Brevet FR2576163A1 — publié le 19860718

Procédé et dispositifs d'atténuation des courants harmoniques perturbateurs renvoyés sur une ligne d'alimentation électrique par un équipement Les systèmes électroniques de puissance utilisés en traction électrique sur les véhicules de transport pour commander des moteurs ou alimenter des auxiliaires tels que climatisation, éclairage, batterie.... prélèvent leur énergie sur une ligne d'alimentation électrique et peuvent même renvoyer de l'énergie sur cette ligne lorsqu'ils comportent un système de freinage récupératif. Qu'ils soient consommateurs ou générateurs d'énergie, ils ont l'inconvénient de renvoyer sur leur ligne d'alimentation des courants à différentes fréquences appelés "courants harmoniques et engendrés soit par les moteurs de traction soit par l'électronique alimentant ces moteurs. Les causes en sont multiples : fréquence des hacheurs ou des onduleurs utilisés, régimes transitoires de fonctionnement, commutation rapide des semi-conducteurs. Ces courants harmoniques se rencontrent plus particulièrement avec chaines de traction utilisant des moteurs asynchrones ou synchrones pilotés par onduleurs qui les engendrent dans une large gamme de fréquence en raison de leur principe même de fonctionnement. Ils sont gênants et doivent être limités car ils perturbent les signaux utilisés pour la signalisation qui sont transmis par les lignes d'alimentation aux engins de traction tels que locomotives, automotrices ou métropolitains. Dans certains réseaux utilisant des signaux et balises de voies travaillant à la fréquence de 50 Hz les véhicules de traction ne doivent pas renvoyer des courants harmoniques dont l'intensité dépasse quelques ampères pendant quelques secondes. La méthode habituelle pour limiter les courants harmoniques consiste à utiliser un filtre passe-bas implanté dans chaque véhicule entre la ligne d'alimentation et le système électronique de commande. Cette méthode a pour inconvénient de nécessiter pour être efficace, l'utilisation de composants de puissance, self inductance et condensateur qui sont lourds, volumineux et coûteux. La présente invention a pour but de réduire les courants harmoni ques renvoyés par des chaines de traction électrique comportant un système d'alimentation électronique d'alimentation à découpage appelé "hacheur" par un filtrage actif ne nécessitant pas d'organe électronique de puissance supplémentaire à ceux déjà existants. Elle a pour objet un procédé d'atténuation des courants harmoniques renvoyés sur une ligne d'alimentation électrique par un équipement comportant un hacheur commandé par son angle d'ouverture consistant à moduler l'angle d'ouverture du hacheur autour de son point de fonctionnement ou angle moyen à l'aide d'un signal élaboré à partir des courants harmoniques détectés sur la ligne d'alimentation. Par cette rétroaction, on fait remplir au hacheur de puissance la fonction auxiliaire d'un filtre actif passe-bas vis-à-vis de la ligne d'alimentation en énergie électrique. Ce procédé peut être utilisé aussi bien avec des moteurs à courant continu associées à des hacheurs, qu'avec des moteurs à courant alternatif associés à un ensemble hacheur et onduleur. Il s'applique, de manière générale à tout convertisseur d'énergie possédant un étage à hacheur. I1 est particulièrement intéressant dans le cas des chaines de traction constituées d'un hacheur, d'un commutateur de courant à fréquence variable et d'un moteur à courant alternatif qui engendrent de nombreux courants harmoniques dans la ligne d'alimentation : courants harmoniques engendrés directement par l'onduleur à six fois sa fréquence pour un moteur triphasé et courants harmoniques engendrés par battement entre la fréquence du hacheur et celle de l'onduleur. L'invention a également pour objet des dispositifs de mise en oeuvre du procédé. Elle sera mieux comprise grâce à la description ci-après de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel - la figure 1 est un schéma d'un circuit d'atténuation des courants harmoniques illustrant l'état de l'art antérieur, - la figure 2 est un schéma d'un dispositif d'atténuation des courants harmoniques mettant en oeuvre