Brevet FR2532796A1 — publié le 19840309

La présente invention concerne un procédé pour commander un onduleur à courant triphasé à commutation automatique qui forme un système de tension triphasée de fréquence et de tension variables à partir d'une tension continue d'entrée constante selon le procédé de sous-oscillation par la commutation alternée modulée en largeur d'impulsion des "plus" et "moins" de la tension continue. Un tel procédé pour commander un onduleur à courant triphasé à commutation automatique est connu d'après BBC-Silizium-Stromrichter-Handbuch, 1971, pages 213 à 216. Les onduleurs à courant triphasé à commutation automatique servent par exemple pour alimenter des moteurs triphasés, en particulier des moteurs asynchrones à fréquence et à tension variables. Dans les onduleurs à courant triphasé ayant une tension d'entrée constante pour réguler la tension, le procédé de soua scillation est approprié. Dans ce procédé de sous-oscillation, la sortie de l'onduleur est commutée alternativement en une séquence rapide entre le "plus" et le timoinsiB de la tension continue d'alimentation. Par la modulation sinusoïdale de largeur d'impulsion de la tension carrée ainsi produite, on obtient une oscillation fondamentale sinusoïdale à la sortie de l'onduleur.Cette oscillation fondamentale est une sous-oscillation de la tension carrée dont l'amplitude peut être modifiée par le degré de la modulation de largeur d'impulsion. On distingue des types différents de cycles en fonction du nombre des commutations de l'onduleur par oscillation fondamentale. Lorsqu'il y a seulement une commutation de l'onduleur par alternance de l'oscil- lation fondamentale de tension, il y a un cycle simple (cycle de la fréquence fondamentale). Lorsqu'il y a trois, cinq, sept modulations et ainsi de suite de l'onduleur par alternance de l'oscillation fondamentale de tension, il s'agit d'un cycle triple, quintuple, septuple, etc. La sélection du type de cycle a lieu en fonction de la fréquence de la tension délivrée par l'onduleur à courant triphasé en considérant les paramètres dynamiques des valves de convertisseur de l'onduleur, par exemple le temps de recouvrement après un processus de commutation. Si l'onduleur travaille par exemple à une fréquence déterminée de sa tension de sortie avec un cycle triple et que cette fréquence doit être augmentée, il est éventuellement nécessaire de passer du cycle triple au cycle simple. Lors de cette commutation il survient de façon désavantageuse un saut dans l'amplitude d'oscillation fondamentale de la tension de sortie de l'onduleur. Le problème qui est a la base de l'invention est de prescrire un procédé pour commander un onduleur d'un courant triphasé à commutation automatique du type mentionné ci-dessus qui permette un changement du type de cycle d'un cycle triple à un cycle simple sans modifier fondamentalement la tension d'oscillation fondamentale. - Ce problème est résolu en ce que pour changer le type de cadence on commute d'un cycle triple b un cycle simple dissym6trique dans lequel les flancs de commutation sont dcalés d'un angle prd- détermine par rapport aux passages par le zXro de l'oscillation fon- damentale de tension. Les avantages qu'on peut obtenir avec la présente invention consistent en particulier en ce que les sauts dans l'amplitude de l'oscillation fondamentale de la tension de sortie de l'onduleur qui survies nent lorsqu'on commute du cycle triple au cycle simple sont très minimes et ne perturbent plus. Des formes de réalisation avantageuses de la présente invention sont caractérisées dans la description suivante. L'invention va maintenant être décrite en référence aux exemples de réalisation représentés aux dessins, dans lesquels: la figure 1 constitue le schéma de principe d'un onduleur à commutation automatique; la figure 2 montre la tension de sortie de l'onduleur avec un cycle triple lors du décalage maximal entre cycles; la figure 3 montre la tension de chargé et le courant de court-circuit dans le cycle triple avec un décalage maximal entre cycles; la figure 4 montre la tension de sortie de l'onduleur avecun cycle simple non symétrique; la figure 5 montre la tension de charge et le courant de court-circuit avec un cycle simple non symétrique; la figure 6 montre la tension de sortie de l'onduleur avec un cycle mélangé triple/simple; la figure 7 montre la tension de charge et le courant de court-circuit avec un cycle mélangé triple/ simple;; la figure 8 montre les valeurs maximales de courant de distorsion avec différents procédés de cadence. A la figure 1, on représente le circuit de principe d'un onduleur à commutation automatique. L'onduleur à commutation automatique 10 est relié du côté de l'entrée à un pôle positif 11 et un pôle negatif 12 d'une source de tension continue constante. Le potentiel moyen de la source de tension continue est désigné par le numéro de référence 13. Entre le pôle positif 11 et le potentiel moyen 13, ainsi qu'entre le potentiel moyen 13 et le pôle négatif 12, on applique respectivement la tension continue constante