Brevet FR2540688A1 — publié le 19840810

La présente invention concerne de façon générale un système de conversion d'énergie dans lequel une tension de sortie d'un alternateur à fréquence variable est convertie en une tension continue régulée, et elle porte plus particu- lièrement sur un circuit destiné à commander des thyristors qui convertissent de l'énergie alternative à N phases en énergie continue. Dans des systèmes de conversion d'énergie anté- rieurs, un élément moteur à vitesse variable est accouplé à un alternateur à N phases et entraîne cet alternateur qui produit de l'énergie alternative à fréquence variable. L'énergie à fréquence variable à N phases est redressée par un pont de thyristors à double alternance et elle est filtrée pour produire une tension de sortie continue On commande l'angle d'amorçage de chaque thyristor pour-réguler la ten- sion continue. Dans le cas d'un alternateur triphasé, le pont de thyristors à double alternance comprend six thyristors et chacun d'eux est amorcé par des impulsions de commande dont les instants d'apparition sont définis au moyen d'un circuit de réaction, pour maintenir la tension de sortie continue à un niveau constant. Lorsque la vitesse de l'élément moteur est telle que la période de la tension de sortie de l'alternateur est du même ordre que le temps de commutation des thyristors, le fonctionnement est peu fiable. Conformément à l'invention, on élimine l'inconvé- nient précité en détectant la fréquence de la tension de sor- tie de l'alternateur et en réduisant la vitesse de fonction- nement des thyristors lorsque la fréquence de l'alternateur est supérieure à une fréquence prédéterminée. On convertit une phase de la tension de sortie de l'alternateur en un signal continu ayant un niveau propor- tionnel à la fréquence de la tension de sortie de l'alterna- teur On compare ce signal continu avec une référence dans un comparateur, et lorsque le signal continu est inférieur à la référence, on actionne des thyristors dans un redresseur en pont multiphasé à double alternance par des impulsions de commande, d'une manière classique, de façon à convertir l'énergie de sortie alternative à N phases de l'alternateur en énergie continue Cependant, lorsque la tension continue représentant la fréquence de l'alternateur est supérieure à la référence, on modifie les instants d'apparition des impulsions de commande pour faire fonctionner les thyristors pour effectuer moins qu'un redressement à double alternance à N phases On dispose ainsi d'un temps supplémentaire pour amorcer les thyristors de façon fiable et pour commander ainsi avec précision le niveau de sortie continu. Dans une forme de l'invention, on convertit un redresseur à double alternance à N phases en un redresseur à simple alternance à N phases Dans un autre mode de réali- sation de l'invention, on met hors fonction une ou plusieurs paires de thyristors dans le pont, qui sont associées avec une ou plusieurs phases de l'alternateur, ce qui convertit un redresseur à double alternance à N phases en un redresseur à double alternance à m phases, avec m inférieur à n. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma synoptique d'un système de conversion d'énergie utilisant le circuit de commande de thyristors de l'invention la figure 2 est un schéma simplifié du pont de thyristors triphasé à double alternance qui est représenté sous forme synoptique sur la figure 1; la figure 3 est un schéma du comparateur de vites- se qui est représenté sous forme synoptique sur la figure 1 la figure 4 est un schéma synoptique détaillé du circuit logique et d'amorçage représenté sur la figure 1; la figure 5 est un diagramme séquentiel qui montre la tension de sortie du pont de thyristors à double alter- nance lorsque la fréquence de la tension de sortie de l'alternateur est inférieure à la fréquence prédéterminée la figure 6 est un diagramme séquentiel qui montre les impulsions de commande qui sont appliquées aux thyris- tors dans le pont à double alternance lorsque la-fréquence de la tension de sortie de l'alternateur est inférieure à la fréquence prédéterminée; la figure 7 est un diagramme séquentiel qui montre la tension de sortie du pont