Brevet FR2688358A1 — publié le 19930910

La présente invention concerne les convertisseurs de courant alternatif en courant continu pour alternateurs à phases d'induit indépendantes. L'homme de l'art connaît de nombreux montages assurant la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique, celle-ci le plus souvent sous forme alternative. Cependant, les convertisseurs alimentant une tension continue prennent une importance croissante, par exemple dans les alternateurs de véhicule classique ou dans les véhicules électriques dits "hybrides" embarquant un groupe électrogène. @uelques pros pectives actuelles prévoient par ailleurs une extension des génerateurs électriques domestiques qui permettra de diminuer les pertes et les nuisances dues au transport à grande distance de l'énergie électrique. Dans tous ces cas, il est primordial que la conversion d'énergie se fasse avec le meilleur rendement possible pour un poids minimal afin de diminuer la consommation de carburant et -les problèmes de dissipation de la chaleur produite par les pertes. Les procédés adéquats sont multiples: augmentation de la vitesse relative entre in- duit et inducteur (limitée par la force centrifuge), augmentation de l'induction dans l'entrefer (limitée par la saturation du circuit magnétique), amélioration du profil du champ inducteur (profils quasi-rectangulaires), augmentation du nombre de phases (bande passante supérieure), etc .. . Pour- exploiter au mieux ces améliorations 1 'alternateur doit être couplé à un montage électronique approprié permettant avec un minimum de composants de réguler le transfert d'énergie avec un très bon rendement tout en évitant les saturations ou démagnétisations liées à la réaction d'induit. C'est pourquoi l'invention a- pour objet un convertis- seur pour alternateur fournissant de i l'énergie à une tension continue avec un rendement excellent, utilisant peu de compo- sants et permettant-un contrôle précis du courant d'induit. Ce problème est résolu en utilisant un unique circuit électronique pour contrôler simultanément le courant dans plusieurs phases indépendantes de l'induit, ces phases étant mises en série pour bénéficier à tout moment de toute 1 la ten- sion disponible à leurs bornes. a fiabilité de l'ensemble est renforcée par le faible nombre de composants utilisés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limi tatifs, en référence aux dessins ci-annexés sur lesquels: - La figure 1 rappelle le principe du convertisseur dit "BOOST" utilisé dans l'invention. - La figure 2 représente un module de phase de base, comprenant au minimum un bobinage de phase et quatre diodes. - La figure 3 montre la façon de juxtaposer les mo@ules précédents, pour mettre par exemple cinq phases en série. - La figure 4 donne un exemple concret de convertisseur à contrôle du courant avec circuit d'aide à la commutation. Deux mesures se complètent dans l'invention pour élever le rendement global du convertisseur qui est fonction princi palement des p@rtes dans les bobinages d'induit et des pertes dans l'électronique de puissance. Ainsi, la première mesure évite que le courant de l'induit soit discontinu, comme certains principes de conver sion l'impliquent. L'invention utilise un principe de conver tisseur dit "BOOST", caractérisé en ce que le courant demandé à la source d'énergie est continu, alors que le courant dans la charge est haché. Dans sa structure la plus simple, dé taillée en figure 1, ce convertisseur est élévateur de ten sion. Lorsque l'interrupteur 13 est fermé, la tension aux bornes de l'inductance 11 est celle fournie par le module ge nérateur 20 et le courant dans l'inductance peut croître. Lorsque l'interrupteur 13 est ouvert, ce courant est récupéré dans la charge, aux bornes C et D, par la diode 15 (il est bien sûr possible de disposer cette diode dans la branche de retour). Le condensateur 14 assure un filtrage local, à moins que la charge soit suffisamment capacitive. La valeur de l'inductamce 11 sera si possible grande devant les induc tances propres des bobinages de phase d'induit. La deuxième mesure vise à profiter de toute la tension disponible aux bornes de chaque bobinage de l'induit. Pour cela, il est peu@avantageux de mettre simplement en série les bobinages de phase car on obtient alors une somme vectorielle des tensions de chaque phase et non le cumul de leurs valeurs absolues. Aussi l'invention propose ce qui sera appelé dans la suite un module redresseur de phases, associant à chaque bobine de phase indépendante de rang N un réseau de quatre diodes (N étant un entier naturel compris entre 1 et P, P étant le nombre total de phases redressées mises en série). Une configuration spécifique a été préférée à celle du pont de GRAETZ classique pour diminuer le nombre de seuils de diodes en série. La figure 2 présente les six pôles de connexion d'un module redresseur de rang N. On distinguera les pôles dits d'entrée E(N-1) et F(N-1), les pôles centraux E(N) et F(N), connectés aux extrémités du bobinage de phase PN de rang N, et les pôles de sortie E(N+1) et F(N+1). Les quatre diodes relient respectivement E(N-1) à E(N), F(N-1) à F(N), E(N) à F(N+1) et F(N) à E(N+1), et elles sont orientées de telle fa con que leur courant direct ne puisse circuler que des pôles d'entrée vers les pôles centraux et des pôles centraux vers les pôles de sortie. Ces modules redresseurs sont ensuite juxtaposés pour former le module générateur 20, en reliant systématiquement leur pôles