Brevet FR2921211A1 — publié le 20090320

SYSTEME DE REDRESSEMENT ACTIF AMELIORE A CORRECTION DU FACTEUR DE PUISSANCE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne des systèmes de redressement de courant alternatif (CA) polyphasé en courant continu (CC), et plus particulièrement, un système de redressement actif de CA en CC qui incorpore une correction du facteur de puissance. Arrière-plan de l'invention Le secteur aéronautique migre rapidement vers de nouveaux systèmes de puissance électrique qui ont besoin d'une puissance en CC pour alimenter divers entraînements par moteur électrique pour commander des moteurs électriques destinés à des applications aéronautiques telles qu'un démarrage de moteur thermique, des systèmes de climatisation de l'environnement, des pompes hydrauliques et des pompes à carburant, pour en citer quelques unes. Des générateurs CA polyphasé entraînés par turbo-moteur à gaz, généralement du type triphasé, délivrent la puissance en CA requise. Des systèmes de redressement convertissent généralement la puissance en CA triphasé disponible provenant des générateurs en puissance en CC destinés à de tels entraînements de moteur électrique. Cependant, dans la mesure où ces charges ne sont pas linéaires et sont relativement grandes en comparaison du régime nominal de générateur, la distorsion devient un problème grave lorsque l'on utilise des redresseurs à grande puissance nominale. Des systèmes de redressement passifs classiques destinés à convertir un CA triphasé en CC sont généralement simples et peu coûteux. Cependant, des systèmes de redressement passifs ont généralement un facteur de puissance relativement bas et une distorsion relativement élevée lorsqu'ils sont couplés à des charges réactives et non linéaires, telles que des entraînements par moteur électrique. Ceci est dû avant tout au courant discontinu tiré du bus de puissance en CA par le système de redressement en raison de la charge non linéaire qu'il délivre. En fait, un système de redressement passif classique à six impulsions crée tant de distorsion d'harmoniques impaires, avec des charges telles, que d'autres types sont généralement nécessaires. Même un système de redressement passif à 12 impulsions, qui est capable de supprimer des harmoniques impaires de la fréquence d'alimentation en CA au-dessous de la 11ième, élimine encore de manière insuffisante des effets de courant d'entrée harmoniques non souhaitables sur le système qui l'alimente. Un système de redressement à 18 impulsions est capable de supprimer des harmoniques impaires de la fréquence d'alimentation en CA au-dessous de la 17ième, il offre donc la possibilité de satisfaire les exigences d'harmoniques des systèmes de puissance électrique aéronautique modernes, mais un tel système de redressement à 18 impulsions est d'une réalisation physique difficile et est lourd, en raison de la nécessité d'ajouter un transformateur muni de trois enroulements secondaires et de trois assemblages de redressement à six diodes. Un système de redressement actif est un candidat envisageable pour des systèmes électriques aéronautiques modernes haute puissance. Un système de redressement haute puissance actif peut aisément fonctionner à des fréquences de 400 à 800 Hz et fournir des effets de distorsion bas sur le bus de puissance en CA qui l'alimente. Un de ces candidats est le redresseur "Vienna" que l'on trouve habituellement dans le secteur de la production d'électricité 60 Hz pour redresser une puissance en CA directement de façon autonome pour le secteur des télécommunications. Le redresseur Vienna est en réalité un circuit électronique de puissance de commutation de survoltage triphasé capable d'un fonctionnement en polarité à la fois positive et négative à partir de chaque phase d'entrée. Il fonctionne en grande partie comme un redresseur passif à six diodes classique mais dispose de la capacité de tirer une composante de courant de distorsion bien inférieure du bus de CA qui l'alimente. Ceci est dû au fait qu'il tire un courant relativement constant qui est en phase avec le potentiel électrique du bus de CA, quelle que soit la charge. La particularité de courant continu de sa topologie de survoltage rend ce type de redresseur actif de commutation de survoltage attrayant pour des applications aéronautiques haute puissance. La topologie de base du redresseur Vienna a un facteur haute puissance inhérent qui est proche de l'unité. Donc, cela n'autorise pas le redresseur Vienna à faire passer une puissance dans le sens inverse, même sur une base de cycles secondaires. Cette