Brevet FR2801736A1 — publié le 20010601

DISPOSITIF DE FILTRAGE D'HARMONIQUES GENEREES UNE CHARGE ALIMENTES PAR UN RESEAU A FREQUENCE VARIABLE présente invention est relative à un dispositif filtrage d'harmoniques générées par une charge alimentée par un reseau électrique fréquence variable. Elle trouve son application notamment dans le domaine de l'avionique où l'évolution des réseaux électriques se fait de plus plus vers des réseaux électriques à fréquence variable. En particulier plage de fréquence pour le réseau triphasé avionique est comprise entre 350 et 800 Hz. II est bien entendu que l'utilisation d'un dispositif filtrage selon l'invention peut se faire avec tout type de reseau électrique monophasé ou multiphasé. Lors de l'utilisation de certains appareils électriques ou dispositifs d'utilisation alimentés par le réseau, il apparait des phénomènes d'oscillations parasites ou harmoniques qui en perturbent le fonctionnement. Ces phénomènes sont dus à la présence d'éléments non linéaires connectés sur le réseau. C'est notamment le cas si le dispositif d'utilisation fonctionne en continu et qu'un élément non linéaire été introduit pour effectuer le redressement de la tension d'alimentation prélevée sur le réseau. Ces harmoniques ont une fréquence qui un multiple de la fréquence du réseau On utilise fréquemment dans le domaine de l'avionique, pont redresseur à diodes interposé entre le réseau et le dispositif d'utilisation. Dans ce contexte le terme charge comprend à la fois le pont redresseur et le dispositif d'utilisation. De tels ponts redresseurs sont utilisés pour leur simplicité leur fiabilité mais ils génèrent des harmoniques d'ordre cinq et d'ordre sept. Pour éliminer ces harmoniques on utilise des dispositifs filtrage. Lorsque la fréquence du réseau est fixe, on utilise dispositifs filtrage passifs de type LC série montés en parallèle avec la charge. A cet effet la figure 1 représente un exemple de charge 1, reliée à un réseau électrique triphasé 2, associée à deux dispositifs de filtrage d'harmoniques. L'un référencé 35 est destiné à éliminer les harmoniques d'ordre 5 et l'autre référencé 37 est destiné à éliminer les harmoniques d'ordre 7. Chacun de ces dispositifs de filtrage 35, 37 comporte n branches référencées respectivement 5, 7 comportant chacune une inductance respectivement L5, L7 en série avec un condensateur respectivement C5, C7. Le nombre n de branches 5, 7 est un nombre entier supérieur ou égal à un, il correspond au nombre de phases du réseau électrique 2 et dans l'exemple vaut 3 puisque le réseau électrique 2 est triphasé. Les branches 5, 7 d'un dispositif de filtrage 35, 37 ont une extrémité reliée entre elles et l'autre extrémité est reliée à l'un des conducteurs 21, 22, 23 de phase du réseau 2. Chacun de ces dispositifs de filtrage 35, 37 est accordé sur la fréquence de l'harmonique qu'il doit éliminer. En se basant sur le dispositif de filtrage 35, l'accord signifie que le produit L5C5(a2 vaut 1 avec inductance d'une branche du dispositif de filtrage 35, C5 capacite d'une branche du dispositif de filtrage 35, w pulsation de l'harmonique à supprimer. De manière classique, une inductance Ld de découplage a été montée en série sur chaque conducteur de phase 21, 22, 23 de manière à assurer un découplage entre le réseau 2 et la charge 1. Elle ne filtre les harmoniques générées par la charge. Lorsque la fréquence du réseau varie de tels dispositifs de filtrage passifs ne sont plus efficaces car il n'est plus possible de conserver l'accord, produit L5C5(ol ne pouvant rester égal à ou voisin de l'unité sur toute la plage de variation de la fréquence du réseau. On sait réaliser des dispositifs de filtrage actifs. Ces dispositifs incluent des composants électroniques actifs et notamment des composants a fonction de hacheur tels que des transistors de puissance. ont l'avantage d'être compacts mais ils ont comme inconvénients d'être fragiles et moins fiables que les dispositifs de filtrage passifs et de plus ils genèrent leurs propres harmoniques à cause du hachage et ce n'est pas souhaitable. La présente invention vise à proposer un dispositif de filtrage pour un réseau électrique à fréquence variable qui ne présente ces inconvénients. Pour y parvenir, la présente invention est un