Brevet FR2545666A1 — publié le 19841109

La présente invention a pour objet un convertisseur de courant de réseau monophasé pour maintenir constante une tension continue de sortie lors d'une tension d'entrée très variable en utilisant un transformateur d'alimentation muni de prises. Des convertisseurs de courant de réseau usuels, comme par exemple ceux utilisés dans la technique des chemins de fer pour alimenter des dispositifs auxiliaires de fonctionnement, des circuits intermédiaires à courant continu d'onduleurs, etc. présentent une construction comme celle décrite par le livre Heumann/Stumpe (1969) "Thyristoren", page 112, fig. 112. îc. Une charge y est amenée par l'intermédiaire d'un transformateur monophasé et d'un pont de redresseur de courant semi-commandé et asymétrique. Des organes de filtrage, par exemple une bobine de lissage et un condensateur auxiliaire sont en général prévus entre la charge et le convertisseur. Par exemple un onduleur peut faire fonction de charge.Si on veut réguler la tension en circuit (intermédiaire) à tension continue, c'est-d-dire, dans le cas présent, maintenir constant pendant des variations du côté entrée, l'enroulement du transformateur, en général un enroulement secondaire doit être prévu de manière que, même pour une tension d'entrée la plus basse, on puisse encore obtenir la tension de sortie désirée. Les valves des ponts doivent être commandées par déphasage pour une tension nominale au-dessus de la tension d'entrée. Dans l'utilisation pour les chemins de fer, la variation peut comprendre une alimentation en tension continue jusqu'à Ue = UNom + 30% selon la norme UIC. Un onduleur transforme la tension continue en une tension alternative rectangulaire. Le fonctionnement par déphasage pour une surtension de + 30% entraîne des pulsations considérables entre la tension et le courant, ce qui peut être évité seulement en mettant en fonctionnement un filtrage plus grand. La bobine nécessaire devient grande, lourde et entraîne des pertes. L'objet de l'invention consiste à créer un convertisseur de courant de réseau évitant les inconvénients cités, qui maintient à un bas niveau les pulsations de la tension continue de sortie pour des variations de tension d'entrée autorisées par la norme UIC. Ainsi, on évite en particulier la grande bobine. L'objet conforme à l'invention pour un convertisseur de courant du type cité consiste en ce que le convertisseur de courant est constitué par plusieurs demiponts commutés en parallèle et de même sens, chacun avec deux valves pouvant être commandées et commutées en série, et par un autre demi-pont comsaté en parallèle et de même sens avec deux valves ne pouvant pas être commandées, en ce quà chaque demi-pont une des prises du transformateur est branchée entre les valves et en ce que par l'intermédiaire d'une commande des valves, déviée à partir d'une régulation de la tension continue de sortie, un choix des prises peut être obtenu même pour des valeurs intermédiaire par la commande à plein de l'un des demi-ponts et, le cas échéant par une commande partielle supplémentaire d'un autre demi-pont. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, aux dessins annexés. La fig. 1 est un schéma du circuit du convertisseur de courant selon l'invention. La fig. 2 représente la courbe correspondante des tensions. La fig. 3 est un schéma du circuit pour la production des signaux de commande. La fig. 4 représente la courbe des caractéristiques. Les fig. Sa et 5b représentent des diagrammes d'impulsions. La fig. 6 est un schéma du circuit pour produire des signaux d'amorçage (ZV) destinés aux thyristors. A la fig. 1, 1 désigne un transformateur de puissance dont l'enroulement secondaire est muni de quatre prises 1.1, 1.2, 1.3, 1.4. Dans le cas présent, un convertisseur de courant 2 présentant quatre demiponts 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, commutés en parallèle et de même sens, est alimenté, par l'intermédiaire des prises, en tension