Brevet FR2968148A1 — publié le 20120601

Convertisseur de puissance doté d'une source de courant commandée et connecté en monophasé L'invention concerne un convertisseur de puissance connecté en monophasé. L'invention s'applique plus particulièrement à un convertisseur de puissance doté d'une source de courant commandée. De manière connue, un convertisseur de puissance comporte plusieurs phases d'entrée connectées au réseau, par exemple trois phases d'entrée s'il est 1 o connecté en triphasé ou deux phases d'entrée s'il est connecté en monophasé. Connecté à ses phases d'entrée, un convertisseur de puissance comporte un étage redresseur permettant de transformer la tension alternative fournie par le réseau en une tension redressée. Le convertisseur comporte également un bus d'alimentation de puissance doté d'une première ligne d'alimentation à potentiel positif et d'une 15 deuxième ligne d'alimentation à potentiel négatif sur lesquelles est appliquée la tension redressée et un condensateur de bus connecté entre la première ligne d'alimentation et la deuxième ligne d'alimentation et destiné à maintenir constante la tension continue sur le bus. Il est connu de placer une source de courant commandée en série sur la 20 première ligne ou la deuxième ligne d'alimentation du bus continu, en amont du condensateur de bus. Cette source de courant comporte par exemple une inductance et un convertisseur électronique connectés en série, ledit convertisseur électronique comportant deux bras de commutation parallèles et un condensateur. Les bras de commutation du convertisseur électronique sont commandés pour moduler la tension 25 aux bornes du condensateur du convertisseur électronique afin d'obtenir à chaque instant une tension déterminée aux bornes du convertisseur électronique, permettant ainsi de contrôler le courant en sortie de l'étage redresseur, dit courant redresseur, et d'agir sur le courant d'entrée fourni par le réseau. Lorsqu'un tel convertisseur de puissance est connecté sur le réseau en 30 triphasé, son convertisseur électronique est commandé en modulation dans un mode de fonctionnement dit continu s'appliquant à l'étage redresseur et dans lequel la tension aux bornes du condensateur du convertisseur doit toujours répondre à la condition suivante : VC maX Ur (t) - VI. (0 avec Vr (t) - Vred (t» et - dans laquelle : - \Mt) est la tension redressée théorique du réseau. Lorsque l'étage redresseur est en conduction, la tension Vr est confondue avec la tension redressée réelle Vred- - est la tension moyenne du bus et la tension moyenne en sortie de l'étage redresseur. Ainsi, il est possible de garantir un courant redresseur constant. Dans ce mode de fonctionnement, la tension du bus continu d'alimentation sera de 95,50/0 de la 1 o tension crête appliquée en sortie de l'étage redresseur. En revanche, lorsque ce convertisseur de puissance est connecté sur le réseau en monophasé, ce mode de fonctionnement continu n'est pas applicable car la tension du bus continu d'alimentation est alors de 63,70/0 de la tension crête du réseau. Or ce niveau de tension ne permet pas de commander un moteur. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de commande d'un convertisseur de puissance connecté au réseau en monophasé et comportant une source de courant commandée telle que décrite ci-dessus. Ce but est atteint par un convertisseur de puissance comportant : - un étage redresseur connecté à plusieurs phases d'entrée d'un réseau délivrant un courant d'entrée et sur lequel est appliquée une tension redressée et en sortie duquel est obtenu un courant, dit courant redresseur, - un bus continu d'alimentation connecté à l'étage redresseur et comportant une première ligne d'alimentation et une deuxième ligne d'alimentation sur chacune desquelles est appliqué un potentiel électrique en vue d'obtenir une tension sur le bus continu d'alimentation, - un condensateur de bus connecté à la première ligne d'alimentation et à la deuxième ligne d'alimentation, - une source de courant commandée située sur la première ligne d'alimentation ou la deuxième ligne d'alimentation, en amont du condensateur de bus, ladite source de courant commandée comportant 15 20 25 30 une inductance et un convertisseur électronique comportant un condensateur et deux bras de commutation, - des moyens de commande des deux bras de commutation du convertisseur électronique pour moduler une tension aux bornes du condensateur afin d'obtenir à chaque instant une tension déterminée aux bornes du convertisseur électronique, - les moyens de commande étant agencés pour obtenir un mode de fonctionnement discontinu de l'étage redresseur par alternance d'une phase de modulation des bras de commutation avec une phase de saturation dans laquelle les deux bras de commutation sont maintenus simultanément en conduction, ladite phase de saturation étant appliquée pendant une durée déterminée de manière à maintenir la tension aux bornes du condensateur du convertisseur électronique inférieure à la valeur absolue maximale de la différence entre la tension redressée et la tension appliquée sur le bus continu d'alimentation et à augmenter la valeur moyenne de la tension appliquée sur le bus continu d'alimentation. Selon une particularité, les moyens de commande sont agencés pour mettre en ceuvre une boucle de régulation destinée à déterminer une commande des bras de commutation du convertisseur électronique. 