Brevet FR2296300A1 — publié le 19760723

La présente invention concerne les onduleurs statiques, c'est- -dire des appareils électriques ne comportant aucune partie tournante et transformant un courant électrique continu ou redressé en un courant électrique alternatif. Un onduleur statique monophasé se compose essentiellement d'un circuit mutateur muni de redresseurs a allumage commandé qui découpent des créneaux dans une tension électrique continue ou redressee d'aiimentation, d'un filtre passe-bas qui transforme les créneaux en sinuoide et d'un circuit pilote commandant le fontionnement des redresseurs a allumage commandé du circuit mutateur, et déterminant par la meme la durée du cycle de fonctionnement du circuit autateur et les durées respectives d'allumage des redresseurs a allumage commandé au cours de ce cycle.La période du signal de sortie d'un onduleur est égale a la durée du cycle de fonctionnement de son circuit mutateur. L'amplitude de la tension de sortie d'un onduleur est fonction des durées respectives d'allumage des redresseurs a allumage commandé au cours d'un cycle de fonctionnement du circuit imitateur. Le circuit pilote comporte en général une horloge interne qui définit des espaces élémentaires de temps, la durée du cycle de fonctionnement du mutateur étant égale a un multiplie déterminé de ces espaces de temps, et un asservissement de tension permettant de déterminer, en fonction de la tension de sortie de de l'ondu- leur, le nombre et la position des espaces élémentaires de temps au cours d'un cycle de fonctionnement pendant lesquels chaque redresseur a allumage commandé doit rester allure. Le couplage en parallele d'onduleurs statiques n'est convenable que si on arrive a maintenir-leurs courants peu pres en phase. Pour obtenir ce résultat, on a jusqua. présent asservi entre eux les circuits pilotes de chaque onduleur faisant partie du couplage grâce a des organes communs d'équilibrage, ce qui en fait est revenu a constituer un unique onduleur monophasé avec un seul circuit pilote commandant plusieurs circuits mutateurs disposés en parallèle. La présence d'organes communs a tous les onduleurs du couplage est la source de divers inconvénients. Tout d'abord, elle diminue la fiabilité du couplage. Ensuite elle ne permet pas de réaliser facilement le couplage en parallèle d'un nouvel onduleur sur un ancien pour augmenter la puissance disponible de l'installation préexistante car la nature des organes communs d'équilibrage est fonction de la structure des circuits pilotes des onduleurs couplés. La présente invention a pour but la réalisation d'onduleurs statiques pouvant être connectés en parallèle sans nécessiter d'organes communs d'equili- brage et par conséquent d'éviter les inconvénients entraînés par la présence de ces derniers. Elle a pour objet un onduleur statique monophasé comportant un circuit mutateur muni de redresseurs à allumage commandé découpant des créneaux dans une tension électrique continue ou redressée d'alimentation et un circuit pilote comandant le fonctionnement des redresseurs à allumage commandé du circuit mutateur, et déterminant par la meme la durée du cycle de fonctionnement du circuit mutateur et, au cours de ce cycle, les durées relatives d'allumage des redresseurs à allumage commandé du circuit mutateur, ledit onduleur statique monophasé étant remarquable par le fait qu'il comporte, en outre, un asservissement de fréquence agissant sur le circuit piloté et rendant la durée du cycle de fonctionnement de son circuit mutateur fonction du déphasage de son courant de sortie par rapport à sa tension de sortie de manière à diminuer ladite durée si la phase de son courant de sortie tend à prendre du retard sur celle de sa tension de et, inversement, à augmenter ladite durée si la phase de son courant de/tend à prendre de l'avance sur celle de sa tension de sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après faite en regard du dessin qui comporte - une figure I représentant le schéma électrique d'un onduleur statique monophasé conventionnel, - une figure 2 représentant une