Brevet FR2500238A1 — publié le 19820820

L'invention se rapporte aux dispositifs générateurs de signaux de commande de l'amorçage d'un gradateur, ou autre organe à semi-conducteurs de puissance, lui-même destiné à commander l'alimentation d'une charge par le réseau alternatif. Ces dispositifs font généralement suite à un organe qui fournit une tension d'écart image de la différence entre une valeur de consigne imposée à une grandeur physique qu'il s'agit de réguler et la valeur réelle que prend cette valeur sous l'effet du courant qui circule dans la charge. Une application intéressante de l'invention est la régulation de la température d'un four électrique, la charge étant alors constituée par des résistances séparées du gradateur par un transformateur.Le dispositif auquel s'applique l'invention est du type qui permet d'effectuer une régulation à action modulée et comprend un générateur de rampe, et des moyens de comparer la tension de rampe à la tension d'écart pour engendrer un signal de commande de l'ouverture du gradateur dans des intervalles définis par le début de la tension de rampe et l'instant où ladite tension coincide avec la tension d'écart. Dans tous les cas où la charge n'est pas une résistance pure, il se produit au démarrage du courant, des phénomènes transitoires se traduisant par une pointe de courant (par exemple, pointe magnétisante d'un transformateur) et ces pointes seront d'autant plus préjudiciables au bon fonctionnement de l'installation que la fréquence de récurrence de la rampe sera plus élevée. Or, dans la domaine d'application de l'invention, on s'intéresse tout particulièrement aux cas où les possibilités de rapidité de commande des semi-conducteurs de puissance sont pleinement utilisées, c'est-à-dire où la durée de chaque rampe est par exemple de l'ordre de 2 secondes. Il est connu, de réduire l'amplitude de telles pointes de courant en introduisant un déphasage, réglable en fonction de la nature de la charge, en l'instant de démarrage de la rampe et un passage à zéro de la tension du réseau. L'un des objectifs de l'invention est d'effectuer la génération de la rampe et sa synchronisation de manière telle que ledit réglage du déphasage soit facile. Cependant, la particularité principale de l'invention consiste à alimenter la charge en train d'ondes, c'est-à-dire par un signal composé de périodes entières du réseau (la première période pouvant toutefois etre incomplète, par suite du déphasage mentionné ci-dessus).Lorsque le montage comporte un transformateur, il pourra ainsi revenir à son état initial à chaque rampe, ce qui est une condition très importante de bon fonctionnement. Suivant le mode d'exécution préféré de l'invention, la rampe utilisée à la forme de marches d'escalier synchrones du réseau dont les contre-marches (correspondantes aux intervalles de charge d'un condensateur1 interviennent dans le quart de période du réseau qui précède le passage à zéro à partir duquel ledit déphasage est défini. Suivant une particularité de l'invention, le dispositif comprend des moyens d'engendrer une impulsion de synchronisation qui définit la durée dudit déphasage et est utilisée pour synchroniser la remise à zéro de la rampe et une fenêtre de synchronisation utilisée pour définir lesdits intervalles de charge du condensateur. De préférence, ladite impulsion et ladite fenêtre de synchronisation servent en outre à valider les résultats de la comparaison entre le signal d'écart et la rampe, ce qui augmente l'immunité du dispositif aux parasites. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif conforme au mode d'exécution préféré de l'invention ; Les figures 2 et 3 représentent les formes d'ondes prélevées en différents points du dispositif de la figure l; et La figure 4 représente un mode d'exécution préféré du circuit logique de validation du train d'ondes que comporte le dispositif de la figure 1. A la figure 1, on a représenté une charge L alimentée par le réseau alternatif (symbolisé par les lignes 1 et 2) à travers un gradateur 3. Ce dernier est un dispositif connu, à thyristors ou autres composants à semi-conducteurs de puissance, qui fournit un courant alternatif (forme d'onde I, figure 3) pendant les intervalles de temps où son circuit d'amorçage 4 reçoit des signaux appropriés. Ces derniers sont engendrés à partir des signaux rectangulaires (forme d'onde