Brevet FR2814006A1 — publié le 20020315

La présente invention concerne un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage entre une source de tension alternative et une source de courant alternatif, comprenant un nombre pair de cellules de commutation comportant chacune un premier et un second interrupteurs unidirectionnels en tension et bidirectionnels en courant, des condensateurs associés aux cellules de commutation et adaptés pour maintenir aux bornes des cellules une tension de charge nulle ou égale à une, fraction prédéterminée de la tension de la source de tension, et des dispositifs de commande connectés chacun à une cellule de commutation et adaptés pour commander les commutations des premiers et seconds interrupteurs de la cellule, une première moitié des cellules étant adaptée pour traiter l'alternance positive de la tension de la source de tension et la seconde moitié des cellules étant adaptée pour traiter l'alternance négative de la tension de la source de tension. Dans la suite, on entend par cellule. de commutation un ensemble constitué de deux interrupteurs commandés en états opposés par des dispositifs de commande leur fournissant un signal électrique de commande. Ainsi, les deux interrupteurs d'une cellule ne peuvent pas être simultanément à l'état bloqué. De même, ils ne peuvent pas être simultanément à l'état conducteur, sauf lorsque les tensions maintenues respectivement entre leurs premières bornes et leurs secondes bornes sont égales, et notamment lorsqu'elles sont nulles. Un tel dispositif de conversion est décrit dans l'article de B.-H. Kwon, B.D. Min et J.-H Kim, intitulé Novel topologies of AC choppers , publié dans IEE Proceedings on Electr. Power Appl.; pages 323-330, volume 143, n 4 de juillet 1996. II comporte deux cellules de commutation associées chacune à un condensateur. Une première cellule est adaptée pour traiter l'alternance positive de la tension de la source de tension et est connectée à l'une seulement des deux bornes de la source de tension. La seconde cellule est adaptée pour traiter l'alternance négative de la tension de la source de tension et est connectée à l'autre seulement des deux bornes de la source de tension. Un avantage de cette structure est de permettre l'utilisation de cellules de commutation comprenant des interrupteurs unidirectionnels en tension et bidirectionnels en courant, dont la réalisation pratique est simple. Par contre, dans ce dispositif la source de courant est connectée d'une part entre les deux interrupteurs de la première cellule et d'autre part entre les deux interrupteurs de la seconde cellule. Cette contrainte a par exemple pour conséquence l'impossibilité de connecter l'une des deux bornes de la source de courant à l'une des deux bornes de la source de tension ou à un point du dispositif de niveau de potentiel prédéterminé, ce qui peut être recommandé pour certaines applications. L'invention vise à remédier aux inconvénients d'un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage classique, en créant un dispositif permettant de connecter librement l'une des deux bornes de la source de courant à un point quelconque du circuit, tel que par exemple l'une des deux bornes de la source de tension. L'invention a donc pour objet un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage entre une source de tension alternative et une source de courant alternatif, comprenant un nombre pair de cellules de commutation comportant chacune un premier et un second interrupteurs unidirectionnels en tension et bidirectionnels en courant, des condensateurs associés aux cellules de commutation et adaptés pour maintenir aux bornes des cellules une tension de charge nulle ou égale à une fraction prédéterminée de la tension de la source de tension, et des dispositifs de commande connectés chacun à une cellule de commutation et adaptés pour commander les commutations des premiers et seconds interrupteurs de la cellule, une première moitié des cellules étant adaptée pour traiter l'alternance positive de la tension de la source de tension et la seconde moitié des cellules étant adaptée pour traiter l'alternance négative de la tension de la source de tension, caractérisé en ce qu'un premier groupe d'interrupteurs est formé par les premiers interrupteurs des cellules de commutation connectés en série entre une première borne de la source de tension et une première borne de la source