CH646283A5 - Dispositif onduleur convertisseur continu-alternatif a valves commandees. - Google Patents

Dispositif onduleur convertisseur continu-alternatif a valves commandees. Download PDF

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CH646283A5
CH646283A5 CH60682A CH60682A CH646283A5 CH 646283 A5 CH646283 A5 CH 646283A5 CH 60682 A CH60682 A CH 60682A CH 60682 A CH60682 A CH 60682A CH 646283 A5 CH646283 A5 CH 646283A5
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Daniel Clenet
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Telemecanique Electrique
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Description

L'invention se rapporte à un dispositif onduleur convertisseur continu-alternatif à valves commandées, montées en pont et à diodes de récupération elles aussi montées en pont, ce dispositif étant du type dans lequel les points-milieu du pont de diodes de récupération sont reliés aux points-milieu correspondants du pont de valves.
Le fonctionnement des transistors de puissance sur charge inductive, c'est-à-dire sur le type de charge le plus fréquemment rencontré dans les montages où les transistors jouent un rôle de commutation, soumet ceux-ci à des contraintes préjudiciables au rendement du montage et à la durée de vie du transistor.
En particulier, le transistor subit des pertes de commutation à l'amorçage et au blocage. Les premières sont liées à l'apparition d'une surintensité, les secondes à la présence simultanée de toute la tension aux bornes du transistor alors qu'il est encore traversé par le courant de la charge.
Il est connu, pour réduire la surintensité de l'amorçage, d'insérer une inductance d'aide à la commutation en série avec la charge, avec un circuit composé d'une diode en série avec une résistance, branché en parallèle sur ladite inductance, la diode étant montée pour se trouver en polarisation directe lorsque le transistor est bloqué. Un inconvénient de ce montage est que, au moment du blocage du transistor, l'énergie emmagasinée dans l'inductance d'aide à la commutation se trouve alors dissipée dans la résistance.
Il est également connu, pour réduire la contrainte au blocage, de disposer, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un condensateur de capacité relativement faible et d'une autre diode en série. Une autre résistance est de préférence connectée soit en parallèle sur ladite autre diode, soit en parallèle sur les deux diodes.
Ladite autre diode est montée pour être en polarisation directe lorsque le transistor se bloque. Un inconvénient de ce montage est que, au moment de l'amorçage, l'énergie emmagasinée dans le condensateur est dissipée dans ladite autre résistance.
Ainsi, les montages connus d'aide à la commutation des transistors, s'ils réduisent les pertes de commutation proprement dites au transistor, engendrent par contre des pertes par dissipation d'énergie dans les résistances qu'ils comportent. Ces pertes peuvent devenir suffisamment importantes pour détruire le transistor, lorsque la fréquence de commutation et/ou la tension d'alimentation dépassent certaines valeurs.
La présente invention a pour but une amélioration des onduleurs du type précité visant à réduire ou à supprimer les pertes par dissipation. Ce résultat est obtenu par un dispositif conforme à la revendication 1.
Les particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à l'aide de la description ci-après au dessin annexé: les fìg. 1 et 2 sont des schémas de principe d'un dispositif d'aide à la commutation et de récupération d'énergie conformes à l'état de la technique,
la fig. 3 représente une variante d'un dispositif d'aide à la commutation et de récupération d'énergie,
la fig. 4 représente un convertisseur polyphasé à transistors faisant application du dispositif de l'invention, et la fig. 5 représente un générateur de tension alternative variable à thyristors faisant application du dispositif de l'invention.
Le montage représenté à la fig. 1 comporte un transistor de puissance 1 (ou plusieurs transistors montés en parallèle) destiné à l'alimentation d'une charge inductive avec laquelle il est connecté en série et fonctionnant en commutation. La charge comprend une composante inductive 2, une composante résistive 3 et, éventuellement, une force électromotrice. Une diode de récupération 4 est, de façon connue en soi, branchée en parallèle sur la charge de manière à être polarisée en sens inverse lorsque le transistor est conducteur. La charge peut être reliée indifféremment à l'émetteur (cas de la figure) ou au collecteur du transistor.
Quand le transistor est rendu conducteur par application à sa base d'une tension de commande par des moyens non figurés, le courant délivré par la source traverse l'ensemble charge/transistor et retourne à la source. Quand le transistor est bloqué (par les mêmes
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moyens), le courant délivré par la source est brusquement interrompu et le courant circulant dans la composante inductive 2 se referme par la diode 4.
