Brevet FR2472870A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne un procédé pour commuter des ponts à thyristors lorsque l'on convertit du courant alternatif en courant continu par des moyens statiques à l'aide de deux ponts à thyristors connectés en parallèle, ce qui permet à la machine utilisant du courant continu d'obtenir à la fois un courant positif et un courant négatif. De nos jours, à mesure que se développe la techno- logie des semiconducteurs, les redresseurs rotatifs et les convertisseurs de courant rotatifs sont de plus en plus fréquemment remplacés par des composants statiques, par exemple des convertisseurs réalisés à l'aide de thy- ristors. Cette nouvelle technologie a entrainé des incon- vénients que l'on a essayé de pallier avec des succès divers. L'un de ces inconvénients tient dans la période d'arrêt pendant laquelle la totalité de ce système se trouve à l'état zéro. Cette pause se produit lorsqu'un courant positif se transforme en courant négatif et vice- versa. Le pont à thyristors est alors commuté une nouvel- le fois. Cette pause a pour effet entre autres, les in- convénients ci-après. Pendant cette pause, il n'y a pas de commande du système; la pause provoque aussi des dé- fauts de fonctionnement et, dans les applications à l'en- trainement des ascenseurs, par exemple, donne lieu à des vibrations préjudiciables. De plus, et particulièrement dans le fonctionnement des ascenseutrs, la pause a pour effet un médiocre démarrage de l'ascenseur que ressen- tent les personnes se trouvant dans la cabine sous forme de soubresauts désagréables. Ces ennuis sont extrêmement gênants, particulièrement dans les entraînements d'ascen- seurs par courant continu, qui sont des systèmes coûteux et par suite à hautes exigences. Dans son livre intitulé "Thyristor Phase-Control- led Converters and Cycloconverters. Operation, Control and Performances" (en français: "Convertisseurs et cy- cloconvertisseurs à thyristors à commande de phase: Fonc- tionnement, Commande et Performances") B.R. Pelly décrit en détail les convertisseurs statiques et les problèmes qu'ils suscitent. Aux pages 114-116, il discute du sys- tème sans circulation de courant, et cette nouvelle inven- tion est également de ce type. Lesdites pages traitent de façon approfondie de l'origine de la pause et de ses in- convénients au moment o se produit la commutation d'un pont à thyristors à un autre. Leappareil décrit dans le brevet américain no 3.713.012 se réfère exactement à la commutation par pont à thyristors et aux inconvénients que présente ce système. Dans cet appareil, la période de pause à courant nul pourrait être notablement écourtée au moyen d'un cir- cuit réduisant fortement l'angle de claquage des thyris- tors à une limite minimale prédéterminée, puis commu- tant les ponts à thyristors dans cet état, déviant le si- gnal d'erreur pour qu'il puisse provoquer une augmenta- tion rapide de l'angle de claquage en dehors de la limite minimale, et terminant cette déviation lorsque le pont à thyristors, commençant à fonctionner, est prêt à dé- livrer du courant. L'inconvénient de cet appareil tient dans l'amplificateur de signal d'erreur dont le fonction- nement ne peut jamais être complètement exempt de retard. Par suite, il se produit une pause préjudiciable dans l'état de courant nul, et l'on n'a pu encore l'éliminer. Il est donc évident que dans les deux exemples men- tionnés ci-dessus le but est de réduire au minimum la pause créée au stade de l'inversion. Mais un fait carac- téristique dans les deux exemples est qu'il se produit une pause d'une certaine longueur lors de la phase d'in- version. La longueur de la pause est ordinairement de quelques périodes du secteur, dont la fréquence est de 50 Hz, et de 3,3 millisecondes dans les systèmes décrits. