Brevet FR2357101A1 — publié le 19780127

La présente invention concerne un dispositif convertisseur d'une tension continue en une tension alternative de réseau à basse fréquence comprenant : un onduleur à haute fréquence qui est relié à la source de la.tension continus et transforme cette dernière en une première tension alternative & haute fréquence au moins décuple de la basse fréquence voulue pour la tension alternative de réseau ;; un transformateur & haute fréquence relié à cet onduleur à haute fréquence et transformant la première tension alternative à haute fréquence en une deuxième dont l'amplitude correspond essentiellement i celle que l'on attend de la tension alternative de réseau un convertisseur statique de courant à haute fréquence alimenté par l'onduleur à haute fréquence, commandé selon une combinai- son d'impulsions prédéterminée et donnant à sa sortie la tension alternative de réseau à basse fréquence.On connaît un tel dispositif par la demande de brevet allemand publiée sous le nb 2 253 739 Ladite demande de brevet allemand contient la description d'un dispositif d'alimentation du réseau de bord d'un vé- hicule porteur d'une batterie. A cette batterie de bord est relié un onduleur à haute fréquence qui alimente à travers un transformateur à haute fréquence un redresseur de courant sous une tension alternative & haute fréquence présentant l'amplitude voulus de la tension alternative de réseau. Ce redresseur est â son tour relié en tant que source de tension continue d' aliien- tation & l'entrée d'un onduleur dont la sortie est connectée sur le réseau de bord. Un dispositif du genre annoncé peut titre avantageuse- ment utilisé chaque fois que l'on recherche un faible poids, un encombrement réduit et/ou un coat modéré d'un tel transforma- teur. On peut par conséquent recourir particulièrement à un tel dispositif avec circuit intermédiaire & haute fréquence pour l'alimentation du réseau de bord d'un véhicule terrestre ou d'un aéronef.Mais il convient aussi comme installation de courant de secours pour un réseau de tension alternative, par exemple à 50 Hz. Dans un cas d'application comme dans l'autre, on cherche à simplifier le plus possible le dispositif et à le réaliser à peu de frais, L'invention a pour objet un tel dispositif qui, avec la meme strette de fonctionnement, gagne encore en simplicité, notamment en se contentant dlun moindre nombre de composants et en étant d'une fabrication moinscoflteuse0 Ce dispositif convertisseur est caractérisé par le fait que l'enroulement secondaire du transformateur à haute fréquence est relié directement A l'entrée d'tut convertisseur statique de fréquence direct prévu en convertisseur de courant, lequel est commandé par la haute fréquence selon la combinaison d'impulsions donnée et commute chaque fois sans courant. La tension alternative & basse fréquence du réseau est composée, selon la combinaison d'impulsionsdonnée, d'impulsions de tension rectangulaires de période moitié de celle de la haute fréquence. La composition se fait par amorçage synchrone des val ves principales du convertisseur statique de fréquence direct, cela en sorte que l'on obtienne sons un faible c o e-f i c i e 9 t de dispersion la tension alternative de réseau voulue. Un tel dispositif se passe d'un redresseur de courant branché selon la demande de brevet allemand n 2 253 739 précitée entre le transformateur à haute fréquence et le convertisseur statique de courant. Il nécessite donc moins de composants et il en résulte une structure simple et économique. Dans les convertisseurs statiques de fréquence courants dans le commerce, on insère généralement encore un cirouit-IC servant de filtre dans le circuit intermédiaire de tension continue entre le redresseur et l'onduleur. On fait également l'économie d'un tel filtre dans l'invention. Nais on doit considérer comme un avantage particulier le fait que le convertisseur statique de fréquence direct soit réalisé sans dispositif d'extinction ooQtenst pour ses valves principales commandables.Celles-ci s'éteignent en effet de façon entièrement automatique, après chaque demi-période de la haute fréquence, lorsque la tension secondaire du transformateur à haute fréquence change de polarité. Suivant d'autres particularités possibles de l'invention: un filtre est placé entre la sortie du convertisseur statique de fréquence direct et le réseau de tension alternative alimenté ; l'appareil de commande du convertisseur statique de fréquence direct est commandé en impulsions par la sortie de l'appareil de commande de l'onduleur & haute fréquence ; l'appareil de commande du convertisseur statique de fréquence direct est commandé en impul sions par une prise de tension à la sortie de l'onduleur å haute fréquence ; le transformateur à haute fréquence présente un enroulement secondaire avec prise médiane et le convertisseur