Brevet FR2301955A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne un commutateur électrique statique de puissance. Ce commutateur comporte des thyristors, et sa fonction est, a l'aide d'un choix convenable des instants où ces thyristors sont rallumés", de comnander par tout ou rien la tension électrique appliquée a un appareil d'utilisation a partir d'une source d'alimentation continue. Pour cela, un ou plusieurs thyristors principaux permettent, lorsqu'ils sont "allumés", d'appliquer à l'appareil d'utilisation la tension fournie par la source. L'allumage de ces thyristors principaux ne pose pas de probleme particulier, mais leur extinction nécessite la présence d'un circuit dit d'extinction comportant un circuit résonant a inductance et capacité, et un thyristor d'extinction. La fonction de ce dernier est de permettre, a un instant convenable préalable a l'extinction, la naissance d'une oscillation électrique qui annule ensuite provisoirement la tension aux bornes du thyristor principal et assure ainsi son extinction. On peut réaliser ainsi, selon des schémas de connexion bien connus de l'homme de l'Art, des circuits "hacheurs", ou "onduleurs", permettant par exemple respectivement, la commande a vitesse variable d'un moteur de traction a courant continu, ou l'alimentation d'un moteur a courant alternatif ou non a fréquence variable a partir d'une source continue. Les modes de réalisation connus de ces circuits sont malheureusement couteux et encombrants. La présente invention a notamment pour but la réduction du volume et du prix de revient de tels circuits. Elle a pour objet un còmxutateur électrique statique de puissance cpor- tant : - au moins un thyristor principal du type dit a conduction inverse, - un thyristor d'extinction dudit thyristor principal, ce thyristor d'extinction ayant une électrode principale connectée à une électrode principale 'e ce thyristor principal et ayant son autre électrode principale connectée de maniere a ce que son allumage permette la naissance d'une oscillation dans un circuit résonant constitué par une inductance et une capacité extérieures au comxatateur, ce circuit résonant comportant ledit thyristor principal en série, et a ce que cette oscillation provoque l'extinction de ce thyristor principal, caractérisé par le fait que - les électrodes principales dudit thyristor d'extinction et dudit thyristor a conduction inverse, qui sont connectées ensemble, sont montées en bon contact thermique avec un meme refroidisseur métallique, - ensemble dudit thyristor a conduction inverse et dudit thyristor d'extinc- tion étant monté sur un bâti commun muni d'une paire de bornes d'entrée pour la connection a une source d'alimentation, d'une paire de bornes de sortie pour la connexion à un appareil commandé par le commutateur, d'une paire de bornes d'inductance pour la connexion a ladite inductance, d'une paire de bornes de capacité pour la connexion a ladite capacité et de bornes de commande pour la commande desdits thyristors principal et d'extinction. A l'aide des figures schématiques I à 4 ci-jointes, on va décrire ciaprès à titre non limitatif deux modes de realisation de l'invention. La figure 1 represente le schéma électrique d'un hacheur de type connu, La figure 2 représente un commutateur selon l'invention utilisant le schéma électrique de la figure I. La figure 3 représente le schéma électrique d'un onduleur de type connu. La figure 4 représente un commutateur selon l'invention utilisant le schéma électrique de la figure 3. Le commutateur représenté sur les figures I et 2 est du type "hacheur". I1 reçoit, entre deux bornes d'entrée positive EP et négative EN une tension continue fournie par une source d'alimentation non représentée, I1 fournit une tension de même valeur entre deux bornes de sortie positive SP et négative SN entre lesquelles sont connectés en parallèle, d'une part, un moteur a courant continu Pi et, et, d'autre part, une diode "de roue libre" DL, polarisée en inverse par la tension fournie aux bornes SP et SN.Le rôle du-commutateur est de fournir au moteur M ou plus exactement à son induit, une tension égale a celle de la source d'alimentation pendant des intervalles de temps de durée réglable se succédant à une frequence de récurrence convenable. Ce moteur constitue une inductance importante.La diode DL pernet au courant circulant dans cette