Brevet FR2335090A1 — publié le 19770708

La présente invention se rapporte aux onduleurs, c'est-à-dire des dispositifs destinés à produire un courant alternatif à partir dlune source de courant continu. Pendant de nombreuses années les onduleurs étaient généralement constitués par des générateurs de signaux carrés suivis d'un filtre LC (self-capa cité). Dans le cas d'onduleurs de grande puissance, on a utilisé jusqu'à maintenant des filtres volumineux et lourds. Souvent le poids du filtre représentait la moitié du poids total de l'onduleur. La présente invention a pour but de réaliser un onduleur perfectionné dans lequel on évite l'utilisation de filtres LC encombrants et lourds. A cet effet, il est prévu un onduleur fournissant un signal de sortie à n phases, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour former un signal polyphasé présentant 9 phases, symétriques, des moyens pour appliquer ce signal polyphasé à un transformateur statique convertissant de 9 phases à n phases et des moyens pour engendrer un signal de sortie à n phases à partir du transformateur. Des transformateurs statiques de conversion de phases sont décrits par J.E. Parton dans la revue I.E.E. No 13, publié le 15 novembre 1951 (Annales du Institute of Electrical Engineers britannique, Vol. 99, Partie N, 1952, pages 12 à 23). La présente invention utilise la suppression harmonique constituant notamment une caractéristique inhérente à ces transformateurs statiques de phases, pour produire un contenu en harmoniques de rangs inférieurs satisfaisant dans un onduleur, tout en évitant les filtres LC lourds et volumineux utilisés habituellement jusqu'à maintenant. Le nombre g ne devrait pas entre égal au nombre n et g est normalement supérieur à n. Dans le cas oh on désire un signal de sortie triphasé n = 3) les moyens pour former le signal polyphasé sont tels que ce signal présente cinq phases symétriques (g = 5). En général, g et n sont des nombres impairs, mais ceci n'est pas indispensable. De préférence le transformateur statique convertisseur de phases comprend un nombre de bras égal au nombre de phases formées par les moyens pour former le signal polyphasé et un nombre d'enroulements secondaires entourant chacun des bras qui est égal au nombre n de phases requises pour le signal de sortie. On a développé récemment des onduleurs qui comprennent des circuits logiques faisant usage de signaux à plusieurs impulsions pour former un signal polyphasé déterminé et selon une caractéristique préférée de la présente in- vention, les moyens pour former le signal polyphasé comprennent des moyens logiques agencés pour utiliser un signal à plusieurs impulsions pour la formation du signal polyphasé, ce signal à plusieurs impulsions étant commandé et en largeur et en espacement des impulsions. Lesdits moyens logiques peuvent être soit numériques soit analogiques. En commandant à la fois la largeur et l'espacement des impulsions, on a constaté que certains harmoniques peuvent être sensiblement réduits dans le signal polyphasé avant d 'être appliqué au transformateur convertisseur de phase. Selon une forme d'exécution particulière de l'onduleur selon l'invention, le signal utilisé par les moyens logiques comprend un signal de quatorze gradins ce qui correspond à un signal de trois impulsions par demi-cycle combiné avec une onde carrée de demi-amplitude. L'effet combiné des moyens de formation de signal polyphasé équipé de moyens logiques, et d'un transformateur statique convertissant de 9 phases à n phases comme décrit ci-dessus est de produire un onduleur particulièrement compact renfermant obligatoirement peu d'harmoniques de rang inférieur dans son signal de sortie. