Brevet FR2375752A1 — publié le 19780721

La présente invention concerne un convertisseur de courant réversible, alternatif/continu et --contînu/alternatif. De-tels convertisseurs de courant réversibles, alternatif/con- tinu et continu/alternatif, -sont largement répandus et utilisés, par exemple, sur les véhicules de chemin de fer.En général, dans un tel convertisseur, on commande la conversion en contrôlant la phase d'amorçage d'un thyristor. Dans un convertisseur ainsi commandé, une distorsion apparat dans le courant alternatif, notam- ment lors d'un freinage rhéostatique, de sorte que le courant alternatif vient à comporter des harmoniques haute fréquence Ces harmoniques haute fréquence ou supérieurs du courant alternatif donnent lieu à des difficultés diverses.A titre d'exemple de difficultés graves, on peut citer, entre autres, l'induction de tension parasites dans des lignes téléphoniques. Un convertisseur apte à réduire la distorsion du courant alternatif a déjà été décrit, par exemple dans Ia publication de brevet DT 26 17 694. Le convertisseur représenté sur la figure l de ce brevet comporte deux. thyristors et deux diodes, ou quatre thyristors montés en pont, et deux bobines dtarret sont montées en série chacune entre deux des thyristors.Les bobines d'arrêt pré- sentent toutes deux des couplages magnétiques de même sens, Grâce à l'action des bobines d'arrêt, l'inductance du circuit decom- mutation est plus faible pendant les périodes où le signal de sortie du convertisseur de courant est sensiblement maximum ou minimum que pendant les autres périodes, ce qui réduite fait les harmoniques supérieurs du- courant alternatif d'entrée lors de la commutation des thyristors, sans réduire le rendement du convertisseur. Toutefois, dans un tel convertisseur, notamment du type à pont de thyristors composé quatre thyristors, un angle-d'avance contrôlé minimum t min est nécessaire pour que la-commutation soit opérée de manière fiable. Quand l'angle d'avance contrôlé vient à coïncider avec l'angle d'avance contrôlé minimum > minw la distorsion du courant Alternatif devient importante. En effet, lors delta commutation, le courant traversant l'une des bobines d'arrêt diminue tandis que celui traversant l'autre bobine d'ar- ret augmente.Par conséquent, les forces magnétomotrices des deux bobines d'arrêt magnétiquement couplées dans le même sens ne varient pas beaucoup et les inductances des bobines deviennent très faibles. En conséquence, les bobines d'arrêt cessent de filtrer les composantes haute fréquence du courant. La présente invention a pour buts de proposer - un convertisseur de courant apte à réduire les composantes haute fréquence apparaissant dans un courant alternatif lors de la conversion continu/alternatif, c'est-à-dire lors d'un freinage rhéostatique; - un tel convertisseur qui soit exempt de l'inconvénient susexposé. A ces fins, l'invention vise un convertisseur de courant réversible, alternatif/continu et continuialternatif, comprenant un montage en pont de thyristors comptant au moins quatre thyristors, couplés en pont, les quatre thyristors étant divisés en au moins deux groupes de branches dont les angles d'amorçage sont contrôlés; un premier moyen de coranapide commandant un groupe de branches du montage en pont de thyristors avec un angle d'avance contrôlé minimum; et un second moyen de commande commandant l'autre groupe de branches avec un angle d'avance contrôlé de gran deur-supérieure à celle de l'angle d'avance contrôlé minimum prévu avec une telle structure. On va maintenant décrire en détail certaines réalisations préférées de 11 invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels La figure 1 représente un véhicule de chemin de fer électrique comportant un convertisseur de courant selon l'invention. La figure 2 est un schéma symbolique d'une section de commande pour la commande d'un convertisseur tel que représenté sur la figure 1. La figure 3 représente des formes d'onde de la tension et de l'intensité du courant alternatif présent du cté primaire du convertisseur, pour permettre de comprendre le fonctionnement du convertisseur représenté sur les figures 1 et 2. La figure 4 illustre une variante du convertisseur représenté sur la figure 