20 Selon une autre particularité, la durée de la phase de saturation est déterminée à partir des relations suivantes : 8= IL - et (3=n/n-26 Ire 2.n dans lesquelles 8 représente la durée de la phase de modulation, 13 représente la durée de la phase de saturation, n correspond au nombre de 25 phases d'entrée auxquelles est connecté le convertisseur de puissance, IL est le courant circulant sur le bus continu d'alimentation, en aval du condensateur de bus, Iredm correspond au courant redresseur crête. Selon une autre particularité, le mode de fonctionnement discontinu est obtenu lorsque 6 Le bus continu d'alimentation de puissance est connecté en aval de l'étage redresseur 1. Il comporte une ligne d'alimentation à potentiel positif V+ et une ligne d'alimentation à potentiel négatif V-. Au moins un condensateur de bus Obus est connecté à chacune des deux lignes d'alimentation du bus et permet de maintenir la tension du bus à une valeur constante. Ce convertisseur de puissance peut par exemple être inclus dans un variateur de vitesse comportant un étage onduleur (non représenté) connecté à son bus continu d'alimentation et doté de plusieurs bras de commutation commandés permettant de hacher la tension continue et d'obtenir une tension variable destinée à alimenter une charge électrique. Dans la suite de la description on distingue la tension redressée réelle désignée Vred qui est la tension appliquée réellement en sortie de l'étage redresseur 1 1 o et une tension redressée fictive désignée Vr qui correspond à la tension qui serait appliquée en sortie de l'étage redresseur 1 si l'étage redresseur 1 fonctionnait toujours en conduction continue. La tension Vr étant fictive, elle n'est pas représentée sur la figure 1. 15 Selon l'invention, le convertisseur de puissance emploie une source de courant commandée connectée en série sur la première ou la deuxième ligne d'alimentation du bus continu d'alimentation, en amont du condensateur de bus. Cette source de courant commandée est destinée à contrôler le courant Ired circulant sur le bus continu d'alimentation en sortie de l'étage redresseur 1, ce courant Ired étant 20 désigné ci-après courant redresseur. Cette source de courant commandée prend par exemple la forme d'une inductance électronique commandée comportant : une inductance DC (L) de faible valeur, une source de tension variable commandée prenant la forme d'un 25 convertisseur électronique 2 composé de deux bras de commutation distincts en parallèle et d'un condensateur Cl connecté en parallèle des deux bras de commutation. L'étage redresseur 1 du convertisseur de puissance étant non-réversible, les 30 bras de commutation du convertisseur électronique peuvent être unidirectionnels en courant et comportent par exemple chacun un interrupteur électronique T1, T2 connecté en série avec une diode D1, D2. Chaque bras de commutation comporte un point milieu de connexion P1, P2 situé entre son interrupteur électronique T1, T2 et sa diode D1, D2. Le point milieu de connexion P1 du premier bras de commutation est connecté à l'inductance L et le point milieu de connexion P2 du deuxième bras de commutation est connecté au condensateur de bus Obus. Sur un bras de commutation du convertisseur électronique 2, l'agencement en série de l'interrupteur électronique et de la diode est décalé par rapport à celui de l'autre bras de commutation. Les interrupteurs électroniques T1, T2 employés dans le convertisseur électronique 2 sont par exemple des transistors de type MOSFET commandés par des moyens de commande 3 adaptés, employant par exemple une commande MLI (Modulation de largeur d'impulsion). D'autres composants aptes à remplir la même 1 o fonction peuvent bien entendu être employés. La commande des deux interrupteurs par MLI consiste à comparer deux signaux en forme de dent de scie synchronisés et en opposition de phase avec un signal de commande constant (communément appelé modulante) en vue de déduire les instants et durées de commutation de chacun des interrupteurs du convertisseur