Brevet FR2825847A1 — publié le 20021213

Circuit électronique de connexion en série et/ou en parallèle de qénérateurs L'invention se rapporte à un circuit électronique permettant de réaliser une connexion en série et/ou en parallèle de générateurs. Ledit circuit permet notamment de faire varier la tension de sortie tout en maintenant une puissance constante. Il présente l'avantage d'être de réalisation simple tout en tolérant les pannes simples. Le circuit selon l'invention comporte deux conducteurs entre lesquels sont connectés en parallèle N générateurs, les deux conducteurs comportant chacun en série N+1 interrupteurs situés entre les connexions des générateurs, les deux conducteurs étant reliés à chacune de leur extrémité. Ledit circuit est caractérisé en ce que lesdits interrupteurs sont associés à des moyens de fermeture et d'ouverture de sorte que les générateurs sont reliés entre eux en série et/ou en parallèle faisant ainsi varier la tension de sortie du circuit. Suivant les applications recherchées, les générateurs peuvent être des transformateurs, des inductances, des condensateurs, etc. et les interrupteurs peuvent être des diodes, des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), des thyristors, des triac, des transistors à effet de champ, des transistors bipolaires, des contacteurs, des contacts, des thyristors à grille blocable (GTO), des IGCT, des MOS etc. Dans un mode de réalisation, les moyens de fermeture et d'ouverture dudit circuit des interrupteurs sont des onduleurs de sorte que le déphasage des onduleurs permet d'associer les N générateurs en série ou en parallèle. Dans une variante, les générateurs sont des transformateurs comportant chacun un enroulement primaire et un enroulement secondaire. Dans une deuxième variante, les N transformateurs sont connectés de sorte que lorsque leurs enroulements primaires sont en série, leurs enroulements secondaires sont en parallèle, et réciproquement. L'invention a également pour objet un procédé de commande d'un circuit électronique tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à déplacer un motif de commutation successivement le long des paires d'interrupteurs et, pour chaque paire d'interrupteurs, à inverser éventuellement l'état d'un des interrupteurs de la paire ou successivement l'état des deux interrupteurs de la paire. D'autres objets et avantages apparaîtront au cours de la description suivante, en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels : - la figure 1 représente un schéma représentant un circuit selon l'invention ; - la figure 2 représente un schéma d'un mode de réalisation d'un circuit selon l'invention ; - la figure 3 représente un schéma d'une variante du mode de réalisation représenté sur la figure 2 ; - la figure 4 représente une autre variante de l'invention ; - les figures 5 et 6. illustrent deux modes de commutation d'un circuit selon l'invention. En référence à la figure 1, le circuit électronique comporte deux conducteurs 1, 2 entre lesquels sont connectés en parallèle N générateurs 3, N étant un nombre entier. Les deux conducteurs 1,2 comportent chacun en série N+1 interrupteurs 4 situés entre les connexions des générateurs 3. Les deux conducteurs 1,2 sont reliés ensemble à chacune de leur extrémité. Lesdits interrupteurs 4 sont associés à des moyens de fermeture et d'ouverture de sorte que les générateurs 3 sont reliés entre eux en série et/ou en parallèle. En fonction du nombre de générateurs 3 reliés en série et/ou en parallèle, la tension de sortie Vs du circuit va varier dans une plage de tension dépendant du nombre de générateurs 3. Les générateurs 3 peuvent être des générateurs de tension ou de courant, il s'agit par exemple de transformateurs, d'inductances, de condensateurs, ou similaires. Les interrupteurs 4 peuvent être des diodes, des IGBT, des thyristors, des triac, des transistors à effet de champ, des transistors bipolaires, des contacteurs, des contacts, des GTO, IGCT, MOS, ou similaires. Dans les modes de réalisation représentés figures 2 et 3, les générateurs 3 sont des transformateurs. Le circuit électronique représenté comprend N = quatre transformateurs 3. Les transformateurs 3 comprennent chacun un enroulement primaire 6 et un enroulement secondaire 7. Dans la suite de la description, on désigne par circuit primaire 8, le circuit comportant les enroulements primaires 6, et par circuit secondaire 9, le circuit comportant les enroulements secondaires 7. Le mode de réalisation représenté figure 2 est maintenant décrit en détail. Le