~080~9~
LVinvention concerne des convertisseurs statiques pour machines a réluctance variable, notamment des convertisseurs à
fréquence variable, associés à des machines à r~luctance variable à effet VERNIER, c'est-à dire dont la vitesse de rotation d'arbre est un sous-multiple de la vitesse de rotation de la force magnéto-motrice.
Bien que connues, les machines a réluctance variable n'avaient pas trouvé d'applications industrielles importantes étant donné leurs performances peu intéressantes lorsqu'elles sont ali-mentées à fréquence fixe. Le développement des semi-conducteurs de puissance permettant la réalisation de convextisseurs statiques à
fr~quence variable et llamélioration des caractéristiques dynami-ques, obtenues par auto-pilotage des machines a réluctance variable, permet aujourd'hui la réalisation de machines ayant des perfor-mances excep~ionnelles et pouvant être commandées en couple ou en vitesse dans les quatre quadrants des diagrammes couple/vitesse, c'est-à-dire nota~ment en fonctionnement moteur aussi bien qu'en fonctionnement genérateur9 avec9 dans ce dernier cas9 récupération de l'énergie électrique produite par la machine~
Le but de l'invention est de créer un tel convertisseur statique à fréquence variable pour machine à réluctance variable, permettant d'assurer9 dans des conditions optimales de rendement l énergétique, et sous contrôle constant de la vitesse ou du couple, : soit llalimentation des enroulements de la machine fonctionnant en ;l 25 moteur9 soit la récupération de l'énergie électrique produite dans les enroulements de la machine fonctionnant en générateur.
A cet effet9 l'invention concerne un convertisseur caracté-risé en ce qulil comporte essentiellement 9 associé à une source de :~ courant de type connu en soi9 susceptible de fonctionner aussi bien en générateur qu~en récepteur9 en étant pilotée en fonction de la vitesse ou du couple de la machine, au moins une paire de modules élémentaires de commutation identiques montés en série9 un module élémentaire comportant deux dérivations reliées en parallèle à la source par une de leurs extrémités et reliées9 par leurs autres extrémités, à un point commun avec les extrémités homologues de l'autre module de commutation identique monte en série9 chacune des dérivations alimentant respectivement un enroulement polaire élé-mentaire de la machine à réluctance variable et comportant un thyristor et une diode montés en série dans le sens passant vers 1'enroulement polairey les armatures d'un condensateur étant , ., ~ . .
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The invention relates to static converters for variable reluctance machines, including converters with variable frequency, associated with variable reluctance machines VERNIER effect, that is to say whose shaft rotation speed is a submultiple of the rotational speed of the magneto- force motor.
Although known, variable reluctance machines had not found significant industrial applications being given their unattractive performance when fed fixed frequency. The development of semiconductors power allowing the realization of static convexers at variable frequency and improved dynamic characteristics ques, obtained by self-piloting machines with variable reluctance, today allows the production of machines with perfor-Exceptional mances that can be ordered as a couple or speed in the four quadrants of the torque / speed diagrams, that is to say, nota ~ ment in engine operation as well as generator operation 9 with 9 in the latter case 9 recovery electrical energy produced by the machine ~
The object of the invention is to create such a converter variable frequency static for variable reluctance machine, ensuring9 under optimal yield conditions energy, and under constant speed or torque control, : either the supply of the windings of the machine operating in ; 25 engine9 is the recovery of the electrical energy produced in the windings of the machine operating as a generator.
To this end, the invention relates to a character converter laughed at in that it essentially comprises 9 associated with a source of : ~ current of a type known per se9 capable of functioning as well as a generator than as a receiver9, being controlled according to the speed or torque of the machine, at least one pair of modules identical switching elements connected in series9 one module elementary with two branches connected in parallel to the source by one of their ends and connected9 by their others ends, in common with the homologous ends of the other identical switching module is connected in series9 each of the branches respectively supplying an polar winding variable reluctance machine and comprising a thyristor and a diode connected in series in the direction passing towards Polar winding the armatures of a capacitor being , ., ~. .
