Brevet FR2543759A1 — publié le 19841005

f 543759 Dispositif de commutation statique traction-freinage pour système à vitesse variable à moteurs asynchrones alimentés par commutateur de courant La présente invention a pour objet un disposi- tif de commutation rapide entre deux modes de fonctionnement, en traction ou en freinage respectivement, pour système à vitesse variable à moteurs asynchrones alimentés par commuta- teur de courant. Dans le cas particulier, par exemple, d'une motrice alimentée en courant continu, le système à vitesse variable comporte (Figure 1) un hacheur H constituant une source de courant intermédiaire Id continu, alimentant un ou plusieurs moteurs asynchrones MAS par l'intermédiaire d'un commutateur de courant Ou onduleur ON. La commutation du fonctionnement en traction au fonctionnement en freinage, et vice versa, est assurée par l'ensemble constitué essentiellement et de manière connue par des diodes DRL, DFR et le contacteur CT Ce contacteur est fermé en traction et ouvert en freinage. Il est connu que le temps de réponse d'un con- tacteur est relativement long, de l'ordre du dixième de secon- de Or la rapidité de commutation est particulièrement intéres- sante dans le cas de systèmes à vitesse variable à moteurs asynchrones alimentés par commutateur de courant. D'une part, cette rapidité permet d'avoir une bonne synchronisation entre l'instant o se produit la commu- tation et la commande de ilonduleur D'autre part, dans un tel système, lors du passage du fonctionnement en traction au fonctionnement en freinage, il faut éviter que le courant intermédiaire Id, fourni par la source de courant au commuta- teur de courant pendant la phase traction, ne s'annule afin de remplir les deux conditions essentielles de fonctionnement suivantes: maintenir un flux suffisant dans les moteurs asynchrones pour assurer l'établissement du freinage, assurer un fonctionnement correct ducommuta- teur de courant dont le pouvoir de coupure est lié à la valeur du courant intermédiaire Id. Pour pallier le manque de rapidité et l'impré- cision du temps d'ouverture du contacteur CT (Figure 1), il est nécessaire d'ajouter un circuit auxiliaire composé d'un thyristor Tc et d'une résistance Rc Ce circuit auxiliaire est branché entre les deux conducteurs parcourus par le courant continu intermédiaire Id, et entre le commutateur de courant ON et le contacteur CT Il est mis en service lors de chaque commutation traction-freinage et vice-versa, afin de mainte- nir le courant intermédiaire Id. La présente invention a pour but de remplacer l'ensemble du contacteur CT, du thyristor Tc et de la résistan- ce Rc par un système statique de commutation rapide. La présente invention a pour objet un dispositif de commutation statique traction-freinage, pour système à vi- tesse variable à moteurs asynchrones alimentés par commutateur de courant, du type utilisant un hacheur comme source de cou- rant continu intermédiaire et un thyristor pour la commutation tractionfreinage, caractérisé en ce que le circuit d'extinction du hacheur est utilisé pour assurer l'extinction du thyristor de commutation traction-freinage (TR). Selon d'autres caractéristiques de l'invention: un thyristor auxiliaire d'extinction (TEX) est prévu entre l'anode du thyristor de commutation traction- freinage (TR) et le circuit d'extinction du hacheur (H); un circuit constitué en série d'un thyristor supplémentaire (TS) et d'une inductance est branché entre la cathode du thyristor de commutation (TR) et le circuit d'ex- tinction du hacheur (H); ladite inductance (L 3) en série avec ledit thyristor supplémentaire (TS) est au moins partiellement pla- cée en série avec ledit thyristor de commutation (TR), sur le conducteur d'alimentation. A titre d'exemple et pour faciliter la descrip- tion, on a représenté au dessin annexe: Figure t un schéma symbolique simplifié d'un dispositif de commutation traction-freinage à contacteur de type connu, Figure 2 un schéma électrique d'un dispositif de commutation traction-freinage selon l'invention, à thyristor de commutation statique O Figure 3 un schéma électrique plus détaillé des éléments essentiels d'un dispositif de commutation selon l'invention. Figure 4 une représentation de différents signaux de tension et de courant en différents points du circuit de la figure 3. Figure 5 un schéma électrique d'une variante de réalisation d'un dispositif de commutation selon l'invention correspondant à la figure 3, mais avec un thyristor et une inductance supplémentaires. Figure 