Brevet FR2680290A1 — publié le 19930212

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE A TENSION ET COURANT ALTERNATIF OU CONTINU DONT L'AMPLITUDE ET LA FREQUENCE SONT REGLABLES. La présente invention concerne l'alimentation électrique des équipements ou machines dans lesquelles, il est nécessaire de générer et contôler un courant électrique continu ou alternatif. Ce courant réglable en amplitude, fréquence et forme d'onde alternative, pulsé, redressé ou continu de polarité positive ou négative. Il traverse généralement des charges de tres faible impédance de nature essentiellement resistive et selfique mais qui peut être infinie en cas de rupture de celles-ci. Les dispositifs d'alimentation connus à ce jour capable de générer des courants intenses utilisent généralement le découpage de phase sur le réseau qui est connecté au primaire d'un transformateur abaisseur dont le secondaire est raccordé à un pont de diodes qui permet d'obtenir un courant pulsé variable dont la polarité ne peut changer que grâce à l'interposition de commutateurs inverseurs mécaniques, électro-mécaniques ou électroniques mais dont la fréquence et la forme ne peuvent être reglées. Ces dispositifs ne peuvent fournir un courant continu avec un faible taux d'ondulation, de forte intensité, le filtrage nécessaire étant trop dispendieux en énergie. Le découpage de phase peut être remplacé par un auto-transformateur variable ou tournant qui rendent ces dispositifs d'alimentation encore plus volumineux et lourds. La présente invention vise a simplifier, alléger, rendre moins volumineux et surtout améliorer les rendements énergétiques ainsi que les performances électriques des dispositifs d'alimentation capable de générer des courants intenses qui peuvent être continu simple ou double polarité ou alternatif. A cet effet, il est proposé conformément à la présente invention un dispositif d'alimentation capable de générer de forts courants alternatif ou continu dont l'amplitude et la fréquence sont réglables, composé de - Un redresseur, lorsque ledit dispositif est raccordé au réseau alternatif ou un accès direct à une source de courant continu. - Un hacheur abaisseur continu/continu alimentant un découpeur symétrique connecté au primaire d'un transformateur haute fréquence dont le secondaire via un redresseur à double polarité est connecté à deux commutateurs aiguilleurs associés à deux diodes de roue libre commandées qui restituent à la charge connectée au dispositif suivant l'invention un courant à deux polarités en concordance avec le positionnement des commutateurs aiguilleurs et dont l'amplitude, la fréquence et la forme d'onde est réglée par le hacheur continu/continu connecté en amont du découpeur symétrique. La présente invention à donc pour objet un dispositif d'alimentation électrique capable à partir d'une source à tension continue ou alternative redressée de fournir un fort courant continu ou alternatif à amplitude et fréquence variaable comportant - Un transformateur haute fréquence dont le primaire est alimenté par un découpeur symétrique précédé d'un hacheur abaisseur caractérisé par le fait que ledit hacheur abaisseur règle l'amplitude, la fréquence et la forme d'onde du courant de sortie du dispositif suivant l'invention et qu'au secondaire dudit transformateur haute fréquence est connecté à un ensemble redresseur rapide à double polarité associé à deux diodes de roue libre commandées permettant de restituer à la charge connectée au dispositif suivant l'invention, les deux polarités du courant secondaire redressé Is sous le contrôle d'un calculateur rapide des moyens logiciels étant prévus à cet effet et d'un capteur de mesure dudit courant Is, le hacheur abaisseur permettant de régler l'amplitude, la fréquence, la forme d'onde et les commutateurs aiguilleurs règlent la polarité du courant de sortie Is. Selon 1 invention les commutateurs aiguilleurs sont commandés à courant nul dans le mode tout ou rien complémenté lors des changements de polarités du courant de sortie Is ou en cas de court-circuit de la charge qui est connectée au dispositif, des moyens étant prévus pour mesurer les variations du courant de sortie Is et commander le hacheur abaisseur de façon à obtenir une diminution du courant secondaire ou son annulation par la commande de l'arrêt du découpeur symétrique. Le filtrage du courant de sortie Is est assuré coté primaire du transformateur