Brevet FR2572601A1 — publié le 19860502

L'invention est relative à un procédé de conversion d'une énergie électrique disponible en une énergie électrique de carac éristiques définies, réglables ainsi qu'à un dispositif mettant en oeuvre le procédé. Plus précisément, l'invention propose un procédé ec un dispositif réversible de conversion d'une énergie électrique disponible en une autre énergie électrique destinée à alimenter une charge présentant une nature selfique et notamment mais non exclusIvement un moteur électrique. On connaît déjà de nombreux dispositifs convertisseurs qui sont utilisés pour qu'une énergie électrique d'entrée définie par exemple par sa tension, son intensité, sa fréquence, son nombre de phases soit adaptée à une charge donnée, présentant en particulier des régimes transitoires de fonctionnement. Cependant, d'une manière générale, ces dispositifs sont spécifiques à la charge qu'ils alimentent Ainsi, à titre d'exemple, on peut citer comme dispositif de conversion des ponts redresseurs ou des hacheurs, pour des machines à courant continu, des onduleurs en tension ou en courant, éventuellement pourvus, pour des machines à courant alternatif, d'une modulation à largeur d'impulsions dite "M.L.I". On connait également un dispositif connu sous le nom de cyclo-convertîsseur qui permet de réaliser à partir d'un réseau alternatif une conversion à fréquence variable, qui convient pour des moteurs synchrones ou asynchrones, mais qui est d'une mise en oeuvre complexe et qui est surtout adaptée pour des basses fréquences. On peut citer également des convertisseurs pour machines synchrones, auto-pilotées en courant et plus simplement des gradateurs de tension qui sont notamment utilisés pour des moteurs monophasés. Outre leur irréversibilité, ces dispositifs présentent I'inconvénlent, ou bien de réaliser une conversion d'énergie avec un rendement médiocre, ou bien de réaliser cette conversion d'énergie selon un critère particulier et, par exemple, pour un moteur synchrone, une loi fréquence-tension pratiquement constante. Par ailleurs, il faut souligner que les dispositifs exis tants qui mettent; en oeuvre une modulation de largeur d'impulsions, manquent de souplesse dans la mesure où cette modulation est figée, car elle est obtenue généralement par comparaison de deux tensions parfaitement définies, par exemple une tension alternative et une tension triangulaire ou bien une tension rectangulaire. L'arrivée sur le marché de composants électroniques présentant des caractéristiques de vitesse de commutation et de puissance dissipée très poussées, ainsi que la possibilité de définir par programmation une stratégie de commande des impulsions, permettent à l'invention de proposer un procédé et un dispositif de conversion qui remédient à ces inconvénients et qui s'adaptent avantageusement à tout type de charge, pourvu qu'elle présente cependant une composante selfique et à tout type de tension d'entrée. C'est ainsi que l'invention permet de réaliser indifférem- ment une modulation en tension, en courant, en fréquence, selon la nature de la charge, elle permet également une réversibilité de la conversion, c'est à dire notamment la récupération d'énergie électrique lors du freinage d'un moteur. Le procédé de conversion statique d'une énergie électrique disponible selon l'invention, est caractérisé par le fait que - on relie chaque phase d'entrée à chaque connecteur d'alimentation de la charge par un interrupteur bidirectionnel, - on définit une forme d'onde à partir d'au moins l'une des grandeurs, tension, courant ou fréquence, à appliquer à la charge, - on détermine d'après la forme d'onde désirée, une stratégie de commande des interrupteurs bidirectionnels, pour chaque phase d'alimentation de la charge, consistant à sélectionner périodiquement d'après les tensions instantanées des différentes phases d'entrée deux commutateurs reliés à un connecteur -différent d'alimentation de la charge et, à commander cycliquement au moins l'un d'entre eux en faisant varier son rapport cyclique ouverture/fermeture, - on met en oeuvre la dite stratégie de commande des interrupteurs