FR2486329A1 - Voltage regulator for electric tram or trolley bus - has controller generating data on input voltage from which amplifier gain is modified by feedback loop to maintain constant output - Google Patents

Voltage regulator for electric tram or trolley bus - has controller generating data on input voltage from which amplifier gain is modified by feedback loop to maintain constant output Download PDF

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Abstract

The voltage converter has electronic switches supplied from a HT, 05supplye.g.of1500voltsviaaloss-passfilter(1,2).The switches are coupled to the primary of a transformer with the required AC obtained from the transformer secondary. The switches are controlled by an electronic control module (10) comparing the secondary voltage with a reference for forming a feedback loop. The control module (10) is preceded by a calculation stage (11) providing an image of the source voltage used to control the control module (11). The feedback loop has a low gain and the system time constant is much less than the corresponding time constant at the filter cut-off frequency, e.g. 20 Hertz.

Description

Dispositif de régulation à grande stabilité pour convertisseur d'énergie
La présente invention concerne un dispositif de régulation pour convertisseur d'énergie à grande stabilité notamment un dispositif destiné à assurer la régulation du fonctionnement des convertisseurs qui, sur les véhicules à traction électrique fournissent l'énergie basse tension par conversion de la haute tension continue de traction qui peut être de 1500 volts pour les locomotives ou 750 volts pour les tramways et trolleybus.
High stability control device for energy converter
The present invention relates to a regulating device for a highly stable energy converter, in particular a device intended to regulate the operation of converters which, on vehicles with electric traction supply low voltage energy by converting the high continuous voltage of traction which can be 1500 volts for locomotives or 750 volts for trams and trolleybuses.

On sait que de tels convertisseurs comportent un filtre passebas à inductance et capacité disposé à l'entrée de la source de haute tension alimentant le convertisseur et dont le rôle est double, empêcher d'abord que les surtensions brèves survenant accidentellement sur la ligne de traction n'endommagent le convertisseur, empêcher ensuite que les fréquences de fonctionnement du convertisseur n'émettent vers la source des oscillations de courant qui pourraient gêner l'exploi- tation en interférant par exemple avec la commande des signaux ou des aiguillages. Le filtre d'entrée, étant indispensable, a pour inconvénient de constituer un réservoir d'énergie de dimension appréciable susceptible d'établir un régime oscillant d'énergie entre l'inductance et la capacité. We know that such converters include a low-pass filter with inductance and capacitance placed at the input of the high-voltage source supplying the converter and whose role is twofold, first prevent brief overvoltages occurring accidentally on the traction line damage the converter, then prevent the operating frequencies of the converter from emitting current oscillations towards the source which could interfere with operation, for example by interfering with the control of signals or switches. The input filter, being essential, has the drawback of constituting an energy reservoir of appreciable size capable of establishing an oscillating energy regime between the inductance and the capacity.

A cause des variations de la source haute tension, il est classique de disposer à la sortie du convertisseur un organe de régulation commandant les ouvertures et les fermetures des interrupteurs électriques du convertisseur afin d'assurer une tension de sortie sensiblement constante, quelle que soit la tension d'entrée. Cet asservissement permet d'obtenir à la sortie du convertisseur des impulsions à polarité alternée d'amplitude et de largeur variable de telle sorte que leur aire donc leur énergie soit constante c'est-à-dire des impulsions brèves lorsque la tension d'entrée est élevée et des impulsions larges lorsque la tension d'entrée est faible. Because of variations in the high voltage source, it is conventional to have a regulating device at the output of the converter controlling the openings and closings of the electrical switches of the converter in order to ensure a substantially constant output voltage, whatever the input voltage. This servo-control makes it possible to obtain pulses of alternating polarity of variable amplitude and width at the output of the converter so that their area and therefore their energy is constant, that is to say short pulses when the input voltage is high and pulses wide when the input voltage is low.

Cependant, le régime de fonctionnement du convertisseur est en général instable. En effet, à un accroissement de tension aux bornes de la capacité de filtrage est associée une diminution du courant absorbé par le convertisseur ce qui entraine une nouvelle augmentation de la tension aux bornes du condensateur. Ceci est d'autant plus vrai que le gain élevé de la boucle d'asservissement, nécessaire pour améliorer la qualité de la régulation, augmente encore plus la tendance à l'instabilité. Pour y remédier, les systèmes de régulation ont utilisé juqu'à présent une constante de temps d'asservissement très importante supérieure à celle correspondant à la fréquence de coupure du filtre (par exemple 20 Hertz, ce qui établit un temps d'asservissement supérieur à 50 millisecondes).Il en résultait que l'ensemble était lent à réagir à une variation de la tension d'entrée ce qui dans certains cas est inadmissible. However, the operating regime of the converter is generally unstable. In fact, an increase in voltage across the filtering capacity is associated with a decrease in the current absorbed by the converter, which leads to a further increase in the voltage across the capacitor. This is all the more true since the high gain of the control loop, necessary to improve the quality of the regulation, further increases the tendency to instability. To remedy this, the regulation systems have hitherto used a very important control time constant greater than that corresponding to the cut-off frequency of the filter (for example 20 Hertz, which establishes a control time greater than 50 milliseconds). As a result, the unit was slow to react to a change in the input voltage which in some cases is inadmissible.

Le dispositif selon la présente invention remédie à cet inconvénient. En effet, celui-ci est stable sans qu' il y ait- d'oscillation parasite dans la tension de sortie du convertisseur et de plus le convertisseur se positionne très rapidement dans les conditions nécessaires au fonctionnement correct. The device according to the present invention overcomes this drawback. Indeed, it is stable without there being parasitic oscillation in the output voltage of the converter and moreover the converter is positioned very quickly under the conditions necessary for correct operation.