l'invention avec un équipement formé d'un hacheur alimentant un moteur à courant continu, - la figure 3 représente le schéma d'une variante du dispositif d'atténuation de la figure 2 utilisée avec un équipement formé d'un hacheur pilotant un moteur à courant alternatif par l'intermédiaire d'un onduleur - et la figure 4 représente un dispositif d'atténuation des courants harmoniques dans un équipement de traction dont le hacheur travaille en élévateur de tension par suite d'une commutation lors d'un fonctionnement en freinage récupératif. La figure 1 illustre un système électronique de puissance 10 alimentant des moteurs 11 et des équipements auxiliaires 12 à partir d'une ligne d'alimentation représentée par une source de tension continue 13. Le système électronique de puissance 10 se comporte vis-à-vis de la ligne d'alimentation comme une source de courants harmoniques 14 qu'il convient d'atténuer pour éviter de perturber certains appareillages tels que les appareillages de signalisation utilisant la ligne d'alimentation comme voie de transmission. Cet atténuation est obtenue de manière habituelle à l'aide d'un filtre d'entrée inductance série 15 et capacité parallèle 16 intercalé entre la ligne d'alimentation et le système électronique de puissance 10. Ce filtre à l'inconvénient d'être lourd, encombrant et coûteux. Selon l'invention, on profite de la présence d'un hacheur dans le système électronique de puissance pour lui faire jouer, en plus de son rôle habituel, celui d'un filtre actif vis-à-vis des courants harmoniques renvoyés sur la ligne d'alimentation. La fonction principale d'un hacheur est d'asservir à une consigne le courant continu envoyé sur la charge. Pour cela, il fonctionne comme un interrupteur de puissance alternativement fermé pendant un tempsZ:T T et T et ouvert pendant un instant T -Z = (1- o( )T. Le hacheur est donc commandé par une grandeur o( i tT appelée rapport ou angle d'ouverture du hacheur qui permet de régler le courant continu moyen envoyé dans la charge. En modulant cet angle d'ouverture autour du point de fonctionnement o( engendré par les asservissements d'origine du système en fonction des exigences de la charge, on engendre une circulation de courants alternatifs utilisable pour atténuer les courants harmoniques à condi tion que le signal de modulation tienne compte de ces derniers. La figure 2 représente un exemple de réalisation avec un équipement électronique do puissance qui est alimenté à partir d'une ligne d'alimentation représentée par une source de tension continu 23 par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas à inductance série 25 et capacité parallèle 26 et qui est constitué d'un hacheur 21 contrôlant un moteur à courant continu 22 et d'un circuit de commande 27 de l'angle d'ouverture i du hacheur 21. Le moteur à courant continu 22 est disposé de la manière habituelle avec son enroulement induit connecté en série avec le hacheur 21 par l'intermédiaire d'une inductance de lissage 28 et avec une diode de roue libre 29 connectée en parallèle sur l'enroulement induit et l'inductance de lissage 28 dans un sens de conduction opposé à celui de la source de tension continue 23. Le circuit de commande 27 déterminant le point de fonctionnement de l'angle d'ouverture du hacheur est un circuit classique par exemple un régulateur de vitesse et ou de couple du moteur. Il ne sera pas détaillé car il est bien connu dans la technique et n'appartient pas au domaine de l'invention. Le dispositif d'atténuation des courants harmoniques comporte - un capteur de courants harmoniques 30 placé entre le filtre passif d'entrée 25, 26 et la ligne d'alimentation représentée par la source tension continue 23, - un modulateur 31 intercalé à la sortie du circuit de commande 27 d'angle d'ouverture et - un réseau correcteur 32 placé entre le capteur de courants harmoniques 30 et le modulateur 31. Le capteur de courants harmoniques élimine la composante continue. C'est par exemple un transformateur de courant ou un tore amagnétique (bobine de Rogowski). Le modulateur 31 est un soustracteur qui retranche du point de fonctionnement ou angle moyen d'ouverture Le réseau correcteur 32 a pour rôle de