bidirectionnels. L'invention concerne également un dispositif convertisseur statique pour la mise en oeuvre du procédé qui est caractérisé par le fait qu'il comprend pour chaque phase d'alimentation de a charge - une pluralité de commutateurs bidirectionnels relias chaque phase d'entrée à chaque connecteur d'alimentation de la charge, - des moyens pour définir la forme d'onde désirée, selon l'une des grandeurs tension, courant, fréquence et pour mettre en oeuvre une stratégie de commande des interrupteurs bidirectionnels d'après la forme d'onde désirée pour chaque phase d'alimentation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après faite, à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin ci-annexé, qui représente schématiquement - figure 1: une illustration du procédé selon l'invention, dans le cas non limitatif où l'entrée est un réseau triphasé, - figures 2A, 2B, 2C : des formes d'ondes de courant obtenues par la mise en oeuvre du procédé de l'invention, à partir de la tension triphasée qui nsest représentée en surcharge qu'en figure 2A, - figure 3: une illustration du procédé de l'invention dans le cas non limitatif où le réseau d'entrée et la charge sont triphasés, - figure 4: une représentation d'un commutateur bidirectionnel dans un mode non limitatif de mise en oeuvre de l'inven- tion. Dans le but de faciliter la compréhension de l'invention, on suppose que l'énergie électrique à convertir se trouve sous forme d'un réseau classique alternatif triphasé (figure 2A). Ceci, cependant n'est pas limitatif, et tel que cela ressortira d'une manière évidente, le procédé- et le dispositif de l'invention s'appliquent à tout type de réseaud"entrée, continu, alternatif, monophasé, multiphasé Dans la figure 1, on a schématisé le réseau d'entrée triphasé 1, sous forme de trois lignes électriques 2, 3, 4. Ce réseau d'entrée est destiné, par l'intermédiaire du dispositif de conversion, à alimenter dans le cas de la figure 1 une charge 5 que l'on suppose monophasée, c'est à dire présentant deux connecteurs d'alimentation 6, 7. Selon une caractéristique de l'invention, on relie ---chaque phase 2, 3, 4 du réseau 1 à au moins l'un et de préférence à chacun des connecteurs 6, 7 d'entrée de la charge 5 au moyen d'un commutateur bidirectionnel 11 à 16. Ces commutateurs sont de tout type approprié, tel qu'électromécaniques, comme par exemple des relais, ou de préférence électroniques comme par exemple des thyristors montés tete-bêche, ou des dispositifs qui seront décrits ultérieurement. Les commutateurs 11 à 16 sont pourvus chacun d'une commande C1 à C6. Ces commandes sont pilotées par des moyens appropriés et avantageusement par des moyens informatiques schématisés en 17 dans la figure 1 qui sont synchronisés sur la fréquence du réseau par exemple par une ligne 32. Selon l'invention, on définit dans un premier temps une forme d'onde de courant, ou de tension à appliquer à la charge, qui dépend essentiellement de sa nature et du travail qu'elle doit fournir. A titre d'exemple, en figure 2A, on a représenté en trait fort une forme d'onde en courant 18 superposée aux trois courbes 02,. 3, 04 représentant les tensions triphasées du réseau 1. La forme d'onde 18 est de toute nature appropriée. Elle dépend de la charge, et de paramètres qui lui sont spécifiques. A partir de la forme d'onde 18, on définit une stratégie de commande des interrupteurs bidirectionnels 11 à 16, consistant à sélectionner de manière cyclique les interrupteurs reliés à au moins l'un et de préférence à chacun des connecteurs 6, 7 de la charge 5, et à faire varier son rapport cyclique de fonctionnement fermeture/ouverture. De préférence, les moyens informatiques 17 prélèvent les valeurs instantanées des tensions des trois phases du réseau triphasé 1. Par exemple, à chaque instant, ou plus exactement durant des intervalles de temps courts, les moyens inf orma ti qu es 17 sélectionnent la phase présentant la tension positive ou la tension négative la plus proche de celle souhaitée. i?s sélec ìonnent pour cela au oins un ;.nterrupteur b:d.