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple la figure 1 est le schéma d'un onduleur triphasé selon la présente invention; les figures 2 et 3 illustrent la synthèse de deux des phases du signal de sortie de l'onduleur illustré à la figure 1; la figure 4 est un diagramme de phase explicatif; les figures 5 et 6 sont des courbes explicatives; la figure 7 est un schéma explicatif; la figure 8 est le schéma-bloc d'un onduleur numérique selon la présente invention; et la figure 9 est le schéma-bloc d'un onduleur analogique selon la présente invention. J. E. Parton a montré que dans un transformateur statique convertisseur de phases comme décrit dans la bibliographie mentionnée plus haut, on obtient une transformation équilibrée lorsque le rapport des nombres de spires constitue une matrice de valeurs correspondant aux cosinus des déphasages considérés. Il résulte de la symétrie, que dans un système triphasé les 3ème, 6ème et 9ème harmoniques sont déphasés de la meme façon relativement aux trois phases d'entrée, c'est-à-dire qu'ils présentent une séquence de phases égale à zéro. I1 en résulte que tout branchement qui supprime les composantes des séquences de phases zéro, tels que les branchements en triangle ou en étoile éliminent les 3ème harmoniques. L'élimination dans le cas plus général, s'applique lorsque les vecteurs de phases des harmoniques concernés constituent un polygone fermé. Dans le cas particulier d'un système triphasé, la surface du polygone est égale à zéro. On peut montrer que dans un système à K phases, le polygone sera toujours fermé excepté pour les harmoniques dont le numéro est donné par 2KS + 1 où S est un nombre entier ou zéro. Si le transformateur comprend K bras, chacun entouré du meme nombre de spires et relié à une sortie équilibrée à K phases, on peut obtenir un système en phase en prévoyant des nombres de spires dans la proportion donnée par la matrice suivante Le terme de la ligne n et de -la colonne p est donné par La tension primaire appliquée sur la colonne g est donnée par V sin m (wt + (q - 1) 2p où m représente l'harmonique. K Ainsi la tension secondaire est donnée par sur n importe lequel des enroulements. La somme des tensions pour la phase p est par conséquent q=K q = 1 q=K q = 1 q=K q = 1 q=K q = 1 q = K q=l q =K q=l q = K q=l q = K q=l q=K q = 1 q=K q = 1 q = K q = 1 q=K q = 1 q = K q = 1 q = K q = 1 q=K q = 1 q=K maintenant représente la somme des prajeetions q = 1 des côtés d'un polygone fermé et est égal à zéro, à moins que m + 1 soit égal à an multiple de K lorsque la -somme est simplement égale à K. q = K La même chose s'applique à # cos (q - 1) (m - I) 2# toutefois dans ce cas la q = 1 K somme est égale à zéro à moins que m = 1. De même les termes en sinus totalisent également zéro, mais ici sans exceptions par le choix de m = I ou K - 1. La valeur de la sortie est ainsi égale à zéro à moins que m = 1 ou K - 1, an pour être plus précis 2SK + 1 où S est un nombre entier ou zéro On a ainsi : V K sin (m wt + (p - 1) 2#) 2 n La sortie est ainsi constituée par un ensembIe équilibré de n phases renfermarrt uniquement la fondamentale et les harmoniques voisins à des multiples entiers de deux fois le nombre de phases Dans le cas d'un système à cinq phases, la sortie est constituée par r la fondamentale, une séquence positive des 11ème, 21ème, 31ème... harmoniques et une séquence négative des 9ème, 19ème, 29ème .. harmo- niques. La fermeture du polygone dépend de l' apparition dans l'ordre normal ou entrelacé, de la séquence de phases zéro. Les séquences des harmoniques relativement à l'entrée du transformateur sont Fondamentale, 11ème etc. 1 2 3 4 5 3ème, 13ème ... etc t 4 2 s 3 5ème, 15ème .... etc. 1 1 1 1 1 7ème, 17ème... etc. I 3 5 2 4 9ème, 19ème.... etc, i 5 4 3 2 éliminées Si un signal d'entrée constitué par un système polyphasé symétrique est appliqué à un transformateur de conversion de phases, les harmoniques intermédiaires doivent être supprimés. Ceci est valable indépendamment du spectre d'harmoniques du signal d'entrée pour autant que la symétrie soit maintenue.Même dans le cas le plus défavorabLe constitué par un signal de sortie rectangulaire, les premiers harmoniques pouvant être rencontrés dans Ie signal de sortie sont les 9ème et llèmef dont l'amplitude théorique repré sente 11,1 % et 9, I O de la fondamentale respectivement. C'est cette caractéristique qui est utilise dans la présente invention. L'onduleur représenté à la figure I comprend un convertisseur 1 qui produit un signal de sortie à cinq phases non lissé à part l'élimination naturelle des harmoniques si le convertisseur 1 est tel que décrit plus loin en regard des figures 5 à 9. Les cinq phases produites par le convertisseur 1 sont symétriques. Afin d'établir la symétrie des phases, le convertisseur 1 