Brevet FR2656963A1 — publié le 19910712

Convertisseur d'énergie électrique. On rappelle qu'un convertisseur, connu également sous le nom d'onduleur, trouve une application dans tous les cas où il est nécessaire de produire du courant alternatif à partir d'une source de courant continu. Le transfert d'énergie de la source continue vers l'utilisation, s'effectue au moyen d'un circuit oscillant composé essentiellement d'un pont d'inductances, de condensateurs de commutation et d'un circuit magnétique de transfert. L'excitation de ce circuit oscillant s'effectue par des interrupteurs commandables à la fermeture du type thyristor ou commandables à la fermeture et à l'ouverture du type transistor, thyristor STO. Ces interrupteurs sont assujettis à un dipôle de commande pour assurer le cycle de fonctionnement compte-tenu de l'ouverture et de la fermeture nécessaire et sélectionnée lesdits interrupteurs. Il en résulte généralement des ondes positives et négatives de courant appelées respectivement courant direct et courant inverse. On renvoie à la figure 1 qui montre un exemple d'allure d'ondes de courant. On distingue également au cours d'une séquence de travail, différentes séquences élémentaires à savoir, une séquence de fonctionnement à vide, une séquence de fonctionnement en court circuit et une séquence de fonctionnement en charge. Chaque séquence est produite par l'enchaînement de cycles de fonctionnement commandé par la fermeture des interrupteurs à un instant déterminé. Le positionnement de cet instant de commande ou d'allumage Ctc > est déterminé en fonction de la séquence de travail. En fonction du positionnement du point d'allumage (tc > et de la séquence de travail considérée, on peut en déduire certains avantages. Par exemple, il est possible d'obtenir des tensions d'allumage supérieures à 100 V et des tensions élevées de maintien de l'arc. Dans le cas d'une application à la soudure, cela permet de travailler avec un arc long tout en maintenant une puissance suffisante pour permettre un important transfert de matière de la baguette vers le produit de soudure. Il est également possible d'obtenir pour le circuit magnétique de transfert, un rapport de transformation du nombre de spires secondaires sur le nombre de spires primaires, inférieur à un dixième. I1 en résulte une réduction importante du courant primaire et par conséquent, des pertes Joules, ce qui permet d'avoir une puissance massique élevée. Cependant, des inconvénients peuvent apparaitre lors de la fermeture des interrupteurs. Notamment 11 s'avère nécessaire de limiter la croissance de la dérivée du courant par rapport au temps dans l'un des interrupteurs, d'éliminer le courant porté par l'une des inductances, de limiter la croissance de la dérivée de la tension par rapport au temps, aux bornes de l'autre interrupteur du pont considéré. Il s'avère donc particulièrement important de maîtriser le degré de magnétisation du couple d'inductances du pont considéré. Selon l'invention, pour résoudre le problème posé de diminuer les contraintes à l'établissements des courants en contrôlant le degré de magnétisation, il a été conçu et mis au point un convertisseur d'énergie électrique dont le couplage des inductances est déterminé pour travailler à volonté, soit sur l'onde de courant direct, soit sur l'onde de courant inverse en fonction de l'application et des formes d'ondes de courant que l'on veut générer dans la charge asservie par le circuit magnétique de transfert. Avantageusement, le couplage des inductances est du type autotransformateur. Plus particulièrement, le problème posé est résolu en ce que le couplage est réalisé par un circuit magnétique fermé contre lequel sont disposées des colonnes qui supportent les enroulements des inductances. Chacune des deux faces latérales du circuit magnétique reçoit deux colonnes, l'enroulement étant déterminé pour accoupler par paire et en diagonale, lesdites colonnes de manière à ce que les couples d' inductances ainsi formés, magnétisent le circuit magnétique en sens inverse. Ce type de couplage des inductances, permet de lmiter le degré de magnétisation continue du circuit à une valeur inférieure à celui des colonnes, d'ou une