stabiliser la boucle de rétroaction et de donner de bonnes performances au système. Sa détermination, c'est-à-dire le choix de sa fonction de transfert, ressort de la technique classique des asservissements. Elle dépend de la transmittance en boucle ouverte de l'ensemble de l'équipement et est donc liée à l'application. Ce réseau correcteur 32, peut être du type passe-bande, soit à bande large, s'il doit atténuer les harmoniques sur un spectre de fréquences étendu, soit à bande étroite centré sur une valeur particulière (par exemple le 50 Hz) si seule une fréquence est interdite. Dans le premier cas il peut être réalisé à l'aide d'amplificateurs opérationnels utilisés en réseaux passe-bande. La valeur de la fréquence de coupure- inférieure doit être d'environ 10 à 50 Hz afin de ne pas perturber le point de fonctionnement statique du hacheur. La valeur de la fréquence de coupure supérieure doit hêtre inférieure à fH/2, fH étant la fréquence du hacheur et celui-ci fonctionnant comme un système échantil lonné. Dans le second cas il peut être réalisé à l'aide d'amplificateurs opérationnels montés en résonnateurs accordés sur la fréquence à réjecter. Sa réalisation peut également faire appel à des réseaux correcteurs microprogrammés sur des outils informatiques du type microprocesseur. Le réseau correcteur peut présenter en sortie un filtre passe-haut afin d'éliminer toute possibilité de composante continue dans le signal de modulation cç qui perturberait le fonctionnement du hacheur. La nature de la charge du hacheur est sans importance pour le fonctionnement du dispositif d'atténuation des courants harmoniques. Au lieu d'un moteur à courant continu, elle pourrait être constituée, comme dans le prochain exemple, par un onduleur suivi d'un moteur à courant alternatif. Dans certaines applications, la commande du hacheur peut être effectuée par des asservissements à grandes performances. Par exemple, dans les équipements de traction, l'utilisation d'un pilotage automatique, d'arret automatique ou d'antipatinage-antienrayage peut néces siter des asservissements dont la bande passante de l'ordre de 50 Hz englobe les fréquences des courants harmoniques à atténuer. On peut alors faire intervenir le dispositif d'atténuation des courants harmoniques au niveau des grandeurs de consigne des asservissements de commande du hacheur ce qui permet de conserver l'intégrité de ces derniers. La figure 3 illustre une situation de ce type. L'équipement électronique de puissance, toujours alimenté par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas à inductance série 35 et capacité parallèle 36 au moyen d'une ligne d'alimentation représentée par une source de tension continue 33 comporte un hacheur 37 pourvu d'un asservissement de courant à large bande passante englobant les fréquences des courants harmoniques. Ce hacheur 37 contrôle un moteur électrique de traction à courant alternatif 38 par l'intermédiaire d'un onduleur 39 qui lui est raccordé au moyen d'une inductance de lissage 40 intercalée en série et d'une diode de roue libre 41 disposée en parallèle sur le montage de l'onduleur 39 et de l'inductance de lissage 40, dans un sens de conduction opposé à celui de la source de tension continue 33. L'onduleur est piloté, de la manière habituelle, à l'aide d'un circuit de commande non représenté qui asservit sa fréquence et par conséquent la vitesse du moteur 38 à une valeur de consigne. Le hacheur est piloté, également de la manière habituelle dans ce genre d'application, au moyen d'une boucle d'asservissement de courant qui contrôle son courant moyen de sortie pour le rendre égal à une valeur de consigne I réf élaborée par des circuits non représentés essentiellement en fonction du couple moteur désiré. Cette boucle d'asservissement de courant comporte un capteur de courant 41 placé entre la sortie du hacheur 37 et l'inductance de lissage 40, un comparateur 42 comparant la valeur du courant continu mesurée avec une valeur de consigne et engendrant un signal d'erreur fonction de la différence détectée, et un réseau correcteur 43 stabilisant la boucle d'asservissement en courant tout en lui garantissant une bande passante importante