Brevet FR2563064A1 — publié le 19851018

La pressente invention ce rapporte à un circuit onduleur. Pour convertir une tenson continue en une tension alternative, on utilise un conertisseur de tension genéra- lement appelé "onduleur". Un tel eonvertisseur comporte essentiellement un circuit oscillant dont ait partie l'enroulement primaire d'un transrormateur aux bornes du seconda duquel on recueille la tension alternative désirée. Le volume de ce transformateu est fonction de la puissance que l'on désire obtenir et, tant que cette puissance n-est pas trop élevée, par exemple quelques dizaines ou centaines de V.A., l'encombrement du transformateur, et donc son prix de revient, restent dans des limites raisonnables.Mais dès que cette puissance atteint plusieurs k.V.A., l'encombrement, le poids et le prix de revient du transformateur deviennent prohibitifs. La présente invention a pour but d'apporter un circuit onduleur du type précité dont l'élément inductif du circuit oscillant soit beaucoup moins volumineux que celui des onduleurs connus, cet élément inductif devant être très simple à réaliser. La présente invention a également pour objet un tei onduleur dont la consor"mat,an vis-à-vis de la source de tension continue soit nulle iorsqu'aucune charge n'est branchée à sa sortie alternative, cet onduleur démarrant quasi instantanément, et à coup sûr dès qu'une charge est branchée à sa sortie. Le circuit onduleur conforme à la présente invention comporte, en tant qu'élément inductif de son circuit oscillant, un auto-transformateur à circuit magnétique saturé, cet autotransformateur étant réalisé par bobinage simultané de ses deux enroulements sur le même mandrin. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé dont la figure unique ect un schéma détaillé de ce mode de réalisation. L'onduleur dont le schéma est représenté sur la figure unique convient pour alimenter en tension alternative des charges absorbant des puissances de plusieurs k.V.A. ou dizaines de k.V.A. à partir d'une source de tension continue telle qu'une batterie d'accumulateurs. L'onduleur comporte deux bornes d'entrée 1,2 respectivement reliées aux bornes positive et négative de la source de tension continue (non représentée). La tension de sortie de l'onduleur apparaît sur les bornes 3 et 4. La borne 1 est reliée à la prise intermédiaire 5 d'un autotransformateur 6. Cet autotransformateur 6 est réalisé à la manière d'une inductance : sur un mandrin approprié, on bobine simultanément deux fils conducteurs isolés, dont le début de l'un et la fin de l'autre sont reliés ensemble pour former ladite prise intermédiaire. On remarquera que, tout au moins dans la partie de bobinage dans laquelle les deux fils conducteurs sont bobinés ensemble, il n'y a pas lieu de prévoir d'isolation poussée des conducteurs entre eux, étant donné que la différence de potentiel entre les deux conducteurs en un même endroit est la moitié de la tension alternative de sortie. Une fois le bobinage terminé, on dispose le mandrin bobiné sur un circuit magnétique ordinaire, par exemple formé de tôles en "E" et en "I". Le mandrin est enfilé sur la branche centrale du paquet de tôles en "E", et on referme le circuit magnétique avec un paquet de tôles en "I", en ménageant un entrefer permettant la saturation du circuit magnétique même pour de faibles valeurs de courant dans la charge. Par exemple, dans le cas d'une charge consommant environ 2 k.V.A., l'entrefer aura une épaisseur d'environ 1,5 mm. Pour garantir la dimension de cet entrefer, on le détermine à l'aide d'une lamelle en matériau amagnétique, par exemple du presspahn, que l'on coince entre les deux paquets de tôles précités. L'ensemble est fixé de façon classique à l'aide d'un étrier.On remarquera que les tôles en "E" et en "I" du circuit magnétique n'ont pas besoin d'être imbriquées, du fait que l'on ménage un fort entrefer, ce qui simplifie d'autant la fabrication de l'autotransformateur. Les extrémités de l'autotransformateur