bonne canalisation des lignes de champs pour un tel circuit. Les diférentes inductances seront donc maintenues à niveau suffisant Pour résoudre le problème posé de travailler loin des conditions de saturation, les enroulements de chaque inductance sont constitués par un nombre réduit de tours de feuillards de cuivre déterminée pour recouvrir la quasi totalité de la colonne support considérée. Un autre problème que se propose de résoudre l'invention est d'évacuer l'énergie magnétique stockée dans la bobine, de manière à couper le courant direct. Ce problème est résolu en ce que chaque colonne qui supporte les enroulements des inductances reçoit un autre enroulement relié a un condensateur de filtrage par l'intermédiaire d'une diode. Pour résoudre le problème posé de travailler avec un faible rapport de transformation tout en ayant des tensions d'allumage et de maintien de l'arc très élevées, le circuit magnétique de transfert est composé d'un double E avec ou non un entrefer et dont les enroulements primaire et secondaire sont conformés pour maîtriser et contrôler les inductances de fuites entre le primaire et le secondaire du circuit magnétique. Ce circuit magnétique est réalisé par des éléments en ferrite ou tôles magnétiques susceptibles de travailler à des fréquences comprises entre 10 KHz et 100 KHz, avec des pertes réduites. Avantageusement, le problème posé est résolu en ce que l'enroulement primaire comprend un nombre réduit de galettes composés d'au moins une couche de feuillards conducteurs minces séparée par un film isolant, la largeur de la ou des couches de feuillards étant proportionnelle à la longueur de la ligne de champs moyenne du circuit magnétique. Chaque galette comprend, convenablement monté sur le caniveau porté par le noyau central du circuit magnétique, un feuillard d'amenée de courant et, en superposition, une alternance de films isolants et de feuillards conducteurs des enroulements, et au moins un feuillard de sortie de courant et un ou des feuillards de liaison entre galettes de niveaux différents. L'enroulement secondaire est composé d'au moins un tour d'un feuillard d'aluminium anodisé. L'invention est exposée, ci-apres, à l'aide des dessins annexés dans lesquels La figure 1 montre un exemple de forme d'ondes de courant avec indication du point d'allumage (TC > . La figure 2 est un schéma électrique de principe de 1' onduleur. Les figures 3 et 3 bis sont des vues en perspective montrant différentes formes de réalisation du circuit magnétique des inductances. La figure 4 est une vue en coupe considérée selon la ligne 4-4 de la figure 3. La figure 5 est une vue en plan à caractère schématique montrant le couplage d'une paire d'inductances et les lignes de champs correspondantes. La figure 6 est une vue de face à caractère schématique correspondant à la figure 5. La figure 7 est une vue semblable à la figure 5, montrant le couplage et les lignes de champs de l'autre paire d' inductances. La figure 8 est une vue de face correspondant à la figure 7. La figure 9 est une vue de face montrant le circuit magnétique de transfert. La figure 10 est une vue en plan et en coupe considérée selon la ligne 10-10 de la figure 9. La figure 11 est une vue partielle et en coupe à une échelle plus importante, montrant un exemple de réalisation d'une structure de galette, relative à l'enroulement primaire du circuit magnétique de transfert. La figure 12 montre un exemple de réalisation d'assemblage des galettes. La figure 13 est un schéma électrique de principe d'une forme avantageuse d'alimentation du convertisseur. On rappelle, pour une meilleure compréhension de la suite de la description, qu'un convertisseur d'énergie électrique ou onduleur comprend deux rails d'alimentation CR+) et (R-) issues dlun pont redresseur de tout type connu et approprié, en combinaison avec des capacités de filtrage.Le tranfert d'énergie de cette source continue ainsi constituée vers l'utilisation, s'effectue par l'intermédiaire d'un circuit oscillant composé pour l'essentiel - de deux couples d'inductances (B1-B4) et CB2-B3 - de condensateurs de commutation (CC1) et (CC2) - d'un circuit magnétique de tranfert (TR) Le primaire du circuit magnétique