Brevet FR2737061A1 — publié le 19970124

DISPOSITIF ABAISSEUR DE TENSION ET CHAINE DE TRACTION ASYNCHRONE ALIMENTEE SOUS RESEAU MONOPHASE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne les chaînes de traction asynchrone alimentées sous réseaux monophasés, en général, et porte, plus particulièrement, sur un dispositif abaisseur de tension ainsi que sur une chaine de traction asynchrone alimentées sous réseau monophasé comportant un tel dispositif. Conformément à l'état de la technique connu, les chaînes de traction asynchrone alimentées sous réseau monophasé font essentiellement appel à des onduleurs de tension pilotant les moteurs de traction et à des redresseurs monophasés à commutation forcée délivrant une tension continue intermédiaire servant de source de tension aux onduleurs. Ces chaînes de traction de l'art antérieur permettent de standardiser les bras des onduleurs ainsi que les bras des redresseurs qui ne sont dimensionnés que pour supporter la tension intermédiaire continue. Dans certaines applications, les chaînes de traction doivent fonctionner sous plusieurs réseaux d'alimentation à la fois continue et alternative, par exemple sous tension d'alimentation de 3000V et à courant continu. Dans de telles applications, les onduleurs et les redresseurs ne peuvent être connectés directement sur la haute tension continue. Une solution connue consiste alors à25 reconfigurer les bras des redresseurs de manière à obtenir un hacheur série parallèle dans le but de reconstituer, sous alimentation 3000V, la même tension continue intermédiaire qui alimentait les onduleurs traction sous alimentation monophasé.30 Un des moyens pour mettre en oeuvre cette solution est l'utilisation de moyens électromécaniques permettant de commuter le schéma de puissance ainsi que l'utilisation d'inductances de lissage. Il est parfois possible de remplacer les inductances par les enroulements secondaires du transformateur de traction monophasée. Un inconvénient de ces solutions connues est la reconstitution de plusieurs tensions intermédiaires. En effet, ces tensions intermédiaires ne sont pas toutes référencées au même potentiel. A titre d'exemple, l'une des tensions intermédiaires est directement connectée à la borne positive de la tension d'alimentation. Une conséquence directe est que l'ensemble des équipements en aval de cette tension intermédiaire doit être conçu pour supporter une isolation électrique, par exemple de 3000V, par rapport à la masse, soit, selon la norme CEI, 9500V efficaces, 50Hz.15 Cette contrainte de dimensionnement diélectrique amène à surdimensionner les isolants, les distances de cheminement mais également à accroître la résistance thermique des systèmes de refroidissement des semi-conducteurs. Aussi un but de l'invention est-il un dispositif abaisseur de tension utilisé dans une chaîne de traction asynchrone alimentées sous réseau monophasé ne présentant pas les inconvéninents mentionnés ci-dessus. L'idée fondamentale du dispositif abaisseur de tension de l'invention est de ne reconstituer qu'une seule tension continue intermédiaire. La valeur de la tension continue intermédiaire est égale à environ la moitié de la tension d'entrée. La tension continue intermédiaire est isolée galvaniquement ou non au réseau d'alimentation. Conformément à l'invention, le dispositif abaisseur de tension se caractérise par au moins une paire de redresseurs monophasés à commutation forcée fonctionnant sur des enroulements secondaires d'un transformateur principal de traction, la puissance issue d'un réseau continu transitant35 à travers ledit transformateur principal de traction, ladite énergie étant récupérée sur un enroulement secondaire au moyen d'un redresseur monophasé à commutation forcée fonctionnant en redresseur contrôlé élévateur de tension, lesdits autres redresseurs monophasés à commutation forcée fonctionnant de façon synchrone en onduleur de tension, l'enroulement primaire dudit transformateur T principal étant en circuit ouvert. Le dispositif abaisseur de tension de l'invention satisfait selon un premier mode de réalisation préféré à l'une au moins des caractéristiques suivantes: - un premier et un deuxième redresseur monophasé à commutation forcée alimentent, respectivement, un premier et un deuxième enroulement secondaire d'un transformateur principal de traction, lesdits premier et