Brevet FR2510322A1 — publié le 19830128

Dispositif d'alimentation d'un moteur à courant continu à excitation série piloté par un hacheur à conduction continue contrôlée. L'invention concerne un dispositif d'alimentation d'un moteur à courant continu à excitation série piloté par un hacheur à conduction continue contrôlée et plus précisément dans lequel le hacheur commande un système de shuntage à thyristor branché sur l'inducteur. Il est connu d'utiliser un thyristor associé avec un hacheur pour régler progressivement le taux de shuntage de l'inducteur d'un moteur à courant continu de type série Ce système permet d'éviter l'emploi d'un circuit de commutation forcé pour éteindre le thyristor de shuntage. Toutefois, ce système ne peut fonctionner correctement qu'avec un travail cyclique du hacheur En effet, si le hacheur passe en conduction continue, le thyristor ne peut plus alors assurer le réglage du taux de shuntage. Or, précisément pour certaines applications, il est avantageux de pouvoir utiliser le hacheur en conduction continue. C'est pourquoi il a été imaginé de réaliser l'inducteur avec deux enroulements en série (ou un enroulement avec prise intermédiaire) dont le premier peut être progressivement shunté pendant la phase de démarrage, le second enroulement étant destiné à assurer le flux minimum restant lorsque le hacheur est forcé à la conduction continue. Toutefois, cette disposition présente le grave inconvénient de nécessiter deux inducteurs séparés, ce qui entraîne une augmentation du coût de fabrication et une complexité accrue du câblage. Il a aussi été imaginé avec un moteur muni d'un seul enrou- lement inducteur série, d'adjoindre au hacheur un moyen indépendant de shuntage de l'inducteur Ce moyen est par exemple constitué par un autre hacheur indépendant ou par un dispositif de shuntage électro-mécanique muni de contacteurs et de résistances de shuntage. L'inconvénient d'un système du type précédemment mentionné provient évidemment de l'adjonction du moyen indépendant de shuntage d'inducteur qui cause une augmentation du coût, des pertes et de la complexité. C'est pourquoi l'invention propose un dispositif qui évite les inconvénients mentionnés ci-avant et apporte notamment les avantages suivants: moteur muni d'un seul inducteur série, hacheur de pilotage unique, avec passage possible en con- duction continue contrôlée après la phase de démarrage, système de shuntage progressif de l'inducteur, lié au ha- cheur de pilotage avec passage en conduction continue contrôlée après la phase de démarrage. Pour atteindre ces buts, l'invention propose un dispositif d'alimentation d'un moteur à courant continu et excitation série dont l'inducteur est muni d'un système de shuntage à thyristor commandé par un hacheur à conduction continue contrôlée et éventuellement d'un shuntage résistif permanent, remarquable en ce que le système de shun- tage de l'inducteur comporte au moins deux voies contrôlées qui sont destinées respectivement pour le première voie à assurer un shuntage variable de l'inducteur pendant les phases de fonctionnement cyclique du hacheur et pour la seconde voie à assurer un taux maximal de shunta- ge lorsque ledit hacheur passe à l'état de conduction continue contrô- lée. Selon un premier mode de réalisation, le système de shuntage comporte un thyristor en parallèle sur l'inducteur et qui constitue la première voie de shuntage et un autre thyristor muni d'une résistance en série qui sont montés en parallèle sur le thyristor de la première voie et qui constituent la deuxième voie de shuntage de telle sorte que l'ouverture d'une voie et la fermeture de l'autre sont obtenues respectivement par l'amorçage et le blocage des thyristors corresponrai. dants. Selon un peeond mode de réalisation, le système de shuntage comporte deux thyristors en série montés en parallèle sur l'inducteur et une résistance disposée en parallèle sur le thyristor aval, la pre- mière voie de shuntage étant constituée par le circuit des deux thy- ristors et la deuxième voie par le thyristor amont et la résistance parallèle de telle sorte que l'ouverture des voies est respectivement obtenue pour la première par le déblocage des deux thyristors et pour la-deuxième