Ce phénomène de mise en conduction et de blocage se répète à la fréquence f déterminée par les moyens de commande et entraîne des pertes dites de commutation (les pertes de conduction dans le transistor étant comparativement négligeables) qui peuvent devenir suffisamment importantes pour détériorer le transistor.
Les pertes de commutation à la mise en conduction du transistor sont liées à la présence d'une surintensité pendant le temps de recouvrement des charges stockées dans la jonction de la diode de récupération. Il est connu de réduire cette surintensité en insérant, en série avec la charge, une petite inductance d'aide à la commutation, sur laquelle est branché en parallèle un circuit comprenant une diode en série avec une résistance, la diode étant branchée de manière à être en polarisation directe lorsque le transistor est bloqué.
Les pertes de commutation au blocage du transistor sont liées à une croissance de la tension collecteur-émetteur alors que la composante inductive de la charge tend à maintenir constant le courant dans le transistor. Il est connu de réduire cette tension en disposant, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un condensateur et d'une diode connectés en série. De préférence, une résistance est connectée en parallèle sur la diode, laquelle est montée de façon à être conductrice quand le transistor se bloque.
Avec ces circuits d'aide à la commutation, les pertes dans le transistor sont fortement diminuées. En contrepartie, il apparaît des pertes dans les résistances associées à l'inductance et au condensateur d'aide à la commutation. Ces pertes sont:
pour l'inductance:
P, = -L-I2xf l 2
pour le condensateur:
Pc = -C-V2xf c 2
On voit apparaître une limitation à l'augmentation de la puissance P = VI disponible aux bornes de la charge et à celle de la fréquence de fonctionnement. En effet, les pertes Pc et PL deviennent rapidement importantes et entraînent, d'une part, des problèmes de dissipation et, d'autre part, une détérioration du rendement.
Le dispositif dont la description suit permet de réduire le nombre de composants utilisés pour les circuits d'aide à la commutation et surtout d'autoriser la récupération des pertes. Avec ce moyen, les pertes sont insignifiantes et, de ce fait, la puissance du dispositif peut être très fortement augmentée, ainsi que la fréquence de fonctionnement, et le rendement est sensiblement amélioré.
Dans le circuit d'aide à la commutation de la fig. 1, l'inductance 5 est reliée par une de ses extrémités à une borne du transistor 1 (cette borne pouvant être indifféremment le collecteur ou l'émetteur). A ce point commun se trouve reliée une borne de la diode 6.
L'autre borne de la diode 6 est reliée à une borne du condensateur 7 d'aide à la commutation et à une borne d'un condensateur réservoir 8, ayant une valeur très supérieure à celle du condensateur d'aide à la commutation. Ce condensateur réservoir pourra être par exemple un condensateur électrochimique basse tension de capacité telle que sa charge reste sensiblement constante au cours du fonctionnement du montage. A titre d'exemple, pour une capacité de lu F du condensateur d'aide à la commutation, le condensateur 8 pourra avoir une capacité de 1000 \i F. L'autre borne du condensateur d'aide à la commutation est connectée à l'autre borne du transistor, et l'autre borne du condensateur réservoir est connectée à la borne libre de l'inductance d'aide à la commutation.
La diode 6 est branchée de telle sorte que le circuit composé de ladite diode et du condensateur réservoir soit en polarisation inverse quand le transistor est conducteur.
On voit que le dispositif d'aide à la commutation qui vient d'être décrit se distingue de dispositifs connus par le fait que la diode et la résistance associées à l'inductance d'aide à la commutation sont remplacées par un condensateur réservoir. Son fonctionnement est le suivant: à la mise en conduction du transistor, le circuit formé par le condensateur d'aide à la commutation en série avec le condensateur réservoir se trouve, par l'intermédiaire du transistor, connecté en parallèle sur l'inductance d'aide à la commutation. L'ensemble des condensateurs 7 et 8 mis en série est équivalent au condensateur 7 de plus faible valeur. Ainsi, le condensateur 7 et l'inductance 8 forment un circuit oscillant. Le courant qui prend naissance dans ce circuit oscillant a une allure sinusoïdale. A l'instant de la mise en conduction du transistor, ce courant est nul; il est maximal à l'instant correspondant au quart de la période du circuit oscillant. Au même instant, la tension du condensateur est nulle. Il en est de même pour la tension aux bornes de l'inductance. L'instant suivant, la tension présente aux bornes de l'inductance tend à s'inverser, entraînant la fermeture de la diode. Le courant qui circulait dans l'inductance vient alors charger le condensateur réservoir.
