Brevet FR2474784A1 — publié le 19810731

Dispositif électronique de commande d'une machine à courant continu à excitation séparée L'invention concerne un dispositif électronique de commande d'une machine à courant continu à excitation séparée, utilisé dans la propulsion électrique des véhicules; la machine électrique peut fonctionner soit en mode traction, soit en mode de freinage par récu- pération ou freinage par rhéostat et permet en outre d'inverser statiquement le sens de marche de la machine. Le hacheur électronique et la commutation du mode traction en mode freinage et inversement par des composants électroniques sont connus. Les dispositifs connus utilisent des hacheurs, capables de fonctionner soit en dévolteur, soit en survolteur, la commutation du mode dévolteur au mode survolteur, et inversement, étant réalisée à l'aide des circuits électroniques ou électromécaniques compliqués. Dans l'art antérieur, la commutation du mode traction en mode freinage et inversement était effectuée par des circuits électromécaniques lourds et encombrants. De même, l'inversion du sens de marche de la machine se faisait antérieurement par un appareillage électro- mécanique. La présente invention remédie à ces inconvénients. Dans celle- ci, le hacheur électronique peut fonctionner aussi bien en dévolteur qu'en survolteur, ce hacheur alimente une machine à courant continu à excitation séparée et permet à cette machine de fonctionner soit en mode moteur, soit en mode génératrice grâce à des moyens entièrement électroniques. L'invention porte aussi sur un dispositif statique d'inversion du sens de marche, en avant ou en arrière, de la machine à courant continu. La présente invention a pour objet un dispositif électronique de commande d'une machine à courant continu à excitation séparée comportant un induit de la machine et un enroulement d'excitation séparée, dispositif comportant un hacheur dévolteur-survolteur, un organe de freinage rhéostatique alimentés à partir d'une borne de polarité positive et d'une borne de polarité négative d'une tension d'alimentation de ligne filtrée et un inverseur du sens de marche de la maPhIne, caraci-érisé en ce que ledit hacheur comporte en parallèle a474784 2 2- entre ladite borne de polarité positive et ladite borne négative une première branche constituée de deux condensateurs ayant un premier point, commun entre eux, et une deuxième branche constituée d'un premier thyristor principal et d'une première diode montés tête-bêche suivis d'une première inductance de protection, d'une deuxième inductance de protection et d'un deuxième thyristor principal monté tête-bêche avec une deuxième diode, un deuxième point, commun auxdites premières et deuxièmes inductances de protection, étant relié audit premier point par une troisième inductance d'extinction et un pont à quatre diodes dont les deux sommets libres sont reliés par une troisième thyristor d'extinction et qu'en parallèle sur ledit deuxième point et ladite borne de polarité négative sont disposés une inductance de lissage en série avec un induit de ladite machine à courant continu, une électronique de commande commandant les gâchettes dudit premier thyristor principal en traction, dudit deuxième thyristor principal en freinage et dudit troisième thyristor d'extinction en traction et en freinage. Selon une particularité de l'invention, ledit inverseur électro- nique du sens de marche comporte une source alternative électrique alimentant un enroulement primaire d'un transformateur dont les extrémités de l'enroulement secondaire sont reliées à deux paires de thyristors montés tête-bêche, elles-mêmes reliées à une extrémité dudit enroulement à excitation séparée, l'autre extrémité dudit enroulement à excitation séparée étant reliée à un point milieu dudit enroulement secondaire du transformateur, ladite électronique de commande commandant sélecti- vement les gâchettes desdits thyristors desdites paires selon la marche avant ou arrière. Selon une autre particularité de l'invention, le dispositif de freinage rhéostatique comporte, en parallèle sur ledit deuxième point commun et ladite branche de polarité négative, un thyristor de freinage rhéostatique en série avec une résistance de freinage rhéostatique, ladite électronique de commande commandant la gâchette dudit thyristor de freinage lors du freinage rhéostatique. Un exemple de mise en oeuvre de la présente invention donné à titre purement illustratif et nullement limitatif va être décrit en référence à la figure unique quI représente un schéma de principe 3 - d'une commande électronique d'une machine à courant continu à exci- tation séparée. Sur la figure Tl et T2 représentent deux thyristors