forme classique de la tension de sortie d'un circuit mutateur, - une figure 3 illustrant schématiquement le couplage en parallèle de deux onduleurs statiques monophasés, - une figure 4 représentant la relation vectorielle existant entre les courants du couplage représenté à la figure 3, - et une figure 5 représentant le schéma électrique dtun onduleur statique muni d'asservissements selon l'invention. La figure I représente un onduleur statique monophasé alimentant une charge 6. Celui-ci comporte un circuit mutateur 2 muni de redresseurs à allumage commandé non représentés qui découpent des créneaux dans une tension électrique continue ou redtessée founie par une source d'alimentaiton 1, un circuit pilote 3 qui commande le fonctionnement des redresseurs à allumage commandé du circuit mutateur 2 et un filtre passe-bas comportant une inductance série 4 et une capacité paral lèle 5 transformant les créneaux en sinuoide. La figure 2 est une courbe représentant, en fonction du temps, une forme classique de la tension de sortie VAB d'un circuit mutateur, E étant le potentiel de la source d'alimentation 1. Cette tension électrique VAB peut avoir des formes assez diverses. Elle a une période égale à la durée du cycle de fonctionnement du circuit mutateur 2 et elle peut être considérée, par décomposition en série de Fourier, comme la somme, d'une part dune tension sinuoldale fondamentale e F ayant une période égale à la durée du cycle de fonctionnement du circuit mutateur et une amplitude fonction des durées relatives a d'allumage des redresseurs à allumage commandé au cours de ce cycle et, d'autre part, de tensions sinuoldales de fréquences harmoniques supérieures. Le filtre passe-bas a pour rôle d'éliminer les tensions sinuoïdales de fréquences harmoniques supérieures. Sa structure électrique est en général équivalente à celle représentée à la figure 1, c'est- -dire à une inductance série 4 suivie d'une capacité parallèle 5, le circuit oscillant formé par l'inductance 4 et la capacité 5 étant accordé sur la fréquence fondamentale. Un rapide calcul montre qu'un onduleur vu de la charge peut être considéré comme une source de courant alternatif dont l'amplitude, la phase et la fréquence dépendent de celles de la tension sinuoidale fondamentale #F émise par le mutateur. En effet, soient il le courant traversant la charge 6, I2 le courant traversant la capacité 5, Vs la tension aux bornes de la charge, L la valeur de l'inductance 4 et C la valeur de la capacité 5. On suppose que le filtre joue correctement son rôle, c'est-à-dire que le mutateur vu de la charge est équivalent à une source de tension e F. Il vient alors avec les sens de référence adoptés sur la figure 1 :: Vs = CF - jLù > (Il + I2) On en déduit Comme onduleur fonctionne à une fréquence voisine de celle d'accord du filtre, on a la relation D'où (1) C-F = JL #I1 Vu de la charge, un onduleur peut etre considéré comme une source de courant en retard de A par rapport à la tension sinuoïdale fondamentalee F émise par son circuit mutateur.Dans la plupart de ses applications, un onduleur est utilisé en source de tension. il comporte à cet effet un asservissement de tension bien connu de l'homme de l'art qui règle les durées relatives respectives d'allumage des redresseurs à allumage commandé au cours de chaque cycle de fonctionnement du circuit mutateur de façon à corriger l'amplitude de la tension sinuoidale fonda mentale #F pour rattraper toute variation de la tension de sortie. La figure 3 représente schématiquement le couplage en parallèle de deux onduleurs 10 et 20 pour l'aiimentation d'une charge 30. Elle montre les sens de référence des courants et tensions adoptés dans des calculs ultérieurs. La figure 4 illustre la relation vectorielle liant à tout instant les courants il et i2 de deux onduleurs 10 et 20 couplés en parallèle pour l'alimentation d'une charge 30 avec le courant I traversant ladite charge et la tension U aux bornes de cette dernière. Soient > 1 l'angle (il, U),#2 l'angle (it, U) et e l'angle 4, U). Les courants il, i2, I formant les côtés d'un triangle