Brevet FR2922382A1 — publié le 20090417

Convertisseur de courant bidirectionnel La présente invention concerne un redresseur quatre quadrants comportant des bornes d'entrée pour une connexion à un réseau électrique triphasé et des bornes de sortie pour une connexion à un consommateur/producteur de courant continu. Plus particulièrement, la présente invention concerne un tel redresseur comportant : - un étage redresseur connecté entre lesdites bornes d'entrée et de sortie et comprenant un pont redresseur à semi-conducteurs apte à redresser un courant triphasé reçu sur les bornes d'entrée ; et - un filtre actif connecté entre lesdites bornes d'entrée et de sortie. Un tel redresseur est connu de l'article � Industrial Applications of Active Filters and Supply Conditioners � de S.R. Jones et al. dans IEE Coloquium "Power Quality and EMC", mars 2000, Glasgow. Toutefois, de par sa structure, le redresseur décrit dans cet article est susceptible d'être irrémédiablement endommagé à tout moment par un court-circuit apparaissant à ses bornes de sortie. Le but de la présente invention est de résoudre le problème susmentionné. A cet effet, l'invention a pour objet un redresseur quatre quadrants du type précité, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens à semi-conducteur de protection du redresseur contre des courts-circuits apparaissant entre lesdites bornes de sortie. Dans un mode de réalisation particulier, le pont à semi-conducteurs de l'étage redresseur est un pont de thyristors commandable, et en ce que les moyens à semi-conducteur de protection contre les courts-circuits comportent : - des moyens de détection de court-circuit entre les bornes de sortie du redresseur; et -des moyens de commande du pont de thyristors aptes à bloquer celui- ci lorsqu'un court-circuit est détecté. Plus particulièrement, les moyens de détection de court-circuit peuvent comporter un capteur de courant sur une desdites bornes de sortie et des moyens de comparaison du courant mesuré avec une valeur de seuil prédéterminée. Egalement dans un mode de réalisation particulier, les moyens de protection contre les courts-circuits comportent un commutateur statique agencé en entrée du filtre actif. Plus particulièrement, le commutateur statique peut être une diode dont une anode est connectée à l'une des bornes de sortie du redresseur et dont une cathode est connectée à une borne d'entrée du pont à semi-conducteurs du filtre actif. Egalement dans un mode de réalisation particulier, le redresseur comporte en outre des moyens aptes à réaliser un découplage galvanique entre l'étage redresseur et le filtre actif. On observera que cet agencement peut être mis en oeuvre indépendamment des autres caractéristiques de l'invention. Plus particulièrement, les moyens de découplage galvanique peuvent comporter un transformateur triphasé de courant agencé entre des bornes de sortie du pont à semi-conducteurs du filtre actif et les bornes d'entrée du redresseur. Le filtre actif peut en outre comporter un bobinage triphasé agencé en sortie du pont à semi-conducteurs de celui-ci, un enroulement secondaire du transformateur de courant étant constitué dudit bobinage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec l'unique figure annexée qui est une vue schématique d'un redresseur quatre quadrants selon l'invention. Sur la figure 1, un redresseur quatre quadrants 10 est connecté à un réseau de courant alternatif triphasé 12 au niveau de trois bornes d'entrée 14a, 14b, 14c et à un dispositif 16 consommateur, ou générateur suivant les applications, de courant monophasé au niveau de deux bornes de sortie 18a, 18b. Le terme de quatre quadrants se rapporte ici au fait que le redresseur 10 est bidirectionnel, prélevant du courant du réseau 12 lorsque le dispositif 16 est une charge consommatrice de courant et réinjectant du courant sur le réseau lorsque le dispositif 16 est un générateur de courant. Le redresseur 10 comporte un étage redresseur 20 comprenant une bobine 22a, 22b, 22c connectée à chaque borne d'entrée 14a, 14b, 14c par l'une de ses extrémités et connectée par l'autre de ses extrémités à une borne d'entrée 24a, 24b, 24c d'un pont de thyristors commandable 26 qui transforme le courant triphasé reçu au travers des bobines 22a, 22b, 22c en un courant monophasé redressé. L'étage redresseur 20 comprend enfin un filtre LC 28 connecté entre les bornes de sortie 18a, 18b du redresseur 10 et des bornes de sortie 24a, 24b du pont de thyristors 26. Le filtre LC 28 comprend une bobine 32 connectée à l'une de ses extrémités à une borne de sortie 30a du pont de thyristors 26 et à l'autre de ses extrémités à une des bornes de sortie 18a du redresseur 10. Le filtre LC 28 comprend également un condensateur 34 