Brevet FR2465356A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un circuit con- vertisseur de courant électrique à contacteur, ainsi qu'un procédé de conversion d'un courant alternatif triphasé en courant continu, par redressement à deux alternances, et elle concerne plus précisément un convertisseur et un procédé de conversion tels qu'un primaire de transforma- teur reçoit un signal électrique alternatif ayant des ca- ractéristiques électriques pratiquement identiques à celles d'un courant continu pendant les alternances individuelles, à des fréquences choisies, le procédé concernant aussi la formation du signal alternant à fréquence choisie. Jusqu'à présent, les contacteurs des conver- tisseurs de fréquence utilisés ont été sous forme d'igni- trons connectés aux trois phases séparées de primaires en plusieurs parties afin que des signaux redressés à une seule alternance soient formés dans les parties séparées des primaires. La figure 1 des dessins annexés est un schéma d'un tel convertisseur de fréquence 10 à contac- teur. Le convertisseur 10 de fréquence est utilisé avec un circuit d'entrée d'un transformateur 12 ou fait partie d'un teicircuit d'entrée.Le convertisseur 10 com- prend des paires 14, 16 et 18 d'ignitrons montées en parallèle en sens inverses, ces paires étant représentées sous forme de commutateurs sur la figure 1, par raison de simplicité et étant connectées aux conducteurs 20, 22 et 24 d'une ligne 25 d'alimentation électrique triphasée et aux parties 26, 28 et 30 du primaire 32 du transforma- teur 12. Le secondaire 34 du transformateur 12 est alors relié à la charge 36 comme représenté sur la figure 1. Dans une telle structure, lorsqu'une impulsion de courant positif est formée dans le secondaire 34 du transformateur 12, le commutateur 14 est fermé pendant unepériode dans laquelle la tension entre les conducteurs 20 et 22 est positive. Le commutateur 14 s'ouvre lorsque la tension entre les conducteurs 20 et 22 n'est plus po- sitive. Le commutateur 16 est ensuite fermé lorsque la tension entre les conducteurs 22 et 24 est positive, et il est ouvert lorsque cette tension n'est plus positive. De manière analogue, le commutateur 18 est fermé en der- nier lorsque la tension entre les conducteurs 24 et 30 est positive. Dans un tel circuit, la sélection des seuls demi-cycles positifs de la tension, pour chaque phase de la ligne 25 d'alimentation triphasée, peut se poursuivre jusqu'à ce que le noyau du transformateur soit à satura- tion. Dans un tel circuit, le courant du secondaire du transformateur correspond aux demi-alternances du cou- rant triphasé du primaire. Une telle forme d'onde continue est utile lors- que le circuit secondaire du transformateur comprend une inductance considérable. La forme analogue à un courant continu, produite par le convertisseur 10, est moins affectée par l'inductance et permet une utilisation plus efficace de l'énergie du primaire. Cependant, les trois enroulements connectés du primaire du transformateur, c'est-à-dire les parties 26, 28 et 30, posent un problème au contacteur du fait de la tension élevée appliquée aux commutateurs ou igni- trons. Normalement, dans le cas d'une ligne 25 d'alimen- tation en courant alternatif à 480 V, la tension de crête qu'un contacteur doit supporter est d'environ 680 V. Cependant, étant donné la puissance de fuite entre les trois primaires 26, 28 et 30, la tension de crête aux bornes des ignitrons ou commutateurs-14, 16 et 18 est d'environ 1270 V. Des tensions transitoires élevées sont créées lors de la coupure du courant à la fin de chaque impul- sion étant donné la nature inductive du transformateur et de sa charge. De manière analogue, des interruptions du courant dues au soufflage de soudure dans le cas o le transformateur 12 est un transformateur de soudage et des problèmes analogues font apparaître des tensions pa- rasites aux bornes des enroulements primaires 26, 28 et du transformateur 12. Ces tensions parasites peuvent atteindre des amplitudes de 1000 V et plus. Etant donné la combinaison des probbmes pré- cités, tout contacteur utilisé dans un convertisseur de fréquence relié à une alimentation à 480 V doit pouvoir supporter une tension d'au moins 1820 V. L'expérience montre qu'en fait, lorsque le