par le blocage du thyristor aval et le déblocage du thyris- tor amont. Avantageusement pour ces deux modes de réalisation, le thy- ristor de la première voie peut être muni d'une résistance d'ajustage branchée en série avec lui. Selon une variante des modes de réalisation mentionnés ci- avant, le système de shuntage comporte une troisième voie supplémen- taire de shuntage de manière à permettre un shuntage de l'inducteur pendant les phases de non conduction du hacheur en fonctionnement cyclique. Il est clair que le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour de nombreuses applications, notamment dans le domaine de la traction électrique et plus particulièrement encore dans un système de traction-freinage électrique par récupération. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et qui se réfère au dessin annexé dans lequel: la figure 1 montre un premier mode de réalisation d'un dis- positif selon l'invention, la figure 2 montre un second mode de réalisation selon 1 ' invention, la figure 3 est une variante des modes de réalisation pré- cédents, la figure 4 montre une autre variante possible, les figures 5 à 7 montrent à titre d'exemples des modifi- cations possibles des modes de réalisation précédents par changement dans le circuit des emplacements du hacheur et du système de shuntage, la figure 8 illustre schématiquement une application du dispositif selon l'invention dans un système de traction-freinage élec- trique par récupération. Dans le dessin, les éléments identiques ou similaires portent les mêmes références d'une figure à l'autre. La figure 1 montrel'induit I d'un moteur, en série avec un in- ducteur 2 et une self de lissage 3 qui sont alimentés par une source de courant continu 4 par l'intermédiaire d'un hacheur statique 5 et d'une diode 6 de roue libre. Une résistance 7 de shuntage en série avec un interrupteur 8 (éventuel) sont montés en parallèle sur l'inducteur 2 de manière à ré- duire au mieux une ondulation du courant dans l'inducteur. La self de lissage 3 qui est branchée en série avec l'induit 1 est prévue dans le cas o l'enroulement de l'induit 1 ne présente pas assez de self et sa présence est donc facultative. L'inducteur 2 est muni d'un système de shuntage 9 qui compor- te, outre la résistance classique 7 dont il vient d'être question, une diode 10, deux thyristors 11 et 12 et deux résistances 13 et 14 La diode 10 est une diode d'aiguillage qui est-disposée en série entre la sortie Si du hacheur 5 et l'entrée de l'inducteur 2 qui est elle-même reliée en outre à la cathode de la diode 6 de roue libre. Le thyristor 11 en série avec la résistance d'ajustage 13 qui est facultative sont branchés entre la sortie 51 du hacheur et la sortie 52 de l'inducteur 2 de manière telle que le courant puisse cir- culer de Sl vers 52. Le thyristor 12 de shuntage "permanent" en série avec la ré- sistance 14 sont branchés entre les points 51 et 52 et de manière telle que le courant ne puisse circuler que de Sl vers 52. Le thyristor 11 et sa résistance facultative 13 forment une première voie de shuntage et le thyristor 12 en série avec sa résistan- ce 14 forment une deuxième voie. Le fonctionnement du dispositif est en effet le suivant Pendant la phase de démarrage qui s'effectue à couple cons- tant, et en agissant sur le rapport cyclique d'ouverture du hacheur 5, on injecte un courant constant en valeur moyenne dans l'inducteur 2 et l'induit 1 du moteur. Pendant ce temps le système de shuntage est mis hors service en bloquant la conduction des thyristors 11 et 12. Pendant la phase suivante de travail à puissance constante, le hacheur 5 présente un rapport d'ouverture maximal Le thyristor 11 est progressivement débloqué de manière à réduire le courant moyen qui circule dans l'inducteur 2 tout en conservant un courant moyen constant dans l'induit 1 Il est clair dans ce cas qu'une partie seu- lement du courant qui arrive dans l'induit 1 circule dans l'inducteur, la différence passant par la résistance 7 (interrupteur 8 fermé) et par le thyristor 11 qui constitue avec la résistance éventuelle 13 une première voie de shuntage variable Le blocage du thyristor 11 à cha- que fin de période est assuré par le blocage du hacheur 5, la diode