Brevet FR2402337A1 — publié le 19790330

L'invention concerne un convertisseur avec un système redresseur conduit par le réseau et un circuit intermédiaire à courant continu réglé en courant ainsi qu'avec un système onduleur avec un dispositif de commutation composé de condensateurs et de diodes pour l'extinction séquentielle des phases et une machine asynchrone à vitesse variable raccordée aux bornes triphasées du système onduleur. De tels convertisseurs sont utilisés pour lalimenta- tion de machines à champ tournant, en particulier de machines asynchrones avec retors en court-circuit. Un tel convertisseur est connu par la revue allemande ETZ-A, vol. 96 (1975), fascicule 11, page 520 et suivantes. Ltalimentation cPe de ce convertisseur est constituSe,par exemple. d'un redresseur conduit par le réseau et d'une bobine de lissage, elle a les caractéristiques dune source de courant La bobine de lissage est disposée dans le circuit intermédiaire à courant continu, entre le redresseur et l'ondu- leur. L'onduleur est alimenté par un courant continu imposé.Du fait de la bobine d'inductance insérée dans le circuit intermé- diaire à courant continu, les deux circuits sont quasiment décou- plés. Pour l'onduleur, de même d'ailleurs que pour le redresseur, on a un montage en pont triphasé. Chacun des deux demi-ponts de l'onduleur comporte un dispositif de commutation. Dans chacun de ces demi-ponts, le dispositif de commutation est installé entre les thyristors et les bornes triphasées. Chacun des dispositifs de commutation est réalisé de telle manière, que deux condensateurs branchés en série réunissent ensemble les trois branches d'un demipont. Sur ces deux condensateurs un troisième condensateur est branché en parallèle, réunissant ensemble la première et la troisième branche du demi-pont considéré.Avant les bornes de racoor- dement triphasées de l'onduleur, une diode est insérée dans cha- cune des branches d'un demi-pont. Avec un tel convertisseur, on réalise la conversion dtun courant triphasé de fréquence- déterminée en un courant triphasé de fréquence différente. Le fonctionnement du convertisseur est tel, que pour commencer on transforme le courant triphasé en un courant continu, et qu'on retransforme ensuite celui-ci, à l'aide d'un redresseur contrôlé fonctionnant en onduleur autonome, pour obtenir de nouveau un courant triphasé. On utilise une telle conversion dtun courant triphasé de fréquence déterminée en un courant triphasé de fréquence différente presque toujours, lorsque l'onduleur de sortie fonctionne avec commutation forcée.Après la première conversion du courant triphasé d'entrée en un courant continu, avec un dispositif de lissage, on peut obtenir que les deux systèmes triphasés travaillent découplés dans une grande mesure l'un par rapport à l'autre. Il est encore possible ainsi, dlatteindre des fréquences de sortie notablement plus élevées que 50 Hz. Une limite de la fréquence est fixée par le temps de rétablissement (de la capacité de blocage) des thyristors. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné, le système onduleur de ce convertisseur est command8 au moyen d'un dispositif de commutation.Lorsqu'on travaille avec une machine asynchrone triphasée raccordée aux bornes triphasées de ce système onduleur, la tension qui apparat aux bornes des condensateurs de commutation du dispositif de commuta- tion se compose des éléments suivants a) une partie de la tension de la machine, b) un excédent de charge dépendant de l'intensité du courant absorbé par la machine0 Afin que la tension n'excède pas les limites admiseibles pour les thyristors, il faut que les condensateurs du dispositif de commutation aient une certaine capacité minimale La valeur maxille de la capacité de commutation est cependant fixée par la nécessité d'assurer la possibilité de la commutation, meme a la fréquence la plus élevée.Tout accroissement de cette capacité, en vue de soustraire les thyristors aux pointes de tension