Brevet FR2437728A1 — publié le 19800425

La présente invention concerne un dispositif d'extinction et une protection a maximum de courant pour un convertisseur statique de fréquence à circuit intermédiaire comprenant un condensateur de filtrage ou d'un onduleur autocommuté avec un condensateur de filtrage à l'entrée. On connaît des montages de convertisseurs statiques autocommutés, dans lesquels des transistors assurent l'extinction de thyristors. Les propriétés avantageuses des thyristors et des transistors sont ainsi mises à profit. I1 s'agit essentiellement de la possi bilité de coupure des transistors par le courant de commande et du faible prix des thyristors par rapport à celui des transistors. Par rapport aux thyristors, les transistors de puissance permettent de supprimer dans les convertisseurs statiques autocommutés les montages de commutation, constitués par des condensateurs, des inductances et des thyristors auxiliaires. La commande de transistors de puissance est par ailleurs plus coûteuse car, du fait de leurgain en courant plus faible, ils exigent des courants de commande relativement élevés, qui doivent en outre être délivrés pendant toute la durée de conduction. Pour la coupure, le courant de commande doit en outre être non seulement annulé, mais encore rendu négatif pendant une courte durée. L'avantage de la possibilité de coupure des transistors de puissance par I'intermédiaire de la gâchette s'accompagee d'une commande plus complexe, d'une faible surcharge en courant admissible et d'un prix surérieur. Les transistors de puissance présentent depuis quelques années une importance croissante pour l'électronique de puissance, grâce a l'amélioration de leurs valeurs limites et a la réduction de leurs coûts de production. La demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le nO 25 38 317 décrit un montage dans lequel le transistor est en parallèle avec le thyristor. Le thyristor assure le branchement et la conduction du courant, tandis que le transistor coupe le montage par un bref transfert du courant du thyristor. Le branchement. Le branchement s'effectue par amorçage du thyristor à l'aide d'une brève impulsion i G du courant de gâchette. Le thyristor assure le passage du courant dans la mesure permise par le circuit, jusqu'à l'instant ou le transistor est commandé par un signal iB. Le transistor doit alors conduire le courant pendant le temps de désionisation nécessaire au thyristor. Le transistor est ensuite coupé par suppression de son signal de commande iB. Les avantages du montage connu résident dans la suppression des circuits de commutation des convertisseurs statiques autocommutés et dans la puissance de commande, faible par- rapport à celle des transistors de puissance. Ce montage permet en outre une meilleure utilisation du transistor, par suite de l'absence de pertes de mise sous tension ou de transmission. La fréquence limite supérieure de ce montage de soupapes dépend du temps de deionisation des thyristors utilisés. Le montage de soupape est utilisable jusqu'à de basses fréquences de service quelconques (en courant continu à la limite). Dans les convertisseurs statiques de fréquence à circuit intermédiaire ou les onduleurs autocommutés, le condensateur de filtrage du circuit intermédiaire ou branché en parallèle avec les bornes de courant continu de l'onduleur se décharge comme un courant de choc sur les soupapes de l'onduleur dans le cas d'un raté de commutation ou d'un court-circuit à la sortie de l'onduleur. Afin d'interdire la destruction des soupapes, une bobine de protection limite la valeur de crête du courant dans les montages connus et le courant de choc produit par un raté de commutation est supporté par un thyristor supplémentaire (de court-circuitage), qui est branché à l'entrée de l'onduleur ou dans le circuit intermédiaire et décharge les soupapes. Les courants de choc apparaissant dans les montages connus sollicitent fortement les condensateurs et notamment les amenées de courant, en réduisant ainsi leur capacité et leur durée de vie. Un thyristor spécial est en outre nécessaire comme thyristor court-circuiteur, devant supporter lé courant de choc intense. Des