- rec;;onnei capable de relier ces phases -. chacun des connec eurs 6, 7 de la charge s. Ainsi, en se référant à a figure 2A, on voit qu'à tout mo;nent, on peut prélever une tension maximum ou minimum. Durant -l'intervalle de temps A, la tension maximum se situe sur la courbe 02, la tension minimum sur 3a courbe 03. Durant l'in ervalle B le maximum se situe toujours sur la courbe 0, 2 mais le minimum se situe sur la courbe 04. Sur l'intervalle C, le maximum change et passe sur la courbe 02, etc Ainsi, pendant l'intervalle A, les moyens peuvent sélec tonner les deux interrupteurs qui relient les phases correspondant aux courbes 02, 3 à chacun des connecteurs 6, 7 de la charge 5, par exemple, les interrupteurs 11, 15. En outre, durant cet intervalle A, l'un au moins des deux interrupteurs 11, 15 peut être commandé d'une manière périodique, avec une variation de son cycle de fonctionnement fermeture/ouverture. Ceci est schématisé dans la figure 2B, où l'intervalle de fermeture croit et l'intervalle d'ouverture décroit durant l'intervalle de temps A, ainsi d'ailleurs que durant l'intervalle de temps B. Etant donné que la charge présente une nature selfique, le courant a tendance à croître durant la fermeture des interrupteurs et à décroître lors de leur ouverture. On obtient ainsi une forme d'onde de courant 19 qui est une ligne brisée qui suit globalement la forme d'onde 18 définie au départ. il faut souligner que les variations de la forme d'onde 19 suivent approximativement, au déphasage près, les variations du rapport cyclique de hachage et donc de battement des interrupteurs. De préférence, la fréquence de hachage est un multiple de la fréquence de base des tensions, par exemple, douze fois la fréquence de base dans le cas de la figure 2B. La figure 2C représente une variante selon laquelle la fréquence de hachage double et passe à quarante huit fois la fréquence de base envoyée aux moyen; ar--'-- rues 17 ,oar une ligne de synchronisation 32. Tel que cela est visible dans la figure 2C, la définition de la forme d'onde 19 est plus fine. Ainsi, dans les exemples ci-dessus, on a décrit en référence aux figures 2B, 2C, différentes manières de construire une onde d'une certaine forme mais il est évident qu'à partir des mêmes lignes d'alimentation, on peut réaliser autant d'ondes que nécessaire, correctement déphasées les unes par rapport aux autres en fonctIon des besoins de la charge. En figure 3, on a représenté une charge 20 qui possède trois enroulements et par exemple un moteur triphasé. Selon le procédé de l'invention, chaque phase de la charge 20 est alimentée par un ensemble de commutateurs bidirectionnels, respectivement 21, 22, 23, qui est constitué de six commutateurs dans une disposition semblable à celle de la figure 1. Ces trois ensembles 21, 22, 23 sont pourvus de commandes K1, K2, K3 pilotés à partir de moyens informatiques 17 qui envoient des signaux complexes qui contiennent respectivement les commandes des différentes interrupteurs compris dans ces ensembles. L'invention s'applique d'une manière évidente à tout autre type de tension, et notamment des tensions monophasées, biphasées, même des tensions continues. Il en est de même pour les charges qui peuvent être monophasées, biphasées, triphasées Il est cependant nécessaire que la charge présente une nature selfique. La figure 4 représente un interrupteur bidirectionnel selon l'invention qui constitue par exemple l'un des interrupteurs 11 à 16. Cet interrupteur est réversible mais pour faciliter sa description on a choisi une entrée "e" et une sortie "s". Entre l'entrée "e" et la sortie "s" est situé un pont 25 de diodes 26 à 29, dans lequel les diodes 26, 27 connectées à l'enivrée "e" sont en opposition ainsi que les diodes 28, 29 connectées à la sortie "s" et les diodes 26, 29 d'une part, 27, 28 d'autre part sont placées en parallèle. L'entrée "e" et la sortie "s" sont connectées à deux sommets diagonalement opposés du pont et un dispositif semi-conducteur unidirectionnel 30 pourvu d'une gachette de commande 31 relie les deux autres sommets. Ce dispositif est par exemple un transistor, dont le collecteur et l'émetteur sont connectés au pont de diodes selon la diagonale, et dont la base est reliée