dispositif filtrage d'harmoniques générées par une charge alimentée par un réseau à fréquence variable. II comporte au moins une branche à parties inductive et capacitive en série, montée en parallèle avec le réseau en entrée de la charge. La partie inductive comporte une inductance à ajuster. Des moyens commande magnétique asservis sur la fréquence du réseau à fréquence variable sont associés à la branche, ils font varier magnétiquement la valeur de l'inductance à ajuster de manière à ce que la branche soit accordée sur une fréquence égale ou proche de celle de l'harmonique à filtrer, quelle que soit la valeur de la fréquence variable du réseau. moyens de commande magnétique peuvent comporter au moins un enroulement de commande couplé magnétiquement à l'inductance a ajuster, destiné à être alimenté par une tension variable en fonction de la fréquence du réseau. En fonction de la largeur de la plage de variation de la fréquence réseau, on peut être amené à inclure dans la partie inductive de la branche une inductance fixe en série avec l'inductance à ajuster. Dans un tel dispositif de filtrage, le nombre de branches est égal au nombre de phases du réseau. est préférable que l'inductance à ajuster comporte une paire d'inductances montées en série et conformées pour générer des flux égaux opposés de manière à éviter toute réjection l'inductance à ajuster vers les moyens de commande magnétique. Dans une première configuration chaque inductance de la paire est formée d'un enroulement bobiné autour d'un noyau, ces deux enroulements regroupés étant entourés de l'enroulement moyens de commande magnétique Dans une autre configuration, chaque inductance la paire est bobinée autour d'une jambe extrême d'un noyau en E, l'enroulement des moyens commande étant bobiné autour d'une jambe mediane du dit noyau. manière à améliorer l'efficacité du dispositif de filtrage, il est préférable que l'inductance à ajuster comporte un noyau réalisé en matériau magnétique doux notamment à base de poudre de La tension variable peut être délivrée par un dispositif d'alimentation de type convertisseur ou bien hacheur associé à un filtre ou même régulateur de tension. Pour réduire le nombre de dispositif de filtrage à connecter au réseau, il envisageable que la branche soit amortie de manière à filtrer des harmoniques d'ordres différents. amortissement peut être réalisé par une résistance connectée en parallèle sur la partie inductive de la branche. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés dans la description et dans les figures annexées représentent - figure 1 (déjà décrite) le schéma électrique d'un dispositif filtrage d'harmoniques générées par une charge alimentée par un réseau triphasé à frequence constante ; la figure 2 un exemple de dispositif de filtrage d'harmoniques générées une charge alimentée par un réseau monophasé a fréquence variable conforme à l'invention ; figure 3 un exemple de configuration de l'inductance à ajuster et l'enroulement des moyens de commande d'une branche dispositif filtrage selon l'invention; la figure 4 un autre exemple de configuration de l'inductance a ajuster et l'enroulement des moyens de commande d'une branche du dispositif filtrage selon l'invention. la figure 5 un exemple de dispositif de filtrage d'harmoniques générées une charge alimentée par un réseau triphasé à fréquence variable conforme à l'invention ; - figure 6 un exemple de dispositif de filtrage d'harmoniques amorti selon l'invention monté en entrée d'une charge alimentée par un réseau triphasé à fréquence variable permettant le filtrage d'harmoniques de plusieurs ordres; On se réfère maintenant à la figure 2. Comme sur la figure , la charge porte la référence 1. réseau électrique à fréquence variable est référencé 6 dans l'exemple décrit il s'agit d'un réseau monophasé avec un conducteur neutre réferencé 60 et un conducteur de phase référencé 61. conducteur de phase 61 est équipé d'une inductance Ld de découplage montée en série en amont du dispositif de filtrage objet de l'invention. seul dispositif de filtrage 30 est montré, on suppose qu'il sert à filtrer les harmoniques d'ordre i (i entier supérieur à un). II comporte toujours autant branches 300 que de phases du réseau et ces branches 300 comportent une partie inductive