particularité aide à contrôler des problèmes de stabilité du système qui gênent d'autres types de redresseurs actifs, tels que ceux qui emploient la topologie d'inverseur de liaison en CC. Comme tous les circuits, le redresseur Vienna a des avantages et des inconvénients. Un inconvénient majeur est qu'il a une caractéristique de potentiel électrique en mode commun élevée. ceci signifie que le potentiel électrique de sa sortie se déplace relativement au potentiel électrique de sa source d'alimentation en CA. Ce potentiel en mode commun est égal à environ 25 % du potentiel d'entrée maximum de la source de CA et il a une forme d'onde à fréquence fondamentale qui est égale à l'harmonique de rang 3 de la fréquence de source de CA, avec une forme généralement triangulaire pour des tensions d'entrée en CA sinusoïdale. Ceci est presque identique à la forme d'onde de distorsion harmonique pour le simple redresseur passif à six impulsions. Il s'agit d'une grandeur et d'un résidu harmonique trop grands pour satisfaire des spécifications d'émission de système de puissance aéronautique pour des systèmes de puissance électrique aéronautique haute puissance. Des systèmes de redressement passifs à 18 impulsions existants sont lourds, mais ils remplissent convenablement leurs tâches en minimisant le potentiel électrique en mode commun de sorte qu'un filtrage supplémentaire n'est pas nécessaire. Par conséquent, un système de redressement actif qui fournit le facteur de puissance proche de l'unité du redresseur Vienna avec le potentiel électrique en mode commun bas d'un système de redressement passif à 18 impulsions serait idéal pour des systèmes électriques aéronautiques haute puissance. RESUME DE L'INVENTION L'invention modifie la configuration du système de redressement Vienna afin d'établir le potentiel électrique du point neutre de sa sortie en CC au même niveau que le point neutre de la source en CA qui l'alimente. Un raccordement direct entre les conducteurs neutres de CC et de CA permet de remplir cet objectif. Etant donné que le point neutre de la sortie en CC d'un système de redressement Vienna comprend un potentiel électrique en mode commun qui induit une distorsion harmonique dans la source de CA, le raccordement direct entre le conducteur neutre de CC et le conducteur neutre de source de CA supprime ce potentiel électrique en mode commun pour réduire une distorsion harmonique de manière significative. De manière générale, l'invention comprend un système de redressement actif de courant alternatif (CA) polyphasé destiné à convertir un CA polyphasé provenant d'une source de CA en courant continu (CC) sur un bus de CC comprenant une ligne de bus de CC positive et une ligne de bus de CC négative avec un élément de commutation pour chaque phase configurée afin de diriger un courant depuis la source de CA vers le bus de CC au travers de quatre trajets conducteurs différents avec trois niveaux de potentiel électriques, comportant un niveau de CC positif sur la ligne de bus de CC positive, un niveau de CC négatif sur la ligne de bus de CC négative et un niveau de CC neutre entre le niveau de CC positif et négatif sur une ligne de bus de CC neutre qui supprime un potentiel électrique en mode commun de CA provenant du bus de CC, comprenant : un trajet de mise à la masse entre la ligne de bus de CC neutre et une masse du système couplée à un point neutre pour la source de CA qui fixe le niveau du niveau de CC neutre sur le conducteur neutre de source de CA. DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un schéma simplifié d'un système de redressement actif de la technique antérieure du type redresseur Vienna. La figure 2 est un schéma simplifié d'un système de redressement actif à distorsion harmonique basse selon un mode de réalisation possible de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 est un schéma simplifié d'un système de redressement actif 2 de la technique antérieure du type redresseur Vienna. Une source de puissance en CA polyphasé (non représentée) délivre habituellement une puissance en CA à trois phases A, B et C, représentées par des bornes A, B et C, qui a une fréquence de puissance en CA fondamentale, habituellement de 400 à 800 Hz, au moyen de lignes d'entrée de CA 4, 6 et 8. Le point neutre de la source de puissance en CA représenté par la borne N se couple à la masse du système en CA au moyen d'une ligne de masse 10 du système en CA. Comme on le voit fréquemment pour des systèmes de redressement du type à commutation, les lignes d'entrée de CA 4, 6 et 8 délivrent un courant en CA au travers