Brevet FR2527860A1 — publié le 19831202

Circuit de commande pour onduleur triphasé. L'invention concerne un circuit de commande -pour onduleur triphasé dans lequel, afin d'amortir les harmoniques, chaque alternance rectangulaire de la tension de sortie est interrompue par deux coupures situées symétriquement dans les premier et dernier secteurs de 30 et dont les limites sont déterminées par les angles al et " 2 par rapport aux extrémités des alternances, particu'- lièrement approprié à l'entraînement d'un moteur à cou- rant alternatif à vitesse régulée. Dans un circuit de commande connu de ce type (IEEE-Transactions on industry applications, 1973 p. 310-317) les 3 ème et 9 ème harmoniqu 6 e disparaissent en raison de l'interconnexion de la tension de sortie tri- phasée, alors que les 5 ème et 7-me harmoniques sont éliminés par le fait que deux coupures sont prévues dans l'alternance rectangulaire, la première se trouvant comprise entre 16,24 et 22,06 et la seconde entre 1800 moins 22,06 et 180 moins 16,240 L'observation rigoureuse de ces valeurs présente des difficultés tech- niques considérables, surtout si elles doivent rester constantes dans tout le domaine de fréquences de l'on- duleur De plus, les amplitudes des llème et 13 ème har- moniques sont si élevées que le couple oscillatoire d'un moteur à courant alternatif, en particulier d'un moteur asynchrone, alimenté par cette tension de sortie s'é- lève à environ 50 % du couple obtenu dans le cas d'une alternance rectangulaire pure sans coupures Cela se traduit surtout aux faibles vitesses de rotation par un fonctionnement irrégulier Si l'on souhaite éliminer également les llème et 13 ème harmoniques, on doit pré- voir au total quatre coupures dans l'alternance rectan- gulaire Du fait de cette augmentation de la fréquence de commutation la structure du circuit de commande devient encore plus complexe et les pertes de commutation aug- mentent. L'invention a pour but de fournir un circuit de commande du type décrit ci-dessus permettant, d'une part, d'avoir une fréquence de commutation plus faible, mais, en outre, de maintenir à un faible niveau le couple oscillatoire produit par les harmoniques. Ce but est atteint conformément à l'invention par le fait que al à zéro du 13 ème harmonique, que l'angle a 2 est compris. entre 12,86 par rapport au premier maximum du 7 ème har- monique et 18 par rapport au premier maximum du 5 ème harmonique et que la largeur des coupures (a 2 -al) est comprise entre 3 et 70. Grâce à ce procédé, on parvient avec seule- ment deux coupures dans chaque alternance rectangulaire, à maintenir la proportion d'harmoniques des alternances rectangulaires à un niveau suffisamment faible pour que le couple oscillatoire soit mains grand et même beaucoup plus petit qu'auparavant Cela résulte du fait que l'on n'a pas cherché à éliminer totalement certains harmoniques mais que l'on s'est orienté vers le maintien des ampli- tudes de chacun des harmoniques à un niveau suffisamment faible pour que la somme des couples oscillatoires des ème, 7 ème, 11 ème et 13 ème harmoniques soit petite. La prise en compte de ces quatre harmoniques est suffi- sante étant donné que les harmoniques pairs et d'ordre divisible par trois ne sont pas importants et que, de ce fait, les harmoniques d'ordres supérieurs ou égaux à 17 ne contribuent pas au couple oscillatoire, puis- qu'ils n'interviennent dans le calcul qu'en raison in- verse du carré de leur ordre Cette configuration de commutation est conservée indépendamment de la fréquence de l'onduleur On peut faire varier l'amplitude du fondamental en faisant varier la tension continue d'ali- mentation, en-utilisant par exemple une tension de cir- cuit intermédiaire variable. Pour atténuer le plus possible les 5 ème et 7 ème harmoniques, on a besoin de coupures d'une largeur de 3 à 7 , et, de préférence, de 40 à 6 , se situant dans un domaine o les 