FR2479598A1 - Dispositifs electroniques mutateurs ou onduleurs de courant continu - Google Patents

Abstract

L'INVENTION A POUR OBJET DES DISPOSITIFS ELECTRONIQUES MUTATEURS OU ONDULEURS DE COURANT CONTINU. UN MUTATEUR SELON L'INVENTION ASSOCIE A UNE SOURCE DE COURANT CONTINU 1 ET A UNE CHARGE 2, EST DU TYPE COMPORTANT UN THYRISTOR PRINCIPAL 3, UNE PREMIERE DIODE DE RETOUR 4 ET UN CIRCUIT DE DESAMORCAGE COMPORTANT UN CONDENSATEUR 7, UNE INDUCTANCE 8, UN THYRISTOR AUXILIAIRE 5 ET UNE DIODE D'ARRET 6 DISPOSEE ENTRE LES ANODES DES DEUX THYRISTORS. UN MUTATEUR SELON L'INVENTION COMPORTE, EN OUTRE, UNE DEUXIEME INDUCTANCE 9 INTERCALEE DANS LE CIRCUIT QUI RELIE L'ANODE A LA CATHODE DU THYRISTOR PRINCIPAL A TRAVERS LA DIODE DE RETOUR 4. IL PEUT EGALEMENT COMPORTER UN CIRCUIT DE SURTENSION 10, 11, 12 QUI RELIE UN POLE DE LA SOURCE 1 A UNE ELECTRODE DU CONDENSATEUR 7. UNE APPLICATION PARTICULIERE EST LE HACHAGE OU LA CONVERSION EN TENSION ONDULEE DES TENSIONS CONTINUES.

Description

La présente invention a pour objet des dispositifs électroniques, mutateurs ou onduleurs de courant continu.

Le secteur technique de l'invention est celui de la construction de mutateurs ou onduleurs statiques.

On appelle mutateur ou hacheur un dispositif composé de soupapes électriques contrôlées, destiné à produire à partir d'une source de courant continu, un courant ou une tension intermittente.

On appelle onduleur un dispositif qui permet de convertir un courant continu en un courant ou une tension intermittente qui peut changer de sens. Les onduleurs sont composés généralement de deux mutateurs montés en parallèle ou en série dans un pont.

On utilise des mutateurs ou des onduleurs capables de délivrer des puissances importantes dans de nombreuses applications.

Une application fréquente de ces appareils est l'alimentation de secours de certains appareils, par exemple des ordinateurs ou des appareillages médicaux,à partir de batteries d'accumulateur de secours, en cas de panne du secteur.

On utilise également des onduleurs comme convertisseurs de fréquence par exemple pour transformer du courant alternatif 40 Hz en courant périodique à 60 Hz ou en 400 Hz. Dans ce cas, on redresse le courant alternatif puis on convertit le courant redressé en un courant périodique à la fréquence voulue.

I1 existe des convertisseurs de courant continu en courant alternatif ou des convertisseurs de fréquence composés de machines tournantes comme par exemple un moteur à courant continu entraînant un alternateur. Ces convertisseurs sont des machines bruyantes et onéreuses, qui ne peuvent être utilisées que dans des installations industrielle fixes et pour de grandes puissances.

I1 existe également des mutateurs et des onduleurs électroniques entièrement statiques, composés de soupapes électriques, du type thyristor, qui sont amorcées périodiquement et qui sont également désamorcées périodiquement, au moyen d'un circuit de désamorçage comportant un condensateur, monté en série avec une inductance et avec un deuxième thyristor de désamorçage qui est amorcé périodiquement par un circuit de pilotage. L'amorçage du thyristor de désamorçage provoque la décharge oscillante du condensatearetcelle- ci porte la cathode des deux thyristors à une tension légèrement supérieure à la tension d'anode pendant un temps suffisant pour que les deux thyristors se désamorcent.

Dans les mutateurs et onduleurs statiques connus, la cathode du thyristor principal est reliée à l'anode par un circuit qui comporte une diode montée en opposition avec le thyristor et la décharge oscillante du condensateur de désamorçage s'écoule à travers cette diode pendant la deuxième demi-période. I1 en résulte que la tension inverse entre anode et cathode du thyristor principal est très faible, de l'ordre de - I V, et le temps nécessaire au désamorçage des thyristors est relativement long.