comprend cinq étages de puissance identiques commandés par un compteur du type Johnson, synchronisé à cinq fois la fréquence du signal de sortie. Deux des sorties sont inversées pour produire la symétrie de phases requise. L'onduleur comprend en outre un transformateur statique de phases 2 comportant autant de bras qu'il y a de phases à la sortie du convertisseur 1, c'est-à-dire cinq, ces bras étant représentés en 3,4,5,6 et 7 respectivement. Chaque bras coopère-avec un enroulement primaire 8, 9 IO, 11 et 12 respectivement. Chacune des phases du convertisseur 1 est reliée à l'un des enrou liements primaires 8 à 12, Les trois phases de sortie présentes aux bornes 13,14 et 15 respectivement sont formées par trois enroulements secondaires allant de I'une des bornes de sortie 13,14 ou 15 à une ligne commune 16. Comme on le voit, chaque enroulement secondaire comprend des spires entourant chacun des bras 3, 4, 5, 6 et 7. Le nombre de spires est donné dans le tableau suivant où S indique le départ et F la fin: Bras 3 Bras 4 Bras 5 Bras 6 Bras 7 Primaire S 100 F S 100 F S 100 F S 100 F S 100 F Secondaire relié à la S 200 F S 62 F F 162 S F 162 S S 62 F borne de sortie 13 Secondaire relié à la F 100 S F 196 S F 20 S S 192 F S 134 F borne de sortie 15 Secondaire relié à la F 100 S F 134 F S 182 F F 20 S F 196 S borne de sortie 14 La synthèse de la phase présente aux bornes de sorties 12 et 13 est représentée aux figures 2 et 3 respectivement. Dans ces deux figures, a re présente la tension à la borne de sortie en question et b, c, c, d, e et f repré- sentent respectivement les contributions des enroulements sur les bras 3,4 5, 6 et 7 respectivement. Dans cet arrangement les pourcentagea d'harmoniques (jusqu'au 21ème) se présentant aux sorties sont donnés par le tableau suivant: Phase A - symétrique Phase B - asymétrique No d'harmonique A B No d'harmonique A B Fondamentale 100 100 8ème 0.5 0.4 2ème 0.4 0.2 9ème 3ème 1.3 2.1 10ème 4ème 0.3 0.1 11ème 5ème 1.0 1.9 12ème 6ème 0.3 0.2 13ème 0.3 0.1 7ème 0.9 0.6 14ème 0. 25 0.2 No d'harmonique A B No d'harmonique A B 15ème 0.2 0.3 19ème 6.5 5.25 16ème 0.1 0.2 20ème 0.55 0.5 17ème 0.1 0.1 Zlème 5.3 4.5 18ème 0.45 0.35 On voit que seuls les 9ème, llème, 19ème et 21ème harmoniques présentent une intensité importante.Quelques autres harmoniques sont semble-t-il dus à une légère asymétrie dans les phases appliquées au transformateur ou au magnétisme résiduel de son noyau et à l'arrondissement du nombre de spires à des nombres entiers. Si les deux phases des bornes de sortie 12 et 13 sont affichées sur un oscilloscope, on peut observer que bien que constituant de bonnes approxima- tions d'ondes sinusoidles, elles ne sont pas identiques La raison en est que les harmoniques principaux, soit le 9ème et le 11ème, ont des séquences de phases négatives et positives respectivement et ne sont par conséquent pas dans la même relation de phases avec la fondamentale, dans les trois sorties. Les sorties des trois phases du nème harmonique sont: 5 sin n wt, 5 sin (n wt +1,200), 5 sin (n wt - 1200) 2n 2n 2n et non 5 sin n (wt + 120 ), 5 sinn(wt-1200) 2n 2n La tension du point neutre du primaire relativement au point médian des lignes d'alimentation a la forme d'un signal carré pour la 5ème harmonique dont l'amplitude est égale à un cinquième de la tension d'alimentation des Iignes. Ce point peut être ramené au point médian des lignes d'alimen- tation sans changer le signal de sortie. Le branchement de départ du- côté des cinq phases forme, sur un enroulement séparé, un signal en créneaux. Pour réduire les pertes par courants de Foucault il semble préférable d'utiliser un signal présentant moins de discontinuités, et qui peut être obtenu en branchant ensemble des phases aussi éloignées que possible.Ceci donne Iieu à un branchement en "pentacle' où les enroulements constituent une boucle fermée avec les séquences sui vantes Arrivée 1 jusqu'au départ 3 Arrivée 3 jusqu'au départ 5 Arrivée 5 jusqu'au départ 2 Arrivée 2 jusqu'au départ 4 Arrivée 4 jusqu'au départ 1 Si I'on enroule les spires selon la même matrice de rapports des nombres de spires, sur un transformateur à trois bras et que trois enrou lements séparés de mêmes nombres de spires sont branchés en sortie tri