de courant, en ce qu'un second groupe d'interrupteurs est formé par les seconds interrupteurs des cellules de commutation connectés en série entre une seconde borne de la source de tension et la première borne de la source de courant, les caractères unidirectionnels en tension des premiers et seconds interrupteurs appartenant à la première moitié des cellules étant respectivement opposés à ceux des premiers et seconds interrupteurs appartenant à la seconde moitié des cellules. Ainsi, un dispositif selon l'invention permet de choisir librement le point de connexion de la seconde borne de la source de courant, ce qui peut se révéler être un atout majeur pour certaines applications. Le dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - une seconde borne de la source de courant est connectée à l'une quelconque des première et seconde bornes de la source de tension, formant ainsi un point neutre du dispositif, commun à la source de tension et à la source de courant ; - les interrupteurs de chaque groupe appartenant à la première moitié des cellules, sont connectés en alternance avec les interrupteurs de chaque groupe respectif appartenant à la seconde moitié des cellules ; - les dispositifs de commande sont adaptés pour commander les commutations des deux interrupteurs de chaque cellule de la première moitié des cellules, en leur assurant des états opposés et pour maintenir conducteurs les deux interrupteurs de chaque cellule de la seconde moitié des cellules, lorsque la tension de la source de tension est positive, et inversement, pour commander les commutations des deux interrupteurs de chaque cellule de la seconde moitié des cellules, en leur assurant des états opposés et pour maintenir conducteurs les deux interrupteurs de chaque cellule de la première moitié des cellules, lorsque la tension de la source de tension est négative ; et - toutes les cellules de la première moitié des cellules, lorsque la tension de la source de tension est positive, et toutes les cellules de la seconde moitié des cellules, lorsque la tension de la source de tension est négative, sont commandées avec des rapports cycliques sensiblement égaux et des déphasages sensiblement égaux entre deux cellules successives d'une même moitié des cellules. L'invention a également pour objet un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique polyphasée à découpage entre une multiplicité de sources de tension et une multiplicité de sources de courant caractérisé en ce qu'il comporte une multiplicité de dispositifs, dont les sources de tension et de courant sont respectivement connectées entre elles. Le dispositif de conversion réversible d'énergie électrique polyphasée à découpage selon l'invention peut en outre comporter l'une des caractéristiques suivantes - les secondes bornes de toutes les sources de courant sont connectées entre elles, formant ainsi un point neutre des sources de courant, et l'une des bornes de chaque source de tension est connectée à un même point, formant ainsi un point neutre des sources de tension ; et - le point neutre des sources de courant et le point neutre des sources de tension sont connectés entre eux, formant ainsi un point neutre du dispositif, commun à toutes les sources de tension et de courant. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma électrique de principe d'un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique selon l'invention ; - la figure 2 représente l'allure de la tension aux bornes de la source de tension alternative du dispositif de conversion représenté à la figure 1 ; - la figure 3 est un schéma électrique de principe d'un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique selon l'invention, dans le cas où il comporte deux cellules, détaillant en outre un ensemble de commande de ce dispositif, pendant une alternance positive de la tension de la source de tension ; - la figure 4 représente l'allure de la tension aux bornes de la source de tension alternative, des signaux de commande de l'ensemble de commande des cellules de commutation et de la tension de sortie aux bornes de la source de courant alternatif, pour le dispositif représenté à la figure 3 ; - la figure 5 est un schéma électrique de principe d'un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique selon l'invention, dans le cas où il comporte deux cellules, détaillant en outre un ensemble de commande de ce dispositif, pendant une