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respectivement raccordées sur chacune des dérivations entre les thyristors et les diodes~ les thyristors cles deux modules élémen-taires étant commandés par une électronique de commande pilotée par un codeur interne et synchronisé avec 19électronique de commande de la source de courant.
L'invention va être décrite plus en détail en se référant à des exemples de réalisation représentés sur les dessins ci-joints, dans lesquels ~
- La figure 1 représente schématiq~sement un premier exemple de réalisation d9un convertisseur selon l?invention;
: - La figure 2 représente un second exemple de réalisation d'un convertisseur selon l'invention;
- La figure 3 représente une partie des circuits de commu-tation entrant dans la constitution des convertisseurs selon la figure 1 ou la figure 2.
Les figures 1 et 2 représentent respectivement deux exemples de convertisseurs statiques selon l'invention, tous deux associés à une machine à réluctance variable 1009 qui 9 dans les exemples choisis, est une machine comportant deux paires de pôles complémentaires 19 3 et 29 49 soit 4 pôles élémentaires et un . rapport Vernier de 1/4. Cette machine est très schématiquement représentée par ses quatre enroulements polaires 19 29 3 et 4 dont le point de jonction est référencé 101.
Le convertisseur statique se compose9 dans les deux cas, de .~ 25 deux parties principales distinctes9 ~ sa~oir o d9une part9 une "source de courant" 102, 102?9 unidirectionnelle9 susceptible de fonctionner soit en générateur9 soit en récepteur d9énergie par inversion de polarité9 et9 d9autre part9 un circuit de commutation 103 susceptible de commuter les enroulements polaires de la machine sur la source de courant 102 ou 1029. Dans les deux exemples de réalisation respectivement représentés sur les figures 1 et 2, les ~:
circuits de com~utation sont identiques et ils ont9 en conséquence, ~:
rec,u la même référence 103.
Par contre9 la source de courant 102 de la figure 1 est différente de la source de courant 102 ? de la figure 20 Dans le cas de l'exemple de réalisation selon la figure 19 la source de courant 102 comporte essentiellement un redresseur~onduleur triphasé à
thyristors 1021 et une self de lissage 1022. Une électronique de commande 10239 recevant les signaux nécessaires ~ son fonctionne-ment d9une boucle de courant 1024, commande les 8iX thyristors TH5 . ' : . . ., -, . . : , :. -~~ - - , . .
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respectively connected on each branch between the thyristors and diodes ~ thyristors key two elementary modules shutters being controlled by controlled electronic control by an internal encoder and synchronized with 19 electronic current source control.
The invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawings below seals, in which ~
- Figure 1 shows schematically ~ a first exemplary embodiment of a converter according to the invention;
: - Figure 2 shows a second embodiment a converter according to the invention;
- Figure 3 shows part of the communication circuits tation forming part of the converters according to the Figure 1 or Figure 2.
Figures 1 and 2 respectively represent two examples of static converters according to the invention, both associated with a variable reluctance machine 1009 which 9 in the selected examples, is a machine with two pairs of poles complementary 19 3 and 29 49 i.e. 4 elementary poles and one . 1/4 Vernier report. This machine is very schematically represented by its four polar windings 19 29 3 and 4 of which the junction point is referenced 101.
In both cases, the static converter consists of . ~ 25 two separate main parts9 ~ sa ~ oir o d9une part9 une "current source" 102, 102? 9 unidirectional9 likely to operate either as a generator9 or as an energy receiver by reverse polarity9 and9 on the other hand a switching circuit 103 capable of switching the pole windings of the machine on the current source 102 or 1029. In the two examples of embodiment respectively shown in Figures 1 and 2, the ~:
com ~ utation circuits are identical and they have 9 accordingly, ~:
rec, u the same reference 103.