d'entrées d'inducteurs 12, 14 et 16 pour les phases A, B et C, respectivement. Le système de redressement peut comporter des condensateurs 18, 20 et 22 couplés entre des sorties de chacun parmi les inducteurs 12, 14 et 16 et la masse du système en CA afin d'atténuer des harmoniques haute fréquence de la fréquence fondamentale de puissance en CA que génère le système de redressement de type Vienna 2. Le courant provenant de la sortie de chacun parmi les inducteurs 12, 14 et 16 circule au travers de lignes de sortie 24, 26 et 28 d'inducteur, respectivement, vers des jonctions respectives 30 de paires respectives de diodes d'entrée 32 et 34 raccordées en série. Des éléments de commutation 36 respectifs, tels que des transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) se raccordent entre chaque paire de diodes d'entrée 32 et 34 raccordées en série. Un dispositif de commande de commutation 38 du système de redressement met en service ou hors service les éléments de commutation 36 au moyen de lignes de commande 40, comme décrit ci-après. Lorsqu'un élément de commutation 36 est mis hors service, un courant positif qui circule dans la jonction 30 pour sa paire respective de diodes d'entrée 32 et 34 raccordées en série passe au travers de sa diode d'entrée positive 32 et au travers d'une diode de sortie positive 42 respective, dans une ligne de sortie positive 44 d'un bus de CC. De la même façon, :lorsqu'un élément de commutation 36 est mis hors service, un courant négatif qui circule dans la jonction 30 pour sa paire respective de diodes d'entrée 32 et 34 raccordées en série passe au travers de sa diode d'entrée négative 34 et au travers d'une diode de sortie négative 46 respective dans une ligne de sortie négative 48 d'un bus de CC. Une paire de condensateurs de sortie 50 et 52 raccordés en série avec une jonction 54 se raccordent à partir de la ligne de sortie positive 44 et la ligne de sortie négative 48 du bus de CC. La jonction 54 représente le point neutre du bus de CC. Une paire de diodes shunt 56 et 58 raccordées en série avec une jonction 60 se raccordent entre chaque élément de commutation 36. Lorsqu'un élément de commutation 36 se met en service, un courant positif circule au travers de la diode shunt positive 56 et la jonction 60 pour sa paire respective de diodes shunt 56 et 58 raccordées en série puis dans une ligne neutre 62 de bus de CC qui se raccorde à la jonction 54 pour les condensateurs de sortie 50 et 52. De la même façon, lorsqu'un élément de commutation 36 se met hors service, un courant négatif circule au travers de la diode shunt négative et la jonction 60 pour sa paire respective de diodes shunt 56 et 58 raccordées en série puis dans la ligne neutre 62 de bus de CC. Par conséquent, il existe quatre trajets conducteurs différents pour un courant au travers du système de redressement de type Vienna 2 pour chaque phase de la puissance délivrée par la source de puissance de CA en fonction de la phase du courant et l'état des éléments de commutation 36. Pour chaque phase, un courant circule soit vers le bus de CC positif 44 soit le bus de CC négatif 48 lorsque son élément de commutation 36 respectif est mis hors service ou vers la ligne neutre de CC 62 lorsque son élément de commutation respectif est mis en service. Donc, le système de redressement de type Vienna 2 a également trois niveaux de potentiel électrique différents qui correspondent à ces quatre trajets conducteurs différents. Le redresseur de type Vienna fonctionne par commande du mode de courant. C'est-à-dire, le dispositif de commande de commutation 38 commande les états des éléments de commutation 36, habituellement, au niveau d'une fréquence élevée qui peut être égale à approximativement 10 à 50 kHz, pour commander les courants de phase d'entrée en temps réel, de sorte qu'il ressemble à des ondes sinusoïdales pures et crée ainsi une distorsion harmonique minimale renvoyée vers la source de puissance de CA. Diverses stratégies de commande sont disponibles pour cette particularité, y compris des modèles de commande à courant à hystérésis et de commutation dérivés de courant de vecteurs spatiaux. Dans tous les cas, l'objet consiste à mettre à disposition un courant de phase d'entrée qui reproduit la forme de potentiel électrique de phase d'entrée et l'angle de phase quelle que soit la charge, les tensions d'entrée et ainsi de suite. Un grave problème lié au système de redressement de type Vienna 2 est que le potentiel électrique sur la ligne neutre 62 de bus de CC fluctue car il comprend un potentiel en mode commun qui est