alternance négative de la tension de la source de tension ; - la figure 6 représente l'allure de la tension aux bornes de la source de tension alternative, des signaux de commande de l'ensemble de commande des cellules de commutation et de la tension de sortie aux bornes de la source de courant alternatif, pour le dispositif représenté à la figure 5 ; et - la figure 7 est un schéma électrique de principe d'un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique triphasé, selon un autre aspect de l'invention, dans lequel l'ensemble de commande n'est pas représenté. Le dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage représenté à la figure 1 comporte une source de tension alternative 2 assurant une différence de potentiel sinusoïdale d'amplitude Ve entre ses bornes et une source de courant alternatif 4 supportant une différence de potentiel d'amplitude VS entre ses bornes. Le dispositif comporte en outre 2n cellules de commutation 6,, ..., 621, n étant un entier supérieur ou égal à 1. Chaque cellule de commutation 6; est constituée de deux interrupteurs 8; et 10;. La commande de ces interrupteurs sera détaillée lors de la description des figures 3 et 5. Les 2n interrupteurs 8,, ..., 82, constituent un premier groupe d'interrupteurs et sont connectés en série dans l'ordre croissant de leurs indices entre une première borne 12 de la source de courant 4 et une première borne 14 de la source de tension 2. De même, les 2n interrupteurs 10,, ..., 102n constituent un second groupe d'interrupteurs et sont connectés en série dans l'ordre croissant de leurs indices entre la première borne 12 de la source de courant 4 et une seconde borne 16 de la source de tension 2. La seconde borne 16 de la source de tension 2 est en outre connectée à une seconde borne 18 de la source de courant 4, formant ainsi un point neutre du dispositif, commun à la source de tension 2 et à la source de courant 4. Les interrupteurs du dispositif sont tous de même type, c'est-à-dire unidirectionnels en tension et bidirectionnels en courant et sont constitués par des transistors IGBT 20 associés chacun à une diode 22 en antiparallèle. Chacun de ces transistors IGBT peut être remplacé selon les applications par un transistor bipolaire Darlington, Most, GTO, etc. Entre les 2n cellules 6,, ..., 62, sont connectés en outre 2n-1 condensateurs 24,, ..., 242n_,. Chaque condensateur 24; est raccordé d'une part au point de connexion des deux interrupteurs 8; et 8;+, et d'autre part au point de connexion des deux interrupteurs 10; et 10;+,. Ainsi, chaque condensateur 24; maintient aux bornes respectives de chaque cellule 6; une tension de charge nulle ou égale à une , fraction prédéterminée de la tension Ve de la source de tension 2, en fonction de l'état des interrupteurs 8,, ..., 82n, 10,, ..., 102n. Une première moitié de cellules 6,, ..., 62;_,, ..., 62n_, est disposée de façon à traiter l'alternance positive de la tension Ve de la source de tension 2. En effet, pour chaque cellule 62;_, de cette première moitié de cellules, l'interrupteur 102;_, unidirectionnel en tension, est disposé pour supporter une différence de potentiel positive entre sa borne la-plus proche de la source de courant 4 et sa borne la plus proche de la source de tension 2, et pour interdire une différence de potentiel dans l'autre sens. De façon classique, l'autre interrupteur 82;_, de la cellule 62;_, est disposé en sens inverse. De même, une seconde moitié de cellules 62, ..., 62;, ..., 62, est disposée de façon à traiter l'alternance négative de la tension Ve de la source de tension 2. En effet, pour chaque cellule 62; de cette seconde moitié de cellules, l'interrupteur 102; unidirectionnel en tension est disposé pour supporter une différence de potentiel négative entre sa borne la plus proche de la source de courant 4 et sa borne la plus proche de la source de tension 2, et pour interdire une différence de potentiel dans l'autre sens. L'autre interrupteur 82; de la cellule 62; est disposé en sens inverse. Enfin, les cellules de commutation 6,, ..., 6, sont chacune commandées par des dispositifs de commande 26,, ..., 262, qui seront détaillés lors de la description des figures 3 et 5. La figure 2 représente l'allure de la tension Ve aux bornes de la source de tension 2 au cours du temps, lors du fonctionnement du dispositif décrit précédemment. Cette tension Ve est alternative et, par exemple, sinusoïdale. Elle