électronique. Pour simplifier, comme représenté sur la 15 figure 2, on peut définir que la commande u résultante varie entre -1 et +1 selon l'état de chacun des deux interrupteurs T1, T2, ce qui permet d'obtenir une valeur de tension Vaux aux bornes du convertisseur électronique 2 comprise dans l'intervalle [-Vc, Le convertisseur électronique 2 se comporte ainsi comme une source de 20 tension variable commandée permettant de moduler la tension Vc aux bornes du condensateur Cl du convertisseur électronique 2 et ainsi d'obtenir la tension Vaux aux bornes de ce convertisseur électronique 2. On obtient ainsi la relation suivante entre la tension Vbus du bus continu d'alimentation, la tension VL aux bornes de l'inductance L, la tension Vaux aux bornes 25 du convertisseur électronique 2 commandé et la tension Vred de l'étage redresseur 1 : VL - Vred - V bus - V. (1 En contrôlant la tension Vaux aux bornes du convertisseur électronique 2, il est ainsi possible de faire varier la tension VL et ainsi de contrôler le courant redresseur Ires 30 et de lui imposer un profil particulier. Pour obtenir un courant redresseur Ired continu, le convertisseur électronique 2 est commandé dans un mode de fonctionnement dit continu s'appliquant à l'étage redresseur et dans lequel la tension Vc aux bornes du condensateur Cl doit toujours répondre à la condition suivante : VC Vred (t) - Vbus (t) avec - (2) définissant la tension moyenne du bus continu d'alimentation et d > la tension redressée moyenne. Cependant, ce mode de fonctionnement, dit continu, n'est pas adapté pour faire fonctionner le convertisseur de puissance lorsque celui-ci est connecté en monophasé car la tension Vbus du bus continu d'alimentation obtenue est insuffisante pour commander la charge. Bien entendu, la connexion en monophasé peut être prévue initialement ou résulter de la perte d'une phase, par exemple par la casse d'une diode de l'étage redresseur 1. 1 o Lorsque le convertisseur de puissance est connecté sur le réseau électrique en monophasé, il est ainsi nécessaire de le faire fonctionner dans un mode de fonctionnement discontinu dans lequel la tension Vc aux bornes du condensateur Cl du convertisseur électronique 2 ne vérifie plus la condition ci-dessus, c'est-à-dire que : Vc Supposons par exemple que les interrupteurs T1, T2 du convertisseur électronique sont bloqués à l'état fermé (ON) durant un temps judicieusement déterminé, la tension Vaux aux bornes du convertisseur électronique 2 sera alors égale à -Vc. Comme représenté sur la figure 2, sur la durée de saturation, la valeur moyenne 5 de la tension Vc s'ajoute à la tension redressée Vred pour former la tension Vbus du bus continu d'alimentation. Il en résulte une augmentation globale de la tension Vbus du bus continu d'alimentation qui devient supérieure à 93% de la tension crête du réseau. Sur la durée de saturation, comme la tension Vbus du bus continu d'alimentation est supérieure à la tension redressée Vred, cela entraîne un blocage de l'étage redresseur 1 et donc une annulation du courant redresseur (Ired=OA). Sur la figure 2, on peut voir que lors de chaque saturation de la commande u, le courant redresseur Ired s'annule et que l'introduction d'une saturation et donc le passage en mode de fonctionnement discontinu permet une augmentation de la tension Vbus qui devient supérieure à la tension moyenne (représentée en pointillés sur la figure 2). Au cours d'une période de la tension redressée du réseau, le temps de modulation et le temps de saturation de la commande sont déterminés par les moyens de commande 3 du convertisseur électronique 2 de manière à être en mode de fonctionnement discontinu. En référence à la figure 2, on définit les paramètres suivants : le temps de modulation est défini à partir d'un angle de modulation 0 et vaut 20 , le temps de saturation est défini à partir d'un angle de saturation 13 et vaut R, La période de découpage est définie par l'angle de période valant n/n (n=3 pour un réseau triphasé et n=1 pour un réseau monophasé). La période n/n, l'angle de modulation 0 et l'angle de saturation 13 sont reliés par l'expression 13 = n/n - 20 . L'angle de modulation 0 détermine les valeurs de la tension Vc aux bornes du condensateur Cl du convertisseur électronique 2 et de la tension Vbus du bus continu d'alimentation selon les relations suivantes : 2968148 sin 6 Vb., _ Vredm (4) V_ . sin 8 C Vredm 6 - cos 6) Dans lesquelles Vredm correspond à la tension redressée crête qui est égale à la tension réseau crête Vres,. 