Brevet FR2600840A1 — publié le 19871231

Onduleur à thyristors auto-piloté La présente invention se situe dans le domaine des onduleurs de puissance à thyristors à auto-pilotage,dont les applications principales sont le chauffage à induction et les générateurs d'ultra-sons. La fiabilité de ces onduleurs est difficile à maîtriser, surtout aux fréquences élevées, supérieures à IO kHz.Ces appareils sont difficiles à protéger contre deux dangers principaux: le double allumage et les sur-intensités,qui peuvent survenir à tout instant et souvent de façon erratique.L'objet de la présente invention consiste en un onduleur à thyristors auto-piloté, à protection totale contre le double allumage et contre les sur-intensités.La protection contre ledouble allumage est obtenue par le déclenchement séquentiel de chaque thyristor à partir du précédent, tel que le déclenchement d'une nouvelle phase ne puisse parvenir que postérieurement à l'interruption totale du courant de la phase précédente, rendant impossible toute conduction simultanée. Ce procédé de déclenchement séquentiel est complété par un circuit de dé Irvarrage automatique par impulsion unique.Cet ensemble assure, en même temps le pilotage automatique.La protection contre les sur-intensités est obtenue par le déclenchement instantané d'un mono stable, qui bloque l'excitation desP tes pendant un temps déterminé et la rétablit dès qu'il reprend son état initial, réalisant ainsi lu double fonction disjoncteur-conjoncteur automatique.Le blocage des portes n'arrete pas aussitôt le courant du thyristor en état de conduction, mais empêche ce thyristor de déclencher le suivant, arrêtant ainsi la channe séquentielle.En résumé, le nouvel onduleur selon l'invention comporte 3 circuits associés: le premier donne l'excitation séquentielle des thyristors, qui assure à la fois le pilotage automatique et la protection contre le double allumage; le second don - ne l'impulsion unique de démarrage de la chaîne séquentielle, qui ne pourrait pas s'amorcer seule ,puisque chaque thyristor est à l'état O à la mise sous tension et ne peut donc déclencher le suivant;le troisième circuit donne la disjonction instantanée en cas de sur-intensité et la conjonction automatique en un temps assigné.L'onduleur selon l'invention dérive du montage classique de 2 thyristors à diodes anti-parallèles, à résonance série LCR, la charge R connectée au point milieu de la source continue d'alimentation. Le procédé de déclenchement séquentiel selon l'invention consiste à utiliser l'impulsion de courant de chaque diode anti-parallèle, à envoyer cette impulsion à un circuit du type "générateur d'impulsion juxtaposée ', à dériver le flanc terminal de cette impulsion juxtaposée et à u tiliser cette impulsion dérivée pour déclencher le thyristor suivant Etant donné que 1' impulsion de courant dans une diode anti-parallèle sera toujours postérieure à l'extinction du courant dans le thyristor associé et que cette impulsion de diode est ensuite remplacée par une impulsion juxtaposée, donc encore postérieure, et qu'on utilise le flanc terminal de cette impulsion juxtaposée pour déclencher le thyristor suivant, on voit qu'en aucun cas un thyristor ne sera déclenché avant l'extinction du thyristor précédent suivie de l'extinction de sa diode associée. La sécuri té est donc totale, tout double allumage étant impossible.Pour une meil- leure compréhension des circuits de cet onduleur nouveau, on se réfère à 5 figures.La figure I donne le schéma-bloc d'ensemble de l'onduleur comportant les 3 circuits associés; la figure 2 donne le détail d'un étage générateur d'impulsions juxtaposées et de leur dérivation; la figure 3 don- ne les diagrammes en fonction du temps des signaux en présence dans le montage de la figure 2; la figure 4 montre le circuit générateur d'im pulsion unique de démarrage; la figure 5 montre le circuit mono stable de disjonction- conjonction de protection contre les sur-intensités. Sur la figure I, T et Tt désignent les 2 thyristors de l'onduleur; I désigne l'anode, 21a cathode, 3 la porte du thyristorT . 