de l'ordre de 50 Hz lui permettant de suivre les variations rapides imposées à la valeur de consigne par des dispositifs de pilotage automatiques, d'arrêt automatique, de freinage ou d1antipatinage-antienrayage. Le dispositif d'atténuation des courants harmoniques comporte comme précédemment un capteur de courants harmoniques 44 qui alimente, par l'intermédiaire d'un réseau correcteur 45, un modulateur 46 agissant sur la consigne de référence de courant I réf avant qu'elle ne soit appliquée à l'asservissement de courant du hacheur 37. Contrairement à exemple précédent, le capteur de courants harmoniques 44 n'est pas placé entre la ligne d'alimentation et le filtre passif mais entre ce dernier et le hacheur. Cette seconde solution est plus intéressante en cas de l'utilisation de plusieurs hacheurs en parallèle sur un seul filtre d'entrée car elle permet d'atténuer sélectivement les courants harmoniques de chaque hacheur en les équipant chacun de leur propre dispositif d'atténuation des courants harmoniques. Le modulateur 46 est un soustracteur qui retranche de la valeur de consigne I réf pour le courant moyen fourni par le hacheur un signal de correction cf I issu du réseau correcteur 45 et supposé en phase avec les courants harmoniques. lorsque les courants harmoniques augmentent en valeur instantanée, le signal de correction S I augmente et tend à réduire la valeur de consigne J I de manière à diminuer le courant instantané puisé sur la ligne et inversement. Le réseau correcteur 45 stabilise la boucle de rétroaction. La valeur de sa fonction de transfert dépend de la transmittance en boucle ouverte de l'ensemble de l'équipement et est liée à l'application. Sa réalisation peut se faire selon des techniques analogues à celle du réseau correcteur 32 de l'exemple précédent. Le procédé qui vient d'être décrit s'applique, comme représenté dans cette figure 3 aux chaînes de traction utilisant un ou plusieurs hacheurs travaillant en abaisseur de tension lorsque les machines fonctionnent en moteur. Il s'applique également, comme le montre la figure 4, lorsque, par suite d'une commutation lors d'un freinage récupératif, les hacheurs travaillent en élévateur de tension, les machines fonctionnant en génératrice. Dans ce cas, le hacheur 51 se retrouve en shunt sur la charge 52 génératrice d'énergie qui est connectée à la ligne d'alimentation représentée par une source de tension continue 53 par l'intermédiaire d'une diode de freinage 54 et d'un filtre passe-bas à inductance série 55 et capacité parallèle 56. Le hacheur 51 court-circuite périodiquement la charge de sorte que les inductances propres de la charge traversées périodiquement par le courant de court-circuit engendrent des pointes de tension débloquant la diode de freinage 54. Le dispositif atténuateur de courants harmoniques analogue à celui de la figure 2 a son capteur de courants harmoniques 57 qui est placé entre le filtre passif et la diode de freinage 54 et qui alimente par l'intermédiaire d'un réseau correcteur 58 un modulateur 59 agissant sur le point de fonctionnement ou angle moyen d'ouverture o( du hacheur. Comme précédemment, le modulateur 59 soustrait à l'angle moyen d'ouverture un signal de correction S' q supposé en phase avec les courants harmoniques détectés. Lorsque les courants harmoniques détectés augmentent en valeur instantanée, ce signal de correction S ' augmente et tend à fermer l'angle moyen d'ouverture du hacheur de manière à diminuer les périodes de mise en court-circuit de la charge et par conséquent le courant instantané restitué à la ligne d'alimentation. Il est à noter dans tous ces exemples que si le hacheur fonctionne à une fréquence f seules les harmoniques de fréquences inférieures à fh/2 pourront être éliminées car le hacheur fonctionne comme un système échantillonné vis-à-vis de ces fréquences. REVENDICATIONS 1/ Procédé d'atténuation des courants harmoniques perturbateurs renvoyés sur une ligne d'alimentation électrique par un équipement comportant un hacheur commandé par son angle d'ouverture, caractérisé en ce qu'il consiste à moduler l'angle d'ouverture du hacheur autour de son point de fonctionnement au moyen d'un signal élaboré à partir des courants harmoniques détectés sur la ligne d'alimentation. 