Brevet FR2522900A3 — publié le 19830909

FR 2522900 A3 19830909 FR 8203481 A 19820303 La présente invention concerne un procédé pour convertir un courant continu en courant alternatif de forme quelconque, telle que sinusoïdale et de fréquence industrielle, telle que 50 Hz, 60 ou 400 Hz. L'invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé. Ce genre de technique présente une importance industrielle et économique croissante, en raison notamment de l'utilisation d'énergies nouvelles, conduisant le plus souvent à la production de courant continu, alors que l'utilisation industrielle nécessite généralement un courant alternatif. Parmi les techniques connues de ce genre, celle utilisant la ferro-résonance donne en sortie une onde sinusoldale bien formée et permet de régler convenablement la tension. La forme sinusordale est d'ailleurs une condition primordiale pour l'utilisation du courant dans de nombreux types d'appareils électroniques. En revanche, ces appareils, utilisant des inductances et des transformateurs qui travaillent sous une fréquence de 50 Hz sont lourds et encombrants et, en outre, bruyants. Une autre technique connue, dite pseudo sinusoidale, évite ces inconvénients mais délivre en sortie une tension dont la forme d'onde est en réalité en escalier ce qui ne répond pas à toutes les utilisations. Pour réaliser la régulation, il est connu de procéder à un double découpage du courant continu d'entrEe. Un premier découpage assure une conversion continucontinu qui correspond en réalité à une stabilisation de tension, le second découpage servant à la conversion en courant alternatif. Ce système constitue une réalisation d'une certaine complexité. L'amélioration de la forme de la tension de sortie procurée par ce type de conversion nécessite un filtrage faisant appel à des inductances et à des condenseurs lourds et encombrants. La présente invention vise à réaliser un procédé et un dispositif de conversion qui soit de construction simple et légère, tout en étant peu bruyant et en procurant une tension de sortie bien réglée et d'une forme sinusoidale acceptable pour toutes les utilisations. Ce résultat est obtenu, conformément à l'inven tio, en effectuant les opérations suivantes: a) on découpe le courant continu suivant une suite d'impulsions unipolaires modulées en largeur d'impulsion (MLI), la fréquence porteuse des impulsions étant supérieure à 5 kHz et la fréquence de modulation étant égale à la fréquence désirée du courant alternatif à obtenir; b) on transforme ces impulsions en impulsions alternatives en les portant à la tension de sortie souhaitée; c) on met en forme les impulsions obtenues de façon à obtenir un courant alternatif sinusoïdal redressé à deux alternances, ces alternances étant de fréquence double de la fréquence de sortie souhaitée; d) on inverse une alternance sur deux du courant redressé précité. Suivant ce processus, la transformation s'effectue à la fréquence élevée des impulsions modulées, ce qui permet d'utiliser un transformateur de faible encombrement, et travaillant dans des fréquences non audibles. En outre, aucune inductance de filtrage ou de mise en forme n'intervient à basse fréquence, ce qui procure un avantage similaire. Suivant une réalisation préférée du procédé, on règle la largeur des impulsions découpées. Ce réglage de largeur ou, en d'autres termes, du rapport cyclique des impulsions, permet, gr ce à un seul découpage, de réaliser les deux fonctions de régulation et d'élaboration de l'onde sinusoldale désirée. Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, on effectue le découpage de manière à obtenu nir la suite d'impulsions sous la forme d'un signal de commande à bas niveau que l'on amplifie avant de procéder à l'opération b). On peut ainsi utiliser un matériel classique de modulation de largeur d'impulsion fonctionnant à bas niveau, quelle que soit la puissance demandée en sortie. Suivant un second aspect de l'invention, le dispositif pour convertir un courant continu en courant alternatif sinusoïdal de fréquence industrielle telle que 50 Hz, 60 tIz ou 400 Hz, et de tension donnée, comprend des bornes d'entrées reliées à une source de courant continu et des bornes de sortie pour liaison avec une charge. Il est caractérisé en ce qu'il comprend: a) un étage de découpage pour découper le courant continu suivant une suite d'impulsions unipolaires modulées en largeur d'impulsion (MLI), de fréquence porteuse supérieure à 5 kHz, la fréquence de modulation étant égale au double de la fréquence désirée du courant alternatif à obtenir b) un transformateur attaqué par lesdites impulsions et relié en sortie à un étage de mise en forme comprenant une inductance et