rectangulaire. Une alimentation en tension sinusoldale est également possible. Seul le demi-pont 2.1 présente des valves V7 et V8 non-commandées, il est appliqué à la prise commune 1.1 de tension de référence ou de tension zéro. Ce demi-pont constitue avec les autres demi-ponts commandés 2.2, 2.3, 2.4 à chaque fois un circuit à pont asymétrique et semi-commandé, auquel peut être appliquée une charge non représentée.Le demipont 2.2. est appliqué à la prise 1.2 par l'intermédiaire des valves commandées V1, V2, le demi-pont 2.3, à la prise 1.3 par les valves commandées V3, V4 et le demipont 2.4, à la prise 1.4 par les valves commandées VS et V6. On a indiqué une bobine de lissage 3- et un condensateur auxiliaire 4. Les prises 1.2 à 1.4 du transformateur 1 sont prévues demanière que la tension de sortie U est a obtenue: 1. lors d'une tension nominale d'alimentation UeNom et d'une commande à plein du pont 2.3, 2. pour UeNom - 30 Ó et une commande à plein du pont 2.4, 3. pour UeNom + 30% et une commande à plein du pont 2.2. En ce qui concerne la fig. 2, on a représenté également le tracé des tensions partielles produites u1 u2 us lors de la tension d'alimentation ainsi que pour UeNom + 30 et UeNom - 30%. La tension partielle utilisée dans chaque cas est représentée par une ligne continue. Dans la zone en lignes en tirets, il n'y a pas d'utilisation, le pont concerné est bloqué. Ainsi, la tension UGr ou tension de sortie peut être maintenue constante pendant cette anomalie de tension idéalisée. Cependant, des zones intermédiaires sont en réalité omises. Pendant une tension d'alimentation comprise dans la zone UeNom - 30% Par contre, la tension d'alimentation se trouve en-dehors de la zone couverte, par exemple au-dessus de UeNom + 30%, les ponts 2.4 et 2.3 ne sont pas commandés et seul le pont 2.2 est en partie commandé (voir fig. 5a). La fig. 3 représente, dans un schéma fonctionnel, le circuit de production des signaux de commande. Tout d'abord, une régulation de tension à courant en cascade est effectuée. A cette fin, la valeur effective de tension Ux (prise selon la représentation de la fig. 1) est comparée avec une valeur de tension de référence Uw et la différence est amenée à un régulateur de tension de référence 5. il en résulte une valeur de courant de référence Iw qui commande un régulateur de courant 6 par la différence avec une valeur effective de courant I ( pris selon la représentation de la fig. 1). La grandeur de réglage Ust produite commande un formateur de caractéristiques 7 qui fournit la tension de commande pour les commandes par déphasage N4, N5, N6 associées aux thyristors Vi à V6 des demi-ponts 2.2, 2.3, 2.4. Le formateur de caractéristiques 7 présente trois amplificateurs différenciateurs égaux N1, N2, N qui sont cependant appliqués. à différentes tensions zéro, UA, UB et présentent, par conséquent, lQrs d'une grandeur de réglage identique, différents points d'application pour les tensions de commande Usta t Ust2 et USt3. La courbe des caractéristiques pour USt1, U5t2 et U5t3 est représente à la fig. 4. Il ressort de cette représentation la désignation des ponts commandés pour une grandeur de réglage USt et la façon dont ils sont commandés.Si, par exemple, Ust se trouve à la valeur U*, on peut en conclure que: le pont 2.2 est commandé à plein, le pont 2.3 est commandé en partie, le pont 2.4 n'est pas commandé. Les commandes par déphasage N4 à N6 des thyristors, alimentées par tension de synchronisation, produisent en fonction de la tension de commande respective USt1, Ust2, Ust3, des signaux de commande LV1 à LV6. Une commande minimale, c'est-à-dire une position finale à l'arrière du redresseur, est pré-déterminée lors d'une tension de commande zérO,A chaque passage par zéro de la tension de synchronisation USyN, un signal de synchronisation SYN est encore produit par la commande par déphasage N4 pour le pont 2.2. Les relations et la coopération des impulsions sont représentées aux fig. 5a, 5b. Par exemple, il ressort de