5 ème et 7 ème harmoniques ont une amplitude comparable Alors que dans le cas clas- sique les angles étaient choisis de telle manière que les premières coupures se trouvaient principalement dans le domaine de la deuxième alternance des 11 ème et l 3 ème harmoniques, ce qui avait pour effet de les am- plifier considérablement, les coupures sontconformé- ment à l'invention, ramenées aux extrémités des alter- nances rectangulaires de façon à ce qu'au moins une partie de la première alternance des llème et 13 ème harmoniques se situe dans la plage occupée par les cou- pures Comme les parties disposées symétriquement dans la plage occupée par les coupures ont des effets qui slan- nulent mutuellement lors du passage à zéro de ces har- moniques l'influence des llème et 13 ème harmoniques est sensiblement plus faible On peut même faire en sorte qu'une partie plus importante de la première ainsi que de la seconde alternance des 11 ème et 13 ème harmo- niques se trouve dans la plage occupée par les coupures de façon à provoquer une très'forte atténuation de la contribution de ces harmoniques Tout cela peut être obtenu sans affecter excessivement les 5 ème et 7 ème harmoniques. A cet égard, il est particulièrement avanta- geux de veiller à ce que les angles "l eta 2 aient un diviseur commun qui soit égal à 30: m, o m est un nombre en- tier on peut choisir les angles avec une plus grande lati- tude En utilisant un diviseur commun, on peut employer une mémoire ayant un nombre limité de cellules-mémoires pour décrire les états d'un onduleur triphasé avec des intervalles de temps toujours égaux. L'une des formes de réalisation de ce dispo- sitif comprend un générateur d'impulsions produisant des impulsions d'horloge (b 1) à une fréquence fr = 12 m f o f est la fréquence de la tension de sortie et m w est un nombre entier compris entre 3 et 10, et un comp- teur déclenché par ces impulsions d'horloge qui génère des signaux temporels sur des sorties prédéterminées du compteur pour commander l'onduleur En faisant varier la fréquence de l'horloge, on peut faire varier la fré- quence de 1 'onduleur, la position des coupures dans les alternances rectangulaires n'étant cependant pas modifiée. Il est préférable de choisir les angles al et a 2 de telle manière que le couple oscillatoire M = I 2 sin N 90 2 sin N ( 90 -al) + 2 sin N ( 90 -" 2) n 5, 7, 11, 13 soit au plus égal à 0,025 K, c'est-à-dire à un tiers du couple M correspondant à une alternance rectangulaire pure En pratique, le couple oscillatoire peut même atteindre une valeur inférieure à un quart du couple correspondant à une alternance rectangulaire. Il est en outre recommandé que les angles al et u 2 pour un m donné soient choisis de telle manière que le couple oscillatoire soit minimum Le fait de pouvoir choisir pour un m donné différents couples d'angles fournit un critère de choix supplémentaire. En pratique, il s'est avéré avantageux d'utili- ser un angle ci 1 l 2 moniques est d'autant plus forte que al est petit. Dans la pratique, il est particulièrement re- commandé que al = 10 et a 2 = 15 On obtient ainsi un couple oscillatoire M exceptionnellement faible, de 0,0175 K Cela est obtenu en subdivisant le secteur de en 6 parties de 50 chacune. On obtient un résultat aussi satisfaisant avec al = 9 et " 2 = 150 En subdivisant le secteur de 30 en 10 parties de 30 chacune, on parvient à un couple oscillatoire M de 0,0183 K. L'invention est décrite ci-après de façon plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation préférés et en se référant à deux tableaux et à trois figures, dans lesquels: Le tableau 1 fournit les amplitudes des 1 er, Sème, 7 ème, 11 ème et 13 ème harmoniques en fonction des angles ai et a 2 pour différents rapports de division : m, Le tableau 2 fournit le couple oscillatoire en fonction des Sème, 7 ème, 11 ème et 13 ème harmoniques pour différents rapports de division 30: m, ainsi que la somme correspondante, La figure 1 est un schéma d'un circuit de com- mande de l'invention, La figure 2 représente la forme d'onde du signal de sortie et La figure 3 représente la première partie d'une alternance, les 1 er, 5 ème, 7 ème, 11 ème et 13 ème harmoniques étant représentés pour une alternance en cours. La figure 1 représente un onduleur triphasé 10 qui est alimenté par une tension continue U provenant d'une source de courant continu réglable 11 et qui entraîne un moteur asynchrone triphasé 12 avec une ten- sion alternative triphasée Les trois conducteurs de sortie 13, 14 et 15 se ramifient chacun entre des élé- ments de circuit disposés en rangées par paires 16, 17 ou 18, 19,ou 20, 21 Ces éléments de circuit sont par exemple commandés par des thyristors, des transistors ou des composants de ce type Un générateur de signaux de commande 22 a pour rôle d'amener les éléments de cir- des composants de ce type Un générateur de signaux de commande 22 a pour rôle d'amenée les élé- ments de circuit de chaque paire à l'état conducteur ou à l'état non conducteur selon la forme de l'alternance de la tension de sortie Dans le cas des thyristors, les signaux de commande peuvent être formés d'impulsions d'allumage et d'arrêt et dans le cas des transistors, ils peuvent être constitués par des signaux permanents à appliquer lorsque l'état est conducteur. Le circuit de commande comporte, en outre, un générateur d'impulsions 23 fournissant par l'inter- médiaire d'un conducteur 24 des impulsions d'horloge Pl à un compteur 25 Le générateur d'impulsions 23 est un oscillateur commandé en tension qui est alimenté par une tension ul pratiquement proportionnelle à la tension ensuite continue U Le compteur 25 envoie/sur un conducteur 26 une impulsion de transfert P 2 à un second compteur 27. Des tensions de sortie provenant des sorties 28 ou 29 de ces compteurs sont appliquées successivement en tant que signaux temporels à un élément logique 30 dans lequel les signaux sont combinés les uns aux autres par des mémoires et des circuits logiques Des signaux de sortie sont produits aux sorties 31 de l'élément logique 30 sous l'effet du générateur de signaux de commande 22. Les deux compteurs 25 et 27 sont des compteurs modulo 6 La fréquence f des impulsions d'horloge p 1 est égale à 72 fois la fréquence souhaitée de l'ondu- leur fw L'intervalle entre 2 impulsions d'horloge cor- respond alors à un angle de 5 Une tension de sortie apparait donc à la sortie 2 du compteur 25 si l'angle est de 10 et à la sortie 3 si l'angle est de 15 L'a- vancement du compteur 25 jusqu'à la production de l'im- pulsion de transfert p 2 correspond donc à un secteur de Au bout de chaque secteur de 30 la tension de sortie passe de l'une des sorties du compteur 27 à la suivante Ces tensions de sortie marquent, d'une part, le début de chaque secteur de 300 d'une alternance et, d'autre part, le début de chacune des alternances des trois phases. En combinant de façon appropriée ces signaux, on obtient des tensions de sortie décalées de 120 qui présentent toujours la forme représentée figure 2 La tension de chaque alternance présente essentiellement la forme d'un rectangle s'étendant de O à 1800 Celui- ci comporte cependant deux coupures 33 et 34 qui sont situées symétriquement aux mêmes distances angulaires des extrémités de l'alternance rectangulaire 32 Dans l'exem- ple de réalisation de la figure 1, la coupure 33 est com- prise entre l'angle ai et l'angle a 2, et la coupure 34, entre l'angle ( 180 " 2) et l'angle ( 180 -al). Pour le mode de réalisation de la figure 1, cela signifie que la coupure 33 s'étend de 10 à 15 et que la coupure 34 s'étend de 165 à 1700 La coupure 33 est obtenue à l'aide des tensions de sortie aux sorties 2 et 3 du compteur 25 et la coupure 34 est obtenue à l'aide des tensions de sortie aux sorties 3 et 4 du compteur 25. Les rapports restent constants