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients mentionnés et de procurer une fonction de commutation positive et de fonctionnement sûr du pont de thyristors. La méthode de l'invention est caractérisée en ce qu'une tension analogique commande les deux ponts de thyristors de telle sorte que le premier pont soit ouvert lorsque la tension analogique de commande est po- sitive et que le second pont soit ouvert lorsque la ten- sion analogique de commande est négative, ainsi que par un décalage des ponts vers un mode inter-oscillatoire de fonctionnement au moment o le circuit s'approche de l'état de courant nul. Le procédé de l'invention présen- te un avantage: la phase de commutation est exempte de pause, c'est-àdire que le second pont à thyristors s'ouvre immédiatement dès que cela est possible, c'est- à-dire 3,3 ms après l'impulsion de courant précédente. Les inconvénients cités ne peuvent donc pas se présen- ter. Un mode de réalisation intéressant de l'invention est caractérisé en ce que la tension analogique qui com- mande les ponts à thyristors a deux limites minimales al- ternativement en vigueur, en fonction du signe de la ten- sion analogique de commande, et que les limites minimales sont supprimées lorsque le courant disparaît. L'avantage est alors que l'on peut éliminer le danger de court-cir- cuit qui menacerait autrement le système au moment de commutation du pont, car les ponts seraient commutés au moment exact o le courant est délivré au circuit. Grâce au circuit à limite minimale, la commutation finale des ponts s'effectue au moment o se termine l'impulsion de courant. L'invention concerne également un appareil destiné à mettre en oeuvre la méthode mentionnée. L'appareil comprend particulièrement deux ponts à thyristors, un dispositif de mesure de courant, un moteur agissant comme charge, un appareil d'amorçage à thyristor et un appareil de commande de courant. L'appareil de l'invention est caractérisé par le fait que l'appareil de commande de Cou- rant se compose d'un amplificateur sommateur dont le cou- rant de sortie commande le bloc d'amorçage, et d'un com- mutateur de donnée de courant, d'un commutateur écrêteur de tension et des limiteurs de tension qui lui sont reliés. Le signal de sortie de l'amplificateur sommateur commande à la fois le bloc d'amorçage et le commutateur du circuit de mémoire, le commutateur écrêteur de tension et égale- ment les limiteurs de tension. Le signal d'entrée de cet amplificateur sommateur se compose à la fois du signal provenant des limiteurs de tension parvenant par le com- mutateur de donnée de courant et le commutateur limi- teur de tension, ainsi que le signal arrivant de l'am- plificateur-appareil de commande proprement dit, ainsi que le signal tiré du signal de sortie du comparateur. Pour sa commande, le comparateur reçoit la valeur de point de consigne de courant et le signal de sortie de la mémoire, cette dernière étant commandée par le com- mutateur de circuit de mémoire de la façon déterminée par le signal indicateur de courant provenant du signal de sortie de ltamplificateursommateur. L'avantage est alors de pouvoir réaliser une commutation exempte de retard des thyristors. L'invention sera décrite plus en détail à l'aide d'un exemple, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels La Figure 1 représente les caractéristiques essen- tielles de la section d'alimentation du convertisseur statique, La Figure 2 indique les courbes caractéristiques de l'igniteur appartenant à l'appareil, La Figure 3 représente, sous forme de schéma sy- noptique, l'appareil de commande de courant appartenant à l'appareil, La Figure 4 représente le schéma électrique dudit appareil de commande de courant, La Figure 5 représente les tensions de sortie, dans un état opérationnel donné, en divers points du circuit en question, La Figure 6 représente, en fonction du temps, le signal de courant de l'appareil conformément au bre- vet américain no 3.713.012, et la Figure 7 représente en fonction du temps le signal de courant de l'appareïl de l'invention. A la figure 1, on peut voir les caractéristiques essentielles de la- section d'alimentation du convertis- seur statique, ainsi que l'appareil de commande de cou- rant 26 et le bloc igniteur 27 associé à la section dta- limentation. La section d'alimentation comprend deux -ponts à thyristors, le premier