L en série avec une partie capacitive C. dispositif de filtrage 30 est relié au réseau 6 en entrée la charge 1. Chaque branche 300 est connectée en parallèle sur le réseau 6, c'est à dire que l'une de ses extrémités est reliée à un conducteur phase 61 et l'autre au conducteur neutre 60. La partie inductive L d'une branche 300 comporte au moins une inductance Li à ajuster et la partie capacitive C un condensateur Ci. Mais maintenant, chaque branche 300 est associée à moyens de commande magnétique 8 de la valeur l'inductance à ajuster Li, ces moyens de commande magnétique 8 sont asservis sur la frequence du réseau 6. Lors de variations de fréquence réseau 6, les moyens de commande magnétique 8 font varier la valeur de l'inductance à ajuster Li de manière à ce que la branche 300 à laquelle ils sont associés reste accordée sur une fréquence égale ou proche de celle de l'harmonique qu'elle doit filtrer quelle que soit la valeur de la fréquence du réseau. Ainsi, si la fréquence du réseau 6 possède une plage de variation allant du simple au double, la variation de l'inductance à ajuster Li doit se faire dans un rapport voisin de 4. On va voir maintenant plus en détails la structure des moyens de commande magnétique 8 de la valeur de l'inductance à ajuster Li. Ces moyens de commande magnétique 8 comportent moins un enroulement Lc qui coopère magnétiquement avec l'inductance Li à ajuster. Cet enroulement Lc est destiné à être alimenté par tension Vc variable en fonction des variations de la fréquence du réseau 6. La tension Vc est une tension continue ou redressée. La tension Vc est délivrée par un dispositif d'alimentation 80. En plaçant l'enroulement Lc à proximité du noyau Ni de l'inductance Li à ajuster, une variation de la tension Vc entraîne une variation du courant qui parcourt l'enroulement Lc, une modification de l'état magnétique du noyau Ni de l'inductance à ajuster Li et un déplacement du point de fonctionnement du noyau Ni de l'inductance à ajuster Li, ce qui provoque une variation de la valeur de l'inductance à ajuster Li. Le dispositif d'alimentation 80 peut comporter un hacheur 80.1 commandé par une modulation M à largeur d'impulsions (connue sous le sigle anglais PWM) fonction de la fréquence du réseau 6. filtre 80.2 est inséré entre le hacheur 80.1 et l'enroulement Lc. Les variations de la fréquence réseau 6 se détectent en mesurant la tension du réseau 6. Le hacheur 80.1 est alimenté à partir de la tension du réseau redressée. On suppose la charge 1 comporte un pont redresseur qui alimente en tension redressée un dispositif d'utilisation 13. lieu d'utiliser le hacheur et le filtre, le dispositi d'alimentation peut comporter un régulateur 85 de tension série lorsque plages de tension permettent. Cette configuration illustrée à figure 6 a l'avantage de simplifier la commande et de supprimer filtrage. Le régulateur monté comme le hacheur de la figure 2 mais d'autres montages sont envisageables. est aussi possible de réaliser le dispositif d'alimentation 80 par un convertisseur connecté sur le réseau 6 et asservi à fréquence du réseau 6 manière à ce qu'il délivre la tension Vc appropriée. Cette variante representée sur la figure 5 a pour avantages de rendre autonome le dispositif filtrage par rapport à la charge et de réaliser un ensemble compact. L'energie que le réseau 6 doit fournir pour alimenter l'enroulement Lc est faible puisqu'il s'agit d'un circuit inductif. choix du matériau magnétique du noyau Ni de l'inductance Li à ajuster de la plus grande importance puisque c'est déplacement du point de fonctionnement du noyau Ni qui conditionne la variation de la valeur de l'inductance Li à ajuster. On choisira un matériau magnétique doux qui possède un cycle d'hystérésis à pente faible, sensiblemenrt constante donc aussi symétrique que possible autour du point de fonctionnement. Cela permet d'obtenir une grande plage de variation d'induction ne rajoute pas d'harmoniques indésirables le réseau 6. Un matériau magnétique qui convient particulièrement bien pour cette application la poudre de fer. La partie inductive L de la branche 300 comporte, dans cet exemple, en série avec l'inductance à ajuster Li une inductance fixe Lf. Cette inductance fixe Lf constitue un degré de liberté pour la réalisation de la