17désignel'anode, I8 la cathode, 19 la porte du thyristor 1z; Il la diode anti-parallèle de T, I2 un enroulement en série avec Il, primaire d'un petit transformateur de liaison de secondaire 13; 20 la diode anti-parallèle de Tt ,21 un en roulement en série avec 20, primaire d'un petit transformateur de liaison de secondaire 22.Le secondaire 13 est relié au bloc JI générateur d'impulsions juxtaposées transmises par le petit transformateur de liai son de primaire 14 et secondaire 15 à la porteI9 et à la cathode 18 du thy ristor T/. Le secondaire 22 est relié au bloc J2 générateur d'impulsi ons juxtaposées transmises par le petit transformateur de liaison de pri m aire 23 et secondaire 24 ala port et à la cathode 2 du thyristor T. Supposons le thyristor T amorcé et T/ bloqué: la self d'accord 4 et le condCsateur 7 cosstituant un réseau LC de résonance-série, T sera par couru par une alternance de courant sinusoidal et se bloquera peu après le début de l'inversion du courant; l'alternance inverse passe par la diode II et le primaire I2, est transmise par le secondaire I3 au bloc JI qui génère une impulsion juxtaposée qui déclenche T/.A son tour est par couru par une alternance sinusordale due au circuit de résonance-série self 16- condensateur 7, se bloque et laisse l'alternance suivante parcourir la diode anti-parallèle 20 et le primaire 21 et attaquer le bloc J2 grateurde l'impulsion juxtaposée appliquée par le transformateur 23/24 à l'entréekortelcathode de T , qui re-décl41che et ainsi de suite. Sur la figure I, B désigne le + HT (+ haute-tension)et M la masse ou -HT. 66-67 désignent 2 condensateurs de forte capacité en série entre +B et M, constituant le diviseur de tension capacitif de point milieu N. La figure rye 2 donne le schéma des blocs Jl et J2 générateurs d'impulsions juxta-posuées.Sur ce schéma, le transistor 40 est saturé au repos, sa base étant reliée par la résistance 39 à un potentiel positif sur le potentiomètre 37, branché entre les 2 pâles d'une source continue auxiliaire DM.Le collec- teur,relié au +D par la résistance 41, est donc au potentiel 0 de la masse.Le courant de la diode Il est transmis par le primaire 12 et le se condaire I3 et le condensateur 38 à la base du transistor 40: ce signal de phase positive maintient le transistor 40 en son état initial de satura t ion et charge le condensateur 38; dès l'arrêt de ce signal, la base se trouve donc brusquement polarisée négativement par rapport à son émetteur, bloquant le transistor dont le potentiel de collecteur remonte brusquement à +D et reste à cette valeur jusqu'à ce que le condensateur 38, rechargé en positif à travers la résistance 39 et le potentiomètre 37, redonne à la base un potentiel de conduction, remettant aussitôt le collecteur au potentiel de la masse(0). Sur la figure 3,le courant de la diode II est représenté par la courbe X, et le potentiel de collecteur de 40 par la courbe Y ; ces créneaux rectangulaires Y constituant les impulsions (ou tops) juxtaposés adjacents aux signaux X .Ces créneaux adjacents Y sont dérivés par la liaison condensateur 42- résistances 43-44 en 2 impulsions de polarité inverse représentées par la courbe Z ( fig.3) et applitées à l'entrée base-émetteur d'un transistor pnp (46) que seules les impulsions négatives rendent conducteur, engendrant sur son collecteur les signaux W ( fig.3). Ces signaux V sont transmis par le primai rye 14, amorti par la résistance 45, au secondaire 15 et appliqués, selon la phase voulue, à l'entrée porte/cathode (I9/I8) du thyristor 1/, dont le déclenchement est donc postérieur à l'arrêt du signal X, ce décalage étant donné par la durée des créneaux Y.On règle à volonté ce temps de retard par le potentiomètre 37 qui donne la polarisation de repos du transistor (40); ce potentiomètre pouvant être commun aux 2 circuits et et J2 permet un réglage unique des durées des signaux Y des 2 canaux. Ikne fois le thyristor Tt déclenché, le cycle décrit pour le bloc JI se re produit identique pour le bloc j2 dont les impulsions