lorsque la fréquence de la ten- sion de sortie de l'alternateur est supérieure à la fréquen- ce prédéterminée la figure 8 est un diagramme séquentiel qui montre les impulsions de commande appliquées aux thyristors dans le pont lorsque la fréquence de la tension de sortie de l'alter- nateur est supérieure à la fréquence prédéterminée; et la figure 9 est un schéma synoptique partiel du circuit logique et d'amorçage montrant une modification par rapport à la figure 4. On va maintenant considérer la figure 1 qui montre un système de conversion d'énergie et le circuit de commande à thyristors de l'invention Un élément moteur à vitesse variable 14 comporte un arbre de sortie représenté schémati- quement en 16 L'arbre 16 est'accouplé à un alternateur tri- phasé 18 et entraîne ce dernier L'alternateur produit de l'énergie alternative de sortie dont la fréquence dépend de la vitesse de l'élément moteur 14 La tension de sortie tri- phasée de l'alternateur 18 est appliquée à un pont triphasé à double alternance 20, représenté sous forme simplifiée sur la figure 2, qui comprend des thyristors SCRI SCR 6. Le pont triphasé à double alternance 20 reçoit des impulsions de commande provenant d'un circuit logique et d'amorçage 21 pour commander l'angle d'amorçage de chacun des thyristors SCR 1 SCR 6 Le pont à double alternance 20 produit une tension de sortie continue qui est filtrée par un filtre de sortie 22. Il faut noter que le système de conversion d'éner- gie qui est représenté sur la figure 1 n'est pas limité à une conversion alternatif-continu d'une tension alternative tri- phasée, et peut en fait être utilisé avec un alternateur à n phases, auquel cas un pont à double alternance et à N phases remplacerait le pont 20 représenté sur la figure 1, ce pont à N phases contenant 2 N thyristors -Le système est également applicable à des convertisseurs cycliques. Les impulsions d'amorçage pour les thyristors SCR 1 SCR 6 du pont 20 sont produites par un circuit de com- mande qui détecte la tension continue de sortie du filtre 22 et qui commande le-circuit logique et d'amorçage 21 de façon à produire des impulsions d'amorçage au point approprié dans chaque signal de phase, pour maintenir le niveau de sortie continu du filtre à la valeur régulée Le circuit de commande comprend un circuit de mise en forme 24 qui convertit en un signal carré une phase de la tension de sortie alternative triphasée de l'alternateur Un multivibrateur monostable détecte le passage par zéro du signal carré provenant du cir- cuit 24 et il produit une impulsion chaque fois qu'un passage par zéro est détecté Un filtre 28 convertit les impulsions produites par le multivibrateur 26 en un niveau continu VDC qui est proportionnel à la fréquence de la tension de sortie de l'alternateur. Il faut également noter que du fait que la fréquen- ce de la tension de sortie de l'alternateur dépend de la vitesse de l'élément moteur, le signal VD représente égale- ment la vitesse de l'élément moteur Un autre procédé pour élaborer le signal V Dc consisterait à détecter directement la vitesse de l'élément moteur et à convertir la vitesse détec- tée en un signal continu. Une boucle de verrouillage de phase 30 produit à partir du signal carré du circuit 24 un signal de sortie à fréquence constante qui est appliqué à un circuit logique et de compteur 32 Le circuit 32 produit une série de six trains d'impulsions sur six lignes 33 a-33 f, et ces trains d'impul- sions ont tous la même fréquence mais diffèrent en phase de 600 L'un des trains d'impulsions est renvoyé vers la boucle à verrouillage de phase 30 pour effectuer une comparaison de phase avec le signal provenant du circuit 24. Chacun des trains d'impulsions provenant du cir- cuit logique 32 est appliqué à l'un des six circuits généra- teurs de signal en rampe/comparateurs 34, dont l'un 34 a est représenté sur la figure 1 Chaque circuit 34 reçoit le signal continu VDC représentant la fréquence de sortie de l'alternateur 18 et l'un des trains d'impulsions provenant du circuit logique et de compteur 32, et il génère à partir d'eux un signal en rampe En particulier, la tension VDC est intégrée par un générateur de signal en rampe 36 a jusqu'à ce qu'une