Brevet FR2375756A1 — publié le 19780721

L'invention concerne un procédé de réglage de plusieurs grandeurs électriques indépendantes d'un dispositif -courant con- tinu . Elle s'applique particulièrement au cas des moteurs de trac tion électrique de véhicules alimentés sous tension continue Les dispositifs généralement employés pour régler des gran deurs électriques dans les-circuits de puissance alimentés sous une tension continue font appel aux semi-conducteurs de puissance et en particulier aux thyristors Un inconvénient des thyristors réside dans le fait que , si leur mise en conduction est faciale , leur blocage nécessite un cir cuit annexe , dit d'extinction ou de commutation , complexe et coû teux Jusqu' présent , on a prévu de régler chaque grandeur élec trique de façon indépendante au moyen d'un circuit d'extinction individuel placé sur chacun des thyristors de contrôle qui sont alors obligatoirement des thyristors rapides . I1 en résulte une certaine complexité des circuits et un renchérissement des montages. L'invention a pour but d'éviter ces deux inconvénients . Elle a pour objet un procédé de réglage de plusieurs grandeurs électri ques indépendantes d'un dispositif a courant continu du type dans lequel chaque grandeur électrique est contrôlée par.un thyristor d'un type normal , caractérisé en ce que tous les thyristors de contrôle sont contrôles par un dispositif unique de commutation as surant leur extinction simultanée Un autre objet de l'invention est un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon le paragraphe précédent , caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif unique de commutation branché en série avec tous les thyristors contrôlant chacun une grandeur élec trique , et qui sont eux-mêmes en parallèle., de façon a assurer simultanément l'extinction de tous les thyristors Selon une caractéristique de llinvention , le.dispositif unique de commutation est un régleur de courant continu a thyris tor principal et circuit d'extinction à thyristor . Un autre objet de l'invention est l'application du procédé précédemment décrit au cas de la commutation entre les différentes phases de fonctionnement d'un moteur : alimentation du moteur freinage rhéostatique , freinage par récupération , et shuntage de l'inducteur du moteur A titre d'exemple et pour faciliter l'intelligence de la des cription , on a représenté au dessin annexe Figure 1 , un schéma de principe d'un circuit selon l'invention Figure 2 , un diagramme représentatif des courants dans les différents éléments de la Figure 1 Figure 3 , un exemple de réalisation d'un premier circuit selon l'invention Figure 4 , un diagramme des courants dans les éléments de la Figure 3 dans le cas a- d'un freinage rhéostatique seul b- du freinage par récupération seul , c- du freinage mixte par récupération et rhéostatique Figure 5 , un exemple de réalisation d'un deuxième cir cuit selon l'invention appliqué au cas d'un moteur excitation série Figure 6 , un exemple de réalisation d'un troisième cir cuit selon l'invention appliqué au cas d'un moteur à excitation séparée Figure 7 , un exemple de réalisation d'un quatrième circuit selon l'invention permettant l'alimentation de l'inducteur, pour le freinage , à partir de la source d'alimentation générale. Figure 8a , un exemple de réalisation d'un cinquième circuit selon l'invention assurant la commutation entre les différentes phases de fonctionnement : traction , freinage par récupération , et freinage rhéostatique Figure 8b , une représentation des éléments utiles de la Figure 8apendant 1a phase de traction Figure 8c , une représentation des éléments utiles de la Figure 8a pendant la phase de freinage Figure 9a , un exemple de réalisation d'un sixième cir cuit selon l'invention , assurant le shuntage du courant inducteur pendant la phase de traction Figure 9b , un exemple de réalisalisation d'un septième circuit selon l'invention , en variante de réalisation du circuit de la Figure 9a Sur la Figure 1 , un réseau d'alimentation à tension continue U alimente des charges 1,2... n. En série avec chaque charge est placé un thyristor Thl , ....... Thn. Un unique interrupteur à thyristors H est placé en série entre un des pâles du réseau d'alimentation et le point commun des thyristors Thl , Th2... Thn. L'interrupteur à thyristors H peut être rendu conducteur ou bloqué à volonté L'extinction des thyristors Thl, Th2...Thn est obtenue par l'annulation du courant qui les traverse , lors de l'ouverture de l'interrupteur H . Lg extinction naturelle par défaut de courant généralement des thyristors Thl, Th2.