Brevet FR2588705A1 — publié le 19870417

La présente invention est relative aux gé nérateurs de tension de fréquence variable et se rapporte plus particulièrement à des générateurs de fréquence destinés à alimenter des dispositifs de conditionnement d'air d'immeubles, d'ateliers ou de volumes spéciaux tels que des salles de peinture, de combustion de déchets. etc. Dans ces applications, les générateurs de tension de fréquence variable apportent des solutions nouvelles et originales aux problemes rencontrés par les concepteurs des systémes de climatisation en donnant une grande souplesse d emploi et en faisant réaliser des économies substantielles pour un investissement raisonnable et une mise en oeuvre aisée. On connait actuellement des générateurs de tension de fréquence variable alimentés par la tension du secteur à 50 Hz. Dans ces appareils, la tension du secteur est redressée puis filtrée. La tension continue obtenue, de valeur Vmax, est appliquée à un organe de découpage pour obtenir après redressement une tension continue de niveau variable entre O et Vmax en fonction de la commande appliquée sur l organe de découpage. Cette tension alimente un onduleur piloté par un oscillateur dont la fréquence F variable est commandée par un signal extérieur. La numérisation des signaux de commande du générateur est souvent réalisée, en particulier lorsqu'on utilise un dispositif numérique tel qu'un microprocesseur, pour le calcul de l'amplitude V et la fréquence F de la tension à engendrer, en fonction de données extérieures, telles que. dans le cas ou la charge appliquée est un moteur. le couple moteur né cessaire. la vitesse nécessaire du moteur a alimenter, l'asservissement en vitesse et en phase de ce moteur, etc. Les organes de redressement, assez faciles a réaliser, sont cependant adaptés a chaque niveau de puissance. Les selfs et les capacités sont également adaptées å cette puissance et sont volumineuses en fer et en cuivre. Ce sont des éléments couteux, qui ont en plus des incidences sur les parties mécaniques (chassis) en raison de leur poids. Plusieurs systèmes de commande de la tension sont utilisés. A partir d'une dizaine de Kw, le choix des composants actifs est délicat. C'est une des parties sensibles du point de vue technologique de l'en- semble. La partie onduleur, qui reconstitue le signal alternatif utilisable, ne présente pas de diffi cultés de réalisation, mais la encore, les puissances mises en jeu limitent les choix technologiques. Ces circuits sont donc adaptés pour chaque puissance et nécessitent un environnement mécanique assez complexe: fixation, échangeurs thermiques, ventilateurs. etc ... Ainsi. la conception d'ensemble ne permet pas des solutions simples. Elle conduit à des implantations mécaniques complexes et lourdes, compte tenu des volumes et des masses des constituants et des problèmes d'évacuation des calories dégagées. Les matériels connus sont relativement performants et présentent - une grande plage de réglage de vitesse (Fréquence F) - une dynamique élevée de commande de la tension V - une bande passante élevée (temps de répon se aux commandes V ou/et F > - des possibilités de réglage de V et F par calculateur pour exploiter au mieux les caractéristiques des moteurs utilisés - un rendement élevé - coté secteur. un COS 9 ~ 1 I Ces caractéristiques électriques et fonctionnelles permettent de trouver une solution à presque tous les problèmes aussi complexes soient-ils. Cependant, pour de nombreuses applications, ces caractéristiques sont surabondantes et inutilisées. L'utilisateur réalise un investissement plus lm- portant que nécessaire et doit supporter un coût d'entretien plus élevé qu'il ne le serait avec un matériel mieux adapté. L ' invention vise a remédier aux inconvénients précités des générateurs de tension de fréquence variable connus en créant un générateur qui tout en ayant des performances acceptables pour les applications auxquelles il est destiné, soit d'une construction relativement simple et d'un prix de revient modéré. Elle a donc pour obJet un générateur de tension de fréquence variable a partir d'une source de tension alternative comportant au moins deux phases, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commutation des phases de la source de tension alternative sur au moins une phase de sortie, des moyens d'élaboration de signaux correspondant à des instants d'actionnement des interrupteurs des moyens de commutation. des moyens de comparaison desdits instants à des signaux correspondant aux instants réels d'évolution des phases d'entrée du dispositif et des moyens de génération de signaux d'actionnement des interrupteurs des moyens de commutation en vue d'obtenir une tension la plus proche possible de la tension souhaitée. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement â titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. est un schéma synoptique du générateur de tension de fréquence variable suivant l in- invention - la Fig.2 est un schéma de principe des moyens de commutation entrant dans la construction du générateur de la Fig.1: - la Fig.3 est un schéma synoptique des moyens d'élaboration de la séquence des ordres d'ouverture des interrupteurs des moyens de commutation; et - la Fig.4 est un diagramme en fonction du temps montrant les formes d'ondes des signaux de tension obtenus avec le générateur de la Fig.1. Le générateur de tension de fréquence variable représenté a la Fig.1 est un générateur du type triphasé alimenté à partir du secteur à 50 Hz. Il comporte un circuit de commutation 1 dont les entrées sont connectées aux trois phases aî. 2, 3 du secteur d'alimentation et comportant trois sorties correspondant respectivement aux phases Ç 1.42. 9 3 sur lesquelles doit apparaitre la tension de fréquence variable à obtenir, Le circuit de commutation 1 va être décrit plus en détail par la suite en référence à la Fig.2. Le générateur de tension de fréquence variable suivant l'invention comporte en outre un circuit 2 d'adaptation des commandes des interrupteurs du circuit de commutation 1. Ainsi qu'on peut le voir à la Fig.1, le cir- cuit d'adaptation 2 comporte des sorties sur lesquelles sont destinées à apparaitre des signaux de commande des interrupteurs liés aux trois phases à partir desquelles la tension de sortie de fréquence variable doit être élaborée. Les entrées du circuit d'adaptation 2 sont connectées à un bloc 3 d'élaboration de la séquence des ordres d'ouverture des interrupteurs du circuit de commutation 1. L-e circuit 3 dans le présent exemple, comporte une entrée de synchronisation 4 connectée au secteur d'alimentation et deux entrées 5 et 6 ou sont appliqués des signaux correspondant respectivement à la fréquence F et à l'amplitude V de la tension de sortie de fréquence variable à élaborer. Selon une variante, le bloc 3 d'élaboration de la fréquence des ordres d'ouverture des interrupteurs du circuit de commutation 1 peut être synchronisé par des signaux appliqués à son entrée de synchronisation 4 à partir d'une horloge non représentée. Le circuit de commutation 1 est représenté plus en détail a.la Fig.2. Ce circuit de commutation comporte trois groupes d interrupteurs 7,8,9, 10,11,12, 13,14,15 connectés respectivement par un de leurs contacts fixes aux phases correspondantes de sortie t 2, t3 du générateur. Par ailleurs, un interrupteur de chaque groupe précité est connecté par son autre contact respectivement à une face d'entrée 81, 92, 3 du générateur. C'est ainsi que les interrupteurs 7, 10, 13 sont connectés par leur autre contact à la phase d'entrée 81, les interrupteurs 8, 11,14 sont connectés par leur autre contact à la phase d'entrée 92 et les interrupteurs 9, 12, 15 sont connectés par leur autre contact a la phase d'entrée 93. Les interrupteurs 7 a 15 sont dans le pré sent exemple représenté par des interrupteurs électro-mécaniques commandés par des relais 16 associés. On comprendra cependant que ces interrupteurs peuvent être constitués, par exemple, par des transistors ou encore par des thyristors dont les électrodes de commande sont connectés au circuit de commande 2. Le bloc 3 d'élaboration de la séquence des ordres d'ouverture des interrupteurs du dispositif 1 comporte avantageusement constitué par un microprocesseur, par exemple du type INTEL 8080, convenablement programmé qui élabore des signaux de commande correspondant aux instants de commutation des interrupteurs conformément au processus de calcul suivant. Sur la Fig.3, on a représenté un exemple de schéma synoptique des moyens 3 d'élaboration des ordres d'ouverture des interrupteurs des moyens de commutation 1. Une horloge 20 connectée au secteur par exemple, et destinée â engendrer des signaux de fréquence multiple de celle du secteur permettant une résolution plus fine du temps, est reliée à un compteur 21. La sortie du compteur 21 est connectée à une entrée d'un comparateur 22 dont une autre entrée est reliée a la sortie d'une mémoire 23 de stockage des instants d'actionnement des interrupteurs du circuit de commutation 1 élaborés par un microprocesseur 2 & Ainsi, le comparateur 22 compare les temps délivrés par le compteur 21 avec ceux stockés dans la mémoire 23. Le microprocesseur 24 est connecté à un codeur 25 destiné à convertir en signaux numériques les paramètres analogiques tels que l'amplitude V et la fréquence F de la tension à obtenir à la sortie du dispositif. C'est à partir de ces paramètres que le microprocesseur 24 élabore les instants d'actionnement stockés dans la mémoire 23. La sortie du comparateur 22 est connectée à une