deuxième redresseurs monophasés fonctionnant de façon synchrone en onduleur de tension pleine onde et alimentant, respectivement, ledit premier et ledit deuxième enroulement secondaire dudit transformateur principal de traction et un troisième redresseur monophasé à commutation forcée fonctionne en redresseur contrôlé élévateur de tension et est alimenté par ledit troisième enroulement secondaire dudit transformateur principal de traction, - lesdits premier, deuxième et troisième enroulements secondaires du transformateur principal de traction ont le même nombre de spires.25 Le dispositif abaisseur de tension de l'invention satisfait selon un autre mode de réalisation préféré à la caractéristique selon laquelle lesdits premiers et seconds redresseurs monophasés à commutation forcée de chacune desdites paires sont montées en série, chacune desdites30 paires étant alimentée sous une tension d'entrée, lesdits premiers redresseurs monophasés fonctionnant de façon synchrone en onduleur de tension et alimentant ledit premier enroulement secondaire dudit transformateur principal de traction qui lui est associé et lesdits seconds redresseurs35 monophasés à commutation forcée fonctionnent en redresseur contrôlé élévateur de tension et sont alimentés par ledit second enroulement secondaire dudit transformateur principal de traction qui lui est associé. Le dispositif abaisseur de tension de l'invention satisfait selon l'un quelconque des modes de réalisation préféré à l'une au moins des caractéristiques suivantes: - l'alimentation desdits premiers et deuxièmes enroulements secondaires dudit transformateur principal de traction est effectuée au moyen d'une tension carré alternative de fréquence telle que le circuit magnétique du transformateur T principal de traction ne soit pas saturé, - lesdits redresseurs monophasés fonctionnent en redresseurs contrôlés élévateur de tension régulent leur tension continue de sortie à une valeur un peu supérieure à la moitié de la valeur de la tension d'entrée. Enfin, conformément à une autre caractéristique, la présente invention porte sur une chaîne de traction asynchrone alimentées sous réseau monophasé comportant un dispositif abaisseur de tension tel que décrit précédemment. Un avantage du dispositif abaisseur de tension de l'invention est de ne plus faire appel à des hacheurs série parallèle. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description du mode de réalisation préféré du dispositif abaisseur de25 tension, description faite en liaison avec les dessins dans lesquels: - la figure 1 représente un schéma de réalisation préférée du dispositif abaisseur de tension avec isolement galvanique conforme à l'invention,30 la figure 2 représente un schéma de réalisation préférée du dispositif abaisseur de tension sans isolement galvanique conforme à l'invention, la figure 3 représente une extension du dispositif abaisseur de tension représenté à la figure 2 à un dispositif abaisseur de tension comportant six redresseurs monophasés. La figure 1 représente un schéma de réalisation préférée du dispositif abaisseur de tension avec isolement galvanique conforme à l'invention. Un premier 1 et un deuxième 2 redresseur monophasé & commutation forcée sont alimentés en série sous une tension d'entrée E, par exemple de 3000V. Le premier 1 et le deuxième 2 redresseur monophasé alimente, respectivement, un premier 3 et un deuxième 4 enroulement secondaire d'un transformateur T principal de10 traction. Les premier et deuxième redresseurs monophasés fonctionnent de façon synchrone en onduleur de tension. Les premier et deuxième redresseurs monophasés alimentent les premier et deuxième enroulements secondaires 3, 4 du transformateur principal de traction, par exemple, par une tension carré alternative, par exemple, de valeur 3000V/2, à une fréquence telle que le circuit magnétique du transformateur T principal de traction ne soit pas saturé. Un troisième redresseur 6 monophasé à commutation forcée est alimenté par le troisième enroulement secondaire du transformateur T principal de traction. Ce troisième redresseur 6 monophasé fonctionne en redresseur contrôlé élévateur de tension selon le même principe que sous réseau monophasé et régule ainsi sa25 tension continue de sortie S à une valeur un peu supérieure à 3000V/2. Le transformateur T principal comporte un enroulement primaire 