2/ Procédé selon la revendication 1 appliqué à un équipement électrique comportant un hacheur (21) relié à la ligne d'alimentation électrique par un filtre passif (25, 26), caractérisé en ce que le signal utilisé pour moduler l'angle d'ouverture du hacheur autour de son point de fonctionnement est élaboré à partir des courants harmoniques détectés à l'arrivée de la ligne d'alimentation électrique en amont du filtre passif (25, 26). 3/ procédé selon la revendication 1 appliqué à un équipement électrique comportant un hacheur (37) relié à la ligne d'alimentation électrique par un filtre passif (35, 36), caractérisé en ce que le signal utilisé pour moduler l'angle d'ouverture du hacheur autour de son point de fonctionnement est élaboré à partir des courants harmoniques détectés entre le hacheur et le filtre passif. 4/ Procédé selon la revendication 1 appliqué à un équipement électrique comportant un hacheur (37) muni d'un asservissement de courant (41, 42, 43) déterminant la valeur de son angle d'ouverture de manière à faire respecter une consigne de courant par le courant de sortie du hacheur (37) et ayant une bande de fréquence englobant les fréquences des courants harmoniques, caractérisé en ce que le signal élaboré à partir des courants harmoniques détectés sur la ligne d'alimentation module l'angle d'ouverture du hacheur autour de son point de fonctionnement par l'intermédiaire de la consigne de courant à laquelle il est mélangé. 5/ Dispositif d'atténuation des courants harmoniques perturbateurs renvoyés sur une ligne d'alimentation électrique par un équipement comportant un hacheur (21) pourvu d'une commande d'angle d'ouverture caractérisé en ce qu'il comporte une boucle de rétroaction formée d'un capteur de courants harmoniques (30) disposé entre le hacheur et la ligne d'alimentation électrique, d'un réseau correcteur (32) assurant un traitement du signal issu du capteur de courants harmoniques stabilisant la boucle et dwun modulateur (31) modulant la commande d'angle d'ouverture du hacheur (21) au moyen du signal issu du réseau correcteur (32). 6/ Dispositif selon la revendication 5 appliqué à un équipement électrique comportant un hacheur (21) relié à la ligne d'alimentation électrique par un filtre passif (25, 26) caractérisé en ce que le capteur de courants harmoniques (30) est disposé à l'arrivée de la ligne d'alimentation électrique en amont du filtre passif (25, 26). 7/ Dispositif selon la revendication 5 appliqué à un équipement électrique comportant un hacheur (37) relié à la ligne d'alimentation électrique par un filtre passif (35, 36) caractérisé en ce que le capteur de courants harmoniques (44) est disposé entre le hacheur et le filtre passif (35, 36). 8/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau correcteur (32) comporte un filtre passe-haut bloquant la composante continue. 9/ Dispositif d'atténuation des courants harmoniques perturbateurs renvoyés sur une ligne d'alimentation électrique par un équipement comportant un hacheur (37) dont la commande d'angle d'ouverture estcontrôlée par un asservissement de courant comportant un capteur de courant (41) continu disposé en sortie du hacheur (37), un réseau correcteur de courant (43) assurant un traitement du signal issu du capteur de courant continu (44) stabilisant la boucle d'asservissement de courant et un comparateur (42) engendrant un signal de commande de l'angle d'ouverture du hacheur fonction de la différence entre le signal délivré par le réseau correcteur de courant (43) et une consigne de courant (I réf), ledit asservissement de courant ayant une bande passante englobant les fréquences des courants harmoniques, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle de rétroaction formée d'un capteur de courants harmoniques (44) disposé entre le hacheur (37) et la ligne d'alimentation électrique, d'un réseau correcteur (45) assurant un traitement du signal issu du capteur de courants harmoniques (44) stabilisant la boucle et d'un modulateur (46) modulant la consigne de courant au moyen du signal de capteur de courants harmoniques traité par le réseau correcteur.