-.. Thn, permet/d'employer des thyristors "lents" , moins chers et supportant des tensions plus élevées que les thyristors "rapides" nécessaires dans les cas où l'extinction est forcée Le diagramme de la figure 2 permet de comprendre le fonctionnement du dispositif . On a représenté l'évolution en fonction du temps de l'état des differents éléments du dispositif .Le niveau O signifie que l'élément est bloqué (non conducteur), le niveau l signifie que l'élément est conducteur . On suppose qu'avant l'instant to, I'interrupteur H est bloqué . Les thyristors Thl, Th2....Thn sont donc obligatoirement éteints par défaut de courant A l'instant to , on rend conducteur l'interrupteur H . A partir de cet instant , il est possible de rendre conducteurs , à l'instant désiré et de façon totalement indEpendante les thyris tors Thl, Th2..Thn. il est également possible , si une ou plusieurs charges ne doivent pas être alimentées , de ne pas rendre conduc teurs le ou les thyristors correspondants Dans l'exemple de la figure 2 , le thyristor Thl est rendu conducteur à l'instant tl , le thyristor Th2 est rendu conducteur à l'instant t2,... le thyristor Thn est rendu conducteur à l'instant tn. Par conséquent , la tension d'alimentation U est appliquée aux bornes de la charge 1 à partir de l'instant ti , aux bornes de la charge 2 à partir de l'instant t2..., aux bornes de la charge n à partir de l'instant tn A l'instant t3 , l'interrupteur H est bloque , ce qui provoque le blocage des thyristors Thl , Th2 .. Thn , par défaut de courant . Les charges 1, 2...n cessent donc d'être alimentées à partir de l'instant t3 A l'instant t4 , l'interrupteur H est rendu conducteur de manière à ce qu'un nouveau cycle analogue à celui effectué entre les instants to et t4 puisse débuter . Par exemple , entre les instants to et t4 , la valeur moyenne de la tension appliquée aux bornes d'une charge n est t3 - tn u = U x t4 - t0 Les instants to , t3 et t4 ne dépendent que du fonctionne ment de l'interrupteur H . La tension U est imposée par le ré seau d'alimentation à courant continu. Par conséquent , la valeur moyenne de la tension appliquée aux bornes d'une charge n , ne dépend que de l'instant d'amorçage tn du thyristor Thn .Cet instant pouvant être réglé indépendamment pour chaque charge , il est donc possible de régler indépendamment pour chaque charge , par exemple , la tension moyenne appliquée à ses bornes Le cycle effectué par le dispositif entre les instants to et t3 peut être répété d'une façon quelconque ( à fréquence constante, à fréquence variable , d'une façon aléatoire , etc..) La seule condition à respecter est que l'intervalle de temps (t4 - t3) séparant deux cycles consécutifs est suffisamment grand pour que les thyristors Thl , Tu2... Thn aient le temps de retrouver leur pouvoir de blocage Ce procédé de contrôle de grandeurs électriques indépendantes est applicable en particulier à la conjugaison des freinages rhéostatiques et par récupération , sur un véhicule à traction électrique alimenté en courant continu .Sur la Figure 3 un circuit correspondant est représenté en phase de freinage électrique Dans ce circuit , M est l'induit du moteur de traction , traversé par le courant j R est la résistance de freinage rhéostatique dimensionnée pour dissiper sous forme de chaleur l'énergie provenant du freinage électrique . I est l'inducteur du moteur de traction de type série D1 est la diode de roue libre de l'inducteur H est un interrupteur à thyristors D2 est une diode permettant d'éviter que la tension d'ali mentation U soit appliquée au moteur M pendant les periodes de freinage L et C constituent un filtre permettant le découplage , au point de vue des courants alternatifs , entre le réseau d'alimentation et les circuits électriques du véhicule Thl est un thyristor permettant de régler le courant moyen circulant dans la résistance R Th2 est un thyristor permettant de régler le courant moyen i circulant dans l'inducteur , qui détermine la force électromotrice du moteur fonctionnant en génératrice , donc le courant j . Le diagramme de la figure -4 représente l'état en fonction du temps des différents éléments du dispositif .