Quand le transistor se bloque, le courant qui y circulait est dérivé, par l'intermédiaire de la diode, dans le condensateur d'aide à la commutation et, quand la tension collecteur-émetteur aura atteint la tension de la source, le courant qui circulait dans l'inductance viendra à nouveau charger le condensateur réservoir.
Ce montage permet donc de transférer l'énergie du condensateur d'aide à la commutation dans l'inductance d'aide à la commutation, cette énergie étant ensuite transférée dans le condensateur réservoir. Il en est de même pour l'énergie stockée dans l'inductance d'aide à la commutation (cette énergie étant due au courant traversant la charge).
Ainsi donc, les énergies:
(I étant le courant dans la charge, VA la tension d'alimentation, L et C les valeurs de l'inductance et du condensateur d'aide à la commutation)
sont stockées sous forme de tension dans le condensateur réservoir. La tension Vr aux bornes de celui-ci sera donc telle que:
v? = ^(lp + evi)
r
(Cr étant la valeur du condensateur réservoir).
En fonction de l'énergie ainsi stockée, il sera possible soit de dissiper celle-ci dans une résistance 9 connectée en parallèle sur le condensateur réservoir, soit de récupérer cette énergie pour la restituer à la source. A cet effet, la résistance 9 sera alors remplacée, par exemple, par un transformateur élévateur de tension fonctionnant à haute fréquence, ou par un montage utilisant un transistor à haute tension et une inductance. De tels montages de restitution de l'énergie à la source sont bien connus en soi. Un circuit de ce genre a été symbolisé en 10 à la fig. 2.
Le montage qui vient d'être décrit apporte, en plus de la possibilité de récupérer l'énergie, les avantages suivants:
La tension aux bornes de la charge est égale à la différence entre la tension d'alimentation (qui est une tension continue constante) et la tension présente aux bornes de l'inductance 5. Cette dernière tension étant en forme d'arche de sinusoïde, à la mise en conduction du transistor, il en est donc de même pour la tension aux bornes de la charge qui sera de la forme:
V = VA sin co t
La valeur maximale de la dérivée de la tension aux bornes de la charge est donc:
dv
— max = o) VA
"t
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Pour cette raison, il est possible, sans adjonction de matériel, de limiter la valeur maximale de la dérivée. Cette propriété permet de limiter la pointe de courant dans la diode de récupération connectée en parallèle sur la charge. Dans certaines applications où la charge sera un autre transistor (cas d'un montage en pont: fig. 4), on réduira également la pointe de courant dans ledit transistor de charge.
Dans d'autres applications, comme on le verra dans la suite (fig. 5), la charge est constituée par un thyristor dont on réduit alors dV
les risques d'amorçage intempestifs par ——.
dt
Si le condensateur réservoir 8 est associé à un circuit auxiliaire qui maintient constante la tension à ses bornes (ce circuit auxiliaire pouvant être le circuit de récupération lui-même), le transistor 1 ne supporte plus que la tension de source augmentée de la tension du condensateur réservoir, et ce quel que soit le courant qui circulait dans l'inductance d'aide à la commutation. Dans le montage connu, où cette inductance était fermée par un circuit diode résistance, la tension que subissait le transistor était égale à la tension de source, augmentée du produit du courant circulant dans l'inductance par la valeur de la résistance d'aide à la commutation, ce qui pouvait occasionner une surtension dangereuse.
On notera que le fonctionnement du montage aboutit à précharger le condensateur d'aide à la commutation.
En effet, après la phase de mise en conduction, quand le transistor 1 est saturé, le condensateur d'aide à la commutation se charge à la tension du condensateur réservoir. Ainsi, le blocage du transistor s'effectue sous une tension préexistante; ce moyen permet de réduire notablement le temps de décroissance du courant de collecteur.
