Brevet FR2427728A1 — publié le 19791228

L'invention concerne un onduleur en pont, et notamment un tel onduleur à puissance réglable et à rendement améliore, et destine au chauffage par induction. Un tel onduleur est généralement constitué par quatre thyristors en pont, chacun d'eux étant monté tête-bèche avec une diode. Une diagonale du pont est alimentée en courant continu ou redressé, tandis que l'autre diagonale comporte un circuit oscillant comprenant une capacité et une inductance en série avec un circuit d'utilisation comprenant le primaire d'un transformateur dont le secondaire est relié à un circuit oscillant comprenant les inducteurs de chauffage. Ce circuit oscillant d'utili- sation possède une fréquence propre dite fréquence de l'onduleur qui dépend en partie des caractéristiques de la charge appliquée aux inducteurs de chauffage. Les thyristors sont commandés d'une manière connue par un dispositif délivrant à chaque alternance une impulsion de commande aux gâchettes des thyristors.Ce dispositif est généralement constitué par un oscillateur dont la fréquence est commandée par une tension réglable. On peut agir sur la puissance délivrée aux inducteurs de chauffage en faisant varier la fréquence du dit oscillateur de commande.La puissance est milximum pour ute fréquence équ-val- fe u à la f^- q.en-e propre du circuit d'utilisations- Le rendement d'un tel onduleur à puissance maximum dépend de différents facteurs de construction, mais atteint souvent 90 pour cent. En diminuant la fréquence de commande, on diminue la puissance active délivrée par les thyristors au circuit d'utilisation, mais on augmente la puissance réactive, la puissance totale étant sensiblement constante, ce qui diminue en proportion le rendement de l'appareil.Ce rendement varie par ce procédé pratiquement comme la puissance ; par exemple, pour une puissance aux inducteurs de chauffage de l'ordre du cinquième de la puissance maximum, le rendement tombe à prés de 20 pour cent. Un objet de l'invention est un onduleur dont le rendement reste à peu près constant aux puissances d'utilisation inférieures à la puissance maximum. Pour cela au lieu de déclencheur les thyristors à chaque alternance, on commande leur déclenchement à une fréquence nettement inférieure å la fréquence de l'onduleur, le circuit oscillant d'utilisation oscillant alors librement entre deux apports d'énergie par les thyristors. L'onduleur selon l'invention est caractérisé en ce que le dispositif délivrant une impulsion de commande aux thyristors comporte un oscillateur dont la fréquence, dite fréquence de répétition, est réglable et est toujours inférieure ou égale aux deux tiers de la fréquence de l'onduleur. D'autres caractéristiques apparaîtront au cours de la description de réalisations, donnée ci-après avec les figures qui représentent La fig. 1 le schéma drun onduleur en pont, La fig. 2 le schéma d'un circuit d'utilisation, La fig. 3 le schéma du dispositif de commande des thyristors. La fig. 4 une graphique indiquant les formes d'onde et les impulsions ci culant dans l'anduleur, La fig. 5 une courbe donnant la puissance en fonction de la fréquence de répétition, La fig. 6 le schéma d'un circuit d'utilisation délivrant une fréquence basse égale aux tiers de la fréquence de l'onduleur, et La fig. 7 un graphique indiquant les formes d'ondes et les impulsions concernant la variante à fréquence basse On voit sur la figure 1 le schéma connu d'un onduleur en pont avec sa source continue 31 (ou redressée) et son condensateur 32, les deux paires de bras comportant les thyristors THI et Tri 'et TH2, Tua'montés chacun tête-bèche avec les diodes respectivement Dl, Du'et D2, DU. La diagonale parcourue par un courant alternatif comporte un condensateur 33, une self 35 et un circuit oscillant d'utilisation 34 représenté schématiquement sur la figure 2, et comportant un transformateur élévateur de tension 36 ayant son secondaire 38 relié par des câbles mobiles 39 aux inducteurs d'utilisation représentés par l'inductance 41 et la résistance 4?, montés aux bornes d'un condensateur 43. Le dispositif de commande des thyristors représenté fig.3 comporte un dispositif de mesure 44 de l'intensité instantanée parcourant le circuit d'utilisation 34, ainsi qu'un dispositif de mesure de la tension instantanée 46 aux bornes de ce