phasée, on obtient un système convertissant de trois à cinq phases.Son fonctionnement et la suppression des harmoniques peuvent être démontrés de la même façon que pour le transformateur à cinq bras de la figure i Si le branchement est inversé, la puissance est transformée dans la direction inverse. Le signal vu entre les phases est semblable à celui produit par le transformateur à cinq bras, mais le système forme maintenant un court-cir cuit pour les harmoniques an lieu de constituer un circuit ouvert. Cette forme dtexécution peut être utilisée dans un système alimenté par une source à courant constant telle qu'un circuit à courant continu à haute tension.Comme il n'y a que des enroulements simples du côté des trois phases, il n'y a pas suppression des composantes de la séquence de phases zéro dans la ligne à tension neutre Un enroulement équilibré de deux spIres autour du bras central et d'une spire en sens inverse autour des bras latéraux permet de supprimer les composantes de la séquence de phases zéro. Ainsi, si l'on désire un point neutre on doit utiliser un enroulement de sortie équilibré. La figure 4 illustre un diagramme de vecteurs de phases montrant comment la sortie résultante est formée à partir des cinq enroulements se condaires Le rapport entre la tension de sortie par spire relativement à celle du bras en phase est donné par et pour un enroulement de trois bras par: Lorsque le nombre d'enroulements augmente, le rapport tend vers # La forme des courants dans les enroulements, aussi bien primaires que secondaires, se rapproche d'une sinusoïde et devient sinusoïdale lors qu'ils sont légèrement filtrés. Des formes d'exécution préférées de l'onduleur selon l'invention se ront maintenant décrites en regard des figures 5 à 9. La figure 5 montre en (a) un signal à six impulsions (trois impulsions par demi-cycle ) qui peut etre utilisé pour engendrer une tension alternative monophasée à l'aide d'un onduleur à circuit logique. On commande aussi bien la largeur que l'espacement des trois impulsions. Dans ce cas particulier, l'ensemble des courbes représentées à la figure 5 illustre la variation des angles #1, #2 et #3 (od #4 représente la moitié de la largeur de l'une des impulsions extéreiruces, #2 la distance entre le centre de l'impulsion médiane et le centre de l'une ou l'autre des impulsions extérieures et #1 la moitié de la largeur de l'impulsion centrale) pour différentes valeurs de ####. En utilisant ce signal numérique, le signal de sortie alternatif est sensiblement débarrassé des 3ème et 5ème harmoniques. Pour les onduleurs polyphasés auxquels I'invention se rapporte, on utilise un signal constitué par l'équivalent des trois impulsions par demi-cycle illustré en (a) à la figure 5, combiné avec un signal carré d'amplitude moitié. Ceci donne lieu à la formation d'un signal à quatorze gradins comme représenté en (b) à la figure 6. Ici aussi l'ensemble des courbes illustrées à la figure 6 montre la variation des angles G1, #2 et et #3 représentés en (b) en fonction de ####. En utilisant ce signal, le signal alternatif polyphasé formé sera sensiblement débarrassé des 3ème et 5ème harmoniques. La figure 7 illustre la tension de sortie de chaque phase supposée être une phase de tension relativement à un point neutre SP d'un réseau et dont un potentiel continu représente la moyenne. des potentiels continus des lignes d'alimentation R1 et RZ. Ce point neutre SP peut être considéré comme masse pour le courant alternatif et lorsque les thyristors SC sont commutés, la sortie du demi-pont est branchée alternativement aux des lignes d'alimentation R1 et R2. Le modèle de commutation illustré en (b)f à la figure 6 est, comme mentionné plus haut, l'équivalent du modèle de commutation ilIustré en (a) à la figure 3 superposé sur une onde carrée de demi-amplitude et de fréquence appropriée.Le signal monophasé représenté en (a) à la figure 5 donne les coefficients de la série de Fourier suivants: bn = (- 1) n 2 bn = 4Vdc (sin n#1 = 2 cos n#2 sin n#3) où n est un nombre impair. La présence de trois variables permet de choisir par exemple b1 = 0,5 b3 = 0 et b5 = 0 afin d'obrenir des #1, #2 et #3 pour une condition de sortie déterminée, des solutions pouvant être obtenues dans une gamme étande des valeurs de b1 .Le signal à quatorze gradins donne bn = #### (# - (-1) ### (sin n#1 + 2 cos n#2 sin n#3)) en conservant les trois variables et toutes les propriétés des autres signaux. De plus il existe des solutions pour les valeurs aussi bien Positives que négatives de b1 La figure 8 illustre un onduleur à cinq phases. Une horloge centrale 1 fournit des signaux de synchronisation à une chaîne de division 2 fournissant cinq sorties synchronisées 3,4,5,6 et 7.Chacune de ces sorties synchroni sées 3 à 7 est branchée de manière à commander des compteurs 8. 