Brevet FR2556521A1 — publié le 19850614

-1- DISPOSITIF D'ALIMENTATION D'UNE CHARGE NOTAMMENT UN MOTEUR A COURANT CONTINU POUR LOCOMOTIVES FERROVIAIRES DU TYPE BI-COURANT La présente invention concerne un dispositif d'alimentation d'une charge notamment un moteur de traction pour locomotives ferroviaires du type bi-courant à réglage de vitesse par équipement à semi-conducteurs. On connaît des dispositifs d'alimentation à partir d'une source à courant continu I 500 Volts, 3 000 Volts ou une source à courant alternatif monopha- sé notamment 25 ou 50 kilovolts, 50 Hz ou 60 Hz pour locomotives moder- nes. Les équipements à semi-conducteurs de tels dispositifs, du type statique, comprennent les ponts redresseurs en traction "monophasé" se répartissant en deux catégories fondamentales: les ponts totalement commandés ou ponts tout thyristor et les ponts semi-commandés ou encore ponts mixtes et les hacheurs de traction en "continu". On connaît également un dispositif pour l'alimentation en courant continu et en courant alternatif d'au moins un moteur de traction et dont le circuit électrique permet la réutilisation, en monophasé, des éléments semiconduc- teurs principaux, tels que thyristors, du hacheur pour constituer un pont mixte. Cependant, le circuit électrique d'un tel dispositif a pour inconvénient d'utiliser un nombre important d'éléments contacteurs pour modifier la configuration du dispositif du mode hacheur en mode redresseur ou viceversa. De plus, ce dispositif connu ne permet pas le freinage par récupération aussi bien en continu qu'en alternatif et présente également un mauvais facteur de puissance. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients ci-dessus en proposant un dispositif d'alimentation d'une charge telle qu'un moteur à courant continu, moteur synchrone auto-piloté, moteur asynchrone etc, soit à partir d'une source à courant continu, soit à partir d'une source à courant alternatif. Le dispositif selon l'invention comprend un seul dispo- sitif de conversion comprenant quatre éléments semi-conducteurs unidirec- tionnels de puissance formant interrupteurs qui sont commandés de façon appropriée par une logique de commande de manière à assurer le fonction- nement du dispositif de conversion soit en mode hacheur lorsque le dispo- sitif est alimenté en courant continu, soit en mode redresseur lorsque le -2- 2556521 dispositif est alimenté en courant alternatif, lorsque la charge fonctionne en récepteur, soit en onduleur pour assurer la récupération d'énergie lorsque la charge fonctionne en générateur. En montage monocourant, au moins deux de ces éléments semi-conducteurs sont constitués par des éléments dont tout changement d'état peut être commandé directement, les deux autres éléments fonctionnant en diode, tandis que dans un montage bi-courant, il faut nécessairement que trois des quatre éléments au moins soient constitués par des éléments dont tout changement d'état peut être commandé directement. Ces éléments semi-conducteurs dont tout changement d'état peut être commandé directement sont par exemple des thyristors à désamorçage commandé par gâchette dits "GTO" ou bien des transistors à porte isolée dits "IGr". L'invention n'est pas limitée à ces types de semi-conducteurs mais au contraire s'étend à tout type de semi-conducteur unidirectionnel formant interrupteur de puissance dont le passage de l'état saturé à l'état bloqué, c'est-à-dire le désamorçage pour un thyristor, est commandé directe- ment en appliquant un signal sur une porte sans nécessiter un circuit com- plexe annexe permettant par exemple d'annuler le courant circulant dans cet élément pour en modifier l'état. Ainsi. la configuration du dispositif de conversion selon la présente invention reste inchangée qu'il soit alimenté en courant continu ou en courant mono- phasé. Plus précisément, selon l'invention, le dispositif d'alimentation d'un moteur électrique de traction pour locomotive ferroviaire du type bicourant, à partir d'une source soit à courant continu soit à courant alternatif com- prend en combinaison: - un transformateur dont le primaire est relié à la source lorsque celle-ci est du type à courant alternatif, une inductance et un condensateur étant disposés en série entre les bornes du secondaire de ce transformateur par l'intermédiaire d'un inverseur connecté de manière à relier l'induc- tance et le condensateur, soit au secondaire du transformateur lorsque la source est du type à courant alternatif, soit directement à la source lorsque celle-ci est du type à courant continu tout en déconnectant le secondaire du circuit dans ce dernier cas, et - entre les bornes du condensateur un pont constitué de quatre éléments semi-conducteurs unidirectionnels formant interrupteurs, trois d'entre eux -3- 2556521 au moins étant constitués par des éléments dont tout changement d'état peut être commandé directement tandis que le quatrième peut être à amorçage commandé et désamorçage naturel, le moteur (M) étant connecté à la sortie de ce pont éventuellement en série avec une inductance de lissage. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la descrip- tion explicative qui va suivre, faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisa- tion de l'invention et dans lesquels: - la Figure 1 représente le schéma électrique général du dispositif selon l'invention; - la Figure 2 illustre le fonctionnement du dispositif selon l'invention lors- qu'il est alimenté à partir d'une source de courant continu; et - La Figure 3 illustre le fonctionnement du dispositif selon l'invention lors- qu'il est alimenté à partir d'une source de courant alternatif La Figure 1 montre le schéma du dispositif pour l'alimentation par caténaire soit en courant continu, soit en courant monophasé, d'un moteur de traction M à courant continu monté en série avec son inductance de lissage Ld, le moteur M pouvant être du type à excitation série ou à excitation paral- lèle. Le dispositif comporte un transformateur de puissance TR alimenté en courant monophasé, par exemple 25 kV ou 50 kV, 50 Hz ou 60 Hz, et dont le secondaire est relié par l'intermédiaire de l'inverseur commandé I au filtre de tête LC, la position en pointillés de l'interrupteur I repré- sentant l'alimentation du moteur M en courant continu par exemple 1 500 ou 3 000 Volts (le transformateur de puissance TR est alors isolé du filtre de tête LC). Un dispositif de conversion CV à éléments semi-conducteurs unidirectionnels de puissance formant interrupteur Il, 12, 13, I4 est connecté entre le filtre LC et les bornes de sortie A et B auxquelles est reliée la charge formée par l'inductance Ld et le moteur M. On reconnaîtra facilement que la configuration générale du dispositif de conversion CV est celle d'un pont redresseur à quatre branches dont chacune comporte au moins un élément semi-conducteur. Ainsi, dans le cas o tous les éléments semi-conducteurs Il à 14 sont des thyristors de puissance, les éléments semi-conducteurs Il et 12 forment les deux branches supérieures - 4- du pont avec l'anode de 11 et la cathode de 12 reliées à la jonction commune de L et C du filtre et leur cathode et anode respectivement reliées aux bornes A et B, tandis que les éléments semi-conducteurs 13 et 14 consti- tuent les branches inférieures du pont avec la cathode de I3 et l'anode de 14 reliées respectivement aux bornes A et B et l'anode de 13 et la cathode de 14 reliées à la jonction commune du condensateur C et de la borne du secondaire du transformateur TR. La Figure 2 illustre le fonctionnement du dispositif lorsqu'il est alimenté en courant continu. Lorsque le moteur M fonctionne en traction, le dispositif de conversion CV est équivalent à un hacheur dont l'interrupteur 11 constitue le semicon- ducteur principal permettant de moduler la puissance débitée par la source. Ainsi, l'état passant ou bloqué de l'élément semi-conducteur 11 est commandé de façon appropriée par une logique de commande (non représentée) , les éléments semi-conducteur 13 et I4 étant toujours en étant passant tandis que l'élément semi-conducteur I2 est bloqué en permanence. Les éléments semi-conducteurs 13 et I4 -se comportent donc comme des diodes et les éléments semi-conducteurs I3 et 14 servent de diodes de roue libre ou de déversement. Ainsi, lorsque l'élément semi-conducteur Il est conducteur, le courant O10 du moteur est fourni par la source à travers l'élément semi-conducteur Il et lorsque celui-ci est bloqué, le courant du moteur se referme à travers les éléments semi-conducteurs 13 et 14 formant diodes de roue libre jusqu'au réamorçage de Il. I1 est à noter que le changement d'état de l'élément semi-conducteur Il comme il ressort du fonctionnement ci-dessus, doit être commandé. Selon l'invention, cet élément Il est un thyristor à désamor- çage commandé par gachette. La charge M fonctionne en générateur, il est possible de récupérer l'énergie en commandant les éléments semi-conducteurs de telle façon que l'élément semi-conducteur Il soit bloqué en permanence, les éléments semiconducteurs 12 et 13 soient en état passant en permanence et l'élément semi-conducteur 14 alternativement passant ou bloqué (14 doit alors être un thyristor à désa- morçage commandé par gâchette). Par une telle commande, on a donc inversé les polarités aux bornes Aet B lorsque le moteur est devenu générateur. La Figure 3 illustre le fonctionnement du dispositif lorsqu'il est alimenté à partir d'une source de courant alternatif à partir du secon- daire du tranformateur de puissance TR, les éléments I3 et 14 étant alors équivalents à des diodes. -5- La source alternative fournit un courant 10 à la charge lorsque les thyristors formant interrupteurs Il ou 12 du circuit de la figure 3 conduisent; en dehors de ces instants les éléments 13 et 14 assurent le passage du courant. Lorsque la charge fonctionne en générateur, c'est-à-dire lorsque l'on récu- père l'énergie, le courant s'écoule dans le dispositif de conversion dans le même sens que lorsque la charge fonctionne en moteur, mais par contre, la tension aux bornes du moteur est inversée. Le dispositif de conversion fonctionne alors en onduleur de façon classique. Il est préférable, bien sûr, pour utiliser le dispositif de conversion CV dans le cas présent, de le commander de manière à ce que la source alternative délivre un courant alternatif dont la fondamentale est en phase avec la fondamentale de la tension. Il est bien entendu que le dispositif de conversion CV peut être commandé par la logique de commande comme un pont redresseur tout thyristor clas- sique. Il est à noter que le dispositif de conversion CV peut fonctionner en pont mixte, en traction ou en pont tout thyristor pour le freinage par récupéra- tion. Par ailleurs, il faut remarquer que si l'on désire que le dispositif d'alimen- tation puisse fonctionner dans tous les modes précités au moins trois des interrupteurs du dispositif de conversion CV sont des éléments