inductance sous l'action de la tension appliquée, de continuer à y circuler lorsque le commutateur déconnecte la borne de sortie SP de la borne d'entrée EPt Le commutateur comporte un thyristor principal TP connecté en série avec une inductance LR entre la borne EP et la borne SP, de maniere à laisser le courant passer de la borne vers le borne SP lorsqu'il est allumé et à le couper lorsqu'il est éteint.Ce thyristor TP est du type dit "à conduction inverse", c' est-à-dire qu'il est muni d'une diode réalisée sur la même plaquette semi-conductrice, avec les mêmes électrodes principales, de nanière a permettre au courant de passer dans le sens inverse de celui de la conduction du thyristor allumé. Un circuit de protection constitué d'une résistance RI et d'une capacité Cl est connecté de manière classique entre les électrodes principales du thyristor TP. Un thyristor d'extinction TE, de type à conduction inverse est connecté en série avec une capacité CR entre les bornes EP et SP, en parallele avec le thyristor TP et l'inductance LD, de manière à ce que lorsque ce thyristor TE est allumé, il permette au courant de circuler dans le circuit résonant consti tué par l'inductance LR, le thyristor TP, le thyristor TE et la capacité CR dans le sens de conduction du thyristor TP allumé, La borne commune au thyristor TE et à la capacité CR est connectée par une résistance R2 à la borne d'entrée négative EN.Lorsque les thyristors TE et TP sont éteints, la capacité CR est donc chargée d'une manière qui sera appelée ci-apres positive, c'est-à-dire que son armature connectée à l'inductance Lis est positive par rapport a celle connectée au thyristor TE Un circuit de protection constitué par une résistance R3 et une capacité C2 en série est connecté entre les bornes principales du thyristor TE. Un autre circuit de protection constitué par une résistance R4 et une capacité C3 en série est connecté aux bornes de la diode DL. Un organe de connande OC fournit aux instants convenables des inpulsions d'allumage aux thyristors TP et TE, a travers des circuits de frise en forme FP et FE respectivement. Le fonctionneuent de ce commutateur du type "hacheur" est bien connu : lorsqu'on veut alinenter le noteur N, on allume le thyristor TP. Lorsqu'on veut arrêter cette alimentation, on allume le thyristor TE. La capacité Cit, qui était chargée postivement, se décharge a travers ce t1lyristor, le thyristor TP et l'inductance LR. Une oscillation électrique nait ainsi dans le circuit résonant C?, TE, TP, LP. Lorsque le courant change de sens dans ce circuit et atteint une valeur égale a celle du courant alimentant le moteur r, le courant total dans le thyristor TP s'annule et ce thyristor s'éteint.A cet instant, la capacité CR se retrouve chargée positivement. Le commutateur selon l'invention représenté sur la figure 2 comporte à peu près les mêmes éléments désignés par les memes références que celui de la figure I et fonctionne de la même manière. -ais un certain nombre d'éléments est monté sur un bâti corwnin 2. Ce bâti porte non seulement les thyristors TP et TE, nais encore la diode de roue libre DL. Les électrodes principales de ces trois éléments qui sont portées au nêne potentiel sont disposées en bon contact thermique avec un refroidisseur métal- lique commun. Leurs autres électrodes principales, qui sont portées au moins par moment a des potentiels électriques différents, sont disposées en bon contact thermique avec des refroidisseurs nétalli-ques DT2, ;T3 et DT4, qui sont isolés les uns des autres. Le bâti 2 porte en outre une paire de bornes d'inductance 3f pour la connexion d'une inductance LR extérieure -. ce bâti, et une paire de bornes de capacité BC pour la connexion d'une capacité CR Cgalement extérieure a ce bâti. Ce bâti comporte encore les ele-ents Ri, R2, R3, R4, Cl, C2, C3, ainsi que les circuits FP et FE, et des bornes pour connecter ces circuits à un organe de commande extérieur non représenté. Un fusible EU est porte par le bâti 2 et connecté en série avec la borne d'entrée EP.Ce bâti peut encore comporter un organe de ventilation non représenté pour assurer l'évacuation de la chaleur par les refroidisseurs DTI, DT2, DT3, et DT4 qui comportent à cet effet des ailettes de type classique. Le commutateur représenté sur les figures 3 et 4 est du type "onduleur uniphasé". il reçoit une tension d'entrée continue