circuit secondaire 9 comprend deux conducteurs 1,2 entre lesquels sont connectés en parallèle les quatre enroulements secondaires 7 des générateurs 3. Les deux conducteurs 1,2 comportent chacun en série N+1 = cinq interrupteurs 4 situés entre les connexions des enroulements secondaires 7 des générateurs 3. Les interrupteurs 4 utilisés sont des diodes. Les deux conducteurs 1,2 sont par ailleurs reliés à un enroulement 16 et une capacité 17 montés en série. Ces deux éléments forment le filtre de sortie du circuit. Le circuit primaire 8 est maintenant décrit en détail. Les moyens de fermeture et d'ouverture des interrupteurs 4 du circuit primaire sont des circuits onduleurs 5. Ce sont en effet les commutations commandées des onduleurs 5 qui entraînent les commutations spontanées des diodes 4. Dans le mode de réalisation représenté, chaque enroulement primaire 6 d'un transformateur 3 est relié à un circuit onduleur 5, ledit circuit onduleur alimentant le transformateur 3 associé. De façon classique, les circuits onduleurs 5 utilisés sont des onduleurs monophasés comprenant des générateurs de signaux de commande 11, des commutateurs 10, et une capacité 12. Dans le mode de réalisation représenté figure 2, les quatre circuits onduleurs 5 sont identiques. Pour plus de clarté, les références ne sont indiquées que sur le premier circuit onduleur 5 de la figure 2. Chaque extrémité d'un enroulement primaire 6 d'un transformateur 3 est connectée à deux conducteurs comportant chacun un commutateur 10. Chaque commutateur 10 est relié à un générateur de signaux de commande 11. Chaque commutateur 10 connecté à une extrémité dudit enroulement primaire 6 est par ailleurs relié au commutateur 10 connecté à l'autre extrémité dudit enroulement 6 par un conducteur 14. Ces deux conducteurs 14 sont montés en parallèle avec la capacité 12 et en série avec d'une part un enroulement 15 et le générateur de tension 13 d'entrée du circuit et d'autre part le circuit onduleur 5 suivant. Les circuits onduleurs 5 sont donc montés en série au générateur de tension d'entrée 13. L'ensemble des capacités 12 et de l'enroulement 15 constitue un filtre d'entrée du circuit électronique. La figure 3 décrit une variante du mode de réalisation de la figure 2. Sur ces figures, les mêmes références désignent les mêmes composants. Dans cette variante, le circuit secondaire 9 est identique au circuit secondaire décrit dans le mode de réalisation précédent. Seul le circuit primaire 8 est différent, il est décrit ci-après. Le circuit primaire 8 comprend deux conducteurs 18,19 entre lesquels sont connectés en parallèle N = quatre enroulements primaires 6 des générateurs 3. Les deux conducteurs 18,19 comportent chacun en série N+1 = cinq interrupteurs 4 situés entre les connexions des enroulements primaires 6 des générateurs 3. Ces interrupteurs 4 sont les moyens de fermeture et d'ouverture des interrupteurs 4 du circuit secondaire 9. Ces interrupteurs 4 peuvent être des diodes, des IGBT, des thyristors, des triac, des transistors à effet de champ, des transistors bipolaires, des contacteurs, des contacts, des GTO, IGCT, MOS, ou similaires. Les deux conducteurs 18,19 sont par ailleurs montés en parallèle avec une capacité 12 et en série avec un enroulement 15 et le générateur de tension 13. Le fonctionnement de l'ensemble du circuit représenté figure 2 est maintenant décrit en détail. Le déphasage de chacun des circuits onduleurs 5 va permettre d'associer les enroulements secondaires 7 des transformateurs 3 en série ou en parallèle. Le montage est tel, que lorsque tous les circuits onduleurs 5 sont en phase, les enroulements secondaires 7 des transformateurs 3 sont alors en parallèle. Lorsque les circuits onduleurs 5 sont en opposition de phase deux à deux, les enroulements secondaires 7 des transformateurs 3 sont alors en série. En ajustant la phase entre ces deux valeurs extrêmes, il est ainsi possible de régler le coefficient VsNe. Dans ce mode de réalisation, avec N circuits onduleurs en série, on obtient une dynamique de N du circuit électronique. Ce circuit électronique présente l'avantage d'être tolérant à une panne simple : quel que soit le mode de panne d'un interrupteur, d'un générateur 11 ou 3, il est possible de fonctionner en mode dégradé. On isole alors l'étage en panne en appliquant une commande appropriée sur les interrupteurs. Cela a pour conséquence de limiter les capacités de l'ensemble du circuit (la plage de variation des tensions est réduite) sans que ce dernier cesse de fonctionner. Dans une