9,10,11 et t2 pouvant être chargés initialement Chacun des compteurs a à 12 détermine ua paramètre d'entrée à partir d'une section différente d'un dispositif à mémoire morte 14. Chaque paramètre eoncerne le déphasage entre les changements des signaux requis. Chacun des compteurs 8 à 12 est branché de manière à fournir un signal d'entrée à un compteur de pas 15, 16, 17, 18 et 19 respectivement.Chaque compteur de pas 15 à 19 lorsqu'il a compté un nombre correspondant au changement voulu du signal requis donne l'ordre à un circuit de commande de pas 20, 21 22, 23 et 24 respectivement de passer de l'état logique "un à l'état "zéro" ou vice versa. En même temps un signal est renvoyé en arrière par les conducteurs 25, 26, 27, 28 ou 29 pour commander le chargement dans le compteur du nombre représentant l'intervalle d'an gle suivant, ceci depuis la section correspondante du dispositif à mémoire morte 14. La figure 9 montre deux signaux d'entrée correspondant à Vmax et Vdc qui sont appliqués à un générateur de fonction 30 qui à son tour applique la fonction #### à trois autres générateurs de fonctions 31, 32 et 33. Le générateur de fonction 31 forme la fonction (s2 + #3) Le générateur de fonction 32 forme la fonction (#2 ~ 63) et le générateur de fonction 33 forme la fonction (#1) Les sorties des générateurs de fonction 31 à 33 sont appliquées, chacu ne à un comparateur 34,35 ou 36. Les comparateur; 34,35 et 36 émettent chacun un signal à partir d'un signal d'entrée fourni par un générateur de signal triangulaire 37, dont le signal de sortie est représenté en (c). Les comparateurs 34,35 et 36 fournissent les signaux de sortie repré sentés en (d), (e) et (f) respectivement. Les signaux (d), (e) et (f) sont ensuite combinés de manière à produire le signal de commande représenté en (a) à la figure 5. REVENDICATIONS I. Onduleur fournissant un signal de sortie à n phases, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour formerun signal polyphasé présentant g phases symétriques, des moyens pour appliquer ce signal polyphasé à un transformateur statique convertissant de g phases à n phases et des moyens pour engendere un signal de sortie à n phases à partir du transformateur. 2. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que g est plus grand que n 3. Onduleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que g et n sont des nombres imnairs. 4. Onduleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de sortie est triphasé (n = 3) et en ce que les moyens pour former le signal polyphasé sont tels que ce signal présente cinq phases sy métriques (g = 5). 5. Onduleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transformateur statique convertisseur de phases comprend un nom bre de bras égal au nombre de phases formées par les moyens pour former Ie signal polyphasé et un nombre d'enroulements secondaires entourant chacun des bras qui est égal au nombre n de phases requisses pour le signal de sortie 6.Onduleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour former le signal polyphasé comprennent des moyens logiques agencés pour utiliser un signal à plusieurs impulsions pour la formation du signal polyphasé, ce signal à plusieurs impulsions étant commandé et en largeur et en espacement des impulsions. 7. Onduleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens logiques sont numériques. 8. Onduleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens logiques sont analogiques. 9. Onduleur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le signal. utilisé comprend un signal de quatorze gradins équivalent à un signal de trois impulsions par demi-cycle combiné avec une onde carrée de demi-amplitude.