haute fréquence grâce à l'action de l'inductance et du condensateur constitutif, du hacheur abaisseur, cette disposition évitant d'inclure coté secondaire du transformateur ces mêmes éléments, inductance et condensateur dispendieux en énergie. Cette disposition facilite l'asservissement et le contrôle du courant Is en n'introduisant pas de second pôle dans la fonction de transfert du régulateur numérique dépendant d'un logiciel prévu à cet effet dans le calculateur. Selon l'invention, le circuit secondaire est complété par l'implantation de deux diodes de roue libre commandées, à double fonction - Diode de roue libre pour l'une d'elle lorsque le sens du courant Is est tel qu'elle se trouve polarisée en inverse. - Ecrêteur, pour la seconde lorsque celle-ci est polarisée en direct, le transistor MOS n'étant activé que lorsqu' apparaît une surtension à ses bornes grâce à la mise en conduction d'une diode de type Zener incorporée dans le circuit de commande Grille dudit transistor MOS. Le dispositif suivant l'invention est complété par un capteur de mesure de la tension de sortie Us dont le signal peut être exploité par le calculateur pour effectuer le contrôle et l'asservissement de cette grandeur Us, les moyens logiciels prévus à cet effet peuvent également contrôler le courant Is et le produit Us x Is=Ps. Selon l'invention, les commutateurs du découpeur symétrique sont commandés par le calculateur. Des moyens logiciels étant prévus à cet effet, deux à deux en diagonale à rapport cyclique égal à un demi. Cette disposition est complétée par l'introduction d'un condensateur en série dans une des connexions du primaire du transformateur haute fréquence dont le rôle est d'assurer le non passage d'une composante continue dans le primaire dudit transformateur haute fréquence. Le calculateur reçoit deux informations externes, la consigne U et la consigne I, ces deux paramètres sont gérés par logiciel prévu à cet effet, implanté dans le calculateur. Ce même calculateur communique avec un autre équipement de même type, par la liaison SYNK bidirectionnelle lorsque plusieurs dispositifs, objet de l'invention, sont connectés en parallèle. Les sorties S1 et S2 étant inter-connectées respectivement entre elles. Pour mieux illustrer l'objet de l'invention on va décrire maintenant, à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un schéma de réalisation représenté sur le dessin annexé - Sur la figure 1 est représenté dans son ensemble, le schéma électrique du dispositif suivant 1' invention. Il comporte - Trois connexions d'alimentation 46 au réseau alternatif suivi de six diodes de redressement 46a à 46g et d'un condensateur de filtrage 46f. Deux connexions 44 et 45 permettent le raccordement à une source électrique continue représentée par le symbole + et -. Le hacheur délimité par la zone repère 1 est constitué du commutateur 32 doté d'une diode anti-parallèle 32ss, d'une diode de roue libre 31, d'une inductance 30 et d'un condensateur de filtrage 29. Ledit hacheur abaisseur 1, règle l'amplitude, la fréquence et la forme d'onde du courant de sortie Is par la commande à rapport cyclique variable du commutateur 32 sous le contrôle du calculateur 7 via la connexion 33. Le découpeur symétrique délimité par la zone 2 comporte quatre commutateurs connectés au hacheur abaisseur, les commutateurs 26 et 28 sont commandés via les liaisons 35 et 36 par le calculateur 7 en opposition de phase avec les commutateurs 25 et 27 commandés via les liaisons 27 et 34 à fréquence élevée. Le courant Ip issu du découpeur symétrique 2 est de forme rectangulaire dont les périodes positives et négatives sont égales et dont l'amplitude instantanée est réglée par le hacheur abaisseur 1. Ledit courant Ip traverse l'enroulement primaire 23 du transformateur haute fréquence 3 via le condensateur 24. Ce condensateur permet d'éliminer toute composante continue dans le courant Ip. L'enroulement secondaire 22 du transformateur haute fréquence 3 est connecté respectivement à deux diodes 21 et 19 qui créent la polarité positive de Is et deux diodes 18 et 20 créent la polarité négative de Is. Grâce au commutateur 16 qui est commandé par le calculateur 7 via la connexion 39, la polarité positive du courant Is est transmise au point S2 du dispositif suivant l'invention. Il en est de même pour la polarité négative du courant Is grâce à la commande du commutateur 17 activé par le calculateur 