variante représentée figure 3 de ce mode de réalisation, les enroulements secondaires 7 des transformateurs 3 sont câblés pour être reliés en série lorsque les enroulements primaires 6 sont en parallèle, et réciproquement. De sorte que, si l'on considère que les transformateurs 3 présentent des rapports de transformation égaux à 1, il est possible de faire varier la tension de sortie entre Ve/N et N. Ve. La dynamique du circuit électronique est alors de N2. En effet, lorsque les enroulements primaires 6 sont en série, les enroulements secondaires 7 sont en parallèle et leur tension de sortie est égale à la tension de sortie des enroulements primaires 6, à savoir, Ve/N. Lorsque les enroulements primaires 6 sont en parallèle, leur tension d'entrée est Ve, et les enroulements secondaires 7 sont en série de sorte que leur tension de sortie est égale à N. Ve. Ce montage présente l'avantage de pouvoir être utilisé avec une tension d'entrée fortement variable (par exemple de 100 Volts à 1600 Volts) et de réguler la tension de sortie à une valeur fixe. Plus le nombre N de générateurs est élevé, plus on augmente la plage de variation des tensions. Il permet également de garantir l'équilibrage des tensions des générateurs, étant donné que lorsque les enroulements primaires sont en parallèle, les enroulements secondaires sont en série et réciproquement. Le circuit électronique présente d'autres avantages. Notamment, la fréquence apparente en sortie et en entrée dudit circuit est supérieure aux fréquences des générateurs utilisés, de sorte qu'un filtre utilisé en sortie et en entrée du circuit sera de taille réduite par rapport à un circuit classique. Sur les figures 2 et 3, le filtre en sortie du circuit est représenté par l'enroulement 16 et la capacité 17, tandis que le filtre en entrée du circuit est représenté par l'enroulement 15 et la ou les capacités 12. Par ailleurs, le courant circulant en permanence dans le circuit selon l'invention, les filtres en entrée et en sortie du circuit seront moins sollicités que dans un circuit classique présentant un courant pulsé important. Le circuit électronique selon l'invention présente un domaine d'application vaste en électronique. Il peut par exemple être utilisé auto configurateur série parallèle. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits, et notamment à la valeur de N employée. Cette dernière peut être très variable. On peut notamment envisager toutes les associations en parallèle et/ou en série des générateurs 3 sans sortir du cadre de l'invention. La totalité ou une partie des éléments du circuit électronique peut par ailleurs être pilotée par ordinateur pour obtenir l'association voulue de générateurs 3. On va maintenant décrire deux applications particulières de l'invention. Dans une première application du circuit électronique conforme à l'invention, ce dernier remplace le convertisseur d'énergie disposé dans un véhicule ferroviaire, alimenté par une tension continue de 1500V ou 3000V, ledit convertisseur étant apte à transformer cette tension continue en une tension propre à alimenter des organes électriques embarqués dans ce véhicule. En utilisant un circuit électronique selon l'invention à la place des convertisseurs d'énergie connus, il est possible de supprimer le filtre d'entrée. En effet, dans les réalisations connues, la norme UIC 550 (Union Internationale des Chemins de fer) impose l'utilisation d'un filtre d'entrée lourd et volumineux constitué d'un condenseur et d'une inductance. Grâce au circuit électronique selon l'invention, il est possible de supprimer le filtre encombrant ci-dessus, tout en respectant la norme ci-dessus. Le générateur d'entrée devient alors un générateur de courant. La régulation des ordres de commandes des interrupteurs régule un courant constant pour toutes les fréquences supérieures à 50Hz, créant ainsi une impédance d'entrée élevée. En dessous de 30Hz, la consigne de courant est adaptée pour ajuster la tension de sortie. La figure 4 illustre une autre application du circuit électronique selon l'invention. Dans cette application, les interrupteurs sont des diodes d1, d2, d3, d4, etc... et les générateurs sont des transformateurs comprenant un primaire P1, P2 et un secondaire S1, S2. Ce circuit électronique est alimenté par une source de tension d'entrée VE constante. Le circuit comporte en outre une inductance L de filtrage et une capacité C. Ce circuit est adapté pour associer les circuits primaires P1, P2 des transformateurs en série ou en parallèle pour faire varier la