CH694386A5 - Dispositif d'alimentation en courant à harmoniques diminués pour une charge recevant un courant alternatif polyphasé. - Google Patents

Description

  



   



   L'invention concerne d'une manière générale un dispositif d'alimentation en courant à harmoniques diminués pour une charge recevant un courant alternatif polyphasé, notamment un moteur à vitesse variable et, plus particulièrement, des systèmes d'alimentation en courant de moteurs à tension intermédiaire utilisant une commande par modulation des impulsions en largeur (MIL). Arrière-plan de l'invention 



   Les systèmes d'alimentation en courant à fréquence variable sont utilisés traditionnellement dans l'industrie pour fournir un courant électrique à des moteurs à courant alternatif à vitesse variable. Ces mêmes alimentations peuvent être utilisées dans d'autres applications qui ne concernent pas de manière spécifique les moteurs et où on souhaite avoir une tension ou une fréquence de sortie variable. Les systèmes d'alimentation en courant typiques ont une source d'alimentation en courant alternatif et un appareil de conversion approprié, faisant habituellement appel à des dispositifs transistorisés, pour convertir la tension alternative d'entrée fixe en une tension de sortie variable et/ou une fréquence de sortie variable.

   Un système d'alimentation en courant de ce type est décrit dans le brevet US No. 5 625 545 accordé à Hammond, qui est inclus ici par référence. Le brevet d'Hammond décrit un système d'alimentation en courant qui utilise une pluralité de cellules d'alimentation en courant connectées en série, et agencées et contrOlées pour produire un courant de sortie alternatif triphasé. Le fait de connecter des cellules d'alimentation en courant multiples en série assure une tension plus élevée que cela ne serait le cas en utilisant une seule cellule. La connexion de cellules en série permet des états de tension multiples par phase, ce qui est mis à profit pour améliorer les formes d'ondes. Des cellules d'alimentation multiples sont prévues sur chaque ligne de sortie de phase alimentant un moteur à courant alternatif triphasé.

   Le courant d'alimentation alternatif triphasé d'entrée est fourni à chaque cellule d'alimentation en courant par l'intermédiaire d'un transformateur qui contient des circuits d'enroulements secondaires triphasés multiples, dont chacun est connecté    pour alimenter une cellule d'alimentation en courant correspondante avec un courant alternatif d'entrée triphasé. Chaque cellule d'alimentation en courant contrOle la puissance fournie à la charge en utilisant un procédé de commande par MIL. Pour diminuer les harmoniques dans les courants de la source, l'angle de phase des enroulements secondaires est décalé dans le brevet d'Hammond par des enroulements en zigzag ou par des enroulements en triangle étendus. 



   Chaque cellule d'alimentation en courant comprend un convertisseur d'entrée du courant alternatif en courant continu, un filtre de lissage, un convertisseur de sortie du courant continu en courant alternatif et un circuit de commande. Le convertisseur d'entrée reçoit un courant alternatif d'entrée triphasé depuis un circuit d'enroulement secondaire du transformateur de courant. Le redresseur d'entrée comprenant des diodes de redressement transforme le courant alternatif triphasé en courant continu, avec des ondulations importantes. Pour diminuer ce phénomène d'ondulations, un filtre de lissage constitué de condensateurs électrolytiques est connecté au cOté courant continu du redresseur d'entrée. Le filtre de lissage est également connecté au convertisseur de sortie.

   Le convertisseur de sortie est un commutateur monophasé à semi-conducteurs formant un pont en H, utilisant des transistors de puissance tels que des transistors bipolaires à grille isolée. Chaque transistor du convertisseur de sortie est contrOlé par un circuit local de contrOle de la modulation. Le courant pour le circuit local de contrOle du modulateur peut être obtenu dans la cellule d'alimentation en courant, depuis l'alimentation en courant alternatif. 



   Le brevet d'Hammond décrit également un procédé pour contrOler la sortie de telles cellules d'alimentation en courant multiples, faisant appel à une technique de modulation des impulsions en largeur dans laquelle on contrOle sélectivement la durée et la fréquence de sortie des impulsions des cellules d'alimentation en courant. Ce procédé fait appel à des signaux de contrOle basés sur des signaux de porteuse interdigités, provoquant de manière sélective un événement de commutation dans le convertisseur de sortie de chaque cellule d'alimentation en courant. Les événements de commutation sont séquencés de manière à ce qu'un événement de commutation ne se produise que dans une cellule d'alimentation à la fois. 



   Un inconvénient du système d'alimentation en courant décrit dans le brevet d'Hammond est qu'il ne permet un fonctionnement que dans deux quadrants. Toutefois, de tels systèmes d'alimentation en courant alternatif intermédiaire sont capables potentiellement de fonctionner dans l'ensemble des quatre quadrants du plan vitesse - couple. Le premier quadrant est celui où la vitesse et le couple sont tous deux positifs et le troisième quadrant est celui où la vitesse et le couple sont tous deux négatifs. Ainsi, dans le premier et le troisième quadrants, le produit du couple par la vitesse est positif.

   Quand le produit du couple par la vitesse est positif, le courant circule vers la charge mécanique du moteur, Par contre, le second et le quatrième quadrants sont ceux où le produit du couple par la vitesse est négatif, ce qui signifie que le moteur agit comme un générateur et que le -courant circule depuis la charge mécanique par le moteur et vers le cOté onduleur du système d'alimentation en courant. Les systèmes d'alimentation en courant conventionnels utilisant des cellules d'alimentation en courant multiples, comme par exemple le système d'alimentation en courant décrit dans le brevet d'Hammond, ne sont pas à présent capables d'opérer dans les quatre quadrants. 



