Brevet FR2623031A2 — publié le 19890512

FR 2623031 A2 19890512 FR 8715659 A 19871110 DISPOSITIF PERFECTIONNE POUR LE REGLAGE DES ECHANGES D'ENERGIE ENTRE DES SYSTEMES ELECTRIQUES GENERATEUR ETjOU RECEPTEUR L'invention concerne des perfectionnements au dispositif statique de réglage d'échanges d'énergie faisant l'objet de la demande principale nO 85.11291 ; elle se rattache plus particulièrement à la revendication 5 de cette demande principale et aux revendications d'application 22, 23 et 24. Dans la demande principale est décrit un dispositif de réglage des échanges d'énergie entre au moins deux systèmes électriques générateur et/ou récepteur (SO, 51 Sn) en vue de contrôler les puissances délivrées ou absorbées par lesdits systèmes selon un cahier des charges déterminé ; dans une forme de réalisation, ce dispositif comprend : (a) associé à chaque système électrique, au moins un convertisseur statique d'énergie électrique (Cp, Cal... Can) connecté audit système et possédant une entrée de pilotage pour recevoir un signal de pilotage, lesdits convertisseurs étant aptes à convertir les grandeurs électriques des divers systèmes en des grandeurs électriques de fréquences et de phases fonctions des signaux de pilotage, (b) un circuit de déphasage commandable (D), agencé pour imposer une fréquence commune (f) en sortie des convertisseurs statiques (Cp, Cal...Can) et comportant, d'une part, une unité de référence (Dr) reliée à l'entrée de pilotage de l'un des convertisseurs (C ), dit convertisseur p pilote, d'autre part, une unité de réglage de phases reliée aux entrées de pilotage des autres convertisseurs (Cal... Can), dits convertisseurs asservis, ladite unité de réglage de phase étant constituée de déphaseurs (D1, D2... Dn) chacun associé à un convertisseur asservi en vue d'imposer en sortie de celui-ci un déphasage par rapport au convertisseur pilote (cor) fonction d'un signal de commande (suc1... Scn) reçu par ledit déphaseur, (c) un réseau oscillant (OSC) connecté aux divers convertisseurs et apte à assurer un stockage temporaire d'énergie et à osciller à la fréquence commune (f) précitée, (d) des moyens de commande de phase (MCD) adaptés pour délivrer vers les déphaseurs (D1, D2... D n > des signaux de commande de phase (Scl, Sc2... Suc nu fonctions des échanges d'énergie prescrits par le cahier des charges précité. Un tel dispositif permet de bénéficier des avantages d'un fonctionnement à haute fréquence (réduction des poids, encombrement et coût des éléments passifs accessoires filtres, transformateurs... rapidité des temps de réponse) sans présenter les défauts inhérents aux dispositifs classiques de ce type fonctionnant en haute fréquence. Ces performances sont obtenues par un réglage de puissance, à fréquence donnée, effectuée par ajustement des phases relatives des convertisseurs asservis. On se reportera à la demande principale pour plus de détail sur le fonctionnement de base du dispositif et sur ses diverses caractéristiques préférentielles de réalisation (revendications 3, 4 , 6, 7, 8, 9, 10 de la demande principale). La présente invention se propose d'améliorer les performances du dispositif précité et d'optimiser les courants qui circulent dans les éléments constitutifs du dispositif en fonction des échanges d'énergie prescrits par le cahier des charges de façon à réduire les pertes quel que soit le point de fonctionnement. A cet effet, le dispositif conforme à la présente invention du type défini précédemment se caractérise en ce que l'unité de référence est constituée par un oscillateur à fréquence commandable (dur) adapté pour délivrer vers le convertisseur pilote (C p) un signal de pilotage (sp) de fréquence fonction d'un signal de commande (sur) présent à l'entrée dudit oscillateur, des moyens de détection (DET) sont reliés au réseau oscillant (OSC), lesdits moyens de détection étant adaptés pour délivrer un signal électrique, dit signal d'état (se), représentatif de l'état électrique dudit réseau oscillant (OSC), des moyens de commande d'état (MCE) sont prévus pour délivrer un signal de consigne (cons) représentatif d'un état électrique à imposer au réseau oscillant (OSC), une unité de régulation (REG) est agencée pour recevoir le signal de consigne (cons) issu