Brevet FR2496358A1 — publié le 19820618

L'invention concerne un générateur de courbe en cosinus, dérivée de la ligne de phase et générateur d'impulsions de porte pour la commande de thyristors à l'aide de tels générateurs de courbe. L'invention s'applique à la dérivation d'une courbe de référence en cosinus pour générer les impulsions de déclenchement des thyristors de convertisseurs de puissance, statiques. De façon générale, il est connu dans la technique des convertisseurs de puissance, statique (voir "Static Power Frequency changes" par Gyugyi et Pelly, Edition John Wiley 1976, pp 279-298), d'utiliser le principe des instants de passage à zéro de la courbe en cosinus.Un avantage connu de l'utilisation d'une telle courbe comme référence de temps est qu'elle introduit une fonction linéaire entre la tension en cosinus et la tension de sortie du pont à thyristors. I1 est connu de modifier une courbe de référence en sinus, fournie par le réseau pour générer une courbe en cosinus qui est comparée à une tension de commande, continue et variable, pour déterminer l'angle de conduction des thyristors. Différents problèmes ont été résolus dans l'art antérieur en agissant de façon particu lière sur la courbe d'entrée, en sinus. Ainsi le brevet U.S 3 983 495 a pour but d'assurer une conversion : courbe en sinus/ courbe en cosinus, qui est insensible à la fréquence. L'objet de la présente invention est de générer de façon intéressante à partir de la courbe en sinus de la ligne de phase commune, une série de courbes en cosinus, associées séquentiellement aux diverses lignes de phase, chaque courbe en cosinus ayant le déphasage requis pour la séquence d'allumage des thyristors, cet allumage étant assuré par un seul comparateur commun. La présente invention concerne de façon générale un système de commande de thyristors comportant un générateur d'impulsions de porte pour générer des impulsions d'allumage ou de déclenchement, un distributeur répondant au générateur d'impulsions de porte pour sélectionner les thyristors à débloquer en fonction d'un nombre séquentiel déterminé, un générateur de courbes de temps donnant une courbe en cosinus liée à la courbe fondamentale et un comparateur recevant la courbe de temps en cosinus et une tension de commande pour définir avec le générateur d'impulsions de porte, un angle d'allu mage pour un thyristor choisi, le génér atetr de courbes de temps comportant un premier moyen pour intégrer la courbe fondamentale en sinus et donner un premier signal en forme courbe en cosinus, un second moyen pour intégrer le premier signal et former un second signal en sinus, un premier ensemble de canaux d'amplificateurs multiplexés pour amplifier le premier signal, ces canaux ayant des gains respectifs formant un premier jeu, un second et un ensemble analogue de canaux d'amplificateurs multiplexés pour amplifier le second canal, ces seconds canaux ayant des gains respectifs donnant un second jeu, le distributeur permettant de choisir une paire de canaux multiplexés, du premier et du second ensemble, opposés, en fonction d'un thyristor choisi, et un moyen pour additionner les signaux de sortie des canaux multiplexés d'une paire choisie, pour dériver la courbe de temps en cosinus. Suivant un mode de réalisation de l'invention, on utilise un seul signal de synchronisation de fréquence de ligne pour dériver des courbes de référence pour l'autocommande de porte au point d'intersection de la courbe en cosinus, chacune des courbes ayant un déphasage additionnel tenant compte des déphasages introduits par le système par exemple les transformateurs de puissance associés aux différents thyristors dans la séquence. Un signal de commande de tension variable, commun, et un comparateur sont utilisés pour appliquer les différents signaux de porte aux multiplexeurs à thyristors et aux circuits d'entraînement. Un ensemble de commutateurs commandé par le circuit logique d'allumage définit l'ordre de sélection des courbes de référence en cosinus, qu'il faut créer. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un système de générateur d'impulsions pour thyristors selon l'art antérieur - la figure 2 est un schéma d'un générateur d'impulsions de porte pour thyristors selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention. - la figure 3 représente par des courbes le schéma d'allumage selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention. - la figure 4 est un schéma d'un générateur d'impulsions de porte comportant un générateur de courbe en cosinus pour commander es angles d'allumage des thyristors selon un mode de réalisation de l'invention. - la figure 5 représente de façon caractéristique le circuit du mode de réalisation préférentiel selon 1' invention - la figure 6 montre à titre d'exemple le générateur de courbe en cosinus de la figure 4 dans le cas d'un système de commande d'un pont à thyristors. Un procédé classique de commande de l'angle d'allumage ( ) d'un convertisseur de puissance à 6 thyristors consiste à générer 6 courbes de tension en cosinus, distinctes, éventuellement séparées de 600 et de comparer chaque tension en cosinus à une tension de référence. Lorsque chaque tension en cosinus est égale à la tension de référence, le thyristor associé à cette courbe en cosinus particulière, devient conducteur. Les six thyristors sont généralement montés suivant un pont redresseur triphasé et la tension moyenne de sortie du pont varie lorsqu'on modifie l'angle d'allumage Ct . Cela se fait en modifiant la tension de référence. La figure 1 montre un tel montage de l'art antérieur. Un convertisseur statique de puissance 1, qui est de façon caractéristique un pont à six thyristors, reçoit un courant alternatif fourni par le transformateur de puissance T. Les thyristors sont commandés par un générateur d'impulsions de porte 3 par l'intermédiaire des conducteurs 2 pour déclencher les thyristors en séquence suivant un angle de conduction défini par un comparateur 4. Selon l'art antérieur, le procédé utilise des impulsions correspondant à l'instant de passage à zéro de la courbe en cosinus pour définir l'angle d'allumage en se rapportant à un signal de référence de tension de courant continu v c (Voir à ce sujet "Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters" par B. R. Pelly-John Wiley & BR Sons 1971, pages 229-240). La courbe en cosinus est fournie par un transformateur auxiliaire T' ayant un primaire en triangle et un secondaire formé par 6 enroulements répartis de façon égale. Les enroulements du secondaire donnent 6 courbes de référence en sinus, décalées chacune de t /t, sur les lignes respectives 7 ; chaque courbe est fournie à un convertisseur de courbe 8, correspondant, qui génère la courbe de temps, en cosinus, destinée aux-comparateurs 4.Il faut ainsi 6 conver tisseurs de courbe et 6 comparateurs pour allumer ou déclencher les 6 thyristors de ce montage. Les signaux de porte (ou signaux des gâchettes), PORTE 1 . PORTE 6, s'obtiennent ainsi pour être appliqués successivement au générateur d'impulsions de porte 3. Au lieu de générer séparément 6 courbes de temps, le brevet U.S 4 017 744 prevoir l'utilisation de rampes, c'est-à-dire de fonctions linéaires du temps, de techniques numériques, pour choisir directement plusieurs temps de référence à partir d'un seul générateur de courbe, chaque temps de référence présentant la phase appropriez telle que définie par le circuit logique du générateur d'impulsions de porte. Selon la figure 2, l'invention prévoit un seul générateur de courbe 8 pour convertir la courbe en sinus du transformateur T' en une courbe en cosinus. Une seule ligne de sortie 9 applique simultanément le signal Vc a un seul comparateur 4 qui génère un signal de porte pour le générateur d'impulsions de porte 9 au moment ou on dépasse le seuil du comparateur. Le générateur de courue 8 est commandé par le circuit logique du générateur d'impulsions de porte 3 par l'intermédiaire des lignes 10.Il en résulte que le générateur 8 établit instantanément l'une des différentes courbes en cosinus, propres, liees à la courbe en sinus appliquée en entrée par le transformateur T' par l'intermédiaire de la ligne 11. La figure 3 