Brevet FR2594611A1 — publié le 19870821

La présente invention concerne un appareil destiné à commander un inverseur fonctionnant dans un mode parallèle, relati- vement à une autre alimentation électrique, et en synchronisme avec un signal de fréquence de référence d'une alimentation électrique de secours du commerce. Pour améliorer la fiabilité, on utilise souvent un système de plusieurs inverseurs fonctionnant en parallèle dans un système d'alimentation électrique ne pouvant pas être interrompu. Un autre type de système d'alimentation électrique, qui est éga- lement largement employé dans le même but, comporte un commutateur connecté entre la sortie des inverseurs fonctionnant en parallèle et une alimentation électrique de secours du commerce (une source électrique placée en réserve). Dans ce système d'alimentation élec- trique, si les inverseurs fonctionnant en parallèle subissent une panne du système, ou bien, lorsque l'on doit vérifier entièrement les inverseurs pour l'entretien et la réparation, on commute le commutateur de manière que la charge puisse être électriquement alimentée en énergie électrique depuis l'alimentation électrique de secours du commerce sans interruption et d'une manière continue. Dans un tel système, il faut s'assurer que les phases de sortie des inverseurs respectifs soient accordées entre elles et, en outre, que la phase de sortie des inverseurs soit adaptée à celle de l'alimentation électrique de secours du commerce. Selon la technique antérieure, on réalise la commande d'adaptation de phase ci-dessus indiquée par une technique analogique. Toutefois, en raison d'un décalage du point de fonction- nement, des fluctuations des caractéristiques électriques, de la dérive de température du point de fonctionnement, du vieillisse- ment, etc., des amplificateurs opérationnels et des autres circuits associés, un appareil de commande analogique demande des circuits complexes et, ou bien, des réglages précis pour la compensation de ces défauts. De plus, pour assurer un fonctionnement stable de l'appareil sur une longue durée, il est nécessaire d'examiner et de réajuster l'appareil au terme de périodes relativement courtes, 2 25 9 4 6 11 afin de pouvoir compenser de manière appropriée le vieillissement de l'appareil de commande. C'est donc un but de L'invention de proposer un appareil permettant de commander un ou plusieurs inverseurs, de manière qu'il fonctionne suivant un mode parallèle vis-à-vis d'une autre alimentation électrique et en synchronisme avec une fréquence de référence d'une alimentation électrique de secours du commerce, etc., lequel appareil peut permettre de simplifier son circuit, grâce à une technique numérique, et peut maintenir une caractéris- tique électrique stable et un réglage précis. Pour réaliser l'objectif ci-dessus défini, l'appareil de commande d'inverseurs selon l'invention contient un oscillateur à boucle de verrouillage de phase numérique (ou oscillateur DPLL) au lieu d'un oscillateur à boucle de verrouillage de phase (PLL) ana- logique classique, afin de réaliser la synchronisation avec la fréquence de référence d'une alimentation électrique de secours du commerce, etc. L'inverseur est rendu actif par le signal de sortie d'un diviseur programmable qui divise en fréquence une impulsion de sortie de l'oscillateur DPLL. Le rapport de division en fréquence du diviseur programmable varie en fonction de l'écart, par rapport à une valeur prescrite, de la puissance électrique active de sortie de l'inverseur. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexes, parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe montrant un mode de réalisation (circuit numérique) de l'invention; - la figure 2 est un exemple d'un schéma de circuit de la boucle à verrouillage de phase numérique (DPLL) représentée sur la figure I; - la figure 3 montre la configuration de montage de base des circuits détecteurs de différence de puissance électrique active représentés sur la figure 1; 3 Z 2594611 - La figure 4 montre une variante du circuit de la figure 3; et - la figure 5 est un schéma de circuit montrant un autre mode de réalisation (circuit hybride analogique-numérique) selon l'invention. Ci-après, on va présenter divers modes de réalisation de l'invention d'une manière détaillée, les éléments identiques ou analogues étant désignés par des numéros de référence identiques ou analogues, ce qui permet d'éviter de répéter les explications. On va maintenant décrire, en relation avec la figure 1, un appareil de commande d'inverseurs selon un mode de réalisation de l'invention. (Sur la figure 1, on fait la distinction entre une première et une deuxième unité d'inverseur en utilisant, respecti- vement, les indices a et b). On obtient des tensions continues par l'intermédiaire de redresseurs (non représentés) ou de batteries d'accumulateurs (non représentées), ou bien par une combinaison de ceuxci. On applique ces tensions continues respectivement à la ligne d'alimentation la en courant continu de l'inverseur 2a et à la ligne d'alimentation en courant continu lb de l'inverseur 2b. Les inverseurs 2a et 2b transforment les tensions présentes sur les lignes la et lb en courants alternatifs. Des filtres pour courant alternatif 3a et 3b sont respectivement connectés aux sorties de courant alternatif des inverseurs 2a et 2b de manière à transformer les signaux de sortie des inverseurs en ondes sinusoldales. Des coupe-circuits 4a et 4b sont respectivement connectés aux circuits de sortie des filtres de courant alternatif 3a et 3b, afin de permettre que les inverseurs 2a et 2b soient connectés en paral- Lèle ou bien de déconnecter un inverseur (2a) par rapport à l'autre inverseur (2b). Le noeud de connexion entre les coupe-circuits 4a et 4b est connecté, via un commutateur du type statique (commutateur à semiconducteurs) 6, à une charge 8. La charge 8 est également connectée, via un commutateur du type statique (commutateur à semi- conducteurs) 7, à une alimentation électrique du commerce 5. Les commutateurs 6 et 7 peuvent changer, sans interruption, la connexion de la charge 8, entre la sortie de courant alternatif des inverseurs et la ligne de courant alternatif de L'alimentation électrique de secours du commerce 5. Le circuit de la figure 1 comporte en outre des oscil- Lateurs à boucle de verrouiLLage de phase numériques (DPLL) 21a et 21b servant à comparer La phase de La tension de L'alimentation électrique de secours du commerce 5 avec ceLLe des sorties des filtres 3a et 3b; des diviseurs en fréquence à 1/N 22a et 22b servant à diviser en fréquence, par N, Les signaux de sortie des oscilLateurs DPLL 21a et 21b; des compteurs annulaires 12a et 12b servant à produire des impulsions de déclenchement qui activent les inverseurs 2a et 2b en fonction des signaux de sortie à fréquence divisée venant des diviseurs 22a et 22b; des détecteurs d'écart de puissance électrique active 13a et 13b servant à détecter un écart (AP) de la puissance active obtenue des inverseurs 2a et 2b; et des convertisseurs analogique-numérique 23a et 23b servant à transformer respectivement les données de sortie analogiques des détecteurs 13a et 13b en données à fréquence divisée des diviseurs en fréquence à 1/N 22a et 22b. Les oscillateurs DPLL 21a et 21b sont constitués par un circuit numérique et produisent des impulsions d'oscillation telles que les phases de sortie respectives des inverseurs correspondent à la phase de l'alimentation électrique 5. En pratique, il est nécessaire d'utiliser un processus de commande de tension pour corriger tout écart de puissance réactive, afin qu'il soit réalisé avec exactitude une marche en parallèle des inverseurs 2a et 2b. Toutefois, puisqu'un tel processus de commande de tension est bien connu, on omettra d'en donner une description détaillée. Le dispositif de commande de puissance réactive utilisé pour réaliser le processus de commande de tension ci-dessus indiqué est révélé dans le document suivant: Seki et al.,"PARALLEL OPERATION OF INVERTER SETS BY A NEW DIGITAL CONTROL TECHNIQUE" IEE POWER ELECTRONICS - POWER SEMICONDUCTORS AND THEIR APPLICATIONS, CONFERENCE PAPER, 27-29 septembre 1977. (cf. Fig. 2b). 