Brevet FR2920607A1 — publié le 20090306

Dispositif de compensation actif de courants d'harmonique La présente invention concerne un dispositif de compensation actif de courants d'harmonique d'un courant principal pour un branchement en parallèle sur un circuit d'entrée d'un convertisseur, du type comportant : - un capteur de courant d'alimentation ; - un générateur de courant propre à injecter un courant en entrée du convertisseur en fonction de l'intensité du courant d'harmonique mesuré par le capteur de courant. Dans le domaine ferroviaire, et notamment dans les véhicules de traction électrique alimentés depuis une caténaire, le retour de courant s'effectue au travers des voies. Il est nécessaire que l'intensité des courants d'entrées, hors courant principal d'alimentation des moteurs soit limitée. En particulier, dans la me-sure où certains signaux de signalisation sont transmis au travers des rails, couramment à une fréquence de 50 Hz lorsque le véhicule est alimenté en courant continu, il est nécessaire que le véhicule de traction présente une forte impédance d'entrée au moins pour cette fréquence de 50 Hz. Des contraintes identiques existent lorsque le courant d'alimentation du véhicule de traction est alternatif avec une fréquence par exemple de 50 Hz et que des signaux de signalisation sont transmis sur les rails à des fréquences différen- tes du 50 Hz telles que 75 Hz. Il est connu de placer dans le véhicule de traction de grosses bobines per-mettant d'augmenter l'impédance d'entrée pour une fréquence d'au moins 50 Hz dans le cas d'une alimentation en courant continu. Ces bobines sont très encombrantes et l'énergie stockée y est importante bien que cette énergie ne soit pas utilisée. De plus, la bobine dissipe beaucoup d'énergie, couramment de l'ordre de plusieurs kW. Pour éviter de telles bobines, il est connu de recourir à des dispositifs de compensation actifs. Une première solution consiste à ajouter en série à l'entrée du convertis- seur une tension négative égale à la tension d'entrée. De même, il est connu de placer, en parallèle avec le convertisseur, un générateur de courant propre à engendrer un courant de signe opposé au courant entrant dans le convertisseur pour les fréquences différentes de celle du courant d'alimentation. Ces solutions présentent l'inconvénient de nécessiter une logique de commande extrêmement sophistiquée commandant des éléments de commutation fonctionnant à haute fréquence et engendrant des parasites. Ainsi, l'invention a pour but de proposer un dispositif de compensation actif des courants d'harmonique d'un courant principal qui soit simple à mettre en oeu- vre et limitant la production de parasites. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de compensation actif du type précité, caractérisé en ce que le générateur de courant est propre à engendrer et à injecter à l'entrée du convertisseur, en plus du courant d'harmonique, un courant k fois supérieur au courant d'harmonique mesuré par le capteur de cou- rant, où k est positif. Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif de compensation comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le générateur de courant est propre à engendrer et injecter à l'entrée du convertisseur un courant proportionnel à l'intensité du courant d'harmonique me- suré par le capteur de courant ; - le capteur de courant est propre à ne mesurer que les composantes alter-natives du courant à l'exception de la composante principale de courant continu ou alternatif selon l'application continue ; - le capteur de courant est propre à exclure de la mesure le courant de fréquence égale à une fréquence prédéterminée correspondant à la fréquence d'alimentation , - le capteur de courant comporte un circuit bouchon ; - le générateur de courant comporte un amplificateur de classe A ; - l'amplificateur comporte un transistor, une source de polarisation en continu, et une bobine de découplage reliant le transistor au générateur de tension de polarisation ; - le générateur de courant comporte un pré-amplificateur reliant le capteur de courant au transistor et assurant une amplification d'un gain k fois supérieur à la valeur d'une résistance reliant le transistor à la masse ; et - le générateur de courant comporte un amplificateur de classe B. L'invention a également pour objet une chaîne de traction pour véhicule de traction ferroviaire comportant au moins un moteur électrique, un convertisseur d'alimenta- tion alimenté depuis des moyens de captage de courant et, monté en parallèle entre les moyens de captage de courant et le convertisseur, un dispositif de compensation actif des courants d'harmonique tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins, sur les-quels : - la figure 1 