des moyens de commande d'état (MCE) et le signal d'état (se) issu des moyens de détection (DET), ladite unité étant adaptée pour délivrer vers l'oscillateur à fréquence commandable (Dr) un signal de commande, dit signal de commande de fréquence (scr), en vue de fixer à chaque instant la fréquence (f) du signal de pilotage (sp) issu dudit oscillateur et d'obtenir par cet ajustement de fréquence un état électrique du réseau oscillant (OSC) correspondant au signal de consigne (cons). Ainsi dans le dispositif de l'invention, les réglages de puissance sont toujours effectués par ajustement des phases relatives des convertisseurs asservis par rapport au convertisseur pilote, mais la fréquence commune (f) est à chaque instant ass.ervie en vue d'imposer au réseau oscillant (OSC) un état prédéterminé fonction du point de fonctionnement. Cet asservissement est réalisé par l'unité de régulation (REG) et l'oscillateur à fréquence commandable (Dr) à partir du signal d'état (se) et du signal de consigne (cons), en imposant au convertisseur pilote une fréquence (f) adaptée pour amener le réseau oscillant dans l'état recherché. Le dispositif bénéficie ainsi d'un degré de liberté supplémentaire qui permet d'améliorer les performances au voisinage de chaque point de fonctionnement en affectant à la fréquence (f) la valeur optimale. I1 convient de souligner que, le réglage de puissance s'effectuant par le contrôle des phases, les variations relatives de la fréquence (f) demeurent limitées de sorte que les avantages du dispositif de base sont préservés. De façon générale, les pertes dans les circuits sont directement fonctions des courants qui y circulent et l'optimisation consistera à réduire les amplitudes de ces courants. Le réseau oscillant (OSC) étant connecté à tous les convertisseurs, le courant qui y circule donne une bonne image des courants qui circulent dans lesdits convertisseurs ; ainsi les moyens de commande (MCE) seront de préférence adaptés pour délivrer un signal de consigne (cons) représentatif de l'amplitude minimum du courant dans ledit circuit oscillant (OSC) permettant d'assurer les échanges de puissance désirés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des dessins annexés qui en présentent, d'une part, un schéma général (figure 1), d'autre part, un mode de réalisation préférentiel dans le cadre d'une application particulière (figure 2). Le dispositif représenté à la figure 1 est destiné à gérer les échanges d'énergie entre n+l systèmes électriques générateurs et/ou récepteurs, 50 51--- 5n et une charge réceptrice R. Le bilan des puissances moyennes échangées entre ces systèmes et la charge est supposé équilibré : cet équilibre peut provenir du cahier des charges lui-même (la gestion étant à faire entre les n+2 éléments qui sont imposés par l'application) ou peut être obtenu par la mise en place de la charge R (la gestion étant à faire entre les n+l systèmes électriques). Le dispositif comprend n+l convertisseurs statiques pilotables Cp, Cal, Ca2... Can composés chacun d'interrupteurs statiques à semi-conducteurs dont au moins un commandable. Les interrupteurs statiques de chaque convertisseur sont éventuellement associés à des circuits d'aide à la commutation (classiques en eux-mêmes) qui ont pour rôle d'améliorer les conditions de commutation des interrupteurs ; chaque interrupteur statique commandable est doté d'un circuit de blocage et/ou amorçage apte à commuter l'interrupteur en fonction d'un signal de pilotage reçu par le convertisseur. Ces convertisseurs peuvent être de plusieurs types bien connus en eux-mêmes (redresseur, onduleur de tension...). Chaque convertisseur pilotable Cp, Cal... Ca n est associé à un des systèmes électriques So 51 5n et est apte à assurer une conversion d'énergie électrique continue ou basse fréquence en une énergie de fréquence plus élevée. En outre, la charge R est associée à un convertisseur non pilotable CR, généralement un redresseur à diodes, apte à fonctionner à la fréquence élevée précitée. Les divers convertisseurs Cp Cal, Ca2... Can, CR sont connectés à un réseau oscillant (OSC), en l'exemple par l'entremise de transformateurs T0, T1, T2... Tn, Tr aptes à assurer une adaptation d'impédance et un isolement galvanique. Ces