 14 des circuits redresseurs 22 et 23. Sur la figure 5, l'axe des ordonnées est gradué en tensions et l'axe des abscisses, en intensités. Cette-figure, qui est analogue à la figure 3, donne les caractéristiques tensionintensité que l'on obtient avec le système convertisseur de tension de la figure 1, lorsque les enroulements du transformateur sont disposés comme sur la figure 4. On voit d'après la figure 5 que, si les enroulements du transformateur sont disposés comme sur la figure 4, une gamme de tensions réglable du circuit redresseur 21 de commande séquentielle dépasse et, de la sorte, chevauche, les gammes due tensions des circuits redresseurs 22 et 23 de commande par toùt ou rien, aux stades # à stades0îàG.Par suite, lorsque l'on accélère le moteur 3 à courant continu à partir du point 0, l'accélération s'effectue au cours du stade # en atteint le point P, puis la tension de sortie du circuit redresseur 21 s'annule et ie circuit redresseur 22 se ferme et émet du zourant. A cet instant, le point P se déplace jusQu'au joint - s-ivant la ligne 12 en trait interrompu. rn d'autres termes, l'intensité du courant diminue.Mais, étant donné que le circuit redresseur 21 est commandé en phase par un dispositif (non représenté) de réglage d'intensité, le point de fonctionnement revient immédiatement de Q\à P. De la sorte, si l'on donne à la bobine secondaire 12 du circuit redresseur 21 une proportion de réactance de commutation inférieure à celle des bobines secondaires 13 et 14 des autres circuits redresseurs 22 et 23, on empêche la formation d'un courant de dépassement au moment de la commutation d'un stade à un autre, ce qui supprime les inconvénients des systèmes de la technique antérieure. La diminution de la proportion de réactance de commutation au point de compenser les erreurs de fabrication constitue un grand avantage. Par ailleurs, en tenant compte du fait que les harmoniques du courant alternatif d'alimentation qui sont dus à la commande de phase doivent être réduite, il est préférable d'augmenter la proportion de réactance de commutation de la bobine secondaire 12 du circuit redresseur 21. Cela tient au fait que, en donnant une valeur maxima à la proportion de réactance de commutation, on peut réduire la variation d'intensité di/dt au moment de l'allumage des thyristors, variation qui est la cause principale de la formation d'harmoniques. A ce propos, on se reportera à la f-igure 6 qui représente une nouvelle disposition des enroulements du transformateur, constituant une autre forme de réalisation de l'invention. Sur cette figure, l'enroulement primaire 11 du transformateur 1 de la figure 1 se divise en bobines 111 à 115. Les bobines secondaires 12 à 14 sont, comme sur la figure 1, reliées au convertisseur 2 et au moteur 3 à courant continu. Dans cette nouvelle forme de réalisation, les enroulements du transformateur 1 sont disposés de manière telle que la bobine secondaire 12 possède une proportion de réactance de commutation supérieure à celle des autres bobines secondaires 13 et 14.Mais, étant donné qu'une simple augmentation de la proportion de la réactance de commutation empêche le chevauchement de la gamme de tensions réglable aux divers stades, la bobine secondaire 12 est prévue pour être alimentée par une tension plus élevée. De façon plus précise, on voit d'après la figure 7, qui donne les caractéristiques tension-intensité obtenues avec le système convertisseur muni d'un transformateur dont les enroulements sont disposés comme sur la figure 6, que l'on peut obtenir le chevauchement de la gamme de tensions réglable aux divers stades en alimentant la bobine secondaire 12 de commande séquentielle avec une tension Ed1 supérieure à la tension Ed2 appliquée à la bobine secondaire 13 de commande par tout ou rien. Par conséquent, cette nouvelle forme de réalisation permet également d'accelérer le moteur 3 à courant continu sans provoquer la formation d'un courant de dépassement.De plus, on peut donner à la bobine secondaire de commande séquentielle une plus grande proportion de réactance de commutation afin de réduire les harmoniques résultant de la commande de phase des thyristors. Dans le cas des formes de réalisation précédentes représentées sur les figures 4 et 6, on s'efforce d'empêcher la formation de courant de dépassement au momént de la commutation d'un stade à un autre, grâce à une disposition appropriée des enroulements du transformateur 1. Suivant une variante, et en vue du même résultat, on peut intercaler des réactances 41, 42 et 43 respectivement entre les bobines secondaires 12, 13 et 14 et les bornes de courant alternatif des circuits redresseurs.21, 22 et 23, comme représenté sur la figure 8. Dans ce cas, la réactance 41 du circuit redresseur 21 de commande séquentielle est conçue pour avoir une valeur inférieure à celle des réactances 42 et 43 des circuits redresseurs 22 et 23 de commande par tout ou rien. La figure 9 représente encore une autre forme de réalisation de l'invention. Sur cette figure, un transformateur 1 comporte des bobines secondaires 15, 16 et 17 ayant des rapports de tensions égaux à 1/1 et 1/2, comme dans le cas de la figure 1. Mais, la bobine secondaire 15 du circuit redresseur 24 de commande séquentielle comporte une prise intermédiaire. Les autres circuits redresseurs 25 et 26 de commande par tout ou rien sont conçus comme les circuits redresseurs 22 et 23 de la figure 1. Le circuit redresseur 24 de commande séquentielle, te'l que représenté sur la figure 9, comprend un montage en pont qui comporte deux branches à thyristors etaune branche à diodes. Les bornes d'arrivée de courant alternatif des branches à thyristors sont reliées respectivement