25 9 4 6 11 Des détails relatifs à chacun des oscillateurs DPLL 21a et 21b sont présentés sur la figure 2. Sur La figure 2, une porte OU exclusif (EXOR) 211 reçoit la tension de l'alimentation électrique 5 et celle de la sortie du filtre 3a ou 3b, et fait fonction de détecteur de déphasage. Un signal de sortie de la porte EXOR 211 est délivré à une première entrée d'une porte ET 214 et, via un amplificateur inverseur 216, à une première entrée d'une porte ET 215. L'autre entrée de la porte ET 214 reçoit le signal de sortie d'un oscillateur à cristal 212, et l'autre entrée de la porte ET 215 reçoit le signal de sortie d'un oscillateur à cristal 213. La fréquence d'oscillation de l'oscillateur à cristal 212 diffère quelque peu de celle de l'oscillateur à cristal 213. Des signaux de sortie des portes ET 214 et 215 sont délivrés à une porte OU 217. La porte OU 217 fournit l'impulsion de sortie de l'oscillateur DPLL 21 (21a, 21b). Dans le circuit de la figure 2, la fréquence de sortie de l'oscillateur DPLL 21 varie, par la variation du coefficient d'uti- lisation avec lequel les signaux de sortie des oscillateurs à cristal 212 et 213 sont sélectionnés, en fonction du niveau de sortie de la porte EXOR 211. Des diviseurs programmables 22a et 22b fonctionnent de façon que le rapport de division de fréquence N varie à l'intérieur d'un intervalle No +,AN en fonction de l'écart de puissance active aP, o P = O pouraN = 0 UN augmente lorsqueAP est positif). On va décrire ci-dessous le fonctionnement de l'appareil de la figure 1. Les oscillateurs DPLL 21a et 21b permettent que leurs fréquences de sortie varient, sur la base du principe de fonction- nement ci-dessus indiqué, en fonction du déphasage existant entre le signal de sortie des inverseurs respectifs et celui de l'alimen- tation électrique de secours du commerce 5, de manière à effectuer une adaptation de la phase des inverseurs avec celle de l'alimen- tation électrique 5. Ainsi, on intègre le déphasagede en ajustant la fréquence f en fonction de ce déphasage, si bien que l'on commande la phase avec une précision élevée. Sous ce rapport, il 6 2594611 faut noter que: Q = ffdt = JK.hedt (K est une constante) Par exemple, lorsque l'écart de puissance activeAP est positif pour la première unité des deux inverseurs, c'est-à-dire que la part de puissance active de la première unité est supérieure, alors l'écartAP est transformé, par le convertisseur analogique-numérique 23a, en un code numérique, qui, luimême, est fourni, comme rapport de division en fréquence N, au diviseur programmable 22a, si bien queàP devient positif (N > No). En résultat, La fréquence du signal délivré au compteur annulaire 12a s'abaisse, si bien que la phase de sortie de L'inverseur 2a est mise en retard et que, par conséquent, l'écartàP diminue. Inversement, la deuxième unité des deux inverseurs détecte LP comme étant négatif et, dans la deuxième unité, le diviseur programmable 22b fonctionne de manière à permettre que son rapport de division en fréquence N diminue (N avance et que, par conséquent, l'écart AP diminue. Ainsi, on peut commander la puissance active partagée par les inverseurs respectifs en faisant varier le rapport de division en fréquence (N) de chaque diviseur programmable 22a et 22b en fonction de l'écartAP, de manière que la part de puissance active des inverseurs prenne une valeur convenable. L'appareil de commande ainsi conçu est doté d'oscilla- teurs DPLL employant chacun une technique numérique et ajustant en fréquence les signaux de sortie des inverseurs respectifs afin de permettre que la phase de sortie de chacun des inverseurs coïncide avec la phase d'une alimentation électrique de secours du commerce, ainsi que de diviseurs programmables servant chacun à diviser en fréquence le signal de sortie de L'oscillateur DPLL et à faire varier son rapport de division de fréquence. Le signal de sortie du diviseur DPLL détermine la fréquence de référence d'un compteur 7 2594 6 11 annulaire de chacun des inverseurs, de sorte