pont à thyristors 13 com- prenant les thyristors 1-6 et le second pont à thyris- tors 14 comprenant les thyristors 7-12. De plus, la section d'alimentation comprend un appareil de mesure de courant comprenant les transformateurs de courant 17-19, les diodes 20-22 et la résistance 24. La donnée de courant est reçue par l'intermédiaire de la sortie 23 et la sortie 25 est mise à la terre. De plus, la sec- tion d'alimentation comprend le moteur à courant continu et son enroulement d'excitation 16. L'appareil de com- mande de courant 26 et l'igniteur 27 ont été présentés sous forme de schémas synoptiques à la figure 1 dans un souci de clarté. La figure 2 représente les courbes caractéristi- ques de l'igniteur 27. Le principe général est le sui- vant: le pont à thyristors 13 fonctionne aux tensions positives et le pont à thyristors 14 fonctionne aux ten- sions négatives. Le bloc igniteur est à linéarité angu- laire de sorte que la tension d'entrée à zéro volt cor- respond à un amorçage sous un angle de 0 du pont à thyristors 13 et un signal d'entrée de + 10 volts cor- respond à un angle d'amorçage de 1800 du même pont à thyristors. Analogiquement, 0 volt correspond à l'angle d'amorçage du pont de thyristors 14 et -10 volts corres- pondent à un angle d'amorçage de 1800 du même pont. L'axe des x représente la tension d'entrée et correspond au signal L représenté à la figure 1. Ce signal est le si- gnal de tension de sortie normale de l'amplificateur de commande, et peut varier de - 10 volts. L'axe des y in- dique la tension de sortie des ponts à thyristors, ten- sion qui, comme le représente la figure 1, est délivrée aux bornes de sortie du moteur 15. La courbe 28 indique la tension du pont de thyristors 13 et par analogie la courbe 29 indique la tension du pont à thyristors 14. La courbe en trait pointillé 30 indique la tension de sortie de l'amplificateur de commande SV. La tension 34 est la tension positive la plus élevée possible délivrée par les ponts de thyristors et la tension 35 est la ten- sion négative la plus élevée équivalente. La tension d'entrée 31 est la tension de commande admissible la plus basse pour laquelle le pont de thyristors 13 fonc- tionne sans ennuis lorsqu'il est à l'état conducteur. La tension d'entrée 31 est également appelée limite mi- nimale admissible. La tension d'entrée 32 est en valeur absolue la tension admissible la plus basse équivalente pour le pont à thyristors 14. La tension d'entrée 32 est également appelée la limite minimale négative. Ces limites minimales de la tension de commande sont, ainsi qu'il est couramment connu, des restrictions apportées à l'utilisation de tels systèmes d'entrainement à thyris- tors. La figure 4 montre le schéma du circuit du bloc de commande de courant 26 dans ses éléments essentiels. La donnée V0 de point de consigne de courant et la donnée V de valeur actuelle de courant parviennent à l'amplifica- teur de commande de courant OP1. La donnée de valeur actuelle de courant V est traitée par des appareils et selon des méthodes connues par le fait que la donnée de courant est polarisée parce que les données de mesure de courant sont toujours positives. Cela est également évi- dent à la figure 1 o le courant est mis en forme par les diodes 20-22, de sorte que ladite donnée de courant se trouve aux bornes de la résistance 24. Etant donné que la diode sert toujours de passage à un courant dirigé dans le même sens, la valeur actuelle de courant V arri- vant à l'amplificateur de commande 26 est toujours posi- tive. La donnée de valeur actuelle de courant V parvient à l'amplificateur de commande 26 en passant par un ampli- ficateur polariseur connu couramment et non représenté, dont la tâche consiste à transformer cette même tension en une tension positive ou négative selon le pont à thy- ristors qui a été choisi. La troisième donnée arrivant au circuit de commande de courant est la donnée V1 dite indicatrice de courant, qui est formée en pratique par la valeur actuelle de courant V. La formation de la don- née indicatrice de courant V1 s'effectue de façon