circuit, un circuit multiplicateur connu 47 reçoit les signaux émis par les dispositifs 44 et 46 et élabore une tension proplortionnelle au pro duit V.I. cos p donnant la puissance active parcourant le circuit 34. Cette tension est envoyée à un comparateur 49 après avoir traversé le moyenneur 48. Ce comparateur 49 revoit une tension de consigne émanant du potentiomètre 51 maneuvrable de l'extérieur, et envoie au circuit 52 une tension égale à la différence des tensions provenant du potentiomètre 51 et du moyenneur 48.Le circuit 52 se compose essentiellement d'un oscillateur à fréquence commandée par tension, lorsque la tension croit la fré uonce augulerre et vice-vrs. Ce circuit 52 dél vrre d'une m nie--e connue par l'intermédiaire de bistables , à sa fréquence d'oscillation, des impulsions de commande aux thyristors TH1, THI' et TH2, TH2'. Ainsi qu'il sera expliqué plus loin la puissance de l'onduleur croît avec la fréquence.On voit que si la tension représentant la puissance active est plus forte que la tension de consigne émanant du potentiomètre 51, le comparateur délivrera une tension négative tendant à abaisser la fréquence du circuit 52, ce qui provoquera une baisse de la puissance de l'onduleur, et par conséquent une baisse de la tension représentative jusqu'à ce qu'elle soit-égale à-la tension de consigne 51. La maneuvre du-potentiomètre 51 permet donc de commander la puissance de l'onduleur. On se reportera pour les explications de fonctionnement qui suivent, aux graphiques de la figure 4. On a vu qu'une caractérisitique importante del'inventiori résidait dans le fait que la fréquence de répétition de l'oscillateur de commande des thyristors 52 était au plus égale aux deux tiers de la fréquence de l'onduleur, c'est celle qui correspond aux graphiques A, B et C de la figure 4 représentant en A les oscillations du circuit 52 après traitement par bistable. Le début All et la fin A14 d'une demi-oscillation déclenchant les impulsions de commande Bîl pour les~thyristors TRI et THl'et C14 pour les thyristors TH2 et TH2'. fle meme la demi-oscillation carrée A17 A20 donne les impulsions B17 et -C20 respectivement aux memes thyristors. Les courants circulant dans les branches 1,1' et 2,2' sont données sur la ligne D. Après amorçage par l'impulsion Bîl les thyristors THI, TH1 sont conducteurs et laissent passer la demialternance Dll - D12. Al'inversion de tension en D12, TH1. et TH1' ne sont plus conducteurs mais les diodes Dl, D1' sont conductrices et laissent passer le courant en inverse entre D12 et D13.. Les oscillations de l'onduleur ont. été représentées sur la l ne E. Sein l'hypothe'e qui a été faite d'urne fréquence de répétition égale au deux tiers de la fréquence de l'onduleur, les périodes où les thyristors sont passants sont en phase avec les périodes d'oscillation de l'pnduleur. Entre E13 et E14, aucune diode ou thyristor n'est passant et la demi-oscillation s'effectue en oscillation libre dans le circuit oscillant d'utilisation. Sur les lignes F et G on a représenté l'oscillation de répétition (F) et les courants passant dans les branches 1 et 2 (G) pour une fréquence de répétition égale aux deux cinquièmes de la fréquence de l'onduleur. Entre G13 et G16 aucune énergie n'est fournie par le pont au circuit d'utilisation. Sur les lignes H, I, et J on a représenté les mêmes grandeurs pour une fréquence de répétition égale aux deux septièmes de la fréquence de l'onduleur. Le début Hîl de la première oscillation du circuit oscillant de répétition provoque la conductibilité des thyristors TH1, TH1', puis cinq demi-alternances plus tard celle des thyristors TH2, TH2'ce qui produit deux alternances I'll, I'13 et I'18, I'20 au cours desquelles de l'énergie est envoyée dans le circuit d'utilisation. On voit sur la ligne J la représentation des oscillations dans ce circuit d'utilisation. De Jll à J13 ces oscillations suivent celles qui lui dont imposées par les diodes et thyristors. De J13 à J18 les oscillations s'amor tussent dans le circuit d'utllis2tion ainsi qu'lu est marqué par les lignes en pointillé 53 (fig.4). Entre J18 et J20 les oscillations sont fcrcées par les thyristors et diodes TH2, TH2' et D2, D2' pour s'amortir de nouveau après J20. Comme la fréquence de répétition est supposé être exactement les deux septièmes de la fréquence du circuit