statique de fréquence direct est constitué par deux couples de valves commandables branchées en antiparallèle qui sont reliés à l'enroulement secondaire en couplage à deux alternances à point médian ; les valves commandables utilisées sont des transistors avec branchement protecteur à diodes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré schématiquement par le dessin annexe1, sur lequel: la figure i est le schéma électrique d'un dispositif selon ladite invention pour la transformation d'une tension continue en une tension alternative de réseau à basse fréquence ; la figure 2 représente une valve commandable pouvant être utilisée, au lieu d'un thyristor, comme valve principale dans le convertisseur statique de fréquence direct ; la figure 3 retrace la variation dans le temps de la deu xième tension alternative à haute fréquence prise sur l'enroulement secondaire du transformateur à haute fréquence ;; la figure 4 représente la variation dans le temps de la tension de sortie du convertisseur statique de fréquence direct et de la tension alternative de réseau Selon la figure 1, il s'agit d'alimenter par le dispositif représenté un réseau de tension alternative avec bornes d'entrée 3a, 3b en une tension alternative de réseau Un à basse fréquence f n & partir de la tension continue U0 d source 2. Ce dispositif peut constituer par exemple une installation de courant de secours intervenant en cas de défaillance de 1' ali- mentation de réseau habituelle ou une alimentation de réseau de bord d'un aéronef, notamment d'un avion. La source de tension continue 2, qui est par exemple une batterie de bord ou une cellule à combustible, débite sur un onduleur à haute fréquence 4 pouvant notamment fonctibnner en hacheur.On peut par exemple utiliser comme tel un onduleur à montage ssétriqueBCet onduleur & haute fréquence commandable 4 a pour fonction de convertir la tension continue U0 en une pre mièvre tension alternative U1 à haute fréquence au moins décuple de la basse fréquence f n voulue pour la tension alternative de réseau Un . La haute fréquence f1 est de préférence com prise dans la gamme de 10 à 30 XEz ; en cas d'utilisation d'un onduleur à transistors, elle est. par exemple voisine de 10 kHz. L'amplitude de la tension alternative U1 à la sortie de l'onduleur à haute fréquence 4 se situe à peu près au m8ee niveau que la tension continue Uô -Dans cet exemple, la haute fréquence fl délivrée par l'onduleur 4 est commandable, à travers l'entrée correspondante 5, à partir d'un appareil approprié 6 . Cet appareil de commande 6 peut consister par exemple en un auto-oscillatour. Sa fréquence de sortie est réglable sur un positionneur 20 que l'on a représenté en potentiomètre. T'onduleur à haute fréquence 4 est suivi d'un transformateur à haute fréquence 7. L'un et l'autre sont représentés séparément pour faciliter l'exposé du fonctionnement, mais en pratique ils peuvent aussi former une seule unité fonctionnelle. Le transformateur à haute fréquence 7 donne, à partir de la première tension alternative & haute fréquence U1, une deuxième tension alternative U2, à même haute fréquence f1 , qui est amenée direc- tement à l'entrée d'un convertisseur statique de fréquence 9 direct. Ce dernier reçoit par une entrée 10 ses signaux de commande d'un appareil approprié 11.Le rapport du transformateur à haute fréquence 7 est choisi en sorte que l'amplitude de la deu- xième tension alternative à haute fréquence U2 corresponde essentiellement à celle que l'on recherche pour la tension alternative de réseau Un . Il en va de m8me pour la tension U4 à la sortie du convertisseur statique-de fréquence direct 9. Sur la figure 1, il est à remarquer particulièrement que l'enroulement secondaire, à prise médiane, du transformateur à haute fréquence 7 est relié directement à l'entrée du convertisseur statique de fréquence direct 9, cestranformateur 7 et convertisseur 9 étant d'ailleurs groupés en une seule- unité . Le convertisseur statique de fréquence direct 9 renferme en tout quatre valves commandables a , b, c et d branchées deux à deux en antiparallèle. Comme valves commandables a à d, on peut notamment utiliser des thyristors, mais il ressort de la figure 2 que l'on peut aussi recourir à des transistors. Selon celle-ci, on utilise, comme valve commandable a , un transistor 21 dont la jonction émetteur-collecteur est branchée en série avec une valve non commandée 22, par exemple une diode a' semi conducteur. Une autre valve non commandée 23 est branchée en parallèle sur la jonction collecteur-émetteur du transistor 21 cela A ltencontre du sens de conduction du courant.Les deux valves 22 et 23 forment un montage de protection du transistor 21 I1 ressort en outre de la figure 1 que chaque paire de valves en antiparallèle a , b et c, d est reliée d'un premier o8té A une borne d'extrémité de 1' enroulement