est un schéma du circuit de puissance d'une motrice selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma du principe de fonctionnement du circuit de la fi- gure 1 ; - la figure 3 est une vue identique à celle de la figure 1 d'une variante de réalisation ; et - la figure 4 est une vue identique à celle de la figure 1 d'un mode de réalisation fonctionnant en courant alternatif. Sur la figure 1 est représentée une chaîne de traction 12 d'un véhicule de traction ferroviaire, telle qu'une locomotive ou une voiture motrice d'une rame. La chaîne de traction 12 comporte un circuit de puissance 16 alimenté de-puis des moyens de captage de courant 18 et un ensemble de moteurs 20 assurant la propulsion du véhicule, ces moteurs étant alimentés par le circuit de puis- sauce 16. Plus précisément, les moyens de captage du courant 18 comportent un pantographe 22 alimentant une ligne de fourniture de puissance 23 et propre à prélever un courant continu dans une caténaire 24 placée au-dessus de la voie. La tension du courant continu dans la caténaire est par exemple de 1,5 kV ou 3 kV. Une roue conductrice 26, en contact avec la voie ferrée, assure le retour du courant et la fermeture du circuit. Elle est reliée à la masse 27 du circuit. Les moteurs 20 sont par exemple des moteurs à courant alternatif triphasé alimentés depuis un convertisseur 28. Ce convertisseur est propre à recevoir un courant continu sur ses bornes d'entrée 28A, 28B et à assurer une conversion du courant continu d'alimentation issu de la caténaire en un courant alternatif triphasé propre à l'alimentation. Le convertisseur est équipé par exemple, d'un système de régulation de type PWM, c'est-à-dire à modulation de largeur d'impulsion. Comme connu en soi, le convertisseur 28 est précédé d'un filtre LC recevant le courant issu de la caténaire 24 au travers de la ligne de fourniture de puissance 23. Le filtre LC comporte une bobine 30 montée en série entre le pantographe d'entrée 22 et une première entrée 28A de l'onduleur. Un condensateur 32 du filtre LC est monté en parallèle entre les bornes d'entrée 28A, 28B du convertis- seur 28. Un dispositif 40 de compensation actif des courants d'harmonique du courant d'alimentation est placé dans le circuit de puissance 16 entre le filtre LC 30, 32 et les moyens 18 de captage de puissance. Le schéma de principe simplifié du dispositif 40 est illustré sur la figure 2. Sur cette figure, le filtre LC, le convertisseur 28 et les moteurs 20 sont schématisés par une charge 42 d'impédance Z. Le dispositif 40 comporte sur ce schéma un capteur 44 de courant alterna-tif, c'est-à-dire un capteur de mesure de l'intensité des courants harmoniques dans la ligne 23 autres que le courant continu servant à l'alimentation. II comporte en outre un générateur de courant 46 relié en parallèle à la charge 42. Le générateur de courant 46 est piloté par le capteur 44 pour engendrer et injecter en entrée de la charge 42 un courant dont l'intensité est fonction de l'intensité mesurée par le capteur 44 et ayant une intensité au moins deux fois supé- rieure à l'intensité mesurée par le capteur 44. De préférence, le courant injecté est proportionnel avec un facteur k au courant d'alimentation filtré de sa composante continue, k étant positif. k est de préférence compris entre 10 et 50. Ainsi, pour un courant d'entrée dépourvu de composante continue noté lin, le générateur de courant 46 est propre à engendrer un courant d'intensité kl;n. En conséquence, l'impédance équivalente Zln de la chaîne de traction, vue depuis la caténaire, est égale à Z;n = (1 + k) Z. De préférence, la source de courant 46 comprend un amplificateur linéaire et notamment un amplificateur de classe A. Comme illustré sur la figure 1, le capteur de courant 44 est prévu sur la li- gne de fourniture de puissance 23 entre le pantographe d'entrée 22 et la bobine 30 du filtre LC. Un condensateur 52 est relié au capteur de courant 44 et est mon-té en série avec un préamplificateur 54 propre à produire une tension représenta- tive du courant alternatif mesuré par le capteur 44. Le condensateur 52 assure une suppression de la composante continue du courant mesuré. Le générateur de courant 46 comporte un transistor 56 dont la base est reliée au pré-amplificateur 54. L'émetteur du transistor 56 est relié par une résis-tance 58 à la masse 27 assurant le retour du courant au travers de la roue 26. Le collecteur du transistor 56 est relié à la ligne 23 de fourniture de puissance au travers d'un condensateur de filtrage 60. Le générateur de courant 46 comporte par ailleurs un générateur de tension continue 62 dont une borne est reliée au collecteur du transistor 56 pour assurer sa polarisation. Une inductance 64 de découplage est interposée