   On connaît une alimentation en courant basse tension dans l'art antérieur ayant une seule cellule d'alimentation en courant capable de fonctionner dans les quatre quadrants pour produire un courant réactif. Un exemple d'une cellule d'alimentation en courant fonctionnant dans les quatre quadrants est décrit dans le brevet US No. 4 788 635 accordé à Heinrich. Heinrich indique que ceci est réalisé en contrOlant l'onduleur de la source de tension sur le cOté courant alternatif pour inverser la polarité de sa liaison à courant continu, tout en commutant par la connexion de la borne de la liaison à courant continu sur son cOté onduleur, de manière à faire correspondre les polarités.

   Il est divulgué que cette mise en correspondance des polarités est réalisée avec des dispositifs GTO interconnectés, associés avec deux diodes couplées avec les pOles respectifs d'un condensateur de la liaison à courant continu entre la sortie du pont de redressement à thyristors et la borne de la liaison à courant continu du système d'alimentation en courant du moteur avec un onduleur sur la source de tension. Les dispositifs GTO sont interrompus en mettant en oeuvre un cycle de fonctionnement choisi d'après la différence de tension entre la tension d'entrée à courant continu de l'onduleur et une valeur de tension de référence constante. 



   Il n'en reste pas moins que les configurations de cellules d'alimentation uniques comme celles décrites par Heinrich, permettant un fonctionnement sur les quatre quadrants, peuvent avoir des inconvénients significatifs consécutifs à la présence d'harmoniques indésirables qui se manifestent même dans des situations d'absence de charge. 



   Un fonctionnement sur les quatre quadrants peut être hautement souhaitable dans les applications avec une alimentation par un courant alternatif intermédiaire, parce que le courant réactif peut être utilisé pour diminuer le cout de l'électricité achetée auprès d'une compagnie d'électricité. Pour certains utilisateurs de telles tensions intermédiaires fournies par des systèmes d'alimentation en courant alternatif comprenant des cellules d'alimentation multiples, ayant une consommation d'énergie importante, l'économie d'énergie peut aller jusqu'à 5-10% grâce à la capacité réactive du système d'alimentation en courant, ce qui peut constituer une réduction des couts importante.

   Par conséquent, il est souhaitable d'assurer un fonctionnement sur quatre quadrants pour de tels systèmes d'alimentation en courant, sans avoir l'inconvénient d'harmoniques indésirables inhérentes aux systèmes d'alimentation en courant à une seule cellule d'alimentation en courant. Résumé de l'invention 



   Cette invention concerne une amélioration par rapport à la cellule d'alimentation en courant décrite antérieurement dans le brevet d'Hammond. L'amélioration porte sur un changement de topologie et de fonctionnement du transformateur, du convertisseur d'entrée du courant alternatif en courant continu et du filtre de lissage. Le convertisseur de sortie de la cellule d'alimentation en courant est sensiblement le même que celui décrit dans le brevet d'Hammond. 



   La présente invention fournit un dispositif d'alimentation en courant faisant appel à une pluralité de cellules d'alimentation en courant améliorées, permettant un fonctionnement sur les quatre quadrants et diminuant les harmoniques dans la ligne de la source d'alimentation. Le dispositif peut faire appel à une pluralité de cellules d'alimentation en courant améliorées dans chaque ligne de sortie de phase destinée à une charge    alimentée avec un courant triphasé, par exemple un moteur à courant alternatif triphasé. Les cellules d'alimentation en courant améliorées sur une ligne de sortie d'une phase quelconque peuvent être connectées en série, comme cela est divulgué dans le brevet d'Hammond. 



   Une alimentation avec un courant alternatif triphasé peut être fournie à chaque cellule par l'intermédiaire d'un transformateur qui comporte de préférence, une pluralité de circuits d'enroulements secondaires, dont chacun peut être connecté pour alimenter une cellule d'alimentation correspondante avec un courant alternatif triphasé. De préférence, tous les circuits d'enroulements secondaires du transformateur ont la même relation de phase mutuelle. Par conséquent, comme les circuits d'enroulements secondaires du transformateur ont tous la même relation de phase, on peut utiliser une seule réactance d'entrée (filtre) triphasée à l'entrée du primaire du transformateur à enroulements multiples à la place des réactances d'entrée individuelles pour chaque cellule d'alimentation en courant.

   Ceci peut permettre de diminuer la taille du système, d'améliorer l'efficacité du transformateur, de diminuer les fuites et les couts du système, parce que le transformateur peut être conçu avec une impédance de fuite basse, ce qui est généralement souhaité par les fabricants de transformateurs de redressement. 



   Chaque cellule d'alimentation en courant améliorée comprend, de préférence, un convertisseur d'entrée qui peut comprendre des transistors de puissance tels que des transistors bipolaires à grille isolée, un filtre de lissage, qui peut être constitué de condensateurs de filtrage, et un convertisseur de sortie, qui peut être constitué de transistors bipolaires à grille isolée comme le convertisseur d'entrée, mais qui est monophasé. Le convertisseur d'entrée peut contrOler l'alimentation en courant alternatif triphasé et la puissance réactive, grâce à un procédé de contrOle de la modulation des impulsions en largeur, qui est optimisé pour diminuer les harmoniques d'ordre inférieur.

   Le convertisseur de sortie peut contrOler la puissance fournie à la charge ou produite par une telle charge, grâce à un procédé de contrOle de la modulation des impulsions en largeur comme celui divulgué dans le brevet d'Hammond. 