des diodes pour délivrer un courant alternatif redressé à deux alternances; c) un étage d'inversion relié à l'étage de mise en forme pour inverser une alternance sur deux du courant redressé. L'étage de découpage comprend avantageusement une entrée de commande reliée aux bornes de sortie pour régler la tension de sortie par ajustement du rapport cyclique des impulsions découpées. Suivant une réalisation perfectionnée de l'invention, un condensateur est monté entre les bornes de sortie pour améliorer le facteur de puissance dans le cas où la charge est inductive. Et ces bornes sont reliées à un étage de récupératIon par l'intermédiaire d'un étage redresseur. Quand la charge est résistive, on obtient ainsi le double résultat de supprimer la distorsion qui serait alors introduite par le condensateur sur l'onde sinusoidale et de récupérer-l'énergie correspondante. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatifs: . la figure 1 est un schéma électrique d'ensemble du dispositif; la figure 2 est un schéma de principe de l'étage de découpage; . la figure 3 est un diagramme relatif au fonctionnement de l'étage pilote; . la figure 4 est un schéma électrique du transformateur; les figures 5 et 6 sont des diagrammes servant à expliquer le fonctionnement du transformateur; . la figure 7 est un schéma électrique de l'étage de mise en forme; les figures 8 et 9 sont des diagrammes relatifs à l'étage de mise en forme; . la figure 10 est un schéma électrique de l'étage d'inversion; . la figure 11 est un diagramme du signal de sortie; ; . la figure 12 est un schéma montrant une charge branchée sur la sortie du dispositif; . la figure 13 est un diagramme montrant le phénomène de distorsion; . la figure 14 est un schéma électrique de l'étale redresseur lié au circuit de récupération. En référence à la figure 1, le dispositif convertisseur comprend un étage de découpage D ayant une borne d'entrée 1 reliée à une batterie B et une borne de sortie 2 reliée à une entrée 3 d'un amplificateur A. Cet amplificateur comporte ureentrée de puissance 4 reliée à la batterie B. Une-sortie 5 de l'amplificateur A est reliée à une borne d'entrée 6 d'un transformateur TR dont les bornes de sortie 7 sont reliées à un étage de mise en forme F relié à des bornes d'entrée 8 d'un étage inverseur IN, les bornes de sortie 9 de cet étage constituant les bornes de sortie du dispositif. Une entrée de commande 11 de cet étage inverseur est relié à une sortie de commande 12 de l'étage de découpage D. Un condensateur 13 est monté entre les bornes de sortie 9 et ces bornes sont reliées d'une part à une entrée 14 d'un étage redresseur R et d'autre part à une entrée de commande 15 de l'étage de découpage D. L'étage redresseur R comporte une entrée de commande 16 reliée à la sortie 2 de l'étage de découpage D et il est relié en sortie à la batterie B On va maintenant décrire en détail les diffé- rents étages du dispositif et expliquer leur fonctionnement. L'étage de découpage D (figure 1) comprend, de façon connue en soi, un générateur GE de signaux en escalier (figure 3-a) et un générateur GS de signaux en dents de scie (figure 3-b). Ces générateurs sont reliés à un modulateur MOD qui, en combinant les signaux précités, émet, sur sa sortie 2, des impulsions positives sensiblement rectangulaires modulées en largeur d'impulsion (MLI) suivant une loi sinusoidale à 100Hz, telles que représentées sur la figure 3-c. Dans l'exemple décrit, la fréquence porteuse des impulsions est de 20 kHz, mais, plus généralement, cette fréquence est prévue supérieure à 5 kHz. La fréquence de modulation des impulsions est égale au double de la fréquence désirée du courant alternatif obtenu en sortie du dispositif, soit ici 100 Hz ici 100 11z pour une frtuluence de sortie 50 Hz. La modulation de largeur d'impulsion se traduit par un rapport cyclique variable entre certaines limites définies par l'impulsion la plus étroite et l'impulsion la plus large. Ces limites peuvent entre, par exemple, 0,10 et 0,48, dans l'exemple décrit. Si la charge reliée aux bornes 9 varie, la répercussion de cette variation sur la tension de sortie VS entre les bornes 9 entraine une réaction sur l'entrée de commande 15 (figure 1), qui, par comparaison avec une consigne sinusoidale type, modifie la valeur du rapport cyclique pour maintenir constante la tension de sortie VS. Si la tension disponible sur la batterie varie, la répercussion de cette variation sur l'étage de découpage D provoque une variation du rapport cyclique telle que l'amplitude de la tension de sortie VS entre les bornes 9 reste constante. Les impulsions sont de bas niveau, de l'ordre de quelques centaines de millivolts, et sont appliquées