dangerences. entratne en meme temps une réduction de la fréquence maximale de fonctionnement. L'objet de l'invention est de réaliser un couvertisseur du genre décrit dans le préambule, aveo une capacité de commutation renforcée, en évitant les pointes de tension dangereuses appareis- sant sur les thyristors ainsi qu'une réduction de la fréquence mati- mals de fonctionnement. La solution de ce problème est caractérisée par le fait que le système onduleur se compose de deux au moins, ou de plusieurs onduleurs partiels connectés en parallèle, réunis par leurs bornes à courant continu et par leurs bornes triphasées, et que pour les valeurs inférieures du courant de sortie, seule est en ser vice une partie des onduleurs partiels connectés on parallèle. Le fractionnement d'un onduleur en plusieurs onduleurs partiels connectés en parallèle, est connu en soi (documents DT-AS 1.488.096, Dr-As 23 48 157). Dans ce cas, cependant, toutes les tensions partielles sont nécessaires pour la formation dune tension de sortie globale, c'est-à-dire qu'il faut commander tous les onduleurs en coordonnant les séquences de commande des différents onduleurs partiels. Le fractionnement du dispositif selon l'invention entrain pratiquement un fractionnement de la capacité de commutation effective.Pour de petits courants, c'est-à- dire par conséquent lorsque la commutation dure relativement longtemps, la capacité de commutation effective se trouve réduite du fait que le courant ne passe que par un seul des onduleurs partiels, il résulte une accélération du processus de commutation ce qui permet de relever la limite de fréquence supérieure de l'onduleur. Nous allons expliquer l'invention plus en détail à l'aide d'un exemple non limitutif de réalisation, représenté au desoin annexé sur lequel La figure 1 montre le convertisseur selon l'invention Le convertisseur se compose essentiellement d'un système redresseur 2 piloté par le secteur et par un système onduleur 5. Le système onduleur 3 est constitué par deux au moins, ou plusieurs onduleurs partiels 4, 5 connectés en parallèle. Le système redres- seur 2 est réalisé sous la forme d'un montage en pont. I1 comporte trois branches de pont, chacune avec deux thyristors montés en série, à savoir 6 et 7, 8 et 9, 10 et 11. Le point milieu de chacune des trois branches du pont est raccordé à l'une des trois bornes triphasées R, S, T par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance 12, t3, 14. Le système redresseur 2 est raccordé au système onduleur 3 au moyen d'un circuit intermédiaire à courant continu 15. Une bobine d'inductance 90 est insérée dans ce circuit interm4- diaire à courant continu 15.Cette bobine d'inductance 90 joue un rôle d'accumulateur d'énergie et réalise un découplage entre les deux circuits. Le système redresseur 2, ensemble avec la bobine d inductance 90, agit comme une source de courant qui fournit un courant continu imposé Id. Le système onduleur 3 est raccordé au circuit intermédiaire à courant continu 3 par ses bornes à courant continu 151 et 152. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné, le système onduleur 3 est constitué par deux onduleurs partiels 4 et 5' Chacun des deux onduleurs partiels 4 et 5 a la structure d'un montage en pont. Chacun d'eux comporte trois branches de pont, chacune avec deux thyristors montés an série, à savoir 16 et 17 18 et 19, 29 et 21 d'une part, 22 et 23, 24 et 25, 26 et 27 d'autre parte Les onduleurs partiels 4 et 5 sont réunis entre eux et avec la machine asynchrone à vitesse variable 80 alimentée par l'onduleur par leurs bornes à courant triphasé R 2, S 2 et T 2. Chaque demi-pont 40 et 41 d'une part, 42 et 43 d'autre part, des deux onduleurs partiels 4 et 5, comporte son propre dispositif de commutation respectif, 28 et 29, 30 et 31. Les dispositifs de commutation 28, 29, 30, 31 sont insérés respectivement dans les demi-ponts 40, 41 42, 43 entre les thyristors 16, 18, 20 ou 17, 19, 21 ou 22, 24, 26 ou bien 