W, transmises par le primaire 23 et le secondaire 24 à l'entréeporte/cathode (3-2) du thyristor T assurent son déclenchement. Les cycles se répètent, tous identiques. Sur la figure I, le couplage à la charge est assuré par un circuit oscillant du type cellule en adaptateur d'impédances: les 2 condensa- teurs d'accord 7 et 8 et la self d'accord 6 permettent l'adaptation optimale à la résistance de charge 5, sans nécessiter de transformateur de sor tie.Sur le schéma-bloc de la figure I on voit 2 blocs 9 et 10 envoyant un signal à la borne (a) du bloc j1 ; cet ensemble 9-10, qui constitue le générateur d'impulsion unique de démarrage de la c haine séquentielle, est représenté par la figure 4 sur laquelle on désigne par(9) le primaire d'un transformateur de liaison, par 47 le secondaire à prise médiane, par 48-49 deux diodes en redressement des 2 alternances, 50-51 la résistance et le condensateur de détection; la tension détectée provient donc du courant anode/cathode des thyristorsTTlet rend conducteur le transistor 52 placé en shunt sur le condensateur 54 qui constitue, avec larvé~ sistance 53 le RC d'un transistor Unijonction d'émetteur 55, et de bases 56-57 avec leurs résistances 58-59.A l'allumage de l'appareil,tant que l'onduleur n'est pas déclenché,la tension détectée sur 50/5I est nulle et le transistor 52 est bloqué; le transistor Unijonction décharge donc le condensateur 54 et donne sur sa base 57 une impulsion négative que l'on transmet, par le condensateur 60 à la résistance 43, au point (a) de la figure 2 et qui déclenche, par le transistor 46 ,une impulsion sur le secondaire I5 qui attaque l'entrée 19/I8 porte /cathode du thyristor T dont le déclenchement assure le fonctionnement séquentiel de l'ondu - leur.Le courant du thyristor Tt une fois déclenché engendre une tension détectée positive sur 50/5I qui rend conducteur le transistor 52 en shunt sur le condensateur 54, arrêtant le fonctionnement de l'oscillateur Unijonction et l'empêchant de générer une deuxième impulsion. Au cas ou, pour une raison quelconque, l'onduleur viendrait à s'arrêter, l'Unijonction engendrerait une nouvelle impulsion unique de démarrage.La protection contre les sur-intensités est donnée par le bloc 28 de la figure I avec ses RC associés et le transistor MOS (32-33-34 )monté en porte en modulateur- shunt. Cet ensemble est représenté par la figure 5 sur laquelle on désigne par : 25 une résistance parcourui;ar le courant du thyristor Tl; 27/26 un RC de dérivation en impulsions appli quées à l'entrée d'un mono-stable à 2 transistors;6I la résistance couplant la base d'entrées collecteur de sortie 31 du mono stable; 62 la résistance de collecteur du premier transistor, 65 celle du deuxième; 63/64 la liaison RC définissant la durée du top du mono-stable;Ce monostable est bloqué, au repos, parune polarisation positive de ses 2 émetteurs, donnée par le pont de 2 résistances 29/30 entre masse et + A. Dès que le courant du thyristor TI dépasse un certain seuil, l'impulsion dérivée déclenche le mono-stable dont le créneau de sortie sur le collecteur 31 débloque le transistor MOS ou porte - - shunt qui met à la masse le point +D relié aux 2 points. b-d des 2 blocs JI J2 , arrêtant le fonctionnement des 2 gdîiérateurs d'impulsions juxta-posées et, par suite, toute la charge séquentielle La tension au point D dérivede la sour ce d'alimentation auxiliaire A à travers la résistance chutrice 35 et la diode Zener 36;;elle constitue la tension d'alimentation commune aux 2 blocs JI J2 détaillés sur la figure 2.Le générateur d'impulsions juxtaposées con stitue un retardateur des impulsions de courant des diodes anti-parallèles, en vue de marquer un léger temps d'arrêt entre la fin des courants des diodes et le déclenchement du thyristor suivant. Le générateur d'impul sions juxta-posées ou adjacentes a l'avantage d'assurer ce temps d'arrêt automatiquement quel que soit son réglage. Une variante de circuit re tardateur, non représentée en dessin séparé, consiste à appliquer l'impulsion de courant des diodes