d'aiguillage 10 empêchant le retour du courant de la diode de roue libre 6 dans ledit thyristor 11. Durant la phase d'accélération à puissance variable selon les caractéristiques propres du moteur, le hacheur 5, le thyristor 12 et la diode d'aiguillage 10 sont en état de conduction continue de telle sorte que les deux résistances 7 et 14 sont alors branchées en parallèle sur l'inducteur 2 assurant ainsi un taux de shuntage maximal d'inducteur. La fermeture de la voie ( 11, 13) et l'ouverture de la secon- de voie de shuntage ( 12, 14) sont obtenues en deux temps Le thyristor 11 est d'abord bloqué par l'arrêt du hacheur 5, puis le thyristor 12 et le hacheur 5 sont simultanément réamorcés et restent ensuite à 1 ' état de conduction continue Le mode de réalisation de la figure 2 est très voisin de ce- lui de la figure 1, la différence résultant du fait que la résistance 14 est ici en parallèle sur le thyristor 11 et la résistance 13, les thyristors 12 et 11 étant en série. Le fonctionnement de ce mode de réalisation est semblable à celui précédemment décrit, àt-ceci près que dans la phase de travail à puissance constante les deux thyristors 12 et 11 sont débloqués simul- tanément. Le schéma de la figure 3 est identique à celui de la figure 1 à la seule différence près que la diode d'aiguillage 10 de la figu- re 1 est remplacée par un thyristor 10 ' Dans cette disposition, le thyristor 10 ' est débloqué en synchronisme avec le hacheur 5 dans le cas général de fonctionnement Le mode de fonctionnement reste le même que celui précédemment décrit mais le thyristor 10 ' en série avec le hacheur 5 permet à ce dernier d'avoir des angles d'ouvertu- re très faibles grâce à l'effet connu du thyristor Vernier. Le mode de réalisation montré à la figure 4 est muni des mê- mes éléments que celui de la figure 1 mais possède une voie de shuntage supplémentaire. Ce mode de réalisation comporte en effet en plus, une diode d'isolement 15 placée en série avec la diode de roue libre 6 et dont la cathode est reliée à l'entrée de l'inducteur 2, ainsi qu'un thyris- tor 16 Ce dernier est disposé de manière telle que sa cathode soit re- liée avec la sortie de l'inducteur 2 (point 52), par l'intermédiaire éventuellement d'une résistance 17, tandis que son anode est reliée à l'anode et à la cathode des diodes respectivement d'isolement 15 et de roue libre 6. Ce mode de réalisation (figure 4) fonctionne de manière analogue à celui de la figure 1 mais l'adjonction des éléments 15, 16 et éventuellement 17 permet d'obtenir un shuntage d'inducteur lors- que le hacheur 5 est à l'état bloqué en fonctionnement cyclique. Les figures 1 à 4 montrent des dispositifs dans lesquels le hacheur 5 et le système de shuntage 9 sont disposés côte à côte du cô- té positif de la source 4 mais il est clair que le hacheur 5 et le système 9 peuvent être disposés autrement sans sortir du cadre de 1 ' invention. A titre d'exemples les figures 5, 6 et 7 montrent des varian- tes du mode de réalisation de la figure 1 dans lesquelles le hacheur 5 et le système de shuntage 9 occupent des positions différentes. La figure 5 montre un exemple dans lequel le hacheur reste du côté positif de la source tandis que le système 9 est placé du cô- té négatif. La figure 6 montre au contraire un exemple dans lequel c'est le système 9 qui reste du côté positif tandis que le hacheur 5 est dis- posé du côté négatif. La figure 7 montre enfin un dispositif dans lequel le hacheur et le système 9 sont disposés du côté négatif de la source 4. Ceci montre bien que de nombreuses variantes peuvent être ima- ginées et il est en outre possible sans sortir du cadre de l'invention de combiner les divers modes de réalisation entre eux. La figure 8 montre schématiquement une application possible, à la traction électrique, du dispositif selon l'invention Ce schéma montre une disposition destinée à réaliser successivement une fonction traction et une fonction freinage électrique par récupération avec un hacheur fonctionnant en élévateur de tension. La figure 8 montre les éléments 1 à 14 déjà décrits à propos des figures précédentes La source de tension continue 4, dans cet exem- ple, est toutefois filtrée par une association classique selfcondensateur 