égal à environ 25 pourcent du potentiel d'entrée maximum de la source de CA et il a une forme d'onde à fréquence fondamentale qui est égale à l'harmonique de rang 3 de la fréquence de source de CA, avec une forme généralement triangulaire pour des tensions d'entrée de CA sinusoïdales. Comme décrit ci-avant, cette distorsion peut se reproduire sur la source de puissance de CA et elle est d'une grandeur et d'un résidu harmonique trop grands pour satisfaire des spécifications d'émission de système de puissance aéronautique pour des systèmes de puissance électrique aéronautiques haute puissance. La figure 2 est un schéma simplifié d'un système de redressement actif 64 à distorsion harmonique basse selon un mode de réalisation envisageable de l'invention. En raison de la commande du mode de courant sur l'entrée du système de redressement de type Vienna 2 décrit en rapport avec la figure 1, celui-ci peut fonctionner avec la ligne neutre 62 de CC fixée sur le conducteur neutre de source de CA lorsque le point central de sortie est raccordé à une masse du système en CA à l'aide d'une ligne de mise à la masse 66 couplée à la jonction 54, comme représenté sur la figure 2. Si le dispositif de commande de commutation 32 est du type à hystérésis de courant, cette modification peut y être adaptée sans changement. Si le dispositif de commande de commutation 32 est du type à vecteur spatial, cette modification peut y être adaptée grâce à quelques changements mineurs de la table des durées d'impulsion pour les algorithmes de commutation à vecteurs spatiaux, comme l'homme du métier du développement logiciel s'en apercevra. Le fait de fixer la ligne neutre de bus de CC à la masse du système en CA rejette en réalité le potentiel électrique en mode commun non souhaité sur le convertisseur de survoltage et aucun inducteur de filtre supplémentaire n'est donc requis. Ceci retire le potentiel électrique de mode commun de la sortie du bus de CC et de quelconques charges en CC raccordées. Par conséquent, il n'est pas nécessaire d'ajouter un filtrage à de quelconques charges en CC raccordées pour absorber ce potentiel électrique en mode commun. Le mode de réalisation décrit de la présente invention est uniquement une mise en oeuvre illustrative de l'invention, dans laquelle des changements et substitutions des diverses parties et de son agencement entrent dans la portée de l'invention telle qu'exposée dans les revendications jointes. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de redressement actif de courant alternatif (CA) polyphasé destiné à convertir un CA polyphasé provenant d'une source de CA en courant continu (CC) sur un bus de CC comprenant une ligne de bus de CC positive et une ligne de bus de CC négative avec un élément de commutation (36) pour chaque phase (A, B, C) configurée pour diriger un courant provenant de la source de CA vers le bus de CC au travers de quatre trajets conducteurs différents avec trois niveaux de potentiel électrique, comportant un niveau de CC positif sur la ligne de bus de CC positive, un niveau de CC négatif sur la ligne de bus de CC négative et un niveau de CC neutre entre les niveaux de CC positif et négatif sur une ligne neutre (62) de bus de CC qui supprime un potentiel électrique en mode commun de courant alternatif provenant du bus de CC, comprenant : un trajet de mise à la masse entre la ligne neutre (62) de bus de CC et une masse du système couplée à un point neutre pour la source de CA qui fixe le niveau du bus de CC neutre sur le conducteur neutre de source de CA.. 2. Système de redressement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le CA polyphasé comprend trois phases de CA (A, B, C). 3. Système de redressement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une paire de condensateurs de sortie (50, 52) raccordés en série se raccordent entre les lignes de bus de CC positive et négative et leur jonction (54, 60) se raccorde à la ligne neutre (62) de CC. 4. Système de redressement selon la revendication 1, comprenant en outre un inducteur d'entrée (12, 14, 16) pour chaque phase (A, B, C), caractérisé en ce que chaque élément de commutation (36) couple de manière sélective son inducteur d'entrée (12, 14, 16) respectif à la ligne neutre (62) de CC. 5. Système de redressement selon la revendication 1, comprenant en outre un dispositif de commande de commutation (38) destiné à commander chaque élément de commutation (36). 6. Système de redressement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de commande de commutation (38) commute chaque élément de commutation (36) à une fréquence élevée. 