Brevet FR2640058A1 — publié le 19900608

On connait, pour utilisation en courant continu, les régulateurs dits "positifs et abaisseurs", par exemple leur schéma classique est représenté en planche 1. Le transistor Q1 est rendu successivement conducteur ou non en fonction des signaux générés par le pilote P. Ces signaux peuvent être à fréquence fixe et rapport cyclique variable ou à durée de commande fixe et fréquence variable, ce qui revient au même, mais rend plus difficile le filtrage. C'est la première solution qui est généralement retenue. Le rapport cyclique peut être contrôlé par la valeur de la tension Van (O 10 v par exemple), celle-ci résultant d'un ordre en boucle ouverte, ou d'une comparaison dans le cas d'une régulation en boucle fermée. Lorsque le transistor Q1 est conducteur, le courant le circule à travers Q1, I'inductance L1 et la résistance d'utilisation Ri. Négligeons pour l'instant le rôle de la capacité CI. Durant cette phase le courant est identique dans Q1, L1, R1 et croissant à Ve-Vs l'origine selon une pente égale à lui le est égal à Is. A la fin de cette phase de conduction, I'inductance qui a été réceptrice LIe (polarité + à l'entrée, - à la sortie) contient une énergie2. lorsque Q 1 cesse de conduire, l'inductrice devient génératrice (polarité - à l'entrée, + à la sortie) la diode D1 devient conductrice, siège du courant id. Durant cette phase, le courant est identique dans Di, L1 et Rt. II est -décroissant à l'origine selon une pente L / R, le courant dans le transistor Q1 est nul. La courbe A (planche 1) représente la tension à la sortie de QI (donc à l'entrée de L1 ou aux bornes de D1) (n - VE comme référence zéro), évoluant d'un rapport cyclique de 9110 à 1/10 par exemple. La courbe B (planche 1) représente la tension aux-bornes de R1 (Vms à Vms' égale à 90% de Ve dans le cas du rapport cyclique 9/10 et 10 % de Ve pour le rapport 1/10 Pour une valeur appropriée de L1 l'ondulation de Vms pourra être faible et devenir négligeable par la mise en place de Ct. Dans le cas d'un rapport cyclique 1/2, on aura: Ve Vs= 2 Vs 15=R Is le moyen = 2 Pe= Vex le =Vsx Is (aux pertes près Q- LI-Di) I'ensemble se présente donc comme un véritable "autotransformateur" pour courant continu, dont le rendement est voisin de 1 quel que soit le rapport abaisseur. Ce système très connu et très employé, utilisant des fréquences de "découpage" élevées (plusieurs dizaines de KHz) est unidirectionnel et n'est pas utilisable en alternatif. La présente invention consiste à une "symétrisation" du schéma le rendant utilisable en alternatif sous réserve d'une "orientation" synchrone de certains composants, de dispositions et protections particulières. Le schéma de l'axe est représenté en planche 2. Le transistor Qi est remplacé par deux transistors C sposés en série "dos à dos", leurs "sources" étant communes et le pilote les contrôlant en parallèle (Q1 et Q1'). Ils reçoivent chacun en parallèle inverse une diode (D2 et D2'). La diode D1 est remplacée par deux diodes D1 et D1', disposés en série "dos à dos", leurs anodes étant communes. Elles reçoivent chacune en parallèle inverse un transistor (Q2 et Q2') commandés alternativement par le synchronisateur S. Pour la commodité de l'analyse du fonctionnement, on a repéré les entrées alternatives N et PH pour "neutre" et "phase", ces deux repères pouvant être inversés sans inconvénient, simplement semble-t-il plus logique que le neutre soit le point commun entre l'entrée et la sortie. Lorsque la phase est positive et durant toute la demi-période Q2' sera maintenu conducteur, D1 assurant la fonction de diode de retour d'énergie. Durant cette même demi-période, le courant provenant du secteur par Q1 (lorsqu'il est commandé) et D2' traversera L1 puis R1, dans le sens + Lorsque Q1 n'est pas commandé, l'énergie contenue dans LI s'écoulera toujours dans le sens + .parQT, D1, L1 et R1. Lorsque la phase est négative et durant toute la demi-période, c'est Q2 qui sera maintenu conducteur et D1' qui assurera la fonction de diode de retour d'énergie. Durant cette même demi-période, le courant provenant du secteur par Q1' (lorsqu'il est commandé) et D2, traversera L1 puis R1 cette fois dans le sens Pour une valeur constante de la tension de contrôle Van, le rapport cyclique sera constant tout au long de la période secteur et la forme d'onde obtenue à la sortie sera identique à celle d'entrée, avec une amplitude qui dépendra du rapport cyclique choisi. L'ensemble constitue un véritable autotransformateur alternatif, dans lequel la puissance prélevée sur le réseau est égale à la puissance utilisée par la charge, quel que soit le rapport abaisseur (aux pertes des composants près). En particulier, lors de l'utilisation en "abaisseur" l'intensité fournie à la charge sera supérieure à celle absorbée sur le réseau, ce qui ne peut être le cas en ce qui concerne les réglages série à angle variable obtenus à l'aide de transistors, Triac ou Thyristors. De plus, le système ne génère aucune