interrupteurs ou fusibles sont de plus nécessaires pour interrompre l'alimentation par le réseau. La revue "Wissenschaftliche Berichte" AEG-TEFUNKEN 50 (1977), nO 1/2, page 46 décrit une protection à maximum de courant pour un onduleur autocommuté à thyristors, avec un transistor de puissance disposé entre le condensateur de filtrage et l'onduleur. Lorsque pour une raison quelconque une soupape de l'onduleur ne peut plus s'éteindre ou reçoit une impulsipn erronée, l'onduleur decroche et le condensateur de filtrage se décharge sous forme d'un courant de choc sur l'onduleur. Le transistor peut être coupé ins tantanément dans ce cas, de sorte qu'une surintensité est évitée, car le courant n'a pas pu croitre de façon notable pendant le temps de coupure du transistor. Dans cette protection connue à maximum de courant, ni les soupapes de l'onduleur, ni les condensateurs de filtrage ne sont chargés par des courants de choc. Un ratée commutation ne fait en outre fonctionner ni des fusibles, ni des interrupteurs rapides, de sorte que des interruptions de service sont évitées. L'invention vise à simplifier les montages connus pour l'extinction des soupapes d'un convertisseur statique de fréquence a circuit intermédiaire ou d'un onduleur autocommuté et à réaliser simulta nément une protection à maximum de courant efficace, garantissant qu'un raté de commutation de l'onduleur ou du convertisseur statique de fréquence ne fait fonctionner ni fusibles, ni interrupteurs rapides, de sorte que les condensateurs de filtrage ne -sont pas sollicités par un courant de choc. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un premier inteRrupteur à semiconducteurs est branché en série avec le condensateur de filtrage; et le montage en série du condensateur de filtrage et du premier interrupteur à semiconducteurs est en parallèle avec le montage en série d'un second interrupteur à semiconducteurs et d'une source de tension, de polarité opposée A celle de la tension du circuit intermédiaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, le second interrupteur a semiconducteurs et la source de tension sont en série avec un thyristor auxiliaire relié aux thyristors réunis par les anodes de l'onduleur à éteinre, un thyristor auxiliaire relié aux thyristors réunis par les cathodes de l'onduleur A éteindre, un thyristor auxiliaire relié aux diodes de retour de courant de l'onduleur, réunies par les anodes, et un thyristor auxiliaire relié aux diodes réunies par les cathodes de l'onduleur, les diodes de retour de courant étant découplées par des diodes de blocage des thyristors de l'onduleur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le montage en série du condensateur de filtrage et du premier interrupteur à semiconducteurs est branché, par une première diode de blocage, en parallèle avec le montage en série d'un troisieme interrupteur à semiconducteurs et d'une seconde source de tension de polarité opposée à celle de la tension du circuit intermédiaire; et le montage en serie du second interrupteur à semiconducteurs et de la premiere sóurce de tension est branché, par une seconde diode de blocage, en parallèle avec le montage en série du condensateur de filtrage et du premier interrupteur à semiconducteurs. L'inuention simplifie notablement les circuits de commutation connus (circuits d'extinction) et diminue par suite les coûts, tout en augmentant la fiabilité par une réduction des interrupteurs de puissance nécessaires pour la commutation. La protection à maximum de courant intégrée au dispositif d'extinction garantit l'absence de fonctionnement de fusibles ou d'interrupteurs rapides er cas d'un raté de commutation de l'onduleur ou au convertisseur statique de fréquence, ainsi que l'absence de sollicitation des condensateurs de filtrage par onde de choc, Le montage à semiconducteurs, déconnectable et prévu pour la protection contre les surintensités, est en outre parcouru non par le courant de charge, mais uniquement par le courant alternatif superposé, c'est-à-dire par le courant du condensateur. Le courant dans l'onduleur ne croit que lentement auprès le fonctionnement de la protection à maximum de courant, par suite de la bobine de filtrage dans le circuit intermédiaire, de sorte que l'onduleur peut être coupé sans appareillage supplémentaire, puis est de nouveau instantanément prêt à fonctionner. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et du dessin annexé sur lequel les figures 1 et 2 représentent un onduleur triphasé autocommuté, avec un circuit intermédiaire à tension continue et un circuit d'extinction totale, constitué par deux interrupteurs à semiconducteurs; et la figure 3 represente un onduleur triphasé autocommuté, avec un circuit intermédiaire à tension continue, une protection à maximum de courant èt deux circuits d'extinction indépendants. L'onduleur triphasé autocommuté représenté à la figure 1 est constitué par les thyristors 1 à 6, les diodes de retour de courant 7 à 12 et un circuit intermédiaire à tension continue; il comporte un circuit d'extinction, qui assure l'extinction simultanée de tous les thyristors à chaque fois. Le circuit d'extinction, qui peut aussi être appelé circuit d'extinction totale, est constitué par deux interrupteurs à semiconducteurs (transistors ou thyristors blocables) Tî et T2. Le premier interrupteur à semiconducteurs est constitué par un transistor (ou un thyristor blocable) T1 en couplage antiparal lèle avec une diode D1. I1 est monté en série avec le condensateur de filtrage Cp du circuit intermédiaire à tension continue. p Ce montage constitue selon l'invention la protection à maximum de courant de l'onduleur en aval. Ce montage est en parallèle avec la branche d'extinction, constituée par un second interrupteur à semiconducteurs T2 et une source de tension Eo, de polarité opposée à celle de la tension du o circuit intermédiaire. Le fonctionnement du dispositif d'extinction et de protection à maximum de courant selon l'invention est le sui vant. Pour éteindre un thyristor de l'onduleur, le premier interrupteur à semiconducteurs T1 est d'abord bloqué, afin d'interdire le court-circuitage du condensateur C du circuit intermé- p diaire lors du branchement du circuit d'extinction T2, E o Le courant de charge IL et le courant Id du circuit intermédiaire sont commutés sur le circuit d'extinction. A la fin du temps de désionisation du thyristor de l'onduleur à éteindre, le second interrupteur à semiconducteurs T2 est bloqué, de sorte que le premier interrupteur à semiconducteurs T1 peut redevenir conducteur. Le courant est alors commuté de nouveau sur les thyristors de l'onduleur, dont l'amorçage n'a pas été interrompu.Un autre thyristor est en outre amorcé. Comme le montre également la figure, l'ensemble de semiconducteurs Tl/Dl n'est pas parcouru par le courant de charge, mais uniquement par le courant du condensateur en fonctionnement normal. Lorsqu'un des thyristors de l'onduleur ne peut pas s'éteindre ou reçoit une impulsion erronée, le premier interrupteur à semiconducteurs T1, maintenu dans l'état conducteur en service normal, est instantanément coupé, de sorte qu'une surintensité est évitée. Un bref accroissement du courant apparait uniquement pendant le temps de coupure de l'interrupteur à semiconducteurs Ti, mais ne présente aucun risque pour les thyristors de l'onduleur et le condensateur de filtrage Cp. p L'onduleur triphasé autocommuté représente à la figure 2 comporte les thyristors 1 à 6 et les diodes de retour de courant 7 à 12, ainsi qu'un circuit intermédiaire à tension continue; il comprend un circuit d'extinction, constitué par deux interrupteurs à semiconducteurs (transistors ou thyristors blocables). Un montage A semiconducteurs est constitué par un transistor (ou un thyristor blocable) T1 en couplage antiparallèle avec une diode D1 et en série avec le condensateur C du circuit intermé p diaire. Ce montage constitue simultanement la protection à maximum de courant de l'onduleur en aval. Les diodes de blocage D2 et D3 decouplent les diodes de retour de courant de l'onduleur des thyristors de ce dernier. Il est ainsi possible d'éteindre alternativement les thyristors de l'onduleur réunis par les anodes ou les cathodes. On obtient ainsi la commutation, pendant la phase d'extinction, du courant dans l'onduleur sur les diodes de récupération. L'interrupteur d'extinction, qui