principaux, munis de deux diodes de retour Dl et D2, avec pour thyristor d'extinc- tion unique le thyristor T3. Les diodes D3, D4, D5 et D6 constituent des circuits d'aiguillage. Un filtre d'entrée à courant continu est composé d'une induc- tance L et d'un condensateur C. Ll et L2 sont des inductances de protection des thyristors Tl et T2. L3 représente l'inductance d'extinc- tion. L4 est l'inductance de lissage du courant induit du moteur; Cl et C2 représentent les condensateurs d'extinction. Les éléments Cl, C2, L1, L2, L3, L4, Dl, D2, D3, D4, D5, D6, Tl, T2 et T3 constituent un hacheur électronique dévolteur-survolteur. I désigne l'induit de la machine à courant continu ayant pour enroulement d'excitation séparée J; T4 et RF désignent respectivement le thyristor et la résistance de freinage rhéostatique. La source alternative SA, le transformateur TR et les thyristors T5, T6, T7 et T8 alimentent l'enrou- lement d'excitation séparée J. Pour le sens de marche avant, le contrôle du courant d'excitation est assuré par les thyristors T5 et T7, pour le sens de marche arrière l'excitation J est assurée par les thyristors T6 et T8. La sélection du sens de marche de la machine à courant continu est donc assurée d'une manière statique par le choix de la paire de thyristors (T5 et T7) ou (T6 et T8). A titre d'exemple l'allumage de la gâchette de T5 est réalisé au cours de l'alternance positive de la source SA, alors que celui de la gâchette de T7 est réalisé au cours de l'alter- nance négative de la source SA. La logique de commande de l'ensemble des circuits de puissance de la figure est représentée par le rectangle E. Le circuit de traction comprend Cl, C2, L1, L2, L3, L4, Dl, D2, D3, D4, D5, D6, Tl, T3 et I. Il fonctionne en hacheur dévolteur (la machine fonctionne en moteur puisque la tension de la source + - se transforme en tension inférieure aux bornes de l'induit I) de la manière suivante: le thyristor Tl est allumé au moyen d'une impulsion de commande fournie par E périodiquement à la période T et reste conducteur pendant un temps x.T, avec le taux x réglable électro- a474784 - 4 - niquement de zéro à un; T est la période de fonctionnement du hacheur et x le taux de travail. Le circuit (L4, I) est aussi soumis à une tension égale à la tension continue d'alimentation pendant une durée x.T et à une tension nulle pendant une durée égale à (l-x) T, le réglage du taux x permet d'obtenir aux bornes de l'induit une tension queleonque comprise entre une valeur très faible et une valeur proche de la tension continue d'alimentation V appliquée entre les bornes 1 et 11. Lorsque Tl est conducteur, le courant dans l'induit est croissant, lorsque T1 est bloqué, le courant induit décroît. Ce courant induit ne peut pas être interrompu au temps t = x.T, la diode D2 assure alors la circulation du courant dans l'induit I, lorsque T1 est bloqué. Le processus d'extinction du courant dans T1 est le suivant: les conducteurs C1 et C2 ayant la même capacité, ils sont également chargés, à l'état initial, à la tension + V/2 avec la polarité positive en 1 et en 3 respectivement pour C1 et pour C2. Pour éteindre T1, le thyristor T3 est allumé, deux courants d'inversion de forme sinusoidale s'établissent: le premier courant circule dans la bouele (1, T1, 2, L1, 7, L3, 5, D4, 4, T3, 6, D5, C1, 1), le deuxième courant va de la borne 1 à la borne 11, en passant par 1, T1, 2, L1, 7, L3, 5, D4, 4, T3, 6, D5, 3, C2, 11; à la fin de l'inversion, ces deux courants s'annulent, le condensateur C1 est chargé à -V/2 avec la polarité positive en 3, le condensateur C2 chargé à + 3V/2 avec la polarité positive en 3; le processus d'extinction de T1 débute ensuite par l'établissement de deux courants de forme également sinusoidale: le premier courant circule dans la bouele (3, D3, 4, T3, 6, D6, 5, L3, 7, L1, 2, D1, 1, C1, 3), le deuxième courant va de 11 à 1, en passant par 11, C2, 3, D3, 4, T3, 6, D6, 5, L3, 7, L1, D1, 1; la diode D1 devient alors conductrice dès l'annulation du courant dans T1 qui se bloque, par l'application pendant un temps suffisant d'une tension inverse à ses bornes, due à la conduction de D1. A la fin de ce processus d'extinction, C1 et C2 se retrouvent chargés à + V/2 avec la polarité positive en 1 pour C1 et en 3 pour C2 et le cycle de fonctionnement en hacheur dévolteur recommenee. Le circuit de freinage par récupération comprend C1, C2, L1, L2, L3, L4, D1, D2, D3, D4, D5, D6, T2, T3 et I. Dans cette configu- ration la hacheur fonctionne en survolteur et la machine à courant -4474784 continu en génératrice. Le sens du courant dans l'enroulement d'exci- tation J étant le même qu'en traction, le magnétisme rémanent permet l'amorçage de la machine en