quelconque sont liés par la relation (2) il sin (# 1 - e) + i2 sin ( 2 - 0) = 0 L'angle de déphasage #1 - #2 existant entre les courants il et i2 des onduleurs 10 et 20 est égal, d'après la relation (1), à l'angle de déphasage existant entre les tensions fondamentales de sortie # F des circuits mutateurs des ondu- leurs. Il est indépendant du couplage. Les angles f1 et #2 sont déterminés par la connaissance de cet angle 1 - 2 car le système d'équation (#1 2 = a ( il sin (#1 - #) + i2 sin (#2 - e) = O nta-qutune solution.Il est possible en posant aégal à zéro d'obtenir le couplage le plus avantageux pour lequel les courants il et i2 des onduleurs 10 et 20 sont en phase. C'est ce que lton a fait jusqu'd présent dans les couplages en parallèle d'onduleurs en faisant fonctionner en phase leurs circuits imitateurs à l'aide d'un circuit pilote commun. Si les onduleurs 10 et 20 n'ont aucun organe commun au niveau de leurs circuits pilotes, ils fonctionnement à partir d'horloges distinctes et ont nécessairement des fréquences de fonctionnement f1 et f2 de leurs circuits mutateurs légèrement différentes entraînant une dérive de l'angle de déphasage #1 - #2 entre leurs courants il et i2. Cette dérive, lorsqu'elle se produit à partir du couplage optimal (y 1 -f2 s o) s'accompagne d'une diminution du courant T dans la charge et par conséquent de la tension U aux bornes de celle-ci.Si les onduleurs 10 et 20 sont munis d'asservissement de tension classique, ces derniers vont tendre à annihiler la diminution de la tension U aux bornes de la charge en augmentant l'amplitude des courants il et i2 sans pour autant corriger la dérive, de sorte que lton peut arriver très rapidement à des valeurs inadmissibles pour les courants il et i2. Pour éviter que le couplage en parallèle de deux onduleurs indépendants devienne instable, on munit l'un au moins des onduleurs d'un asservissement de fréquences agissant sur son circuit pilote et rendant la fréquence de fonctionnement de son circuit mutateur dépendante du déphasage existant entre son courant et sa tension de sortie de telle sorte que si la phase de son courant tend à prendre du retard par rapport à celle de sa tension de sortie, la fréquence de fonctionnement de son circuit mutateur augmente et inversement. On suppose tout d'abord, dans le couplage représenté à la figure 3, que les onduleurs 10 et 20 n'ont pas d'asservissement de tension et que seul l'onduleur 20 est muni d'un asservissement de fréquence, sa fréquence f2 et l'angle de déphasage 2 de son courant par rapport à sa tension vérifiant la relation (3) f2 = f02 + K2 /2 f02 et K2 étant des constantes positives. Pour que cet asservissement fasse tendre la fréquence f2 de l'onduleur 20 vers celle f1 de l'onduleur 10 et que l'angle de déphasage #1 - 2 entre les courants il et i2 se stabilise, il est necessaire et suffisant qu'il tende à faire augmenter la fréquence f2 si l'angle de déphasage #1 - #2 diminue en valeur algébrique, c'est-à-dire si le courant il tend à prendre de l'avance par rapport au courant i2 et à faire diminuer la fréquence f2 si l'angle de déphasage 1 - # 2 augmente. Les angles #1 - 2 sont liés par la relation (2) qui dans le cas où les angles #1 - e et #2 - e sont petits (seul cas intéressant pour le couplage en parallèle d'onduleurs) peut etre approchée par la relation il (#1 - e) + i2 (Y'2 - e) = o On en déduit En tenant compte de la valeur g2 prise dans la relation (3) la relation (4) devient :: il K2 (5) f2 = f02 + #K2 - il + i2 (#1 - #2) (#1 - #2 petit) Cette relation 5 montre que, si les variations du terme en #1 - # 2, varia- tions qui sont fonction de celles du rapport des courants il et i2 et de celles de 1 - 2, sont de mime sens que celle de #1 - f2 dans un certain domaine, l'asservissement défini par la relation f2 = f02 + K2 #2 fait effectivement tendre la fréquence f2 vers la fréquence fl et il y aura equilibre stable si la fréquence f2 atteint la valeur fl, l'angle -r Dans le cas présent, les onduleurs 10 et 20 étant démunis d'asservissement de tension se comportent comte des sources de courant de sorte