connue et sera donc passée ici sous silence. En utilisant l'amplificateur de décalage de niveau OP2, il est possible de décaler la tension de sortie de l'amplificateur du circuit de commande de courant de plus ou moins 5 volts. Grâce à ce décalage, on se déplace par exemple du point A de la courbe de la figuré 2 au point B, c'est-à- dire que l'on réalise exactement le saut demandé de 10 volts. Le saut de A à B est effec- tué lorsque la vitesse de rotation du moteur 15 est représentée par la tension 33. Lorsque la vitesse est nulle, le saut correspondant s'effectue du point C au point D. Il dépend des diverses conditions de vitesse au niveau desquelles se produira le saut. Le décalage de niveau à l'aide de OP2 s'effectue de façon couram- ment connue en utilisant des amplificateurs opération- nels. Le décalage de niveau est commandé par l'amplifi- cateur opérationnel OP3. L'autre fonction de cet ampli- ficateur sera décrite par la suite. Les amplificateurs sélecteurs de pont OP5 et OP6 agissent à nouveau de telle façon que, lorsque la ten- sion de sortie de OP2 est positive, OP5 a une tension de sortie négative et OP6 une tension de sortie positi- ve. Etant donné que OP5 et OP6 sont des circuits compa- 1'ateurs, ils parviennent toujours à leur valeur de sa- turation vers + 12 volts. Donc, OP5 et OP6 suivent, en tant qu'amplificateurs de sélection de pont, la tension de sortie de OP2. OP7 et OP8 constituent les limites minimales de la tension de commande, leur ordre de grandeur étant déterminé par les résistances R18, R19, R20 et R21. Les limites de tension minimale correspondent spécifi- quement à l'angle d'amorçage de 300 et-ces limites sont nécessaires si l'on veut que le système puisse fonction- ner correctement; en effet, selon la théorie générale des thyristors, l'angle d'amorçage ne doit pas être in- férieur à 30 . D'un autre c8té, les limites minimales de tension 31,32 agissent ici comme circuit inhibiteur de commutation du pont à thyristors tant qu'il passe un courant dans le circuit. Les fets F2 et F3 sont uti- lisés pour choisir quelle sera la limite minimale en vigueur, et à son tour celle-ci sera fixée en se basant sur OP5 et OP6, selon le pont qui aura été commuté. Par exemple, & la tension de sortie de OP5 est positive, la grille du fet F2 sera à un potentiel nul par ltintermé- diaire de la diode D6, à travers la résistance R17. Par suite, il en découle que le fet F2 est conducteur. Dans la même condition, la tension de sortie de OP6 est néga- tive et, de façon analogique, la grille du fet F3 se trouve à -12 volts à travers la diode D9. Dans cette condition, le fet F3 n'est pas conducteur. Donc, la li- mite de tension minimale négative 32 a été choisie, et représente le pont à thyristors 14, qui n'est ouvert qu'à une tension de sortie négative 38. A son tour, le fet Fl annule ou maintient en vigueur cette limite de tension minimale, selon qutil y a ou non du courant. Lorsqu'un courant existe et par conséquent lorsque la donnée indicatrice de courant V1 est aussi positive, le fet Fl maintient en vigueur la limite de tension mini- male mais, par contre, lorsque ltimpulsion de courant se termine et que V1 devient négative, F1 annule immé- diatement la limite de tension minimale et la commuta- tion des ponts à thyristors peut s'effectuer sans pause. L'amplificateur OP3 a pour mission de commuter les ponts à thyristors sur les indications du signal e lorsque la valeur de point de consigne du courant V0 est faible. Le système tout entier fonctionnera alors en mode dit oscillatoire, ce qui constitue en fait la solu- tion découverte dans l'invention quant à la commutation du pont, ou commutation de courant. Le système fonctionne aussi selon un autre mode opératoire qui est en vigueur lorsque la commutation du courant n'est pas réelle. Dans ce cas, la valeur absolue de VO est supérieure à la ten- sion de sortie e de la mémoire M, et par conséquent V0 à elle-seule détermine la commutation des ponts à thy- ristors. Ce second mode de fonctionnement est en vigueur pendant la majeure partie du temps et n'est pas