N, figure 3) fournis par un circuit logique 6 dont la structure et la fonction seront expliquées dans la suite, par amplification de puissance dans un étage 5, luimême précédé d'un générateur de signaux carrés 50 synchronisé par le signal de sortie du circuit 6. Pour engendrer les créneaux N, le circuit 6 reçoit un certain nombre de signaux que l'on va maintenant décrire, en indiquant la manière dont ils sont produits. Tout d'abord, un comparateur 7 fournit des signaux rectangulaires (forme d'onde L, figure 3) résultant de la comparaison d'un signal périodique de forme d'onde J (rampe en marches d'escalier, figures 2 et 3) avec un signal continu K (voir également la figure 3). Ce dernier signal constitue le signal de commande, tandis que le signal périodique J est une rampe récurrente en marches d'escalier, fournie par un générateur 8 qui sera décrit plus loin.Dans une application concrète non limitative du dispositif décrit, celui-ci est destiné à alimenter les résistances d'un four électrique, et est associé à un détecteur de la température du four.Ce détecteur fournit une tension continue variable en fonction de ladite température et cette tension est comparée à une tension de référence qui correspond à une valeur de consigne de la température : la différence constitue une tension d'écart Ut qui est appliquée, à travers un commutateur 9 dont la fonction sera expliquée dans la suite, à l'entrée d'un circuit d'adaptation d'échelle 10 qui fournit le signal de commande K à sa sortie.Le circuit 10, dont la réalisation est à la portée de l'homme du métier est composé de résistances commutables et permet, à partir d'un niveau de signal Utappartenant à l'une des gammes 0 à 5 v, 0 à 10 v, 0 à 10 mA, 0 à 20 mA, 4 à 20 mA, etc.... d'obtenir un signal K d'un niveau prédéterminé convenable à l'entrée du comparateur 7. La sélection d'échelles peut, grâce au circuit 10, s'effectuer par la simple manoeuvre d'un commutateur que comporte ledit circuit. En outre, lorsque le commutateur figuré en position de marche de l'appareil (Ma), est au contraire en position de réglage (Reg), une tension de référence Vréf est substituée à Ut à l'entrée du circuit 10, à des fins qui seront indiquées dans la suite. Le circuit 6 reçoit par ailleurs des impulsions E et G (voir figure 2) fournies par deux générateurs ll et 12 respectivement, à des instants déterminés par des signaux rectangulaires C et D (voir figure 2) eux-mêmes fournis par des générateurs 13 et 14 respectivement. Une tension image du réseau (A, figure 2) fournie par un transformateur 150, est mise en forme de signaux carrés (B, figure 2) par un circuit 15. Les signaux B, appliqués à l'entrée du générateur 13, déclenchent, par leur front arrière, une bascule en monostable que comporte ledit générateur et qui fournit ainsi une impulsion négative (C) dont la largeur (T1, figure 2) peut être réglée au moyen d'uSbpotentiomètre 130. De même, les signaux B, appliqués à l'entrée du générateur 14, déclenchent, par leur front arrière, une bascule monostable que comporte ledit générateur et qui fournit ainsi un créneau négatif D de largeur T2.La largeur T2 est prédéterminée de telle façon que ie front arrière du créneau correspondant intervienne un peu avant le passage à zéro qui correspond au front avant de l'impulsion C et, en tout cas, après le maximum de la sinusoide A qui précède ce passage à zéro. En effet, il ne suffit pas que la rampe soit synchronisée sur le réseau pour obtenir l'extinction des thyristors du gradateur à la fin d'une période entière du réseau : ce résultat ne serait évidemment pas obtenu si la coincidence entre les signaux J et K intervenait, dans l'exemple considéré pendant les demisinusoides négatives du réseau.En pratique, comme le thyristor doit avoir atteint son courant de maintien quand on interrompt le créneau d'amorçage, il faut que la coincidence intervienne un peu avant le passage à zéro du réseau qui correspond au front avant de l'impulsion C et, en tout cas, avant le maximum de la sinusoide qui précède. Le front arrière de l'impulsion C déclenche à son tour une bascule monostable que comporte le générateur 11 qui fournit ainsi une impulsion T3 de durée brève. Cette impulsion constitue le signal E et, avec un signe inverse, le signal F (figure 2). A titre d'exemple, les quatre circuits 11 à 14 pourront être réalisés au moyen de deux circuits