Brevet FR2607334A1 — publié le 19880527

La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de commande du sens de circulation de la puissance d'une source de tension continue entre une alimentation triphasée et un circuit de courant continu. Dans ce procédé, la tension triphasée est redressée en une tension continue, au moyen d'un pont à diodes composé de diodes, lorsque la puissance circule dç l'alimentation tri- phasée vers le circuit de courant continu, et d'autre part, afin de convertir la tension continue en une tension alter- native triphasée lorsque la puissance circule du circuit de courant continu vers le réseau triphasé d'alimentation, des transistors sont raccordés en parallèle avec les diodes du pont à diodes, ces transistors étant commandés par des moyens de commande. Il existe de nombreuses applications dans les- quelles on a besoin d'une source de tension continue telle que cette source soit capable à la fois de recevoir et de céder de l'énergie. Un tel besoin existe, par exemple, dans le cas d'un inverseur ou convertisseur de commande d'un mo- teur à courant alternatif alimenté sous une tension cons- tante, si le récepteur sur lequel agit le moteur est capa- ble de fournir de l'énergie. Un ascenseur représente un ré- cepteur typique capable de fournir de l'énergie. Un domaine d'application d'une circulation bidirectionnelle de puissan- ce qui peut être envisagé est, par exemple, trouvé dans des convertisseurs à transistors et thyristors, pour des com- mandes de moteurs à courant alternatif. Les accumulateurs constituent un type de source de tension continue bidirectionnelle. Toutefois, l'utilisa- tion d'accumulateurs présente un certain nombre d'inconvé- nients. Les accumulateurs ont une courte durée de vie. En outre, un dispositif est nécessaire pour charger l'accumu- lateur et, en cas d'un retour de puissance supérieur à la capacité de l'accumulateur, celui-ci ne peut plus recevoir le reste de l'énergie. Le poids élevé des accumulateurs, les acides dangereux qu'ils contiennent et leur prix élevé sont d'autres inconvénients. Xl est actuellement fréquent d'utiliser, pour une source de tension continue bidirectionnelle entre un réseau de distribution de courant alternatif et un circuit en courant continu, des ponts à thyristor avec et sans cou- rant de circulation, dans lesquels la puissance fournie par la charge réceptrice est envoyée au réseau de courant alter- natif. Un circuit sans courant de circulation, réalisé au moyen d'un pont à thyristor, est basé sur le principe qu'un de deux ponts est conducteur,en fonction du sens du courant. Le temps de permutation entre les ponts est relativement long. Un circuit sans courant de circulation peut également être réalisé au moyen d'un pont à diodes et d'un pont à thyristor, en ce qu'on utilise un autotransformateur pour transmettre la puissance en circulation. Il est alors pos- sible de maintenir constamment conducteur le pont à thyris- tor de conversion en courant alternatif. Dans le circuit de courant continu d'un conver- tisseur de fréquence, il se produit des pertes de puissance en circulation, du fait de l'ondulation de la tension conti- nue obtenue à partir de la distribution triphasée par re- dressement sur deux alternances ou sur onde totale. La puis- sance en circulation peut être de valeur importante dans des convertisseurs d'ascenseurs et atteindre plusieurs di- zaines de kilowatts. La puissance en circulation engendre notamment un grand nombre d'harmoniques dans le courant du réseau d'alimentation. On limite souvent la puissance en circulation, au moyen d'une inductance insérée dans le cir- cuit de courant continu. Il est nécessaire, en vue de la limitation des harmoniques produites dans le courant du ré- seau, d'utiliser la plus forte inductance possible. Toute- fois,une inductance élevée est gênante, par exemple lors- qu'un convertisseur est connecté au réseau d'alimentation triphasé au moyen d'un redresseur. Dans ce cas, une oscil- lation de tension est engendrée par l'interaction de la capacité électrique et de l'inductance dans le circuit de courant continu, ce phénomène ne se produisant pas dans le cas d'inductances