de tranfert (TR est monté par l'intermédiaire des condensateurs (CG1) et (CC2) entre le point milieu des deux paires d'inductances (B1-B3) et (B2-B45. Le secondaire de ce circuit, alimente la charge. L'excitation du circuit oscillant ainsi définie s'effectue par des interrupteurs (I1-IS) et (I2-I4), pour assurer le cycle de fonctionnement, compte-tenu de l'ouverture et de la fermeture successive et selectionnée desdits interrupteurs. Par exemple, chaque interrupteur peut être composé par un élément actif du type thyristor, couplé en parallèle avec une diode montée en inverse, et combiné avec un réseau de protection à récupération ou non d'énergie. Selon l'invention, le couplage des inductances (B1-B4) et (B2-B3) est déterminé pour travailler à volonté soit sur l'onde de courant direct, soit sur l'onde de courant inverse, en fonction de l'application recherchée et des formes d'ondes de courant que l'on veut générer dans la charge asservie par le circuit magnétique de transfert (TR). Dans ce but, le couplage des inductances (B1-B4) et (B2-B3) est du type auto-transformateur. Comme le montrent les figures 3 et 3 bis, le couplage des inductances est réalisé par un circuit magnétique (1) fermé ou ouvert suivant que l'on souhaite un couplage faible ou fort entre lesdites inductances. Dans le cas d'un couplage faible, le circuit magnétique est constitué de deux U disposés en regard (la) (lb). Dans le cas d'un couplage fort, le circuit magnétique est constitué par des barreaux de matériaux magnétiques (lu). Sur chacune des faces -de ce circuit magnétique, quelle que soit sa forme de réalisation, sont disposées deux colonnes qui supportent les enroulements des inductances B2, B3, B4). Chaque colonne est donc propre à une inductance. Les inductances (B1-B4) et (B2-B3) sont respectivements disposées en diagonale, de part et d'autre du circuit magnétique (1). Pour le courant direct, les couples d'inductances (B1-B4 ) et tB2-B3), magnétisent le noyau central du circuit magnétique (1 > , en sens inverse, ce qui permet de limiter le degré de magnétisation continue du circuit Ce degré de magnétisation est inférieur à celui des colonnes d'où une bonne canalisation des lignes de champs (figures 5 à 8). Les inductances La valeur des inductances (B1, B2, B3, B4) est conditionnée par les performances des interrupteurs (I1, I2, I3, I4) concernant les dérivées de la tension et du courant, par rapport au temps, ainsi que par l'intensité maximum du courant primaire. Dans ces conditions, les enroulements des inductances (B1, B2, B3, B4) sont constitués par un feuil lard de cuivre pour recouvrir la quasi totalité de la colonne support correspondante. Le nombre de tours de feuillard est réduit. On prévoit d'enrouler le feuillard sur un seul tour. Il en résulte une très faible dispersion des lignes de champs magnétiques. En outre, chaque colonne qui supporte les enroulements des inductances (B1, B2, B3, B4) reçoit un autre enroulement CB1A, B2A, B3A, B4A) relié à un condensateur de filtrage (Cl, C2, C3, C4) par l'intermédiaire d'une diode (D1, D2, D3, D4). Un tel montage permet d'évacuer l'énergie magnétique stockée dans la bobine, de manière à couper le courant direct. La tension aux bornes des inductances (B1) (B2) (B3) (B4) reste limitée par la tension qui apparait aux bornes des condensateurs de filtrage divisée par le rapport du nombre de tours des enroulement (B1A) et (B1), (B2A) et (B2), (B3A) et (B3), (B4A) et (B4). Suivant une autre caractéristique importante de l'invention, le circuit magnétique de transfert CTR) est composé d'un double E avec ou non un entrefer. Ce circuit est exécuté au moyen d'éléments en ferrite ou tôle magnétique, susceptibles de travailler à des fréquences comprises entre 10 et 100 K Hz, sans pertes excessives. Les enroulements primaires et secondaires du circuit magnétique de transfert (TR) sont conformés pour maîtriser et contrôler les inductances de fuites entre le primaire et le secondaire. D'une manière particulièrement avantageuse, l'enroulement primaire du circuit magnétique (TR) comprend un nombre réduit de galettes (2) composées d'au moins une couche de feuillards conducteurs minces (2a) séparés par un film isolant (2b) (figure 9). Par exemple, l'enroulement primaire peut être composé de 2 à 4 galettes, comportant chacune 3 à 4 tours de feuillards conducteurs minces, de l'ordre de 1/10 de mm d'épaisseur, séparés par un film isolant très mince, de l'ordre de 2/100 de mm. A titre d'exemple, l'ensemble constitué par la superposition du caniveau (3), des galettes (2) de l'enroulement primaire, et de l'enroulement secondaire (4) ne dépasse pas 4 mm d'épaisseur pour une puissance transmise de l'ordre de 10 Kw. La figure 11 montre la structure d'une galette montée sur le caniveau (3) porté par le noyau central du circuit magnétique de transfert. Cette galette présente un feuillard conducteur d'amené de courant A la figure 12, on a représenté un exemple d'assemblage de galettes (2) dont la structure est semblable à celle indiquée ci-dessus. Dans cet exemple de montage, les galettes se recouvrent légèrement. Les feuillards A noter que pour les fortes puissances, chaque feuillard conducteur peut être constitué par l'assemblage de plusieurs couches très minces. La largeur du feuillard est proportionnelle à la longueur de la ligne de champs moyenne du circuit magnétique. A titre d'exemple indicatif, si le circuit à une ligne de champs moyenne de 50 cm, la largeur du feuillard sera de 3 cm. En ce qui concerne l'enroulement secondaire du circuit magnétique de transfert, ce dernier est constitué d'au moins un tour d'un ou plusieurs feuillards minces concentriques d'aluminium anodisé (4), ou de cuivre traité. De la même façon que pour l'enroulement primaire, dans le cas de fortes puissances, le feuillard conducteur (4) est réalisé par la superposition de plusieurs couches minces. Il apparait donc que les enroulements primaires ou secondaires mettent en oeuvre des conducteurs plats engendrant ainsi, une très faible épaisseur pour lesdits enroulements, d'où les avantages suivants - - très faible dispersion de lignes de champs magnétiques, - maîtrise parfaite de l'inductance de fuite entre le primaire et le secondaire, l'enroulement secondaire, comptetenu de sa faible épaisseur, étant dispasé plus prêt du ou des enroulements primaires, - pertes joules réduites, campte-tenu de l'effet de peau dont l'ordre de grandeur correspondant à l'épaisseur des feuillards conducteurs, - la bonne évacuation des calories, d'une part, par les enroulements et, d'autre partf par le circuit magnétique en tant que tel qui fait office de refroidisseur auxdits enroulements. Ainsi réalisé, ce convertisseur d'énergie, comptetenu du montage et du couplage particulier des inductances, d'une part, et de la conception du circuit magnétique de transfert, d'autre part, trouve des applications très avantageuses, telles que soudure à l'arc, électrolyse, chauffage par induction... Le point d'allumage (toc)1 compte-tenu notamment du couplage des inductances (B1-B4) et (B2-B3), peut être situé à un endroit quelconque, par exemple, entre tO et t2 (figure 1). Avantageusement, le convertisseur d'énergie (CE) tel que décrit, peut être assujetti à un pont de Graetz, comme illustré figure 13. En parallèle sur le pont de diode (5) sont montées des capacités de filtrage (6), chargées par des résistances montées en série (7). Le passage du 380 V triphasé en 220 V monophasé, s'effectue par commutation d'une phase. Des fusibles C8) isolent l'onduleur de la source de tension ainsi définie. Enfin un condensateur de commutation (9) monté en parallèle à l'entrée du circuit de l'onduleur en tant que tel a pour effet de shunter les harmoniques élevés du courant et d'éliminer les surtensions en cas de coupure par les fusibles. Compte-tenu des caractéristiques spécifiques du convertisseur d'énergie et du but recherché, il convient de respecter certains critères dimensionnels concernant, d'une part, le circuit magnétique de transfert, et, d'autre part, le circuit magnétique les inductances (B1) ? (B2), (B3), En ce qui concerne la largeur du feuillard, le rapport entre la longueur de la ligne de champ moyenne (L) du circuit magnétique et la largeur (1) du feuillard, doit être inférieur à la valeur de la perméabilité magnétique relative du matériau dans le rapport En ce qui concerne le circuit magnétique, le choix du matériau