comporte au cours d'une période quelconque une alternance positive pendant une première demi-période de cette période, comprise entre un instant t. et un instant t,, et une alternance négative pendant une seconde demi-période de cette période, comprise entre un instant t, et un instant t2. Un cas particulier du dispositif décrit précédemment est représenté à la figure 3. Sur cette figure, le dispositif comporte deux cellules de commutation 6, et 62 et deux dispositifs 26, et 262 de commande de ces cellules de commutation. II est ici représenté lors de l'alternance positive de la tension Ve de la source de tension 2. En effet, lors de cette alternance, le dispositif de commande 26, commande la commutation des deux interrupteurs 8, et 10, en leur assurant des états opposés, alors que le dispositif de commande 262 commande la cellule 62 en maintenant conducteurs les deux interrupteurs 82 et 102. Pour cela, les dispositifs 26, et 262 transmettent respectivement des signaux de commande SC, et SC2 aux cellules de commutation 6, et 62. En outre, la source de tension alternative 2 est ici réalisée de façon classique au moyen du montage en parallèle d'une source de tension réelle 28 associée en série à une inductance 30 d'une part, et d'un condensateur 32 d'autre part. Les deux bornes du condensateur 32 constituent les deux bornes 14 et 16 de la source de tension 2 décrite précédemment. Le fonctionnement du dispositif représenté à la figure 3, lors de l'alternance positive de la source de tension 2, va maintenant être décrit à l'aide de la figure 4. Sur cette figure, la tension Ve comprise entre les deux bornes 16 et 14 de la source de tension 2 est représenté entre les instants t. et t,, c'est-à-dire lors de l'alternance positive. Sur cette figure sont également représentés les signaux de commande SC, et SC2 fournis en sortie des deux dispositifs de commande 26, et 262. La valeur de ces signaux est à chaque instant égale à 0 ou à 1. Un interrupteur quelconque du dispositif de conversion est maintenu conducteur lorsqu'il reçoit un signal de commande égal à 1 et maintenu bloqué lorsqu'il reçoit un signal de commande égal à 0. Ainsi, entre les instants to et t,, le signal SC2 est égal à 1 et commande directement les deux interrupteurs 82 et 102 en les maintenant conducteurs, de sorte que la tension aux bornes du condensateur 24, est à chaque instant égale à Ve. Pendant ce temps, le signal SC, est un signal périodique en créneau dont la période est nettement inférieure à la durée t, - to. L'interrupteur 8, est directement commandé par ce signal alors que l'interrupteur 10, est commandé par le signal , complément à 1 du signal SC,. Ainsi, lors de l'alternance positive, la tension Ve de la source de tension est supportée alternativement par l'interrupteur 10, lorsque celui-ci est bloqué et par l'interrupteur 8, lorsque l'interrupteur 10, est conducteur. La tension de sortie résultante aux bornes 18 et 12 de la source de courant alternatif 4 est également représentée à la figure 4. II s'agit d'une tension alternative hachée dont la valeur est soit nulle soit égale Ve, étant donné que cette tension est égale à la somme des tensions aux bornes des interrupteurs 10,@ et 102. Le dispositif à deux cellules, décrit précédemment lors de l'alternance positive, est représenté à la figure 5 lors de l'alternance négative de la tension Ve de la source de tension 2. Lors de cette alternance, le dispositif de commande 26, commande la cellule 6, en maintenant conducteurs les deux interrupteurs 8, et 10,, alors que le dispositif de commande 262 commande la commutation des deux interrupteurs 82 et 102 en leur assurant des états opposés. Le fonctionnement du dispositif représenté à la figure 5, lors de l'alternance négative de la source de tension 2, va maintenant être décrit à l'aide de la figure 6. Sur cette figure, la tension Ve est représentée entre les instants t, et t2, c'est-à-dire lors de l'alternance négative de la source de tension 2. Sur cette figure sont également représentés les signaux de commande SC, et SC2. Entre les instants t, et t2, le signal SC, est égal à 1 et commande directement les deux interrupteurs 8, et 10, en les maintenant conducteurs, de sorte que la tension aux bornes du condensateur 24, est nulle. Pendant ce temps, le signal SC2 est un signal périodique en créneau dont la période est nettement inférieure à la durée t2-tl, comme