que le rapport de leurs courants est constant. L'équilibre sera atteint lorsque la fréquence f2 sera égale à la fréquence fl. L'angle de déphasage 'fi #1 - #2 entre les courants des onduleurs aura alors la valeur Le couplage optimal pour lequel les courants il et i2 sont en phase aura lieu lorsque la relation suivante sera vérifiée f02 - fl + K2 e = O Le couplage que l'on vient dtetudier de deux onduleurs 10 et 20, dont un seul est muni d'un asservissement de fréquences, présente l'inconvenient d'avoir une position d'équilibre qui est fonction de l'angle de déphasage ede la charge. On suppose ensuite que chacun des onduleurs 10 et 20 est muni d'un asservissement de fréquence. Les fréquences fl, f2 et les angles de déphasage #1, #2 des onduleurs 10 et 20 vérifient alors le système de relations (f1 = f02 + R1 # 2 (6) ( (f2 = f02 + K2#2 f01, f02, K1 et K2 étant des constantes positives. Un calcul analogue à celui effectué dans le cas précédent montre que si les les angles /1 -e et#2 -e sont petits les relations (6) peuvent être approchées par On en déduit que si les variations des termes en ( F - 2) et respectivement en (#2 - yi), variations qui sont fonction de celles du rapport des courants il et i2 et de celles de l'angle de déphasage ( #1 - #2), sont de meme sens que celles de l'angle (#1 - /2) et respectivement de l'angle # 2 -#1) dans un certain domaine, les asservissements de fréquence définis par les relations 6 tendent effectivement à égaliser les fréquences fl et f2 et il y aura une position d'équilibre stable si les fréquences fl et f2 atteignent des valeurs égales, l'angle fi 2 restant dans ledit domaine. A ltéquilibre, les fréquences fl et f2 seront égales et l'angle Yi - #2 aura pour valeur La relation (9) montre que l'on a interet à prendre les coefficients K1 et K2 égaux pour que, à la position d'équilibre, le déphasage entre les courants il et i2 soit indépendant de l'angle de déphasage ede la charge.Cette relation (9) montre également que pour avoir à l'équilibre le couplage optimal correspondant à la mise en phase des courants il et i2, il faut vérifier la relation f02 - fO1 + 6(K2 - K1) = O il en résulte que l'on obtient un couplage particulièrement intéressant si on choisit des constantes K1 et K2 égales et des fréquences fO1 et f02 égales. Le couplage que lton vient de décrire de deux onduleurs démunis d'asser- vissement de tension présente l'inconvénient de ne pas avoir une tension de sortie indépendante de la valeur de la charge. On suppose alors, dans le couplage représenté à la figure 3, que l'un des onduleurs, par exemple 10, est muni d'un asservissement de tension classique tendant à maintenir sa tension de sortie U1 constante mais ne possède pas d'asser- vissement de fréquence et que l'autre, par exemple 20, est muni d'un asservis sement de fréquence mais ne possède pas d'asservissement de de tension, sa fréquence f2 et sa phase #2 vérifient la relation. f2 = f02 + K2 ou encore si les angles #1 -e et #2 -e sont petits Toute dérive de l'angle #1 - 2, lorsqu'elle se produit à partir du couplage optimal ( 91 - #2 = O) s'accompagne d'une diminution du courant I dans la charge et par conséquent de la tension U aux bornes de celle-ci. L'onduleur 10 étant muni d'un asservissement de tension, ce dernier va tendre, pour compenser cette diminution de la tension U, à augmenter l'amplitude du courant 11. Le terme en w;1 ç 2 va varier dans le même sens que 1 - t2) de sorte que l'augmentation du courant i2 renforce la correction de fréquence. Un tel couplage est intéressant car il illustre la possibilité de coupler un nouvel onduleur muni d'un asservissement de fréquence selon l'invention avec un ancien onduleur comportant un asservissement de tension. Il présente néanmoins l'inconvénient de faire supporter par un seul onduleur les variations de courant provoquées par les variations de la charge. Dans un autre cas on suppose tout dtabord que les onduleurs 10 et 20 du couplage représenté à la figure 3 sont munis chacun d'un asservissement de tension particulier agissant sur leur circuit pilote de manière à modifier