E. L'onduleur 10 comprend une sortie à courant triphasé avec les phases R, S, T. A ces trois phases est reliée une charge 14 montée en étoile. Le point médian de charge est désigné par le numéro de référence 15. La charge 14 est dans l'exemple de réalisation une machine asynchrone à courant triphasé ayant trois enroulements de machine qui présentent respectivement une résistance interne inductive uL. La tension de charge se trouvant sur un enroulement de machine est désignée par uKg la tension de point médian se trouvant entre le point médian de charge 15 et le potentiel moyen 13 est désignée par uSt et la tension de sortie de l'onduleur se trouvant entre un point de raccordement d'un enroulement de machine et le potentiel moyen 13 est désignéepar u. Dans les onduleurs à commutation automatique, l'intervalle de temps le plus faible possible entre deux commutations de la même phase va jusqu'à plusieurs centaines de microsecondes. Pour les fréquences de travail qui surviennent au début de la gamme à cycle simple (gamme de fréquence fondamentale), ceci correspond à un écart angulaire de temps allant jusqu'à 100. Pour maintenir au minimum le saut dans l'amplitude de l'oscillation fondamentale de la tension de charge qui survient lors du changement du cycle triple au cycle simple, on décale ce quton appelle "le cycle intermédiaire" du cycle triple aussi près que possible du passage par zéro de l'oscillation fondamentale de tension. La figure 2 montre comment évolue alors en fonction du temps la tension de sortie de l'onduleur u, c'est-a-dire le potentiel d'un point de raccordement de la charge en référence au potentiel moyen 13 de la tension continue d'alimentation. L'abscisse est désignée par x = U t. Il existe des flancs de commutation pour t = - #/2 #/2 - - - 2' - 2 + ssl 2 - ss, #/2, 2 + ss, etc., le pôle positif et le pôle négatif de la tension continue constante d'alimentation étant alors commutes alternativement. L'amplitude d'oscillation fondamentale u g de la tension de sortie de l'onduleur u est obtenue comme suit: où ss = l'angle entre deux commutations (flancs de commutation) de la meme phase. Si on définit comme modulation: a = ug/ugmax, on obtient à la valeur maximale de l'amplitude d'oscil- lation fondamentale qui survient lors du cycle simple ; ugmax = E. 4/# la modulation: a = 2 . cos ss - 1. Pour des charges ayant une résistance interne inductive @L, comme les enroulements de machine utilisés, on obtient le courant de distorsion s'écoulant dans l'enroulement de machine comme etant la différence entre le courant de court-circuit i et son oscillation fondamentale ig La tension de charge uK entraînant le courant de court-circuit iK est obtenue a partir de la tension de sortie d'onduleur u représentee à la figure 2 après prélèvement du système de zéro. La figure 3 montre comment se développe en fonction du temps la tension de charge uK ainsi que le développement obtenu par intégration du courant de court-circuit iK. Pour des angles ss petits, la valeur maximale @@@ du courant de distorsion a lieu pour x = #/2 - ss. La valeur maximale de courant de courtcircuit est égale, en ce point x = #/2 - ss, à : iK = 1/#L . 4/3 E [#/6 + 1/2 (#/3 = ss)], et pour l'oscillation fondamentale de courant de court circuit i on a.: Kg 1Kg = 1/#L . 4/# . E . a . sin (#/2 - ss). Lorsqu'il y a une relation linéaire entre la fréquence et l'amplitude de l'oscillation fondamentale de tension à la sortie de l'onduleur, la valeur de crete de l'oscillation fondamentale du courant de courtcircuit iKg est constante : Kg = Pour la valeur maximale du courant de distorsion en référence à la valeur de crête de l'oscillation fondamentale de courant de court-circuit i Kg on obtient alors en fonction de l'angle ss et de la modulation a: Cette valeur maximale référencée du courant de distorsion #is/iKg et l'angle ss sont représentés à la figure 8 en fonction de la modulation a. La figure 4 montre comment se développe en fonction du temps la tension de sortie d'onduleur u pour un cycle simple non symétrique. Avec le cycle simple non symétrique, les flancs de commutation sont décalés dsun angle prédéterminé par rapport aux passa- ges par zéro de l'oscillation fondamentale de tension. L'angle de décalage des flancs de commutation par rapport à un cycle simple symétrique est désigné par da Il y a des flancs de commutation pour #t = 3#/2 + #, - #/2 - #, #/2 + #, etc., le pôle positif et le pôle négatif de la tension continue d'alimentaion étant alors également commutés alternativement. Pour l'am- plitude de l'oscillation fondamentale de la tension de sortie d'onduleur on obtient: 4 ug = E . 4/# . cos @ , et pour la modulation: a = cos 6. La figure 5 montre comment se développent en fonction du temps la tension de charge uK et le courant de court-circuit iK pour ce procédé de cadence. Pour des angles 6 faibles, la valeur maximale #i@ du courant de distorsion a lieu pour x = #/2 + #. La valeur maximale du courant de court-circuit est égale en ce point x = 2 + 6 à: iK = 1/#L . 4/3 E (#/6 + 1/2 . #/3) = 1/#L . 