1. La figure 5 représente des formes d'onde de la tension et de l'intensité du courant alternatif présent du coté primaire du convertisseur représenté sur la figure 4. La figure 6 indique les résultats de mesure de l'intenSité des harmoniques supérieurs du courant alternatif présent a cOté primaire du convertisseur représenté sur la figure 4. Les figures 7, 8 et 9 illustrent. schématiquement d'autres variantes du convertisseur représenté-sur la figure 1. La figure 10 illustre un mode de commande- convenant au cas où le convertisseur représenté- sur la figure 7 est gouverné par la section de commande indiquée sur la figure 2. La figure ll indique les résultats de mesure de- l'intensité des harmoniques supérieurs du courant alternatif appliqué du c- té primaire en cas de commande par le procédé illustré par la figure 10. La figure 12 illustre une variante de la section de commande représentée sur la figure 2. La figure 13 illustre un procédé de commande convenant au cas où le convertisseur représenté -sur la figure 9 est gouverné par la section de commande qu'on voit sur la figure 12; et La figure 14 indique les résu-ltats de mesure de l'intensité des harmoniques supérieurs du courant alternatif appliqué du côté primaire en cas de commande par le procédé illustré par la figure 13. Sur la figure 1, on voit un véhicule de chemin de fer électrique comportant un convertisseur de courant selon l'invention. Du courant alternatif, provenant d'une source telle que sous-station 20, est appliqué au véhicule à travers une ligne aérienne 30 et un rail 40. Le véhicule reçoit le courant alternatif par l'inter- médiaire d'un pantographe 50 et d'une roue 60. Le courant alternatif est converti en le courant continu voulu par un trans for- mateur 70 et un convertisseur de courant 100. il assure ltentraî- nement d'un moteur à courant continu 80. Il est prévu en 75 une self de filtrage destinée à réduire la pulsation apparaissant dans le courant continu du- fait de la composante puisée de la tension convertie. L'inducteur 85 du moteur à courant continu 80 est excité par une source d'alimentation séparée 90. La polarité de l'inducteur 85 est inversée lors du freinage rhéôstatique. Le convertisseur 100 comporte quatre thyristors 101, 102, 103 et 104, reliés en un montage en pont dont chaque thyristor constitue une branche. Des points de jonction a et b du montage de thyristors en pont sont reliés à deux bornes. d'entrée du moteur 80, avec interposition de la self 75 entre le point de jonction a et ce moteur, et des points de jonction c et d sont reliés aux deux bornes du secondaire 21 du transformateur 70. Dans un tel montage en pont, les thyristors 101 et 104 débitent pendant l'alternance positive et les thyristors 102 et 103 pendant l'alternance négative de la tension alternative. La figure 2 représente une section de commande du convertisseur. Cette section de commande détermine les angles d'amorçage des quatre thyristors 101-104 du convertisseur 100. Comme repré senté, un générateur de signal de synchronisation 200 engendre un signal de synchronisation SS synchrone avec la tension de primaire du transformateur 70 précité et l'applique à un premier générateur de signal fixe 210 et à un déphaseur 220. D'après le signal de synchronisation SS émis par le générateur 200, le premier générateur de signal fixe 210 engendre un signal limite Ssslim qui a la valeur limite minimale lim de l'angle d'avance contr81é. Le signal limite Ssslim est appliqué à un second générateur de signal fixe 230 et au déphaseur 220.Lorsqu'il a reçu le signal limite S lim, le second générateur de signal fixe 230 engendre, d'après ce signal, un signal présentant un retard de phase préfixé qui constitue un signal de commande de porte GP13 min présentant l'angle d'avance contrôlé minimum ssmin. Le signal de commande de porte GP min s'applique, à travers un circuit de porte non représenté, à un premier groupe de branches de pont P1 constitué- par les thyristors 101 et 102. Le déphaseur 220 reçoit le signal de synchronisation SS, le signal limite Ssslim et un autre signal de commande phase PC, et engendre un signal de commande de porte GPP présentant un angle d'avance contrôlé ss.Ce signal GPp s'applique, à travers un circuit