les durées respectives d'allumage des redresseurs à allumage commandé de leur circuit mutateur au cours de chaque cycle de fonctionnement de ce dernier pour que l'am- plitude de leur courant de sortie soit une fonction inverse de leur tension de sortie.Les courants il, i2 et les tensions ul, u2 des onduleurs 10 et 20 vérifient, avec le courant I dans la charge et la tension U aux bornes de cette derniere, le système de relations suivantes (U1 = UOI -HI il (11) (U2 = U02 -H2 i2 (UOi, U02, H1 H2 étant des constantes positives. Les onduleurs 10 et 20 étant couplés en parallèle ont nécessairement des tensions de sortie U1, U2 égales entre elles et à la tension U aux bornes de la charge 30. Par conséquent les courants il et i2 vérifient à tout instant la relation : U01 - U02 = H1 il - H2 i2 9U encore : UO1 - U02 = Hi il - (12) 12 H2 i2 il en résulte que dans le cas où les valeurs des constantes U01 et U02 sont telles que le premier terme de la relation (12) est négligeable, le rapport des courants il, i2 reste constant.Les courants il et i2 ntintervenant que par son rapport dans les asservissements de fréquence précédemment décrit, les asservissements de tension vérifiant la relation (11) sont, dans ce dernier cas, compatibles avec les asservissements de fréquences. En conséquence le couplage des onduleurs 10 et 20 sera stable si on suppose en outre que l'un au moins d'entre eux est muni d'un asservissement de fréquence du genre de ceux que lton a décrit précedemment. On réalise un couplage en parallèle particulièrement intéressant lorsque les onduleurs 10 et 20 sont munis chacun d'un asservissement de tension du genre vérifiant la relation (11) et d'un asservissement de fréquence du genre de ceux que l'on vient de décrire en prenant les tensions UO et les coefficients K égaux, et les constantes fO1 et f02 peu différentes l'une de l'autre. Les courants il, i2, les tensions Ul, U2 et les déphasages /i, 2 des onduleurs 10 et 20 vérifieront, avec le courant I dans la charge et la tension U aux bornes de cette dernière, le système de relations suivantes (U1 = UO - Hi il (U2 - UO - H2 i2 (13) ( (fi s f01 + K#1 (f2 = f02 + K 2 On aura à l'équilibre un angle de déphasage #1 - 2 entre les courants il et i2 faible (14) 7 - #2 f02 - fO1 Le rapport des amplitudes des courants il et i2 sera constant et égal au rapport des constantes H2 et Hi. La fréquence d'équilibre sera, cocue on peut le déduire. en combinant les relations (10) et (14) Dans les exemples de couplage décrits, on s'est volontairement limité à deux onduleurs mais il est bien évident que l'on pourrait en mettre davantage en parallèle. La figure 5 est le schéma électrique d'un onduleur statique monophasé 40 muni d'un asservissement de fréquence et d'un asservissement de tension selon l'invention. Dans cette figure 5, on a représenté le mutateur et le filtre par un seul circuit 41 et le circuit pilote par 42. Pour la commodité l'horloge interne du circuit pilote a été représentée par un circuit indépendant 43. Cette horloge interne n'est autre qu'un standard de fréquence qui définit des espaces élémentaires de temps à partir desquels le circuit pilote élabore le cycle de fonctionnement du mutateur. Sa fréquence f' est réglable grâce à une tension v appliquée à son entrée 50.Elle vérifie une relation de la forme f' = fO' + Af' avec Af' = av a constante La tension v est fournie par un convertisseur phase tension 44 qui reçoit comme signaux d'entrée la tension u et le courant i de sortie de l'onduleur issu d'un transformateur de courant 47. Elle est proportionnelle au déphasage rî existant entre le courant i et la tension u v = b t1 b constante la fréquence de l'horloge 43 vérifie la relation f' = fO' + ab Celle de ltonduleur qui lui est directement proportionnelle vérifie une relation analogue de sorte que l'asservissement de fréquence est réalisé. Le circuit pilote 42 définit à l'intérieur de chaque cycle du mutateur les durées relatives d'allumage des redresseurs à allumage commandé, durées dont dépend l'amplitude de la tension sinuo;dale fondamentale e F de sortie du