Un des objectifs de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en incorporant au circuit d'un mutateur ou d'un onduleur des moyens électroniques qui permettent d'obtenir entre anode et cathode du thyristor principal, pendant la décharge oscillante du condensateur de désamorçage, une surtension inverse beaucoup plus élevée même si la tension de la source de courant continu est faible, sans avoir à utiliser un condensat-eur de désamorçage de très forte capacité.

Un autre objectif de la présente invention est d'incorporer aux circuits d'un mutateur ou d'un onduleur des moyens électroniques qui assurent la protection des semi-conducteurs et qui filtrent les harmoniques de haute fréquence lors de l'établissement ou de l'extinction du courant dans la charge d'où un antiparasitage des circuits.

Un mutateur électronique selon l'invention, destiné à convertir un courant continu en un courant intermittent, est du type connu comportant un thyristor principal, monté en série avec une source de courant continu et avec une charge, et comportant, de plus, une première diode qui est connectée entre l'anode et la cathode du thyristor principal et en opposition avec celui-ci, un circuit de désamorçage du thyristor principal qui comporte un condensateur monté en série avec une première inductance et avec un thyristor de désamorçage qui est monté en parallèle avec le thyristor principal et une deuxième diode qui est placée dans la liaison entre les anodes ou entre les cathodes du thyristor principal et du thyristor de désamorçage.

Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un mutateur qui comporte,- en outre, une deuxième inductance qui est disposée dans le circuit qui relie la cathode à l'anode du thyristor principal en passant par la première diode. De préférence, cette deuxième inductance comporte un noyau magnétique à vitesse de saturation lente, de sorte que lorsqu'elle est placée dans le circuit d'une charge, elle freine l'accélération du courant lors de l'établissement ou de l'extinction du courant dans la charge et elle a un effet antiparasite.

Les dispositifs mutateurs et onduleurs selon l'invention comportent, en outre, de préférence, un circuit de surtension qui relie une électrode du condensateur de désamorçage à l'un des pôles d'une source de courant continu, lequel circuit comporte une troisième inductance montée en série avec une diode et avec une résistance.

L'invention a pour résultat de nouveaux dispositifs mutateurs ou hacheurs de courant continu et des onduleurs qui sont composés de deux mutateurs montés en parallèle ou en série dans un pont et qui comportent des moyens pour commander séquentiellement l'amorçage des deux thyristors principaux de chacun des deux mutateurs.

Les avantages de l'invention résident dans le fait qu'elle permet de diminuer les colts de production et de contrôle et d'améliorer la fiabilité de fonctionnement des mutateurs et onduleurs. De plus, elle réduit la gêne apportée à l'environnement par les parasites radioélectriques engendrés pendant les commutations de la source de courant continu. L'invention permet de réduire le coût de fabrication des mutateurs et onduleurs associés à des sources de courant continu à basse tension, c'est-à-dire à une tension V inferieure à 127 V notamment, car dans ce cas, la présence d'une self supplémentaire dans le circuit de décharge oscillante du condensateur de désamorça- ge permet d'augmenter la surtension inverse entre anode et cathode du thyristor principal et donc de réduire le dimensionnement des composants du circuit de désamorçage, notamment du condensateur.

Le circuit de surtension placé dans le circuit de charge du condensateur de désamorçage a pour effet qu'au cours des cycles successifs de décharge oscillante du condensateur, la tension aux bornes de celui-ci va en croissant et atteint des tensions élevées, égales à plusieurs dizaines de fois la tension de la source continue, d'où l'avantage de pouvoir emmagasiner une énergie importante dans un condensateur de capacité relativèment faible étant donné que l'énergie accumulée dans le condensateur est égale à 2
La description suivante se réfère aux dessins annexés qui repré- sentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de dispositifs selon l'invention.

La figure 1 est un schéma d'un dispositif électronique mutateur de courant continu en courant intermittent.

Les figures 2 et 3 sont des diagrammes des variations de tension entre anode et cathode des thyristors 3 et 5 de la figure 1.

La figure 4 est un schéma d'un onduleur composé de deux mutateurs montés en parallèle dans un pont.

La figure 5 est un schéma d'un onduleur composé de deux mutateurs montés en série dans un pont.

La figure 1 représente un dispositif mutateur ou hacheur d'un courant qui est délivré par une source de courant continu 1, par exemple par une batterie. Le repère 2 représente une charge quelconque qui doit être alimentée en courant intermittent à partir de la source de courant continu 1.