convertisseur de fré- quence doit avoir un fonctionnement véritablement fia- ble, la tension qui peut être supportée doit être d'en- viron 2500 V. Jusqu'à une période récente, les thyristors triodes à blocage inverse supportant 2500 V, quelle que soit leur puissance, n'étaient pas disponibles. La technologie de fabrication de ces dispositifs n'est pas encore bien au point. Ainsi, des thyristors triodes supportant 2500 V et permettant le passage d'un courant d'intensité suffisante pour la commande d'un transfor- mateur d'un convertisseur de fréquence de grande dimen- sion sont extrêmement coûteux en comparaison des igni- trons. En outre, dans le cas de l'utilisation de thyristors dans un convertisseur de fréquence classique du type représenté sur la figure 1, ces dispositifs ont tendance à conduire de façon parasite lorsque la tension qui leur est appliquée a un court temps de montée. Ce comportement est inacceptable car, si plusieurs thy- ristors conduisent à un moment donné, il existe un court-circuit entre deux des phases d'un réseau d'ali- mentation triphasés par l'intermédiaire d'un transfor- mateur. L'intensité élevée résultante du courant du primaire, pouvant atteindre 10 000 A, peut imposer des contraintes extrêmement sévères à un transformateur de puissance dont la durée utile se trouve grandement ré- duite à la suite de défauts d'isolement. L'invention concerne un convertisseur de fréquence à deux alternances, ayant six thyristors tri- odes bloqués en inverse, associés à un réseau de commu- tation comprenant quatre thyristors triodes bloqués en inverse supplémentaires, montés entre une ligne d'ali- mentation électrique triphasée reliée aux redresseurs et un transformateur qui a un seul primaire ou un pri- maire à plusieurs parties séparées, connecté à la sor- tie du réseau de commutation. Un circuit de synchronisa- tion est aussi utilisé selon l'invention pour la com- mande de la conduction et de l'arrêt de la conduction des thyristors, à des moments choisis, afin qu'un cou- rant électrique redressé à deux alternances soit trans- mis par le redresseur triphasé au réseau de commutation et afin que les impulsions de polarité voulue d'énergie électrique redressée soient transmises par le réseau de commutation au secondaire du transformateur. Selon le procédé de conversion de fréquence à deux alternances de l'invention, un signal sous forme d'un courant alternatif triphasé-subit un redressement à deux alternances et le signal obtenu est transmis sur commande à un transformateur utilisateur sous forme d'impulsions de polarité choisie, à des moments choisis. Les impulsions résulantes positiveset négativesreprésen- tant pratiquement un courant continu, sont transmises à un primaire unique de transformateur ou à un primaire en plusieurs parties. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur le- quel, la figure 1 ayant déjà été décrite - la figure 2 est un schéma d'un convertisseur de fréquence à deux alternances selon l'invention, com- prenant des thyristors triodes bloqués en inverse, ce circuit permettant la mise en oeuvre de l'invention; et - la figure 3 est une forme d'onde du signal transmis par le convertisseur représenté sur la figure 2, cette figure facilitant la description du convertisseur et du procédé selon l'invention. Comme l'indique la figure 2, le convertisseur 24 653-56 de fréquence à deux alternances selon l'invention com- prend un pont 42 redresseur à deux alternances d'un cou- rant triphasé, un réseau 44 de commutation et un circuit numérique 46 de synchronisation montés entre une ligne 48 d'alimentation triphasée et un transformateur 50 de soudage. L'énergie électrique provenant de la ligne 48 d'alimentation est reliée au redresseur triphasé 42 par des conducteurs 104, 106 et 108 comme représenté. Le redresseur triphasé 42 comporte des thy- ristors triodes bloqués en inverse 52, 54, 56, 58, 60 et 62. Ces thyristors sont connectés comme représenté sous forme d'un pont redresseur à deux alternances, et ils ont des gâchettes 64, 66, 68, 70, 72 et 74, reliées à des fils séparés 76 du circuit 46 de synchronisation. Les thyristors 52 à 62 sont mis par paires à l'état con- ducteur par des signaux transmis par les fils 76 et pro- venant du circuit 46 de synchronisation