entre la source de tension 62 et le collecteur du transistor 56. En variante, cette inductance est remplacée par une source active de courant si le découplage est critique. Le préamplificateur 54 a une fonction de transfert donnée permettant de pré-amplifier le courant mesuré par le capteur 44 et est adapté en particulier pour convertir un courant d'entrée lin en une tension égale à kRl;n dans une bande de fréquences où k dépend de la fréquence. La bande de fréquence s'étend d'une fréquence minimale fmin à une fréquence maximale fmax. fm,n est choisie supérieure à un seuil 1. Le seuil 1 est de l'ordre de quelques hertz et est choisi de manière à ce que des variations naturelles du courant d'entrée dues aux variations de charge ne soient pas amplifiées. Par exemple fmin = 10 Hz. fmax est choisie inférieure à un seuil 2. Le seuil 2 est de l'ordre de quelques centaines de kHz. Etant donné que le système est un système bouclé, on ne doit pas multiplier le courant au-delà d'une certaine fréquence car il y a des risques de déstabilisation du système (oscillations). De préférence, en fonction de la fréquence, k est compris entre 10 et 50. Dans un mode de réalisation, le condensateur 52 est compris dans le cap- teur de courant 44 ou dans le préamplificateur 54. Le capteur de courant est par exemple un transformateur d'intensité. Le courant d'entrée lin est mesuré et converti sous forme d'une tension par le préamplificateur de transconductance kR 54. Cette tension est appliquée sur la base du transistor 56. Le courant dans la résistance 58 a alors une intensité égale à kRL,n/R, c'est-à-dire kl;n. Ce courant alternatif d'intensité kl,n, présent au niveau du collecteur, est injecté dans la ligne de fourniture de puissance 23 en aval de la connexion 50 de mesure de courant. Pour le bon fonctionnement, l'inductance 64 assure un découplage du cou- rant alternatif par rapport à la source de polarisation 62 du transistor. La position de la mesure du courant 44, avant le point de réinjection du courant produit par le générateur de courant 46 garantit que le courant généré par le dispositif de compensation 40 est totalement absorbé par la charge 42 indépendamment de l'impédance de la source d'alimentation formée ici de la caténaire. Ainsi, ce circuit est très robuste. On comprend qu'un tel circuit augmente l'impédance d'entrée de la chaîne de traction et évite ainsi la production de courants d'harmonique compte tenu de l'impédance très élevée présentée par la chaîne de traction. Ainsi, le circuit diminue l'impédance de source d'un facteur (1 + k). Cet as- semblage augmente donc l'impédance de source de l'impédance de charge d'un facteur (1 + k)2, ce qui est très favorable d'un point de vue de la stabilité de la ligne. L'impédance de la source est l'impédance vue par le filtre d'entrée du point de vue de son entrée, c'est-à-dire l'impédance de la caténaire. L'impédance de charge est l'impédance du filtre d'entrée vue par la caténaire, c'est en réali- té l'impédance du train. Un tel circuit permet donc une augmentation de la valeur de l'impédance d'entrée avec un nombre de composants actifs très limité. Du point de vue de la charge, l'impédance de la source est très diminuée, ce qui la rend plus robuste aux variations. L'électronique de contrôle est simple, robuste et sobre en fonction- nement, ce qui garantit une très bonne fiabilité. Un tel dispositif de compensation peut être placé en parallèle sans ouvrir le circuit d'alimentation principal. Par ailleurs, un tel dispositif ne produit pas de para-site de commutation à haute fréquence. Son fonctionnement s'avère efficace sur une très large bande de fréquence, qui n'est limitée que par la largeur de bande du capteur de courant. Sur la figure 3 est représentée une variante de réalisation du dispositif de la figure 1, dans laquelle l'amplificateur de courant de classe A dans la figure 1 est remplacé par un amplificateur de classe B. Dans ce mode de réalisation, les élé- ments identiques ou correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes numéros de référence. Dans ce mode de réalisation, la source de courant 46 comporte deux transistors 76, 78 montés en série et dont les bases sont toutes deux connectées au préamplificateur 54. Une diode 80, 82 est montée entre l'émetteur et le collecteur de chaque transistor. De même, deux sources de tension de polarisation 84, 86 sont reliées d'une part à la masse 27 et d'autre part à l'émetteur et au collecteur respective-ment des transistors 76 et 78. Le point milieu, par lequel les deux transistors 76 et 78 sont reliés, est relié à une borne d'une résistance 88 analogue à la résistance 58. Cette résistance est montée en série avec une bobine 90 et un condensateur 92 et est reliée par leur