intégrés 14538 commercialisés par la Société Motorola, et comportant chacun deux bascules monostables C-Mos. Avant d'expliquer le rôle joué par les impulsions E et G dans la validation, par le circuit logique 6, du signal L issu du comparateur 7, on va tout d'abord décrire le générateur de rampe 8. Celui-ci comprend un générateur de courant constant 80 dont la sortie est reliée, par lf inter- médiaire d'un interrupteur 81 commandé par les impulsions G, et d'un commutateur 82, soit à un condensateur 83 (lorsque le commutateur 82 est en position de marche Ma), soit à un condensateur 84 (lorsque le commutateur 82 est en position de réglage Reg). C'est la tension aux bornes de l'un de ces deux condensateurs qui constitue le signal J. e La décharge du condensateur en service s'effectue au moyen d'un circuit de remise à zéro 85 comportant deux comparateurs 86 et 87 et une mémoire 88 qui commande un interrupteur 89.Ce dernier assure la décharge du condensateur lorsqu'il se ferme, ce qui se produit dès que laltension J, renvoyée à l'entrée du comparateur 86, devient supérieure à la tension à l'autre entrée où est appliqué un signal H, (voir figure 2) dérivé du signal F par transmission à travers une diode 860. Les impulsions sont donc en synchronisme avec les impulsions F, mais de plus grande amplitude, ce qui augmente, en dehors du créneau de validation , le seuil de basculement du comparateur 86, donc d'immunité du dispositif aux parasites. Le signal H est appliqué au point de jonction entre deux résistances 861, 862, la résistance 861 étant reliée à une tension Vcc, fournie par un dispositif d'alimentation stabilisée 864, relié à l'enroulement secondaire du transformateur 150. La résistance 862 est en série avec une troisième résistance 863 reliée à la masse. Le comparateur 86 prélève une tension d'entrée au point de jonction entre les résistances 861 et 862, tandis que le comparateur 87 prélève une tension d'entrée au point de jonction entre les résistances 862 et 863, son autre tension d'entrée étant G. Les trois résistances 861 à 863 sont d'égale valeur. L'ensemble du circuit de remise à zéro de rampe 85 peut être constitué par un circuit intégré LM 555 de la Société "National Semiconductor". Lorsque la tension G devient inférieure à 1/3 de Vcc, le comparateur 87 bascule et la mémoire 88 change d'état, ce qui a pour effet d'ouvrir le commutateur 89. Si l'on examine les formes d'onde de la figure 2, il apparaît que, au début de la période du signal A, le signal G est à son niveau haut, lequel est supérieur à 1/3 Vcc. L'interrupteur 89 est donc fermé et le condensateur (83 ou 84) est à l'état déchargé. Pendant l'impulsion T4, l'interrupteur 89 est ouvert (par le comparateur 87) tandis que l'interrupteur 81 est fermé (par l'impulsion T4) et, par conséquent, le condensateur se charge linéairement. Entre deux impulsions T4 successives, le condensateur conserve le niveau de tension atteint à ses bornes. Pendant les instants T3 où le signal F passe à l'état zéro, la tension au point commun entre les résistances 861 et 862 devient égale à 2/3 Vcc. Pour les marches d'escalier où la tension de rampe J reste inférieure à cette valeur, l'interrupteur 89 reste ouvert et le condensateur reste chargé. Par contre, pour la première marche d'escalier où J est devenue supérieure à cette valeur, l'interrupteur se ferme et le condensateur se décharge brusquement . Cette décharge intervient à l'instant du front avant de T3, c'està-dire avec un retard T1 par rapport à un passage à zéro du signal A (passage à zéro par valeurs décroissantes dans l'exemple considéré). Si l'on considère maintenant les formes d'ondes de la figure 3, il apparaît que le niveau du signal K coincide normalement avec celui de la rampe J, d'une part au moment de la décharge du condensateur, c'est-à-dire à l'instant du front avant d'une impulsion T3, d'autre part, pendant la durée d'une impulsion T4, c'est-à-dire pendant la contremarche de l'escalier qui correspond à une période de charge du condensateur. Toutefois, si le signal K était affecté de parasites extérieurs se traduisant par des pointes de tension ou de courant, (parasite P représenté en pointillé à la figure 3), une coincidence pourrait se produire pendant la durée d'une marche d'escalier. Comme les signaux de coincidence commandent la coupure du courant par le gradateur 4, une coupure intempestive