On the other hand, the current source 102 of FIG. 1 is different from current source 102? of figure 20 In the case of the example of embodiment according to FIG. 19 the current source 102 essentially comprises a rectifier ~ three-phase inverter with thyristors 1021 and a smoothing choke 1022. Electronic control 10239 receiving the necessary signals ~ works from a 1024 current loop, controls the 8iX TH5 thyristors . '' :. . ., -,. . :,:. -~~ - -,. .
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3 1 0 8 V 7 9 6 ~ TH10 du redresseur-o~duleur en fo~ction des données de couple ou de vitesse appliquées ~ une entrée 1025. Dans le cas de liexemple de réalisation selon la figure 29 au contraire9 la source de cou-rant 102q comporte essen~iellement une source de tension con~inue auxiliaire constituée par une batterie d~ccu~ulateurs 1021' susceptible d'être chargée sur le réseau par un redresseur chargeur 1022~ et associée ~ deux hacheurs 1023V et lOZ4q ainsi qu'à deux circuits roue libre 1025q et 1026~ 9 qui per~ettent la récupération, sur la batterie d~accumulateurs 1022V 9 de l~énergie électrique produite par la machine à réluctance 100 fonctionnant en généra-teur. Une électronique de commande 1027~9 recevant l~énergie nécessaire à son fonctionnement d~une boucle de courant 1028~ 9 commande les hacheurs 1023~ et 1024q 9 en fonction des données de couple et de vitesse appliquées à une entrée 1029 pour régler la puissance motrice ou la puissance de freinage.
En fait 9 les sources de courant 102 et 102~ sont d'une construction classique et sont connues en elles mêmesO Aussi est-il inutile de les représenter et de les décrire plus en détail.
L9invention réside dans liassociation de ces sources de courant connues en elles-mêmes avec le circuit de commutation 103, commun aux deux exemples de réalisation représentés9 et qui va maintenant être expliqué plus en détail en se référant tout d~abord à la figure 3~
La figure 3 représente un circuit 103a constituant la par-tie supérieure des circuits de commutation 1030 Ce circuit 103a reçoit de la source un courant I ou bien restitue ce courant I à la source. Il comprend les deux dérivations 1031 et 10329 aboutissant I au point de jonction 101 et sur chacune desquelles sont respecti-I vement montés en série 9 dans le sens passant vers le point de jonction 101, un thyristor THl ou TH3 9 une diode Dl ou D3 et un enroulement 1 ou 3 de la machine à réluctance variableO Entre les j deux dérivations 1031 et 1032 est monté un condensateur C13 dont les bornes sont respectivement placées entre le thyristor THl et la diode Dl et entre le thyristor TH3 et la diode D30 Le circuit 103a qui vient dqêtre décrit fonctionne de la fac,on suivante o Le thyristor THl étant dans l~état conducteur 9 et le conden-sateur C13 étant chargé suivant la polarité indiquée sur la figure 39 le thyristor TH3 est amorcé. Cet amorc~age a pour résultat d'appliquer la tension du condensateur C13 aux bornes du ., :
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. 3 1 0 8 V 7 9 6 ~ TH10 rectifier-o ~ duleur in fo ~ ction of torque data or speed applied ~ an input 1025. In the case of example according to FIG. 29 on the contrary9 the source of rant 102q essen ~ iellement a source of tension con ~ inue auxiliary constituted by a battery of ~ ccu ~ ulators 1021 ' likely to be charged on the network by a charger rectifier 1022 ~ and associated ~ two choppers 1023V and lOZ4q as well as two freewheel circuits 1025q and 1026 ~ 9 which per ~ ettt recovery, on the 1022V 9 storage battery of electrical energy produced by the reluctance machine 100 generally operating tor. 1027 ~ 9 control electronics receiving energy necessary for its operation of a current loop 1028 ~ 9 controls the choppers 1023 ~ and 1024q 9 according to the data of torque and speed applied to an input 1029 to adjust the motive power or braking power.
In fact 9 the current sources 102 and 102 ~ are of a classical construction and are known in themselvesO Also is-there is no point in representing and describing them in more detail.