aux moyens informatiques 17, éventuellement par des moyens intermédiaires par exemple optiques. Naturellement, le transistor est relié au pont de diodes en tenant compte de sa polarité. En se référant à la figure 4, le courant peut passer de l'entrée ''e'l vers la sortie "s" en traversant la diode 26, le transistor 30 puis la diode 29. Inversement, il peut passer de la sortie "s" vers l'entrée "e" en traversant la diode 28, le transistor puis la diode 25. Ainsi, de tels interrupteurs bidirectionnels autorisent la récupération d'énergie. Par exemple, dans le cas du freinage d'un moteur, l'énergie que le moteur restitue peut être récupérée au niveau du réseau. Naturellement, la présente description n'est donnée qu'à titre indicatif, et l'on pourrait adopter d'autres mises en oeuvre de l'invention sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. Ainsi, dans le cas d'un réseau polyphasé avec retour par le neutre, le procédé de conversion peut être mis en.oeuvre reliant uniquement un côté de la charge aux différentes phases au moyen des interrupteurs bidirectionnels l'autre côté de la charge étant relié directement au neutre. La forme d'onde désirée est alors obtenue par la commande sélective des interrupteurs, c'est-à-dire par la sélection à chaque instant de celui des interrupteurs qu convient et par la commande de son battement avec variation du rapport cyclique. Plus généralement, le procédé permet de convertir une énergie électrique d'entrée en une énergie définie de sortie en reliant de manière séquentielle chaque connecteur véhiculant l'énergie électriques des différentes phases d'entrée, au moyen d'interrupteurs que l'on fait battre et dont on fait varier le rapport cyclique de battement. REVENDICATIOtJS 1. Procédé de conversion statique dlune énergie électrique disponible sur plusieurs connecteurs d'entrée (2, 3, 4) en une autre énergie électrique définie par sa tension, le cas échéant par sa fréquence, son nombre de phases et destinée à être raccordées aux connecteurs (6, 7) d'une charge (5), CARACTERISE en ce que, par des interrupteurs bidirectionnels (11 à 16), on relie successivement de manière séquentielle, au moins l'un des connecteurs relié à la charge à chacunes des phases d'entrée. 2. Procédé selon la revendication 1, destiné à alimenter d'une manière réversible, une charge (5, 20) présentant une composante selfique, caractérisé par le fait que - on définit une forme d'onde (19) à appliquer à la charge (5), - on détermine d'après la forme d'onde (19) désirée une stratégie de commande des interrupteurs bidirectionnels (11 à 16), consistant, pour chaque connecteur d'alimentation de la charge (5), à sélectionner périodiquement d'après les tensions instantanées des différentes phases d'entrée, chacun des commutateurs reliés à ce connecteur (6, 7) d'alimentation de la charge (5) pour les commander cycliquement, - on met en oeuvre la dite stratégie de commande des interrupteurs bidirectionnels. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'on fait varier le rapport cyclique fermeture/ouverture des commutateurs . 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que l'on sélectionne les phases présentant les valeurs instantanées de tension les plus élevées en valeur respectivement positive et négative. 5. Dispositif convertisseur statique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait qu' il comprend pour chaque connecteur (6,7) d'alimentation de la charge (5, 20) une pluralité de commutateurs bidirectionnels le reliant à chaque phase d'entrée (2, 3, 4) 6. Dispositif selon la revendication 5 -ar en ce qu'il comprend des moyens (17) pour définir une forme 'Onde (19) désirée et pour mettre en oeuvre une stratégie de commande des interrupteurs (11 à 16) d'après la dite forme d'onde désirée. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6 caractérisé par le fait que au moins l'un des commutateurs bidirectionnels est constitué par un pont de diodes dans lequel l'entrée et la sortie sont connectées à deux sommets diagonalement opposés tandis qu'un dispositif semi-conducteur bidirectionnel 30 à gachette de commande 31 relie ses deux autres sommets.