génératrice. L'induit I en rotation présente une forme électromotrice à ses bornes de même polarité que celle existant en traction, c'est-à-dire opposée à la tension continue d'alimentation V. En rendant T2 passant, un courant s'établit dans le circuit (7, L2, 9, T2, 11, I, 8, L4, 7), de signe opposé à celui du courant de traction dans l'induit I et dans l'inductance de lissage L4, le courant d'excitation J gardant le même sens qu'en traction. Ce courant induit I croit en valeur absolue jusqu'au blocage du thyristor T2 à l'instant t = y.T, il se referme alors à travers 11, I, 8, L4, Ll, Dl et la polarité positive (point 1) de la tension continue d'alimentation V qui récupère ainsi de l'énergie de freinage. L'inversion du signe du couple électromagnétique nécessaire pour passer de traction en freinage est ainsi réalisée en inversant le sens du courant dans l'induit I. Le thyristor T2 fonctionne pério- diquement à la période T et reste passant pendant un temps y.T avec le taux y compris entre zéro et un. Le courant renvoyé à la ligne d'alimentation vaut zéro pendant la durée y.T de conduction de T2 et est égal au courant induit I pendant le temps de blocage (1-y)T de T2; la valeur moyenne de ce courant de récupération est proportion- nelle à (1-y). L'extinction du courant dans T2 se produit de la même manière que celle de Tl, par l'allumage de T3, mais avec Cl chargé à + 3V/2 et C2 chargé à -V/2 à la fin du processus d'inversion. La mise en service de la résistance RF de freinage rhéostatique s'effectue par l'allumage du thyristor T4. Soit R la résistance de l'élément RF. L'effort de freinage rhéostatique peut être réglé d'une manière continue par variation de la résistance de freinage de la valeur zéro à la valeur R, par la mise en conduction ou le blocage de T2. Ce freinage rhéostatique peut s'effectuer avec ou sans tension continue d'alimentation V. Les applications du hacheur pour machine à courant continu à excitation séparée peuvent être du domaine de la traction ferroviaire. -6 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif électronique de commande d'une machine à courant continu à excitation séparée, comportant un induit de la machine et un enrou- lement d'excitation séparée, dispositif comportant un hacheur dévolteur- survolteur, un organe de freinage rhéostatique alimentés à partir d'une borne de polarité positive et d'une borne de polarité négative d'une tension d'alimentation de ligne filtrée et un inverseur du sens de marche de la machine, caractérisé en ce que ledit hacheur comporte en parallèle entre ladite borne de polarité positive et ladite borne négative une première branche constituée de deux conden- sateurs ayant un premier point, commun entre eux, et une deuxième branche constituée d'un premier thyristor principal et d'une première diode montés tête-bêche suivis d'une première inductance de protection, d'une deuxième inductance de protection et d'un deuxième thyristor principal monté tête-bêche avec une deuxième diode, un deuxième point, commun auxdites premières et deuxièmes inductances de protection, étant relié audit premier point par une troisième inductance d'extinction et un pont à quatre diodes dont les deux sommets libres sont reliés par un troisième thyristor d'extinction et qu'en parallèle sur ledit deuxième point et ladite borne de polarité négative sont disposés une inductance de lissage en série avec un induit de ladite machine à courant continu, une électronique de commande commandant les gâchettes dudit premier thyristor principal en traction, dudit deuxième thyristor principal en freinage et dudit troisième thyristor d'extinction en traction et en freinage. 2/ Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit inverseur du sens de marche comporte une source alter- native électrique alimentant un enroulement primaire d'un transfor- mateur dont les extrémités de l'enroulement secondaire sont reliées 3 à deux paires de 'hyristors montés tête-bêche, elles mêmes reliées à une extrémité dudit enroulement à excitation séparée, l'autre extrémité dudit enroulement à excitation séparée, étant reliée à un point milieu dudit enroulement secondaire du transformateur ladite électronique de commande commandant sélectivement les gâchettes desdits thyriyst.ors desdites poaires sel.on la manche avant ou arrière. L474784 - 7 - 3/ Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif de freinage rhéostatique comporte en parallèle sur ledit deuxième point et ladite branche de polarité négative un thyristor de freinage rhéostatique en série avec une résistance de freinage rhéostatique, ladite électronique de commande commandant la gâchette dudit thyristor de freinage lors du freinage rhéostatique.