7. Système de redressement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de commande de commutation (38) est du type à hystérésis de courant. 8. Système de redressement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de commande de commutation (38) est du type à courant de vecteurs spatiaux. 9. Système de redressement actif de courant alternatif (CA) triphasé destiné à convertir un CA triphasé provenant d'une source de CA en un courant continu (CC) sur un bus de CC comprenant une ligne de bus de CC positive et une ligne de bus de CC négative avec un élément de commutation (36) pour chaque phase (A, B, C) configuré pour diriger un courant provenant de la source de CA vers le bus de CC au travers des quatre trajets conducteurs différents avec trois niveaux de potentiel électrique, comportant un niveau de CC positif sur la ligne de bus de CC positive, un niveau de CC négatif sur la ligne de bus de CC négative et un niveau de CC neutre entre les niveaux de CC positif et négatif sur une ligne neutre (62) de bus de CC qui supprime un potentiel électrique en mode commun de CA provenant du bus de CC, comprenant : une paire de condensateurs de sortie (50, 52) raccordés en série qui se raccordent entre les lignes de bus de CC positive et négative et leur jonction (54, 60) se raccorde à la ligne neutre de CC (62) ; un inducteur d'entrée (12, 14, 16) pour chaque phase (A, B, C), caractérisé en ce que chaque élément de commutation (36) couple de manière sélective son inducteur d'entrée (12, 14, 16) respectif à la ligne neutre (62) de bus de CC ; et un trajet de mise à la masse entre la ligne neutre (62) de bus de CC et une masse du système couplée à un point neutre pour la source de CA fixe le niveau du bus de CC neutre sur le conducteur neutre de source de CA. 10. Système de redressement selon la revendication 9, comprenant en outre un dispositif de commande de commutation (38) destiné à commander chaque élément de commutation (36). 11. Système de redressement selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de commande de commutation (38) commute chaque élément de commutation (36) à une fréquence élevée. 12. Système de redressement selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de commande de commutation (38) est du type à hystérésis de courant. 13. Système de redressement selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de commande de commutation (38) est du type à courant de vecteurs spatiaux. 14. Système de redressement actif à courant alternatif (CA) triphasé destiné à convertir un CA triphasé provenant d'une source de CA en un courant continu (CC) sur un bus de CC comprenant une ligne de bus de CC positive et une ligne de bus de CC négative avec un élément de commutation (36) pour chaque phase (A, B, C) configuré pour diriger un courant depuis la source de CA jusqu'au bus de CC au travers des quatre trajets conducteurs différents avec trois niveaux de potentiel électrique, comportant un niveau de CC positif sur la ligne de bus de CC positive, un niveau de CC négatif sur la ligne de bus de CC négative et un niveau de CC neutre entre les niveaux de CC positif et négatif sur une ligne neutre (62) de bus de CC qui supprime un potentiel électrique en mode commun de CA provenant du bus de CC, comprenant : une paire de condensateurs de sortie (50, 52) raccordés en série qui se raccordent entre les lignes de bus de CC positive et négative et leur jonction (54, 60) se raccorde à la ligne neutre de CC (62) ; un inducteur d'entrée (12, 14, 16) pour chaque phase (A, B, C), caractérisé en ce que chaque élément de commutation (36) couple de manière sélective son inducteur d'entrée (12, 14, 16) respectif à la ligne neutre (62) de bus de CC ; un dispositif de commande de commutation (38) destiné à commander chaque élément de commutation (36) ; et un trajet de mise à la masse entre la ligne neutre (62) de bus de CC et une masse du système couplée à un point neutre pour la source de CA qui fixe le niveau du bus de CC neutre sur le conducteur neutre de source de CA,. 15. Système de redressement selon la revendication 14, caractérisé en ce que le dispositif de commande de commutation (38) commute chaque élément de commutation (36) à une fréquence élevée. 16. Système de redressement selon la revendication 14, caractérisé en ce que le dispositif de commande de commutation (38) est du type à hystérésis de courant. 17. Système de redressement selon la revendication 14, 5 caractérisé en ce que le dispositif de commande de commutation (38) est du type à courant de vecteurs spatiaux.