peut également être appelé interrupteur de commutation, est constitue par un second interrupteur à semiconducteurs (transistor ou thyristor blocable) T2, une source de tension d'extinction E de polarité fixe et tension cons o tante et quatre thyristors auxiliaires T3 à T6. Chaque opération d'extinction est déclenchée par le blocage du premier interrupteur à semiconducteurs T1. On interdit ainsi le court-circuitage du condensateur C du circuit intermédiaire p par l'interrupteur de commutation qui doit alors être fermé Pour eteindre par exemple les thyristors principaux réunis par les anodes, il convient de fermer la branche T3, T2, E et T6 o de l'interrupteur de commutation. La tension de blocage négative, délivrée par la source de tension d'extinction Eo, peut alors être transmise par les diodes de retour de courant considérées aux thyristors a éteindre. Après la désionisation du thyristor de l'onduleur correspondant, le circuit d'extinction est interrompu par le second interrupteur à semiconducteurs T2, de sorte que le premier interrupteur à semiconducteurs T1 peut être refermé. Dans le cas d'un service de l'onduleur avec amorçage des thyristors à 1800 el. le courant est commuté de nouveau sur le thyristor principal, dont l'amorçage n'a pas été interrompu pendant la durée d'extinction. Un autre thyristor de l'onduleur est en outre amorcé. Le fonctionnement de la protection à maximum de courant est identique à celui décrit à l'aide de la figure 1. L'onduleur triphasé autocommuté représenté à la figure 3 correspond à celui représenté sur la figure 2 et précédemment décrit. I1 comprend toutefois deux circuits d'extinction indépendants, constitués chacun par l'interrupteur à semiconducteurs T2 ou T3 et la source de tension d'extinction E01 ou E 2' au lieu du pont de thyristors auxiliaires T3...T6 selon figure 2. Cette solution présente l'avantage suivant : chaque interrupteur est sollicité uniquement par la demi-fréquence de commutation. Le fonctionnement de ce montage correspond à celui décrit à l'aide de la figure 2. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homRe de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Dispositif d'extinction et de protection à maximum de cou rant pour un convertisseur statique de frequence à circuit intermédiaire comprenant un condensateur de filtrage ou un ondu leur autocommuté avec un condensateur de filtrage à l'entrée, caractérisé en ce qu'un premier interrupteur à semiconducteurs est branché en série avec le condensateur de filtrage; et le mon tage en série du condensateur de filtrage et du premier interrup teur à semiconducteurs est en parallèle avec le montage en série d'un second interrupteur à semiconducteurs et d'une source de tension, de polarité opposée à celle de la tension du circuit intermédiaire. 2. Dispositif d'extinction et de protection à maximum de cou rant selon revendication 1, caractérisé en ce que le second interrupteur a semiconducteurs et la source de tension sont en série avec un thyristor auxiliaire relie aux thyristors réunis par les anodes de l'onduleur à éteindre, un thyristor auxiliaire relié aux thyris tors réunis par les cathodes de ltonduleur éteindre, un thyristor auxiliaire relié aux diodes de retour de courant de l'onduleur, réunies par les anodes, et un thyristor auxiliaire relié aux diodes de retour de courant de l'onduleur, réunies par les cathodes, les diodes de retour de courant étant découplées des thyristors de l'onduleur par des diodes de blocage. 3. Dispositif d'extinction et de protection à maximum de cou rant selon revendication 1, caaractérisé en ce que le montage en série du condensateur de filtrage et du premier interrupteur à semiconducteurs est branché, par une première diode de blocage, en parallèle avec le montage en série d'un troisième interrupteur à semiconducteurs et d'une seconde source de tension.de polarité opposee à celle de la tension du circuit intermédiaire; et le montage en série du second interrupteur a semiconducteurs et de la première source de tension est branché, par une seconde diode de blocage, en parallèle avec le montage en serine du condensateur de filtrage et du premier interrupteur. à semiconducteurs.