Le montage muni du circuit d'aide à la commutation décrit permet en définitive de réduire les contraintes subies par le transistor en offrant la possibilité de maîtriser parfaitement les phénomènes de commutation. Le transistor n'est jamais le siège d'une tension et d'un courant simultanés. Le montage permet de récupérer la quasi-totalité des pertes qui sont habituellement dissipées dans les autres dV
montages et de limiter la valeur —— appliquée à la charge, ce qui est dt un très grand avantage dans les montages en pont. Il permet encore de limiter la surtension subie par le transistor, et ainsi de réduire les marges de sécurité prises habituellement. Ce type de circuit est particulièrement avantageux pour les montages à haute tension où les transistors fonctionnent en polarisation inverse de base (fonctionnement dit en V C EX). Il est ainsi possible d'étendre le fonctionnement de certains transistors aux réseaux 380 V redressés.
A la fig. 3, on a représenté une variante du montage de la fig. 2, dans laquelle le condensateur d'aide à la commutation 7 a est connecté entre le collecteur du transistor 1 et la borne du condensateur réservoir 8 reliée à la source. Le circuit de la fig. 3 constitue une amélioration du montage de la fig. 2 qui permet ainsi de diminuer le courant circulant dans le condensateur réservoir 8.
A la fig. 4, on a représenté l'application d'un tel montage à un dispositif comportant plusieurs transistors 11 à 16 montés en pont pour constituer un convertisseur polyphasé destiné à l'alimentation d'un moteur asynchrone. Les numéros de référence 11 a à 16 a désignent les diodes de récupération associées aux transistors.
Le circuit d'aide à la commutation comprend une seule inductance (respectivement 17,18), une seule diode (respectivement 19-20), un seul condensateur réservoir (respectivement 21-22) et un seul circuit de récupération (respectivement 23-24) pour chaque groupe de trois transistors, tandis qu'il y a autant de condensateurs d'aide à la commutation (25 à 30) qu'il y a de transistors. Le montage de la fig. 4 ayant une forme itérative, le nombre de transistors n'est donc pas limitatif et peut être augmenté pour permettre l'application de ce circuit à l'alimentation d'un moteur pas à pas par une augmentation du nombre de branches des ponts de diode et de transistor. De plus, l'entrelacement qui résulte du fonctionnement des transistors fait que le courant dans les inductances peut être quasiment continu. La seule énergie qui soit à récupérer est celle des condensateurs d'aide à la commutation et de la variation du courant dans la charge; de ce fait, le système de récupération d'énergie peut être sous-dimen-sionné.
Le montage représenté à la fig. 5 est un montage en pont de thy-ristors (Th! à Thfl).
Un tel montage peut être destiné à l'alimentation d'un moteur asynchrone M ou d'un moteur synchrone à vitesse variable et comporte un pont de diodes de redressement D! à D6 en amont des circuits d'aide à la commutation, des transistors T\ à T2 et des diodes D7 à D12 de récupération.
Ces circuits comprennent chacun une inductance (respectivement Lj, L2) en série avec le transistor et, en parallèle sur celui-ci, une diode (respectivement D13, Dltì) et un condensateur d'aide à la commutation (respectivement C5, C4) en série. Entre la borne commune aux diodes Dt, D2, D3 (respectivement D4., D5, Dfl) et le point commun à la diode et au condensateur d'aide à la commutation est connecté un condensateur réservoir (respectivement Cj, C3) aux bornes duquel est branché un circuit de récupération de l'énergie, tel que décrit plus haut (respectivement REj, RE2). Ces circuits de récupération renvoient l'énergie des condensateurs Ct et C3 à un condensateur réservoir C2. Des résistances R'j et R'2 marquées en pointillés permettent d'évacuer les courants de fuite des transistors T\ et T2.
On considérera, pour expliquer le fonctionnement du dispositif, une configuration où le transistor T2 est conducteur et où le courant circule à travers T2, un thyristor du groupe inférieur (par exemple Th4), une phase du moteur (par exemple II-III) et une diode (par exemple Du). La commande de l'amorçage du transistor Tj, en série avec le thyristor Th2, pour effectuer une commutation, entraîne le phénomène suivant: Du ne se bloquant pas immédiatement, il en résulte un courant de récupération des charges qui sont stockées dans la jonction de cette diode Du, courant qui circule à travers Li, Tj, Th2 et Dll5 et un courant de décharge du condensateur C5 qui s'additionne avec le précédent dans T, et Lj. Ce phénomène est toutefois de très courte durée et n'entraîne pas de pertes importantes dans le transistor.