afin qu'ils trans- mettent un courant alternatif triphasé redressé dont la polarité est indiquée à proximité des conducteurs de sor- tie 78 et 80. Le réseau 44 de commutation comprend des thy- ristors triodes bloqués en inverse 82, 84, 86 et 88, formant un circuit analogue à un pont à deux alternances, ayant une entrée, reliée aux conducteurs 78 et 80 du circuit redresseur 42. Les thyristors 82, 84, 86 et 88 ont des gâchettes 90, 92, 94 et 96 qui sont reliées à des fils séparés 98 du circuit 46 de synchronisation. Les thyristors 82, 84, 86 et 88 sont mis à l'état con- ducteur par paires sous la commande de signaux transmis par les conducteurs 98 provenant du circuit 46 de syn- chronisation. Le réseau 44 de commutation est destiné à transmettre des impulsions de polarité choisie du cir- cuit redresseur 42 au transformateur 50, par des fils 100 et 102 de sortie. Le transformateur 50 qui peut être un trans- formateur de soudage, est polarisé positivement et com- prend le primaire 110 qui a des parties séparées 112, 114 et 116 et le secondaire 118. Les parties 112, 114 et 116 du primaire 110 sont connectées en parallèle les unes par rapport aux autres et reçoivent le signal de sortie du circuit 44 de commutation par l'intermédiaire des conduc- teurs 100 et 102. Il faut noter que le primaire 110 peut être un primaire en une seule partie ou en plusieurs parties montées en série ou un primaire 110 ayant des parties 112, 114 et 116 montées en parallèle comme re- présenté sur la figure 2. Lors du fonctionnement du convertisseur 40 par mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le signal électrique triphasé de puissance provenant de la ligne 48 d'alimentation est transmis au circuit redres- seur 42 par les conducteurs 104, 106 et 108 et les thy- ristors 52 à 62 sont alimentés successivement par paires par des signaux provenant du circuit numérique 46 de syn- chronisation, par les conducteurs 76, de manière qu'ils assurent le redressement à deux alternances du signal triphasé. Un signal électrique pratiquement en courant continu, formé par redressement du courant triphasé et polarisé comme représenté, est transmis par les conduc- teurs 78 et 80. Comme l'indique la figure 3 sur laquelle les courants électriques provenant des conducteurs 104, 106 et 108 sont représentés par les formes d'onde 122, 124 et 126, respectivement, l'ordre de mise à l'état conducteur des thyristors lors du redressement des demi-cycles po- sitifs est le suivant. Les thyristors 54 et 56 sont mis à l'état conducteur pour la première phase 122. Les thy- ristors 58 et 60 sont mis à l'état conducteur pour la seconde phase 124 et les thyristors 62 et 52 sont mis à l'état conducteur pour la troisième phase 126. Lors du redressement du demi-cycle négatif comme indiqué,sur la figure 3, les redresseurs 52 et 58 sont mis à l'état conducteur pour la première phase 122, les redresseurs 56 et 62 sont mis à l'état conducteur pour la seconde phase 124, et les redresseurs 60 et 54 sont mis à l'état conducteur pour la troisième phase 126. Le réseau de commutation 44 est excité afin qu'il transmette une tension de polarité voulue, aux moments voulus, au primaire 110, en synchronisme avec la commutation du redresseur 42 par le circuit numérique 46 de synchronisation, afin que des impulsions d'énergie électrique soient transmises par les conducteurs 100 et 102. Ainsi, lorsqu'une impulsion positive doit être transmise au transformateur 50, les gâchettes 92 et 94 sont excitées alors que, lorsqu'une impulsion négative doit être transmise par le transformateur 50, les gâchet- tes 90 et 96 sont excitées. Il faut noter que les thyristors triodes blo- qués en inverse cessent de conduire pendant une courte période repérée par la référence 134 sur la figure 3, entre la production des impulsions positives et néga- tives transmises au transformateur 50 afin que les thy- ristors puissent se stabiliser. Le circuit 46 de synchronisatiopeut être sous forme de l'une des nombreuses commandes numériques connues capables de transmettre par les conducteurs 76 et 98, des impulsions à des moments choisis pour la mise à l'état conducteur des thyristors, par paires, à volonté. Puisque de tels circuits de synchronisation sont bien connus des spécialistes qui savent