de porte non représenté, à un second groupe de branches de pont P2 constitué par les thyristors 103 et 104. En général, l'angle d'avance contrôlé minimum gamin est nécessaire pour opérer de manière fiable la commutation d'un thyristor. Il est bien connu que cet angle d'avance contrôlé minimum t min est déterminé-par la caractéristique de coupure du thyristor. L'angle d'avance contrôlé minimum min selon l'invention diffère de l'angle d'avance contrôlé minimum min L'angle d'avance contrôlé minimum psin est fixé dans un intervalle représente par l'expression suivante 1800 > 13 9 sslim > 13min ; t min (1) En vue d'exposer le fonctionnement du convertisseur décrit ci-dessus, on va maintenant considérer la tension V et l'intensité i du courant alternatif de ligne aérienne en se référant à la figure 3.Cette figure représente les formes d'onde de la tension V et de l'intensité i du courant de ligne aérienne au cas où l'angle d'avance minimum ssmin est de 600 et où l'angle d'avance contrôlé ss est de 90 . La valeur-limite basse sslim de l'angle d'avance contrôlé est fixée à 720.Pendant la première alternance positive de la tension V du courant de ligne aérienne, l'intensité i de ce courant s'élève de-I à zéro sur l'angle d'avance contrôlé ss = 90 , puis de zéro à I sur l'angle avance contrôlé minimum Nmin. Au cours de- l'alternance négative suivant de la tension de ligne, l'intensité i tombe de I à zéro sur l'angle d'avance contrôlé B, puis de zéro à -I sur l'angle d'avance contrôlé minimum 13min La figure 3 indique aussi en trait plus mince la variation subie par l'intensité du courant de ligne au cas où l'on donne à l'angle d'avance contrôlé 13 la valeur limite basse lim. Ces intensités sont à forme d'onde rectangulaire et comportent donc de nombreux harmoniques supérieurs.Toutefois, on peut naturellement présumer que ces formes d'onde d'intensité présentent moins de distorsions que dans le cas où l'angle d'avance contrôlé ss a la valeur minimale fimin En général, on évalue l'importance des perturbations provoquées par induction, dans une ligne téléphonique ou analogue, du fait des intensités d'harmoniques supérieurs en l'exprimant par le courant perturbateur équivalent Jp, indique par l'expression ci-dessous où I désigne l'intensité efficace des harmoniques su périeurs (n indiquant l'ordre des harmoniques supérieurs) et où Sn désigne le facteur de bruit pour la fréquence des harmoniques supérieurs (n indiquant encore lgordre-des harmoniques supérieurs) :: La figure 6 indique en trait plein en a les intensités i d'harmoniques supérieurs du courant de ligne présent dans le convertisseur représenté sur les figures 1 et 2, exprimées par un tel courant perturbateur équivalent J Comme le montre cette p figure, le courant perturbateur équivalent J est ramené à envi p ron 0,5 A dans l'intervalle où l'angle d'avance contrôlé 13 est supérieur à la valeur limite basse sslim de 72 . Par contre, dans le cas où l'angle d'avance contrôlé descend jusqu'à la valeur minimale ssmin de 600, le courant perturbateur équivalent Jp s'élève brusquement jusqu'aux environs de 0,6 A au voisinage de la valeur minimale pmin! comme indiqué en traits interrompus en b sur la figure. La figure 4 illustre une variante du convertisseur selon l'in- vention. Sur cette figure, les organes inchangés portent les mêmes références numériques que sur la figure 1. Comme le montre cette figure, le convertisseur 150 comporte ici une self 110 munie d'une prise médiane. La self d'arrêt 110 comporte des enrou liements à nombres égaux de spires de part et d'autre de la prise médiane. Ces enroulements sont bobinés sur un même noyau et sont magnétiquement accouplés l'un avec l'autre dans le même sens. La self d'arrêt 110 est montée en série entre les thyristors 103 et 104 et sa prise médiane est reliée à 11 extrémité supérieure du secondaire 71 du transformateur 70. La section de commande représentée sur la figure 2 sert à déterminer les angles d'amorçage des quatre thyristors 101-104 du convertisseur 150. Dans ce cas, les signaux de commande de porte Gamin émis par le second générateur de signal fixe 230 et GP13 émis par le déphaseur 220 sont respectivement appliqués, à travers les circuits de porte non représentés, au