23, 25, 27 des onduleurs partiels 4 et 5, et les bornes de raccordement triphasées de sortie R 2, S 2 et T 2.Les dispositifs de commutation 28, Zg, 30, 31 sont constitués et insérés comme suit dans les demi-ponts 40, 41, 42 et 43 ; deux condensateurs branchés en série 32 et 33, 34 et 35, 36 et 37 ou 38 et 39 réunis- sent les trois branches d. chacun des demi-ponts 40, 41, 42,42. En parallèle sur les deux condensateurs 32 et 33, 34 et 35, 36 et 37 ou 38 et 39 est branché un troisième condensateur 50, 51, 52 ou 53, qui réunit ensemble la première et la troisième branche de chacun des demi-ponts 40, 41, 42 et 43. De plus, chacun des di5- positifs de commutation 28, 29, 39 et 31 comporte trois diodes, respectivement 60, 61, 62 ; 63, 64, 65 ; 66, 67, 68 ; 69, 70, 71. Chscune de ces diodes est insérée, dans le sens conducteur, dans l'une des trois branches de chacun des demi-ponts 40, 41, 42 et 43, ntre les condensateurs et les bornes de sortie triphasées R 2, S 2, T 2. Le convertisseur selon l'invention fonctionne de la ma- nitre suivante : Dans le domaine de fréquences allant jusqu'au point de définition du type de la machine asynchrone triphasée, les ondu- leurs partiels 4, 5 sont tous en sorvice. Pour expliquer le fonc- tionnement nous allons supposer maintenant qu'à 11instant tO seuls sont conducteurs les thyristors 16 et 21 ainsi que 22 et 27, appartenant respectivement aux deux onduleurs partiels 4 et 5. Les autres thyristors étant bloqués, ne laissent pas passer de courant. Une fraction composante Idl du courant continu imposé arrivant au point 151 passe dans le thyristor 16, tandis qu'une deuxième fraction composante Id2 de ce courant continu imposé Id passe par le thyristor 22. Les deux fractions composantes Id1 et Id2 du courant continu Id ainsi partagé sont égales. La répartition du courant est déterminée par les résis- tance s des éléments semi-conducteurs dans le sens de la eonduc- tion. Eventuellement, on peut aussi utiliser e résistances d'équilibrage. Après le chyristor 16 ou 22, le courant Id1 ou Id2 passe respectivement par la diode 60 ou 66 et par la borne de sortie triphasée R 2 2 pour aller dans la machine asynchrone 80. Ensuite, de la phase T 2de la machine asynchrone 80 le courant revient respectivement par les diodes 65 et 71 puis par les thyris tors 21 et 27, au point 152 du circuit intermédiaire 15. Les tensions UC 32, UC 50 et UC 36, UC 52 (non indiquées sur la figure) des condensateurs respectifs 32, 50 et 36, 52 des deux dispositifs de commutation 28 et 30 deivent être plus grandes que les valeurs de crête des tensions induites de la machine.A l'instant ti, on amorce les thyristors 18 et 2a. Le courant continu imposé Id, c'est à-dire ses fractions composantes Idi et Id2 se commutent en un temps très court des thyristors 16 et 22 sur les thyristors 18 et 24, les tensons des sondensateurs de commutation respectifs 32, 50 et 36, 52 agissant comme des tensions de blocage pour les part ristors 16 et 22. Cotte durée de la commutation est en général négligeable pour le processus de commutation au fréquences basses. Le courant continu imposé Id, c'est-à-dire ses tractions composan- tes Id1 et Id2 circulent après la commutation du point 151 du circuit intermédiaire à courant continu 15 par les thyristors 18, 24 puis par les condensateurs de commutation 32 et 36 ot les diodes 60, 66 vers la phase R 2. Le retour du courant à travers les en roulements de la machine puis au point 152 du circuit intermédlaire à courant continu s'effectue de la manibre qui a déjà été décrite ci-dessus.A cet instant les diodes respectives 61 et 67 des die- positifs de commutation 28 et 30 ne peuvent pas encore do venir conductrices, car aussi bien les tensions des sanionsateurs 32, 36 que celles des condensateurs 33, 58 et 37, 52 des dispositifs de commutation 28 et 30, ainsi que la valeur instantanés UR2, S2 de la tension composée de la machine asynchrone, détermigont encore aux bornes de ces diodes 61 et 67 une