que l'écart de puis- sance active AP peut être corrigé, ce qui évite de devoir faire appel à un circuit complexe, ou à un réglage précis, pour compenser la tension de décalage, la dérive de température ou Le vieillis- sement des composants du circuit, comme c'est le cas avec un appareil de commande analogique classique, si bien que l'on peut maintenir une caractéristique stable sur une durée prolongée. La figure 3 montre une configuration de montage de base des détecteurs de différence de puissance active présentés sur la figure 1. Le courant de sortie Ia et la tension de sortie Va de l'inverseur 2a, qui sont délivrés par le filtre de courant alter- natif 3a sont respectivement mesurés par le transformateur de courant 131a et le transformateur de tension 132a. De la même façon, le courant de sortie Ib et la tension de sortie Vb de l'inverseur 2b, qui sont déLivrés par le filtre de courant alter- natif 3b, sont respectivement mesurés par le transformateur de courant 131b et le transformateur de tension 132b. Les courants Ia et Ib sont respectivement délivrés au commutateur 6 via les coupe-circuits 4a et 4b. Le courant Ia et la tension Va sont appliqués au détecteur de puissance active 133a, o la puissance active Pa du signal de sortie de l' inverseur 2a est calculée en fonction de la relation Pa = Va.Ia cos0a (o 0a désigne le déphasage entre Va et Ia). De la même façon, le courant Ib et la tension Vb sont appliqués au détecteur de puissance active 133b, o la puissance active Pb du signal de sortie de l'inverseur 2b est calcuLée en fonction de la relation Pb = Vb.Ib cos0b (o 0b désigne le dépha- sage entre Vb et Ib). La puissance active Pa produite par le détecteur 133a est soustraite, dans le circuit soustracteur 134a, de la puissance active Pb produite par le détecteur 133b, si bien qu'il est produit une différence de puissance active Pa à destination du convertis- seur analogique-numérique 23a. De la même façon, la puissance active Pb produite par le détecteur 133b est soustraite, dans le soustracteur. 134b, de la puissance active Pa produite par le détecteur 133a, si bien qu'il est produit une différence de puis- sance active APb à destination du convertisseur analogique- numérique 23b. Dans le circuit de la figure 3, Lorsque Pa > Pb, APa devient positif, tandis que Pb devient négatif. Lorsque Pa Pa = Pb, LPa et hPb deviennent nulles. On peut utiliser le circuit de La figure 3 pour Les circuits détecteurs 13a et 13b présentés sur la figure 1. La figure 4 présente une variante du circuit de La figure 3. Sur la figure 4, les détecteurs 133a et 133b de la figure 3 sont remplacés respectivement par des moyens Pa et Pb de tension continue équivalents. La borne positive de Pa est connectée à cettlle de Pb. La borne négative de Pa est connectée, via un circuit série comprenant des résistances Ra et Rb, à cettlle de Pb. Le noeud de connexion entre les résistances Ra et Rb est connecté à la terre. On suppose que le courant continu I circule du côté Pa vers le côté Pb, dans le circuit fermé formé par Pa, Pb, Rb et Ra. Dans ce cas, un potentiel positif +I.Rb apparait au noeud entre Pb et Rb, et un potentiel négatif -I.Ra apparait au noeud entre Pa et Ra. Le potentiel +I.Rb est transformé en une différence de puissance active APb à destination du convertisseur analogique- numérique 23b, via un amplificateur inverseur. Le potentiel -I.Ra est transformé en une différence de puissance active APa à desti- nation du convertisseur analogique-numérique 23a, via un amplifi- cateur inverseur. Dans le circuit de la figure 4, lorsque Pa > Pb, APa devient positif, tandis que &Pb devient négatif. Lorsque Pa APa et àPb deviennent nulles. La figure 5 est un schéma de principe montrant un autre mode de réalisation (circuit hybride numérique-analogique) selon l'invention. 