représente 6 courbes en cosinus associées aux 6 thyristors respectifs, par rapport à la tension de référence vc. Les périodes de conduction sont représentées par des traits pleins sur les courbes et les références concernent chaque thyristor qui sera allumé successivement, à l'instant de la commutation. Les différentes courbes en cosinus sont les suivantes Vcos(2fLt t/l) ; Vcos (2#fLt + #2);-- Vcos(2#fLt + #6) où #2 = #1 + #/3, etc. Ces 6 courbes en cosinus sont généralement développées de façon individuelle, souvent à partir d'un train: cr- mateur à primaire triphasé et à secondaire comportant 6 enrou lements dirigeant les 6 signaux en cosinus. Cette solution nécessite 6 filtres adaptés, 6 comparateurs et un transformateur de structure complexe. Dans la solution de l'invention, il suffit d'un seul signal de synchronisation, sinusoidal, à une seule phase, pour générer les 6 courbes en cosinus. Cette solution présente de façon propre une excellente caractéristique de filtre. Selon la figure 4, à la sortie de l'intégrateur 22, sur la ligne 25 et à la sortie de l'intégrateur 24 sur la ligne 26, on a deux jeux de commutateurs S1-S6 et qui multiplexent les lignes 25, 26 respectives sur les différents amplificateurs ayant des gains différents L1 - L6 pour le premier jeu de commutateurs et K1 - K6 pour le second jeu de commutateurs ; il y a une relation bi-univoque entre les gains et les jeux x correspondants de commutateurs. Toutes les lignes parallèles de chaque jeu ont un point de jonction J1 pour L1 - L6 et J2 pour K1 - K6.Les deux jeux de commutateurs travaillent en parallèle et les sorties de J1 sur la ligne 27 de J2 sur la ligne 28 sont additionnées par l'additionneur 29 qui donne en sortie le signal en cosinus voulu, sur la ligne 9 reliée à l'entrée non inversée d'un amplificateur opérationnel 4 fonctionnant comme comparateur ; le seuil de cet amplificateur opérationnel 4 est défini comme un signal de référence v c appliqué par la ligne 12 à l'entrée inversée de l'amplificateur opérationnel 4. Le signal fourni par l'amplificateur 4 est appliqué en entrée par la ligne 13 comme signal de déclenchement ou d'allumage à un générateur d'impulsions de porte 3. Ce générateur comporte comme cela est connu un compteur en anneau définissant l'ordre séquentiel des thyristors ainsi qu'un formeur d'impulsions entratnant les thyristors.Six signaux de porte GP1 - GP6 sont appliqués par les lignes 2 aux thyristors respectifs. Les deux jeux de six thyristors S1 - S6 et S'1 sont commandés par paires par l'intermédiaire des lignes 10 et 17 pour un jeu et par les lignes 10 et 18 pour l'autre jeu, en fonction de la logique du circuit 3 définissant l'allumage des thyristors. Selon les formules trigonométriques, ona cos (çt +≈) = cos CPt t cos - sin û > t sin . Partant de cette équation, on constate que l'additionneur 29 additionne deux fonctions trigonométriques dérivées des intégrateurs respectifs 22, 24 comme suit : i;Asin 2 tfLt" sur la ligne 11 qui devint "-AIAcos 27CfLt" après un déphasage de 900 par intégration dans le circuit 22. Le circuit 24 transforme cette dernière fonction en la fonction -AI2Asin 2 tfLt, après un autre déphasage de 900. Ainsi, sur les lignes 25 et 26, on a deux fonctions cos Xt et -sinWt. I1 reste à définir les coefficients cos + et sin qui sont une fonction de la phase particulière *0 Les gains (L1 - L6) et les gains (K1 - K6) sont associés par paires pour donner 6 paires de coefficients correspondant aux signaux des lignes 25 et 26. Les commutateurs S1 S6 et S - S'6 sont commandés séquentiellement par les lignes 17 et 18 pour définir le déphasage commun requis en corrélation exacte avec le thyristor "suivant" de chaque paire par L1, K1, L2, K2 ... ou L6, K6. Alors que sur la ligne 11, on connaît l'amplitude instantée exacte de la puissance, il apparat que pour toute paire de thyristors, concernée à l'instant donné, un signal correspondant à l'une des courbes de la figure 3 est appliqué au comparateur 4. Ainsi, on suit la courbe I entre les instants to et tl lorsque la courbe coupe vc, et à ce moment le thyristor 1TH est