la fig. 5a que seul le pont 2.2. présentant les valves V1 et V2 (voir les signaux de commande LVI et LV2) fonctionne et qu'apparamment il est semi-commandé. Tous les autres ponts sont bloqués. ZV1 et ZV2 constituent des trains d'impulsions d'amorçage associées. Par contre, à la fig. 5b, le pont 2.4 n'est pas commandé, le pont 2.3 est commandé en partie et le pont 2.2. est commandé à plein. La fig. 6 montre un circuit pour produire les signaux d'amorçage dans une suite progressive de la com mande partielle des ponts lorsqu'à-chaque fois, le pont précédent a atteint la commande à plein. Les signaux de commande produits jusqu'à présent sont à nouveau désignés par LV1 à LV6 et le signal de synchronisation par SPIN. Les références 8, 9, 10 désignent des portes-Ou, les références 13 à 20 des portes-ET et 21,22 des bascules. Les références 23 à 25 indiquent un générateur d'impulsions et Il , 12, un inverseur. Les signaux de commande LV1 et LV2 sont amenés à la porte-OU 8 qui, à son tour, libère le générateur d'impulsions 23 pour former des trains d'impulsions. Une répartition sur les signaux d'amorçage SV1 et ZV2 pour amorcer les thyristors V1 et V2 des ponts 2.2. d'après la fig.1 est effectuée par l'intermédiaire des portes-ET 13 et 14. La bascule-D21 est actionnée en cadence par le signal de synchronisation SYN, le signal LV1 ou LV2 est appliqué à l'entrée de la bascule-D. Si le pont 2.2 est commandé à plein (UeNom + 30%) et que la surtension diminue, un signal haut logique est donné vers la sortie de la bascule-D 21 et est enchaîné au signal LV3 ou LV4 à la porte-ET 19. Ainsi, le générateur d'impulsions 24 est libéré. Il actionne synchroniquement les trains d'impulsions du pont 2.2. Une répartition sur les impulsions d'amorçage SV3 et ZV4 est effectuée par l'intermédiaire de la porte-ET 15 ou 16. Par l'intermédiaire de l'inverseur 11, la zone d'amorçage inversée du pont 2.3 est enchalnée aux portes ET 13 et 14, avec les trains d'impulsions du pont 2.2. Ainsi, les impulsions d'amorçage du pont 2.2 sont affaiblies pendant ce temps. On évite ainsi que de fortes pertes d'enclenchement soient causées pendant une tension négative de blocage des thyristors appliquée aux valves V1 et V2 ainsi qu'un amorçage simultané. Il est de même pour l'inverseur 12, le pont 2.4 et les ponts précédents 2.3 et 2.2. La formation des signaux d'amorçage ZV5 et ZV6 est effectuée de manière correspondante, c'est-à-dire lorsque les ponts 2.2 et 2.3 sont commandés à plein, le générateur dlimpul- sions 25 est libéré par la porte-ET 20. Le générateur d'impulsions 25 fonctionne donc synchroniquement avec les trains d'impulsions destinés aux signaux d'amorçage des ponts 2.2 ou 2.3. Grâce à l'invention, il n'existe plus que de faibles variations de tension dans la tension conti- nue, même lors d'une variation de la tension d'alinen- tation du transformateur de puissance de UeNom + 30%. Les organes de lissage (bobine et condensateurs) du convertisseur de courant peuvent être minimisés du point de vue de leur grandeur et poids. L'espace de montage nécessaire devient plus petit. Les ponts peuvent être commandés par le régulateur de tension de manière qu'aucun élément supplémentaire de commutation ne soit nécessaire. Ainsi, tout état intermédiaire de la tension d'alimentation peut être compensé. REVENDICATIONS 1 " Convertisseur de courant de réseau monophase pour maintenir constante une tension continue de sortie lors dgune tension entrée très variable en utilisant un transformateur dálimentation muni de prises, caractérisé en ce que le convertisseur de courant est constitué par plusieurs demi-ponts commutés en parallèle et de même sens, chacun avec deux valves pouvant être commandées et commutées en aériez et par un autre demi-pont commuté en parallèle et de même sens avec deux valves ne pouvant pas être commandées, en ce qu'à chaque demi-pont, une des prises du transformateur est branchée entre les valves et en ce que, par llintermé- diaire d'une commande des