Brevet FR2290084A1 — publié le 19760528

La présente invention concerne un procédé d'exploitation d'un convertisseur statique à branches de soupapes extinguibles, commutant du côté alternatif et reliant un réseau à courant continu, de tension variable à un réseau monophasé ou triphasé, de tension constante ou variable. Les convertisseurs statiques peuvent être classés d'après leur fonctionnement extérieur, en redresseurs, onduleurs, convertisseurs statiques de courant continu ou convertisseurs statiques de fréquence1 ou d'après leur fonctionnement intérieur, c'est-à-dire le mode de commutation et l'origine de la fréquence d'horloge. Le fonctionnement interieur de convertisseurs statiques peut être classé non seulement d'après les caractéristiques de commutation naturelle ou forcée, mais aussi d'après une autre caractéristique fonctionnelle. On distingue alors les convertisseurs statiques à commutation du côté alternatif et ceux à commutation du côté continu. Dans le type à commutation du côté continu, une tension continue est convertie en une tension alternative ou - en cas de fourniture d'énergie du côté alternatif au côté continu - une tension alternative en une tension continue, la commutation du courant s'effectuant dans les deux cas du côté continu. Cela suppose une réactance limitée du côté continu (des condensateurs de filtrage permettent de compenser l'action d'inductances trop élevées). Une réactance est nécessaire du côté alternatif, afin de limiter les harmoniques du courant. Les interrupteurs & semiconducteurs destinés à ce type de convertisseur statique, sont prévus pour deux sens de passage du courant. Les convertisseurs statiques à commutation du côté continu fonctionnent généralement avec commutation forcée. La source de tension alternative est chargée par une puissance réactive capacitive.Une commutation naturelle est possible dans le domaine de la charge inductive de la source de tension alternative. Ce domaine de fonctionnement du convertisseur statique à commutation du côté continu n'est utilisé que dans des cas particuliers. Dans le type à commutation du côté alternatif, un courant alternatif est converti en un courant continu ou - en cas de fourniture d'energie du côté continu au côté alternatif - un courant continu en un courant alternatif, la commutation du courant s'effectuant dans les deux cas du côté alternatif. Cette propriété suppose plusieurs conditions. Seule une réactance modérée est admissible du côté alternatif, par suite des phénomènes de commutation dont il est lesiège. Une inductance de filtrage quelconque est par contre admissible du côté continu. Les interrupteurs à semiconducteurs destinés à ce type de convertisseur statique ne sont prévus que pour un sens de passage du courant.La source de tension alternative est chargée par une puissance réactive inductive dans le domaine de la commutation naturelle et par une puissance réactive capacitive dans le domaine de la commutation forcée. Une des conditions essentielles imposées par l'interconnexion d'un réseau monophasé ou triphasé et d'un réseau continu par l'intermédiaire de convertisseurs statiques est que le courant et la tension du côté continu contiennent aussi peu de composantes alternatives que possible, de façon que les valeurs instantanées de la puissance continue soient théoriquement constantes dans le temps. Du-cté alternatif, il convient que les convertisseurs statiques n'échangent que de la puissance active avec le réseau d'alimentation ou alimenté. Les réseaux d'alimentation électrique contiennent des sources de tension alternative, dont les tensions asservies u(t) varient sinusol- dalement dans le temps. Il est souhaitable qu'elles soient chargées par des courants i(t) aussi sinusoidaux que possible, le déphasage e devant être faible afin d'éviter un courant réactif superflu. Dans le cas d'une tension et d'un courant sinusordaux, -la puissance pXt) des sources de tension alternative présente une pulsation sinsoidale a une fréquence double de celle du réseau Le courant des sources de tension continue ou des utilisations de courant continu doit être aussi bien filtré que possible, c'est-à-dire constant dans le temps.Dans cette hypothèse, l'allure temporelle de la puissance pd(t) du côté continu est constante Pd(t) = Sd Ud Lors de l'interconnexion d'un réseau monophasé et d'un réseau continu dans les conditions précitées