sont référencées 7 et 8 respectivement. L'extrémité 7 est reliée à l'anode d'un premier thyristor de puissance 9 dont la cathode est reliée à la cathode d'un second thyristor de puissance 10. L'anode du thyristor 10 est reliée à l'extrémité 8 de l'inductance 6. Les cathodes des thyristors 9 et 10 sont reliées à la borne 2 via une inductance d'arrêt haute fréquence 11, en série avec un premier contact 12 normalement ouvert faisant partie d'un relais 13. L'anode du thyristor 9 est reliée à la borne 3 via un contact 14 normalement ouvert du relais 13. Le point commun de l'inductance il et du contact 12 est relié à la borne 2 via une résistance 15 en série avec un contact 16 normalement ouvert et faisant partie d'un relais 17. La prise 5 de l'autotransformateur 6 est reliée à l'anode d'un thyristor 18 dont la cathode est reliée à la borne 2 via un circuit série comportant respectivement un contact 19, normalement fermé, du relais 13, la bobine 20 du relais 17 et un contact 21, normalement fermé, du relais 17. L'électrode de commande du thyristor 18 est reliée à la borne 3 via une résistance 22. Un condensateur 23 est relié aux extrémités 7 et 8 de l'inductance 6. L'extrémité 8 est reliée à la borne 4 via un pont de diodes de puissance 24 prévu pour supporter un courant au moins égal au courant maximal absorbé par la charge branchée en 3 et 4, les bornes 4 et 8 étant, bien entendu, reliées aux bornes d'entrée (diagonale d'entrée) de courant alternatif de ce pont. L'autre diagonale du pont 24 est court-circuitée. Un circuit série comportant une résistance 25 et une résistance 26 est relié aux bornes d'entrée du pont 24. Le point commun des résistances 25 et 26 est relié à l'électrode de commande d'un triac 27 dont une des anodes est reliée à la borne 8 et l'autre à la borne 7 via la bobine d'excitation 28 du relais 13. Un contact 29, normalement ouvert, du relais 17 est branché en parallèle sur le triac 27. On va maintenant décrire le circuit de commande des thyristors 9 et 10, représenté dans la partie supérieure du dessin. Ce circuit de commande comporte un premier transformateur 30, de faible puissance, par exemple quelques V.A., dont l'enroulement primaire est relié aux bornes 7 et 8. L'enroulement secondaire du transformateur 30 a un point milieu, et ses extrémités sont reliées, l'une directement, et l'autre par un condensateur 31, aux bornes d'entrée d'un pont redresseur 32. -La sortie positive du pont 32 est reliée au collecteur d'un transistor NPN 33 dont l'émetteur est relié à la sortie négative du pont 32. Le collecteur du transistor 33 est relié à sa base par un condensateur 34, en série avec une résistance 35. Ce circuit de commande comporte un second transformateur 36, sensiblement de même puissance que le premier, mais sans point milieu dans son enroulement secondaire. Le primaire du transformateur 36 est également relié aux bornes 7 et 8. Son secondaire est relié aux bornes d'entrée d'un pont redresseur 37. Les bornes de sortie du pont 37 sont reliées aux extrémités d'un potentiomètre 38 découplé par un condensateur 39. Le curseur du potentiomètre 38 est relié à l'émetteur du transistor 33, et l'extrémité du potentiomètre, qui est reliée à la sortie positive du pont 37, est également reliée à la base du transistor 33. Le point milieu de l'enroulement secondaire du transformateur 30 est relié par une résistance 40 à la base d'un transistor NPN 41. Le point commun du condensateur 31 et d'une des bornes d'entrée du pont 32 est relié à l'anode d'une diode 42 dont la cathode est reliée par une résistance 43 à la base d'un transistor 44. Les émetteurs des transistors 41 et 44 sont reliés ensemble, ainsi qu'à une borne 45 qui est elle-même reliée aux cathodes des thyristors 9 et 10. Le collecteur du transistor 41 est relié à l'émetteur d'un transistor unijonction 46, tandis que le collecteur du transistor 44 est relié à l'émetteur d'un transistor unijonction 47. Le collecteur du transistor 41 est également