et le dimensionnement du circuit magnétique sont déterminés pour que le champ magnétique généré par l'ensemble des enroulements, se situe dans la zone ou la perméabilité relative du matériau croit avec ledit champ magnétique RRVRNDICATIONS -1- Convertisseur d'énergie électrique du type de ceux comprenant, entre deux rails d'alimentation à la sortie d'un pont redresseur, un circuit oscillant, assujetti à des interrupteurs et composé d'inductances et d'un circuit magnétique de transfert, en combinaison avec des condensateurs de commutation, caractérisé en ce que le couplage des inductances (B1) (B2) cob3) (B4) est déterminé pour travailler à volonté, soit sur l'onde de courant direct, soit sur l'onde de courant inverse en fonction de l'application et des formes d'ondes de courant que l'on veut générer dans la charge asservie par le circuit magnétique de transfert -2- Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couplage des inductances (B1-BS) et (B2-B4) est du type autotransformateur. -3- Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le couplage est réalisé par un circuit magnétique fermé ou ouvert (1) contre lequel sont disposées des colonnes qui supportent les enroulements des inductances. -4- Convertisseur selon la revendication 3 caractérisé en ce que chacune des deux faces latérales du circuit magnétique reçoit deux colonnes, l'enroulement étant déterminé pour accoupler paar paire et en diagonale, lesdites colonnes de manière à ce que les couples d'inductances ainsi formés (B1-34) et (B2-B3), magnétisent le circuit magnétique en sens inverse. -5- Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les enroulements de chaque inductance sont constitués par un nombre réduit de tours de feuillards de cuivre déterminée pour recouvrir la quasi totalité de la colonne support. -6- Convertisseur selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisé en ce que chaque colonne qui supporte les enroulements des inductances reçoit un autre enroulement (B1A) (B3A) -7- Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique de transfert (TR) est composé d'un double E avec ou non un entrefer et dont les enroulements primaire et secondaire sont conformés pour maîtriser et contrôler les inductances de fuites entre le primaire et le secondaire du circuit magnétique. -8- Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enroulement primaire comprend un nombre réduit de galettes (2) composés d'au moins une couche de feuillards conducteurs minces séparés par un film isolant, la largeur de la ou des couches de feuillards étant proportionnelle à la longueur de la ligne de champs moyenne du circuit magnétique. -9- Convertisseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque galette (2) comprend, convenablement montés sur le caniveau (3) porté par le noyau central du circuit magnétique (TR), un feuillard d'amenée de courant et, en superposition, des films isolants et des feuillards conducteurs des enroulements, et au moins un feuillard de sortie de courant et un ou des feuillards de liaison entre galettes de niveaux différents. -10- Convertisseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire est composé d'au moins un tour d'un ou plusieurs feuillards minces concentriques d'aluminium anodisé (4) ou de cuivre traité. -11- Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est assujetti à un pont de diodes (5) montées en parallèle avec des capacité de filtrage (6), chargées par des résistances montées en série (7), , un condensateur de commutation (9) monté à l'entrée du circuit du convertisseur ayant pour effet de schunter les harmoniques élevés du courant et d'éliminer les éventuelles surtensions. -12- Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 3, 5, 7 et 10, caractérisé en ce que le rapport entre la longueur de la ligne de champ moyenne du circuit magnétique et la largeur du feuillard doit être inférieur au dixième de la perméabilité magnétique relative du matériau ; le choix du matériau et le dimensionnement du circuit magnétique sont déterminés pour que le champ magnétique généré par l'ensemble des enroulements se situe dans la zone où la perméabilité relative du matériau croit avec ledit champ magnétique.