connecté entre les bornes de sortie 18a, 18b. Le redressement de courant réalisé par l'étage redresseur 20 est classique et ne sera donc pas expliqué plus en détail par la suite. Le redresseur 10 comporte par ailleurs un filtre actif 36 connecté en parallèle de l'étage 20 entre les bornes d'entrée 14a, 14b, 14c et de sortie 18a, 18b. Le filtre 36 comporte un pont 38 de transistors bipolaires à portes isolés (transistors plus communément connus sous le nom d�( IGBT �) comprenant deux bornes d'entrée 40a, 40b de courant monophasé et trois bornes de sortie 42a, 42b, 42c de courant triphasé. Le pont 38 comporte trois étages d'IGBT 44, 46, 48 connectés en parallèle entre les bornes d'entrée 40a, 40b. Chacun de ces étages comprend un premier IGBT 50 dont le collecteur est connecté à une des bornes d'entrée 40a du pont 36 et un second IGBT 52 dont l'émetteur est connecté à l'autre des bornes d'entrée 40b du pont 38, l'émetteur du premier IGBT 50 étant connecté au collecteur du second 1GBT 52. Une diode de roue libre 54, 56 est par ailleurs associé à chaque IGBT du pont 38 en étant connectée par sa cathode au collecteur, et par son anode à l'émetteur, del' IGBT. Le filtre actif 36 comprend également un condensateur 58 connecté entre les bornes d'entrée 40a, 40b du pont d'IGBT 38, un filtre RLC passif 60a, 60b, 60c du second ordre connecté à chaque borne de sortie 42a, 42b, 42c du pont 38 et un transformateur de courant triphasé 62 connecté entre les filtres RLC 60a, 60b, 60c et les bornes d'entrée 14a, 14b, 14c du redresseur 10. Chacun de ces filtres RLC 60a, 60b, 60c comporte une bobine 64a, 64b, 64c connectée à l'une de ses extrémités à l'une des bornes de sortie 42a, 42b, 42c du pont à IGBT 38 et à l'autre de ses sorties à une entrée de phase du transformateur 62. Le filtre actif 36 comprend enfin un capteur de courant 66 mesurant l'intensité du courant triphasé aux bornes 14a, 14b, 14c du redresseur, un capteur de tension 68 mesurant la tension continue aux bornes 40a, 40b du filtre actif 38 et une unité de traitement d'informations 70. Cette unité 70 est connectée aux capteurs de courant 66, 68 et au pont d'IGBT 38 dont elle commande la commutation des transistors IGBT en fonction du courants et de la tension mesurés. Plus particulièrement, le courant triphasé du réseau 12, lorsqu'il n'est pas perturbé, est sensiblement sinusoïdal. Or, lorsque du courant est prélevé du réseau 12 et redressé par l'étage redresseur, on observe qu'en l'absence du filtre actif 36 la commutation des thyristors du pont 36 a pour effet de perturber le courant prélevé. Ce dernier comporte alors, outre la partie fondamentale, c'est-à-dire le courant sinusoïdal, une partie harmonique générée par la commutation du pont de thyristor 26. L'unité de traitement d'information 70 commande la commutation du pont d'IGBT 38 en fonction du courant triphasé mesuré par le capteur 66 pour que le filtre actif 36 délivre sur les bornes d'entrée 14a, 14b, 14c du redresseur 10 un courant triphasé annulant cette partie harmonique. Le courant triphasé ainsi prélevé sur le réseau 12 est sensiblement égal au courant fondamental de celui-ci. Par ailleurs, lorsqu'un producteur de courant continu est connecté aux bornes de sortie 18a, 18b, l'unité de traitement d'informations 70 commande la commutation du pont d'IGBT 38 en fonction de la tension continue mesurée par le capteur 68 pour que le filtre actif 36 transforme ce courant continu en un courant triphasé qui est réinjecté sur le réseau 12. Pour de plus amples détails sur le fonctionnement du filtre actif 36, on 30 pourra se reporter à l'article � Industrial Applications of Active Filters and Supply Conditioners � mentionné précédemment. Pour la protection du redresseur 10 contre des courts-circuits qui pourraient apparaître à ses bornes de sortie 18a, 18b, il est prévu un mécanisme de protection. Une première partie de ce mécanisme prévue pour la protection de l'étage redresseur 20 consiste à choisir pour celui-ci un pont de thyristors 26 commandable et, associé à ce pont de thyristors 26, un dispositif 72 de détection de courts-circuits en sortie de l'étage redresseur 20. Le dispositif 72 de détection comporte un capteur de courant 74 agencé entre la bobine 32 et le condensateur 34 de l'étage redresseur 20 ainsi qu'une unité 76 de commande du pont de thyristor 38. Cette unité 76 comporte un comparateur 78 connecté au capteur 74 et comparant l'intensité du courant mesuré par celui-ci à une valeur de seuil prédéterminée, un court-circuit étant détecté lorsque le courant mesuré est supérieur à la valeur de seuil. Le dispositif 72 comporte également une unité 80 connectée au 15 comparateur 78 et commandant le blocage du pont de thyristors 26 lorsque qu'un court-circuit