- Le niveau 0 représente l'état bloqué , le niveau 1 représente l'état conducteur Le freinage par récupération d'énergie sur le réseau étant toujours prioritaire , la capacité qu'a le réseau d'alimentation d'absorber la puissance de freinage est mesurée en permanence par la valeur de la tension U . Si la tension U,dépassè une valeur fixée à l'a- vance , il faut cesser le freinage par récupération et passeur au freinage rhéostatique Sur la figure 4c , le freinage par récupération est prioritaire , c'est-à-dire , qu'au cours d'un cycle to à t4 , le freinage par récupération est d'abord enclenché à l'instant to , puis dès que la tension d'alimentation U dépasse une valeur fixée à l'avance , ce qui signifie que le réseau d'alimentation n'est plus capable d'absorber la puissance qui lui est renvoyée , on enclenche l-e freinage rhéostatique Z à l'instant t2 Ceci se reproduit à chaque cycle to à t4 , la répétition des cycles étant généralement à une fréquence de quelques centaines de Hertz On peut distinguer deux cas extrêmes Figure 4a : la mesure de la tension U montre que , dès l'instant tl s le réseau d'alimentation n'est pas capable d'absorber la puissance de freinage . La résistance de freinage rhéostatique est alors enclenchée immédiatement et l'on n-a pas de freinage par ré cupération ( sauf entre les instants to et tel où cela est inévitable , mais l'intervalle de temps (tl - to ) et 1énergie récupérée entre les instants to et tl sont négligeables ) . Lintervalle-de temps ( tl - to ) permet de tester systématiquement l'état de ré ceptivité du réseau à la puissance électrique fournie par - le freinage Figure 4b : la mesure de la tension U-montre que 7usqu'à la fin du cycle le réseau d'alimentation est capable d'absorber la puissance de freinage t et le freinage rhéostatique nlest donc pas enclenché ( Thl reste bloqué ). Le principal avantage du procédé décrit ci-dessus est que la -puissance récupérée lors d'un freinage est constamment égale , soit à la puissance maximale de freinage , soit à la puissance maximale que le réseau d'alimentation est capable d'absorber . Par conséquent, l'économie d'énergie ainsi réalisée est maximale Un autre avantage-du procédé décrit ci-dessus est que tous les réglages sont réalisés par des dispositifs à semi-conducteurs dont on fait varier le temps de conduction , ce qui permet un réglage rapide , précis et progressif , d'où de bonnes performances transitoires et un bon confort pour les passagers du véhicule Sur la figure 5 , l'inducteur est en série avec l'induit du moteur .Sur la Figure 6 , l'inducteur est alimenté de façon indépendante par une source d'alimentation u dont la valeur est réglable Le fonctionnement de ces deux circuits est identique à celui de la Figure 3 Le montage de la Figure 7 se comporte de façon analogue au montage de la figure 6 car on peut considérer que l'inducteur est alimenté de façon indépendante , à partir de la source d'alimentation U , le courant i qui le traverse étant réglé au moyen du thyristor Th2 Le principal avantage de cette disposition est que l'ali- mentation de l'inducteur lorsqu'on veut freiner est assurée à partir de la source d'alimentation U et ne nécessite donc pas de source auxiliaire de pré-magnétisation ou d'alimentation ( contrairement aux montages fig.3 et 5 décrits précédemment). En effet , l'allumage du thyristor Th2 assure la présence d'énergie de magnétisation dans l'inducteur avant la phase de récu pération , pour l'amorçage du moteur en génératrice , puis pendant la phase de freinage La figure 8a montre un exemple de réalisation d'un dispositif de commutation statique entre les différents états d'un moteur fonctionnant soit en traction , soit en freinage rhéostatique ,soit en freinage par récupération Afin de permettre d'en comprendre le fonctionnement , le dispositif a été décomposé en deux schémas La figure 8b montre la configuration traction . Seuls les éléments actifs pendant ce type de fonctionnement sont représentés. Le thyristor Th4 est conducteur en permanence On règle le courant inducteur i par Th2 et le courant induit j par Th5 . Il n'est donc pas nécessaire de prévoir un dispositif de shuntage La figure 8c montre la configuration freinage . Seuls les éléments actifs pendant ce type de fonctionnement sont représentés. On retrouve alors le montage de la figure 3 ( avec en plus la diode D3 , qui n a pas d'action sur le fonctionnement ) Le thyristor Th3 est nécessaire lorsque l'inducteur est du type shunt . Il réalise un court-circuit permettant de stocker de l'énergie dans l'inductance de l'induit , cette énergie étant res tituée au réseau après coupure par l'interrupteur Ho . On supprime Th3 lorsque l'inducteur est du type série La pré-magnétisation nécessaire pour l'amorçage du moteur M en génératrice lorsqu'on veut freiner , peut se faire en rendant conducteurs le thyristor Th4 , le thyristor Th2 et l'interrupteur H pendant le temps nécessaire pour qu'un courant i , sùffisant provenant de la source r S établisse dans l'inducteur .Aucune source d'alimentation et aucun élément supplémentaire ne sont donc nécessaires pour assurer la pré-magnétisation Les avantages de ce montage sont , en résumé , - commutation traction-freinage , -simple et nécessitant peu d'éléments . - conjugaison des freinages rhéostatiques et par récupération progressive et maximisant la puissance renvoyée sur le réseau d'alimentation - pré-excitation simple et ne nécessitant pas de source d'alimentation auxiliaire - absence de dispositif particulier pour assurer le shuntage Lorsqu'il est nécessaire de faire fonctionner un moteur à courant continu au-delà de sa vitesse de définition , il est nécessaire de réduire progressivement le courant inducteur par rapport au courant induit .Pour garder un couple suffisant , dans le cas d'un moteur série , ceci est obtenu en dérivant une partie réglable du courant induit dans un circuit placé en parallèle aux bornes de l'inducteur Les figures 9a et 9b montrent deux réalisations permettant d'obtenir ce résultat Le thyristor Thl permet de dériver-le courant ( j - i de manière à réaliser le shuntage . La variation de l'instant de mise en conduction du thyristor Thl permet de faire varier la va leur moyenne du courant ( j - i ) donc réalisele réglage du "taux de shuntage" . Dans lue cas de la figure 9a , la résistance R est une résistance de shuntage permanent . Au moment où l'interrupteur H se bloque , le courant i se referme à- travers la diode Dl et l'in duit du mpteur , le courant ( j - i ) se referme à travers la ré sistance R , la diode Dl et l'induit du moteur Dans le cas de la figure 9b , au moment où l'interrupteur H se bloque , le courant j se referme à travers la diode Dl et le courant i se referme à travers la diode D2 Les avantages de l'invention sont évidents . A l'aide d'un seul circuit d'excitation à thyristor , on assure simultanément l'extinction de tous les thyristors contrôlant les diverses grandeurs électriques caractéristiques d'un moteur .On peut ainsi assurer la commutation entre les différents états de fonctionnement d'un moteur , respectivement traction et freinage d'une part freinage par récupération et freinage rhéostatique d'autre part Dans ce dernier cas , on peut aisément donner la priorité au freinage par récupération . On peut , de plus , assurer le shuntage de l'inducteur du moteur lorsque celui-ci fonctionne au-del de sa vitesse de définition tout en conservant un couple suffisant L'invention s'adapte particulièrement bien au cars d'un moteur commandé par un régleur de courant continu comportant un thyristor principal et un circuit d'extinction à thyristor . Ce régleur joue alors le rôle de l'interrupteur H . Un exemple de réalisation d'un tel régleur est décrit dans le brevet français NO 76 34263 Il va de soi que les circuits d'amorçage des différents thyristors sont de type connu et c'est pour cette raison qu'ils n'ont pas été représentés REEDiCATiONS 1 - Procédé de réglage de plusieurs grandeurs électriques' indépendantes d'un dispositif à courant continu du type dans lequel chaque grandeur électrique est contrôlée par un thyristor caractérisé en ce que tous les thyristors de contrôle sont contrô- les par un dispositif unique de commutation assurant leur extinction simultanée . 2 - Dispositif pour la mise-en oeuvre du procédé selon la revendication I , caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif unique de commutation branché en série avec tous les thyristors contrôlant chacun une grandeur électrique , et qui sont eux-memes en parallele , de façon à assurer simultanément lgextinction de tous les thyristors . 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif unique de commutation est un régleur de courant .continu à thyristor principal et circuit d'extinction à thyristor. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 , carac térisé en ce que l'un des thyristors de contrôle contrôle le courant dans la résistance de freinage rhéostatique . 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 4 , caractéri-sé en ce que l1un des thyristors de contrôle. contrôle le courant dans l'inducteur du moteur 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 , caractérisé en ce que l'un des thyristors de contrôle contrôle le courant dans l'induit du moteur 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 , caractérisé en ce qu'un autre thyristor de contrôle est prévu pour assurer la mise en court-circuit de l'induit du moteur . 8 - Application du procédé selon la revendication 1 au cas de la commutation entre les différentes phases de fonctionnement d'un moteur . alimentation du moteur , -freinage rhéostatique freinage par récupération et shuntage de l'inducteur du moteur . 9 - Application du procédé elon la revendication 1 au cas de la commutation entre les phases de freinage d'un moteur , respectivement freinage par récupération et freinage rhéostatique , avec priorité au freinage par récupération .