Brevet FR2646297A1 — publié le 19901026

"Procédé de commande d'interrupteurs pour l'alimentation en ondes entières d'un circuit triphasé" La présente invention concerne un procédé de commande d'interrupteurs du type à thyristors, destiné à l'alimentation en ondes entières d'un circuit de puissance triphasé, plus particulièrement d'un circuit dans lequel la puissance est transmise à travers un transformateur, et remarquable en ce qu'il associe les plus hautes performances, à savoir des ondes entières dépourvues de front raide d'une part et des cycles de courte durée d'autre part, à un circuit de puissance économique à deux interrupteurs seulement, placés sur deux des phases d'alimentation, la troisième phase étant reliée directement à la charge. La commande des thyristors par trains d'ondes entières a trouvé, au cours des deux dernières décades, un champ d'application croissant dans la régulation de chauffage appliqué aux processus industriels, tels que la fabrication et le traitement du verre. Le réglage de la puissance est obtenu par modulation du taux de travail, c'est-à-dire par variation de la durée des trains d'ondes par rapport aux temps de repos entre trains d'ondes. Par rapport à la commande, plus classique, des thyristors par "réglage de phase", la commande par ondes entières présente deux avantages: 1) Suppression de fronts raides sur les ondes de tension et de courant, tant sur le réseau d'alimentation que celui d'utilisation. 2) Amélioration du facteur de puissance. En effet, les fronts raides de tension et courant sont générateurs de parasites et susceptibles de perturber le fonctionnement des autres circuits électroniques, tant analogiques que numériques, alimentés par le même réseau. D'autre part, le maintien du facteur de puissance à une valeur proche de l'unité est impératif dès que la puissance concernée n'est pas négligeable devant la puissance totale absorbée. Or la commande par ondes entières, contrairement à la commande de phase, n'introduit pas de déphasage entre courant et tension et permet en outre d'égaliser la puissance globale absorbée par plusieurs voies de chauffe. Toutefois, la présence d'un transformateur électromagnétique, en tant qu'élément intermédiaire dans la transmission de la puissance délivrée par les interrupteurs à thyristors connectés au primaire et le circuit d'utilisation, connecté au secondaire,-impose au procédé de commande des thyristors de respecter les limites de saturation magnétique du transformateur, compte tenu des régimes transitoires correspondant au début et à la fin des trains d'ondes. Cela se traduit, soit par une complexité accrue, soit par des performances réduites de ces équipements et, effectivement, les procédés de commande à ondes entières pour l'alimentation de circuits triphasés à travers transformateur existant actuellement se divisent en deux catégories: 1) Les procédés à hautes performances, du type de celui décrit dans le brevet français n 71 01242 publié sous le n 2 122 022. Dans ces procédés, les performances potentielles de la commande à ondes entières sont pleinement mises en valeur. Notamment les ondes de tension et courant sont effectivement dépourvues de fronts raides et la durée des cycles de travail est minimale, de sorte que les fluctuations de l'énergie délivrée de part et d'autre de sa valeur moyenne sont minimales également dans le cas d'une seule voie de chauffe et, a fortiori, de plusieurs voies, ce qui permet une égalisation optimale de la puissance globale. Par contre, ils utilisent-trois interrupteurs, un sur chaque phase, et sont de ce fait, moins économiques. 2) Les procédés qui n'utilisent que deux interrupteurs pour les trois phases, tel que celui décrit dans le brevet français n 71 11820 publié sous le numéro 2 089 138, sont économiques, mais présentent de par leur principe, des performances dégradées, du double fait qu'ils introduisent des fronts raides de tension et de courant en début de chaque train d'ondes et ne-peuvent fonctionner qu'avec des cycles de travail longs, pour ménager des périodes de relaxation magnétique suffisantes au transformateur, entre deux trains d'ondes. L'objet de la présente invention est de proposer un procédé qui réalise la synthèse des précédents, en intégrant les hautes performances du premier à un dispositif ne comportant que deux interrupteurs, comme dans le deuxième. Un procédé suivant l'invention est tel que décrit ci- dessous: Il est destiné à un système d'alimentation en ondes entières qui ne comporte que deux interrupteurs en série avec deux des phases, la troisième