premier groupe de branches P1 constitué par les thyristors 101 et 102 et au second groupe de branches P2 constitué par les thyristors 103 et 104. La figure 5 représente les formes d'onde de la tension V et de l'intensité i du courant de ligne aérienne alimentant le convertisseur décrit ci-dessus. En (b) sur cette figure, un trait plein indique l'intensité du courant de ligne au cas où l'angle d'avance contrôlé minimum min est de 600, l'angle d'avance con trôné , de 900 et l'angle-limite minimum sslimw de 720. En outre, un trait plus mince représente 11 intensité du courant de ligne au cas où l'angle d'avance contrôlé 13 coïncide avec 11 angle con trôné minimum kilim' Comme le montre cette figure, les distorsions de ces courants sont réduites par l'action de la self d'arrêt 110. Par contre, si l'angle d'avance contrôlé ss excède 11 angle limite minimum 13lim jusqu'S coincider avec l'angle limite minimum minw l'intensité du courant de ligne échappe à l'action de la bobine d'arrêt 110 destinée à filtrer les harmoniques supérieurs Plus particulièrement, s'il y a commutation du courant des thyristors 101 et 104 aux thyristors 102 et 103, le courant traversant la moitié supérieure de la bobine d'arrêt 110 diminue et, simultanément, le courant traversant la moitié inférieure de cette bobine augmente. Ainsi, la force magnétomotrice de la bobine de réactance 110 ne se modifie pas, et l'inductance est très faible. La figure 6 indique en trait plein en c les intensités-mesurées des harmoniques supérieurs présents dans le courant de ligne, dans le convertisseur décrit ci-dessus. Ces intensités d'harmoniques supérieurs sont exprimées par le courant perturbateur équivalent Jp. Comme on le voit sur la figure, la grandeur du courant perturbateur équivalent J p est ramenée approximativement à 0,3 A dans un intervalle où l'angle d'avance contrôlé 13 est plus grand que l'angle limite minimum sslim, de 720.Par ailleurs, la figure indique en traits interrompus en d le courant perturbateur équivalent J dans le cas où 11 angle d'avance contrôlé 13 atteint l'an p gle d'avance contrôlé minimum 13min Dans ce cas, le courant perturbateur équivalent J atteint abruptement 0,6 A environ au voisi p nage de l'angle d'avance contrôlé minimum 13min comme on le voit sur la figure. De ce qui précède, il ressort qu'on peut réduire les intensités des harmoniques supérieurs du courant alternatif passant du côté primaire en assurant l'amorçage des thyristors du convertisseur, tel que représenté sur lafigure 1 ou sur la figure 4, de façon que l'angle d'avance contrôlé p ait une grandeur égale ou supérieure à l'angle limite minimum Olim} lui-meme supérieur à l'angle- d'avance contrôlé minimum min L'angle d'avance contrôlé minimum tmin nécessaire pour assurer la commutation des thyristors est, en général, de 40 à 600C, et l'on fixe l'angle d'avance contrôlé minimum 13min au voisinage de cette valeur.De plus, la valeur limite basse 13lim de l'angle d'avance contrôlé est déterminée d'après la valeur minimale 13min En fixant la différence -entre la valeur limite basse 13lim et la valeur minimale min à 50 environ, on peut obtenir une bonne réduction des intensités d'harmoniques supérieurs. Toutefois, du point de la grandeur de l'effet obtenu, il est souhaitable de porter cette différence à-10 environ. Les figures 7, 8 et 9 illustrent des convertisseurs suivant des variantes, auxquels on peut incorporer la section de commande représentée à titre d'-exemple sur la figure 2. Le convertisseur représenté sur la figure 7 comporte deux unités de conversion telles que représentées en 100 sur la figure 1, montées en série. Sur la figure 7 aussi, les organes inchangés portent les mêmes références numériques que sur la figure 1. Les deux unités de conversion 100 sont respectivement reliées à- des moitiés 72 et 73 du secondaire du transformateur 70. Le convertisseur représenté sur la figure 8 comporte les unités de conversion représentées en 100 sur la figure 1 et en 150 sur la figure 4, montées en série et respectivement reliées à des moitiés 72 et 73 du secondaire, divisé en deux, du transformateur 70. Le convertisseur représenté sur la figure 9 comporte l'unité de conversion représentée en 100 sur la figure 1 et une unité