d'utilisation, les oscillations J18 à J20 sont en phase avec les oscillations amorties de J13 à J18. Plusieurs remarques peuvent être faites sur le fonctionnement de ce type d'onduleur. D'abora il existe toujours au moins une demi-periode où aucun thyristor n'est passant (D13 à D14, G13 à G16, J13 à J18 etc...), ceci présente l'avantage -de protéger naturellement les thyristors contre une élévation trop rapide d'une tension inverse. Dans les onduleurs de l'art antérieur,ces thyristors étaient protégés par les diodes montées en parallèle (dont c'était l'unique raison d'être) et il fallait des dispositions pour éviter un amorçage du thyristor inverse pendant la durée de récupération du thyristor direct ceci entraînait unecomplication des circuits. De plus la période de conduction de la diode avant amorçage, puis après amorçage du thyristor inverse,produisait une déformation des oscillations néfaste au rendement.Ensuite on avait tendance pour éviter ce dernier inconvénient, et pour augmenter-leur temps de conduction et par conséquent la puissance de l'onduleur à utiliser des thyristors ayant un temps de récupération extrèmement faible, c'est à dire des thyristors d'un prix élevé dans un montage compliqué qui ne les mettait pas totalement à l'abri de dégradations. Ici la durée de récupération des thyristors n'intervient pas : même dans les produits les moins chers,- cette durée de désionisation est toujours inférieure à une demi-oscillation et il n'y a pratiquement aucun risque de dégradation par application trop rapide d'une tension.D'ailleurs un dispositif simple de sécurité permet de limiter la montée de la fréquence de répétition au delà des deux tiers de la fréquence onduleur, ce qui aurait pour effet de réduire l'intervalle de non conduction des thyristors. Ensuite le rendement de l'appareil diminue en fonction de la création d'énergie réactive. On a fait l'hypothèse ici que les oscillations de répétition avaient des fréquences en rapport 2 avec la fréquence de l'onduleur 2 2 adéquat avec la fréquence de l'onduleur (2 2, 2 etc...) ce qui 3 5 7 évitait la formation d'énergie réactive. On aura donc toujours. intérêt à se replacer au voisinage de ces fréquences. Mais meme si on ne peut procéder ainsi, le montage selon l'invention est avantageux puisqu'il ménage toujours au moins une aeml-periode, et souvent beaucoup plus, en régime d'amortissement pendant lequel il n'y a pas d'échange d'énergie réactive. Le rendement sera d-'autant meilleur que, pour une puissance donnée, les thyristors pourront supporter une intensité plus forte(avec un temps de récupération important) et que la fréquence de répétition sera faible. La figure 5 représente la courbe donnant la puissance en fonction de la fréquence de répétition. On a vu que la fréquence de répétition maximum correspondait aux deux tiers de la fréquence FO de l'onduleur, soit 100 cette fréquence de répétition, et qu'à cette fréquence la puissance était maximum. Lorsque. cette fréquence diminue, le nombre d' oscillations au cours desquelles les branches du pont sont conducteurs c'est à dire au cours desquelles de l'énergie est fournie au circuit d'utilisation, diminue pour une durée déterminée. Autrement dit la puissance cédée au circuit d'utilisation, diminue avec la fréquence. De plus un déphasage se produit entre les oscillations du pont et celles du circuit d'utilisation produisant un échange d'énergie réactive et une diminution de rendement.La courbe de puissance diminue depuis la puissance maximum en M jusqu'en N, où les oscillations sont en opposition. A partir de N la puissance croît de nouveau jusqu'en P iu moment où les oscillations sont remises en phase pour une fréquence de répétition égale aux deux cinquièmes de la fréquence FO. La courbe se répète de la même façon entre P et Q, et entre Q et B, les maximums en R et P lutant inférieurs au maximum en M, dans u; rapport sensiblement égal au rapport des fréquences puisque, comme on l'a vu, le nombre d'oscillations par unité de temps, où il y a apport d'énergie au circuit d'utilisation, varie avec la fréquence de répétition. Mais la fréquence est asservie à la puissance que l'on a affichée grâce au potentiomètre 51 (fig.3). On voit que pour une puissance donnée la fréquence va croître (ou décroître jusqu'à ce que la puissance consignée soit obtenue, et seules