à l'entrée 3 de l'amplificateur A. Cet amplificateur est en réalité un commutateur interposé entre la batterie B et le transformateur TR, et piloté par les impulsions MLI. I1 est capable de laisser passer un courant de plusieurs centaines d'ampères à des fréquences de l'ordre de plusieurs dizaines de kilohertz, comme dans l'exemple décrit. Il est avantageusement réalisé suivant le brevet français 81 22 547 au nom de la Demanderesse. A la sortie de l'amplificateur A, on recueille donc des impulsions MLI amplifiées suivant la puissance demandée, qui sont appliquées à l'enroulement primaire du transformateur TR (figure 4). Ce transformateur comprend un primaire ayant un point milieu M relié, par l'intermédiaire de la borne 6 et de l'amplificateur A, à la batterie B et commun à deux enroulements N1 et N2 reliés à la masse, respectivement par l'intermédiaire d'une diode D1 passante à partir de la masse et par l'intermédiaire d'un interrupteur I fictif qui symbolise la fonction de commutation de l'amplificateur A. Un secondaire S a ses extrémités reliées aux bornes de sortie 7 du transformateur. Quand une impulsion MLI est présente sur la borne 6 (interrupteur I fermé), aucun courant ne peut circuler dans l'enroulement N1, du fait de la diode D1, mais une énergie magnétique est stockée dans le noyau N pendant la durée t de l'impulsion. Entre les impulsions (interrupteur I ouvert), la diode D1 laisse passer le courant et la tension aux bornes du primaire s'inverse. Dans l'exemple décrit, les deux enroulements N1 et N2 ont le même nombre de spires, de sorte que la descente du flux dure sensiblement le même temps t que la montée (figure 5). Le rapport cyclique maximal des impulsions MLI étant de 0,48 (comme indiqué plus haut), la durée totale (montée + descente) est inférieure à la période T des impulsions. Bien entendu, il s'agit de la valeur instantanée de la période des impulsions MLI porteuses, qui est essentiellement variable du fait de la modulation. Il existe donc un temps mort e qui permet d'assurer une démagnétisation du noyau N (figure 5). I1 serait encore possible d'adapter un rapport cyclique supérieure à 0,5 à condition de donner des nombres de spires différents aux enroulements primaires N1 et N2. On notera que le transformateur TR travaille sous une fréquence élevée (20 kHz), ce qui lui confère une masse et un encombrement réduit. Ce transformateur joue encore un rôle d'isolement galvanique et d'adaptation de tension pour délivrer sur ses bornes 7 des impulsions alternatives modulées en largeur (figure 6). L'étage de mise en forme F (figure 7) comprend essentiellement deux lignes 18, 19 reliant chacune une borne de sortie 7 du transformateur TR à une borne de sortie de l'étage F. Sur la ligne 18 sont montées en série une diode D2 passante de 7 vers 8 et une inductance 21. La ligne 19 est reliée à la ligne 18 par une dérivation aboutissant entre l'inductance 21 et la diode D2, et comportant une diode D3 passante de 19 vers 18. En fonctionnement, la diode D2 supprime la partie négative du signal émis par le transformateur. Sur une impulsion positive, de l'énergie est stockée dans l'inductance 21 qui se comporte en récepteur.Quand l'impulsion cesse, l'inductance devient générateur,la tension s' inverse à ses bornes et le courant circule à travers la diode D3. Le courant dans l'inductance 21a la forme générale représentée à la figure 9, c'est-à-dire celle d'une sinusoïde redressée à double alternance, se composant d'impulsions à la fréquence de 100 Hz. De façon plus précise, le courant oscille constamment autour de la valeur io représentée à la figure 9, suivant le diagramme fortement agrandi de la figure 8, où un petit élement de la courbe io est représenté par un segment de droite. Le taux d'ondulation ainsi mis en évidence est de l'ordre de 10%. Le courant recueilli sur les bornes 8 est appliqué à l'entrée de l'étage d'inversion IN qui comprend deux lignes parallèles 22, 23 reliant l'une à l'autre chaque borne 8. Sur la ligne 22 sont montés en série les circuits collecteur-émetteurs de deux transistors Tî et T2, alors que deux transistors T'1 et T'2 sont montés de la même manière surla ligne 23, leurs circuits collecteurémetteurs étant disposés dans le même sens que ceux des transistors T1 et T2. Le point commun aux deux transistors de chacune des paires précitées est relié à l'une des bornes 9 de sortie du dispositif. Enfin, les bornes 9 sont reliées chacune aux deux bornes 8, en parallèle avec les circuits collecteurémetteurs des transistors, par l'intermédiaire de diodes D4 destinées à éviter les surtensions aux bornes des transistors quand une charge inductive est branchée entre les bornes 9. Les bases