distorsion, la forme du courant à l'entrée étant identique à celle du courant absorbé par la charge. Le système fonctionne tel quel sur des charges résistives ou présentant un cos très proche de 1. Pour des charges fortement réactives, il faut commander: Q1' en permanence lorsque la phase est positive, D2 assurant le retour de l'énergie réactive, et Q1 le découpage. Q1 en permanence lorsque la phase est négative, D2' assurant le retour de l'énergie réactive et Qi' le découpage. Les points A et B suivent la fréquence de découpage avec de fort dv/dt (environ 300 v/lls sur un secteur 220 v). Cela pose le problème de la commande en isolement galvanique des transistors Q1, Q1', Q2, Q2'. La planche 3 expose un schéma complet et expe3rimenté, étudié pour un moteur asynchrone compensé proche de cos 1. L'alimentation de l'électronique de commande s'effectue pour un petit transformateur à 3 secondaires isolés 12v. On dispose ainsi de 3 sources régulées 15 v (aux bornes de C2 - C9 - Ci 6 affectées aux points A, O et B). Les transistors Qi - Q1' - Q2 - Q2' sont du type à effet de champs "HEXFET". Un certain nombre de composants viennent compléter le schéma de base: L2 - L3 - L4 - L5 - L6 - C4, qui évitent le retour de la fréquence de découpage vers le réseau. D23 - D24 - D27 - D28, qui assurent la protection en tension des transistors contre les surtensions de commutation. R12 et R13 qui limitent les courants de commutation, etc... Les diodes D8 - D9 - D10 - D11 ont été prévues pour éliminer les diodes internes aux HEX-FET, trop lentes. Les liaisons en "isolement galvanique" ont été obtenues par utilisation de systèmes "optoélectroniques" (diode électroluminescente + phototransistor) CI1, Cl 2, Cl 3. Bien entendu, tout autre système de liaison (galvanique, par transformateurs, etc...) et l'emploi en lieu et place d'autres semiconducteurs (transistors bipolaires, Thyristors à extinction commandée, etc...) ne sauraient sortir du cadre de l'invention. De même, trois systèmes identiques peuvent constituer un régulateur triphasé. Une "modulation" du rapport cyclique de la fréquence de découpage, durant une période secteur, peut permettre de modifier la forme de l'onde de sortie, avec des applications nombreuses qui resteraient dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système à découpage bidirectionnel destiné à régler ou réguler une tension alternative en vue d'alimenter une charge (RI) résistive, inductive ou inductive et résistive par l'intermédiaire d'un circuit à inductance (LI), capacité (cul), caractérisé en ce qu'il comporte - un premier et un deuxième transistors (Ql.Q'l) montés tête-bêche, leur électrode de source étant commune, en série avec la charge par l'intermédiaire du circuit à inductance-capacité (LI, Cl), une diode (D2, D'2) étant montée en parallèle inverse sur chaque transistor, le premier transistor (Ql) ayant son électrode de collecteur destinée à être reliée à la phase (PH) de la tension alternative et le deuxième transistor (Q'l) étant relié au circuit à inductance capacité (LI, Cl), - une première et une deuxième diodes (Dl, Dtl) montées tête-bêche, leur anode étant commune, les deux diodes reliant le point commun du deuxième transistor (Q'l) et du circuit à inductance capacité (LI, Cl) au neutre (N) de la tension alternative, chacune des première et deuxième diodes (Dl, D'l) étant montée en parallèle inverse sur un transistor (Q2) respectivement (Q'2) ayant leur source commune, - un circuit pilote (P) commandant les premier et deuxième transistors (Ql, Q'1) rendus successivement conducteurs à la fréquence de découpage, - un circuit synchronisateur (S) commandant alternativement les transistors (Q2) et (Q'2? en conduction en synchronisme avec la tension alternative. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la phase (PH) est positive, ledit transistor (Q'2) est maintenu conducteur, ladite première diode (Dl) assurant le retour d'énergie, le courant provenant de la phase (PH) traversant ledit premier transistor (QI) et la diode (D'2) puis l'inductance (lui) et la charge (Rl) lorsque ledit premier transistor (Ql) est conducteur, et, lorsque ledit premier transistor (Ql) n'est pas conducteur, l'énergie circulant par le transistor (Q'2) la première diode (Dl), puis ltinductance (Ll) et la charge (Rl), alors que lorsque la phase (PH) est négative, ledit transistor (Q2) est maintenu conducteur, la deuxième diode (D'l) assurant le retour d'énergie, le courant de la phase (PH) traversant le deuxième transistor (Q'l), la diode (D2) à partir de la charge (Rl) et de l'inductance (Ll) en sens inverse. 3. Système selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que les premier et deuxième transistors (Ql, Q'l) et les transistors (Q2, Q'2) sont constitués par des transistors de puissance, des transistors bipolaires, des transistors à effet de champ, des thyristors. 4. Utilisation de trois systèmes identiques selon l'une des revendications l à 3, pour constituer un système triphasé.