5 Le courant redresseur crête Iredm définit l'angle de modulation 6 en fonction du courant de charge IL destiné à alimenter la charge électrique selon la relation suivante : 8= I L Tc Iredm 2.n De cette relation on déduit que si 6 crête Iredm à partir de la relation (6) : Iran = IL - ~ . L'angle de modulation 2.9 0 est bien entendu imposé pour que le courant redresseur crête Iredm soit supérieur au courant de charge IL de manière à saturer la commande u et donc à obtenir un mode de fonctionnement discontinu. Cette boucle de régulation peut être implantée dans une boucle de régulation plus large adaptée au fonctionnement d'un convertisseur de puissance connecté en triphasé comme représenté sur la figure 4. Sur cette figure 4, la boucle de régulation décrite ci-dessus permet de déterminer le courant redresseur crête Iredm. La deuxième boucle de régulation permet de déterminer la consigne du courant redresseur Ired* a l'aide d'un régulateur PI appliqué à la tension Vc aux bornes du condensateur Cl du convertisseur électronique 2. La consigne Vc* de la tension aux bornes du condensateur Cl est fixée de telle sorte que le courant redresseur Ired soit de conduction continue tant que le convertisseur de puissance est connecté en triphasé. La relation (2) ci-dessus sera ainsi toujours vérifiée. En revanche, si une perte de phase se produit, la tension Vc augmente alors au-delà de la consigne Vc* et sature le régulateur PI. La consigne de courant redresseur Ired* est alors limitée au courant redresseur crête Iredm- On se ramène ensuite au cas du contrôle du convertisseur connecté en monophasé. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. 5 10 15 20 25 30 REVENDICATIONS1. Convertisseur de puissance comportant : - un étage redresseur (1) connecté à plusieurs phases d'entrée d'un réseau délivrant un courant d'entrée (le) et sur lequel est appliquée une tension redressée (Vr) et en sortie duquel est obtenu un courant, dit courant redresseur, - un bus continu d'alimentation connecté à l'étage redresseur (1) et comportant une première ligne d'alimentation (V+) et une deuxième ligne d'alimentation (V-) sur chacune desquelles est appliqué un potentiel électrique en vue d'obtenir une tension sur le bus continu d'alimentation (Vbus), - un condensateur de bus (Obus) connecté à la première ligne d'alimentation et à la deuxième ligne d'alimentation, - une source de courant commandée située sur la première ligne d'alimentation ou la deuxième ligne d'alimentation, en amont du condensateur de bus (Obus), ladite source de courant commandée comportant une inductance (L) et un convertisseur électronique (2) comportant un condensateur (C1) et deux bras de commutation, - des moyens de commande (3) des deux bras de commutation du convertisseur électronique (2) pour moduler une tension (Vc) aux bornes du condensateur (Cl) afin d'obtenir à chaque instant une tension (Vaux) déterminée aux bornes du convertisseur électronique (2), - caractérisé en ce que les moyens de commande (3) sont agencés pour obtenir un mode de fonctionnement discontinu de l'étage redresseur (1) par alternance d'une phase de modulation des bras de commutation avec une phase de saturation dans laquelle les deux bras de commutation sont maintenus simultanément en conduction, ladite phase de saturation étant appliquée pendant une durée déterminée (13) de manière à maintenir la tension (Vc) aux bornes du condensateur (Cl) du convertisseur électronique (2) inférieure à la valeur absolue maximale de la différence entre la tension redressée (Vr) et la tension (Vbus) appliquée sur le buscontinu d'alimentation et à augmenter la valeur moyenne de la tension (Vbus) appliquée sur le bus continu d'alimentation. 2. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande (3) sont agencés pour mettre en ceuvre une boucle de régulation destinée à déterminer une commande des bras de commutation du convertisseur électronique (2). 3. Convertisseur de puissance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la durée ((3 ) de la phase de saturation est déterminée à partir des relations suivantes : 6= IL et (3=n/n-26 Ire 2.n dans lesquelles 6 représente la durée de la phase de modulation, 13 représente la durée de la phase de saturation, n correspond au nombre de phases d'entrée auxquelles est connecté le convertisseur de puissance, IL est le courant circulant sur le bus continu d'alimentation, en aval du condensateur de bus, Iredm correspond au courant redresseur crête. 4. Convertisseur de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que le mode de fonctionnement discontinu est obtenu lorsque 6 5. Variateur de vitesse comportant un étage onduleur muni de bras de commutation destinés à convertir une tension continue en une tension variable destinée à alimenter une charge électrique, caractérisé en ce qu'il comporte, en amont de son étage onduleur, un convertisseur de puissance tel que défini dans l'une des revendications 1 à 4.