des transistors Tl et T'2 sont reliées à une borne lla, et celles des transistors T'1 et T2 à une borne llb, l'ensemble de ces deux bornes constituant l'entrée de commande 11 de l'étage IN. Sur la commande de l'étage de découpage D, les transistors T1 et T'2 sont rendus conducteurs pendant 10 ms à la fréquence de 50 Hz, en alternance avec les transistors T'1 et T2. Il en résulte que le courant passe alternativement suivant les flèches en trait plein et en pointillés. Une alternance sur deux du courant io de la figure 9 est donc inversée ce qui procure en sortie sur les bornes 9 un courant sinusoSdal IS (figure 11). Le condensateur 13 monté entre les bornes 9 a pour rle d'améliorer le facteur de puissance quand la charge branchée sur ces bornes comporte une inductance L (figure 12). Mais, si l'on branche une charge peu inductive, ce condensateur joue un rôle nuisible en provoquant une distorsion de la tension de sortie VS. En effet, après s'être chargé quand la tension passe d'une valeur nulle à une valeur de crête, le condensateur ne peut pas se décharger dans l'appareil étant bloqué notamment par la diode D2 de l'étage F. Il doit donc se décharger dans la charge. Sa capacité étant, dans l'exemple décrit, de l'ordre de 20 pF, la constante de temps de cette décharge est en général largement supérieure au quart de la période de la tension de sortie, ce qui introduit une distorsion 24 représentée en pointillés sur la figure 13. L'étage redresseur R (figure 14) est destiné à assurer cette décharge et à récupérer l'énergie stockée. Cet étage comprend un transformateur d'entrée 25 abaisseur de tension qui joue également un rôle d'isolement galvanique. Sur son secondaire est monté un pont redresseur à diodes 26 relié au + de la batterie B par une ligne 27 et au - de la batterie par une ligne 28. La ligne 27 comporte en série, à partir du pont 26 vers la batterie B, une inductance 29 et une diode D5 passante vers la batterie. Une diode D6 passante de la ligne 28 vers la ligne 27 court-circuite les pôles de sortie du pont 26. Enfin, un transistor T3 a son circuit collecteur-émetteur qui relie la ligne 27 à la ligne 28, étant relié au point commun à l'inductance 29 et à la diode D5. La base de ce transistor est reliée à la sortie 2 de l'étage de découpage D. Pour décrire le fonctionnement de cet étage, on va supposer qu'il se produit une distorsion de la tension de sortie VS telle que représentée sur la figure 13, c'est-à-dire pendant un quart de période, à une fre- quence de 100 Hz. Pendant le quart de sinusoïde partant de zéro, le transistor T3 est bloqué et aucun courant ne circule à partir du pont 26 dans les lignes 27 et 28. La tension fournie par le pont 26 est en effet, grace au transformateur 25, rendue plus faible que la tension de la batterie B. La diode D5 empêche d'autre part la batterie de débiter par le transistor T3. Pendant le quart de sinusolde correspondant à la distorsion 24, l'étage de découpage D bloque et débloque le transistor T3 à la fréquence de 20 kHz. Quand le transistor est conducteur, l'inductance 29 stocke de l'énergie qu'elle destocke quand le transistor est bloqué, par les diodes D5 et D6, pour charger la batterie par effet de surtension. L'énergie ainsi prélevée sur l & sortie de l'appareil corrige la distorsion. En réalité, l'action de l'étage de découpage D sur la base du transistor T3 n'est pas liée à une distorsion par quart de période comme on l'a supposé pour plus de simplicité, mais elle est liée à sa fonction de régulation évoquée plus haut par rapport à une consigne sinusoïdale type. Son action sur l'étage redresseur R s'adapte donc à une distorsion quelconque se produisant à n'importe quel instant. On notera que l'énergie mise en jeu dans l'étage R est faible, de l'ordre d'un watt, de sorte qu'en particulier le transformateur 25 et l'inductance 29 sont de faibles dimensions. L'invention permet donc de convertir le courant continu en courant alternatif par un équipement leger, économique et silencieux, gracie essentiellement à une transformation à fréquence élevée. Elle permet en même temps d'obtenir une tension de sortie sensiblement sinusoidale sans distorsion, et elle utilise un découpage unique. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais est susceptible de diverses variantes à la portée de l'homme de l'art. Ainsi, par exemple, l'alimentation pourrait provenir de tout autre élément qu'une batterie, et le courant récupéré par le redresseur R pourrait être injecté dans tout circuit de récupération quelconque. REVENDICM' IONS 1. Procédé pour convertir un courant continu en courant alternatif, notcçent sinusoïdal, de freisuence indus trielle, telle que 50 Hz, 60 Hz, ou 400 Hz, caractérisé en ce qu'on effectue les opérations suivantes a) on découpe le courant continu suivant une suite d'impulsions unipolaires modulées en largeur d'impulsion (MLI), la fréquence des impulsions étant supérieure à 5 kHz, et la fréquence de modulation étant égale au double de la fréquence désirée du courant alternatif à obtenir b) on transforme ces impulsions en impulsions alternatives en les portant à la tension de sortie souhaitée; c) on met en forme les impulsions obtenues de façon à obtenir un courant alternatif sinusoïdal redressé à deux alternances, ces alternances étant de fréquence double de la fréquence de sortie souhaitée;; d) on inverse une alternance sur deux du courant redressé précité. 2. Procédé conforme à la revendication l, caractérisé en ce qu'on règle la tension alternative de sortie en réglant la largeur des impulsions (MLI) découpées. 3. Procédé conforme à l'une des revendications l ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue le découpage de manière à obtenir la suite d'impulsions sous la forme d'un signal de commande à bas niveau que l'on amplifie avant de procéder à l'opération b). 4. Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on corrige la distorsion en sortie par prélèvement de courant qu'on injecte dans un circuit de récupération. 5. Dispositif pour convertir un courant continu en courant alternatif, notamment sinusoïdal, de fréquence industrielle telle que 50 Hz, 60 Hz-ou 400 Hz, et de tension donnée, comprenant des bornes d'entrée (1) reliées à une source de courant continu (B) et des bornes de sortie (9) pour liaison avec une charge, caractérisé en ce qu'il comprend:: a) un étage de découpage (D) pour découper le courant continu suivant une suite d'impulsions unipolaires modulées en largeur d'impulsion (MLI), de fréquence porteuse supérieure à 5 kHz, la fréquence de modulation étant égale au double de la fréquence désirée du courant alternatif à obtenir b) un transformateur (TR) attaqué par lesdites impulsions et relié en sortie à un étage de mise en forme (F) comprenant une inductance (21) et des diodes (D2,D3) pour délivrer un courant alternatif redressé à deux alternances; c) un étage d'inversion (IN) relié à l'étage de mise en forme pour inverser une alternance sur deux du courant redressé. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que l'étage de découpage (D) comprend une entrée de commande (15) reliée aux bornes de sortie (9). 7. Dispositif conforme à l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'étage de découpage (D) est agencé pour délivrer une suite d'impulsions (MLI) à bas niveau, cet étage étant relié à un amplificateur (A) lui-même relié en sortie au transformateur (TR). 8. Dispositif conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que le transformateur (TR) comprend un primaire à point milieu (M), ce point milieu étant relié au pôle positif (+) de la source (B) par l'intermédiaire de l'amplificateur (A), les extrémitéS du primaire étant reliées respectivement à l'amplificateur (A) et à la masse par l'intermédiaire d'une diode il1). 9. Dispositif conforme à l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'étage de mise en forme (F) comprend une inductance (21) et une diode (D2) montées en série sur une des extrémités du secondaire (S) en transformateur (TR), et une seconde diode (D3) montée entre l'autre extrémité du secondaire (S) et le point commun à l'inductance (21) et à la première diode (D2). 10. Dispositif conforme à l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que l'étage d'inversion (IN) comprend un pont à transistors (T1, T2, T'1, T'2), les bases de ces transistors étant reliées à l'étage de découpage (D). 11. Dispositif conforme à l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un condensateur (13) monté entre les bornes de sortie (9). 12. Dispositif conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que les bornes de sortie (9) sont reliées à un circuit de récupération (B) par l'intermé- diaire d'un étage redresseur (R). -13. Dispositif conforme à la revendication 12, caractérisé en ce que étage redresseur (R) comprend un pont redresseur (26) relié au circuit de récupération (B) par l'intermédiaire d'une inductance (29) en série, une diode (D6) étant montée en parallèle, le circuit collecteur-émetteur d'un transistor (T3) étant également monté en parallèle et la base de ce transistor étant reliée à l'étage de découpage (D). 14. Dispositif conforme à l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que les bornes d'entrée (1) et l'étage redresseur (R) sont prévues pour entre reliées à une batterie (B) formant à la fois source d'alimentation et circuit de récupération.