tension avec une polerité inverse. Les diodes 62 et 68 restent ainsi bloquées. Du ait de cette configuration des tensions, les condensateurs de commutation 32, 33 et 50 ainsi que 36, 37 et 52 des deux dispositifs de semma- tation 28 et 30 se chargent ou se déchargent (selon le cas), avec les fractions composantes Idl et Id2 du courant imposé Id. A l'ins- tant t2 le condensateur 32 ou 36 est chargé ou déchargé. Avec un dimensionnement convenable des circuits de commutation, les diodes 61, 62 et 67, 68 restent encore bloquées du fait des tensions de la machine et des condensateurs. L; charge des condensateurs des deux dispositifs de commutation 28 et 30 continuent donc à évoluer sous l'effet des courants Id1 et Id2.La circulation du courant dans la machine asynchrone n'est pas modifiée par ce premier pas du phénomène de commutation. A l'instant t3 la polarité de la tension stinverse sur les diodes 61 ou 67, ces diodes deviennent conduc trices. Les courants de commutation Ik1 st Ik2 (non représentés sur la figure) qui se trouvent alors imposés dans les "circuit oscillants @@ de commutation, sont dirigés en sens inverse des cou rants qui traversent les diodes 60 et 66 des deux dispositifs de commutation 28 et 30.Les courants résultants IRI = Idl-Ikl et IR2 = Id2 - Ik2 qui passent respectivement dans les diodes 60 et 66 et dans la phase R 2 de la machine asynchrone tendent à slannu ler tandis que le courant dans la phase S 2 augmente par contre. Le processus de commutation est terminé lorsque Ik1 = Idi et que Ik2 = Id2. Le courant imposé Id a été commuté ainsi de la phase R 2 dans la phase S 2 de la machine asynchrone. Au cours du proces sus de commutation ainsi décrit7 les condensateurs 33 et 37 des deux dispositifs de commutation 28 et wO ont été chargés de manière à assurer l'extinction des thyristors 18 et 24 au moment où 1 lon amorcera les thyristors 20 et 26g Avec ce procédé, le processus de commutation s'effectue ainsi au moins en deux stades, pour opaque dispositif de commuta- tion.Le premier stade consiste en une charge ou inversion de char- ge des condensateurs de commutation par les courants continus P;a et Id2. Le deuxième stade est caractérisé par l'entrée en action des circuits oscillants de commutationa La commutation, dans les demi-ponts 41 et 43 des deux onduleurs partiels 4 et 5 s'effectus d'une manière identique à celle qui a été décrite ci-desses pour les deux dems-ponts 40 st 42. Tous les stades successifs du prooes- sus de commutation s'effectuent simultanément dans tous les onduleurs partiels qui sont en service. Ainsi qu'on la déjà mentiorné plus haut, ce mode de fomc- tionnement du convertisseur, n'est valable que pour un domaine de fréquences allant jusqu'au point de définition da type de la machine asynchrone triphasée. Pour le fonctionnement à charge partielle, aux fréquences élevées, un seul onduleur partiel reste en sezvice, après blocage des impulsions de commande des autres onduleurs partiels. Lorsqu'on travaille avec un seul onduleur partiel, la commutation de celui-ci s'effectue exactement de la même manière que la commutation de tous les onduleurs partiels, décrite ci-dessus. R R V E N D I C A T I O N 1.- Convertisseur avec un système redresseur piloté par le réseau et un circuit intermédiaire à courant continu réglé en courant ainsi qu'avec un système onduleur autonome avec un dispositif de commutation composé de condensateurs et de diodes pour l'extinction séquentielle des phases, et une machine asynchrone à vitesse variable raccordée aux bornes triphasées du système ondu- leur, caractérise par le fait que le dispositif onduleur (3) est constitué par deux au moins ou plusieurs onduleurs partiels (4 et 5) connectés en parallèle, réunis entre eux par les bornes à courant continu (151 et 152) ainsi q-le par les bornes triphasées (Ra, Sa, T2), et que pour de faibles valeurs du courant de sortie, seule une partie des onduleurs partiels (4, 5) connectés on parallèle est en service.