partie inductive lorsque la plage de variation de la fréquence du réseau 6 est étroite. De manière à ce que l'inductance à ajuster Li ne crée pas réjection vers l'enroulement Lc des moyens de commande magnétique 8, cette inductance sera réalisée par au moins une paire d'inductances Lit, Lit ajuster montées en série et conformées pour induire des flux égaux et opposés qui s'annulent au niveau de l'enroulement Lc des moyens de commande màgnétique 8. Les figures 3 et 4 montrent deux exemples de configurations possibles pour l'inductance à ajuster Li et l'enroulement Lc des moyens de commande magnétique 8. Sur la figure 3, l'inductance à ajuster Li est formée d'une paire d'inductances Lit, Lit à ajuster en série, possedant chacune leur propre noyau Nil, Nil, torique dans l'exemple, et dont les enroulements Ei1, Ei2 sont bobinés en sens inverse. Les deux noyaux Nil, Nil sont identiques et les enroulements Ei1, Ei2, réalisés avec le même fil, possèdent un même nombre de spires. L'enroulement des moyens de commande magnétique 8 est bobiné autour des enroulements Ei1, Ei2 regroupés de manière à ne constituer qu'un seul support. Les enroulements Ei1, E2, Lc ne sont représentés que partiellement. Sur la figure 4, les inductances Lit, Lit à ajuster en série sont bobinées sur un circuit magnétique ou noyau commun Ni, dans l'exemple en forme de E avec deux jambes extérieures Ji1, Ji2 et une centrale Jc. Les enroulements Eil, Ei2 .des inductances Lit, Lit à ajuster se font autour des jambes extérieures respectivement Ji1, Ji2 avec le même nombre de spires et le même sens de bobinage. Le fil utilisé passe de l'une des jambes extérieures à l'autre. L'enroulement Lc des moyens de commande magnétique 8 se fait lui autour de la jambe centrale Jc. Les flèches en pointillés au niveau des noyaux sur ces deux figures représentent les flux générés par la paire d'inductances à ajuster. La figure 5 représente maintenant pour un réseau triphasé 6 alimentant une charge 1, deux dispositifs de filtrage selon l'invention l'un 305 pour filtrer les harmoniques d'ordre 5 et l'autre 307 pour filtrer les harmoniques d'ordre 7. Chaque dispositif de filtrage 305, 307 comporte trois branches respectivement 350, 370 et trois moyens de commande magnétique 83, 85 car le réseau 6 est triphasé. Ce réseau 6 comporte un conducteur neutre référencé 60 et trois conducteurs de phase, référencés 61, 62, 63. Chaque branche 350 (par exemple) possède une première extrémité reliée à un conducteur de phase 61, 62 ou 63 et une seconde extrémité reliée au conducteur neutre 60. Une inductance de découplage Ld se trouve sur chaque conducteur de phase en amont des dispositifs de filtrage. Chaque branche 350, 370 comporte une partie inductive en l'occurrence une inductance à ajuster référencée respectivement L50, L70, montée en série avec une partie capacitive en l'occurrence un condensateur référencé respectivement C50, C70. L'inductance fixe a disparu. Cette configuration correspond à une application dans laquelle la plage de variation de la fréquence du réseau 6 est plus large que dans le cas précédent illustré à la figure 2. Une autre différence à souligner se situe au niveau du dispositif d'alimentation 80 qui comporte maintenant un convertisseur au lieu du hacheur, ce convertisseur est connecté au réseau 6. la charge est équilibrée, il est possible de se passer de conducteur neutre. Cette configuration est illustrée sur la figure 6. Les secondes extrémités des branches d'un même dispositif de filtrage sont reliées entre elles. Pour simplifier le montage et réduire les coûts, il est possible de limiter le nombre de dispositifs de filtrage en en utilisant un unique pour filtrer des harmoniques d'ordres différents. Ces harmoniques d'ordres différents sont proches. Cette variante est présentée sur la figure 6 sur laquelle le réseau 6 est également triphasé. II n'y a qu'un seul dispositif de filtrage est destiné à filtrer à la fois les harmoniques d'ordre 5 et d'ordre 7 puisque ce sont eux qui sont apparaissent de manière la plus fréquente comme on l'a expliqué au début. Cet amortissement réalisé par une résistance R connectée en parallèle avec la partie inductive L de chaque branche 300, elle permet d'élargir la bande du dispositif de filtrage. Dans cet exemple la