des écarts apparaitraient dans la variation temporelle de la puissance convertie dans les deux sources. L'écart est p(t) - pdit) = - U.I cos (2 t - ) Des accumulateurs magnétiques et électriques sont donc nécessaires pour maintenir l'équilibre des puissances. Dans des systèmes polyphasés a charge symétrique, la puissance somme de toutes les phases serait constante dans le temps pour une variation sinsuoidale et l'équilibre des puissances serait ainsi assurée entre les côtés alternatif et continu. Dans le cas d'une charge asymétrique de systèmes polyphasés, cette condition n'est valable que pour le systeme polyphasé direct des courants. Des pulsations de la puissance à une fréquence double de celle du réseau apparaissent de nouveau pour le systeme polyphasé inverse, produit par l'asymetrie. Par suite des interrupteurs à semiconducteurs non-linéaires sans effet d'accumulation, la condition de courants sinusoidaux du côté alternatif ou triphasé n'est pas satisfaite directement lors de la conversion d'énergie par convertisseurs statiques. Les commutations périodiques produisent au contraire des harmoniques que l'insertion d'accumulateurs magnétiques et électriques permet de supprimer. En pratique, on admettait jusqu'à présent un certain taux d'harmoniques dans le réseau monophasé ou triphasé. Lors de l'interconnexion de réseaux monophasés ou triphasés et de réseaux ou d'utilisation à courant continu, un accumulateur magne- tique du côté continu assure généralement un filtrage du courant continu suffisant pour l'application.Les courants rectangulaires ou en escalier, typiques de la charge des convertisseurs statiques, apparaissent alors du côté monophasé ou triphasé. En principe, il est possible de combiner des accumulateurs magnetiques et électriques sous forme de filtres, qui sont à même d'absorber les pompages d'énergieau double de la fréquence du réseau et les autres pompages à fréquence plus elevée, assurant ainsi des courants sinusoïdaux dans le reseau monophasé ou triphasé et un courant constant dans le réseau continu. Dans de tels réseaux, constitués par des sources de tension1 transformateurs, convertisseurs d'énergie linéaires (résistances), accumulateurs d'energie linéaires et interrupteurs à semiconducteurs nonlineaires sans accumulation d'énergie, il est possible de satisfaire aux deux conditions imposées, c'est-à-dire que le bilan de puissance est équilibré à chaque instant (condition nécessaire) et les courants sont sinusoidaux ou constants (condition souhaitable). ETZ-A, 94(1973) nO 8, pp. 466 à 471 décrit des mesures en vue de la réalisation approximative du comportement parfait d'un convertisseur statique monophasé. Cet article montre que l'exploitation parfaite peut etre réalisée lors de la conversion d'énergie alternative en énergie continue quand on dispose de transformateurs sans perte ni > accumulation d'énergie, dont le rapport de transformation varie continûment et au synchronisme avec la tension alternative. La technique actuelle ne permettant pas de réaliser de tels transformateurs, on utilise des transformateurs dont le rapport est variable par bonds finis. En cas d'emploi d'un transformateur a deux rapports, chaque rapport est souvent utilisé pendant une demi-alternance et la variation temporelle désirée du rapport est obtenue approximativement par une modulation en duree des intervalles d'utilisation. L'invention a pour objet un procédé d'exploitation d'un convertisseur statique reliant un réseau continu à un réseau monophasé ou triphasé et permettant une réalisation approximative du comportement parfait du convertisseur statique, & savoir production d'une tension continue filtrée et d'un courant continu filtré du côté continu du convertisseur et d'un courant alternatif présentant la forme d'onde désirée, tout en réduisant l'appareillage de filtrage et en evitant des rapports de transformation- variables. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les branches de soupapesextinguibles fonctionnent en régime à amplitude constante, par fermeture et ouverture répétées pendant une période du réseau monophasé ou triphasé. Il convient de fermer et d'ouvrir les branches de soupapes extinguibles de façon que la variation de leur courant produise du côté monophasé ou triphasé la variation de courant désirée, sinusoïdale de préférence. Le régime à amplitude constante permet de réduire les harmoniques de tension et de courant du côté monophasé ou triphasé et du côté continu du convertisseur statique, et par suite l'appareillage de filtrage. Selon une autre caractéristique de l'invention, les branches de soupapes extinguibles sont couplées en pont monophasé ou triphasé et des condensateurs de soutien sont disposés du côté monophasé ou triphasé, dans un montage pour la mise en oeuvre du procédé. D'autres caractéristiques et avantages seront mieux compris & l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels-: la figure 1 représente un montage en pont monophasé; la figure 2 représente la variation temporelle des courants et des tensions résultant de l'application du procédé selon l'invention, pour divers déphasages; et la figure 3 représente, à titre d'exemple d'application, un entraînement de machine asynchrone ou synchrone. La figure 1 représente un convertisseur statique en pont monophasé, constitué par les branches de soupapes 1, 1' et 2, 2', et reliant un réseau monophasé 3 de tension u(t) à un réseau continu 4, de tension continue Ud variable. La représentation symbolique de deux bornes de commande sur les symboles de thyristor dans les branches de soupapes 1, 1' et 2, 2' indique qu'il est possible d'amorcer et d'éteindre ces branches à des instants quelconques. Les branches de soupapes extinguibles peuvent être constituées par des transistors, des thyristors a branches d'extinction ou des thyristors déconnectables. Le côté alternatif du convertisseur statique comporte, en série avec la source de tension alternative, une inductance 5 résultant des inévitables inductances des connexions d'entrée et de sortie, du transformateur, etc. Un condensateur de soutien 6, branché en parallèle avec les bornes de tension alternative du convertisseur statique, délivre les courants moyenne fréquence nécessaires au régime à amplitude constante du convertisseur statique, dans la mesure ou la source de tension alternative ne peut pas fournir ces courants par suite des inévitables inductances. Le condensateur de soutien 6 peut être supprimd quand les inductances du côté alternatif sont tres faibles ou quand les dispositifs d'extinction en parallèle avec les branches de soupapes sont dimensionnes de façon à fournir cette composante moyenne fréquence du courant alternatif. Du côté continu, l'utilisation 4 est en série avec un circuit bouchon 7 pour le second harmonique, constitué par une self et un condensateur en parallele, et une inductance de filtrage 8. La puissance du côté alternatif du convertisseur statique fluctue autour d'une valeur moyenne au double de la fréquence du réseau et l'équilibre de puissance est nécessaire entre les côtés alternatif et continu. Il en résulte que pour un courant continu constant, une tension continue fluctuant autour d'une valeur moyenne & une fréquence double de celle du réseau apparait à la sortie du côté continu du convertisseur statique. Afin qu'une tension constante soit appliquée a l'utilisation 4, il convient de prévoir. dans les montages monophasés un circuit bouchon 7, adapté au double de la fréquence du réseau et absorbant la composante alternative de la tension redressée. Un tel circuit bouchon est supprimé dans les réseaux polyphasés, par suite des conditions précédemment indiquées. La représentation temporelle, pour divers déphasages , des courants et tensions par les courbes a à c de la figure 2 permet d'expliquer le principe du procédé selon l'invention. Dans l'hvpothèse d'une tension alternative sinusoïdale, on obtient les conditions suivantes selon les diverses courbes. Les courbes a de la figure 2 représentent, suivant l'axe t des temps ou des angles, la variation de la tension Uc appliquée au conden c sateur de soutien 6, et rapportée à la valeur de crete û de la tension alternative u du réseau, et du courant alternatif i, dephasé en arrière d'un angle et rapporté A sa valeur de crête î. Lorsque le convertisseur statique fonctionne à une pulsation constante, mais avec un facteur de marche variable, la production d'une grandeur sinusoïdale exige du côté alternatif un facteur de marche variant sinusoidalement avec la fréquence du réseau. Outre le courant alternatif i du réseau, les courbes b de la figure 2 représentent le courant j circulant dans les bornes de tension alternative du convertisseur statique et rapporté à la valeur de crête i du courant alternatif