de conversion 160 à six thyristors. Ces unités 100 et 160 sont aussi montées en série. Dans l'unité de conversion 160, des thyristors 161 et 162 montés en série constituent un premier groupe de branche P41, des thyristors 163 et 164 montés en série constituent un second groupe de branches P42 et des thyristors 165 et 166 montés en série constituent un troisième groupe de branches P43. Entre les deux thyristors 163 et 164 du second groupe de branches P42 est interposée en série une bobine d'arrêt 167 à prise médiane, semblable à celle représentée en 110 sur la figure 4. La prise médiane de la bobine d'arrêt 167 est reliée à une borne médiane du secondaire 74, divisé, du transformateur 70. lSn outre, les deux bornes du secondaire 74 du transformateur 70 sont respectivement reliées à des points de jonction médians des groupes de branches p41 et P43. La figure 10 illustre un procédé de commande pour le cas où les convertisseurs représentés sur les figures 7, 8 et 9 sont gouvernés par la section de commande représentée sur la figure 2. Le procédé choisi ici à titre d'exemple particulier est celui de commande du convertisseur représenté sur la figure 7.Les diagrammes donnés portent en ordonnées l'angle d'avance contrôlé et, en abscisses, la tension continue du convertisseur. -Comme indiqué sur la figure, dans un intervalle A-B, les groupes de branches P11, P12 et P21 sont commandés avec l'angle d'avance contrôlé minimum 13min et le groupe de branches P22, avec les angles d'avance contrôlés ss égaux ou supérieurs à l'angle limite minimum 13îim Quand la angle d'avance contrôlé atteint 1800 au point B, le signal de porte du groupe- de branches P12 disparais, et un signal de porte en courant continu s'applique au groupe de branches P11. Dans cet état, le groupe de branches P11 joue le même rôle qu'une diode dite "folle".Ensuite, dans un intervalle B-C, le groupe de branches P21 est commandé avec l'angle d'avance contrôlé minimum min , et le groupe de branches P22 est commandé jusqu'à 1800 avec les angles d'avance contrôlés /3, encore égaux ou supérieurs à 11 angle limite minimum sslim La figure 11 indique les résultats de mesure des intensités des harmoniques -supérieurs pour le cas de commande du convertisseur représenté par la figure 7 par le procédé de commande décrit cidessus. Ces intensités d'harmoniques supérieurs sont exprimées par le courant perturbateur équivalent J précédemmentdéfini. p Les constantes du montage pour ce-cas sont indiquées dans le tableau ci-dessous TABIEAU 1 Tension d'alimentation 50 Hz, 100 V Courant à vide dans le secondaire du transformateur 142 5 enroulement Impédance de la source d'alimentation 0,003 # Inductance du côté courant continu 63 mH La figure 12 illustre une variante de la section de commande représentée sur la figure 2. Sur cette figure, les organes inchangés portent les mêmes références numériques que sur la figure 2.Cette section de commandé convient particulièrement pour les convertisseurs représentés sur les figures 7, 8 et 9. Le générateur de signal de synchronisation 200 engendre le signal de synchronisation SS et 11 applique à un premier générateur de signal fixe 230 et au déphaseur 220. Le premier générateur de signal fixe 230 engendre un premier signal de commande de porte GP13min 1 qui présente l'angle d'avance contrôlé minimum 13min 1 et l'applique à un second générateur de- signal fixe 240 et au déphaseur 220.Le déphaseur 220 reçoit encore le signal de commande de phase PC, pour engendrer le signal de commande de porte GPss présentant un angle d'avance contrôlé ss. Le second générateur de signal fixe 240 reçoit le signal de commande de porte GP/3min 1 et engendre, d'après ce signal, un signal présentant un retard de phase préfixé, qui constitue un signal de commande de porte GPssmin 2 Ce signal de commande de porte Gt3min 2 s'appli- que à un troisième générateur de signal fixe 250. Ce générateur 250 engendre un signal présentant un retard de phase préfixé, qui constitue un signal de commande de porte GP/3min 3, d'après -le signal de commande de porte GP/3min 2 Ces signaux, savoir l'angle d'avance contrôlé ss, les angles d'avance contrôlés minimaux mi 1' mi 2 et ssmi 3 ainsi que l'angle d'avance contrôlé minimum gamin à