les construire ou les choisir ou les programmer en fonction des caractéristi- ques de l'invention, on ne décrit pas plus en détail ce circuit 46. Ainsi, lors du fonctionnement, le pont tripha- sé est commandé en phase afin qu'il forme une tension pratiquement continueentre les conducteurs de sortie 78 et 80. Le réseau de commutation est utilisé pour la sé- lection de la connexion du transformateur 50 aux conduc- teurs positif et négatif de sortie 78 et 80. Dans le convertisseur 40 de fréquence à deux alternances, les thyristors peuvent être d'un type suppor- tant une tension nominale de 1400 V, ce type étant relati- vement peu coûteux et facilement disponible. La raison pour laquelle de tels dispositifs supportant 1400 V suffi- sent est que le pont triphasé 42 comporte deux thyristors triodes bloqués en inverse montés en série pour chaque itinéraire du courant dans le pont. Ainsi, la tension qui peut être supportée est égale à la somme des ten- sions qui peuvent être appliquées aux deux thyristors, soit 2800 V. Les thyristors du réseau de commutation 44 reçoivent la tension du réseau à 480 V, c'est-à-dire une tension de crête de 680 V. Cependant, ils ne subissent pas de tension plus élevée que cette tension de crête puisqu'il n'y a pas de puissance de fuite ou de couplage parasite entre les primaires du transformateur puisque les trois parties du primaire 110 du transformateur 50 sont connectées en parallèle comme représenté. En outre, les courants transitoires dus à l'inductance du transformateur et de sa charge lors de l'arrêt de la commutation n'ont pas d'effets nuisibles dans le circuit et-lors de la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Toute tension transitoire apparaissant aux bornes du transformateur lorsque le courant du pri- maire est interrompu est transmise à au moins deux thy- ristors montés en série, l'un étant polarisé en inverse selon l'invention. En conséquence, le circuit peut supporter des tensions transitoires d'au moins 2800 V. En outre, toute tension transitoire créée dans le circuit du transformateur n'est pas couplée à la ligne d'alimentation car un tel couplage nécessiterait le claquage de quatre thyristors triodes montés en série. La tension totale que peuvent supporter quatre thyristors montés en série est d'environ 5800 V. Ainsi, selon l'invention, les thyristors tri- odes bloqués en inverse peuvent être utilisés dans des convertisseurs de fréquence. En-outre, le convertisseur de fréquence à deux alternances selon l'invention présente d'autres avantages. Comme un courant continu redressé à deux alter- nances est appliqué aux primaires du transformateur, les intensités des courants de soudage transmis par le secon- daire peuvent être accrues puisque l'inductance présentée dans les primaires ne constitue plus une impédance pour le courant continu appliqué aux primaires. En outre, la résistance des primaires dans un transformateur multiple est réduite du fait de la connexion en parallèle des trois primaires. En outre, la forme d'onde du courant est bien plus régulière, surtout pour de faibles coefficients d'utilisation puisque la forme d'onde de courant est un courant continu redressé à deux alternances et non à une seule. La fréquence d'ondulation,de 360 Hz dans le cas d'une fréquence de réseau de 60 Hz, est filtrée très ef- ficacement par l'inductance du secondaire si bien qu'un enregistreur classique à bande de papier recevant la tension appliquée à une charge n'indique pratiquement aucune ondulation, même pour les plus faibles valeurs du chauffage. Le facteur de puissance présenté à la ligne d'alimentation est amélioré car il n'y a pas de compo- sante continue dans le courant consommé. Le convertisseur de la figure 2, considéré comme charge, ressemble beau- coup à un moteur triphasé. Lorsque le courant est interrompu, les primaires du transformateur sont totalement déconnectés de la ligne d'alimentation. Il n'y a pas de tension entre les primai- res et la masse. Il s'agit d'une caractéristique avanta- geuse au point de vue de la sécurité et qui assure l'iso- lement du transformateur contre les effets des tensions transitoires très élevées dues à la foudre et à d'autres évènements catastrophiques. Les transformateurs utilisés dans de tels convertisseurs selon l'invention peuvent être peu coûteux car ils ne nécessitent qu'un primaire. La fiabilité et la longévité du transformateur sont aussi améliorées étant donné la plus grande simplicité. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourraapporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. il REVENDICATIONS 1. Convertisseur de fréquence à deux alternances, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit redresseur triphasé (42) destiné à être connecté à une source (48) d'énergie électrique triphasée et à transmettre un cou- rant pratiquement continu redressé à deux alternances à un réseau de commutation (44), un réseau de commutation (44) relié au circuit redresseur (42) et destiné à rece- voir le courant continu redressé de manière qu'il trans- mette le courant continu sous forme d'impulsions à un pri- maire (110) de transformateur avec la polarité voulue, et un circuit de synchronisation (46) relié au circuit redresseur (42) et au réseau de commutation (44) et destiné à synchroniser le fonctionnement du circuit redresseur (42) et du réseau de commutation (44) afin qu'ils forment des impulsions de courant pratiquement continu avec des polarités alternées, transmises à une fréquence choisie par le réseau de commutation (44)-. 2. Convertisseur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le circuit redresseur triphasé (42) com- prend six thyristors triodes bloqués en inverse (52-62) connectés sous forme d'un circuit redresseur triphasé en pont à deux alternances, et les thyristors sont connec- tés au circuit de synchronisation (46) afin qu'ils soient mis à l'état conducteur par paires et assurent le re- dressement à deux alternances de l'énergie électrique triphasée provenant de la source (48) d'énergie élec- trique triphasée. 3. Convertisseur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le réseau de commutation (44) comprend quatre thyristors triodes bloqués en inverse (82-88) con- nectés sous forme d'un réseau de commutation en pont monophasé à deux alternances, et les thyristors sont connectés au circuit de synchronisation (36) de manière qu'ils soient mis à l'état conducteur par paires et transmettent le courant continu du circuit redresseur (42), transmis par le réseau de commutation (44) au: primaire (110) d'un transformateur, avec la polarité vou- lue. 4. Convertisseuir selon la reven-IcatiD-. 1, cara'- térisE en ce ci'il comprend en outre le nr--.Le (110) d'un transforma.-.l=r Dû - rte un ou plusieurs enrou- lements connectés de manière qu'ils se comportent comme un seul enroulement. 5. Convertisseur selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend le primaire (110) d'un trans- formateur qui a trois enroulements séparés (112, 114, 116) qui sont connectés en parallèle les uns aux autres et aux bornes du réseau de commutation. 6. Convertisseur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le circuit de synchronisation(46) com- porte un dispositif destiné à interrompre la conduction du circuit redresseur (42) et du réseau de commutation (44) pendantune courte période entre les impulsions positives et négatives qui alternent. 7. Procédé de conversion de fréquence à deux al- ternances, caractérisé en ce qu'il comprend la conversion d'énergie électrique alternative triphasée en un courant continu redressé à deux alternances, et la transmission du courant continu sous forme d'impulsions de polarité voulue, à un primaire de transformateur et avec une fré- quence voulue. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'énergie électrique triphasée est redressée dans un circuit redresseur en pont à deux alternances comprenant six thyristors triodes bloqués en inverse, par excitation alternée de paires choisies de thyristors. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la commande-de la transmission du courant con- tinu est assurée par un réseau de commutation qui com- porte quatre thyristors triodes bloqués en inverse, par excitations alternées de paires de thyristors. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la conversion de l'énergie alternative triphasée et la transmission du courant continu sous forme d'impul- s ions sont interrompues pendant un court moment entre les impulsions de polarité positive et négative.