allumé par la ligne 13. Entre les instants tl et t2, on suit la courbe II sur la ligne 9 ; à l'instant t2, le thyristor 2TH est allumé en réponse à l'impulsion sur la ligne 13 etc. La tension v c peut varier entre REFmin et-REFmax, de façon que l'angle d'allumage "q " varie de O à. Selon la figure 4, le signal SYNC reçu sur la ligne 11 est un signal de forme sinusoidale à la même fréquence que la fréquence du courant alternatif triphasé alimentant le pont à thyristors à savoir (Asin 2 tfLt), relation dans laquelle fL est la fréquence dite de ligne c'est-à-dire du courant circulant dans la ligne. Ce signal SYNC arrive dans un premier intégrateur 22 qui le déphase pratiquement exactement de 900 et sépare par filtrage les pointes de tension à la fréquence supérieure ainsi que les encoches qui pourraient entraîner de mauvais déclenchements de porte. Le signal de sortie de l'intégrateur 22 est appliqué par la ligne 23 à un second intégrateur 24 qui déphase une nouvelle fois le signal SYNC de 900. Les signaux de sortie des intégrateurs 22, 24 sont appliqués respectivement comme signaux d'entrée à des circuits de gain réglables 51, 52 par les vignes 25, 26 respectives. Comme indique ci-après, les circuit 51, 52 comportent chacun des canaux parallèles ayant des gains différents choisis par paire, l'un des gains étant choisi dans le circuit 51 et l'autre dans le circuit 52.Les commutateurs S1 - S6 du bloc 51 et les commuta teurs S'1 - S'6 du bloc 52 lorsqu'ils sont commandés de façon appropriée, choisissent typiquement des gains correspondants L1 - L6 dans le bloc 51 et des gains K1 - K6 dans le bloc 52, dans l'hypothèse de 6 canaux parallèles schématisés par des amplificateurs opérationnels L1 - L6 dans le bloc 51 et des amplificateurs opérationnels K1 - K6 dans le bloc 52. Dans le cas d'un thyristor particulier (Tî .. ou T6) qui suit dans l'ordre des déclenchements, on ferme une paire correspondante de commutateurs des blocs respectifs tels que (S1, S'1) ... (S6, S'6) pour ainsi former à la sortie de l'additionneur 29 branché entre les blocs 51, et 52, l'une des six courbes de temps possibles. Chaque fois qu'une telle paire de commutateurs est fermée, on introduit les gains K n et Ln par les blocs 51, 52 respectifs. En résultat sur les lignes de sortie 27, 28 des blocs 51, 52, on obtient des signaux (-AA12 KN)sin 2 tfLt et (A-A-I-Ln) cos 2#fLt ; ces deux grandeurs sont additionnées par l'additionneur 29 pour donner sur la ligne 9, le signal de sortie de l'additionneur c'est-à-dire une courbe en cosinus, nette à savoir Vcos (2#fLt + #n); cette courbe est comparée à la tension v c pour déterminer le déclenchement du thyristor "suivant".Lorsque le comparateur 4 constate l'égalité, on initialise la commande de la porte (ou de la gâchette). La paire suivante de commutateurs se ferme et la paire d'origine (ou précédente) s'ouvre de façon à envoyer une nouvelle courbe en cosinus Vcos fLt + #n+1) = Vcos (2#fLt +#n + #/3) dans le comparateur 4 pour déterminer le thyristor "suivant" à déclencher. Bien que les grandeurs en sinus et en cosinus ont été exposées en terme de tension, il est clair que le signal SYNC peut également être converti immédiatement et de façon continue en des nombres binaires de façon à traiter à l'aide d'un pro- cesseur toutes les grandeurs en sinus, cosinus et les coefficients, en utilisant des nombres binaires.En plus, les multiplications et les traitements logiques seront alors également effectués par le processeur. En revenant à la formule trigonométrique, a sin e + b cos e = c cos (e t + ), il faut choisir les constan- tes Ki et Li par paire pour obtenir le déphasage #n et l'ampli- tude V de la courbe en cosinus, pour chacune des six courbes- en cosinus ainsi générées. Comme pour toute intégrateur analogique, les intégrateurs numériques à fréquence d'échantillonnage cons- tante tendent à avoir un gain inversement proportionnel à la fréquence d'entrée. Dans ces conditions, la grandeur AI sera inversement proportionnelle à la fréquence de ligne. Cela doit être compensé pour des applications à fréquence de ligne variable. Les