relié par une résistance 48 à une borne 49, et il est relié par un condensateur 30 à la borne 45. Le collecteur du transistor 44 est également relié par une résistance 51 à la borne 49, et il est relié par un condensateur 52 à la borne 45. La borne 49 est reliée à la cathode d'une diode Zener 53 dont l'anode est reliée à la borne 45. La première base du transistor 46 est reliée par une résistance 54 à la borne 49, et sa seconde base est reliée par une résistance 55 à la borne 45. La première base de transistor 47 est reliée par une résistance 56 à la borne 49, et sa seconde base est reliée par une résistance 57 à la borne 45. La borne 49 est reliée par une résistance 58 à la borne 1. La deuxième base du transistor 46 est reliée directement à l'électrode de commande du thyristor 10, et la deuxième base du transistor 47 est reliée directement à l'électrode de commande du thyristor 9. On va maintenant expliquer le fonctionnement de l'onduleur décrit ci-dessus, d'abord sans parler de son circuit de commande, dont le fonctionnement est connu en soi, et dont on n'expliquera ensuite que les particularités. L'onduleur de l'invention est constamment branché sur sa source d'alimentation (bornes 1 et 2) car, en l'absence de charge utilisatrice, il ne consomme pas de courant, le contact 12, en particulier, étant ouvert du fait que la bobine d'excitation 28 n'est pas alimentée et que ce contact 12 est normalement ouvert, et d'autre part, bien que les contacts 19 et 21 soient fermés (normalement fermés), aucun courant ne passe par la bobine 20 du fait que le thyristor cst désamorcé. Dès qu'une charge est branchée aux bornes 3 et 4, l'électrode de commande du thyristor 18 est amenée, via la resistance 22 et cette charge, via le pont 24 et une partie de l'autotransformateur 6, au potentiel de son anode, ce qui amorce ce thyristor (en l'absence de charge). Dès que le thyristor 18 devient conducteur, un faible courant continu peut circuler de la borne 1 vers la borne 2 en passant par ce thyristor 18 et par la bobine 20 du relais 17 qui bascule alors. Le basculement du relais 17 ferme les contacts 16 et 29 et ouvre le contact 21. La fermeture du contact 16 fait circuler un courant un peu plus important entre les bornes 1 et 2, ce courant alimentant en particulier l'autotransformateur 6 et l'inductance d'arrêt 11. Ainsi le circuit oscillant constitué par le condensateur 23 en parallèle sur l'autotransformateur 6 est alimenté et se met à osciller, et les thyristors 9 et 10 sont alternativement conducteurs au rythme des oscillations de ce circuit oscillant. La tension alternative apparaissant aux bornes du condensateur 23 excite la bobine 28 du relais 13 qui bascule.Le basculement du relais 13 ferme les contacts 12 et 14 et ouvre le contact 19. La fermeture du contact 12 fait brusquement augmenter le courant débité par la source d'alimentation continue, et l'onduleur peut alors fonctionner à pleine puissance, la charge étant alors branchée aux bornes 7 et 8 puisque le contact 14 est fermé. L'ouverture du contact 19 desexcite la bobine 20 du relais 17 qui revient à sa position d'origine (contact 21 fermé et contact 16 et 29 ouverts). La légère chute de tension (environ 1,2 V) aux bornes d'entrée du ' pont 24 suffit à amorcer le triac 27 et à le maintenir amorcé. La bobine 28 est donc toujours excitée malgré l'ouverture du contact 29. Dès que l'on débranche la charge utilisatrice, pratiquement aucun courant ne circule dans le pont 24, ce qui fait que la chute de tension à ses bornes d'entrée devient pratiquement nulle. Le triac 27 se désamorce alors, et la bobine 28 n'est plus excitée, ce qui fait basculer le relais 13, en provoquant l'ouverture des contacts 12 et 14 et la fermeture du contact 19. L'ouverture du contact 12 isole la source d'alimentation continue de l'onduleur, le thyristor 18 étant désamorcé, comme expliqué ci-dessus. L'autotransformateur 6 peut être dimensionné pour une puissance environ 4 fois inférieure à celle d'un