7 en circuit ouvert, l'enroulement primaire est donc inutilisé.30 Dans ce qui précède, il a été fait comme hypothèse que les trois enroulements secondaires du transformateur principal de traction ont le même nombre de spires, ce qui est par exemple le cas dans le domaine de la traction ferroviaire. La tension continue intermédiaire est isolée galvaniquement et est susceptible d'être référencée à la masse M comme sous réseau monophasé. Un dispositif de pilotage (non représenté) intégré & l'électronique de commande des premier et deuxième redresseurs monophasés a pour fonction, d'une part, d'équilibrer les tensions entre ces redresseurs monophasés et, d'autre part, de s'assurer de l'absence de courant continu dans les premier et deuxième enroulements secondaires. Ce dispositif intégré & l'électronique de commande des premier et deuxième redresseurs monophasés est susceptible de rectifier les écarts en agissant sur le rapport cyclique de conduction des semi-conducteurs du premier et/ou du15 deuxième redresseur monophasé. Le dispositif abaisseur de tension de l'invention en comportant un enroulement primaire du transformateur principal en circuit ouvert a comme avantages: - de reconstituer une seule tension continue de sortie pouvant toujours être référencée à la masse, - de reconstituer une seule tension avec isolation galvanique ou sans isolation galvanique, - d'éviter l'isolement à la tension d'entrée des équipements alimentés par la tension continue et - d'éviter d'utiliser des inductances supplémentaires de lissage comme c'est le cas dans les dispositifs de l'art antérieur. La figure 2 représente un schéma de réalisation préférée du dispositif abaisseur de tension sans isolement galvanique conforme à l'invention. Un premier 1 et un second 6 redresseur monophasé à commutation forcée sont alimentés en série sous une tension d'entrée E, par exemple de 3000V. Le premier redresseur monophasé 1 à commutation forcée a la même fonction que le premier redresseur monophasé décrit ci- dessus en relation avec la figure 1. Le premier redresseur monophasé 1 alimente un premier enroulement 3 secondaire d'un transformateur T principal de traction. Pour rappel, le premier redresseur monophasé 1 fonctionne en oscillateur et délivre une tension carré alternative, par exemple de valeur 3000V/2, au premier enroulement secondaire 3 du transformateur principal de traction. Le second redresseur 6 monophasé à commutation forcée est alimenté par un second enroulement secondaire 5 du transformateur T principal de traction. Ce second redresseur monophasé 6 fonctionne en redresseur contrôlé élévateur de tension selon le même principe que sous réseau monophasé et régule une tension de sortie S référencée à la masse M à une valeur, par exemple, un peu supérieure à 3000V/2. Le transformateur T principal comporte un enroulement primaire 7 en circuit ouvert, l'enroulement primaire est donc inutilisé.20 Le dispositif de pilotage (non représenté) du premier redresseur monophasé 1 a uniquement pour fonction de s'assurer de l'absence de courant continu dans le premier enroulement secondaire. Le dispositif de pilotage (non représenté) du second redresseur monophasé 6 a pour fonction de réguler la tension de sortie S. La figure 3 représente une extension du dispositif abaisseur de tension représenté à la figure 2 à un dispositif abaisseur de tension comportant six redresseurs30 monophasés. On retrouve dans cette figure 3 trois paires de redresseurs monophasés 1, 6 à commutation forcée, chacune des paires de redresseurs monophasés étant alimentée sous une tension d'entrée E, par exemple de 3000V.35 Chacun des premiers redresseurs monophasés 1 est associé à un premier enroulement 3 secondaire et chacun des seconds redresseurs monophasés 6 est associé à un second enroulement 5 secondaire. Les premiers redresseurs monophasés 1 alimentent chacun un premier enroulement 3 secondaire d'un même transformateur T principal de traction. Les seconds redresseurs monophasés 6 fonctionnent tous en redresseur contrôlé élévateur de tension et régulent tous une même tension de sortie S référencée à la masse M à une valeur, par exemple, un peu supérieure à 3000V/2. Le transformateur T principal comporte un enroulement primaire 7 en circuit ouvert, l'enroulement primaire est donc inutilisé. Il découle de l'un ou l'autre des modes de réalisation