Brevet FR2592746A1 — publié le 19870710

"Convertisseur statique de puissance à découpage avec dispositif de protection contre les surintensités" La présente invention se rapporte aux convertisseurs statiques de puissance à découpage, en particulier du genre convertisseurs continu-continu unidirectionnels, mettant en oeuvre des interrupteurs blocables. Ces convertisseurs à découpage ou hacheurs ont fait l'objet d'un développement important, dans le domaine de la traction électrique notamment grâce à la mise au point d'interrupteurs blocables performants, également connus sous le sigle GTO (initiales de la dénomination anglaise Gate Turn Off), se prêtant à une commutation rapide avec établissement et coupure de courants importants sous des tensions élevées. I1 subsiste cependant des problèmes en matière de protection de ces interrupteurs blocables contre les surintensités qui peuvent résulter soit d'un défaut de commande par exemple, soit d'un court-circuit sur la charge. La charge étant constituée en général par une impédance complexe, enroulement de moteur par exemple, habituellement shunté par une diode dite de roue libre, il est connu de réaliser la protection en disposant entre une source de courant continu et cette charge montée en série avec un interrupteur blocable, une inductance de choc suivie d'un thyristor court-circuiteur adapté à être déclenché lorsque l'intensité de courant appelée par la charge dépasse une valeur de consigne, le rôle de ce thyristor court-circuiteur étant bien entendu de soulager l'interrupteur blocable des surintensités en cas de court-circuits pendant le temps nécessaire au fonctionnement du disjoncteur ou fusible placé en amont. Or, l'expérience montre que le dispositif de protection ainsi conçu présente le grave défaut de voir son action de soulagement de l'interrupteur blocable différée pendant un laps de temps non négligeable qui risque souvent d'être fatale pour l'interrupteur blocable à protéger. La présente invention a pour objet de supprimer ce défaut de temporisation de la protection et elle consiste essentiellement à prévoir à cet effet l'association à l'inductance de choc d'une inductance dite secondaire disposée en aval du thyristor court-circuiteur, les deux inductances étant montées en autotransformateur. Grâce à cette disposition, dès l'amorçage du thyristor court-circuiteur l'inductance secondaire devient le siège d'une tension de soufflage tendant à provoquer l'extinction de l'interrupteur blocable en accélérant le transfert de courant de ce dernier dans le thyristor court-circuiteur de protection. Les caractéristiques et avantages de l'invenion ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma simplifié d'un exemple de réalisation de l'invention la figure 2 est une vue de détail en perspective d'une forme préférée de réalisation d'une inductance à air selon l'invention. Suivant l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, le convertisseur statique est alimenté de manière usuelle à partir d'une source de courant continu par l'intermédiaire d'un filtre à inductance série LO et condensateur parallèle CO, ce dernier étant shunté par un circuit amortisseur à diode D1 et résistance R1. Au départ de cette source se trouve le dispositif de protection comportant entre les bornes d'entrée 1 et de sortie 2, une inductance série en deux parties 10, 11 de part et d'autre d'une prise intermédiaire 12 sur laquelle est branché un thyristor court-circuiteur 13 de protection. La gâchette 14 de ce dernier est alimentée par un amplificateur 15 commandé par un comparateur 16 recevant sur l'une de ses deux entrées un signal de consigne c et sur l'autre de ses entrées le signal de mesure élaboré par un intégrateur 17 qui reçoit à son entrée la tension induite dans un enroulement 18 couplé à l'inductance 10. En aval de l'inductance de protection 10-11 se trouve la charge 20, pouvant être constituée par exemple par un enroulement de moteur, shuntée par une diode de roue libre 21 et placée en série avec l'interrupteur blocable 22 qui est rendu alternativement conducteur et bloqué par un dispositif de commande en soi connu, non représenté. Les essais ont permis de démontrer que le fonctionnement de la protection est fondamentalement modifié par la mise en oeuvre de l'inductance secondaire 11: on a étudié à cet effet les conditions de fonctionnement selon que la la charge est branchée, comme indiqué sur la figure 1, à la borne 2 ou directement à la borne 12. Dans ce dernier cas, en effet, lorsque la protection fonctionne à la suite d'une surintensité, pendant toute la croissance du courant dans le thyristor de protection 13, la tension induite dans le câblage polarise négativement la diode 21 et toute la surintensité circulant dans la charge 20 continue à s'écouler à travers l'interrupteur 22 celui-ci ne commence à être soulagé qu'à partir du moment où le courant commence à décroître dans le thyristor 13. I1 en est ainsi lorsque la surintensité est due à un défaut de commande par exemple. Lorsque la charge elle-même est en court-circuit, à chaque amorçage de l'interrupteur 22 l'intensité croit très rapidement, sa croissance n'étant freinée que par l'inductance de choc. La fiabilité du capteur de courant est alors essentielle : il importe qu'elle ne soit pas effectée par cette très forte croissance, pour que l'amorçage du thyristor de protection 13 soit assuré avec le