9 259 4 6 1 1 Dans ce mode de réalisation, des circuits à boucle de verrouillage de phase analogiques (11a, 11b) sont combinés avec des circuits de commande d'inverseurs numériques (12a, 22a, 23a; 12b, 22b, 23b). La figure 5 diffère de la figure 1 par le seul fait que les oscillateurs à boucle de commande de phase numériques 21a et 21b de la figure 1 sont remplacés par des oscillateurs à boucle de verrouillage de phase analogiques 11a et 11b. Le fonctionnement du circuit de la figure 5 est sensiblement identique à celui de la figure 1. Selon la configuration de montage de la figure 5, même si la boucle à verrouillage de phase analogique 11a ou 11b subit une dérive pour ses paramètres de circuit, cette dérive est réduite de l/N, grâce au diviseur en fréquence numérique 22a ou 22b. On notera que la description du document suivant, qui se rapporte à une technique analogue à cettlle selon l'invention, est donnée dans la demande de brevet suivante: Higa et ai., "APPARATUS FOR SYNCHRONIZATION CONTROL OF A PLURALITY OF INVERTERS", brevet des EtatsUnis d'Amérique n0 4 171 517 délivré le 16 octobre 1979. Alors que le mode de réalisation présentement décrit se rapporte à un appareil de commande de deux inverseurs placés suivant un montage parallèle, on peut obtenir le même avantage sur un appareil de commande destiné à un seul inverseur, ou bien à trois inverseurs, ou plus, en parallèle. En outre, même si le ou les inverseurs fonctionnent en parallèle à l'aide d'une source d'alimentation électrique autre qu'un inverseur, à savoir une pile à combustible ou une pile solaire, et même s'ils fonctionnent en parallèle avec un système d'alimentation électrique de secours du commerce, on peut également obtenir le même avantage. En outre, le ou les signaux de fréquence de référence à synchroniser avec le signal de sortie du ou des inverseurs ne se limitent pas au seul cas de l'alimentation électrique de secours du commerce. Un tel signal de fréquence de référence peut par exemple être obtenu d'un oscillateur à cristal. Il faut noter que le circuit oscillateur à boucle de verrouillage de phase est en lui-même d'un type connu. Le brevet 25 9 4 6 11 japonais n 1 215 332 intitulé "Apparatus for Operating Inverters in a ParaLLeL Mode" décrit de manière détaiLLée le concept de La délivrance d'un écart de puissance active de l'inverseur au circuit oscillateur à boucle de verrouiLage de phase, en vue de La correction de l'écart. Comme présenté ci-dessus, à l'aide d'un appareil de commande de l'invention, Les inverseurs fonctionnent dans un mode parallèle en référence avec une alimentation électrique de secours du commerce, etc., et en synchronisme avec la fréquence de référence de cette alimentation électrique de secours du commerce, si bien qu'il est possible d'obtenir un fonctionnement stable des inverseurs sans que ceux-ci soient altérés par La dérive de tempé- rature, le vieillissement, etc., des composants de circuit de l'appareil. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'appareil dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. il - 2594611 REVENDICATIONS 1. Appareil de commande permettant de commander un circuit inverseur (2a, 3a, 12a) de manière que le circuit inverseur fonc- tionne en synchronisme avec une fréquence de référence prédétermi- née (5) et dans un mode parallèle par rapport à une autre alimentation électrique (2b, 3b, 12b), l'appareil de commande étant caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen à boucle de verrouillage de phase (11a, 21a) couplé au circuit inverseur (2a, 3a, 12a) afin de faire varier la fréquence de sortie du circuit inverseur de manière que la phase de sortie du circuit inverseur soit adaptée à la phase de ladite fréquence de référence prédéterminée; un moyen de commande (13a, 23a) couplé au circuit inverseur (2a, 3a, 12a) afin de détecter un écart de puissance active (AP) entre la sortie du circuit inverseur (2a, 3a, 12a) et celle de ladite autre alimentation électrique (2b, 3b, 12b); et un moyen diviseur programmable (22a) couplé au moyen de commande (13a, 23a), au moyen à boucle de verrouillage de phase (11a, 21a) et au circuit inverseur (2a, 3a, 12a) afin de diviser en fréquence le signal de sortie du moyen à boucle de verrouillage de phase (11a, 21a) par un rapport (N) de division de fréquence qui dépend dudit écart de puissance active (AP) de sorte que la valeur de l'écart de puissance active détecté (A P) diminue, de manière à commander la répartition de la puissance active entre la sortie du circuit inverseur (2a, 3a, 12a) et celle de ladite autre alimentation électrique (2b, 3b, 12b). 