secondaire du transformateur à haute fréquence 7 . Les deuxièmes côtés de ces deux paires a, b et c , d sont reliés entre eux et, ensemble, à une borne de sortie 24 du convertisseur statique de fréquence direct 9, dont l'autre borne de sortie 25 est reliée à la prise médiane de l'enroulement secondaire. Pour donner une tension alternative de réseau Un Si- nnsoidale, un filtre 12 accordé sur l'oscillation fondamentale de cette tension alternative Un est placé entre la sortie du convertisseur statique de fréquence direct 9 et le réseau de tension alternative. On peut aussi utiliser à la place du filtre de bande représenté n'importe quel autre dispositif fLîtrant, par exem- ple une auto-inductance unique. Mais il arrive souvent qu'un tel filtre 12 soit absolument superflu. L' appareil de commande 11 renferme des circuits logiques formés de composants numériques, par exemple selon la demande de brevet allemand n 2 023 825 précitée. Ces circuits forment pour les valves a & d des signaux de commande composés de combinaisons d'impulsions de commande fixées qui sont préprogrammées en vue d'harmoniques de rang prédéterminé minimaux dans la tension de sortie U4 .Lesdites coibinaisons d'impulsions de comme mande sont formées d'un certain nombre d'impulsions individuelles de même hauteur entre lesquelles des vides sont établis selon le programme. On peut par exemple préprogrammer des combinaisons d' impulsions de commande en sorte que la tension de sortie U4 ainsi engendrée ne renferme pas d'harmoniques de onzième rang. Il importe particulièrement que l'appareil de commande l1 du convertisseur statique de fréquence direct 9 soit commandé en impulsions, ou synchronisé, avec la haute fréquence fl par un signal sur son entrée de synchronisation 26. A cet effet, cette dernière est reliée, par une ligne 27 et un transformateur non représenté, à une prise de tension 28 placée à la sortie de l'onduleur à haute fréquence 4. in variante, l'entrée de synchronisation 26 peut aussi être reliée à la sortie de l'appareil de commande 6 de l'onduleur à haute fréquence 4 comme indiqué par la ligne 29 en trait discontinu. Ce deuxième mode de synchronisation est le plus avantageux, car il permet non seulement d'épargner un transformateur, mais aussi d'éviter une distorsion d' impulsions. Pour permettre de changer la valeur moyenne en fonction du temps de lloscillat-ioL fondamentale de laknsion de sortie U4, l'appareil de commande Il peut titre en outre muni d'une entrée 30 occupée par un signal de commande.Avec une va- riation continue de ce signal, 1 appareil de commande il commute successivement entre différentes combinaisons d'impulsions de commande préprogrammées. L'allure et l'ordre de succession de ces combinaisons d'impulsions de commande sont choisis en sorte que, selon le sens de variation du signal de commande, on obtienne un accroissement ou une réduction par échelons de la valeur moyenne en fonction du temps de l'oscillation fondamentale de la tension de sortie U4 La figure 3 représente la variation en fonction du temps t de la tension & haute fréquence U2 sur un demi-enroulement secondaire du transformateur à haute fréquence 7 .Cette variation peut titre considérée comme correspondant à une suite alternée d'impulsions de tension positives-hachurées-et négatives-quadrillées- . Dans un but de simplification, on considérera ces impulsions de tension comme rectangulaires. Leur période a pour valeur 1/f1 . A l'aide du convertisseur statique de fréquence direct 9, les signaux de l'appareil de commande 11 ndémasguent" et libèrent pour la formation de la tension de sortie U4 certaines impulsions de tension à partir des deux tensions U2 des demi-enroulements secondaires, tandis que, pour engendrer des vides dans la tension de sortie U4, d'autres impulsions de tension ne sont pas transmises. La libération et le blocage des impulsions de tension s'orientent sur l'allure souhaitée de la tension de sortie U4 et sont présélectionnées par la combinaison d'impulsions de commande programmée La figure 4 donne sur une période T ou 1/fn un exemple de variation de la tension de sortie U4 en fonction dn temps t. On voit que cette tension de sortie U4 est composée d'une suite de vides sans tension et de blocs de tension, chaque bloc de tension étant à son tour composé d'impulsions individuelles. Les lignes de rappel en trait discontinu permettent de voir quelles impulsions de tension selon la figure 3 sont utilisées pour la formation des blocs de tension. Les impulsions de tension positives apparaissent de nouveau sous forme hachurée et les impulsions de tension négatives sous forme quadrillée. Dans l'alternance positive de la tension de sortie U41 les impulsions de tension hachurées sont engendrées par amorçage de la valve a et les impulsions de tension quadrillées par l'amorçage de la valve c ; dans l'alternance