transformateurs bénéficient de la réduction de taille et poids, liée à leur fonctionnement à fréquence élevée. Certains transformateurs ayant une fonction redondante peuvent le cas échéant être supprimés. Chaque transformateur peut être complexe et en particulier comporter un ou plusieurs enroulements primaires et/ou secondaires, couplés ou non. Dans sa forme 1-a plus simple, le réseau oscillant (OSC) est constitué par un réseau d'inductances éventuellement couplées, et de condensateurs, apte à osciller à la fréquence élevée précitée et à assurer un stockage temporaire d'énergie à l'échelle de sa période d'oscillation. Les convertisseurs C Cal... Ca n sont pilotés par un circuit de déphasage commandable D qui délivre vers chacun de ceux-ci des signaux de pilotage sp, sa1... se n permettant d'obtenir en sortie desdits convertisseurs des grandeurs électriques (V, I) dont la fréquence est commune et dont les phases relatives sont fonctions de signaux de commande reçus par ledit circuit de déphasage. Ce circuit de déphasage D est commandé, d'une part, par des moyens de commande de phase (MCD) qui délivrent vers ledit circuit des signaux de commande scl, sc2... son fonctions des échanges d'énergie prescrits par le cahier des charges, d'autre part, par une unité de régulation (REG) adaptée pour délivrer vers ledit circuit un signal de commande de fréquence -sc r permettant de fixer à chaque instant la fréquence f du signal de pilotage sp du convertisseur Cp. L'unité de régulation REG reçoit, d'une part, un signal de consigne -cons- qui est délivré par des moyens de commande d'état MCE, d'autre part, un signal d'état -sedélivré par des moyens de détection DET reliés au réseau oscillant OSC. Ces moyens de détection DET délivrent un signal d'état -se- représentatif à chaque instant de l'état électrique du réseau oscillant OSC, cependant que le signal de consigne -cons- engendré par les moyens MCE est représentatif, dans chaque application, de l'état électrique à imposer'audit réseau oscillant OSC. Ce réseau oscillant est avantageusement constitué par un circuit oscillant LC série, connecté en série à la sortie des convertisseurs Cp Cal... Can, ce qui donne au dispositif une structure simple. L'état électrique de ce circuit oscillant est alors caractérisé par l'amplitude du courant qui le traverse et c'est cette amplitude qui sera imposée par le système à chaque point de fonctionnement. A cet effet, les moyens de détection DET sont adaptés pour délivrer un signal d'état -se- représentatif du courant qui circule dans ledit circuit oscillant ; les moyens de commande d'état MCE sont adaptés pour délivrer un signal de consigne -cons- représentatif de l'amplitude du courant à imposer dans ce circuit oscillant. L'unité de régulation REG est adaptée pour délivrer vers l'oscillateur à fréquence commandable Dr un signal de commande de fréquence scr apte à fixer à chaque instant la fréquence f du signal de pilotage sp issu dudit oscillateur en vue d'imposer dans le circuit oscillant série OSC un courant d'amplitude correspondant au signal de consigne -cons-. Par ailleurs, le circuit de déphasage D comprend, en premier lieu, une unité de référence Dr constituée par un oscillateur à fréquence commandable. Cet oscillateur reçoit le signal de commande de fréquence scr issu de l'unité de régulation (REG) et délivre vers un convertisseur dit convertisseur pilote Cp, un signal de pilotage sp de fréquence fonction dudit signal de commande de fréquence. Le circuit de déphasage D comprend en outre n déphaseurs D1, D2... Dn chacun relié à l'entrée de pilotage d'un convertisseur Cal, Ca2... Ca n dit convertisseur asservi, en vue d'imposer à la sortie desdits convertisseurs asservis des déphasages par rapport au convertisseur pilote Cp fonctions des signaux de commande scl, sc2... son. Ces déphaseurs D1... Dn reçoivent sur leur entrée de commande les signaux de commande scl ... sc n issus des moyens de commande de phase MCD en vue du réglage de leur phase et ont des entrées de référence rl, r2... rn reliées à la sortie des moyens de détection DET en vue de prendre leur référence de phase sur le signal d'états -se-. Ce signal -se possède une fréquence égale à la fréquence f imposée par le convertisseur