normales du réseau. On peut considérer comme un autre inconvénient de l'inductance qu'elle provo- que une chute de tension pendant des fluctuations rapides de la charge réceptrice. Dans un circuit à pont à thyristor,avec un cou- rant de circulation, les deux ponts peuvent également être maintenus constamment conducteurs. Il n'y a alors pas besoin de piloter séparément le sens de circulation de l'énergie. L'inconvénient des circuits à pont à thyristor réside dans la complexité des circuits de commande de thyristor. En ou- tre, le temps nécessaire à l'amorçage et à l'extinction des thyristors est relativement long. La présente invention a pour objet d'éviter les inconvénients précités, Le procédé suivant l'invention pour commander le sens de circulation de la puissance d'une source de tension continue entre un réseau triphasé et un circuit de courant continu est caractérisé en ce que les tensions de commande des moyens de commande sont établies au moyen de diodes à partir de la distribution triphasée, d'une manière telle que chaque transistor est conducteur pendant le temps o la diode connectée en parallèle avec le transistor est conductrice, et en ce que les temps de con- duction des transistors sont raccourcis, afin de réduire la puissance en circulation dans le circuit de courant con- tinu, par branchement d'une diode Zener en série avec cha- que élément de commande de transistor. L'avantage principal de la présente invention par rapport aux techniques à thyristors réside dans une plus grande simplicité et une plus grande vitesse du cir- cuit de commande, car les temps d'amorçage et d'extinction des transistors sont plus courts que ceux des thyristors. Lorsqu'on commande les transistors pour qu'ils soient con- ducteurs pendant une partie seulement des temps de conduc- tion des diodes, on peut réduire la puissance en circula- tion dans le circuit de courant continu sans utiliser d'im- pédances élevées et coûteuses. En outre, il ne se produit pas de chute de tension, provoquée par l'impédance, pendant les variations rapides de la charge de puissance. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, comprenant des diodes reliées en un pont à diodes pour redresser la tension triphasée en une tension continue lorsque la puissance circule du réseau triphasé vers le circuit de courant continu, des transistors rac- cordés en parallèle avec chaque diode du pont à diodes pour transformer la tension continue en une tension triphasée lorsque la puissance circule du circuit de courant continu vers le réseau triphasé, et desélénents de commande pour commander les transistors, est caractérisé en ce qu'il comprend des diodes qui établissent une tension de commande à partir du réseau triphasé, pour leséléments de commande, d'une manière telle que chaque transistor est conducteur pendant le temps de conduction de la diode raccordée en parallèle avec le transistor, et également des diodes Zener dont chacune peut être raccordée en série avec chaque élé- ment de commande de manière à raccourcir les temps de con- duction des transistors et à réduire la puissance en cir- culation dans le circuit de courant continu. L'avantage du circuit de commande de transitor suivant l'invention est que l'unité de commande ne nécessite pas de source de tension séparée: la tension qui est néces- saire est obtenue directement à partir de l'alimentation triphasée. Aucun comparateur séparé n'est nécessaire dans le circuit, puisque la comparaison des tensions est ef- fectuée avec les diodes. En outre, le circuit est simple. Outre les dispositions qui précèdent, l'inven- tion comprend encore d'autres dispositions qui ressorti- ront de la description qui va suivre. L'invention serA mieux comprise à l'aide du com- plément de description ci-après, qui se réfère Aux dessins annexes dans lesquels s la figure 1 représente une source de tension con- tinue conforme à l'invention, et l'unité de commande de transistor, et la figure 2 illustre les tensions de phase de la distribution triphasée alimentant la source de tension con- tinue, et les temps de conduction des transistors pendant une période de la tension de phase. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. On considère maintenant, pour commencer, le dis- positif conforme à l'invention, avec référence à la figure 1. La figure 1 représente un pont à diodes dans lequel, conformément à l'invention, un transistor Q1-Q6 est rac- cordé en parallèle avec chaque diode D1-D6 du pont à diodes, et une unité de commande de transistor. Le pont à diodes sert de source de tension continue, à partir de laquelle on obtient une tension continue qui peut être envoyée par exemple au convertisseur de commande d'un moteur à courant alternatif.Si la charge exercée sur le moteur, un ascenseur par exemple, est également capable de fournir de la puis- sance, la puissance de retour est injectée dans le réseau d'alimentation triphasé. Afin de commander le sens de cir- culation de la puissance vers le réseau triphasé alimentant la source d'alimentation continue, lorsque la puissance cir- cule du circuit de courant continu vers le réseau triphasé, l'invention prévoit de brancher un transistor Q1-Q6 en pa- rallèle avec chaque diode DI-D6. La figure 2 illustre les tensions de phase UR, US et UT du réseau triphasé alimentant la source de tension con- tinue, les temps de conduction tl-t6 des diodes et les temps de conduction t7-t12 des transistors pendant une pé- riode de la tension de phase UR. Les tensions de phase UR, US et UT déterminent les temps de conduction tl-t6 des dio- des DI-D6 de sorte que la diode, conductrice pendant la demi-période positive, connectée dans chaque phase est conductrice lorsque la tension dans la!phase respective est supérieure à toute autre tension de phase, et de sorte que la diode qui est conductrice pendant la demi-période néga- tive est conductrice lorsque la tension dans la phase respec- tice est inférieure aux autres tensions de phase. Par exem- ple, la diode D1 est conductrice lorsque la tension UR est positive et supérieure aux autres tensions de phase US et UT, De même, la diode D2 est conductrice lorsque la tension UR est négative et inférieure aux autres tensions de phase US et UT. Les transistors Q1-Q6 sont commandés par i'unité de commande de sorte que chaque transistor Q1-Q6 est conduc- teur pendant le temps de conduction tl-t6 de la diode D1-D6 placée en parallèle avec le transistor considéré. L'unité de commande comprend, comme représenté sur la figure 1, des éléments de commande H1-H6 pour commander les transistors Q1-Q6. Les éléments de commande H1-H6 peuvent être réalisés par exemple au moyen de transistors utilisant un circuit sui- veur émetteur double et les éléments de commande peuvent com- porter des opto-isolateurs pour effectuer une isolation gal- vanique. Le condensateur C1 est nécessaire pour filtrer la tension continue. L'unité de commande de la figure 1 comprend des diodes D7-D24 pour commander chaque transistor Q1-Q6 à par- tir de l'alimentation triphasée, au moyen des éléments de commande l1-H6, de sorte que le transistor Q1-Q6 soit con- ducteur pendant le temps de conduction de la diode respecti- ve D1-D6 raccordée en parallèle avec lui. On utilise les diodes D24 pour comparer les tensions dans deux phases et, dans le cas des transistors Q1, Q3 et Q5 qui sont conducteurs pendant la demi-période positive, on choisit là tension qui est la plus élevée, tandis que dans le cas des transistors Q2 Q4 et Q6, qui sont conducteurs pendant la demi-période négative, on choisit la plus basse des deux tensions, Par exemple, les diodes D13 et D14 comparent les tensions US et UT et choisissent la plus élevée des deux à tout instant, et les diodes D19 et D20 comparent les tensions US et UT et choisissent celle qui est la plus faible à tout instant. La fonction des diodes D7-D12 est d'alimenter les éléments de commande HIH6 avec des tensions de commande établies à partir des tensions de phase UR, US et UT lors- que la diode D1-P6 connectée en parallèle avec le transis- tor Q1-Q6 est conductrice, conformément aux temps de conduc- tion tl-t6 des diodes comme illustré sur la figure 2. Tou- tefois, afin de réduire le courant en circulation dans le circuit de courant continu, les transistors Q1-Q6 ne sont pas maintenus conducteurs pendant tout le temps