du réseau. Le facteur de marche est adapté & la forme d'onde désirée1 pendant l'alternance sinusoidale, afin d'obtenir un courant sinusoïdal i du côté alternatif. La marche en récupération du côté continu est assurée pendant les ouvertures par la non-extinction d'une des deux branches de soupapes participant à la conduction du courant et l'amorçage de la branche en série avec la précédente. Les courbes c de la figure 2 representent la tension redressée ud sur les bornes de tension continue du convertisseur statique, la valeur moyenne Ud de la tension continue et la tension u2 appliquée au circuit bouchon et fluctuant au double de la fréquence du réseau, autour de la valeur moyenne Ud. On voit que la forme d'onde désirée du côté alternatif, sinusoïdale dans le cas considéré, est ainsi obtenue. Les éventuels harmoniques résiduels sont déterminés par les inductances inévitables du côté alternatif. Les figures 1 et 2 montrent que la mise en oeuvre du procédé selon l'invention fait essentiellement intervenir trois états différents du convertisseur statique 1. Passage d'un courant dans les branches de soupapes amorcées 1 et 1' 2. Passage d'un courant dans les branches de soupapes amorcées 2 et 2' 3. Marche en récupération par les branches de soupapes 1' et 2 ou 1 et 2', après extinction de la branche correspondante. I1 en résulte que dans un couplage en pont monophasé par exemple, les branches de soupapes 1 et 2 ou 1' et 2' sont extinguibles, tandis que les deux autres branches sont uniquement commandées, de sorte qu'on obtient dans ce cas particulier un couplage en pont symétrique à semiextinction. Les trois états différents nécessaires à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention s'obtiennent, comme dans l'exemple précité, par divers couplages de branches de soupapes extinguibles, commandées et non commandées. Les conditions décrites sur l'exemple d'un couplage en pont monophasé sont directement transposables à un système polyphasé, avec suppression du circuit bouchon nécessaire du côté continu pour le filtrage de la tension fluctuant au double de la fréquence du réseau. Un domaine d'emploi important du procédé selon l'invention est constitué par l'alimentation à tension et fréquence variables de machines synchrones ou asynchrones par des convertisseurs statiques, à-partir d'un réseau triphasé å tension et fréquence constantes. La figure 3 représente le schéma de principe d'un tel concept d'entraînement. Un convertisseur statique commandé 11, relié à un réseau triphasé 10 à tension et fréquence constantes, alimente un circuit intermédiaire 12 à tension continue variable Ud. Un convertisseur statique 13, couplé en triphasé commandé et extinguible, dt relié d'une part au circuit intermédiaire 12 à courant continu et d'autre part à une machine asynchrone ou synchrone 15 par l'intermédiaire de condensateurs de soutien 14. Con formément aux considérations précédentes, le convertisseur statique 13 commandé et extinguible délivre une tension et une fréquence variables, la forme d'onde étant prédéterminable à volonté par variation du facteur de marche des branches de soupapes. Un tel concept d'entraînement permet d'obtenir toute courbe couple-vitesse désirée, avec des moyens simples. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Procédé d'exploitation d'un convertisseur statique à branches de soupapes extinguibles, commutant du côté alternatif et reliant un réseau à courant continu, de tension variable, à-un réseau monophasé ou tri phasé, de tension constante ou variable, ledit procédé étant caractérisé en ce que les branches de soupapes extinguibles fonctionnent en régime à amplitude constante, par fermeture et ouverture répétées pendant une période du réseau monophasé ou triphasé. 2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que les branches de soupapes extinguibles sont fermées et ouvertes de façon que leur courant produise la forme d'onde désirée du côté monophasé ou triphasé, sinusoïdale de preférence, 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les branches de soupapes extinguibles sont couples en pont monophasé ou triphasé et des condensateurs de soutien sont disposés du côté monophasé ou triphasé. 4. Dispositif selon revendication 3, caractérisé en ce qu'une partie des branches de soupapes couples enpont monophasé ou triphasé est extinguible et une partie commandée uniquement.