phase étant connectée directement au-circuit d'utilisation, d'une façon connue en soi. Il est caractérisé par les points suivants: 1> Le début de chaque train d'ondes est réalisé par fermeture successive des interrupteurs à tension nulle, dans un ordre de succession immuable, de préférence inverse de celui des phases sur lesquelles ils sont connectés. En outre, le signe de la dérivée de la tension présente aux bornes du premier interrupteur, à l'instant précédant sa fermeture, est inversé à chaque train d'ondes par rapport au précédent. Enfin, la fermeture du deuxième interrupteur a lieu au premier passage par zéro de la tension à ses bornes qui suit la fermeture du premier interrupteur. 2) La durée d'un train d'ondes est égale à une valeur minimale correspondant à la conduction pendant 570 électriques de chaque interrupteur, augmentée, éventuellement, d'un nombre entier de périodes du secteur. Le fonctionnement du procédé sera mieux compris à l'aide du circuit représenté figure 1 et donné à titre d'exemple. Ce circuit comprend un transformateur triphasé T3 dont le primaire comporte trois enroulements montés en triangle entre les bornes P1, P2, P3. Le secondaire en étoile à trois bornes Sl, S2, S3 débite sur trois résistances R14, R15, R16 représentant une charge active. Les bornes du primaire Pi, P2, P3 sont reliées aux conducteurs d'un réseau triphasé V1, V2, V3, P3 étant en liaison directe avec V3, tandis que P1 et P2 sont reliées à V1 et V2 à travers des interrupteurs Il et I2 respectivement. Le réseau V1, V2, V3 est doté d'un neutre artificiel mis localement à la terre, constitué de trois résistances R1, R2 et R3, branchées respectivement entre V1, V2, V3 et la terre. Les interrupteurs Il et I2 sont constitués chacun d'une paire de thyristors montés tête-bêche SCRl,SCRl', SCR2, SCR2' respectivement. Les gâchettes des thyristors sont attaquées, avec une phase appropriée, par la sortie de transformateurs d'impulsion T1 pour Il et T2 pour I2. Ces transformateurs d'impulsion sont commandés par des monostables U16 et U19, en sortie d'un circuit logique de commande qui comprend: - Deux paires de comparateurs Ul, U2; U3, U4. - Deux jeux de portes NI U6, U8; U7, U9. - Un ensemble de deux portes ET U14, U15 et d'une porte OU U18. - Un compteur U17 et une porte OU associée U12. - Un ensemble d'un inverseur U5, une bascule U10, un bistable Ull et une porte ET U13. Les connexions entre les divers éléments du circuit logique de commande seront précisées lors de la description du fonctionnement. Lorsqu'un thyristor de chaque interrupteur Il et I2 est conducteur (Il et I2 fermés}, la pleine tension est appliquée au circuit d'utilisation à travers T3. Lorsque tous les thyristors sont bloqués (Il, I2 ouverts), la tension aux bornes d'utilisation est nulle. La présence de tension aux bornes du circuit d'utilisation est commandée par un signal binaire extérieur de commande de tension", qui est appliqué à une entrée des portes logiques ET U14 et U15. La valeur moyenne de ce signal binaire représente approximativement le taux de travail du système à ondes entières. En régime établi, c'est-à-dire notamment après que le transformateur ait atteint son état magnétique stationnaire, le processus de commande se déroule de la façon suivante: Lorsque le signal de "commande de tension" passe de l'état logique bas à l'état haut et commande de ce fait un début de train d'ondes, la porte ET U13 ne passe à l'état haut et n'autorise la commande effective de I2 que lorsqu'il y a coïncidence entre le signe de la tension aux bornes de I2, lu en sortie Q de la bascule U10 et l'inverse de la tension présente aux bornes de I2, immédiatement avant le début du train d'ondes précédent, mémorisé en Q du bistable Ull. En effet les comparateurs Ul et U2 connectés aux bornes de I2 à travers les ponts diviseurs des résistances R6-Rll et R7-R10, délivrent à leur sortie des signaux logiques, en général'opposés, images du signe de la tension aux bornes de I2. Dans une plage étroite autour de la tension nulle, ils délivrent un même niveau logique bas, grâce à la tension de polarisation de faible valeur P. appliquée à leur entrée positive à travers la résistance R8 et référencée au neutre des tensions triphasées Vl, V2, V3, défini par les trois résistances Rl, R2 et R3. Au premier passage par zéro de la tension aux bornes de I2 qui suit la montée de la sortie de U13 à l'état haut, les deux niveaux logiques bas appliqués à l'entrée de la porte NI U6, créent un état logique haut à sa sortie. Ce signal est appliqué aux entrées des portes U15 et US. Les