   Une diminution des harmoniques dans la ligne d'alimentation est obtenue par la présente invention grâce à un contrOle précis de la commutation des transistors bipolaires à grille isolée du convertisseur d'entrée, par exemple par interdigitation    des événements de commutation, pour diminuer les harmoniques dans la sortie vers la charge. Ceci peut être réalisé avec un procédé de contrOle de la modulation des impulsions en largeur basé sur des signaux de porteuse interdigités contrOlant chaque convertisseur d'entrée et de sortie. 



   Le convertisseur d'entrée fait appel à trois paires de transistors bipolaires à grille isolée, une paire pour chaque phase des trois phases du courant alternatif d'alimentation. Chaque paire (pOle) de transistors bipolaires à grille isolée peut être contrOlée par une fonction de commutation binaire. Dans le convertisseur d'entrée, les trois fonctions de commutation sont de préférence identiques pour tous les pOles correspondants dans toutes les cellules d'alimentation en courant de cette invention. Chacun des trois pOles dans chaque cellule est toutefois modulé par des signaux de référence qui sont mutuellement déphasés par 120 degrés pour faire correspondre le courant d'alimentation triphasé de chaque cellule d'une manière bien connue dans l'art.

   Selon le procédé de contrOle préféré, la même série de trois fonctions binaires peut être utilisée pour contrOler le convertisseur d'entrée de chaque cellule d'alimentation en courant améliorée. 



   Un avantage secondaire des cellules d'alimentation en courant améliorées est que le convertisseur à transistors bipolaires à grille isolée permet un fonctionnement sur l'ensemble des quatre quadrants. Les transistors bipolaires à grille isolée, contrairement aux diodes de redressement des cellules d'alimentation de l'art antérieur, peuvent fonctionner dans les deux directions, ce qui confère une capacité réactive contrOlée. 



   Une forme d'exécution préférée du dispositif d'alimentation en courant peut comporter des filtres capacitifs de ligne amortis par des réactances et des résistances sur la ligne de la source d'alimentation en amont du circuit de l'enroulement primaire du transformateur. Une autre forme d'exécution préférée peut comprendre l'utilisation d'une combinaison transformateur/ réactance d'entrée. 



   D'autres détails, objets et avantages de l'invention deviendront apparents à la lecture de la description détaillée qui suit et des dessins annexés de certaines formes d'exécution. Brève description des dessins La fig. 1 est un diagramme montrant une forme d'exécution préférée d'un dispositif d'alimentation en courant selon l'invention. La fig. 2 est un diagramme montrant une forme d'exécution préférée d'une cellule d'alimentation en courant améliorée selon l'invention. La fig. 3 est un diagramme similaire à celui de la fig. 2 montrant une autre forme d'exécution préférée d'une cellule d'alimentation en courant améliorée ayant une batterie de condensateurs.

   La fig. 4 est une représentation graphique montrant une fonction de pOle pour une première condition de tension d'entrée appliquée à une portion de convertisseur d'entrée de la cellule d'alimentation en courant représentée sur la fig. 2. La fig. 5 est une représentation graphique similaire à celle de la fig. 4 montrant une fonction de pOle pour une seconde condition de tension d'entrée. La fig. 6 est une représentation graphique montrant la distorsion simulée du courant d'entrée, pour la fonction de modulation représentée sur la figure 4. La fig. 7 est une représentation graphique similaire à celle de la figure 6, mais différente en ce qu'elle montre la distorsion simulée du courant d'entrée quand on utilise une forme d'exécution préférée d'un filtre d'entrée.

   La fig. 8a montre une forme d'exécution préférée d'un dispositif d'alimentation en courant ayant des circuits d'enroulements primaire et secondaires du transformateur connectés en utilisant une combinaison transformateur / réactance d'entrée. La fig. 8b montre une forme d'exécution préférée d'une construction du type "culasse et fiche" pour la combinaison transformateur/réactance d'entrée représentée sur la fig. 8a. Description détaillée de l'invention 



   Un dispositif d'alimentation en courant préféré de la présente invention est représenté sur la fig. 1, ayant une extrémité frontale unique simple permettant un fonctionnement sur l'ensemble des quatre quadrants. Un courant alternatif triphasé d'entrée est fourni au circuit de l'enroulement primaire 102 du transformateur 101 d'alimentation en courant. Toutefois, contrairement aux systèmes d'alimentation en courant de l'art antérieur, le circuit 102 de l'enroulement primaire active les circuits    d'enroulements secondaires multiples 103 à 111 qui peuvent généralement être en phase avec d'autres secondaires dans un tronçon respectif. Le courant triphasé associé avec chacun des circuits d'enroulements secondaires 103-111 peut être fourni aux cellules d'alimentation en courant respectives 112 à 120. 



   Bien qu'un enroulement primaire en étoile 102 avec des enroulements secondaires en triangle 103-111 soit représenté, on peut également utiliser un enroulement primaire en triangle avec des enroulements secondaires en étoile. En réalité, un décalage de phase arbitraire quelconque entre l'enroulement primaire 102 et tous les enroulements secondaires 103-111 est acceptable. Toutefois, on préfère à présent, pour des raisons de simplification du contrOle, de réduction de taille, de réduction des couts et d'augmentation de l'efficacité, que les enroulements secondaires 103-111 soient identiques. 