valves, déviée à partir d'une régulation de la tension continue de sortie, un choix des prises peut être obtenu même pour des valeurs intermédiaire par la commande à plein de l'un des demiponts et, le cas échéant par une commande partielle supplémentaire d'un autre demi-pont. 2 - Convertisseur de courant de réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que quatre demiponts (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) sont utilisés et branchés à quatre prises de transformateur (1.1, 1.2, 1.3, 1.4), la prise (1.1) du potentiel commun zéro ou de référence du transformateur étant appliquée au pont (2.1) ne pouvant pas être commandé et les trois autres prises (1.2, 1.3, 1.4) étant prévues pour une tension de sortie constante lors d'une tension d'alimentation (UeNom), UeNom + 30% et UeNom - 30%. 3 - Convertisseur de courant de réseau selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que pour les valeurs de tension d'alimentattion choisies, seule une commande à plein est effectuée pour le pont concerné et pour une tension d'alimentation Ue > UeNOm - 30% 4 - Convertisseur de courant de réseau selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une régulation de tension continue à régulation de courant en cascade (5/6) est utilisée pour commander, la grandeur de réglage (Ust) d'un régulateur de courant (6) agissant sur un formateur de caractéristiques (7) qui fournit les tensions de commande (Ust1 USt2' USt3) pour les commandes par déphasage (N4, N5, N6) des valves associées aux différents ponts, commandes par déphasage produisant de leur côté en fonction des tensions de commande (Ustîi Ust2, USt3), des signaux de commande (LV1 à LV6) modulés en largeur pour former des trains d'impulsions de commande. 5 - Convertisseur de courant de réseau et son dispositif de commande, selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'à chaque fois les deux signaux de commande (LV1/LV2; LV3/LV4; LV5/LV6) pour les valves de chaque pont (2.2, 2.3, 2.4) libèrent un générateur d'impulsions (23 ou 24, ou 25) pour la formation de trains d'impulsions par l'intermédiaire de portes-OU (8 ou 9 ou 10), trains d'impulsion qui sont à chaque fois appliqués par deux portes-ET de répartition (13/14, 15/16, 17/18) aux valves des ponts concernés. 6 - Convertisseur de courant de réseau et son dispositif de commande, selon la revendication 5, caractérisé en ce que, mis à part le circuit de commande pour les ponts avec le branchement de tension (u1) la plus basse, une porte-ET (19 ou 20) supplémentaire est interposée à chaque circuit de commande entre la porte-OU (9 ou 10) et le générateur d'impulsions (24 ou 25), porte-ET (19 ou 20) qui, en présence de signaux de commande dans le circuit de commande des ponts, enchaîne de façon dépendante la transmission des signaux de commande (LV3/LV4, LV5/LV6) avec à chaque fois la borne à tension inférieure (par exemple u1, u2) 7 - Convertisseur de courant de réseau et son dispositif de commande selon la revendication 6, carac térisés en ce que les porte-ET (19 ou 20) sont actionnées par des bascules-D (21 ou 22) qui sont chacune reliées à un signal de synchronisation {SEN) ainsi qu'à la sortie de la porte-OU (8 ou 9) d'un circuit de commande d'un pont présentant une borne à tension inférieure. 8 - Convertisseur de courant de réseau et son dispositif de commande, selon la revendication 5, carac térisés en ce que les porte-ET de répartition (13/14, 15/16, 17.18) sont, de plus, munies d'entrées d'opérateur logique pour les propres signaux de commande (LV) ainsi que les sorties d'inverseurs (11, 12) de circuits de commande pour les ponts présentant une borne à tension supérieure (u2, U3). 9 - Convertisseur de courant de réseau et son dispositif de commande selon la revendication 8, caractérisés en ce que les inverseurs (11, 12) sont à chaque fois branchés entre les portes-ET (19 ou 20) et les générateurs d'impulsions (24 ou 25) des circuits de commande pour les ponts présentant une borne à tension supérieure.