préférée décrits ci-dessus que le dispositif abaisseur de tension de l'invention comporte au moins une paire de redresseurs monophasés 1, 2 ou 1, 6 à commutation forcée fonctionnant sur des enroulements secondaires 3, 4 ou 3, 5 d'un transformateur T principal de traction, la puissance issue d'un réseau continu transitant à travers le20 transformateur T principal de traction, l'énergie étant récupérée sur un enroulement secondaire 5 au moyen d'un redresseur monophasé 6 à commutation forcée fonctionnant en redresseur contrôlé élévateur de tension, les autres redresseurs monophasés 1, 2 à commutation forcée25 fonctionnant de façon synchrone en onduleur de tension. Le dispositif abaisseur de tension de l'invention trouve particulièrement application, mais non exclusivement, dans le domaine de la traction ferroviaire. Aussi la présente invention porte sur une chaine de traction asynchrone alimentées sous réseau monophasé comportant un dispositif abaisseur de tension tel que décrit précédemment. REVENDICATIONS 1. Dispositif abaisseur de tension, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ne reconstituant qu'une seule tension continue intermédiaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens comportent au moins une paire de redresseurs monophasés (1, 2 ou 1, 6) à commutation forcée fonctionnant sur des enroulements secondaires (3, 4 ou 3, 5) d'un transformateur T principal de traction, la puissance issue d'un réseau continu transitant à travers ledit transformateur T principal de traction, ladite énergie étant récupérée sur un enroulement secondaire (5) au moyen d'un redresseur monophasé (6) à commutation forcée fonctionnant en redresseur contrôlé élévateur de tension, lesdits autres redresseurs monophasés (1, 2) à commutation forcée fonctionnant de façon synchrone en onduleur de tension, l'enroulement primaire (7) dudit transformateur T principal étant en circuit ouvert. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel un premier (1) et un deuxième (2) redresseur monophasé à commutation forcée alimentent, respectivement, un premier (3) et un deuxième (4) enroulement secondaire d'un transformateur T principal de traction, lesdits premier et deuxième redresseurs monophasés fonctionnant de façon synchrone en onduleur de tension et alimentant, respectivement, ledit premier (3) et ledit deuxième (4) enroulement secondaire dudit transformateur T principal de traction et un troisième redresseur (6) monophasé à commutation forcée fonctionne en redresseur contrôlé élévateur de tension et est alimenté par ledit troisième enroulement (5) secondaire dudit transformateur T principal de traction. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel lesdits premier (3), deuxième (4) et troisième (5) enroulements secondaires du transformateur T principal de traction ont le même nombre de spires. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel lesdits premiers (1) et seconds (6) redresseurs monophasés à commutation forcée de chacune desdites paires sont montées en série, chacune desdites paires étant alimentée sous une tension d'entrée E, lesdits premiers redresseurs monophasés (1) fonctionnant de façon synchrone en onduleur de tension et alimentant ledit premier enroulement (3) secondaire dudit transformateur T principal de traction qui lui est associé et lesdits seconds redresseurs (6) monophasés à commutation forcée fonctionnent en redresseur contrôlé élévateur de tension et sont alimentés par ledit second enroulement (5) secondaire dudit transformateur T principal de traction qui lui est associé. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ou 5, dans lequel l'alimentation desdits premiers et deuxièmes enroulements (3, 4) secondaires dudit transformateur T principal de traction est effectuée au moyen d'une tension carré alternative de fréquence telle que le circuit magnétique du transformateur T principal de traction ne soit pas saturé. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ou 5, dans lequel lesdits redresseurs (6) monophasés fonctionnent en redresseurs contrôlés élévateur de tension régulent leur tension continue de sortie S à une valeur un peu supérieure à la moitié de la valeur de la tension d'entrée E. 8. Chaine de traction asynchrone alimentées sous réseau monophasé comportant un dispositif abaisseur de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.