les branches de la courbe SR, MP; UM seront suivies, la fréquence de répétition passant directement de R à T et de P à U lorsque la puissance affichée franchit les niveaux marqués par les lignes pointillées RT ou PU. C'est ce qu'on observe sur l'appareil où, lorsqu'on fait varier progressivement la puissance par le potentiomètre 51, la fréquence varie par saccades. Les caractéristiques signalées de ce type d'onduleur, et en particulier le fait qu'il y a des périodes sans échange d'énergie entre les thyristors et le circuit d'utilisation, peuvent être mises à profit pour réaliser une variante où le même onduleur peut être utilisé à des fréquences basses égales au tiers de la fréquence d'utilisation normale. La figure 6 représente schématiquement le montage permettant d'obtenir ce résultat. Le circuit d'utilisation 34 (fig.l)est composé-d'un transformateur 54 dont- le secondaire est à trois prises.-- La prise médiane -56 est reliée à une extrémité des inducteurs d'utilisation 41, 42 tandis que les prises d'extrémité 57;58 sont reliées chacune à un circuit de redressement à deux diodes 61, 62 et 63, 64 dont l'alternance est commandée par les thyristors 66 et 67 commandés par le circuit de répétition sensiblement en même temps que respectivement les thyristors TH1, TH1' et TH2, TH2'. Une représentation des différentes oscillations est donnée figure 7. En A on voit les ondes carrées, et en B et C des impulsions correspondantes émises par l'oscillateur de répétition 52 (fig.- 3). En D sont les oscillations émises par le circuit représenté fig.l et appliquées au primaire du transformateur 54 (fig.6). Ces oscillations sont redressées par les diodes 61, 62 et 63, 64 tantôt dans un sens tantôt dans l'autre selon que les thyristors 66 au 67 sont conducteurs. Les oscillations figurant sur la figure F sont appliquées aux inducteurs d'utilisation 41, 42 (Fig.6) qui forment avec le condensateur 43 le circuit oscillant d'utilisation préalablement accordé à la fréquence basse. Celui-ci soumis aux oscillations doubles alternées-, représentées en F, entre en oscillation selon la fréquence fondamentale représentée en G. On voit que cette fréquence est le tiers de la fréquence de base de 1'onduleur. La puissance~de ce type d'onduleur en fréquence basse estrégtîlée de la même façon qu'en fréquence haute, avec un rendement analogue en faisant varier la fréquence de répétition. REVENDICATIONS I. - Onduleur constitué par quatre thyristors en pont chacun d'eux étant monté tête-bèche avec une diode, une diagonale du pont étant alimentée en courant continu, l'autre diagonale constituant un circuit oscillant avec un condensateur, une inductance et un circuit d'utilisation ayant une fréquence propre dite fréquence de l'onduleur, les dits thyristors étant commandés par un dispositif de commande, onduleur caractérisé en ce que le dit dispositif de commande comprend un oscillateur dont la fréquence, dite fréquence de répédition, est règlable et est toujours égale ou inférieure aux deux tiers de la fréquence de l'onduleur. 2. - Onduleur selon la revendication I, caractérisé en ce que la fréquence de répétition est asservie à la puissance active dans le circuit d'utilisation, la fréquence croissant dans le même sens que la puissance, la fréquence de consigne pour une puissance, déterminée étant fixée par une tension affichee. 3. - Onduleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de conmande est essentiellement constitué par un dispositif de mesure de la puissance active traversant le circuit d'utilisation, dispositif de mesure transmettant une tension proportionnelle à la dite mesure vers un comparateur recevant d'autre part une tension de consigne et transmettant la tensisll résultant de la comparaison de la dite tension de consigne avec la tension provenant du dispositif de mesure de puissance active, vers un oscillateur à fréquence commandée par tension, la dite fréquence étant la fréquence de répétition. 4. - Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'utilisation est constitué par le primaire d'un transformateur dont le secondaire comporte une prise médiane, un circuit de redressement alterné comportant quatre diodes et deux thyristors, étant monté sur les trois sorties du secondaire, le dit circuit de redressement étant relié a' un circuit oscillant d'utilisation.