intermédiaire à la ligne de fourniture de puissance 63 entre le capteur 44 et le filtre LC 30, 32. L'usage d'un amplificateur de classe B permet de diminuer la dissipation de puissance, puisque l'amplificateur de classe B ne dissipe pas de puissance au repos. Par ailleurs, la protection des transistors est rendue possible grâce à l'usage des diodes 80, 82 montées en parallèle. Sur la figure 4, est représentée encore une variante de réalisation du circuit de la figure 1 dans le cas d'une alimentation par un courant alternatif. Dans ce mode de réalisation, on suppose que la caténaire fournit un courant alternatif à une fréquence de 50 Hz, étant supposé également que des signaux de signalisation sont transmis à des fréquences de 75 Hz. Dans ce mode de réalisation, les condensateurs de couplage 52 et 60 des modes de réalisation des figures 1 et 3, qui sont propres à supprimer la compo-sante continue du courant d'alimentation sont remplacés par des circuits bouchons formés, comme connu en soi, d'un condensateur respectivement 152 et 160 et d'une bobine montée en parallèle, respectivement 162 et 170. Chaque circuit bouchon est accordé sur une fréquence de 50 Hz, de manière à filtrer la fréquence de 50 Hz tout en laissant passer les autres fréquences. On conçoit que, comme précédemment, le dispositif actif de compensation d'harmoniques assure en dehors de la fréquence d'alimentation de 50 Hz, une diminution des harmoniques produites en augmentant l'impédance d'entrée de la chaîne de traction. La solution proposée ici nécessite un capteur de courant sensible mais pas aussi précis que les solutions dans lesquelles un courant harmonique égale au courant harmonique mesuré est réinjecté. Ceci provient du fait qu'on réinjecte un courant k fois supérieur au courant harmonique mesuré. REVENDICATIONS 1.- Dispositif (40) de compensation actif des courants d'harmonique d'un courant principal pour un branchement en parallèle sur un circuit d'entrée d'un convertisseur (28), comportant : - un capteur (44) de courant d'alimentation ; - un générateur (46) de courant propre à injecter un courant en entrée du convertisseur (28) en fonction de l'intensité du courant d'harmonique mesuré par le capteur de courant (44), caractérisé en ce que le générateur de courant (46) est propre à engendrer et à injecter à l'entrée du convertisseur (28), en plus du courant d'harmonique, un courant k fois supérieur au courant d'harmonique mesuré par le capteur de courant (44), où k est positif. 2.- Dispositif de compensation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de courant (46) est propre à engendrer et injecter à l'entrée du convertisseur (28) un courant proportionnel à l'intensité du courant d'harmonique mesuré par le capteur de courant (44). 3.- Dispositif de compensation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur de courant (44) est propre à ne mesurer que les composantes alternatives du courant à l'exception de la composante principale de courant continu ou alternatif selon l'application continue . 4.- Dispositif de compensation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le capteur de courant (44) est propre à exclure de la mesure le courant de fréquence égale à une fréquence prédéterminée correspondant à la fréquence d'alimentation. 5.- Dispositif de compensation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur de courant (44) comporte un circuit bouchon (152, 162). 6.- Dispositif de compensation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de courant (46) comporte un amplificateur de classe A. 7.- Dispositif de compensation selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'amplificateur comporte un transistor (56), une source de polarisation en continu (62), et une bobine de découplage (64) reliant le transistor (56) au générateur de tension de polarisation (62). 8.- Dispositif de compensation selon la revendication 7, caractérisé en ce que le générateur de courant (46) comporte un pré-amplificateur (54) reliant le capteur de courant (44) au transistor (56) et assurant une amplification d'un gain k fois supérieur à la valeur d'une résistance (58) reliant le transistor (56) à la masse (27). 9.- Dispositif de compensation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le générateur de courant (46) comporte un amplificateur de classe B. 10.- Chaîne de traction d'un véhicule de traction ferroviaire comportant au moins un moteur électrique (20), un convertisseur d'alimentation (28) alimenté de-puis des moyens de captage de courant (18) et, monté en parallèle entre les moyens de captage de courant (18) et le convertisseur (28), un dispositif (40) de compensation actif des courants d'harmonique selon l'une quelconque des revendications précédentes.