The invention resides in the association of these current sources known in themselves with the switching circuit 103, common to the two exemplary embodiments represented9 and which will now be explained in more detail by first referring to the figure 3 ~
FIG. 3 represents a circuit 103a constituting the part upper link of the switching circuits 1030 This circuit 103a receives a current I from the source or restores this current I to the source. It includes the two leads 1031 and 10329 ending I at the junction point 101 and on each of which are respecti-Ily mounted in series 9 in the direction passing towards the point of junction 101, a thyristor THl or TH3 9 a diode Dl or D3 and a winding 1 or 3 of the variable reluctance machine O Between j two leads 1031 and 1032 is mounted a capacitor C13 of which the terminals are respectively placed between the thyristor THl and diode Dl and between thyristor TH3 and diode D30 The circuit 103a which has just been described operates from the fac, on next o The thyristor THl being in the conductive state 9 and the conden-sator C13 being charged according to the polarity indicated in the figure 39 thyristor TH3 is primed. This initiation results in apply the voltage of capacitor C13 across the .,:
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4 108()'796 thyri~itor TH1, qui se bloque~ Le condensateur C13 se décharge alors dans l'enroulement 1 ~ar llintermédiaire de la diode D1.
Vers la fin de cette déchar~e, la polarité s'inverse aux borne~
du condensateur C13 et le courant total I re~u ou émis par le 4,108 () '796 thyri ~ itor TH1, which hangs ~ Capacitor C13 discharges then in the winding 1 ~ ar llintermediate of the diode D1.
Towards the end of this discharge ~ e, the polarity reverses at the terminals ~
of capacitor C13 and the total current I re ~ u or emitted by the
5 circuit va slécouler par l~intermédiaire de la diode D3 dans l'enroulement 3y tandis que la diode Dl emp~iche le retour du courant dans la dérivation 1031. En même temps~ le condensateur C13 se recharge avec une polarité ir~verse de celle représentée sur la figure 3. Ainsi~ la commutation du courant I de l'enrou-10 lement 1 vers l~enroulement 3 est achevée et la charge du conden-sateur C13 est établie pour permettre 9 suivant un processus ' inverse de celui qui vient d'etre décrity la commutation ulté-rieure du courant I de 1~enroulement 3 vers 1~enroulement 19 par simple amorçage du thyristor ~H1.
On notera qu~en régime établi 7 la tension de charge obtenue aux bornes du condensateur ne dépend que du courant I et est répé-titive d'une commutation à la suivante.
Revenant maintenant aux figures 1 et 29 on voit qulun cir-cuit 103b9 symétrique du circuit 103a par rapport au point de jonc-tion 1019 est prévu pour assurer, dans des conditions analogues à
celles qui viennent d~être décrites9 la commutation du courant I
entre les enroulements 2 et 4 de la machine à réluctance variable.
Chacun des ensembles respectivement formés par les enroule-ments polaires élémentaires (1 et 3) diune part, et (2 et 4), d'autre part, constitue une "paire dienroulements complémentaires".
En effet, la somme des courants traversant les enroulements 1 et 3 est constanteO Il en est de même des enroulements 2 et 4. Un circuit tel que 103a ou 103b commutant une paire d~enroulements complémentaires est un "module élémentaire" de commutation.
En plus des modules élémentaires de commutation 103a et 103b9 l'ensemble de commutation 103 comporte une électronique de commande 1033 des modules élémentaires de commutation9 pilotée par un codeur interne 1034. L~électronique de commande 1033 est reli~e à l'électronique de commande 1023 (figure 1) ou à 19électronique de commande 1027~ (figure 2) par une boucle de synchronisation 104.
On remarquera que les circuits de commutation identiques i des figures 1 et 2 sont constitués par la m;se en série de deux modules élémentaires 103a et 103b et assurent la commutation d'une yl machine à réluctance comportant deux paires d~enroulements complé-mentaires 9 soit quatre enroulements élémentaires 9 avec un rapport ..,j .,': ~.