précédemment. L'interrupteur 82 est directement commandé par ce signal alors que l'interrupteur 102 est commandé par le signal , complément à 1 du signal SC2. Ainsi, lors de l'alternance négative, la tension Ve de la source de tension est supportée alternativement par l'interrupteur 102 lorsque celui-ci est bloqué et par l'interrupteur 82 lorsque l'interrupteur 102 est conducteur. La tension de sortie résultante aux bornes 18 et 12 de la source de courant alternatif 4 est également représentée à la figure 6. II s'agiticomme précédemment d'une tension alternative hachée dont la valeur est soit nulle soit égale à Ve. On obtient donc bien au cours d'une période de la tension de la source de tension 2 une tension de sortie hachée égale à chaque instant soit à 0 soit à la tension de la source de tension 2. On généralise la commande du dispositif représentée aux figures 3 et 5, à la commande du dispositif représentéè à la figure 1, en adaptant les dispositifs de commande afin que toutes les cellules de la première moitié des cellules, lorsque la tension de la source de tension est positive, et toutes les cellules de la seconde moitié des cellules, lorsque la tension de la source de tension est négative, soient commandées avec des rapports cycliques sensiblement égaux et des déphasages des signaux de commande SC, et SC2 sensiblement égaux à entre deux cellules successives d'une même moitié de cellules. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de conversion réversible d'énergie électrique triphasé à découpage entre une multiplicité de sources de tension et une multiplicité de sources de courant, représenté à la figure 7, est obtenu par l'interconnexion de trois dispositifs tels que ceux décrits précédemment, par exemple trois dispositifs comportant chacun deux cellules de commutation. L'interconnexion de ces trois dispositifs est assurée par la connexion des trois points neutres respectifs de ces dispositifs. On forme ainsi un point neutre du dispositif polyphasé, commun à toutes les sources de tension et de courant. II apparaît clairement qu'un dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage monophasé ou polyphasé selon l'invention conserve la fonctionnalité de découpage de la tension de sortie VS du dispositif classique, tout en permettant à un utilisateur de connecter librement l'une des bornes de chaque source de courant 4 du dispositif à un niveau de potentiel prédéterminé. Dans un cas particulier, ce niveau de potentiel prédéterminé peut être commun à celui d'une des deux bornes de chaque source de tension 2. On notera également que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit. Ainsi, en variante, les cellules de commutation 6,, ..., 62, ne dont pas connectées en alternance, entre les cellules appartenant à la première moitié des cellules et les cellules appartenant à la seconde moitié des cellules, comme décrit précédemment. Par exemple, les cellules appartenant à la première moitié sont les cellules 6, à 6,, et les cellules appartenant à la seconde moitié sont les cellules 6n+, à 62". En variante également, l'interconnexion des trois dispositifs de conversion pour former le dispositif de conversion réversible d'énergie électrique triphasé à . découpage représenté à la figure 7, est assurée par l'interconnexion d'une part des trois sources de courant et d'autre part des trois sources de tensions. Ces interconnexions peuvent être réalisées chacune selon une configuration de type triangle ou étoile au choix, ces configurations étant considérées comme classiques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage entre une source de tension alternative (2) et une source de courant alternatif (4), comprenant un nombre pair de cellules de commutation (61, ..., 62n) comportant chacune un premier (81, ..., 821) et un second (10,, ..., 102n) interrupteurs unidirectionnels en tension et bidirectionnels en courant, des condensateurs (241, ... , 242n_,) associés aux cellules de commutation (61, ..., 62n) et adaptés pour maintenir aux bornes des cellules une tension de charge nulle ou égale à une fraction prédéterminée de la tension (V.) de la source de tension (2)h . et des dispositifs de commande (261, ..., 262n) connectés chacun à une cellule de commutation et adaptés pour commander les commutations des premiers et seconds interrupteurs (8,, ..., 82n, 101, ... , 102n) de la cellule, une première moitié (6l"..., 62;-1, ..., 62n_,) des