critique pour ce qui est du fonctionnement correct du système comme l'est la fonction de commutation de courant. Dans ce second mode de commutation, tout fonction- ne avec un seul pont à thyristors, et cela se produit lorsque la valeur V0 de point de consigne de courant est suffisamment élevée, c'est-à-dire suffisamment éloignée de l'état de courant nul. Lorsqu'il-fonctionne du côté positif, le pont à thyristors 13 est mis en circuit jusqu'à ce que le point de fonctionnement s'approche de l'état de courant nul, et finalement, pour une valeur donnée de VO le système change et passe sur le mode os- cillatoire dans lequel les deux ponts à thyristors al- ternent en accord avec la fréquence du secteur. Lorsque le système s'éloigne de l'état zéro dans le sens néga- tif, et dès qu'une valeur donnée VO est dépassée, le système retourne à nouveau à son mode de fonctionnement normal de sorte que seul le pont à thyristors 14 reste en circuit. La même opération se répète dans le sens opposé. OP3 et OP4 sont prévus précisément pour établir la commutation continue en mode oscillatoire. Ainsi qu'il a étémentionné au début du paragraphe, OP3 prend la décision de commutation, en se basant sur l'ordre de grandeur de la valeur du point de consigne de courant V0. Les résistances R7 et R8 déterminent la tension sur la broche plus de OP3 pour les points de consigne de cou- rant au-dessous desquels s'ensuivra une commutation con- tinue du pont à thyristors. OP4 sert de.mémoire dans le fonctionnement de commutation du pont à thyristors de sorte que, lorsque le système réclame une nouvelle com- mutation de pont OP4 se rappelle quel était le dernier pont à avoir été réclamé et ne changera pas d'état tant que l'indicateur de courant V1 délivre une information indiquant l'existence du courant. On est certain ainsi que la commutation du pont s'effectuera avec succès. Le fait que OP4 ne change pas d'état plus t8t est dû au fet F4 qui n'est pas conducteur lorsqu'il n'y a pas de courant. Ce n'est que lorsqu'un courant est présent que le fet F4 sera conducteur aux bornes de la diode D5 et qu'il sera ainsi possible de conclure par OP5 quel est le pont qui a été mis en circuit et, par l'intermé- diaire du fet F4, la mémoire OP4 changera d'état et ré- clamera un nouveau pont à thyristors. Avant de décrire le fonctionnement réel, il est intéressant de commenter le jeu de graphiques de la figure 5 qui révèle les tensions de sortie du circuit en divers points lorsque le circuit se trouve dans un état donné de fonctionnement. Le graphique du haut V représente la donnée de courant. On peut y voir en fonc- tion du temps les impulsions de courant avec leur signe. Entre ces impulsions de courant, il y a une pause de sorte que le total de l'impulsion de courant et de la pause se monte à 3,3ms. Le second graphique d représente la tension de sortie d de l'amplificateur sommateur YV, et elle est identique à l'impulsion de sortie de la to- talité du circuit de commande de courant 26. A l'arrivée du courant, par exemple lorsqu'une impulsion de courant positive 42 est amorcée, et donc lorsque le mode oscil- latoire est en vigueur, la tension d qui est alors au niveau de tension 38 commence à mettre en circuit l'au- tre pont, c'est-à-dire que d tend vers une tension posi- tive. Mais d reste à sa limite de tension minimale néga- tive 32, correspondant à une valeur de -1,5 volt. La li- mite minimale 32 est en vigueur tant que dure l'impulsion de courant 42. Lorsque l'impulsion de courant 42 devient égale à zéro et par conséquent lorsque la donnée indica- trice de courant V, passe du niveau 40 au niveau 41, la limite minimale de tension 32 est supprimée et la totali- té du décalage de 10 volts a lieu jusqu'à son achèvement à un niveau de tension 39 représentant +5 volts. Lorsque l'impulsion de courant 42 a été amorcée, la mémoire M a simultanément changé d'état de telle sorte que ea tension de sortie e est passée du niveau 40 au niveau 41. La mémoire M demeure dans cet état jusqu'à ce que l'impul- sion de courant suivante 43 soit amorcée. Lorsque la nou- velle impulsion