   La réactance d'entrée triphasée 126 est prévue juste en amont du primaire en étoile 102. Un trait particulier de cette topologie réside dans l'utilisation d'une réactance de filtrage d'entrée unique 126 à l'entrée du transformateur 101 à enroulements multiples au lieu de réactances individuelles triphasées, qui pourraient être placées entre les enroulements secondaires triphasés individuels 103-111 et les cellules d'alimentation en courant 112-120, pour remplir le même rOle. La réactance 126 est un composant indispensable pour tout contrOle d'entrée actif, car elle doit emmagasiner l'énergie durant chaque événement de commutation avant de libérer cette énergie dans le bus à courant continu (dans ce cas, on préfère utiliser des bus à courant continu individuels dans chaque cellule).

   Le fait d'éliminer la nécessité d'avoir des réactances triphasées individuelles permet de diminuer aussi bien les couts que la taille. 



   On a également représenté un filtre de ligne 127 à condensateurs amortis par des réactances et par des résistances qui peut être utilisé dans une autre forme d'exécution actuellement préférée du dispositif d'alimentation en courant 100. Le filtre de ligne additionnel 127 à condensateurs amortis par des réactances et par des résistances peut également diminuer la distorsion du courant d'entrée comme représenté sur la fig. 7. 



   Un autre trait caractéristique qui peut s'avérer nécessaire dans certains dispositifs d'alimentation en courant fonctionnant sur les quatre quadrants est la capacité de freiner le moteur et la charge associée dans le cas d'une perte de la    tension d'entrée. En prévoyant un déphasage nul entre les enroulements secondaires individuels, on peut ajouter un seul ensemble triphasé de résistances de freinage dynamique 128 à l'entrée du courant primaire. Le contrOle de la puissance de freinage des résistances de freinage dynamiques 128 est simplifié si tous les transistors dans chacune des cellules d'alimentation en courant 112-120 fonctionnent avec les grilles en tandem, parce qu'il n'y a aucun déphasage entre les enroulements secondaires connectés aux cellules d'alimentation en courant 112-120. 



   Sur les autres plans, les cellules d'alimentation en courant multiples 112-120 peuvent être connectées ensemble à chacune des lignes de sortie des phases, 122, 123 et 124, sensiblement de la même manière que dans les systèmes d'alimentation en courant de l'art antérieur. De manière similaire, de telles cellules d'alimentation en courant multiples 112-120 peuvent être connectées en série sur chaque ligne de sortie de phase pour assurer une alimentation en tension intermédiaire avec une pluralité de cellules d'alimentation en courant basse tension 112-120. Chaque cellule d'alimentation en courant peut être réalisée selon les normes s'appliquant aux circuits basse tension, bien que faisant partie d'une alimentation en tension intermédiaire.

   Les cellules d'alimentation en courant individuelles 112-120 peuvent être isolées de la masse et des autres cellules d'alimentation en courant, en utilisant des isolants prévus pour des applications tension intermédiaire. 



   Comme représenté sur la fig. 1, la ligne 122 de sortie de phase est connectée en série à la sortie des cellules d'alimentation en courant 112, 115 et 118, la ligne 123 de sortie de phase est connectée en série à la sortie des cellules d'alimentation en courant 113, 116 et 119, et la ligne 124 de sortie de phase est connectée en série à la sortie des cellules d'alimentation en courant 114, 117 et 120. Les branches d'alimentation 122, 123 & 124 des cellules d'alimentation en courant peuvent être jointes en étoile avec un neutre flottant 125. Dans cette configuration, les cellules d'alimentation en courant 112-120 peuvent apporter une tension de ligne intermédiaire suffisante au moteur 121, bien que les cellules d'alimentation individuelles 112-120 soient réalisées avec des composants aux normes s'appliquant aux tensions basses. 



   Les circuits des enroulements secondaires multiples 103-111 ne sont pas mutuellement déphasés entre eux pour diminuer les harmoniques de la ligne    d'alimentation. Par contre, les harmoniques de la ligne d'alimentation peuvent être diminuées en utilisant une cellule d'alimentation en courant ayant la configuration représentée sur la fig. 2. Comme représenté sur la fig. 1, une réactance d'entrée unique 126 est utilisée, en une connexion d'entrée commune en amont du circuit 102 de l'enroulement primaire du transformateur, ce qui est possible grâce aux circuits non déphasés des enroulements secondaires 103-111 du transformateur. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de prévoir des réactances d'entrée individuelles additionnelles pour chacune des cellules d'alimentation en courant 112-120.

   Toutefois, si les secondaires 103-111 du transformateur étaient déphasés, les réactances individuelles devraient être ajoutées ou des réactances de fuite "incorporées" devraient être mises en oeuvre pour tenir compte des différences de tension à l'entrée des cellules d'alimentation en courant 112-120. 



   Lorsqu'on se reporte à la fig. 2, on y a représenté une forme d'exécution actuellement préférée d'une cellule d'alimentation en courant 140, qui a trois portions principales: un convertisseur d'entrée 142, un filtre de lissage 144 et un convertisseur de sortie 146. Le filtre de lissage 144 et le convertisseur de sortie 146 peuvent être sensiblement identiques aux parties correspondantes de la cellule d'alimentation en courant de l'art antérieur, divulguée par Hammond. 



   Par contre, le convertisseur d'entrée 142 de la cellule d'alimentation en courant améliorée 140 est d'une conception spéciale. Plus particulièrement, le convertisseur d'entrée 142, qui sera décrit en détail ci-après, peut assurer une diminution des harmoniques dans la ligne de la source d'alimentation et permettre également un fonctionnement de la source d'alimentation en courant sur l'ensemble des quatre quadrants. La cellule d'alimentation en courant améliorée 140 peut être similaire à la cellule d'alimentation en courant de l'art antérieur pour ce qui concerne la structure et le fonctionnement du filtre de lissage 144 (se présentant sous la forme d'un condensateur 153) et du convertisseur de sortie 146, qui peut être constitué par un seul pont en H de transistors bipolaires à grille isolée 156-159.