lorsque la fréquence des impulsions d'horloge p 1 varie du fait d'une variation de la tension de commande ul. Le premier secteur de 30 d'une telle alter- nance est illustré dans la figure 3, la coupure 33 s'é- tendant de 9 à 15 Cela est obtenu en utilisant comme compteur 25 un compteur modulo 10 et les sorties 3 et 5 pour établir les limites de la coupure 33 On a également , porté sur la figure 3 le'fondamental Wl, le 5 ème harmo- nique W 5, le 7 ème harmonique W 7 le 11 ème harmonique Wll et le 13 ème harmonique W 13 tels qu'ils seraient produits dans le cas d'une alternance rectangulaire normale On remarquera que la coupure 33 commence avant le premier passage à zéro 35 du 13 ème harmonique et qu'elle se ter- mine entre le premier maximum 36 du 7 ème harmonique et le premier maximum 37 du 5 ème harmonique Sa largeur est ici de 6 Etant donné que pour les quatre harmoniques W 5, W 7, Wll et W 13 mentionnés, une partie importante de la première alternance est interrompue par la coupure 34, ces harmoniques sont fortement atténués. La qualité de l'atténuation obtenue ressort de la présentation fournie dans le tableau 1 o sont données les amplitudes du fondamental et des quatre harmoniques pour une alternance rectangulaire pure (colonne 1) et pour des alternances rectangulaires comportant deux coupures (colonnes 2 à 8). Le tableau 2 fournit pour les mêmes rapports de division, le couple oscillatoire correspondant à chaque harmonique et la somme de ces couples Il en res- sort que, par comparaison à la somme indiquée dans la première colonne, tous les modes de réalisation condui- sent à une amélioration nettement supérieure à 50 %, que jusqu'à l'exemple de réalisation de la colonne 7, toutes les configurations fournissent une amélioration supérieure à 2/3 et que l'on peut obtenir des résultats particulièrement satisfaisants avec des angles de 100 et de 15 ' ainsi que 9 et 15 . REVENDICATIONS 1 Circuit de commande pour onduleur triphasé dans lequel, pour atténuer les harmoniques, chaque alter- nance rectangulaire de la tension de sortie est interrom- pue par deux coupures situées symétriquement dans les pre- mier et dernier secteurs de 300 et dont les limites sont définies par les angles al et a 2 par rapport aux extrémi- tés des alternances, particulièrement approprié à l'en- traînement d'un moteur à courant alternatif à vitesse ré- gulée, caractérisé en ce que al l'angle a 2 est compris entre 12,86 par rapport au pre- mier maximum du 7 ème harmonique et 18 par rapport au premier maximum du 5 ème harmonique et en ce que l'étendue de la coupure (î 2 ail) est comprise entre 3 et 7 - 2 Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les angles ail et c 2 ont un di- viseur commun égal-à 30: m o m est un nombre entier 3 Circuit de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur d'im- pulsions ( 23) fournissant des impulsions d'horloge (bl) à la fréquence: f = 12 m f r w ou fw est la fréquence de la tension de sortie et m est un nombre entier compris entre 3 et 10, et un compteur ( 25) déclenché par ces impulsions d'horloge qui produit sur des sorties prédéterminées des signaux temporels servant à commander l'onduleur ( 10). 4 Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les angles ai et c 2 sont choisis de telle manière que le couple oscillatoire: M =-K 2 I|sin n 90 2 sin N ( 90 ail) + 2 sin N ( 90 a 2)I n n = 5, 7, 11, 13 soit au plus égal à 0,025 K, c'est-à-dire au tiers du couple M correspondant à une alternance rectangulaire pure. Circuit de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que les angles al et a 2 pour un m donné sont choisis de telle manière que le couple oscil- latoire M soit minimum. -6 Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que al 4 7 Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que al = 10 et a 2 = 15 . 8 Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que al = 9 et " 2 = 15 .