4/3 E . #/3 et pour l'oscillation fondamentale du courant de courtcircuit on obtient: = 1/#L . 4/# . E . a . sin (#/2 + #). Pour la valeur maximale du courant de distorsion #is en référence à la valeur de crête de l'oscillation fondamentale du courant de court-circuit i Kg , on obtient ainsi: Cette valeur maximale référencée du courant de distorsion #is/iKg et et angle 6 sont représentés à la figure 8 également en fonction de la modulation a. La figure 6 montre comment évolue en fonction du temps la tension de sortie de l'onduleur ù avec un cycle mélangé triple/simple. Dans ce cycle mélangé, on ne prévoit seulement des cycles intermédiaires que pour chaque deuxième passage par zéro de l'oscillation fondamentale de tension. L'angle entre deux flancs de commutation de la meme demi-oscillation est désigné par y. Il y a des flancs de commutation à @t = - 3/s#, - #/2 - - #/2 + y, #/2, etc., le pôle positif et le pôle négatif de la tension continue d'alimentation étant alors également commutés alternativement. Pour l'amplitude dgoscil- lation fondamentale de la tension de sortie de l'onduleur on obtient: ug = E . 4/# . cos y. et pour la modulation: a = cos y. La figure 7 montre comment se développent en fonction du temps la tension de charge uK et le courant de court-circuit iK pour ce procédé de cadence. Pour des angles # faibles, la valeur maximale #i# du courant de distorsion a lieu pour x = #/2. La valeur 2 maximale du courant de court-circuit est égale,en ce point point x = 2' a iK = 1/@L . 4/3 E (#/6 + 1/2 . #/3) = 1/#L. 4/3 E . #/3, et pour l'oscillation fondamentale du courant de courtcircuit on obtient: iKg = 1/#L . 4/# E. On obtient ainsi pour la valeur maximale du courant de distorsion #i# en référence à la valeur de crête de l'oscillation fondamentale de courant de courtcircuit iKg : Cette valeur maximale référencée du courant de distorsion #i#/iKg et l'angle # sont représentés à la figure 8 également en fonction de la modulation a. A la figure 8 on montre en abscisses la modulation a dans une gamme de 0,97 à 1 et en ordonnées les angles ss, y, 6 en degrés et les valeurs maximales référencées des courants de distorsion #i#/iKg, #i#/iKg, #i#/iKg en pourcentage des valeurs de crête de l'oscillation fondamentale du courant de court-circuit iKg Si par exemple l'angle permis minimal (écart angulaire de temps) entre deux flancs de commutation d'une phase d'onduleur correspond à a min = Ymin = 90' il en résulte d'après la figure 8 à a 9 (point 1) que la modulation la plus élevée possible pour un cycle triple est égale à amax = 0,975. Pour un cycle simple dissymétrique avec 6 = 12,70 (point 2) on obtient pour la même modulation a = 0,975 la même oscillation fondamentale de la tension de charge en ce qui concerne l'amplitude et la phase. La valeur maximale du courant de distorsion hib est égale à presque 15% (point 3).de la valeur de crête de l'oscillation fondamentale du courant de court-circuit iKg et descend lorsque l'angle 6 est réduit jusqu'à la valeur 6 = O (point 4) pour une modulation a = 1, jusqu'à 9,7% (point 5). Pour le cas où il serait nécessaire de maintenir la valeur maximale référencée du courant de distor sion aid/iKg plus faible que ce qui correspond au point 3 (presque 15%) on passe pour une modulation a = 0,975 du cycle triple tout d'abord à un cycle mélangé triple/ simple avec un angle y = 12,70 (point 2). On obtient maintenant une valeur maximale du courant de distorsion #i# de 12,4% (point 6) de la valeur de crête de l'os- cillation fondamentale du courant de court-circuit iKg. En réduisant l'angle y jusqu'à la valeur Ymin = 90 (point 7) on obtient la modulation a -0,987. La valeur maximale référencée du courant de distorsion #i#/iKg est égale alors à à peu près 11% (point 8). Si on change maintenant en passant du cycle mélangé triple/ simple au cycle simple dissymétrique pour la même modulation a = 0,987, on obtient une valeur maximale référencée du courant de distorsion hiS/iKg qui n'est augmentée que de seulement 12,4% (point 9). En général il ne devrait cependant pas être nécessaire d'utiliser encore la cadence mélangée entre le cycle triple et le cycle simple dissymétrique. REVENDI CATIONS 1. Procédé pour commander un onduleur à courant triphasé à commutation automatique qui forme un système de tension triphasé de fréquence et de tension variables à partir d'une tension continue d'entrée constante selon le procédé de sous-oscillation par la commutation alternée modulée en largeur d'impulsion des "plus" et moins de la tension continue, caractérisé en ce que pour changer le type de cadence on commute d'un cycle triple à un cycle simple dissymétrique dans lequel les flancs de commutation sont décalés dlun angle prédéterminé par rapport aux passages par le zéro de l'oscillation fondamentale de tension. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que avant la commutation sur un cycle simple dissymétrique on passe à un cycle mélangé triple/simple dans lequel des cadences intermédiaires sont prévues seulement pour chacun des deuxièmes passages par zéro de l'oscillation fondamentale de tension.