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VERNIER de l/4.
~ e dispositif de commutation selon 1 t invention peut ~oute-fois être étendu à la commande d'llne ~achine a réluctance possédant plus de deux paires d'enro~llements polaires complementaires 9 soit (39 49 5~ 6 ~o n) pai~es cl~enroulements polaires complémentaires, OU (69 89 10~ 12 ~0 2n) enroulements polaires élémentaires et avec un rapport VERNIER de (6 ~ 81 9 10 9 12 ~~ 2n) par la ~ise en série de (39 4~ 59 6 ~r n~ modules élémentaires de commutation. Le nombre de modules élémentaires mis en série n9est limité que par la tension maximale de la source de courant~ qui doit a tout instant ~ rester supérieure à la somme des forces contre-électromotrices de ; la machine.
Si, théoriquement9 une machine à réluctance variable à
effet VERNIER peut être constituée de deux paires d'enroulements complémentaires 9 elle présente en pratique une symétrie radiale d'ordre quelconqueO Chaque ensemble de 2n enroulements d~une machine dont le rapport VERNIER est 2n est répété un certain nombre de fois à la périphérie de la machine 9 les courants circulant dans les 2n enroulements sont à chaque instant identiques d~un ensemble à l'autre. Deux enroulements pris dans des ensembles différents9 mais étant à chaque instant parcourus par le même courant sont des enroulements "homologues". Une machine de rapport VERNIER 2n et de symétrie d'arbre p est constituée de 2n groupes comportant chacun p enroulements homologuesO
Les enroulements homologues devant être parcourus par le même courant peuvent être alimentés en série par une branche du commutateur. Ainsi 9 pour une machine de rapport Vernier égal à
1/4, le schéma resterait identique a celui des figures 1 et 29 chacun des enroulements de ces fîgures étant remplacé par p enrou-lements homologues en sérieO
Or 9 dans les machines à réluctance variable et à effet Vernier 9 les enroulements homologues sont très faiblement couplés.
I1 est donc possible d9alimenter séparément chacun des p ensembles de 2n enrculements. Dans cette conception9 chaque ensemble est alimenté par n modules élémentaires de commutation 9 ceci étant reproduit p fois. Les commutateurs sont associés en série ou en parallèle sur la source de courant.
Une telle disposition offre les avantages sui~ants ~
Elle facilite la réalisation des enroulements de la machine tant sous l~aspect de la section des conducteurs que de . ::
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-~ - Elle évite le recours a~K associations en série ou parallèle de semi-conducteurs, ~. Elle permet une extension modulalre et aisée des puissances controlables, de manière quasiment illi.mitée et en utilisant des composants standards~
Le schéma type de la figure l convient plus particuliè-rement à toutes les applications industrielles dans lesquelles il est nécessaire d~obtenir de forts couples à basse vitesse et comportant des phases de freinage diune durée non negligeable par rapport au cycle moteurO De tels problèmes se rencontrent en sidérurgie9 en levage et en propulsion~
Le schéma~type de la figure 2 présente les mêmes caracté-ristiques qui le précèdent9 mais dans ce cas l1énergie de freinage est stockée au niveau d~une batterie d~accumulateurs débitant ou non sur le réseau~ Il est particulïèrement intéressant dans les problèmes de propulsion a source embarqu~e ou lorsqu~il est nécessaire de continuer à assurer le service en cas de défaillance ;:
du réseau (reprise en secours d~ascenseurs par exemple)~ :
Bien entendu9 l~invention n~est pas limitée aux exemples ;~
i de réalisation ci dessus décrits et représentés9 à partir desquels.. on pourra prévoir d~autres formes et d~autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l~invention.
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Note that in steady state 7 the charge voltage obtained across the capacitor only depends on the current I and is repeated from one switch to the next.