2. Appareil de commande selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite autre alimentation électrique (2b, 3b, 12b) comporte le moyen à boucle de verrouillage de phase (11b, 21b), le moyen diviseur programmable (22b) et le moyen de commande (13b, 23b). 3. Appareil de commande selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la polarité (+) de l'écart de puissance active détecté (. Pa) dudit circuit inverseur (2a, 3a, 12a) est opposée à 12 - 2594611 celLe (-) de l'écart de puissance active détecté (APb) de ladite autre alimentation électrique (2b, 3b, 12b). 4. Appareil de commande selon la revendication 3, caracté- risé en ce que: le moyen de commande (13a) du circuit inverseur (2a, 3a, 12a) comporte un premier moyen de détection de puissance active (131a133a) servant à détecter une première puissance active (Pa) de la sortie du circuit inverseur (2a, 3a, 12a); en ce que le moyen de commande (13b) de ladite autre alimentation électrique (2b, 3b, 12b) comporte un deuxième moyen de détection de puissance active (131b-133b) servant à détecter une deuxième puissance active (Pb) de la sortie de ladite autre alimen- tation électrique (2b, 3b, 12b); en ce que le moyen de commande (13a) du circuit inverseur (2a, 3a, 12a) comporte en outre un premier moyen de détection d'écart (134a, Ra) couplé aux premier et deuxième moyens de détection de puissance active (131a-133a; 131b-133b) servant à détecter la différence (Pa-Pb) entre lesdites première et deuxième puissances actives (Pa; Pb) afin de produire l'écart de puissance active détectée (LPa) du circuit inverseur (2a, 3a, 12a); et en ce que le moyen de commande (13b) de ladite autre alimentation électrique (2b, 3b, 12b) comporte en outre un deuxième moyen de détection d'écart (134b, Rb) couplé aux premier et deuxième moyens de détection de puissance active (131a-133a; 131b-133b) servant à détecter la différence (Pb-Pa) entre lesdites première et deuxième puissances actives (Pa; Pb) afin de produire ledit écart de puissance active détectée (APb) de ladite autre alimentationélectrique (2b, 3b, 12b). 5. Appareil de commande selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moyen à boucle de déphasage (21a) est formé d'un circuit numérique (211-217). 6. Appareil de commande selon la revendication 5, caracté- risé en ce que ledit circuit numérique (211-217) comporte: 13 2594611 une porte OU exclusif (211) répondant à ladite fréquence de référence prédéterminée (5) et à une fréquence du signal de sortie dudit circuit inverseur (2a, 3a, 12a) en produisant le signal du type OU exclusif pour ces fréquences d'entrée; un premier oscillateur (212) servant à produire un premier signal de fréquence; un deuxième osciltlateur (213) servant à produire un deuxième signal de fréquence, dont la fréquence diffère de celle dudit premier signal de fréquence; et un circuit de déclenchement (214-217) couplé à ladite porte OU exclusif (211), au premier oscillateur (212) et au deuxième oscillateur (213) afin de produire un signal de sortie de commande qui sert à faire varier le rapport de division en fréquence (N) dudit moyen diviseur programmable (22a), de façon que la fréquence dudit signal de sortie de commande possède soit la première, soit la deuxième fréquence, en fonction du niveau logique dudit signal de sortie de type OU exclusif. 7. Appareil de commande selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen à boucle de verroui!- lage de phase (11a) comporte un circuit analogique (111a-113a). 8. Appareil de commande selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que ladite fréquence de référence prédéterminée est obtenue d'une source d'alimentation en courant alternatif (5) connectée en parallèle avec la sortie dudit circuit inverseur (2a, 3a, 12a).