entre deux bornes d'entre positive GP et néeative CN, à partir d'une source d'alimentation continue non représentée. Il met une borne de sortie S en connexion alternativement avec l'une et l'autre des deux bornes d'entrée, de manière à permettre au courant electrique d'aller alternativement de la borne CP à la borne S et de la borne S à la borne CN. Pour cela, il comporte deux thyristors principaux TPP et TPN du type à conduction inverse connectant la borne S aux bornes GP et GN respectivement, de manière à ce que le sens de conduction des thyristors allumés soit de GP vers S et de S vers QX, respectivement. Un point A est connecté à la borne oe par un thyristor "d'extinction" TEP et à la borne GN par un thyristor "d'extinction" TEN permettant tous deux aucourant, lorsqu'ils sont allumés, d'aller de la borne GP vers la borne GN. Le point A est, de plus, connecté à la borne S par une capacité CS en série avec une inductance LS. Une inductance LT est connectée en série avec la borne d'entrée CP. Les thyristors TPP, TPN, TEP, TEN, sont munis chacun d'un circuit de mise en forme des impulsions de commande, FPP, PIPIT, FEP, FEN, respectivement, et d'un circuit de protection constitué par une capacite, C4, C5, C6, C7, respectivement, en série avec une résistance R5, R6, P 7, R8, respectivement, entre les électrodes principales du thyristor. Le fonctionnement d'un tel circuit est bien connu : lorsqu'on veut aliventer la borne S à partir de la borne oe par exemple, on allume lé thyristor principal TPP. Lorsqu'on veut soit isoler la borne S, soit l'alimenter à partir Je la borne C1Z, il faut éteindre le thyristor TPP. Pour cela, on allume le thyristor d'extinction TEP. La capacité CS, qui était chargée positivement, se décharge alors dans le circuit résonant constitué par les élements CS, LS, TPP, et TEP. Au Houent où le courant dans ce circuit resonant atteint la valeur du courant alimentant la borne S à travers le thyristor TPP, le courant total à travers ce thyristor TPP s'annule, et ce thyristor s'eteint. Le courant continu cependant à circuler dans le même sens à travers le circuit résonant en passant par la diode dont le thyristor TPP est muni. n'autre part, en raison de la présence de l'induçtance LT, un courant continue 1 alimenter la borne S à travers cette inductance, la capacité CS et l'inductance LS.Ces deux courants amènent la capacité CS à une charge négative croissante. Lorsque cette charge négative a atteint une valeur suffisante, le courant s'annule à travers le thyristor TEP, ce qui assure son extinction. Le circuit est alors prêt pour l'allumage du thyristor TPN, puis pour son extinction par allumage du thyristor TEN, par un processus analogue à celui qui vient d'être décrit, avec toutefois des sens de courant inversés dans la capacité CS et l'inductance LS, et sans intervention de l'inductance LT. Le commutateur selon l'invention représenté sur la figure 4 comporte, dans un bâti 12 les mêmes éléments que ceux qui viennent d'être décrits, sauf les éléments LT, CS et LS qui sont extérieurs et raccordés par des bornes BLT, BCS et BLS, respectivement. Ces bornes, ainsi que les bornes d'entrée GP et GN et de sortie S sont portées par le bâti 12, qui portent en outre des refroidisseurs métalliques en contact thermique avec les électrodes principales des thyristors. Le refroidisseur DT11 est commun aux anodes des thyristors TPP et TEP. Le refroidisseur DT12 est commun aux cathodes des thyristors TEINT et TPN. Le refroidisseur DT13 est commun à la cathode du thyristor TPP et à l'anode du thyristor TPN. Le refroidisseur DT14 est commun à la cathode du thyristor TEP et à l'anode du thyristor TEN. Un organe de ventilation non représenté peut augmenter ltefficacite de de ces refroidisseurs. On voit que, dans les deux exemples de mise en oeuvre de l'invention, celle-ci permet de disposer d'un commutateur d'encombrement, de poids et de prix diminués, grâce au montage de nombreux éléments dans un mêne bâti et à l'utilisation de refroidisseurs communs, cet avantage étant obtenu sans diminuer la variété des applications particulières auxquelles ces commutateurs s'adaptent grâce au fait que les éléments tels que LR, CR, LS, CS et LT ne sont pas incor porés au bâti, et peuvent donc être choisis en fonction de l'application particulière envisagée. Leur montage est rendu aisé par la présence des borne telles