homonymes. Les pôles d'entrée du module redresseur de rang 1 sont reliés ensemble et consti tuent le pôle négatif B du module 20, alors que les pôles de sortie du dernier module (de rang P) sont reliés ensemble pour en constituer le pôle positif A. La figure 3 donne l'exemple de connexion de ces modules dans une configuration à 5 phases. La tension de claquage in verse des diodes d'extrémité, reliées aux points A et B, de vra excéder la tension maximale induite dans chaque bobinage. Par contre, les diodes intermédiaires devront pouvoir suppor ter une tension deux fois supérieure environ. En effet, dans certaines configurations de tension entre deux bobinages consécutifs, ces diodes peuvent se retrouver en parallèle sur deux bobinages de phase dont les tensions se renforcent. Comme l'homme de l'art le connaît, une fraction impor tante de la tension générée par chaque bobinage de phase peut être causés par la réaction magnétique d'induit. Cette sur tension nécessite un surdimensionnement des diodes en tension de claquage inverse, ce qui leur est défavorable en termes de coût et de chute de tension directe. Ce handicap peut être éliminé en insérant entre les pôles E(N) et F(N), en série avec chaque bobinage de phase PN, un réseau de compensation des inductances mutuelles de couplage entre phases de l'induit. La tension de claquage des diodes ne dépend plus alors strictement que de la tension induite par le déplace ment des phases d'induit dans le champ inducteur. Dans les machines simples un seul convertisseur "BOOST" suffit, régulant simultanément le courant de toutes les phases de l'induit de l'alternateur. Mais un montage à plu sieurs convertisseurs, chacun associé à une partition des phases de l'induit, peut se révéler judicieux (par exemple lorsque l'on préfèrera pour des raisons de fiabilité la mise en parallèle de convertisseurs redondants, ou pour obtenir une tension de sortie plus faible). Il s@ra alors avantageux de répartir de façon équilibrée les phases d'une même parti tion parmi l'ensemble des phases de l'induit. Quand l'induit de l'alternateur est concu pour minimi ser les inductances propres des bobinages de phase, le décou page peut s'effectuer à haute fréquence, ce qui favorise le rendement et la miniaturisation des composants inductifs et capacitifs. La figure 4 présente un exemple concret de réali sation d'un convertisseur selon l'invention, veillant à diminuer les pertes de commutation de l'interrupteur hacheur 13 associé à la diode de récupération 15. Le montage propose un circuit d'aide à la commutation actif à l'ouverture et à la fermetrue de cet interrupteur et à récupération d'énergie, composé des éléments 71 à 82 (sans revendiquer aucunement ce circuit qui a déjà fait l'objet d'autres publications). Le module 30, régulateur à contrôle du courant, superpose deux boucles de réaction, l'une (externe) mesurant le courant moyen avec la résistance 16, l'autre (interne) détectant le courant crête aux bornes du transistor 13 à effet de champ. On peut rajouter sur l'inductance 11 un secondaire 12 isolé galvaniquement qui permette la "prédiction" de la décrois sance du courant sans insérer un capteur résistif supplémentaire. L'invention s'applique particulièrement aux convertis seurs pour générateurs électriques alimentant, ou non, un dispositif de stockage de l'énergie électrique. REVENDICATIONS 1- Convertisseur de courant alternatif à courant continu pour alternateur à phases d'induit indépendantes ca ractérisé par la combinaison des moyens suivants: - La conversion d'énergie utilise la configuration dite de "BOOST" à élévation de tension comprenant une première boucle série composée d'un générateur 20 de pôles positif A et négatif B, d'une inductance 11 et d'un interrupteur ha cheur 13, lequel est en parallèle sur une seconde boucle composée d'une diode 15 récupérant le courant de l'inductance dans la charge parallélisée avec un éventuel condensateur 14. - Le générateur 20 est constitué de la juxtaposition de P modules de rang N à six pôles dits modules redresseurs de phase connectés les uns aux autres par leurs pôles homonymes, N étant un entier naturel variant de 1 à P, P étant le nombre total de bobinages de phase associés dans le générateur 20. - Les six pôles d'un module redresseur de phase de rang N étant nommés les pôles d'entrée E(N-1) et F(N-1), les pôles centraux E(N) et F(N) connectés aux extrémités du bobinage de phase PN de rang N, et les pôles de sortie E(N+1) et F(N+1), quatre diodes relient respectivement E(N-1) à E(N), F(N-1) à F(N), E(N) à F(N+1) et F(N) à E(N+1) dans un sens tel que leur courant direct ne puisse circuler que des pôles d'entrée vers les pôles centraux et des pôles centraux vers les pôles de sortie. - Les pôles E(O) et F(O) sont reliés ensemble pour constituer le pôle négatif B du générateur 20 et les pôles E(P+1) et F(P+1) sont reliés ensemble pour constituer le pôle positif A du générateur 20. 2- Circuit selon la revendication précédente, un réseau de compensation des inductances mutuelles entre les bobinages de phase de l'induit étant inséré entre les pôles E(N) et F(N) en série avec chaque bobinage PN. 3- Utilisation du circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, soit dans un montage unique qui n'utilise qu'un seul convertisseur BOOST régulant simultané ment le courant de toutes les phases de l'induit de l'alternateur, soit dans un montage à plusieurs convertis seurs, chacun associé à une partition des phases de l'induit.