impulsion de restauration soit reçue par la ligne 33 a à partir du circuit logique et de compteur 32, ce qui conduit à la génération d'un signal en rampe dont la fréquence et la phase dépendent du train d'impulsions prove- nant du circuit logique et de compteur 32. Le signal provenant du générateur de signal en ram- pe 36 a est appliqué à un comparateur 38 a qui reçoit un signal d'erreur VE Le signal VE est généré en faisant la somme de la tension appliquée à la charge au point de régulation POR et d'un signal de référence, dans une jonction de sommation , et en traitant le signal dans un circuit d'amplification et de compensation 42 Le comparateur 38 produit une série d'impulsions qui sont appliquées au circuit logique et d'amorçage 21. Le circuit logique et d'amorçage 21 reçoit égale- ment des impulsions provenant des cinq autres circuits généra- teurs de signal en rampe/comparateurs 34 b-34 f et il fait en sorte que les thyristors SCR 1 SCR 6 s'amorcent selon une séquence appropriée et au point approprié pour chaque phase de l'alternateur triphasé 18. Le système de conversion d'énergie décrit jusqu'ici est classique Ce système est capable de maintenir le niveau continu de sortie au niveau désiré, mais seulement lorsque la vitesse de l'élément moteur à vitesse variable 14 est telle que la fréquence de sortie de l'alternateur 18 est inférieure à une fréquence de l'ordre de 2500 Hz A des vitesses supé- rieures à 2500 Hz, le circuit logique et d'amorçage 21 tente d'amorcer les thyristors SCR 1 SCR 6 à une vitesse égale ou supérieure à leur vitesse maximale de commutation, ce qui conduit à des fluctuations parasites dans le niveau de sortie continu Ce problème devient particulièrement grave lorsque le système de conversion de puissance est utilisé en associa- tion avec des éléments moteurs dont la vitesse de sortie est sujette à de grandes fluctuations. Pour résoudre ce problème, un comparateur de survi- tesse 44 compare le niveau continu VDC représentant la fré- quence de sortie de l'alternateur 18 avec un niveau de réfé- rence et il génère un signal indiquant si l'élément moteur 14 fonctionne dans une condition de survitesse Lorsque ce signal provenant du comparateur de survitesse 44 est appliqué au circuit logique et d'amorçage 21, on fait fonctionner le pont de thyristors à double alternance 21 dans un mode de redressement à simple alternance, pour disposer d'un temps supplémentaire pour amorcer les thyristors SCR 1 SCR 6. En considérant maintenant la figure 3, on voit que le comparateur de survitesse 44 comprend un circuit sépara- teur 50 qui isole le signal VDC Le signal VDC isolé est ensuite appliqué à un amplificateur opérationnel Ul qui est connecté en comparateur L'amplificateur opérationnel Ul reçoit également un signal VREF avec lequel le signal VDC isolé est comparé Le signal provenant de l'amplificateur opérationnel Ul est à nouveau isolé par un second circuit séparateur 52 pour produire un signal appelé INVALIDATION. En considérant maintenant la figure 4, on voit que le signal INVALIDATION est appliqué à trois des six multivibrateurs monostables 54 a-54 f qui reçoivent également les impulsions provenant des circuits générateurs de signal en rampe/compa- rateurs 34 a-34 f Le signal INVALIDATION est plus précisément appliqué aux multivibrateurs monostables 54 a, 54 c, 54 e pour invalider ces multivibrateurs monostables lorsque le signal INVALIDATION est généré. Chacun des multivibrateurs monostables 54 a-54 f est connecté à deux portes parmi une série de six portes OU 56 a- 56 f, qui sont elles-mêmes connectées à six circuits d'amor- çage de thyristors respectifs 58 a-58 f Les circuits d'amor- çage de thyristors 58 commandent l'amorçage des thyristors SCR 1 SCR 6 dans le pont 20. En considérant maintenant les figures 5-8, on va tout d'abord décrire le fonctionnement du circuit représenté sur les figures 3 et 4 dans le cas du fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque la fréquence de la tension de sortie de l'alternateur est inférieure à une fréquence prédéterminée, et ensuite lorsqu'une condition de survitésse se produit, c'est-à-dire lorsque la fréquence de la tension de sortie de l'alternateur est