   En outre, comme représenté sur la figure 3, une autre forme d'exécution de la cellule d'alimentation en courant améliorée 240 peut avoir une batterie de condensateurs 244, constituée par une pluralité de condensateurs 253a-253f, au lieu du condensateur unique 153 de la cellule d'alimentation en courant 140. 



   Le convertisseur d'entrée 142 peut fonctionner en étant contrOlé par une modulation de la largeur des impulsions, comme le convertisseur de sortie 146, sauf que le contrOle est modifié pour tenir compte de quelques traits caractéristiques propres au convertisseur d'entrée142. En particulier, le convertisseur d'entrée 142 peut avoir une entrée triphasée. Dans ces conditions, le convertisseur d'entrée peut avoir trois commutateurs fonctionnant comme des pOles, qui sont de préférence identiques. Ces différences sont expliquées d'une manière plus détaillée ci-après. 



   Dans le convertisseur d'entrée 142, trois paires de transistors bipolaires à grille isolée 170-175 sont utilisées à la place des trois diodes de rectification de l'art antérieur divulguées dans le brevet d'Hammond, pour convertir l'alimentation en courant alternatif triphasé, en courant de sortie continu, filtré. Les transistors bipolaires à grille isolée 170-175 du convertisseur d'entrée 142 peuvent être activés par le circuit spécialisé169 de l'enroulement secondaire à courant alternatif triphasé du transformateur de courant.

   Le segment de ligne A correspondant à la première phase, peut être connecté entre les transistors bipolaires à grille isolée 170 et 173; le segment de ligne B, correspondant à la seconde phase, peut être connecté entre les transistors bipolaires à grille isolée 171 et 174; et le segment de ligne C, correspondant à la troisième phase, peut être connecté entre les transistors bipolaires à grille isolée 172 et 175. Pris ensemble, les transistors bipolaires à grille isolée 170-175 forment un convertisseur opérant dans l'ensemble des quatre quadrants, similaire au convertisseur constitué par les transistors bipolaires à grille isolée 157-159 formant un pont en H, sauf qu'ils constituent en trois fonctions de commutation des pOles d'entrée, indiquées par U, V et W.

   Chaque paire (pOle) de transistors bipolaires à grille isolée aussi bien dans le convertisseur d'entrée que dans le convertisseur de sortie est contrOlée par des fonctions de commutation binaires. Les fonctions de commutation binaires peuvent être générées de différentes manières, en particulier en utilisant des techniques de MIL triangulaires, qui sont efficaces avec des fonctions interdigitées qui sont générées par la comparaison d'une référence unique avec de nombreuses porteuses déphasées. Toutefois, dans le procédé actuellement préféré de contrOle de l'entrée, où chaque cellule d'alimentation en courant 140 peut avoir les mêmes trois fonctions de commutation, d'autres procédés conviennent mieux pour contrOler le niveau des harmoniques d'entrée indésirables. 



   Lors d'une récupération d'énergie, le moteur 121, qui est alimenté par la sortie 168 des cellules d'alimentation multiples 140, peut produire par les diodes 160-162 formant un pont de chaque cellule d'alimentation en courant 140. A ce moment, l'énergie générée par le moteur 121 est amenée au condensateur 153. L'onduleur d'entrée utilisant les transistors bipolaires à grille isolée 170-175 (Q20-Q25) est un pont bidirectionnel fonctionnant sur l'ensemble des quatre quadrants. La charge appliquée au condensateur 153 peut être commutée par les transistors bipolaires à grille isolée 170-175 (Q20-Q25) pour retourner du courant depuis le moteur 121 dans la ligne triphasée. Les diodes 176-181 peuvent agir simplement comme des redresseurs durant un fonctionnement du moteur quand du courant est fourni par la ligne au moteur 121.

   De manière similaire mais inversée, les transistors bipolaires à grille isolée 170-175 sont contrOlés par l'utilisation de circuits d'enclenchement appropriés pour forcer le courant à retourner dans la ligne de courant alternatif, permettant ainsi une récupération d'énergie. 



   La quantité de courant entrée dans le convertisseur d'entrée 142 fonctionnant sur les quatre quadrants de la cellule d'alimentation en courant 140 représentée sur la fig. 2, est optimisée en coupant sélectivement les fonctions de commutation des transistors d'entrée, pour que les diodes d'entrée 176-181 soient conductrices quand chaque fonction est coupée. Quand une puissance active est transférée de la source de courant alternatif au moteur 121, les diodes 176-181 à l'entrée sont conductrices pendant la majeure partie du temps, alors que les transistors 156-159 (Q11-Q14) à la sortie sont également conducteurs pendant la majeure partie du temps.

   Quand une puissance active est transférée du moteur 121 à la source de courant alternatif (récupération), le rOle des diodes et des transistors bipolaires à grille isolée est inversé, de sorte que les transistors d'entrée 170-175 (Q20-Q25) sont conducteurs pendant la majeure partie du temps et les diodes de sortie 160-163 sont conductrices pendant la majeure partie du temps. 



   Dans la forme d'exécution préférée, les fonctions des pOles d'entrée U, V et W sont identiques entre elles, mais avec un déphasage mutuel de 120 degrés. Il est également préférable que ces fonctions soient identiques pour toutes les cellules d'alimentation en courant 112-120 et que les fonctions respectives fassent que les pOles d'entrée respectifs de chaque cellule d'alimentation en courant respective 112-120 commutent parallèlement aux pOles correspondants de toutes les autres    cellules d'alimentation en courant. Ceci permet d'utiliser une structure de transformateur à impédance minimale et donc de diminuer l'encombrement et les couts, et d'augmenter l'efficacité. 