La charge 2 peut être par exemple un enroulement de transformateur ou un moteur à courant alternatif ou à courant continu.

Le hachage du courant continu est obtenu au moyen d'un thyristor principal 3 dont l'électrode de commande est commandée séquentiellement par un circuit d'amorçage non représenté. Le thyristor 3 est monté en série avec la source I et la charge 2. Lorsque le thyristor 3 est amorcé, un courant d'intensité I traverse la batterie,la charge et le thyristor principal 3.

Le mutateur comporte, de plus, une première diode de retour 4 qui est connectée entre l'anode et la cathode du thyristor 3 et en ùpposition avec celui-ci et qui assure l'écoulement du courant réactif de la charge pendant les périodes de non conduction du thyristor 3. Enfin, le mutateur comporte un circuit de désamorçage du thyristor 3 qui comporte un thyristor auxiliaire 5 de désamorçage du thyristor principal, qui est incorporé dans un circuit comportant un condensateur 7 de capacité C et une self 8 ayant une inductance L, montés en série. L'électrode de commande du thyristor 5 est également connectée sur un circuit d'amorçage intermittent non représenté.

Des hacheurs comportant les éléments qui viennent d'être décrits sont connus. Le fonctionnement est le suivant. Lorsqu'on amorce le thyristor auxiliaire 5, le condensateur 7 décharge l'énergie qu'il a accumulée à travers l'inductance 8 et le thyristor auxiliaire 5. Une diode 6, intercalée entre les anodes ou les cathodes des deux thyristors empêche la décharge du condensateur à travers le thyristor principal 3. La décharge du condensateur 7 est une décharge oscillante amortie.

Ai, rnilrr de la première demi-neriode. 1 intensité de crête du courant atteint une valeur égale à

V étant la tension aux bornes du condensateur, C la capacité du condensateur 7 et L l'inductance de la self 8.

Après une demi-période, le courant s'inverse et ne peut plus passer à travers le thyristor 5. il s'écoule alors à travers les-diodes 4 et 6 et il donne naissance à une différence de potentiel inverse entre l'anode et la cathode des deux thyristors 3 et 5 qui provoque le désamorçage des deux thyristors. Toutefois la différence de potentiel inverse qui apparait ainsi entre l'anode et la cathode du thyristor principal 3 est réduite du fait que la résistance directe de la diode 4 est faible.

Si la tension continue que l'on désire hacher est- faible, par exemple inférieure à 127 V, il faut utiliser des condensateurs 7 de forte capacité pour obtenir un courant inverse élevé. Dans de tels circuits connus, la tension inverse entre anode et cathode du thyristor principal est limitée à - 1V environ.

Pour augmenter cette tension inverse, on a proposé d'ajouter une résistance dans le circuit reliant la cathode à l'anode du thyristor principal, mais cette solution entratne des pertes importante par effet
Joule.

Un mutateur selon l'invention comporte des perfectionnements qui permettent de remédier à cet inconvénient et d'obtenir aux bornes du thyristor une surtension de - 30 V pendant la deuxième demi-période de décharge du condensateur 7 sans créer de pertes par effet Joule.

A cet effet, un circuit mutateur selon l'invention comporte une inductance 9, de préférence une inductance à noyau saturable et à vitesse de saturation lente. Cette inductance 9 est disposée dans le circuit qui relie la cathode à l'anode du thyristor principal en passant à travers la diode de retour 4. Elle peut être placée à la position 9 représentée sur la figure 1 ou bien à l'une des positions 9' ou 9", représentées en pointillés. Si elle est placée en position 9 ou 9', on voit qu'elle est traversée par le courant qui traverse la charge 2 et elle freine la rapidité d'établissement et d'extinction du courant à travers la charge.

Un deuxième perfectionnement apporté aux mutateurs selon l'invention consiste en un circuit de surtension permettant de charger le condensateur 7 sous une tension supérieure à la tension continue de la source 1. Ce circuit de surtension comporte, en série, une inductance 10, une diode 11 et une resistance 12 disposées en série entre une électrode du condensateur 7 et une borne d'une source de courant continu qui peut être la source 1 ou une source auxiliaire.

Le fonctionnement d'un mutateur selon l'invention est le suivant.