de courant 43 est amorcée à nouveau après 3,3 ms, la tension de sortie d saute du niveau 39 au ni- veau négatif. Dans ce cas, d demeure à sa limite minima- le positive 31 pendant la durée de l'impulsion de courant 43. La limite de tension minimale positive 31 est de + 1,5 volt. Lorsque l'impulsion de courant est retombée de nouveau à zéro, d sautera au niveau de tension 38, niveau qui est de -5 volts. Les limites de tension mini- males sont importantes car elles rendent impossible l'é- tat de court-circuit au moment de l'échange des ponts. Si la tension devait sauter directement de +5 volts à -5volts, c'est-àdire du niveau 39 au niveau 38, il en résulterait un court-circuit. Les graphiques OP5 et OP6-représentent les tensions de sortie des amplifica- teurs respectifs de sélection des ponts dans les diffé- rentes situations. Tous ces graphiques montrent bien le séquencement mutuel dans le fonctionnement de ces éléments de l'appareil. Le graphique de courant d'un système de commuta- tion réalisé selon la technique antérieure, représenté à la figure 6, montre un espace de séparation distinct lorsque le courant est nul. De plus, il existe une lon- gue phase de rattrapage après la pause, o l'on essaye de rattraper la continuité avec le graphique original. Le graphique de courant de la figure 7 du système de commutation de la présente invention ne présente aucun élément préjudiciable. On devra remarquer que ces cour- bes sont représentatives de moyennes et composées d'im- pulsions de courant progressant selon un rythme ascen- dant ou descendant. Lors de la transition du mode oscillatoire au - mode normal de fonctionnement, l'état oscillant devient tout d'abord asymétrique, par exemple les impulsions de courant positives étant plus grandes que les impulsions négatives. Ensuite se produit l'état normal. Il est évident pour un homme de métier que l'in- vention n'est pas limitée à l'exemple présenté ci-dessus * et que les modes de réalisation peuvent varier sans sor- tir du cadre de celle-ci. R E V E N D I C A T I 0 N S - Procédé pour commuter des ponts à thyristors dans la conversion statique de courant alternatif en courant continu à l'aide de deux ponts à thyristors connectés en parallèle de façon qu'une machine à courant continu 15 con- sommant du courant continu reçoive à la fois du courant po- sitif et du courant négatif, caractérisé en ce qu'une seule et unique tension analogique L commande les deux ponts à thyristors et qu'ainsi, lorsque la tension analogique de commande L est positive, le premier pont 13 est conducteur et que lorsque la tension analogique de commande L est né- gative, le second pont 14 est conducteur, et que lorsque le circuit s'approche de l'état de courant nul, les ponts passent en mode oscillatoire réciproque. 20 - Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que la tension analogique L commandant les ponts à thyristors a deux limites minimales 31,32 qui sont alter- nativement en vigueur selon le signe de la tension analo- gique de commande L, et que les limites minimales sont sup- primées lorsque le courant disparaît. - Appareil pour la-mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, comprenant en particulier deux ponts à thyristors 13,14, un dispositif de mesure de courant 17- , un moteur 15 servant de charge, un circuit d'amorçage 27 pour les thyristors et un circuit de commande de courant 26, caractérisé en ce que le circuit de commande de courant 26 consiste en un amplificateur sommateur YV dont le signal de sortie d,L commande le circuit d'amorçage 27, en un com- mutateur de donnée de courant Kyl, en un commutateur écrê- teur Ky2 et en circuits écrêteurs de tension K2, K3 qui lui sont connectés. - Appareil selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que le signal de sortie d,L de l'amplificateur som- mateur YV commande un commutateur de circuit de mémoire Ky3 qui lui est connecté et qui a été connecté à une mémoi- re M qui est commandée d'une manière déterminée par le signal indicateur de courant V1 depuis le signal de sortie d de l'amplificateur sommateur YV.