du courant de chauffe se produirait alors.Cet inconvénient est évité grâce au fait que le circuit logique de validation 6 est agencé pour ne valider la sortie du comparateur 7 (signal L) que pendant la durée des impulsions T3 et T4 ; une coincidence se produisant en dehors de T3 ou de T4 n'est donc pas prise en compte. On a représenté en N le créneau issu du circuit de validation 6. Les instants t1 et t4 sont ceux des coincidences définies ci-dessus. Les instants t2 et t3 correspondent aux fronts avant des impulsions T4 et T3 intermédiaires. La mise à zéro du signal N pendant l'intervalle de temps t2, t3, n'intervient que dans le cas où un contacteur extérieur de sécurité ou de validation 60 est actionné, ce qui a pour effet de mettre au niveau 1 le signal M appliqué à une deuxième entrée du circuit 6. Plus précisémment, le passage à zéro du signal M n'est pris en compte qu'à l'instant t2, tandis que son passage à 1 n'est pris en compte qu'à l'instant t3. Si l'on considère maintenant la forme d'onde I, on voit, d'une part, que le train d'ondes de courant de charge démarre avec un retard T1 par rapport à un passage à zéro du signal A (dans l'exemple considéré, il s'agit du passage à zéro par valeurs décroissantesj, d'autre part, que le train d'ondes s'arrête à la fin de la période du courant I qui suit immédiatement l'un des-instants t2 ou t4. Comme on l'a déjà indiqué, ces deux dispositions sont indispensables au bon fonctionnement de l'appareil dans le cas où il existe un transformateur entre le gradateur et la charge. Par ailleurs, en cas d'intervention du contact de sécurité il est indispensable d'arrêter le courant à la fin d'une période entière et de le faire redémarrer avec le mêlme déphasage T1, ce qui est bien obtenu avec le montage décrit. En l'absence d'un transformateur et pour une charge purement résistante, le potentiomètre 130 sera réglé pour que T1 = 0. Par contre, si la charge comporte une inductance ou si un transformateur est présent, le potentiomètre 130 sera réglé de façon à rendre minimum la pointe de courant magnétisant qui se manifeste dans ce cas. A cet effet, on placera le comnutateur 82 sur la position Reg. Dans ce mode de fonctionnernent du générateur de rampe, la rampe J, au lieu d'avoir une durée de 2 à 3 secondes comme en position de marche, a une durée réduite à quelques périodes du réseau. Les pointes du courant de charge sont alors décelables au moyen d'un simple ampèremètre et le potentiomètre 130 peut être réglé en observant les déviations sur l'ampèremètre. On place en outre le commutateur 9 sur la position Reg pour que le signal de commande soit remplacé par une tension de référence. A la figure 4, on a représenté un mode d'exécution préféré, du circuit de validation 6 de la figure 1. il comprend trois portes, NON OU 61 62 63. La porte 61- reçoit le signal G et, à travers une résistance Rl, le signal L. La porte 62 reçoit sur une entrée, le signal N de sortie de la porte 63 et, sur l'autre entrée, d'une part, le signal L transmis à travers une résistance R2, d'autre part, les signaux E et M transmis à travers des diodes respectives D1 et D3. Les sorties des portes 61 et 62 sont reliées aux entrées respectives de la porte 63 et une diode D2 en série avec une résistance R3 relie à la masse la borne de R1 opposée à celle qui reçoit le signal L.Le point commun à R3 et D2 est relié au point commun à D3 et au contact 60 déjà mentionné en se référant à la figure 1. Lorsque le signal M est au niveau logique 1 (voir figure 3) les diodes D2 et D3 sont bloquées. Le front montant du signal L qui coincide avec le front descendant de la rampe J est transmis par R2 à l'une des entrées de la porte 62 si E = 1, la diode D1 étant alors bloquée. I1 en résulte que la sortie de la porte 62 passe à 0. La sortie de la porte 61 est, de son côté à zéro. La sortie de la porte 63 passe donc à 1. Si E = O, la diode D1 n'est pas bloquée et la tension présente à l'entrée correspondante de la porte 62, égale à la tension de seuil de D1, est insuffisante pour faire basculer la porte 62. Le signal N reste donc à zéro, ce qui est conforme au mode de fonctionnement du circuit 6 décrit en se référant à la figure 1. Pour un front descendant de L, transmis par R1 à la porte 61, la sortie de celle-ci passe à 1 si G = 0 : dans ce cas, la sortie de la porte 63 passe à zéro. Si, par contre, G = 1, la