supérieure à la fréquence prédéterminée. En considérant tout d'abord les figures 5 et 6, on note que lorsque la fréquence de la tension de sortie de l'alternateur est inférieure à la fréquence prédéterminée, les impulsions de commande produites par le circuit d'amorça- ge 21 font fonctionner le pont 20 en redresseur à double alternance, pour produire le signal représenté sur la figure Par exemple, à l'instant t = O (auquel on affecte arbi- trairement l'angle O ), la tension VAC représentant la ten- sion entre les-phases A et C est égale à zéro, tandis que les tensions VBA et VBC (représentant respectivement la ten- sion entre les phases B et A et entre les phases A et C) ont des valeurs positives. On supposera que les conditions au point de régula- tion sont telles qu'il est nécessaire d'amorcer les thyris- tors sur 400 pour chaque phase afin de maintenir la tension au point de régulation au niveau désiré Dans ce cas, il est nécessaire d'amorcer deux des redresseurs dans le pont 20 à , soit à l'instant désigné par t = t 1 sur les figures 5 et 6 A t = t 1, une impulsion est transmise par la ligne 33 b du circuit logique et de compteur 32 vers le circuit généra- teur de signal en rampe/comparateurs 34 b L'impulsion présen- te sur la ligne 33 b restaure le générateur de signal en rampe qui commence alors immédiatement à intégrer la tension V Dc. Lorsque le signal en rampe atteint le niveau VE, le compara- teur appartenant au circuit générateur de signal en rampe/ comparateur 34 b génère une impulsion sous l'effet de laquel- le le multivibrateur monostable 54 b produit à son tour une impulsion Cette impulsion est appliquée aux portes OU 56 b, 56 c qui commandent elles-mêmes les circuits d'amorçage de thyristors 58 b, 58 c de façon qu'ils amorcent les thyristors SCR 2 et SCR 3. A un point situé 600 plus tard dans le diagramme séquentiel des figures 5 et 6, le circuit logique et de compteur 32 produit une impulsion qui est transmise par la ligne 33 e et sous l'effet de laquelle le multivibrateur monostable 54 e produit à son tour une impulsion L'impulsion est transmise aux portes OU 56 c et 56 f pour amorcer les thy- ristors SCR 2 et SCR 5. De façon similaire, à des intervalles de 60 après l'amorçage des thyristors SCR 2 et SCR 5 (désignés par-les instants t = t 3, t 4, t 5 et t 6), les paires de thyristors appropriés sont amorcés de la manière indiquée ci-après: Instant (ou angle) Tension Redresseurs amorcés t=t 3 ( 140 ) VAC SCR 4, SCR 5 t=t 4 ( 200 ) VAB SCR 4, SCR 1 t=t 5 ( 260 ) VCB SCR 1, SCR 6 t=t 6 ( 320 ) VCA SCR 6, SCR 3 En considérant maintenant les figures 2, 3, 7 et 8, on note que lorsque la fréquence de la tension de sortie de l'alternateur est supérieure à la fréquence prédéterminée, telle que 2500 Hz, le comparateur de survitesse 44 génère le signal INVALIDATION qui, à son tour, invalide les multivibra- teurs monostables 54 a, 54 c et 54 e Par conséquent, ces multi- vibrateurs monostables ne peuvent plus produire d'impulsions à partir des circuits générateurs de signal en rampe/compara- teurs 34 a, 34 c et 34 e qui leur sont associés De ce fait, les portes OU 56 a-56 f reçoivent uniquement les signaux provenant des multivibrateurs monostables restants 54 b, 54 d et 54 f, sous l'effet de signaux provenant des circuits générateurs de signal en rampe/comparateurs respectifs 34 b, 34 d et 34 f qui leur sont associés. Comme on le voit sur la figure 7, le fait d'invali- der les trois multivibrateurs monostables 54 a, 54 c et 54 e a pour effet de transformer le fonctionnement du pont 20 en un fonctionnement à simple alternance qui produit le signal représenté sur la figure 7 -En particulier, aux instants t=O, c'est-à-dire à O , les thyristors SCR 2 et SCR 3 sont amorcés par le multivibrateur monostable 54 b, comme le montre la figure 8. De façon similaire, aux instants t=t 7, ou à 120 du signal, les thyristors SCR 4 et SCR 5 sont amorcés par une impulsion qui est produite par le multivibrateur monostable 54 d, tandis qu'aux instants t=t 8 ( 240 ), les thyristors SCR 1 et SCR 6 sont amorcés par une impulsion qui est produite par le multivibrateur monostable 54 f. On peut voir que, lorsque le pont fonctionne de façon à effectuer