transformateur classique utilisé dans les mêmes conditions : si l'on devait par exemple utiliser dans un onduleur un transformateur prévu potier alimenter la charge avec une puissance maximale de 4 k.V.A., l'onduleur conforme à l'invention et alimentant la même charge aurait un autotransformateur dimensionne comme s'il n'avait à supporter qu'une puissance d'utilisation de 1 k.V.A. Dans le circuit de commande décrit ci-dessus, le transistor 33 se comporte comme une résistance variable lorsque l'on déplace le curseur du potentiomètre 38, faisant varier ainsi sa tension base-émetteur. La résistance variable constituée par le trajet collecteur-émetteur du transistor 33 se trouve en série avec le condensateur 31, ce qui permet d'avoir au secondaire du transformateur 30 un circuit déphaseur (à résistance et condensateur) à déphasage variable. Ainsi, en faisant varier la position du curseur du potentiomètre 38, on fait varier le déphasage de la tension envoyée aux bases des transistors 41 et 44 (et redressée par la diode 42) par rapport à la tension aux bornes 3 et 4 de l'onduleur. On peut faire varier l'angle de conduction des thyristors 10 et 9 commandés de façon classique par les transistors 46 et 47, euxrmêmes commandés par les transistors 41 et 44, respectivement. Le circuit de commande peut également comporter des moyens, bien connus en soi, et non représentés, forçant, au démarrage, l'un des transistors 46 ou 47 à conduire et bloquant l'autre, ce qui évite tout court-circuit éventuel de l'autotransformateur au démarrage par conduction simultanée des deux thyristors 9 et 10. REVENDICATIONS 1 - Circuit onduleur, caractérisé par le fait qu'il comporte, en tant qu'élément inductif de son circuit oscillant, un autotransformateur (6) à circuit magnétique saturé, cet autotransformateur étant réalisé par bobinage simultané de ses deux enroulements sur le même mandrin. 2 - Circuit onduleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit magnétique de l'autotransformateur se compose de paquets de tôles en "E" et en "I" non imbriquées. 3 - Circuit onduleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'autotransformateur est dimensionné pour une puissance environ quatre fois inférieure à celle d'un transformateur classique utilisé dans les mêmes conditions. 4 - Circuit onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, et comportant un relais de coupure (13) de sa tension d'alimentation continue, caractérisé par le fait que la bobine d'excitation (28) de ce relais est alimentée par la tension alternative de sortie de onduleur via un triac (27) dont la tension d'amorçage est produite par la chute de tension aux bornes d'entrée d'un pont redresseur de puissance (27) disposé en série avec la charge alternative, les bornes de sortie de ce pont étant court-circuitées. 5 - Circuit onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte, entre ses bornes d'entrée (1,2), un thyristor (18) en série avec la bobine d'excitation (20) d'un premier relais (17) dont un contact (16), normalement ouvert, est en série avec une résistance (15), ce contact et cette résistance étant intercalés dans le circuit d'alimentation continu de l'onduleur, et étant court-circuitables par un contact, normalement ouvert, (12) d'un second relais (17) qui est excité (28) lorsqu'un courant de charge est débité par l'onduleur, ledit thyristor (18) s'amorçant dès qu'une charge est branchée à la sortie de l'onduleur. 6 - Onduleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le déphasage de son circuit de commande est réalisé par commande (38) de la variation de la tension entre base et émetteur d'un transistor (33) en série avec un condensateur (31) branchés au secondaire d'un transformateur (30) alimenté par la tension de sortie alternative de I'onduleur, le secondaire de ce transformateur étant relié aux électrodes de commande des transistors (41, 44) commandant alternativement l'amor çage des thyristors (9, 10) de puissance de l'onduleur.