dont tout changement d'état peut être commandé directement, le quatrième pouvant être du type à amorçage commandé et désamorçage naturel. Il est bien entendu que le dispositif selon l'invention permet non seulement d'alimenter des moteurs à courant continu mais également des moteurs synchrones auto-pilotés, des moteurs asynchrones alimentés par onduleur de courant à commutation forcée et des moteurs asynchrones dont la com- mutation est faite directement par le dispositif de conversion CV. On a donc décrit selon l'invention un dispositif permettant l'alimentation d'une charge que l'on soit en alternatif ou en continu et ce sans aucune modification de son schéma électrique. De plus, un tel dispositif présente un excellent facteur de puissance. Il trouve une application en matière ferroviaire dans l'équipement élec- trique des locomotives du type bi-courant. -6- REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation d'une charge telle qu'un moteur à courant continu, moteur synchrone autopiloté, moteur asynchrone, soit à partir d'une source à courant continu, soit à partir d'une source à courant alternatif, caractérisé en ce qu'il comprend un seul dispositif de conversion (CV) comprenant quatre éléments semi-conducteurs unidirectionnels (I1-14) montés en pont dont au moins deux sont constitués par des éléments dont tout changement d'état peut être commandé directement par une logique de commande permettant le fonctionnement du dispositif de conversion (CV) soit en mode hacheur lorsque le dispositif est alimenté en courant continu, soit en mode redresseur lorsqu'il est alimenté en courant alternatif lorsque la charge fonctionne en récepteur, soit en onduleur pour assurer la récupération d'énergie lorsque la charge fonc- tionne en générateur. 2. Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que les dits éléments dont tout changement d'état peut être commandé directement, sont choisis parmi les thyristors à désamorçage commandé par gâchette dites "GTD", et les transistors à porte isolée dits "IGT". 3. Dispositif selon la revendication I ou 2 caractérisé en ce que dans le mode de fonctionnement en hacheur du dispositif de conversion (CV) précité, l'élément semi-conducteur (Il) de l'une des branches du pont et formant interrupteur du hacheur est un élément dont tout changement d'état peut être commandé directement tandis que les deux éléments semiconducteurs (13, I4) du pont, montés en parallèle à la charge (M) précitée, font office de diodes en permanence, de manière à constituer des diodes de roue libre, le quatrième élément semi-conducteur (12) étant bloqué en permanence. 4. Dispositif selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu'en mode de fonctionnement en redresseur du circuit de conversion (CV) précité, les deux éléments semi-conducteurs (11-12) du pont précité changent d'état alternativement et successivement tandis que les deux autres éléments semi-conducteurs (I3 et I4) sont passants en permanence de manière que la source alternative délivre un courant alternatif dont la composante fondamentale soit en phase avec la composante fondamen- tale de la tension alternative d'alimentation. -7 - - 7- 2556521 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce aue lorsque la charge fonctionne en générateur, les éléments semiconducteurs (12) et (13) du pont précité sont passants en permanence, l'élément semi-conducteur (I1) du pont étant bloqué en permanence tandis que le quatrième élément semi-conducteur (14) est un élément dont tout changement d'état peut être commandé directement. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits au moins trois éléments semi-conducteurs (I1, I2, I3) précités sont des thyristors à désamorçage commandé par gâchette, le quatrième élément semi-conducteur (14) étant à amorçage commandé et désamorçage naturel. 7. Dispositif d'alimentation d'un moteur électrique de traction pour locomo- tive ferroviaire du type bi-courant, à partir d'une source, soit à courant continu, soit à courant alternatif, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: - un transformateur (TR) dont le Drimaire est relié à ladite source lors- que celle-ci est du type à courant alternatif, une inductance (L) et un condensateur (C) étant disposés en série entre les bornes du secon- daire dudit transformateur par l'intermédiaire d'un inverseur (I) connecté de manière à relier ladite inductance (L) et ledit condensateur (C) soit au secondaire dudit transformateur lorsque ladite source est du type à courant alternatif soit directement à ladite source lorsque celle-ci est du type à courant continu tout en déconnectant ledit secon- daire du circuit dans ce dernier cas, et - entre les bornes dudit condensateur (C) un pont constitué de quatre éléments semi-conducteurs unidirectionnels formant interrupteurs, trois d'entre eux (I1-I3) au moins étant constitués par des éléments dont tout changement d'état peut être commandé directement tandis que le quatrième (14) peut être à armorçage commandé et désamor- çage naturel, ledit moteur (M) étant connecté à la sortie dudit pont éventuellement en série avec une inductance de lissage (L1). $. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que lesdits éléments semi-conducteurs unidirectionnels formant interrupteur dont tout change- mnent d'état peut être commandé directement sont choisis parmi les thyristors à désamorçage cormmandé oar gâchette dits "GTO", et les transistors à porte isolée dits "IGT".