pilote au réseau oscillant OSC de sorte que les signaux de pilotage sa1... sa n sont également à cette fréquence f laquelle constitue la fréquence commune de fonctionnement. I1 est à noter que les déphaseurs D1... D n peuvent également prendre leur référence sur le signal sp à la sortie de l'oscillateur Dr. Toutefois le premier mode de réalisation précité est préférable pour les régimes transitoires, car dans ce cas la référence est directement prise sur une grandeur électrique image de l'état électrique du réseau oscillant ; de plus les déphaseurs D1... Dn et l'oscillateur Dr n'ont alors plus de liaison électrique directe : ainsi le dispositif possède un caractère modulaire en raison de l'indépendance des commandes du convertisseur pilote Cp et des convertisseurs asservis Cal... Ca n Bien entendu cette prise de référence aval de phase et de fréquence au niveau de la sortie des moyens de détection DET est fonctionnellement équivalente à une prise de référence amont au niveau de la sortie de l'oscillateur Dr. Le fonctionnement d'ensemble du dispositif est similaire à celui décrit dans la demande principale mais avec une commande supplémentaire de la fréquence f pour chaque point de fonctionnement qui permet d'imposer au réseau oscillant et donc aux divers éléments constitutifs du dispositif un état électrique optimisé, en particulier un courant d'amplitude minimum dans le circuit oscillant OSC compatible avec l'échange d'énergie prescrit à chaque instant. Par ailleurs, un mode de réalisation du dispositif de l'invention est représenté à la figure 2, en vue de gérer les échanges d'énergie entre deux systèmes électriques constitués, d'une part, d'une source de tension continue réversible en courant SO et, d'autre part, d'un système électrique complexe Sx générateur et/ou récepteur à n entrées E1, E2... En La nature du système électrique Sx conditionne la fonction réalisée par un tel dispositif, la source de tension réversible en courant So étant, par exemple, une batterie d'accumulateurs. Dans un exemple très courant, le système Sx est un réseau actif ou passif, réversible en tension et/ou en courant. Le dispositif précité constitue alors un générateur de puissance capable d'imposer à ce réseau une forme d'onde quelconque de tension ou de courant, continue ou alternative, à partir de la source continue qu'est la batterie. Le réseau Sx précité peut en particulier être une machine asynchrone polyphasée et le dispositif de l'invention permet d'assurer l'alimentation de celle-ci et le contrôle de sa vitesse à partir de la source de tension continue réversible en courant Ce dispositif peut aussi par exemple être utilisé en vue de reconstituer un réseau monophasé ou polyphasé toujours à partir d'une batterie (groupe de secours). Cette liste des applications potentielles du dispositif envisagé illustrent l'intérêt dudit dispositif et n'est pas limitative. Le dispositif comprend n+l convertisseurs pilotables Cp Cul... CXn qui sont des onduleurs de tension en l'exemple monophasés. Le convertisseur pilote Cp est associé à la source SO tandis que tous les convertisseurs asservis Cx1... Cxn sont associés au système électrique Sx à n entrées. Chacun des onduleurs asservis Cu1... Cxn est, côté alternatif, connecté à un transformateur T1... Tn et, côté continu, fermé sur un condensateur &alpha;1... #n. Ces n onduleurs asservis Cx1... Cxn sont, côté continu, couplés en étoile et connectés au système Sx de telle façon que chacun desdits onduleurs asservis possède l'une de ses bornes continues connectée au noeud N de l'étoile et l'autre borne continue reliée à une entrée E1... En du système Sxs L'onduleur pilote Cp est piloté par un oscillateur Dr du type déjà décrit ayant une fréquence commandable cependant que chacun des onduleurs asservis Cx est piloté par un déphaseur Di du type déjà décrit, prenant sa référence sur un signal d'état -se- image de l'état électrique du réseau oscillant OSC en vue d'imposer à cet onduleur asservi une fréquence f identique à celle de l'onduleur pilote et un déphasage déterminé (signaux de pilotage déjà évoqués : sa1... se sa,). L'onduleur pilote Cp est en l'exemple relié directement au réseau oscillant OSC cependant que les onduleurs asservis Cul... Cx n sont reliés