de conduc- tion tl-t6 de la diode P1-D6 connectée en parallèle: une diode Zener Z1Z6 est raccordée en série avec chaque élément de commande H1-H6, pour réduire les temps de conduction t7- t12 des transistors Q1-Q6. La puissance en circulation, qui résulte de l'ondulation de la tension continue obtenue par redressement d'onde complete, est diminuée lorsque les tran- sistors Q1-Q6 ne peuvent pas être conducteurs pendant que la tension continue pulsatoire dans le circuit de courant continu est à son amplitude la plus faible, puisque la puis- sance en circulation est le produit de la tension et du cou- rant et que le courant est élevé à cet instant. Les diodes Zener Z1-Z6 peuvent être composées d'une pluralité d'unités à diode Zener unique. La tension des diodes Zener Z1-Z6 engendre une chute de tension supplémentaire entre chaque tension de pha- se UR, US et UT et l'élément de commande respectif H1-H6. Cette chute de tension supplémentaire a pour effet que les temps de conduction t7-t12 des transistors Q1-Q6 sont raccourcis puisque chaque diode D7-D12 commence à conduire plus tArd et cesse de conduire plus t8t qu'en l'absence des diodes Zener Z1-Z6. Avec certaines tensions des diodes Zener Z1-Z6, les temps de conduction t6-tl2 des transis- tors Q1- Q6 sont de 50% des temps de conduction tl-t6 des diodes D1-D6, comme illustré sur la figure 2. On peut uti- liser l'interrupteur S1 pour couper ou mettre en service l'unité de commande, comme nécessaire. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'in- vention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réa- lisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. Revendications I. Procédé de commande du sens de circulation de la puissance d'une source de tension continue entre un ré- seau d'alimentation triphasé et un circuit de courant con- tinu, un pont à diodes composé de diodes (D1-D6) étant uti- lisé dans ledit procédé pour redresser la tension triphasée en une tension continue lorsque la puissance circule du réseau triphasé vers le circuit de courant continu, et des transistors (Q1-Q6) étant raccordés en parallèle avec les diodes (D1-D6) du pont à diodes dans ledit procédé pour la conversion de la tension continue en une tension alternati- ve triphasée lorsque la puissance circule du circuit de cou- rant continu vers le réseau triphasé, lesdits transistors (Q1-Q6) étant commandés au moyen d'éléments de commande (H1-H6), caractérisé en ce que les tensions de commande pour les éléments de commande (H1-H6) sont établies au moyen de diodes (D7-D24) à partir du réseau triphasé, d'une manière telle que chaque transistor (QI-Q6) est conducteur pendant le tempsde conduction (tl-t7) de la diode placée en paral- lèle avec le transistor respectif (Q1-Q6), et en ce que les temps de conduction (t7-t12) des transistors sont raccour- cis, afin de réduire la puissance en circulation dans le circuit de courant continu, par branchement d'une diode Zener (Z1-Z6) en série avec chaque transistor (Q1-Q6). 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, comprenant des diodes (D1-D6) re- liées en un pont à diodes pour redresser la tension tripha- sée en une tension continue lorsque la puissance circule du réseau d'alimentation triphasé vers le circuit de cou- rant continu, des transistors (Q1-Q6) connectés en paral- lèle avec chaque diode (Dl-D6) pour convertir la tension con- tinue en une tension alternative triphasée lorsque la puis- sance circule du circuit de courant continu vers le réseau triphasé, et des éléments de commande (H1-H6) pour commander les transistors (Q1-Q6), caractérisé en ce qu'il comprend des diodes (D7-D24) pour établir des tensions de cormmande, à partir du réseau triphasé, pour les éléments de commande (H1-H6) de sc-re que chaque transistor (QI-Q6) est conduc- teur pendant Se temps de conduction de la diode (PDI-D6) placée en parallèle avec le transistor respectif, et des diodes Zener (ZI-Z6) dont chacune peut être connectée en série avec chaque élément de commande,(Hl-H6) pour raccour- cir les temps de conduction (t7-t12) des transistors (Q1- Q6) et réduire la puissance en circulation dans le circuit de courant continu,