tension de sortie Vs+ et Vs-à puissance constante. Sur les figures 5 et 6, les tronçons de conducteurs 1 et 2 en traits gras illustrent des interrupteurs fermés et les tronçons en traits maigres des interrupteurs ouverts. Les commutations s'effectuent de proche en proche en déplaçant un motif de commutation, symbolisé par un cadre C, le long des paires d'interrupteurs et en inversant éventuellement l'état d'un ou des deux interrupteurs contenus dans le cadre. Dans le cas de deux inversions, celles-ci sont effectuées successivement. Dans les deux figures 5 et 6, la configuration de départ est une configuration en série. La figure 5 correspond à une inversion de polarité. Dans la configuration d'arrivée de la figure 6, les générateurs sont groupés deux par deux en parallèle, et ces groupes sont reliés en série. On observe qu'une telle loi procure une commutation"quasi-douce", dans laquelle les pertes dynamiques sont divisées par 4. Par ailleurs, un seul interrupteur commute à la fois, ce qui évite les difficultés liées à la commutation simultanée de deux semi-conducteurs en série. La fréquence apparente vue du primaire est très élevée, puisqu'elle est égale à N fois la fréquence de découpage. L'amplitude de l'ondulation aux bornes du primaire est très faible, ce qui permet de diminuer la taille de la self d'entrée. Enfin, la régulation du courant d'entrée est aussi largement facilitée puisque le temps de réponse de la régulation est très court. REVENDICATIONS 1. Circuit électronique comportant deux conducteurs (1,2) entre lesquels sont connectés en parallèle N générateurs (3), les deux conducteurs (1,2) comportant chacun en série N+1 interrupteurs (4) situés entre les connexions des générateurs (3), les deux conducteurs (1,2) étant reliés entre eux à chacune de leur extrémité, caractérisé en ce que lesdits interrupteurs (4) sont associés à des moyens de fermeture et d'ouverture de sorte que les générateurs sont reliés entre eux en série et/ou en parallèle faisant ainsi varier la tension de sortie (Vs) du circuit. 2. Circuit électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les générateurs (3) sont des générateurs de tension ou de courant. 3. Circuit électronique selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les interrupteurs (4) sont des diodes, ou des IGBT, ou des thyristors, ou des triac, ou des transistors à effet de champ, ou des transistors bipolaires, ou des contacteurs, ou des contacts, ou des GTO, ou IGCT, ou MOS. 4. Circuit électronique selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de fermeture et d'ouverture des interrupteurs (4) sont des onduleurs (5) de sorte que le déphasage des onduleurs permet d'associer les N générateurs (3) en série et/ou en parallèle. 5. Circuit électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit comprend N onduleurs (5). 6. Circuit électronique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les générateurs (3) sont des transformateurs (3) comportant chacun un enroulement primaire (6) et un enroulement secondaire (7). 7. Circuit électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les N transformateurs (3) sont connectés de sorte que lorsque les enroulements primaires (6) sont en série, les enroulements secondaires (7) sont en parallèle, et réciproquement. 8. Application du circuit électronique conforme à l'une des revendications 1 à 7, en tant que convertisseur d'énergie disposé dans un véhicule ferroviaire, alimenté par une tension continue de 1500V ou 3000V, ledit convertisseur étant apte à transformer cette tension continue en une tension propre à alimenter des organes électriques embarqués dans ce véhicule, caractérisée en ce que ledit convertisseur électrique est dépourvu de filtre d'entrée. 9. Application du circuit électronique conforme à l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les interrupteurs sont des diodes et les générateurs sont des transformateurs, ce circuit électronique étant alimenté par une source de tension d'entrée constante, ce circuit comportant des moyens pour associer les circuits primaires des transformateurs en série ou en parallèle pour faire varier la tension de sortie, à puissance constante. 10. Procédé de commande d'un circuit électronique conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à déplacer un motif de commutation successivement le long des paires d'interrupteurs et, pour chaque paire d'interrupteurs, à inverser éventuellement l'état d'un des interrupteurs de la paire ou successivement l'état des deux interrupteurs de la paire.