entrée d'un sélecteur 26 dont une autre entrée est connectée directement à une sortie d'adresse de la mémoire 23. A la sortie du sélecteur 26 est connectée une bascule 27 dont la sortie est reliée par l lnter- médiaire du circuit d'adaptation 2, a l'organe de commande d'un interrupteur correspondant du circuit de commutation 1. A chaque interrupteur In 7 à 15 correspond une bascule Bn 27 et un circuit sélecteur Sn 26 qui aiguille les impulsions de comparaison des temps sur la bascule concernée. Deux autres groupes formés d'un sélecteur et d'une bascule sont représentés en pointillé à la Fig. 3. Le circuit de la Flg.3 fonctionne de la fa çon suivante. Les signaux de l'horloge 20 sont comptés par le compteur 21 a partir d'un passage par zéro de la phase d'entrée 91 et transmis au comparateur 22 qui les compare aux signaux de temps d'actionnement stockés dans la mémoire 23. Lorsque le comparateur détermine l'égalité d'un temps compté avec un temps stocké. il délivre une impulsion qui est aiguillée sur la bascule 27 correspondante, à travers le sélecteur 26 qui a reçu l'adresse de repérage de l'interrupteur en provenance de la mémoire 23, et provoque le changement d'état de cette bascule 27 et l'actionnement de l'interrupteur 7 a 15 du circuit de commutation qui lui est associé pour permettre la transmission sur la phase de sortie choisie de la portion de la tension d'entrée sélec tonnée. Ensuite, l'opération recommence pour former la portion suivante de la tension de sortie, à partir d'une autre phase de la tension d'entrée par intervention d'un groupe selecteur-bascule-interrupteur approprié. Calcul des instants Pour chaque affichage de fréquence et de tension a élaborer, le microprocesseur détermine les périodes (avec les temps de début et de fin) où les tensions des phases 01,02,03 et le neutre sont les plus proches de la tension souhaitée. Ainsi, le microprocesseur compare les signaux des phases du secteur 90 = O 91 = Sin (2 # F t > 02 = Sin (2F t + 2 2#/3) 93 = Sin (2# F t + 4 4 #/3) a la tension de la phase 41 souhaitée. #1 = = Sin (2# m/p Ft) / O Les instants sont mis en mémoire et conservés jusqu'a ce qu'une modification de fréquence (m/p) et/ou d'amplitude ait lieu. Le microprocesseur applique le meme programme pour les phases 2 et 3 sachant que # 2 = Sin (2 t m/p Ft + 3 : Sin (2 rm/p Ft + 4 #/3) ou encore détermine les valeurs successives des ins tants de commutation en décalant ceux calculés pour des valeurs des temps correspondant à 2 7/3 ou 4 7t /3 en fonction de la fréquence m/p F. Réalisation des commutations A partir, par exemple, du 50 Hz du secteur un multiplicateur donne une fréquence supérieure : k 50 Hz (k > 10), k étant uniquement déterminé par la facilité de réalisation du circuit multiplicateur. La fréquence ainsi obtenue dans ce cas, synchrone du 50 Hz du secteur, est le signal d'horloge général du système. Lorsqu'une impulsion de déclenchement arrive (chaque passage a zéro de 81) et Si aucune séquence n'est engagée, une séquence de commutation est déclen chée. Les instants mis en mémoire répérés par rapport a cette synchronisation initiale, sont réalisés par comptage dans le circuit d'élaboration 3, des périodes d'horloge qui, lorsque le temps est écoulé, pour une période quelconque ti tj, fait revenir à zéro à t une bascule du circuit d'élaboration 3 ouverte en ti. En effet, à chaque interrupteur du circuit de commutation 1 défini ci-dessus correspond une bascule de commande de ce circuit d'élaboration 3 (Fig. 1 > . Une autre solution possible qui sera éventuellement réalisée est liée à la rapidité de calcul du microprocesseur. En effet, si les calculs de comparaison définis ci-dessus peuvent être réalisés en temps réels, le processeur déclenche alors lui-même les instants ti tj. L'allure des tensions obtenue sans filtrage à la sortie du générateur de tension de fréquence variable suivant l'invention, est représentée à la fig. 4. On considére les trois phases 81, 02 et 93 du secteur d'entrée et Si on suppose une séquence de fonctionnement du circuit de commutation 1 dans laquelle l'interrupteur 7 relie la phase d'entrée 91 a la phase de sortie #1 entre les temps t1 et t2, puis l'interrupteur 8 relie la phase d'entrée 92 a la phase de sortie # 1 entre les instants t2 et t3 et ensuite l'interrupteur 9 relie la phase d'entrée 3 à la phase de sortie # 1 entre les instants t3 et t4. Ensuite, l'interrupteur 8 relie à nouveau la phase d'entrée 92 a la phase de sortie 1 entre les instants t5 et t6, l'interrupteur 9 relie à nouveau la phase d'entrée 93 a la phase de sortie # 1 entre les instants t6 et t7 et l'interrupteur 7 relie a nouveau la phase d'entrée 91 à la phase de sortie # 1 entre les instants t7 et t8. On obtient ainsi l'onde 91 représentée à la Fig .4' Si l'on suppose maintenant que les interrupteurs 10, 11, 12, relient successivement à la phase de sortie 9 2, les phases d'entrée 91. 