Lorsqu'on commande l'amorçage du thyristor 5, le condensateur 7 se décharge (décharge oscillante) pendant une première demi-période et un courant il circule à travers l'inductance 8 et le thyristor 5. Pendant cette phase, l'inductance 8 emmagasine de l'énergie. De même, pendant la phase de conduction du thyristor 5 un courant 13 circule à travers 10, 11 et 12 et la self 10 emmagasine de l'énergie qu'elle libère pendant la décroissance de l'intensité du courant. Pendant une deuxième demi-période, le courant s inverse et un courant I2 circule à travers le condensateur 7, la self 9 et les diodes 4 et 6. La self 8 et la self 10 libèrent l'énergie qu'elles ont emmagasinée.

L'inductance de la self 10 est plus grande que celle de la self 8 et la libération de l'énergie emmagasinée dans la self 10 crée une surtension importante aux bornes de la self 8 et du condensateur 7 d'où un courant inverse I2 plus important. La présence de la self 9 introduit dans le circuit pendant la circulation du courant I2 une force contre électromotrice égale à - L qui provoque un accroissement de la différence qui de potentiel inverse aux bornes du thyristor 3.

La tension entre cathode et anode du thyristor 3 devient
dl égale à RI | + L dt.

On obtient donc aux bornes du thyristor 3 une surtension de l'ordre de - 30 V, qui permet de désamorcer les deux thyristors 3 et 5 plus rapidement.

Les figures 2 et 3 sont des diagrammes qui représentent en abscisses le temps t et en ordonnes la différence de potention V entre anode et cathode des thyristors.

La courbe en traits pleins C1 et la courbe en pointillés C2 de la figure 2 représentent les variations de la différence de potentiel entre anode et cathode du thyristor principal 3 au moment de l'amorçage du thyristor auxiliaire. La courbe. en traits pleins correspond à un dispositif de type connu ne comportant pas de self 9, ni de circuit de surtension 10, 11, 12.

Tant que le thyristor 3 reste amorcé, l'anode est à un potentiel de l'ordre de + 1,2 V par rapport à la cathode. Les courbes C1 et C2 sont alors confondues. Apres amorçage du thyristor 5 et pendant la deuxième demi-période de la décharge oscillante du condensateur 7, dans le cas d'un dispositif de type connu, la différence de tension entre anode et cathode devient égale à environ - 0,8 V (courbe C1).

Dans le cas d'un dispositif selon l'invention, on obtient pendant la deuxième demi-période de la décharge du condensateur 7, un pic de tension entre anode et cathode représenté par la courbe C2 qui peut atteindre - 30 V pour une même tension continue de la source. La courbe C2 de la figure 2 présente un coude dans la partie montante qui est du à la saturation du noyau de l'inductance 9.

On a représenté sur la figure 3 par une courbe en traits pleins
C3, la tension entre anode et cathode du thyristor auxiliaire 5 et par une courbe en pointillés C4, la tension entre anode et cathode du thyristor principal 3, dans le cas où la tension continue de la source 1 est par exemple de 48 V. Cette figure montre la surtension obtenue aux bornes du condensateur 7 grâce au circuit de surtension 10, 11, 12.

La figure 4 représente une application de deux dispositifs mutateurs selon l'invention dans un onduleur en pont du type parallèle. Dans cette application, chacun des deux mutateurs sert d'interrupteur périodique pour chacune des deux branches d'un transformateur ou d'un autotransformateur à point milieu qui sont mises alternativement sous tension.

Les composants homologues à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes repères suivis de la lettre a ou de la lettre b correspondant à chacun des deux interrupteurs. Le schéma est évidemment symétrique par rapport au point milieu.

La figure 4 représente une application d'un onduleur qui convertit une tension continue fournie par une batterie d'accumulateurs 1 en une tension périodique, qui est délivrée par le secondaire 2c d'un transformateur. Les demi enroulements primaires 2a et 2b constituent alternativement les charges 2 de la figure 1. Le condensateur 13 est un condensateur de decouplage.

En variante, dans le cas d'un autotransformateur, la tension périodique de sortie est prise aux bornes extrêmes de l'enroulement unique.

Si la tension de la source 1 est suffisante, il n'est pas nécessaire d'obtenir une surtension de charge des condensateurs 7a et 8a et les circuits de surtention 10a, 10b, îîa, îlb, 12a et 12b ne sont pas néces saies et peuvent être supprimés.