anti-parallèles à l'entrée d'un mono-stable générateur d'impulsions étalées, dont on règle la durée du top de sortie et dont on dérive le flanc terminal en impulsion de déclenchement du thyristor suivant.Dans les deux casA impulsion adjacente ou impulsion étalée), la durée Y '(figure 3) du retard de l'impulsion de déclenchement par rapport à la fin de l'impulsion de courant des diodes, peut être rendue réglable, afin de faire varier la puissance moyenne de sortie progres sivement par un simple potentiomètre=Par le seul potentiomètre 37(fig.2), réglant simultanément les polarisations continuas des 2 circuits retardateurs, on dispose d'un moyen simple pour fairc varier la puissance, Une variante du circuit de démarrage automatique de la chaîne séquentielle consiste à utiliser comme générateur d'impulsion unique un oscillateur constitué de portes à 2 entrées dont l'une, asservie au courant de l'un des thyristors, sert d'électrode de blocage de l'osciltateur dès que démarre le courant du thyristor. Sur la figure 1, le point b du bloc J1 est relié au point d du bloc J2 et au point + D d'alimentation relié à la porte de disjonction. Le point c de Ici est relié au point e de J2 et à l'axe du potentiomètre 37 commun aux 2 blocs0 L es applications principales de cette invention concernent les généra teurs d'ultra-sons et les générateurs de chauffage à inductions REVENDICATION S t. Onduleur à thyristors à diodes anti-parallèles,à auto-pilotage,caracté risé en ce que l'excitation de chaque thyristor est obtenue à partir de l'im pulsion de courant de la diode anti-parallèle du thyristor précédent, cette impulsion étant elle même différée par un circuit retardateur d'impulsai ons: le démarrage de la chaîne séquentielle étant assuré par un générateur d'impulsion unique asservi au courant de l'un des thyristors; la protection contre les sur-intensités étant obtenue par un mono-stable déclenché par les impulsions provenant du dépassement du niveau d'intensité assigné et fonctionnant en disjoncteur-conjoncteur. ( Figure I . ) 2.Onduleur à thyristors selon la revendication I, caractérisé en ce que le retardateur d'impulsions comprend une impulsion de courant de chaque diode anti-parallèle transmise à un circuit générateur d'impulsions juxta-posées dont on dérive le flanc terminal pour exciter le thyristor suivant. ( Figures 2 et 3 ). 3. Onduleur à thyristors -selon revendication I, caractérisé en ce que le retardateur d'impulsions comprend une impulsion de courant de chaque diode anti-parallèle transmise à un mono-stable générateur d'impulsions étalées,dont on dérive le flanc terminal pour exciter le thyristor suivant. (Figure I). 4. Onduleur à thyristors selon revendications I,2,3, caractérisé en ce que le démarrage automatique de la chaîne séquentielle comprend un générateur d'impulsion unique efl transistor Uni-jonction qui se bloque dès que onduleur a démarré . (Fig. 4 ). 5. Onduleur à thyristors selon revendications I,2,3,caractérisé en ce que le démarrage automatique de la chaîne séquentielle comprend un générateur d'impulsion unique réalisé à l'aide de portes à 2 entrées dont l'une est asservie au courant de l'un des thyristors. (Figure I). 6.Onduleur à thyristors selon revendications 1,2,3,4,5, caractérisé en ce que la protection contre les sur-intensités comprend des impulsions dérivées du courant de l'un des thyristors,appliquées à l'entrée d'un mono-stable polarisé, déclenché seulement par les impulsions de dépassement du seuil de polarisation; la sortie de ce mono-stable entraînant la conduction d'un transistor monté en modulateur-shunt venant courtcircuiter la tension continue d'alimentation des circuits d'auio-pilotage. (Figure 5 ). 7. Onduleur à thyristors selon revendications 1,2,3,4,5,6, caractérisé en ce que le réglage de puissance comprend la durée du retard du cir REVENDICATIONS ( Suite) guit retardateur d'impulsions rendue réglable par variation simultanée de la polarisation continue des bases de commande des 2 circuits retardateurs, à l'aide d'un unique potentiomètre .( Figure I).