que BI, BC, BLS, BCS et BLT. RER5NDICATIOlIS 1/ Commutateur électrique statique de puissance comportant - au moins un thyristor principal du type dit à conduction inverse ; - un thyristor d'extinction dudit thyristor principal, ce thyristor d'extinction ayant une électrode principale connectée à une électrode principale de ce thyristor principal et ayant son autre électrode principale connectée de manière à ce que son allunage permette la naissance d'une oscillation dans un circuit résonant constitué par une inductance et une capacité extérieures au commutateur, ce circuit résonant comportant ledit thyristor principal en série, et à ce que cette oscillation provoque l'extinction de ce thyristor principal, caractérisé par le fait que les électrodes principales dudit thyristor d'extinc- tion et dudit thyristor à conduction inverse qui sont connectées ensemble sont montées en bon contact thermique avec un meme refroidisseur métallique, l'en- semble dudit thyristor à conduction inverse et dudit thyristor d'extinction étant monté sur un bâti commun muni d'une paire de bornes d'entrez pour la connexion à une source d'alimentation, d'une paire de bornes de sortie pour la connexion à un appareil commandé par le commutateur, d'une paire de bornes d'in- ductance pour la connexion à ladite inductance, d'uoepaire de bornes de capacité pour la connexion a ladite capacité, et de bornes de commande pour la commande desdits thyristors principal et d'extinction. 2/ Commutateur électrique statique de puissance selon la revendication 1, comportant : - un thyristor principal à conduction inverse ; - une paire de bornes inductance pour la connexion d'une inductance extérieure au commutateur en série avec ledit thyristor principal, - un thyristor d'extinction à conduction inverse, - une paire de bornes de capacité pour la connexion d'une capacité extérieure au commutateur en série avec ledit thyristor d'extinction, - une première et une deuxième bornes d'entrée pour la connexion à une source d'alimentation, - une première et une deuxième bornes de sortie, pour la connexion à un appareil commandé par le commutateur, - des moyens de connexion pour connecter en parallele d'une part, l'ensemble dudit thyristor-principal et de ladite inductance, et, d'autre part, l'ensemble dudit thyristor d'extinction et de ladite capacité de manière à former un ensemble de hachage pour connecter ladite première borne d'entrée à ladite première borne de sortie à travers cet ensemble de hachage, et pour connecter ladite deuxième borne d'entrée à ladite deuxième borne de sortie, caractérisé par le fait qu'une diode de roue libre est montée dans le même bâti que lesdits thyristors principal et d'extinction, cette diode de roue libre étant connectée entre lesdites bornes de sortie, une électrode principale d'une première polarité de cette diode de roue libre, une électrode principale de cette nême preniere polarité dudit thyristor principal, et une électrode principale de la åeuxiene polarité dudit thyristor d'extinction étant connectées à ladite première borne de sortie, et disposées en bon contact thermique avec un refroidisseur nétal- lique commun. 3/ Coranutateur électrique statique de puissance selon la revendication 1, compor- tant - une preniere et une deuxième bornes d'entrée pour la connexion aux deux bornes d'une source d'alimentation, - deux thyristors principaux a conduction inverse connectes en Crie dans le même sens entre lesdites bornes d'entrée, - une borne de sortie connectée entre lesdits thyristors principaux de manicre à être portée au potentiel de l'une ou de l'autre desdites bornes d'entrée selon que c'est l'un ou l'autre desdits thyristors principaux qui est allure, - deux thyristors d'extinction connectés en série dans le rene sens que lesdits thyristors principaux entre lesdites bornes d'entrée, - deux bornes d'inductance d'entrée pour connecter une inductance d'entrée extérieure au commutateur, en série entre l'une desdites bornes d'entre et lesdits thyristors, - au moins deux bornes de circuit résonnant pour connecter un circuit resonant entre ladite borne de sortie et le conducteur corinun au deux dits thyristors d'extinction 4/ Commutateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des circuits de protection desdits thyristors et des circuits de mise en forme des signaux de commande qui leur sont appliqués.