La figure 5 représente une application de deux dispositifs mutateurs selon l'invention dans un onduleur en pont du type série. Dans cette application, chacun des deux mutateurs sert d'interrupteur périodique pour commuter alternativement la charge 2 entre un potentiel + et un potentiel commun, puis entre un potentiel - et un potentiel commun. Les potentiels + et - sont les potentiels aux bornes d'une source de courant continu, par exemple d'une batterie d'accumulateurs. On retrouve sur la figure 5 les éléments homologues à ceux de la figure 1 qui sont représentés par les mêmes repères suivis de la lettre c ou de la lettre d selon qu'il s'agit de l'un ou l'autre des deux mutateurs montés en pont.

Les circuits de surtension 10c, 11c, 12c et 10d, îîd, 12d peuvent être connectés sur les thyristors d'extinction 5c et 5d comme on l'a représenté en traits pleins sur la figure 4. Ils peuvent également être connectés sur le point Ac intermédiaire entre la self 8c et le condensateur 7c et sur le point Ad intermédiaire entre la self 8d et le condensateur 7d comme on l'a représenté en pointillés sur la figure 5. Ce même montage avec connection des circuits de surtension aux points Aa et Ab peut être utilisé dans l'onduleur selon la figure 4 où il est représenté en pointillés.

Les circuits de surtension 10, 11, 12 peuvent être remplacés par une résistance élevée qui a pour but de permettre la charge des condensateurs au moment de la mise sous tension de l'onduleur avant le début des séquences d'excitation des thyristors. Les dispositifs traditionnels de protection contre les surtensions, de même que les circuits composés de résistances, de condensateurs et de diodes qui sont utilisés habituellement pour protéger les semi-conducteurs contre les variations rapides de tension, n' ont pas été représentés sur les figures pour ne pas obscurcir les dessins. On n'a pas représenté non plus sur les figures 4 et 5 les dispositifs générateurs d'impulsions périodiques qui amorcent séquentiellement tous les thyristors 3a, 3b, 3c, 3d, 5a, 5b, 5c et 5d.

Les selfs 9, 9a, 9b, 9c, 9d sont avantageusement des selfs comportant un noyau magnétique à vitesse de saturation lente. Dans ce cas, lorsque ces selfs sont placées en série avec la charge, dans les positions 9 et 9' de la figure 1, elles diminuent les accélérations positives ou négatives du courant dans la charge et dans les thyristors 3 au moment de la fermeture ou de l'ouverture de ceux-ci.

Cette particularité présente l'avantage d'appauvrir le spectre des fréquences engendrées lors des commutations et se traduit par un antiparasitage réalisé à la source même des commutations.

il est précisé que les termes thyristor et diode sont utilisés dans un sens générique pour désigner des soupapes électroniques ou des redresseurs qui laissent passer le courant continu dans un seul sens.

Bien entendu, sans sortir du cadre de 1 invention, les divers élé- ments constitutifs des dispositifs mutateurs et onduleurs qui viennent d'être décrits à titre d'exemple pourront être remplacés par des dispositifs équivalents remplissant les mêmes fonctions.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 - Dispositif électronique mutateur de courant continu, du type comportant un

thyristor principal monté en série avec une charge et avec une source de

courant continu, une première diode connectée en parallèle entre l'anode

et la cathode dudit thyristor principal, et en opposition avec celui-ci,

un circuit de désamorçage dudit thyristor principal comportant un conden

sateur, monté en série avec une première inductance et avec un thyristor

de désamorçage qui est monté en parallèle avec ledit thyristor principal

et une deuxième diode montée dans la liaison entre les anodes ou entre

les cathodes du thyristor principal et du thyristor de désamorçage, ca

ractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une deuxième inductance disposée

dans le circuit qui relie la cathode à l'anode dudit thyristor principal

en passant par ladite première diode.

2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite deuxiè

me inductance comporte un noyau magnétique à vitesse de saturation lente.

3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé

en ce qu'il comporte un circuit de surtension qui relie une électrode du

condensateur de désamorçage à une borne d'une source de courant continu

et qui comporte une troisième inductance montée en série avec une diode

et avec une résistance.

4 - Onduleur électronique de courant continu, caractérisé en ce qu'il est

composé de deux mutateurs selon l'une quelconque des revendications 1

à 3, montes en parallèle ou en série dans un pont et de moyens pour

commander séquentiellement l'amorçage des deux thyristors principaux

de chacun des deux mutateurs.