   Les fig. 4 et 5 illustrent les fonctions des pOles dans deux conditions de tension d'entrée, en l'occurrence avec la tension de ligne nominale représentée par la forme d'onde 200 et avec une tension abaissée par 20%, représentée par la forme d'onde 201. Un des avantages d'un contrOle simultané du déphasage et de l'indice de modulation des fonctions des pOles U, V et W effectué indépendamment par un dispositif de contrOle central qui surveille les conditions d'alimentation par la source est que l'on peut maintenir la tension au niveau nominal sur les bus à courant continu individuels dans une très large plage de conditions d'impédance dans la ligne d'entrée et la source. 



   Il est important que les fonctions représentées sur les figures 4 et 5 soient soigneusement générées pour conserver la tension requise sur le bus et en même temps minimiser la distorsion résultante du courant de la ligne d'entrée. Ceci peut être réalisé rapidement en réponse à un changement des conditions sur la ligne d'entrée en générant les fonctions U, V et W à partir d'un système de contrOle central commun. 



   Comme indiqué auparavant, l'inductance primaire 126 représentée juste en amont de l'entrée du transformateur polyphasé 101 est nécessaire pour le contrOle actif. Le choix aussi bien de la taille de la réactance que des fonctions de modulation représentées sur les figures 2 et 3 peut influer sur la distorsion du courant d'entrée résultant. Par suite des limitations au niveau de la fréquence des commutations des transistors bipolaires à grille isolée, il est souhaitable d'ajouter le filtre LC amorti 127 (filtres capacitifs amortis par des résistances et des réactances de ligne additionnelles) comme représenté sur la fig. 1, pour diminuer encore davantage la distorsion du courant en dessous de la limite de 5% de la distorsion totale des harmoniques fixée par I'IEEE. 



   Les fig. 6 et 7 montrent la distorsion simulée du courant d'entrée pour la fonction de modulation représentée sur la fig. 4 (conditions de ligne nominales à la puissance de sortie nominale). Le spectre de la forme d'onde 210 représenté sur la fig. 6 est obtenu sans le filtre d'entrée facultatif 127 et il présente une distorsion totale des harmoniques inférieure à 10%. Le spectre de la forme d'onde 211 du    courant de la fig. 7 a été obtenu avec le filtre d'entrée facultatif 127 et il présente une distorsion totale des harmoniques bien en dessous de la limite de 5% fixée par l'IEEE. 



   Actuellement, dans un transformateur d'alimentation en courant opérant sur deux quadrants typique de l'art antérieur, une impédance secondaire d'au moins 8% est nécessaire pour assurer une distorsion basse du courant d'entrée. Certains fabricants ont indiqué que pour chaque pour-cent additionnel de réactance de fuite, par rapport aux 5% standard, le cout du transformateur augmente de 4%. D'autres fabricants ont indiqué qu'en utilisant de nouvelles techniques de construction, on peut obtenir des structures avec moins de 5% d'impédance, ce qui permet également de diminuer les couts. Par conséquent, obtenir un transformateur à enroulements multiples avec une réactance de fuite basse est important non seulement pour des raisons de cout, mais également pour des raisons de taille et d'efficacité.

   Il est à noter que l'efficacité augmente quand l'impédance de fuite diminue. Dans la forme d'exécution préférée, l'impédance de fuite ne devrait pas dépasser 4%. En outre, pour éviter une résonance dans le circuit, le condensateur 153 doit être choisi en fonction de l'inductance de fuite pour que la fréquence de résonance du circuit soit supérieure à la fréquence de sortie, de préférence par un facteur de 5, mais au moins par un facteur de 2. 



   Le fonctionnement et le contrOle du convertisseur d'entrée 142 de la cellule d'alimentation en courant améliorée140 peuvent être assurés en utilisant les techniques de modulation des impulsions en largeur décrites précédemment, sauf pour certaines différences dans le procédé particulier utilisé, résultant de ce qu'il y a trois fonctions de pOles (d'entrée) au lieu d'une paire de fonctions de pOles (de sortie), comme dans le cas du convertisseur de sortie. En outre, ces trois fonctions de pOles sont, de préférence, identiques dans toutes les cellules d'alimentation en courant 140 (sauf pour le déphasage mutuel de 120 degrés), contrairement aux deux autres fonctions de pOles de sortie, qui sont différentes. 



   Egalement, un procédé qui est préféré actuellement peut comprendre d'introduire un déphasage dans les porteuses utilisées dans chaque cellule d'alimentation en courant 140. Une variante de la topologie de la figure 1 est obtenue en utilisant un procédé différent pour générer les fonctions de commutation U, V et W pour chaque cellule d'alimentation en courant 140. Quand on utilise une    modulation des impulsions en largeur (MIL) pour générer ces fonctions de commutation en comparant trois références de phases avec une forme d'onde porteuse triangulaire, à ce moment la teneur en harmoniques du courant primaire peut être diminuée en introduisant un déphasage dans les porteuses utilisées dans chaque cellule d'alimentation en courant 140.