minimum de retard. Dès cet amorçage, le courant de court-circuit se partage entre les deux thyristors 13 et 22, mais les paramètres qui règlent ce partage, à savoir les chutes de tension directes des deux semi-conducteurs et les réactances parasites du câblage sont difficiles à appréhender et varient en général d'un essai à l'autre. La contrainte subie par l'interrupteur 22 est en général très importante. Lorsqu'en revanche, l'inductance secondaire 11 est insérée dans le circuit, la croissance du courant dans le thyristor de protection 13 donne lieu à l'application d'une tension négative ou de soufflage aux bornes de l'interrupteur 22 avec comme résultat une accélération spectaculaire du transfert de courant dans le thyristor court-circuiteur de protection 13. I1 importe que la tension de soufflage ainsi créée assure l'extinction effective de l'interrupteur 22 pendant la montée du courant dans le thyristor de protection 13, car pendant la seconde partie de l'oscillation du courant de décharge (c'est-à-dire au cours de la descente subséquente de l'intensité du courant) la mutuelle inductance joue dans le mauvais sens en tendant à appliquer une tension positive sur l'anode de l'interrupteur 22. Cette condition conduit à choisir une valeur appropriée pour le rapport, soit k, entre les nombres de spires, soit n1 et n2 des deux inductances 10 et 11. Cette valeur appropriée du rapport k est fonction des inductances parasites du câblage qu'il faut neutraliser. Dans les essais pratiques qui ont été effectués de bons résultats ont été obtenus avec des valeurs de k comprises entre 0,2 et 0,3. L'inductance 10-11 doit rester non saturable. Dans une première forme de réalisation on a fait appel à un enroulement torique à air. Dans une seconde forme de réalisation on a employé, conformément à l'illustration de la figure 2, l'enroulement à spires jointives d'une bande d'aluminium 23 revêtue d'une couche isolante sur une carcasse cylindrique 24 en matériau isolant. On aperçoit en 18 le capteur de courant constitué par un enroulement à spire unique sur cette même carcasse. Cette réalisation offre l'avantage d'être plus compacte et de présentr moins de pertes. I1 faut toutefois veiller aux tensions indésirables qu'elle pourrait induire dans les éléments situés au voisinage de son axe. C'est la raison pour laquelle elle est avantageusement blindée par des écrans magnétiques 25, 26 constitués sous forme de plaques ou disques en matériau ferromagnétique, notamment ferrite, et revêtus extérieurement de feuilles 27, 28 en matériau électriquement conducteur, cuivre par exemple. On a souligné déjà ci-dessus l'importance pour le bon fonctionnement de la protection de la fiabilité du capteur de courant. A cet égard, on a obtenu des performances très satisfaisantes avec le capteur mettant en oeuvre, selon l'invention, l'intégration du flux traversant l'inductance de protection. Le procédé est moins sensible aux parasites qu'une mesure directe car les parasites sont intégrés et donnent une somme nulle. Le détecteur fonctionne alors avec un faible filtrage et peut assurer la montée du courant de gâchette en un temps de l'ordre de la microseconde. Dès que le thyristor court-circuiteur devient conducteur, l'intensité de courant circulant dans l'interrupteur 22 entreprend une décroissance pratiqument linéaire, ce qui démontre l'excellente efficacité du dispositif selon l'invention. REVENDICATIONS 1) Convertisseur statique de puissance à découpage avec au moins un interrupteur blocable monté en série avec une charge d'impédance complexe, notamment moteur de traction, desservi à partir d'une source de tension continue par l'intermédiaire d'un dispositif de protection essentiellement composé d'une inductance de choc disposée en amont d'un thyristor court-circuiteur de protection adapté à être déclenché lorsque l'intensité du courant appelé par la charge dépasse une valeur de consigne, ce dispositif étant caractérisé par l'association à l'inductance de choc (10) d'une inductance dite secondaire (11) disposée en aval du thyristor de protection (13), les deux inductances étant montées en autotransformateur. 2) Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'inductance de choc (10) et l'inductance secondaire (11) sont constituées par deux fractions complémentaires d'une inductance à air. 3) Convertisseur selon la revendicatiqn 2, caractérisée en ce que l'inductance à air est constituée par un enroulement torique. 4) Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'inductance à air est constituée par un enroulement à spires superposées d'une bande conductrice, en particulier d'aluminium, revêtue d'une couche isolante, sur une carcasse cylindrique en matériau isolant. 5) Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé par la disposition, en regard de chaque extrémité axiale de la carcasse cylindrique, d'une plaque de blindage en matériau ferromagnétique, notamment ferrite, revêtue du côté extérieur d'une feuille en matériau électriquement conducteur. 6) Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, où la gâchette (14) du thyristor court-circuiteur de protection est alimentée par un générateur de courant d'amorçage (15), asservi à un détecteur de surintensité, caractérisé en ce que ce détecteur comporte un enroulement (18) associé à llinductance de choc (10) de manière à être traversé par son flux et suivi d'un intégrateur (17).