A la fin de ce phénomène de commutation, le courant qui circule dans L! ne peut s'interrompre brutalement et il doit obligatoirement se refermer. Le courant qui circule dans Lj se referme, à la fin du phénomène de commutation, par D13 et Ci (voie de plus faible impédance que la voie Tls Th2, Ds et Q). L'inconvénient d'allonger la durée de la surintensité résultant du phénomène de commutation se trouve ainsi éliminé.
Pour que le montage de la fig. 5 fonctionne dans de bonnes conditions, il faut que Cx et C3 soient choisis très grands devant C2, afin de limiter leur charge due au courant circulant du moteur à travers les diodes D7 à D12.
Un autre mode de réalisation des applications peut être obtenu par l'utilisation du schéma de la fig. 3 en remplacement du circuit représenté à la fig. 2 utilisé pour les montages des circuits des fig. 4 et 5.
Il va de soi que diverses autres applications du dispositif pourront être imaginées par l'homme du métier sans sortir du cadre de l'invention.
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Claims (7)

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    REVENDICATIONS
    1. Dispositif onduleur convertisseur continu-alternatif à valves commandées, montées en pont et à diodes de récupération également montées en pont, ce dispositif étant du type dans lequel les points-milieu du pont des diodes de récupération sont reliés aux points-milieu correspondants du pont de valves, caractérisé en ce qu'un circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie inductive est branché à l'onduleur.
  2. 2. Dispositif onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie comprend, reliés à chacune des entrées continues d'un pont de valves à thyristor, respectivement
    — un premier circuit série, comprenant un transistor et une inductance, dont l'autre borne est reliée à la borne respective de l'alimentation;
    — un deuxième circuit série associé à chaque premier circuit branché en parallèle entre le point commun à l'inductance et au transistor de chaque premier circuit et la borne d'alimentation respective, ledit deuxième circuit comprenant en série un condensateur réservoir et une diode branchée entre le point commun, d'une part, à l'inductance et au transistor et, d'autre part, au condensateur réservoir, de sorte que le circuit diode condensateur réservoir soit en polarisation inverse lorsque le transistor est conducteur;
    — un circuit convertisseur basse tension - haute tension, dont les entrées sont reliées aux bornes du condensateur réservoir et dont les sorties sont reliées aux bornes du circuit d'alimentation;
    — un condensateur d'aide à la commutation associé à chaque premier circuit, dont une borne est reliée au point commun au transistor et à l'entrée respective du pont de thyristor.
  3. 3. Dispositif onduleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'autre borne de chaque condensateur d'aide à la commutation est relié au point commun à la diode et au condensateur réservoir respectif du second circuit.
  4. 4. Dispositif onduleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'autre borne de chaque condensateur d'aide à la commutation est relié au point commun au condensateur réservoir et à l'inductance des circuits respectifs.
  5. 5. Dispositif onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie comprend, associés à chaque entrée d'alimentation d'un pont de valves à transistors
    — un premier circuit reliant chaque entrée du pont de transistors à l'entrée respective du pont de diodes, ledit premier circuit comprenant en parallèle, sur une inductance, un condensateur réservoir et une diode branchée de façon que le circuit diode condensateur réservoir soit en polarisation inverse lorsqu'un des transistors des branches du demi-pont correspondant à une entrée d'alimentation est conducteur;
    — un circuit convertisseur basse tension-haute tension associé à chaque premier circuit respectif et dont les entrées sont branchées en parallèle sur le condensateur réservoir et dont les sorties sont reliées aux bornes de la source d'alimentation;
    — associé à chaque demi-branche du pont de transistors, un condensateur d'aide à la commutation relié au pont-milieu respectif de chaque demi-branche.
  6. 6. Dispositif onduleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la deuxième borne de chaque condensateur d'aide à la commutation d'une demi-branche d'un pont est reliée au point commun à la diode et au condensateur réservoir associé à ce demi-pont.
  7. 7. Dispositif onduleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la deuxième borne de chaque condensateur d'aide à la commutation d'une demi-branche d'un pont est reliée au point commun à l'inductance et au condensateur de récupération d'énergie.
CH60682A 1980-06-13 1981-06-12 Dispositif onduleur convertisseur continu-alternatif a valves commandees. CH646283A5 (fr)

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