6 un schéma électrique d'une variante de réalisation d'un dispositif de commutation selon la figure , dans lequel l'inductance supplémentaire est dédoublée. Figure 7 une représentation de différents signaux de tension et de courant en différents points du circuit de la figure 5. En se reportant au dessin on voit que le réseau continu définit une tension d'entrée Ue (Fig_ 1) Le circuit comprend le hacheur principal H qui délivre le courant conti- nu intermédiaire Id, lissé par l'inductance Ld, au commuta- teur de courant ou onduleur ON, lequel alimente un ou plusieurs moteurs asynchrones MAS Le contacteur CT, sur le conducteur négatif a ses deux bornes reliée au conducteur positif, res- pectivement en aval du hacheur pour sa borne aval (sens du courant dans le conducteur) et en amont du hacheur pour sa borne amont, respectivement par les diodes DRL et DFR En outre, sa borne amont est reliée au conducteur positif en aval du hacheur par l'intermédiaire de la résistance Rc en série avec le thyristor Tc. Sur la figure 2, les diodes DRL et DFR ont conservé leurs positions respectives et leur rôle, consistant à assurer, pendant les périodes de freinage (contacteur CT ouvert) la restitution du courant au réseau Le contacteur 3 S CT a été remplacé par un thyristor TR, et il est prévu un thyristor d'extinction TEX dont le rôle est de réaliser le branchement du circuit d'extinction du hacheur principal H au thyristor TR afin de commander l'extinction de celui-ci lors de la commutation du fonctionnement en traction au 4 '2543759 fonctionnement en freinage On évite ainsi l'emploi d'un cir- cuit d'extinction spécialement prévu pour le thyristor TR. La figure 3 est un exemple plus détaillé de réalisation du dispositif Sur cette figure, le circuit du hacheur H est représenté, avec un thyristor de contrôle T 3 en série avec un thyristor principal T 1, muni d'une diode an- tiparallèle D 1, le thyristor T 2 avec sa diode D 2 antiparallèle, les deux inductances L 1 et L 2 en série avec la diode DRL entre les deux conducteurs, et le condensateur C dans le circuit oscillant d'extinction du hacheur H Le thyristor TEX est branché entre l'anode du thyristor TR et le point commun à l'anode du thyristor T 1 et à la cathode du thyristor T 3. Le fonctionnement du dispositif lors d'une commutation traction-freinage est le suivant: Le hacheur H étant bloqué, le courant Id passe par les éléments TR, DRL, L 2, Li, Ld, et se referme à travers l'onduleur ON et deux phases du moteur MAS. Le thyristor T 3 étant maintenu bloqué, les thy- ristors T 1 et T 2 sont amorcés La tension aux bornes du con- densateur C qui a les polarités(I)indiquées (la polarité + étant du côté de l'anode de T 1) va changer de sens après une demi-oscillation de forme sinusoïdale Les diodes D 1 et D 2 se mettent à conduire et les thyristors T 1 et T 2 se bloquent. A ce même instant, il faut amorcer le thyristor TEX, ce qui a pour effet de générer un courant d'allure sinusoïdale dans le circuit comprenant L 2, DRL, TR, TEX, C et D 2, et de sens opposé à celui de la conduction normale dans les éléments DRL et TR Le courant dans ces deux éléments s'annule donc rapi- dement tandis que le courant intermédiaire Id passe, à tra- vers les éléments TEX, C, D 2, LX et Ld. Pendant ce temps, et dès que les diodes D 1 et D 2 sont entrées en conduction, le courant dans le condensateur C a changé de sens puisqu'il est traversé par le courant si- nusoldal de la boucle C, D 2, L 1, Dl d'une part, et par le courant d'abord sinusoidal de la boucle C, D 2, L 2, DRL, TR, TEX, puis par le courant intermédiaire Id après blocage de DRL et TR d'autre part. La tension apparaît à nouveau avec les polari- tés initiales (+) sur le condensateur C, et, lorsque la valeur 2543759 de la tension du condensateur atteint la valeur Ue de la sour- ce d'alimentation, la diode DFR devient conductrice et conduit finalement la totalité du courant Id pendant que, parallèle- ment le courant traversant TEX décroit jusqu'à O Finalement tout le courant Id circule par DFR, le réseau continu, DRL, L 2, Ll, Ld et l'onduleur avec le moteur. La figure 4 représente les principales grandeurs électriques du schéma de la figure 3. Dans la description précédente, le thyristor TEX est amorcé à l'instant précis o la tension sur le conden- sateur C atteint la valeur maximale inverse, mais il est plus avantageux d'amorcer le thyristor TEX avant cet instant ce qui augmente le temps de repos du thyristor TR, cette "anticipa- tion" de l'amorçage du thyristor TEX permettant