déterminer d1 après -les caractéristiques des thyristors, sont échelonnés comme indiqué par la relation suivante 180 > ss > ssmin > ssmin 2# ssmin 3 # &gamma;;min (2) Bien qu'on ne l'ait pas cité à propos de cette réalisation, le générateur de signal fixe 210, destiné à engendrer l'angle limite minimum sslim peut aussi autre prévu. Dans ce cas, l'angle d'avance contrôlé 13 ne tombe pas en-deçà de l'angle limite mini mum ,sslim (ss #sslim). Toutefois, l'angle limite minimum est rendu supérieur à l'angle d'avance contrôlé minimum 13m 1 (sslim > ssmin 1) On va maintenant exposer, en se référant à la figure 13, un procédé pour la commande du convertisseur représenté sur la figure 9 à l'aide de la section de commande décrite ci-dessus.Le diagramme donné sur la figure 13 porte en ordonnées l'angle d'avance contrôlé ss et, en abscisses, la tension çontinue du con vertisseur. Dans l'intervalle D-E porté sur cette figure, les groupes de branches Pîl et P41 sont comnaandes avec l'angle d'avance contrôlé minimum 13min 3, le groupe de branches P12, avec l'angle d'avance contrôlé minimum ssmin 2 et le groupe de branches P43, avec l'angle d'avance contrôlé minimum min 1.Dans ces conditions, le groupe de branches P42 est commandé en phase avec les angles d'avances contrôlés 13 qui sont supérieur à 11 angle d'avance contrôlé minimum ssmin 1 et inférieurs à 1800 (ssmin1 La figure 14 indique les résultats de mesure des intensités d'harmoniques supérieurs au cas où le convertisseur représenté sur la figure 9 est commandé par le procédé décrit ci-dessus. Ces intensités d'harmoniques supérieurs sont encore exprimées par le courant perturbateur équivalent J précité. -Les constantes p de montage du convertisseur soumis à la mesure sont celles indiquées dans le tableau 1. En outre, l'impédance de la bobine d'arrêt 167 est de 0,8 Q. Sur la figure 14, une courbe e indique les résultats de mesure des intensités d'harmoniques supérieurs du courant de secondaire au cas où l'on donne aux deux angles d'avance contrôlés minimaux 3min 2 et 13min 3 une valeur de 620 et à l'autre angle d'avance contrôlé minimum, ssmin 1 une valeur de 710. Par ailleurs, une courbe f indique les résultats de mesure pour le cas où l'angle d'avance contrôlé minimum 13min 1 est de 800, l'angle d'avance contrôlé minimum 13min 2' de 710 et l'angle d'avance contrôlé minimum 13min 38 de 620. On voit, d'après les résultats ci-dessus, qu'en adoptant pour la commande plusieurs angles d'avance contrôlés minimaux de valeurs différentes, on abaisse encore, dans l'ensemble, le courant perturbateur équivalent Jp. On voit aussi qu'en commandant le convertisseur. par le procédé de commande décrit ci-dessus, on abaisse dans l'ensemble le courant perturbateur équivalent J , même par rapport aux résultats de mesure portés sur la figure 11. REVENDICATIONS 1 - Convertisseur de courant réversible, alternatif/continu et continu/alternatif, caractérisé en ce qu'il comprend un montage en pont de thyristors comportant au moins quatre thyristors, ces thyristors étant montés en pont et divisés en au moins deux groupes de branches dont les angles d'amorçage sont contrôlés; un premier moyen de commande destiné à commander un premier groupe de branche du montage du pont de thyristors avec un angle d'avance contrôlé minimum; et un second moyen de commande destiné à commander, dans une telle structure, l'autre groupe de branches avec un angle d'avance contrôlé supérieur audit angle d'avance contrôlé minimum. 2 - Convertisseur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second moyen de commande comprend un moyen propre à engendrer un signal limite à angle limite minimum supérieur audit angle d'avance contrôlé minimum, et un moyen propre à engendrer un signal de commande de porte à angle d'avance contrôlé supérieur audit angle limite minimum 3 - Convertisseur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une bobine d'arrêt reliée audit autre groupe de branches. 4 - Convertisseur de courant selon la revendication 1, carac térisé en ce qu'il comprend des thyristors constituant un groupe supplémentaire de branches, ce groupe supplémentaire étant commandé avec un angle d'avance contrôlé minimum inférieur à l'angle d'avance contrôlé minimum précité.