est détecté. Une seconde partie du mécanisme de protection prévue pour la protection du filtre actif 36 contre les courts-circuits comprend un commutateur statique agencé entre les bornes de sortie 18a, 18b du redresseur 10 et les 20 bornes d'entrée du pont d'IGBT 38 du filtre actif 36. Ce commutateur est préférentiellement une diode 82 connectée par son anode à l'une des bornes de sortie 18a du redresseur et par sa cathode à la borne d'entrée 40a correspondante du pont d'IGBT 38. Ainsi, comme il est possible de le constater, la protection contre les 25 courts-circuits est réalisée à l'aide de semi-conducteurs de conception simple et peu onéreux. Le transformateur de courant 62 du filtre actif 36 a pour fonction de transformer la tension triphasée générée par le pont d'IGBT 38 en une tension compatible avec le réseau 12. 30 Cependant, contrairement à un autotransformateur, le transformateur 62 réalise également un découplage galvanique entre l'étage redresseur 20 et le filtre actif 36. Un tel découplage permet au filtre actif 36 de fonctionner avec une efficacité accrue lorsqu'il est utilisé pour transformer un courant continu et réinjecter le courant transformé sur le réseau 12. En effet, dans une telle application, l'étage redresseur 20 et le filtre actif 36 sont électriquement indépendants de par la présence du transformateur 62. Dans un autre mode de réalisation du filtre actif 36, le transformateur 62 de courant triphasé est agencé en sortie du pont d'IGBT 38 à la place des bobines 64a, 64b, 64c. Le secondaire du transformateur 62 joue alors le rôle de ces dernières dans les filtres RLC, 60a, 60b, 60c. Bien qu'il ait été décrit un redresseur quatre quadrants comportant à la fois des moyens à semi-conducteur de protection contre les courts-circuits et des moyens de découplage galvanique, ces moyens peuvent être intégrés indépendamment les uns des autres dans un redresseur quatre quadrants. REVENDICATIONS 1. Redresseur quatre quadrants (10) comportant des bornes d'entrée (14a, 14b, 14c) pour une connexion à un réseau électrique triphasé (12) et des bornes de sortie (18a, 18b) pour une connexion à un consommateur/producteur de courant continu (16), ledit redresseur (16) comportant : - un étage redresseur (20) connecté entre lesdites bornes d'entrée (14a, 14b, 14c) et de sortie (18a, 18b) et comprenant un pont redresseur à semi-conducteurs (26) apte à redresser un courant triphasé reçu sur les bornes d'entrée (14a, 14b, 14c); et - un filtre actif (36) connecté entre lesdites bornes d'entrée (14a, 14b, 14c) et de sortie (18a, 18b), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (26, 76, 82) à semi-conducteur de protection du redresseur contre des courts-circuits apparaissant entre lesdites bornes de sortie (18a, 18b). 2. Redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pont à semi-conducteurs de l'étage redresseur (20) est un pont de thyristors commandable (26), et en ce que les moyens à semi-conducteur de protection contre les courts-circuits comportent : - des moyens (74, 78) de détection de court-circuit entre les bornes de sortie (18a, 18b) du redresseur (10); et - des moyens (80) de commande du pont de thyristors (26) aptes à bloquer celui-ci lorsqu'un court-circuit est détecté. 3. Redresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de détection de court-circuit comportent un capteur (74) de courant sur une desdites bornes (18a) de sortie et des moyens (78) de comparaison du courant mesuré avec une valeur de seuil prédéterminée. 4. Redresseur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de protection contre les courts-circuits comportent un commutateur statique (82) agencé en entrée du filtre actif (36). 5. Redresseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le commutateur statique est une diode (82) dont une anode est connectée à l'une des bornes de sortie (18a) du redresseur (10) et dont une cathode est connectée à une borne d'entrée (40a) du pont à semi-conducteurs (38) du filtre actif (36). 6. Redresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (62) aptes à réaliser un découplage galvanique entre l'étage redresseur (20) et le filtre actif (36). 7. Redresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de découplage galvanique comporte un transformateur (62) triphasé de courant agencé entre des bornes de sortie (42a, 42b, 42c) du pont à semi-conducteurs (38) du filtre actif (36) et les bornes d'entrée (14a, 14b, 14c) du redresseur (10). 8. Redresseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le filtre actif comporte un bobinage triphasé agencé en sortie du pont à semi-conducteurs (38) de celui-ci, et en ce que un enroulement secondaire du transformateur de courant (62) est constitué dudit bobinage.