mutateur et par conséquent celle de la tension de Sortie u de l'onduleur. Les circuits permettant à l'intérieur de chaque cycle de fonctionnement du mutateur le réglage des durées relatives d'allumage des redresseurs à allumage commandé sont bien connus de lthomme de l'art. Ils fonctionnent en général à partir d'une tension d'erreurs issue de la comparaison entre la tension u de sortie de onduleur et une tension de référence u'. Dans le circuit représenté à la figure 5, la tension est issue d'un comparateur 45 qui compare la tension de sortie u de l'onduleur avec une tension u' issue d'un sonmateur 46 recevant en entrée une tension de référence u. et une tension hi proportionnelle au courant de sortie i de l'onduleur. vissement de tension réalisé à l aide du comparateur 45 et du sommateur 46 tend à faire vérifier la relation : u = u. - hi Les onduleurs statiques munis des asservissements de tension et de fréquence que l'on vient de décrire se prêtent particulièrement aux couplages en parallèle pour l'alimentation d'une même charge car ils ne nécessitent alors aucun organe commun d'équilibrage. REVENDICATIONS 1/ Onduleur statique monophasé comportant un circuit mutateur muni de redresseurs à allumage commandé découpant des créneaux dans une tension électrique continue ou redressée d'alimentation et un circuit pilote commandant le fonctionnement des redresseurs à allumage commandé du circuit mutateur, et déterminant par la meme la durée d'un cycle de fonctionnement du circuit mutateur et, au cours de ce cycle, les durées relatives d'allumage des redresseurs à allumage commandé, ledit onduleur statique étant caractérisé par le fait qu'il comporte un asservissement de fréquence agissant sur le circuit pilote et rendant la durée du cycle de fonctionnement de son circuit mutateur fonction du déphasage de son courant de sortie par rapport à sa tension de sortie de maniere à diminuer ladite durée si la phase de son courant de sortie tend à prendre du retard sur celle de sa tension de sortie et inversement à augmenter ladite durée si la phase de son courant de sortie tend à prendre de l'avance sur celle de sa tension de sortie. 2/ Onduleur statique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit asservissement de fréquence tend à faire vérifier la relation suivante f = fO + K f f étant la fréquence du signal de sortie de ltonduleur ', l'angle de déphasage du courant de sortie de l'onduleur par rapport à la tension de sortie de ce dernier, f0 et K des -constantes positives. 3/ Onduleur statique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un asservissement de tension agissant sur le circuit pilote de manière à modifier les durées respectives d'allumage des redresseurs à allumage commandé du circuit mutateur pour que l'amplitude de son courant de sortie soit une fonction inverse de celle de sa tension de sortie. 4/ Onduleur statique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit asservissement de tension tend à faire vérifier la relation suivante u = U. - hi u étant la tension de sortie de ltonduleur, i i son courant de sortie, U. et h des constantes positives. 5/ Onduleur, selon la revendication 2, couplés en parallèles, caractérisés par le fait que leurs asservissements de fréquence tendent à faire vérifier par les caractéristiques fréquence f et phase tue chaque onduleur des relations de la forme f = fO + R f dans lesquelles le coefficient K est le même pour tous les onduleurs. 6/ Onduleurs selon la revendication 2 et-la revendication 4, couplés en paral lèles, caractérisés, d'une part par le fait que leurs asservissements de fréquence tendent à faire vérifier par les caractéristiques fréquence F et phase fade chaque onduleur des relations de la forme : c f = f0 + K # dans lesquelles le coefficient K est le meme pour tous les onduleurs et, d'autre part, par le fait que leurs asservissements de tension tendent à faire vérifier par les caractéristiques courant de sortie i et tension u de chaque onduleur des relations de la forme u = U. - hi dans lesquelles les coefficients U. sont les mêmes pour tous les onduleurs.