à une extrémité de la bobine secondaire 15 et à la prise intermédiaire de celle-ci, tandis que la borne de courant alternatif de la branche à diodes est reliée à l'autre extrémite de la bobine secondaire. Le circuit redresseur 24 de commande séquentielle joue d'abord le rôle d'un premier circuit redresseur mixte en pont, avec l'une de ses branches à thyristors reliée à la prise intermédiaire de la bobine secondaire 15, la branche à diodes commandant saX tension de sortie de façon séquentielle. Lorsque la tension de sortie atteint un maximum, le circuit redresseur 24 joue le rôle d'un second redresseur mixte en pont, avec l'autre branche à thyristors reliée à cette extrémité de la bobine secondaire 15, la branche à diodes commandant toute la tension dans la bobine secondaire 15, de façon séquentielle. Puis au moment où la tension de sortie de ce second circuit redresseur mixte en pont atteint un maximum, le circuit redresseur 21 se ferme et fournit sa tension de sortie, et la tension de sortie du circuit redresseur 24 s'annule.La même opération se produit pour régler de façon séquentielle la tension qu'il faut appliquer au moteur 3 à courant continu. Avec le circuit redresseur de commande séquentielle, le nombre de branches des éléments constituant le circuit redresseur est diminué d'une unité par rapport aux deux jeux de circuits redresseurs utilisés, ce qui fait baisser le prix de la fabrication. L'invention peut, bien entendu, s'appliquer au convertisseur de tension représenté sur la figure 9, de la même manière que dans les formes de,réalisation décrites précédemment. Comme on l'a expliqué, l'invention empêche la formation d'un courant due dépassement au moment de la commutation du courant continu de sortie et elle assure un réglage de tension sans àcoups. Par conséquent, le convertisseur et le moteur à courant continu qui constituent des charges ne sont pas soumis à l'intensité de courant trop forte due à un courant de dépassement. Lorsque l'invention est appliquée à un matériel roulant alimenté par du courant alternatif, en plus des avantages signalés plus haut, on oktient cet avantage que les risques de patinage des roues sous l'effet d'une variation brusque du couple sont supprimés, ce qui permet un transport dans des conditions confortables. REVENDICATIONS 1. Système convertisseur de, tension servant à transformer une tension alternative en une tension continue, comprenant un transformateur muni d'un enroulement primaire connecté à une source de courant alternatif, et d'un enroulement secondaire divisé en une série de jeux de bobines, et un moyen redresseur comportant une série de circuits redresseurs, chacun desdits circuits redresseurs comprenant des éléments redresseurs commandés et présentant des bornes de courant alternatif et des bornes de courant continu, lesdites bornes de courant alternatif de chaque circuit redresseur étant connectées à celui des jeux de bobines secondaires qui leur correspond, lesdites bornes de courant continu désdits circuits redresseurs respectifs étant montées en série pour fournir une tension continue à la sortie dudit moyen redresseur, un circuit donné faisant partie desdits circuits redresseurs étant conçu pour commander sa tension continue de sortie de façon séquentielle et cyclique dans une série de stades d'émission de la tension continue de sortie par ledit moyen redresseur, les autres circuits redresseurs étant conçus pour commander leur tension continue de sortie par tout ou rien au cours de ces stades, lesdits stades étant commutés par la commande par tout ou rien- desdits autres circuits redresseurs de commande par tout ou rien, lorsque la tension continue de sortie dudit circuit redresseur donné atteint une valeur finale au cours de chaque cycle, caractérisé par le fait que la valeur de la tension continue de sortie fournie par ledit'moyen redresseur lorsque la tension continue de sortie dudit circuit redresseur donné atteint ladite valeur finale, èt choisie supérieure à la valeur de la tension continue de sortie fournie par ledit moyen redresseur au moment od commence le stade suivant. 2. Système convertisseur de tension selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la bobine secondaire dudit transformateur dudit circuit redresseur donné présente un accouplement magnétique plus intime que les accouplements magnétiques des bobines secondaires dudit transformateur pour les autres circuits redresseurs, ce qui permet d'effectuer ledit choix. 3. Système convertisseur de tension selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que la bobine secondaire dudit transformateur dudit circuit redresseur donne presente un accouplement magnétique moins intime que l'accouplement magnétique des bobines secondaires des autres circuits redresseurs, et par le fait que ledit circuit redresseur donné possède une gamme de tensions plus grande que celle des autres circuits redresseurs, ce qui permet d'effectuer ledit choix. 4. Système convertisseur de tension selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des reactances sont intercalées entre lesdites bobines secondaires dudit transformateur et lesdits circuits redresseurs, et par le fait que l'une des réactances dudit circuit redresseur donné a une valeur inférieure à celle des autres réactances des autres circuits redresseurs, ce qui permet d'effectuer ledit choix. 5. Système convertisseur de tension selon la revendication 1, caracterlse par le ait que chacun desdits circuits redresseurs ~e~mprer.d u montage en pont de thyristors ou de thyristors et de diodes combines, et par le fait que la tension continue de sortie dudit moyen redresseur est appliquée à un moteur à courant continu.