7. Les commandes complémentaires des commutateurs 16 et 17 constitutifs de l'aiguilleur 5 sont effectuées à valeur nulle de Is. Ladite commande est effectuée sous le contrôle du calculateur 7 grâce à la mesure du courant effectuée par le capteur de mesure 10 via la connexion 42, qui permet de transmettre au calculateur 7 la valeur mesurée de 15. Il en est de même pour la mesure de Us qui est effectuée par le capteur 9 et dont la valeur mesurée est transmise au calculateur 7 via la connexion 43. Les connexions U et I respectivement repérées 48 et 49 sont les grandeurs à contrôler par le calculateur 7, les moyens logiciels étant prévus à cet effet pour commander le commutateur 32 du hacheur abaisseur 1 qui règle la valeur instantanée de Is et conséquement la forme, la fréquence et 1' amplitude de celui-ci et les commutateurs 16 et 17 qui sont activés de façon à obtenir au point S2 du dispositif, la polarité de Is. Le calculateur 7 peut traiter les grandeurs Us et Is et le produit Is . Us = Ps traversant la charge 8. Celle-ci peut être de nature selfique dont l'énergie doit être évacuée. L'ensemble diode de roue libre commandée 6, assure cette fonction. Grâce aux commutateurs 15 et 12 auxquels sont associés les diodes 13 et Il sous le contrôle du calculateur 7 via les connexions 40 et 41. Les commandes des commutateurs 15 et 12 sont effectuées en concordance avec celles des commutateurs 16 et 17. Aussi lorsque les commutateurs 16 et 12 sont actifs en même temps. Il en est de même pour les commutateurs 17 et 15. Lorsqu'ils ne sont pas activés dans la fonction de diode de roue libre, les couples diodes 13 commutateur 15 respectivement et diode 11 commutateur 12 peuvent être activés dans la fonction ecrêteur. Grâce à la présence dans la connexion de grille, des diodes Zener 14 et 14a qui lorsqu'elles deviennent conductrices consécutivement à un dépassement de leur tension seuil dû à une surtension entre les bornes S1 et S2 activent les commutateurs 12 ou 15. Le circuit secondaire constitué du redresseur 4 de commutateur aiguilleur 5 ne comporte pas d'élément de filtrage, cette fonction est assurée par l'inductance 30 et le condensateur 29 constitutif du hacheur abaisseur 1. Cette disposition n'introduit pas de second pôle dans la fonction de transfert du régulateur numérique dépendant du logiciel résidant dans le calculateur 7. Lorsque le dispositif objet de l'invention ne doit assurer à la charge 8 qu'un courant Is continu, il est souhaitable de supprimer les commutateurs 16 et 17 dont les connexions seront court-circuitées. Il est bien entendu que le mode de réalisation ci-dessus décrit n'est nullement limitatif et pourra donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de la présente invention Les commutateurs du hacheur abaisseur 1 et du découpeur symétrique 2 seront avantageusement du type IGBT, incluant une diode en inverse, les diodes de redressement 18, 19, 20, 21 connectées au secondaire 22 du transformateur haute fréquence 3 seront avantageusement du type FRED ou SCHOTKY, de même que les commutateurs aiguilleurs seront des transistors MOS 15 et 12 associés eventuellement à des commutateurs électromécaniques dont la commande peut être assurée par le calculateur 7 dont les moyens logiciels seraient adaptés à cette fonction. Les commutateurs aiguilleurs 16 et ' 17 électroniques peuvent être supprimés et remplacés par deux commutateurs électro-mécaniques dont la commande est assuree par le calculateur 7 via lesconnexions 38 -et-35-. Lesdits commutateurs peuvent également être supprimés et remplacés par un court-circuit. Dans ce cas une des diodes de roue libre commandée 15 et 12 est supprimée : le dispositif suivant l'invention ne fournissant qu'un courant unipolaire aux bornes S1 et S2-. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'alimentation électrique capable, à partir d'une source à tension continue alternative redressée (46), de fournir sous basse tension un fort courant Is alternatif ou continu à amplitude et fréquence variable comportant - Un transformateur haute fréquence (3) dont le primaire (23) est alimenté par un découpeur symétrique (2) précédé d'un hacheur abaisseur (1) caractérisé par le fait que le hacheur abaisseur règle l'amplitude, la fréquence et la forme d'onde du courant de sortie Is du dispositif suivant l'invention et qu'au secondaire (22) dudit transformateur haute fréquence (3) est connecté à un ensemble redresseur rapide (4) à double polarité associé à deux commutateurs aiguilleurs (5) et deux diodes de roue libre commandées (6) permettant de restituer à la charge (8) connectée au dispositif, objet de l'invention, les deux polarités du courant secondaire redressé, issu du secondaire (3) sous le contrôle du calculateur rapide (7) des moyens logiciels étant prévus à cet effet, le hacheur abaisseur (1) permettant de régler l'amplitude, la fréquence, la forme d'onde et les commutateurs aiguilleurs, la polarité du courant de sortie Is. 2 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que les commutateurs aiguilleurs (16) et (17) sont commandés à courant nul dans le mode tout ou rien, complémenté lors des changements de polarité du courant de sortie Is dudit dispositif ou en cas de courtcircuit de la charge (8) qui lui est connectée, des moyens étant prévus pour mesurer les variations du courant de sortie par le capteur (10) et commander le hacheur abaisseur (1), de façon à obtenir une diminution du courant primaire Ip ou l'arrêt du découpeur symétrique (2) grâce au calculateur (7) via la liaison (33), (34), (35), (36), (37). 3 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le filtrage du courant de sortie Is dudit dispositif est assuré coté primaire (23) du transformateur haute fréquence (3) grâce à l'action de l'inductance (30) et du condensateur de filtrage (29) constitutif du hacheur abaisseur (1), cette disposition évitant d'inclure ces éléments, inductance et condensateur dispendieux en énergie et volume à cause des forts courants Is circulant coté secondaire (22) du transformateur haute fréquence. 4 - Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé par le fait que l'asservissement de la tension Us ou Is ou du produit Is . Us = Ps de sortie mesurée respectivement par les capteurs (9) et (10) est traité par le calculateur (7) des moyens logiciels étant prévus à cet effet via les connexions (40) et (41) est facilité par l'absence de réseau de filtrage coté secondaire (22) du transformateur (3), un second pôle n'apparaissant pas dans la fonction de transfert du régulateur numérique logiciel résidant dans le calculateur (7). 5 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que les deux diodes de roue libre commandées constituées chacune d'un transistor MOS (15) et (12) et de diodes rapides (13) et (11) assurent la fonction de supresseur de surtension entre les bornes S1 et S2 dudit dispositif, grâce à la présence des diodes Zener (14) et (14a) disposées dans le circuit de commande de grille des transistors MOS (15) et (12) activant ceux-ci lorsque les diodes Zener (14) et (14fui) sont passantes, en mode linéaire, limitant ainsi toute surtension aux bornes S1 et S2. 6 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que les sorties S1 et S2 peuvent être connectées aux sorties S1 et S2 d'autres dispositifs suivant l'invention identiques de façon à alimenter la même charge (8), des moyens logiciels assurant la répartition des courants de sortie Is, la commande synchronisée des commutateurs aiguilleurs (16) et (17) et des transistors MOS de diodes de roue libre commandées (15) et (12) via la liaison SYNK d'interconnexion entre les calculateurs (7). 7 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que les commutateurs du hacheur abaisseur (1) et du découpeur symétrique (2) seront avantageusement du type IGBT, incluant une diode en inverse, les diodes de redressement (18), (19), (20), (21) connectées au secondaire (22) du transformateur haute fréquence (3) seront avantageusement du type FRED ou SCHOTKY, de même que les commutateurs aiguilleurs seront des transistors MOS (15) et (12) associés éventuellement à des commutateurs électromécaniques dont la commande peut être assurée par le calculateur (7) dont les moyens logiciels seraient adaptés à cette fonction. 8 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 7 caractérisées par le fait que les commutateurs aiguilleurs (16) et (17) électroniques peuvent être supprimés et remplacés par deux commutateurs électromécaniques dont la commande est assurée par le calculateur (7) via les connexions (38) et (35). Lesdits commutateurs peuvent également être supprimés et remplacés par un courtcircuit. Dans ce cas une des diodes de roue libre commandée (15) et (12) est supprimée : le dispositif suivant l'invention, ne fournissant qu'un courant unipolaire aux bornes S1 et S2.