   De préférence, chaque cellule d'alimentation en courant 140 peut utiliser la même porteuse pour générer les fonctions de commutation U, V et W, mais la porteuse utilisée dans la cellule subséquente peut être déphasée par 360 / N degrés de la fréquence porteuse, N étant le nombre total de cellules. Les avantages de cette modulation peuvent être au nombre de deux: réduction de la teneur en harmoniques dans les enroulements primaires du transformateur et des harmoniques de fréquences supérieures par comparaison avec le système de référence décrit, sans déphasage entre les cellules d'alimentation en courant 140. Ceci permet de diminuer la taille des réactances filtrantes et de rendre plus facile et moins couteux le filtrage des harmoniques indésirables.

   Toutefois, ceci s'accompagne d'une augmentation du cout du transformateur, parce qu'une impédance de fuite secondaire est nécessaire pour tenir compte des volt-secondes des fréquences de commutation. 



   La modulation des impulsions en largeur du convertisseur d'entrée 142 peut être réalisée en utilisant un convertisseur formant un pont, similaire au convertisseur de sortie 146, sauf qu'il a trois tronçons ayant des commutateurs à semiconducteurs tels que les transistors 170 (Q20), 171 (Q22), 172 (Q24), 173 (Q21), 174 (Q23) et 175 (Q25). Les transistors 170-175 peuvent être pleinement sur la position d'activation ou pleinement sur la position de désactivation quand ils fonctionnent et ils peuvent ne pas moduler l'amplitude des impulsions de manière significative. Les transistors 170-175 peuvent être connectés dans une configuration de pont triphasé, comme représenté. Pour constituer la configuration de pont, il est préférable de connecter l'émetteur du transistor 170 (Q20) au collecteur du transistor 173 (Q21).

   De manière similaire, l'émetteur du transistor 171 (Q22) peut être connecté au collecteur du transistor 174 (Q24). Egalement, le transistor 172 (Q24) peut être connecté au collecteur du transistor 175 (Q24). Les paires de transistors 170, 173, c'est-à-dire Q20 et Q21, 171, 174, c'est-à-dire Q22 et Q23 et 172, 175, c'est-à-dire Q24 et Q25, peuvent être connectées chacune au condensateur 153, avec les collecteurs des transistors 170 (Q20), 171 (Q22) et 172    (Q24) étant connectés au cOté positif et les émetteurs des transistors 173 (Q21), 174 (Q23) et 175 (Q24) étant connectés au cOté négatif. Une protection contre une surtension de chacun des transistors 170-175 peut être réalisée en utilisant les diodes antiparallèles 176-181.

   Dans un tel agencement, la cathode des diodes 176-181 est connectée au collecteur des transistors respectifs 170-175 et l'anode des diodes 176-181 est connectée aux émetteurs des transistors respectifs 170-175. Les transistors 170-175 peuvent, de préférence, être des transistors de puissance, comme par exemple des transistors bipolaires ou des transistors bipolaires à grille isolée. Souvent, de tels transistors comprennent les diodes antiparallèles 176-181 dans un boîtier commun. 



   Le courant alternatif d'alimentation peut être amené via un segment d'entrée A pour la première phase par une connexion entre l'émetteur du transistor 170 (Q20) et le collecteur du transistor 173 (Q21). De manière similaire, le courant peut être amené via un segment d'entrée B pour la seconde phase par une connexion entre l'émetteur du transistor 171 (Q22) et le collecteur du transistor 174 (Q23). Egalement, le courant peut être amené via un segment d'entrée C pour la troisième phase par une connexion entre l'émetteur du transistor 172 (Q24) et le collecteur du transistor 175 (Q25). 



   Le contrOle du convertisseur d'entrée 140 peut être réalisé de manière similaire à celui du convertisseur de sortie 146. Par exemple, les transistors 170-175 peuvent recevoir, de manière similaire, des signaux de contrOle depuis le dispositif de contrOle local de la modulation, par l'intermédiaire d'un moyen d'isolation approprié, qui peut être, de manière appropriée, une liaison par fibre optique. Le dispositif de contrOle de la modulation peut choisir un quelconque des transistors 170 (Q20) ou 173 (Q22) pour être activé, un quelconque des transistors 171 (Q22) ou 174 (Q23) pour être désactivé ou un quelconque des transistors 172 (Q24) ou 175 (Q25) pour être activé, ce qui permet au courant de traverser le condensateur 153.

   Une liaison par fibre optique peut également être utilisée pour isoler électriquement tous les circuits d'une cellule d'alimentation en courant 140 quelconque de tous les autres circuits d'une quelconque autre cellule d'alimentation en courant 140, afin de réduire les effets des interférences électromagnétiques qui peuvent apparaître entre un dispositif de contrOle et un dispositif de contrOle central    de la modulation. Le dispositif de contrOle local de la modulation peut, de manière similaire, recevoir du courant depuis une source de courant de contrOle locale. 



   Les fig. 8a et 8b montrent la forme d'exécution préférée à l'heure actuelle d'une combinaison réactance/transformateur 300 qui comprend une construction du type "culasse" 302 et "fiche" 304, telle qu'elle pourrait être utilisée dans une forme d'exécution préférée dans laquelle les réactances individuelles de chaque cellule d'alimentation en courant seraient combinées en une seule réactance à l'entrée triphasée du transformateur 101. Il est bien connu que la capacité d'emmagasinage de l'énergie des inductances à base de fer est essentiellement dépendante de la taille volumique de l'espacement d'air qui contient la quantité la plus grande de champ magnétique BxH enfermée dans le circuit.