traits pleins à la figure 3 montrent les grandeurs semelles attaquant l'entrée (+) du comparateur dans tous les cas. Les thyristors sont déclenchés comme cela est représente On peut faire varier l8ailgle d'allumage (ou de commande des portes ou gâchettes) de 00 à 1800 en modifiant vc La tension de sortie du pont convertisseur utilisant du courant continu, est approximativement ogortiorinelle à la valeur cosA . Llangle &alpha; est propottionnel à la grandeur arc cos (vc). C'est pourquoi, la tension de sortie, continue du pont est proportionnelle de façon linéaire à vc comme cela 2 été indiqué, c ce qui est un avantage caractéristique des générateurs à porte du type à passage des courbes en cosinus; Les coefficients (eeest-a-dire les constantes) Kir L. se calculent pour tenir compte des déphasages supplémentaires entre le signal SYNC et la-tension alternative du pont, du fait des transformateurs T et T' et des autres composants du circuit. Toutefois, il faut que le déphasage reste constant dans toute la plage des variations des fréquences de ligne dans lesquelles le circuit doit travailler. Si le circuit est réalisé selon des techniques analogiques, on utilisera des amplificateurs et des composants de commutation analogiques, peu coûteux. Les commutateurs analogiques peuvent s'utiliser pour modifier successivement le gain d'amplification et donner les six constantes de gain Ln. I1 en est de meme pour les différentes valeurs de Kn. Deux amplificateurs d'intégration, deux amplificateurs à gain ( pour K n et Ln constants) un amplificateur d'addition et un comparateur représenteront ainsi un minimum de six amplificateurs pour réaliser le circuit. Cela se compare avantageusement aux six comparateurs utilisés dans la solution classique. Ainsi, le cir cuit logique de commutation des gains peut être traité par une seule mémoire morte programmable PROM. Ce mode de réalisation est représenté à la figure 5. La figure 5 s "interpréte à l'aide de la figure 4. Pour réaliser les commutateurs(Sl - S6)et(S'1 on utilise trois composants en technique état solide en général les composants du commerce diffusés sous la référence IH4010. Chacun des trois composants en technique état solide constitue quatre commutateurs à transistors FET commandés par les lignes respectives (C1 - C4), (C3, C6, C1, C2) et (C3 - C6) en fonction de la logique du circuit logique de décodage 30 qui est une mémoire morte programmable PROM de type IM5600 logée dans le circuit d'impulsions de porte 3. Le comparateur 4 commande en cadence un compteur à trois bits, 31 qui lui-meme commande le circuit logique de décodage 30 ainsi qu'un autre circuit logique de décodage 32 ; le circuit 32 génère les impulsions de porte des thyristors. Les signaux de commande des circuits 30 sont les signaux C1 - C6 ainsi que les signaux PS (pour la sélection de la courbe en sinus, c'est-à-dire les lignes 26 et 28) et PC (pour la sélection des courbes en cosinus, c' est-à- dire les lignes 25, 27).Les signaux PS, PC commandent les dispositifs FET 33, 34. Comme représenté à la figure 5, l'amplificateur opérationnel 35 est associé aux commutateurs (S'1 - du dru 6) du côté de la courbe en sinus alors que l'amplificateur opérationnel 36 est associé aux commutateurs (S1 - S6) du côté de la courbe en cosinus. Ces amplificateurs sont branchés par les résistances Rx, R5 pour donner un gain suivant la valeur de Rx, c'est-à-dire suivant le choix de (C1 - C6). Ainsi, sur la ligne 28 de sortie de l'amplificateur opérationnel 35, on dérive une courbe V représentant la valeur t RS/Rx SIN, alors que par l'amplificateur opérationnel 36, on dérive la courbe + Rs/Rx COS. Dans la description précédente, on a supposé que sur les lignes 23, 25, 26, 27, 28 et 10, on traite des signaux en forme de courbes en cosinus, pour déterminer le thyristor suivant à déclencher. I1 rentre dans le cadre de l'invention de convertir directement et-en continu les signaux des lignes 11, 23, 26 en des nombres binaires, si bien que les courbes en sinus, cosinus et les coefficients seront des nombres binaires. Cela peut se réaliser par un