24 L'appareil montré présente en outre des contacteurs 18 et 19,pla- cés de part et d'autre de l'induit 1 dans le circuit, qui sont fermés 2 510322 en fonction traction Des contacteurs 20 et 21 sont également prévus pour être fermés en fonction freinage tandis que des diodes 22 et 23 sont aménagées dans le circuit pour assurer la circulation du courant de freinage. La diode 23 est montée en dérivation sur l'ensemble ( 5, 9) et peut être isolée par le contacteur 21 En agissant sur les contac- teurs 18 à 21, il est donc facile d'établir les circuits traction et freinage. L'exemple de la figure 8 n'est nullement limitatif En ou- tre, il est bien sûr possible de modifier sensiblement ce schéma en prévoyant par exemple des semi-conducteurs d'aiguillage à la place d' au moins certains des contacteurs ( 18, 19 et 21), sous forme de diodes et/ou de thyristors. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'alimentation d'un moteur à courant continu à excitation série dont l'inducteur est muni d'un système de shuntage à thyristor commandé par un hacheur à conduction continue contrôlée et éventuellement d'un shuntage résistif permanent, caractérisé en ce que le système de shuntage ( 9) de l'inducteur ( 2) comporte au moins deux voies contrôlées qui sont destinées respectivement pour la première voie à assurer un shuntage variable de l'inducteur ( 2) pendant les phases de fonctionne- ment cyclique du hacheur( 5) et pour la seconde voie à assurer un taux maximal de shuntage lorsque ledit hacheur ( 5) passe à l'état de conduction continue contrôlée. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de shuntage ( 9) comporte un thyristor ( 11) en parallèle sur l'inducteur ( 2) et qui constitue la première voie de shuntage, et un autre thyristor ( 12) muni d'une résistance en série ( 14) qui sont montés en parallèle sur le thyristor ( 11) de la première voie et qui constituent la deuxième voie de shuntage de telle sorte que l'ouverture d'une voie et la fermeture de l'autre sont obtenues respectivement par l'amorçage et le blocage des thyristors correspondants. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de shuntage ( 9) comporte un premier et un deuxième thyristors en série ( 12, 11) montés en parallèle sur l'inducteur ( 2) et une résistance ( 14) disposée en parallèle sur le deuxième thyristor ( 11), la première voie de shuntage étant constituée par le circuit des deux thyristors et la deuxième voie par le premier thyristor ( 12) et la résistance parallèle ( 14), de telle sorte que l'ouverture des voies est respectivement obtenue pour la première par le déblocage des deux thyristors et pour la deuxième par le blocage du deuxième thyristor ( 11) et le déblocage du premier thyristor ( 12). 4 Dispositif-selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le thyristor ( 11) de la première voie est muni d'une résistance d'ajustage ( 13) branchée en série avec lui. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système de shuntage ( 9) comporte un semi-conducteur d'aiguillage disposé entre la sortie ( 51) du hacheur ( 5) et l'entrée de l'inducteur ( 2) sous forme d'une diode ( 10). 6 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système de shuntage ( 9) comporte un semi-conducteur d'aiguillage disposé entre la sortie (SI 1) du hacheur ( 5) et l'entrée de l'inducteur ( 2) sous forme d'un thyristor ( 10 '). 10322 7 Dispositif selon l'une des revendications I à 6, caractérisé en ce que le système de shuntage ( 9) comporte une troisième voie supplé- mentaire de shuntage de manière à permettre un shuntage de l'inducteur ( 2) pendant les phases de non conduction du hacheur ( 5) en fonctionnement cyclique. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérise en ce que la troisième voie de shuntage comporte une diode d'isolement ( 15) qui est montée en série avec la diode ( 6) classique de roue libre et dont la cathode est branchée à l'entrée de l'inducteur ( 2) et par un thyristor ( 16) dont la cathode est reliée à la sortie ( 52) de l'inducteur ( 2), par l'inter- médiaire éventuellement d'une résistance ( 17), tandis que son anode est reliée à l'anode et à la cathode des diodes respectivement d'isolement ( 15) et de roue libre ( 6).