cellules étant adaptée pour traiter l'alternance positive de la tension (Ve) de la source de tension (2) et la seconde moitié (62, ..., 62;, ... , 62n) des cellules étant adaptée pour traiter l'alternance négative de la tension (Ve) de la source de tension (2), caractérisé en ce qu'un premier groupe d'interrupteurs est formé par les premiers interrupteurs (81, ..., 82n) des cellules de commutation connectés en série entre une première borne (14) de la source de tension (2) et une première borne (12) de la source de courant (4), en ce qu'un second groupe d'interrupteurs est formé par les seconds interrupteurs (101, ..., 102n) des cellules de commutation connectés en série entre une seconde borne (16) de la source de tension (2) et la première borne (12) de la source de courant (4), les caractères unidirectionnels en tension des premiers et seconds interrupteurs (81, ... , 82;-1, ... , 82n-1) 101, ..., 102;_,, ..., 102n_,) appartenant à la première moitié des cellules étant respectivement opposés à ceux des premiers et seconds interrupteurs (82, ..., 82;, ... , 82n, 102, ..., 102;, ..., 102n) appartenant à la seconde moitié des cellules. 2. Dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une seconde borne (18) de la source de courant (4) est connectée à l'une quelconque des première et seconde bornes (14, 16) de la source de tension (2), formant ainsi un point neutre du dispositif, commun à la source de tension et à la source de courant. 3. Dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les interrupteurs (8,, ..., 82;.,, ...1 $2n-11 10,, ..., 102;_,, ... , 102n_,) de chaque groupe appartenant à la première moitié des cellules, sont connectés en alternance avec les interrupteurs (82, ..., 82;, ..., 82n, 102, ... , 102;, ..., 102n) de chaque groupe respectif appartenant à la seconde moitié des cellules. 4. Dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les dispositifs de commande (26,, ..., 262n) sont adaptés pour commander les commutations des deux interrupteurs de chaque cellule (6,, ..., 62;_,, ..., 62,_,) de la première moitié des cellules, en leur assurant des états opposés et pour maintenir conducteurs les deux interrupteurs de chaque cellule (62, ..., 62;, ..., 62n) de la seconde moitié des cellules, lorsque la tension (Ve) de la source de tension est positive, et inversement, pour commander les commutations des deux interrupteurs de chaque cellule (62, ... , 62;, ..., 62n) de la seconde moitié des cellules, en leur assurant des états opposés et pour maintenir condûcteurs les deux interrupteurs de chaque cellule (6,, ... , 62;_,, ..., 62n_,) de la première moitié des cellules, lorsque la tension (Ve) de la source de tension est négative. 5. Dispositif de conversion réversible d'énergie électrique à découpage selon la revendication 4, caractérisé en ce que toutes les cellules (6,, ..., 62;_,, ..., 62n_,) de la première moitié des cellules, lorsque la tension de la source de tension est positive, et toutes les cellules (62, ..., 62;, ..., 62n) de la seconde moitié des cellules, lorsque la tension de la source de tension est négative, sont commandées avec des rapports cycliques sensiblement égaux et des déphasages sensiblement égaux entre deux cellules successives d'une même moitié des cellules. 6. Dispositif de conversion réversible d'énergie électrique polyphasée à découpage entre une multiplicité de sources de tension et une multiplicité de sources de courant caractérisé en ce qu'il comporte une multiplicité de dispositifs selon l'une des revendications 1 à 4, dont les sources de tension (2) et de courant (4) sont respectivement connectées entre elles. 7. Dispositif de conversion réversible d'énergie électrique polyphasée à découpage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les secondes bornes (18) de toutes les sources de courant (4) sont connectées entre elles, formant ainsi un point neutre des sources de courant, et en ce que l'une des bornes (14, 16) de chaque source de tension (2) est connectée à un même point, formant ainsi un point neutre des sources de tension. 8. Dispositif de conversion réversible d'énergie électrique polyphasée à découpage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le point neutre des sources de courant (4) et le point neutre des sources de tension (2) sont connectés entre eux, formant ainsi un point neutre du dispositif, commun à toutes les sources de tension et de courant.