traitement des données à l'aide d'un microprocesseur qui effectuera les opérations d'addition et de multiplication ainsi que les opérations logiques comme cela a été mentionné. Selon la figure 6, le générateur de courbes en cosinus selon la figure 4 est représenté comme branché sur un générateur d'impulsions de porte analogue à celui décrit dans les brevets U.S 4 017 744 et 4 028 609. Le signal de courbe en sinus SYNC de la ligne 11 est déphasé de 900 par 1'intégra teur 22 et est appliqué au bloc 51. I1 est une nouvelle fois déphasé de 900 au passage dans l'intégrateur 24 pour être appliqué au bloc 52.Lés commutateurs S1 - S6 du bloc 51 et les commutateurs S'1 - S'6 du bloc 52 sont des composants FET commandés par les lignes respectives 17, 18 comme cela sera expliqué, pour fermer une paire particulière de commutateurs S1 - S'1 S6 ~ S'6' à un instant donné ; l'additionneur 29 donne le signal de sortie par la ligne 9 correspondant à une courbe de référence de temps, choisie Vcos (21(fLt + Qn) comme cela a été exposé précédemment. Cette courbe de temps de référence est décalée de t /3 par rapport à la courbe précédente ainsi que par rapport à la courbe de temps suivante dérivée par la sélection de commutation dans l'ordre d'allumage des thyristors.Le comparateur 118 reçoit la courbe de référence de temps de la ligne 9 de l'additionneur 29 et la tension de référence v c pour définir l'angle d'allumage des thyristors. Le comparateur 118 commande par la ligne 13, un multivibrateur 30 qui génère une impulsion de déclenchement envoyée par la ligne 29. Un compteur en anneau 20 mis en oeuvre par les impulsions de déclenchement, transfère les états et assure par l'intermédiaire de la ligne 75 qu'un distributeur 77 définisse de façon logique la relation de multiplexage concernant l'allumage du thyristor" suivant" à déclencher. Cela se fait par la ligne 2, le circuit d'entratnement 77 | et l'angle d'allumage 78 pour les électrodes de commande des thyristors T1 - T6. L'impulsion de la ligne 29 est appliquée par la ligne 19 au circuit d'entratnement 77' pour déclencher une impulsion d'allumage sur la ligne correspondante 78. En même temps, le compteur en anneau 20 fait que le distributeur 77 choisisse une paire appropriée de composants FET (S1, S'1) ... (S6, S'6) dans les blocs 51, 52 par les lignes 10 et 17, 18 pour préparer la formation d'une courbe en cosinus sur la ligne 9 à la sortie de l'additionneur 29, pour correspondre à la phase des lignes relatives au thyristor "suivant à déclencher. R E - D I C A T I O N Installatioii de commande de thyristors comportant un générateur d'impulsions de porte générant des impulsions d'allumage et un distributeur répondant à ces impulsions de porte pour choisir des thyristors à mettre en oeuvre en fonction d'un ordre séquentiel prédéterminé, un générateur de courbes de temps donnant une courbe en cosinus en relation avec une courbe fondamentale en sinus et un comparateur répondant à la courbe de temps en cosinus et à une tension de commande (vc) pour définir avec le générateur d'impulsions de porte un angle d'allumage d'un thyristor choisi, installation caractérisée en ce que le générateur de courbes de temps se compose d'un premier moyen (22) pour intégrer la courbe fondamentale en sinus (11) et former un premier signal en cosinus (25), un second moyen (24) pour intégrer le premier signal (25) et former un second signal en cosinus (26), un premier ensemble de canaux d'amplification multiplexés (51, C1 .. 36) pour amplifier le premier signal, les premiers canaux ayant des gains respectifs formant un ensemble (Lî - L6), un second ensemble de canaux d'amplification multiplexés (52, C1 ... 35) pour amplifier le: signaux des seconds canaux, ces seconds canaux ayant des gains respectifs formant un second ensemble (K1 - K6), et un distributeur (3, 31, 30) choisissant une paire de canaux multiplexés du premier et du second- ensembles (51, 52) en fonction d'un thyristor choisi, et un moyen pour additionner (29) les sorties des canaux multiplexés d'une paire choisie pour donner une courbe de temps en cosinus.