un redressement à simple alternance, la cadence d'amorçage des thyristors est réduite Par conséquent, les thyristors SCR 1 SCR 6 disposent d'un temps plus long pour s'amorcer et se bloquer, et une commutation fiable est ainsi assurée. Dans une autre forme de l'invention, on emp 8 che l'amorçage des deux thyristors associés à une phase, dans une condition de survitesse, et le redresseur procure un fonction- nement monophasé à double alternance La figure 9 montre la partie du circuit logique et d'amorçage de la figure 4 qui produit les impulsions d'amorçage pour les thyristors 5 et 6, relatifs à la phase C Des portes ET à deux entrées 60 e, 60 f sont ajoutées entre les portes OU 56 e, 56 f et les circuits d'amorçage de thyristors 58 e, 58 f Une entrée de quatre por- tes ET est connectée à la sortie de la porte OU associée Les autres entrées des portes ET sont connectées ensemble et à une source de signal de commande située dans le comparateur de survitesse 44 Aussi longtemps que l'alternateur fonction- ne au-dessous de la fréquence prédéterminée, un signal de commande à l'état haut est appliqué aux portes ET et les impulsions provenant des portes OU 56 sont transmises aux circuits d'amorçage 58 Dans une condition de survitesse, le signal de commande est à l'état bas et les impulsions ne sont pas transmises vers les circuits d'amorçage, ce qui met effectivement hors fonction les thyristors 5 et 6 Le fonctionnement en redresseur monophasé à double alternance laisse un temps de commutation des thyristors suffisant pour un fonctionnement fiable. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de commande perfectionné pour un système de conversion d'énergie électrique comportant un alternateur ( 18) à vitesse variable et à N phases, dont la fréquence est fonction de la vitesse, un redresseur à double alternance ( 20) à N phases comprenant 2 N éléments redres- seurs commandés (SCRI SCR 6), connecté à l'alternateur, le redresseur à double alternance ayant une tension de sortie continue, et un circuit de commande qui réagit à la tension de sortie continue du redresseur en commandant l'angle de conduction des 2 N éléments redresseurs pour effectuer un redressement à double alternance à N phases, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 24, 26, 28) destinés à détecter la vitesse de l'alternateur; des moyens ( 44) qui réagissent à une vitesse de-l'alternateur dépassant une valeur de référence en établissant un signal de commande de survitesse pour le redresseur; et des moyens-( 44) apparte nant au circuit de commande, qui réagissent au signal de commande de survitesse pour le redresseur en faisant en sorte que le circuit régulateur commande la conduction des éléments redresseurs (SCR 1 SCR 6) pour effectuer moins qu'un redressement à double alternance et à N phases. 2 Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens cités en dernier ( 21) font en sorte que le circuit régulateur commande la conduc- tion des 2 N éléments redresseurs (SCR 1 SCR 6) pour effec- tuer un redressement à simple alternance et à N phases. 3 Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens cités en dernier ( 21) font en sorte que le circuit régulateur commande la conduc- tion des éléments redresseurs (SCRI SCR 6) pour effectuer un redressement à double alternance et à m phases, avec m inférieur à n. 4 Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend des moyens ( 32) destinés à générer 2 N impulsions de synchronisa- tion et un circuit logique ( 21) qui réagit à ces 2 N impul- sions de synchronisation en générant 4 N impulsions d'amorçage pour effectuer un redressement à double alternance et à n phases, et les moyens cités en dernier comprennent des moyens ( 44) destinés à modifier le fonctionnement du circuit logique pour commander la conduction des éléments redresseurs (SCR 1 - SCR 6) pour que le redresseur effectue moins qu'un redresse- ment à double alternance et à N phases. 