négative, les unes et les autres sont engendrées respectivement pat 1' amorçage de la valve d et par celui de la valve b.C'est ce qu'indiquent les lettres a â d portées sur la figure 4. les diverses impulsions de tension sont de nouveau supposées rectangulaires en fonction du temps. Du procédé de composition ci-dessus décrit de la tension de sortie B4 à partir d'impulsions de tension sélectionnées de la tension à haute fréquence U2 il résulte que tout repose sur la synchronisation des signaux de commande amenés au convertisseur statique de fréquence direct 9 avec un signal à haute fréquence f1 Pour engendrer chaque impulsion individuelle de tension dans le cours de la tension de sortie U4, il ntest besoin que d'une courte impulsion d'amorçage vers la valve a1 b, c ou d correspondante. A partir de quoi, la valve en question est amorcée jusqu't ce que la polarité de la tension s'inverse sur elles cette valve s'éteignant alors automatiquement sans qu'une extinc- tion forcée soit nécessaire.La commutation d'tue impulsion de tension à une autre a donc lieu sans courant en dehors de toute disposition particulière. La synchronisation est avantageusement effectuée en sorte qu'il n'intervienne pas de retard notable en temps entre le début d'une impulsion de tension dans la tension U2 et le début d'une impulsion de tension en dérivant dans la tension de sortie U40 Chaque valve a à d ayant à contribuer à la formation de la tension est alors amorcée chaque fois pendant une demi-période 1/2f1 de la haute fréquence fl . Ce cas de fonctionnement correspond à la figure 4. Les diverses impulsions de tension sont juxtaposées sans vide dans chaque bloc. On a aussi porté, en trait discontinu1 sur la figure 4 la variation de la tension alternative de réseau n après le filtre 12 pour une période T de la basse fréquence fn . Elle suit le même cours que l'oscillation fondamentale. La valeur moyenne est réglable par modification du signal de commande à l'en- trée 30, cest-à-dire par le choix d'une antre combinaison d'impulsions préprogrammée. On peut dire en conclusion que le convertisseur statique de fréquence direct 9 transforme selon une combinaison d'im- pulsions prégrogrammée la tension U2 figure 3, en une tension alternative à basse fréquence. La valeur efficace de l'osílla- tion fondamentale de la tension alternative et la fréquence correspondent respectivément à la valeur et à la basse fréquence f n voulues. RYENDIATI0NS lo Dispositif convertisseur d'une tension continue en une tension alternative de réseau à basse fréquence compre nant à la fois un onduleur à haute fréquence qui est relié à la source de la tension continue et transforme cette dernière en une première tension alternative à haute fréquence au moins décuple de la basse fréquence voulue pour la tension alternative de réseau, un transformateur à haute fréquence relié à cet onduleur à haute fréquence et transformant vers le haut la pre mièvre tension ilternative à haute fréquence en une deuxième dont l'amplitude correspond essentiellement à celle que l'on attend de la tension alternative de réseau et un convertisseur statique de courant à haute fréquence alimenté par l'onduleur à haute fréquence, commandé selon une combinaison d impulsions préd é- terminée et livrant à sa sortie la tension alternative de réseau à basse fréquence, dispositif caractérisé par le fait que l'enroulement secondaire du transformateur à haute fréquence est relié directement à l'entrée d'un convertisseur statique de fr6- quence direct prévu en tant que convertisseur de courant,loquel est commandé par la haute fréquence selon la combinaison d'impal- sions donnée et commute chaque fois sans courant. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un filtre est placé entre la sortie du convertisseur statique de fréquence direct et le réseau de tension alternative alimenté. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que l'appareil de commande du convertisseur statique de fréquence direct est commandé en impulsions par la sortie de l'appareil de commande de Il onduleur à haute fréquence. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que l'appareil de commande du convertisseur statique de fréquence direct est commandé en impulsions par ue prise de tension à.-1a sortie de l'onduleur à haute fréquence. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 A 4 caractérisé par le fait que le transformateur à haute tension présente un enroulement secondaire avec prise médiane et le convertisseur statique de fréquence direct est constitué par deux couples de valves commandables branchées en antiparallèle qui sont reliés à l'enroulement secondaire en couplage à deux alternances à point médian. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé par le fait que les valves commandables utilisées sont des thyristors avec branchement protecteur à diodes.