audit réseau oscillant OSC par l'entremise de transformateurs T1... Tn : chacun de ces transformateurs a son enroulement primaire connecté à l'un des onduleurs précités, tandis que tous leurs enroulements secondaires sont connectés au réseau oscillant OSC. Le réseau oscillant OSC est constitué d'inductances et de condensateurs aptes à osciller à la fréquence élevée précitée et à assurer un stockage temporaire d'énergie. En particulier, le réseau oscillant peut être constitué par un circuit oscillant LC série connecté en série avec les n secondaires des transformateurs T1... Tn eux-mêmes interconnectés en série. Les moyens de détection DET sont dans ce mode de réalisation constitués par un transformateur d'intensité possédant un enroulement primaire monté en série avec le circuit oscillant OSC et un enroulement secondaire relié à l'unité de régulation REG. Le signal -se- délivré par le secondaire de ce transformateur DET est représentatif de l'amplitude du courant circulant dans le circuit oscillant OSC. L'enroulement secondaire du transformateur DET est également relié à l'entrée de référence de chacun des déphaseurs D1... Dn Le régulateur REG est de type classique en lui-même, par exemple régulateur proportionnel/intégral. I1 reçoit le signal de consigne -cons- issu des moyens de commande d'état MCE pour délivrer le signal sc r vers le déphaseur Dr qui conditionne un ajustement de la fréquence commune f de travail et impose dans le circuit oscillant OSC un courant d'amplitude égale à la consigne. Chacun des déphaseurs D1... Dn reçoit un signal de commande scl... scn de l'unité de commande MC, fonction des échanges de puissance souhaités. Par exemple, cette unité de commande peut être constituée de n régulateurs permettant d'imposer les tensions entre les bornes continues de chaque onduleur asservi Cul... Cxn. Dans le dispositif représenté à la figure 2, chacun des onduleurs C Cul... Cx n est monophasé et possède au moins une paire d'interrupteurs statiques commandables à semi-conducteurs. Comme évoqué dans la demande principale, chacun de ces interrupteurs est disposé en antiparallèle avec une diode et peut être soit du type KA apte à présenter un blocage spontané pour un courant voisin de O et un amorçage commandé, soit du type KB apte à présenter un amorçage spontané sous une tension voisine de O et un blocage commandé. REVENDICATIONS 1/ - Dispositif de réglage des échanges d'énergie entre au moins deux systèmes électriques générateur et/ou récepteur (SOS 51 5n > en vue de contrôler les puissances délivrées ou absorbées par lesdits systèmes selon un cahier des charges déterminé, ledit dispositif comprenant (a) associé à chaque système électrique, au moins un convertisseur statique d'énergie électrique (Cp, Cal... Can) connecté audit système et possédant une entrée de pilotage pour recevoir un signal de pilotage, lesdits convertisseurs étant aptes à convertir les grandeurs électriques des divers systèmes en des grandeurs électriques de fréquences et de phases fonctions des signaux de pilotage, (b) un circuit de déphasage commandable (D), agencé pour imposer une fréquence commune (f) en sortie des convertisseurs statiques (Cp, Cal... Cl nu et comportant, d'une part, une unité de référence (Dr) reliée à l'entrée de pilotage de l'un des convertisseurs (Cp), dit convertisseur pilote, d'autre part, une unité de réglage de phases reliée aux entrées de pilotage des autres convertisseurs (Cal... Can), dits convertisseurs asservis, ladite unité de réglage de phases étant constituée de déphaseurs (D1, D2... Dn) chacun associé à un convertisseur asservi en vue d'imposer en sortie de celui-ci un déphasage par rapport au convertisseur pilote (C p) fonction d'un signal de commande (sc1... Scn > reçu par ledit déphaseur, (c) un réseau oscillant (OSC) connecté aux divers convertisseurs et apte à assurer un stockage temporaire d'énergie et à osciller à la fréquence commune (f) précitée, (d) des moyens de commande de phase (MCD) adaptés pour délivrer vers les déphaseurs (D1, D2...Dn) des signaux de commande de phase (Scl, Sc2... Suc nu fonctions des échanges d'énergie prescrits par le cahier des charges précité, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l'unité de référence est