5 Dispositif de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit logique comprend un mul- tivibrateur monostable ( 54 a-54 f) pour chaque élément redres- seur (SCR 1 SCR 6), chaque multivibrateur monostable réagis- sant à une impulsion de synchronisation en produisant une impulsion d'amorçage pour un élément redresseur, et les moyens destinés à modifier le fonctionnement bloquent le fonctionnement d'une partie des multivibrateurs monostables pour faire fonctionner le redresseur à simple alternance et à N phases. 6 -Dispositif de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit logique comprend une por- te ET ( 60 e, 60 f) par laquelle des impulsions d'amorçage sont appliquées à une partie des éléments redresseurs (SCR 1 - SCR 6), et les moyens destinés à modifier le fonctionnement ferment ces portes ET pour faire fonctionner le redresseur à double alternance et sur m phases, avec m inférieur à n. 7 Dispositif de commande perfectionné pour un système de conversion d'énergie électrique comportant un alternateur triphasé à vitesse variable ( 18), dont la fré- quence est fonction de la vitesse, un redresseur triphasé à double alternance ( 20) avec six éléments redresseurs comman- dés (SCR 1 SCR 6), connecté à l'alternateur, le redresseur à double alternance ayant une tension de sortie continue, et un circuit de commande qui réagit à-la tension de sortie con- tinue du redresseur de façon à commander l'angle de conduc- tion de chacun des six éléments redresseurs (SCR 1 SCR 6) pour réaliser un redressement triphasé à double alternance, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 24, 26, 28) destinés à détecter la vitesse de l'alternateur; des moyens ( 44) qui réagissent à une vitesse de l'alternateur dépassant une valeur de référence en établissant un signal de commande de vitesse élevée pour le redresseur; et des moyens ( 44) apprte- nant au circuit de commande, qui réagissent au signal de com- mande de vitesse élevée pour le redresseur en faisant en sorte que le circuit régulateur commande la conduction des éléments redresseurs (SCRI SCR 6) pour effectuer moins qu'un redresse- ment triphasé à double alternance. 8 Dispositif de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens cités en dernier font en sorte que le circuit régulateur commande la conduction des six éléments redresseurs (SCR 1 SCR 6) pour effectuer un redressement triphasé à simple alternance. 9 Dispositif de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens cités en dernier font en sorte que le circuit régulateur commande la conduction de quatre des éléments redresseurs (SCR 1 SCR 6) pour réaliser un redressement monophasé à double alternance. Dispositif de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend des moyens ( 32) destinés à générer six impulsions de synchronisa- tion et un circuit logique ( 21)-qui réagit aux six impulsions de synchronisation en générant douze impulsions d'amorçage pour le redressement triphasé à double alternance, et les moyens cités en dernier comprennent des moyens ( 44) destinés à modifier le fonctionnement du circuit logique pour commander la conduction des éléments redresseurs (SCRI SCR 6) pour que le redresseur effectue moins qu'un redressement triphasé à double alternance. 11 Dispositif de commande selon la revendication 10, caractérisé en ce que le circuit logique ( 21) comprend un multivibrateur monostable ( 54 a- 54 f) pour chaque élément redresseur (SCR 1 SCR 6), chaque multivibrateur monostable réagissant à une impulsion de synchronisation en produisant une impulsion d'amorçage d'un élément redresseur, et une porte OU ( 56 a- 56 f) destinée à combiner des impulsions d'amor- çage provenant de deux multivibrateurs monostables, pour les appliquer à chaque élément redresseur. 12 Dispositif de commande selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens destinés à modifier le fonctionnement bloquent le fonctionnement de trois multivi- brateurs monostables ( 54 a, 54 c, 54 e) pour faire fonctionner le redresseur en mode triphasé à simple alternance. 13 Dispositif de commande selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend des portes ET ( 60 e, 60 f) connectées entre deux des portes OU ( 56 a-54 f) et les éléments redresseurs associés, et en ce que les moyens destinés à modifier le fonctionnement bloquent le passage des impulsions d'amorçage par ces portes ET pour faire fonctionner le redresseur en mode monophasé à double alternance.