partie inductive L de la branche comporte l'inductance à ajuster LO et une inductance fixe Lf. La partie capacitive C comporte elle, un condensateur C0. Avec un tel dispositif de filtrage amorti, on limite les risques de résonance sur la plage de variation de la fréquence réseau 6. Le dispositif de filtrage amorti sera accordé sur une fréquence comprise entre la fréquence des harmoniques d'ordre 7 et celle des harmoniques d'ordre 5. Elle restera plus proche de la fréquence dés harmoniques d'ordre 5 que de celle correspondant aux harmoniques d'ordre 7 car dans le cas d'une charge constituée d'un redresseur triphasé on a 20 % d'harmoniques d'ordre 5 et 14 % d'harmoniques d'ordre 7. Le dispositif de filtrage est alors plus efficace pour les harmoniques d'ordre 5. Sur cette figure les moyens d'alimentation 80 sont représentés comme un régulateur de tension. Les exemples décrits dans la présente demande ne sont pas limitatifs de l'invention et notamment les différents éléments décrits peuvent se combiner différemment sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de filtrage d'harmoniques (30) générées par charge (1) alimentée par un réseau (6) à fréquence variable, caractérisé qu'il comporte au moins une branche (300) à parties inductive et capacitive en serie, montée en parallèle avec le réseau (6), en entrée de la charge la partie inductive comportant une inductance (Li) à ajuster, et associés à la branche des moyens de commande (8) magnétique asservis sur la frequence du réseau (6) à fréquence variable qui font varier magnetiquement valeur de l'inductance (Li) à ajuster de manière à ce que la branche (300) soit accordée sur une fréquence égale ou proche de celle de l'harmonique à filtrer, quelle que soit la valeur de la fréquence variable du réseau 2. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande (8) magnétique comportent moins un enroulement de commande (Lc) couplé magnétiquement à l'inductance à ajuster (Li), destiné à être alimenté par une tension (Vc) variable en fonction de la fréquence du réseau. 3. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tension variable (Vc) est délivrée par un convertisseur (80) à relier au réseau électrique. 4. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tension variable (Vc) est délivrée par un hacheur (80.1) associé à un filtre (80.2). 5. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tension variable (Vc) est délivrée par un régulateur de tension. 6. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie inductive comporte de plus une inductance fixe (Lf) en série avec l'inductance à ajuster (Li). 7. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte autant de branches (300) que le réseau (6) comporte de phase. 8. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'inductance à ajuster (Li) comporte une paire d'inductances (Li1, Lit) montées en série et conformées pour générer des flux égaux et opposés de manière à évi toute réjection vers moyens de commande magnétique (8). 9. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon revendication 8, caracterisé en ce que chaque inductance (Li1, Lit) de la paire est formée d'un enroulement (Ei1, Ei2) bobiné autour d'un noyau (Nil, Ni2), ces deux enroulements regroupés étant entourés de l'enroulement (Lc) des moyens de commande magnétique (8). 10. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque inductance de la paire est bobinée autour d'une jambe extrême (Ji1, Ji2) d'un même noyau (Ni) E, l'enroulement (Lc) des moyens de commande étant bobiné autour d'une jambe médiane (Jc) du dit noyau (Ni). 11. Dispositif de filtrage harminiques selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'inductance à ajuster (Li) comporte un noyau (Ni) réalisé en matériau magnétique doux. 12. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon revendication 11, caractérisé en ce que le matériau magnétique doux est à base de poudre de fer. 13. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la branche (300) est amortie de manière à filtrer des harmoniques d'ordres différents. 14. Dispositif de filtrage d'harmoniques selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'amortissement est réalisé par une résistance (R) connectée en parallèle sur la partie inductive (L) de la branche (300).