constituée par un oscillateur à fréquence commandable (Dr) adapté pour délivrer vers le convertisseur pil.ote (Cp) un signal de pilotage (S p > de fréquence fonction d'un signal de commande (scr) présent à l'entrée dudit oscillateur, des moyens de détection (DET) sont reliés au réseau oscillant (OSC), lesdits moyens de détection étant adaptés pour délivrer un signal électrique, dit signal d'état (se), représentatif de l'état électrique dudit réseau oscillant (OSC), des moyens de commande d'état (MCE) sont prévus pour délivrer un signal de consigne (cons) représentatif d'un état électrique à imposer au réseau oscillant (OSC), une unité de régulation (REG) est agencée pour recevoir le signal de consigne (cons) issu des moyens de commande d'état (MCE) et le signal d'état (se) issu des moyens de détection (DET), ladite unité étant adaptée pour délivrer vers l'oscillateur à fréquence commandable (Dr) un signal de commande, dit signal de commande de fréquence (suc,), en vue de fixer à chaque instant la fréquence (f) du signal de pilotage (Sp) issu dudit oscillateur et d'obtenir par cet ajustement de fréquence un état électrique du réseau oscillant (OSC) correspondant au signal de consigne (cons). 2/ - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déphaseurs (D1, D2... Dn) ont des entrées de référence (rl, r2... r,) reliées à la sortie des moyens de détection (DET) en vue de prendre leur référence de phase sur le signal d'état (se). 3/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le réseau oscillant (OSC) est constitué par un circuit oscillant (LC) série, connecté en série à la sortie des convertisseurs (Cp, Cal... Cen > de préférence à travers des transformateurs (To, T1... ton) caractérisé en ce que - les moyens de détection (DET) sont adaptés pour délivrer un signal d'état (se) représentatif du courant circulant dans ledit circuit oscillant série (OSC), - les moyens de commande d'état (MCE) sont adaptés pour délivrer un signal de consigne (cons) représentatif de l'amplitude du courant à imposer dans le circuit oscillant (OSC), - l'unité de régulation (REG) est adaptée pour délivrer vers l'oscillateur à fréquence commandable (dur) un signal de commande de fréquence (sur) apte à fixer à chaque instant la fréquence (f) du signal de pilotage (sp) issu dudit oscillateur en vue d'imposer dans le circuit oscillant série (OSC) un courant d'amplitude correspondant au signal de consigne (cons). 4/ - Dispositif selon la revendication 3, en vue du réglage des échanges d'énergie entre un premier système électrique constitué par une source de tension continue réversible en courant (So > et un second système électrique (six) complexe, générateur et/ou récepteur à n entrées (E1, E2... En) comprenant - un convertisseur pilote constitué par un onduleur de tension pilote (C ) associé à la source p continue (So), et n convertisseurs asservis constitués chacun par un onduleur de tension (Cxl, Cx2...Cxn) associé à une entrée du système complexe (Sx) - des transformateurs (T1, T2... T n > connectés par leurs enroulements primaires aux onduleurs asservis (Cxl...Cxn) et par leurs enroulements secondaires au réseau oscillant (OSC). 5/ - Dispositif selon la revendication 4 dans lequel - du côté continu, chaque onduleur asservi (Cx1... Cxn) est fermé sur un condensateur ( î, Y2.. - les n onduleurs asservis sont couplés en étoile par leurs bornes continues, - les n entrées (E1... En) du système électrique (Sx) sont connectées sur les n sommets libres de l'étoile constituée par le couplage des onduleurs. 6/ - Dispositif selon l'une des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de détection (DET) comprennent un transformateur d'intensité possédant un enroulement primaire monté en série avec le circuit oscillant (OSC) et un enroulement secondaire relié à l'unité de régulation (REG). 7/ - Dispositif selon les revendications 2 et 6 prises ensemble, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire du transformateur (DET) est également relié à chacun des déphaseurs (D1... Dn > 8/ - Dispositi f selon l'une des revendications 4 ou 5, appliqué à l'alimentation et au contrôle de vitesse d'une machine asynchrone polyphasée (Sx) à partir d'une source de tension continue réversible en courant (So).