   Dans ces conditions, les concepteurs de circuits magnétiques sont obligés de maximiser la surface de l'espacement d'air pour maximiser le volume de l'espacement avec une distance minimale de l'espacement d'air. Des espacements d'air importants provoquent des effets de frange excessifs et, par conséquent, des pertes par des courants de Foucault, aussi bien dans le cuivre que dans le fer. Une conception avantageuse du point de vue couts pour un transformateur efficace à enroulement multiples (avec une impédance de fuite basse) tend également à maximiser la surface transversale pour diminuer le nombre de tours et donc réduire le cout du cuivre. Il est donc raisonnable de combiner ces deux paramètres pour tirer profit d'une structure qui pourrait utiliser des structures magnétiques communes, afin d'économiser sur les couts de fabrication. 



   Comme représenté, une telle combinaison réactance/transformateur 300 peut utiliser une culasse 302 pour combiner en même temps les enroulements primaires 306 de l'inductance et les enroulements secondaires 308 en utilisant un seul enroulement 310. Des fiches 304 et des capuchons 312 et 314 peuvent alors être utilisés comme d'habitude pour compléter les deux circuits magnétiques. A noter que, comme l'idée est de maximiser la surface transversale, un seul espacement 316 sur le capuchon d'extrémité 312 du cOté inductance peut assurer des effets de frange satisfaisants. A noter également que les effets de frange ne vont pas produire des pertes excessives de cuivre, puisque l'espacement 316 n'est pas dans la bobine de cuivre mais entre le capuchon d'extrémité 312 et la culasse 302. 



   Bien que certaines formes d'exécution de l'invention aient été décrites avec des détails, ceux versés dans l'art comprendront que différentes modifications apportées à ces détails pourraient être réalisées à la lumière des enseignements généraux de cette divulgation. Par conséquent, les formes d'exécution particulières décrites ne sont données qu'à titre d'illustration et ne limitent pas la portée de l'invention, qui doit être accordée pour le domaine total défini par les revendications annexées et pour l'ensemble des formes d'exécutions possibles.

Claims (10)

1. Dispositif d'alimentation en courant à harmoniques diminués, pour une charge recevant un courant alternatif polyphasé, comprenant: un transformateur de courant polyphasé ayant au moins un circuit d'enroulement primaire et une pluralité de circuits d'enroulements secondaires, ledit circuit d'enroulement primaire étant adapté à être connecté électriquement à une source de courant alternatif polyphasé; une pluralité de cellules d'alimentation en courant;

et un dispositif de contrOle de la modulation connecté à chacune de ladite pluralité des cellules d'alimentation en courant, ledit dispositif de contrOle de la modulation contrOlant sélectivement une série de commutations dans chacune de ladite pluralité de cellules d'alimentation en courant, pour réduire des harmoniques dans des lignes d'entrée depuis ladite source de courant et dans des lignes de sortie vers ladite charge.

2. Dispositif d'alimentation en courant selon la revendication 1, dans lequel chacune de ladite pluralité de cellules d'alimentation en courant comprend: une entrée polyphasée contrOlable connectée à un circuit respectif de ladite pluralité de circuits d'enroulements secondaires; un filtre de lissage; et une sortie monophasée contrOlable aboutissant à ladite charge alimentée en courant polyphasé.

3.

Dispositif d'alimentation en courant selon la revendication 2, dans lequel ledit dispositif de contrOle de la modulation utilise un signal de modulation commun pour contrOler ladite entrée polyphasée contrOlable de chacune de ladite pluralité de cellules d'alimentation en courant.

4. Dispositif d'alimentation en courant selon la revendication 2, dans lequel les commutations pour une entrée de phase quelconque de ladite entrée polyphasée contrOlable de chacune desdites cellules d'alimentation en courant sont séparés dans le temps des commutations pour toutes les autres entrées de phase de ladite entrée polyphasée contrOlable de chacune desdites cellules d'alimentation en courant.

5.

Dispositif d'alimentation en courant selon la revendication 2, dans lequel les commutations pour ladite sortie monophasée contrOlable de chacune de ladite pluralité de cellules d'alimentation en courant dans chaque ligne de sortie de phase sont espacés entre eux dans le temps, ce qui diminue les composantes harmoniques dans les lignes allant vers la charge alimentée en courant alternatif.

6. Dispositif d'alimentation en courant selon la revendication 2, dans lequel ladite entrée polyphasée contrOlable de chacune de ladite pluralité de cellules d'alimentation en courant est un pont d'entrée polyphasé et dans lequel, par ailleurs, une desdites phases d'entrée de chacune desdites cellules d'alimentation en courant commute en même temps que les phases d'entrée correspondantes de toutes les autres cellules d'alimentation en courant.

7.

Dispositif d'alimentation en courant selon la revendication 1, dans lequel lesdits circuits d'enroulements secondaires sont mutuellement en phase.

8. Dispositif d'alimentation en courant selon la revendication 2, dans lequel chacun desdits circuits d'enroulements secondaires a une réactance de fuite secondaire maximum sensiblement égale à 4%.

9. Dispositif d'alimentation en courant selon la revendication 8, dans lequel la capacitance dudit filtre de lissage de chacune desdites cellules d'alimentation en courant est adaptée à ladite réactance de fuite du circuit d'enroulement secondaire connecté à une cellule d'alimentation en courant respective, pour que la fréquence de résonance entre ladite réactance de fuite secondaire et ladite capacitance dudit filtre de lissage soit supérieure à la fréquence du courant de sortie.

10.

Dispositif d'alimentation en courant selon la revendication 8, dans lequel ledit filtre de lissage a une impédance suffisamment importante pour un courant de sortie pulsé, pour provoquer une suppression du courant entre les entrées magnétiquement parallèles desdites cellules d'alimentation en courant, ce qui minimise les ondulations du courant et de la tension du condensateur de filtrage.