sortie de la porte 61 est égale à 0 quel que soit le niveau logique de L. Les modes de fonctionnement qui précèdent correspondent à M = 1 c'est-à-dire au cas où le contact 60 est fermé. S'il s'ouvre, M passe au niveau 0, si bien que les diodes D2 et D3 deviennent passantes. On supposera que la résistance R3 est de valeur faible vis-à-vis de R1 et R2 les tensions présentes au niveau des diodes D2 et D3 sont alors insuffisantes pour faire basculer les portes 61 et 62, si bien que le signal N reste au niveau 0. Lorsque M passe du niveau logique 1 au niveau 0, si L et N sont au niveau 1, N passe au niveau 0 seulement lorsque G est au niveau zéro. Lorsque M passe du niveau 0 au niveau 1, si N est au niveau 0 et L au niveau 1, N passe au niveau 1 lorsque E est lui-même au niveau 1. I1 va de soi que diverses modifications pourront être apportées aux dispositifs décrits et représentés sans s'écarter de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif générateur de signaux de commande de l'amorçage d'un organe à semi-conducteurs de puissance (3) lui-même destiné à commander l'alimentation d'une charge (L) par le réseau alternatif (1-2), comportant des moyens (8) d'engendrer une tension de rampe (J) récurrente, des moyens (7) de comparer une tension continue de commande (K) à ladite tension de rampe et des moyens (6-50-5) d'engendrer des créneaux d'amorçage dudit organe à semi-conducteurs pendant la durée comprise entre le début de chaque rampe et l'instant de coIncidence entre ladite tension continue de commande et ladite tension de rampe, caractérisé par des moyens (12-14-87-81) de synchroniser ladite rampe sur le réseau de manière telle que ladite colncidence intervienne à un instant qui précède d'une durée prédéterminée le passage à zéro de la tension du réseau le plus proche du début de la rampe, ladite durée prédéterminée étant choisie pour que le courant dans la charge soit interrompu à la fin d'une période entière du réseau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des moyens (11 - 13 - 86 - 88 - 89) de synchroniser le début de la rampe avec un retard prédéterminé par rapport à un passage à zéro de la tension de réseau, ledit retard prédéterminé correspondant au déphasage entre le courant et la tension qui est introduit par la charge. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en- ce que lesdits moyens (8) générateurs de rampe comportent des moyens (12 - 14 - 87 - 81 - 80) de charger un condensateur (83) à courant constant pendant unefenêtre de synchronisation (T4) engendrée à un instant qui précède le passage à zéro de ladite durée prédéterminée, des moyens (11 - 13 - 86 - 88 - 89) de décharger ledit condensateur à l'instant d'une impulsion de synchronisation (T3) ayant ledit retard prédéterminé par rapport audit passage à zéro et des moyens (88) de conserver en mémoire la charge dudit condensateur pendant l'intervalle compris entre ladite impulsion de synchronisation et ladite fenêtre de synchronisation. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par des moyens (6) de valider le front montant du signal de sortie (L) desdits moyens de comparaison (7) à l'instant de production de ladite impulsion de synchronisation (T3) et de valider le front descendant dudit signal (L) pendant la durée de ladite fenêtre de synchronisation (T4). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de validation (6) sont agencés pour que lors de l'ouverture d'un contact extérieur de sécurité ou de validation (60) ledit signal de sortie (N) soit remis au niveau zéro au moment de la fenêtre de synchronisation (T4) suivante tandis que, lors de la fermeture dudit contact (60) ledit signal de sortie (N) soit remis au niveau 1 au moment de l'impulsion de synchronisation (T3) suivante. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens (8) générateurs de rampe comportent un condensateur supplémentaire (84) et des moyens (82) de le substituer audit condensateur (83) de façon à engendrer une rampe ayant une période égale à quelques périodes du réseau et en ce que lesdits moyens (11 -13) de synchroniser le début de la rampe comprennent un organe (130) de réglage manuel dudit retard. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par des moyens (10) de réglage manuel du niveau de ladite tension continue de commande en vue de la sélection d'échelle à l'entrée des moyens de comparaison (7).