Returning now to Figures 1 and 29 we see that a cir-cooked 103b9 symmetrical to circuit 103a with respect to the rod point-tion 1019 is provided to ensure, under conditions analogous to those which have just been described9 switching the current I
between windings 2 and 4 of the variable reluctance machine.
Each of the sets respectively formed by the windings-elementary polar elements (1 and 3) on the one hand, and (2 and 4), on the other hand, constitutes a "pair of complementary windings".
Indeed, the sum of the currents crossing the windings 1 and 3 is constant O It is the same for windings 2 and 4. A
circuit such as 103a or 103b switching a pair of windings complementary is a "basic switching module".
In addition to the basic switching modules 103a and 103b9 the switch assembly 103 includes electronic command 1033 of the elementary switching modules9 controlled by an internal encoder 1034. The control electronics 1033 is connected to the control electronics 1023 (Figure 1) or to the control electronics command 1027 ~ (FIG. 2) by a synchronization loop 104.
Note that the identical switching circuits i of Figures 1 and 2 are constituted by the m; se in series of two elementary modules 103a and 103b and ensure the switching of a yl reluctance machine with two pairs of ~ complete windings 9 or four elementary windings 9 with a ratio .., j ., ': ~.
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VERNIER of l / 4.
~ e switching device according to 1 t invention can ~ oute-times be extended to the command of llne ~ has reluctance having more than two pairs of complementary polar elements 9 or (39 49 5 ~ 6 ~ on) pai ~ es cl ~ additional polar windings, OR (69 89 10 ~ 12 ~ 0 2n) elementary polar windings and with a VERNIER report of (6 ~ 81 9 10 9 12 ~~ 2n) by ~ ise in series of (39 4 ~ 59 6 ~ rn ~ elementary switching modules.
number of elementary modules placed in series n9 is limited only by the maximum voltage of the current source ~ which must at all times ~ remain greater than the sum of the counter-electromotive forces of ; the machine.
If, theoretically9 a machine with variable reluctance at VERNIER effect can consist of two pairs of windings complementary 9 it presents in practice a radial symmetry of any orderO Each set of 2n windings of a machine whose VERNIER ratio is 2n is repeated a certain number of times at the periphery of the machine 9 the currents flowing in the 2n windings are identical at all times to a set to the other. Two windings taken in different sets9 but being at all times traversed by the same current are "homologous" windings. A VERNIER 2n reporting machine and of tree symmetry p consists of 2n groups comprising each for homologous windings The homologous windings to be traversed by the same current can be supplied in series by a branch of the switch. Thus 9 for a Vernier ratio machine equal to 1/4, the diagram would remain identical to that of Figures 1 and 29 each of the windings of these figures being replaced by p winding series homologous elements Gold 9 in variable reluctance and effect machines Vernier 9 the homologous windings are very weakly coupled.
It is therefore possible to supply each of the p sets separately 2n windings. In this design9 each set is powered by n elementary switching modules 9 this being reproduced p times. The switches are associated in series or in parallel on the current source.
Such an arrangement offers the following advantages:
It facilitates the realization of the windings of the machine both in terms of the conductor cross-section and the . ::
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- ~ - It avoids the recourse to ~ K associations in series or semiconductor parallel, ~. It allows modular and easy extension of controllable powers, almost unlimited and using standard components ~
The typical diagram in Figure 1 is more suitable rement to all industrial applications in which it is necessary to obtain strong torques at low speed and comprising braking phases of non-negligible duration in relation to the engine cycle O Such problems are encountered in the steel industry9 in lifting and propulsion ~
The typical diagram in Figure 2 has the same characteristics.
which precede it9 but in this case the braking energy is stored at an accumulator battery delivering or not on the network ~ It is particularly interesting in problems with propulsion from an on-board source or when it is necessary to continue to provide service in the event of failure;:
of the network (rescue of elevators for example) ~:
Of course9 the invention is not limited to the examples;
i of the above described and illustrated embodiment9 from which we can provide other forms and other embodiments, without departing from the scope of the invention.
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