02 et 93, selon les temps d'ouverture de ces interrupteurs, on obtient aisément l'onde 2 représentée à la Fig.4. Avec les trois autres interrupteurs 13, 14, 15. on obtient de meme la phase de sortie #3 représentée à la Fig.4. Ainsi avec la séquence des temps indiquée plus haut, on obtient a la sortie du générateur, trois phases # 1, 2, t3, décalées de 2 #/3 et de fréquence égale à la moitié de la fréquence de l'onde initiale du secteur. L'obtention d'un réglage en tension est pos sible en jouant sur les instants ti et tj, pour diminuer la tension de sortie. L'exemple donné ci-dessus explicite clairement le fonctionnement du générateur de tension de fréquence variable suivant l'invention. En déterminant des séquences synchronisées à partir du secteur à 50 Hz, il est facile d'obtenir un signal de sortie dont les fréquences sont de la forme 50 m/p ou m est p sont respectivement des nombres entiers. il est possible d'ailleurs d'obtenir un signal de sortie à fréquence quelconque, mais les ouvertures et les fermetures des interrupteurs lorsqu'il y a synchronisation sont en cohérence avec les signaux. Il est ainsi possible de diminuer les fronts raides des commutations et donc d'éviter des harmoniques de rangs élévés, même Si ces derniers sont facilement filtrés par les selfs et les capacités réparties du câblage et des bobinages du moteur à commander. Le signal de sortie n'est pas aussi pur que dans le cas des générateurs qui disposent d'un onduleur. Mais, la solution proposée présente les avantages suivants - elle est d'une conception modulaire car le sous-ensemble "programme des temps d'ouverture et de fermeture" est commun à toutes les gammes de puissance, - le sous-ensemble de sécurité est également commun; - les circuits d'amplification des signaux de commande sont adaptés à chaque puissance; - les circuits interrupteurs sont spécifiques à chaque puissance. L'absence de circuit de redressement élimine les ensembles a selfs des condensateurs de filtrage et le système de refroidissement qu'il y a lieu de leur associer. L'ensemble des circuits est donc, du fait de la simplicité de la solution, réduit au minimum. Pour toutes ces raisons, le prix de revient d un tel ensemble est particulièrement économique. ReVENDICATIONS 1. Générateur de tension de fréquence variable à partir d'une source de tension alternative comportant au moins deux phases (91. 92, 93 > , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (1) de commutation des phases de la source de tension alternative sur au moins une phase de sortie (41 e3 2. 93), des moyens (24,25) d'élaboration de signaux correspondant a des instants d'actionnement des interrupteurs des moyens de commutation, des moyens (22) de comparaison desdits instants a des signaux correspondant aux instants réels d'évolution des phases d'entrée du dispositif et des moyens (26.27) de génération de signaux d'actionnement des interrupteurs du dispositif de com mutation (1) > en vue d obtenir une tension la plus pro- che possible de la tension souhaitée. 2. Générateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commutation comprennent autant de groupes d'interrupteurs commandés (7,8,9; 10,11,12,i3,14,15) qu'il y a de phases de sortie ( 9 2, 93X, les interrupteurs de chaque groupe étant connectés chacun entre une phase de sor tie à laquelle le groupe est associé et les phases d'entrée, les organes de commande des interrupteurs étant connectés auxdits moyens (3) d'élaboration de comparaison et de génération. 3. Générateur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits interrupteurs commandés (7,8,9,10,11,12,13,14,15) sont des interrupteurs électromécaniques à relais, des transistors, des thyristors. 4. Générateur suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'élaboration, de comparaison et de génération com prennent un microprocesseur (24 > d'élaboration de signaux d'instants de commutation des interrupteurs (7 à 16 > des moyens de commutation en vue d'obtenir la tension souhaitée, en fonction d'au moins un paramètre (V,F) de ladite tension. un compteur (21) de signaux d'horloge (20) destinés à délivrer des signaux de temps correspondant aux instants réels d'évolution des phases d'entrée, un comparateur (23) des signaux de sortie du compteur (21) avec les signaux d'instants de commutation élaborés par le microprocesseur et des moyens (26,27) de sélection et de commande des interrupteurs (7 a 15) connectés audit comparateur (23). 5. Générateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de sélection et de commande sont constitués par autant de sélecteurs 126) et de bascules (27) que les moyens de commutation (1) comportent d'interrupteurs (7,15) à commander.