de bénéficîer tour l'extinction du thyristor TR, d'une partie de l'énergie réactive de l'inductance Ll acquise pendant la phase initiale d'inversion. Ainsi qu'on peut le constater sur la figure 4, la durée de la commutation du fonctionnement en traction, au fonctionnement en freinage est brève, car elle est sensible- ment égale à une période T = 211 \f 11 C du circuit de commuta- tion, auquel il faut éventuellement ajouter le temps néces- saire à l'extinction du hacheur pour se retrouver dans l'état initial de la description qui supposait le hacheur bloqué. Ce temps total ne doit pas dépasser la milliseconde. La rapidité de cette commutation des circuits permet donc de fonctionner sans retard dans la configuration freinage, ce qui permet un contrôle parfait de l'ensemble du système ainsi qu'il a été dit précédemment. La figure 5 donne un autre exemple de réalisa- tion, adapté, en particulier, au cas o la valeur des charges stockées du thyristor TR, moins rapide, et de la diode DRL, plus rapide, sont trop différentes. Une branche constituée d'un thyristor supplé- mentaire (TS) et d'une inductance L 3 est placée en parallèle aux bornes de la branche constituée de l'inductance L 2 et de la diode DRL Les éléments TS et L 3 étant en série, leurs emplacements dans la branche dont il est question ci-dessus peuvent évidemment être intervertis. La figure 6 représente une variante de réalisa- tion dans laquelle, en série avec le thyristor TR sur le con- ducteur négatif, entre L 3 et la diode DRL, a été ajoutée une inductance L 3 qui peut être utilisée avec ou sans L 3. Le fonctionnement avec ce thvristor TS, n'est pas fondamentalement différent de celui déjà décrit Le seul point à respecter est l'amorçage simultané des thyristors TS et TEX. L'évolution des tensions et des courants est similaire à celle du montage de la figure 3, à l'exception du courant dans la diode DRL et l'inductance L 2, qui ne s'annule pas totalement après l'amorçage des thyristors TEX et TS, un courant Il de valeur inférieure à Id continuant à circuler dans la boucle constituée des éléments DRL, L 2, TS,L 3 et/ou L'3 (Figure 7). Lorsque la tension du condensateur de commuta- tion redevient positive et atteint la valeur Ue de la source d'alimentation, le courant intermédiaire Id qui passait par TEX va progessivement s'établir dans DFR jusqu'à la totalité. Parallèlement, le courant qui circule dans DRL va remonter de la valeur Il à la valeur Id tandis que le courant dans TS va diminuer de la valeur Il à O (Figure 7). Lors de la commutation inverse, du fonctionne- ment en freinage au fonctionnement en traction, le remplace- ment du contacteur CT par le thyristor TR, est également très avantageux sur le plan de la rapidité L'amorçage de ce thyris- tor, en coïncidence avec les thyristors Tl et T 3 du hacheur, a pour effet immédiat de bloquer la diode DFR, et par conséquen- ce de remettre le circuit instantanément dans la configura- tion de traction, l'avantage résultant de la possibilité donnée par le dispositif de bloquer le thyristor TR dans la commuta- tion initiale du fonctionnement en traction au fonctionnement en freinage. a ô 7 2543759 R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif de commutation statique trac- tion-freinage, pour système à vitesse variable à moteurs asyn- chrones alimentés par commutateur de courant, du type utili- sant un hacheur comme source de courant continu intermédiaire, S et un thyristor pour la commutation traction-freinage, caractérisé en ce que le circuit d'extinction du hacheur est utilisé pour assurer l'extinction du thyristor de commutation traction-freinage (TR). 2 Dispositif selon la revendication 1, carac. térisé en ce qu'un thyristor auxiliaire d'extinction (TEX) est prévu entre l'anode du thyristor de commutation traction-frei- nage (TR) et le circuit d'extinction du hacheur (H). 3 Dispositif selon la revendication 2 dans lequel une diode (DRL) en série avec une inductance (L 2) relie la cathode du thyristor de commutation (TR) au circuit d'ex- tinction du hacheur (HI), caractérisé en ce qu'un circuit cons- titué en série d'un thyristor supplémentaire (TS) et d'une in- ductance (L 3) est branché entre la cathode du thyristor de commutation (TR) et le circuit d'extinction du hacheur (H). 4 Dispositif selon la revendication 3, carac térisé en ce que ladite inductance (L 3) en série avec ledit thyristor supplémentaire (TS) est au moins partiellement pla- cée en série avec ledit thyristor de commutation (TR), sur le conducteur d'alimentation. c