quatre entrées de la porte ET U15 sont à l'état haut, la quatrième étant reliée à la sortie C6 du compteur U17 qui est à l'état haut depuis la fin du précédent train d'ondes. U15 transmet un état haut à la porte OU U18 qui provoque une remise à zéro du compteur U17 et le passage à l'état bas de sa sortie C6. Ce signal, transmis par l'inverseur U5, crée un front positif à l'entrée d'horloge de la bascule Ull qui mémorise l'inverse du signe immédiatement antérieur de la tension aux bornes de I2, transmis par la sortie Q de la bascule U10, pour l'utiliser au début du prochain train d'ondes. D'autre part, dès que la tension aux bornes de I2 passe audessus d'un seuil défini par -P et qui est supposé négligeable vis-à-vis de l'amplitude des tensions V1, V2, V3 d'alimentation, celui des comparateurs U1 ou U2 dont la polarité convient, présente un état haut à sa sortie, provoquant un état bas en sortie de U6. La porte NI U8, ayant un état bas sur chaque entrée, transmet un état haut à l'entrée du monostable U16 qui commande, à travers le transformateur d'impulsion T2, la conduction de celui des thyristors SCR2 ou SCR2' dont la polarité convient et provoque la fermeture de I2. Le compteur U17 avance d'un pas par l'action de l'impulsion générée par U16 et transmise par la porte OU U12. Au passage par zéro de la tension aux bornes de l'interrupteur I1 qui suit immédiatement celui de I2, on observe, à l'aide d'une chaîne, constituée des ponts diviseurs à résistances R4, R13 et R5, R12, de la résistance R9, des comparateurs U3, U4, de la porte NI U7, de la porte NI U9, du monostable U19 et du transformateur d'impulsion T1, un fonctionnement homologue de celui décrit ci-dessus pour la fermeture de I2, conduisant à la fermeture de I1 et à l'avance d'un deuxième pas du compteur U17. Au passage par zéro du courant dans I2 puis dans I1, respectivement 210 et électriques environ après leur fermeture, I2 puis I1, se trouvent ouverts un temps très court nécessaire à ce que la tension à leur borne atteigne le seuil défini par -P et provoque ainsi un état logique haut en sortie d'une des portes NI U6 ou U7 et, comme précédemment, une impulsion de commande vers les thyristors de l'interrupteur I2 ou I1 qui est à nouveau fermé, après une interruption dont la durée est supposée négligeable, au même titre que l'amplitude du seuil défini par -P. Chaque impulsion de commande de I2 ou I1, fait progresser le compteur U17 d'un pas. Lorsque I2 et I1 ont reçu chacun deux impulsions de commande, la sortie C4 du compteur U17 passe à l'état haut. Si le signal de "tension de commande" est retombé à l'état bas, le train d'ondes se termine après la sixième impulsion de commande, lorsque la sortie C6 du compteur U17 passe à l'état haut et bloque les portes NI U8 et U9, interdisant la transmission de tout nouvel ordre de commande vers I2 ou Il. Le train d'ondes ainsi obtenu a une durée égale à la durée minimale, correspondant à la conduction pendant 5700 électriques de Il et I2. Le processus de commande recommence après le retour à l'état haut du signal de "commande de tension", de la même façon que précédemment. Si au contraire, le signal de "tension de commande" est encore à l'état haut lorsque la sortie C4 du compteur U17 passe à l'état haut, la sortie de la porte ET U14 passe à l'état haut et provoque, travers la porte OU U18, une remise à zéro du compteur U17. Cette opération a pour effet de rallonger de quatre impulsions de commande, soit une période du réseau d'alimentation, la durée du train d'ondes. Cet accroissement de durée par période entière du secteur, se répète jusqu'à ce que le signal de "commande de tension" soit à l'état bas lorsque la sortie C4 de U17 se trouve à l'état haut. Le train d'ondes se termine, après deux impulsions de commande supplémentaires, lorsque la sortie C6 du compteur passe à l'état haut, de façon identique au cas d'un train d'ondes de durée minimale, décrit plus haut. Le début du train d'ondes suivant est déterminé par le retour à l'état haut du signal de commande, suivant un processus déjà décrit. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'interrupteurs à courant alternatif, pour l'alimentation en ondes entières d'un circuit triphasé, à l'aide de deux interrupteurs enroulements primaires connectés suivant le montage triangle. 4. Procédé suivant la revendication 3, dans lequel l'enroulement primaire du transformateur qui est alimenté par les deux phases auxquelles sont respectivement reliés les interrupteurs (Il et I2), est situé sur la jambe centrale du circuit magnétique du transformateur (T3).