La présente invention a pour objet un dispositif de régulation pour convertisseur d'énergie à grande stabilité, ledit convertisseur étant constitué d'interrupteurs électroniques alimentés par une source d'alimentation continue de haute tension à travers un filtre passebas et fournissant une tension alternative au secondaire d'un transformateur dont le primaire est relié auxdits interrupteurs, lesdits interrupteurs étant commandés par une électronique de commande actionnée par un comparateur comparant la tension dudit secondaire à une tension de consigne et réalisant ainsi une boucle d'asservissement, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un calculateur disposé en amont dudit filtre et fournissant une image de la tension de la source d'alimentation, ladite tension image commandant ladite électronique de commande et en ce que le gain de ladite boucle d'asservissement est faible et que la constante de temps du système est très faible largement inférieure à la constante de temps correspondant à la fréquence de coupure du filtre. The subject of the present invention is a regulation device for a highly stable energy converter, said converter consisting of electronic switches supplied by a high-voltage continuous power source through a low-pass filter and supplying an alternating voltage to the secondary. a transformer, the primary of which is connected to said switches, said switches being controlled by control electronics actuated by a comparator comparing the voltage of said secondary with a reference voltage and thus producing a control loop, characterized in that it further includes a computer disposed upstream of said filter and providing an image of the voltage of the power source, said image voltage controlling said control electronics and in that the gain of said control loop is low and that the constant of system time is very low far less than the corresponding time constant laying on the cutoff frequency of the filter.

Un exemple de mise en oeuvre de la présente invention donné à titre purement illustratif et nullement limitatif va être décrit en référence à la figure unique qui représente un schéma de principe électronique du dispositif à régulation d'un convertisseur. An example of implementation of the present invention given purely by way of illustration and in no way limitative will be described with reference to the single figure which represents an electronic block diagram of the device with regulation of a converter.

Comme on le voit sur la figure une source d'alimentation continue de haute tension +, - pouvant être de 1500 volts alimente un filtre passe-bas à inductance 1 et capacité 2. Ce filtre peut avoir une fréquence de coupure de 20 Hertz.  As can be seen in the figure, a high voltage + continuous power source, which can be 1500 volts, feeds a low-pass filter with inductance 1 and capacity 2. This filter can have a cut-off frequency of 20 Hertz.

Une fois filtrée la tension continue alimente un convertisseur 3. Once filtered the DC voltage feeds a converter 3.

Ce convertisseur peut être par exemple un onduleur en H à quatre interrupteurs électroniques 4, 5, 6, 7. Ces interrupteurs peuvent être à transistors avec commande sur la base et commutation par émetteurcollecteur ou à thyristors avec action sur la gâchette.This converter can for example be an H inverter with four electronic switches 4, 5, 6, 7. These switches can be with transistors with control on the base and switching by emitter-collector or with thyristors with action on the trigger.

La commande des interrupteurs électroniques 4, 5, 6, 7 est représentée respectivement par les références 41, 51, 61, 71. Un transformateur 8 comporte son enroulement primaire relié entre les branches des interrupteurs 4, 5 et 7, 6. L'enroulement secondaire du transformateur 8 délivre la tension de sortie alternative aux bornes 9 du convertisseur 3. Le principe de fonctionnement du convertisseur 3 est classique. Lorsque les interrupteurs 4 et 6 sont fermés, les interrupteurs 5 et 7 étant ouverts le courant passe dans le primaire du transformateur 8. Lorsque, au contraire, les interrupteurs 4 et 6 sont ouverts et les interrupteurs 5 et 7 sont fermés le courant passe dans le primaire en sens inverse. Au secondaire on recueille des impulsions rectangulaires à polarité positive et négative dont la largeur dépend de la durée de la commande de fermeture et d'ouverture des interrupteurs.Une électronique de commande 10 est apte, d'une manière connue de l'homme de l'art, de commander ces fermetures et ces ouvertures de telle sorte qu'une tension de commande permette de provoquer aux bornes du secondaire 9 des impulsions dont la largeur est brève lorsque la tension de commande est élevée et au contraire des impulsions larges lorsque la tension de commande est basse. En électrotechnique on peut dire également que l'angle d'ouverture doit être faible à haute tension et fort à basse tension. Cette régulation qui est classique a pour but de fournir des impulsions à énergie constante, l'aire des impulsions devant être constante. The control of the electronic switches 4, 5, 6, 7 is represented respectively by the references 41, 51, 61, 71. A transformer 8 has its primary winding connected between the branches of the switches 4, 5 and 7, 6. The winding secondary of the transformer 8 delivers the alternating output voltage to the terminals 9 of the converter 3. The operating principle of the converter 3 is conventional. When the switches 4 and 6 are closed, the switches 5 and 7 being open the current flows through the primary of the transformer 8. When, on the contrary, the switches 4 and 6 are open and the switches 5 and 7 are closed the current flows through primary in reverse. In secondary school, rectangular pulses with positive and negative polarity are collected, the width of which depends on the duration of the command to close and open the switches. Control electronics 10 are suitable, in a manner known to those skilled in the art. art, to control these closings and these openings so that a control voltage allows to cause across the secondary 9 pulses whose width is short when the control voltage is high and on the contrary large pulses when the voltage is low. In electrical engineering it can also be said that the opening angle must be small at high voltage and large at low voltage. This regulation which is conventional aims to provide pulses with constant energy, the area of the pulses having to be constant.

Selon l'invention, un calculateur 11 est disposé entre la source d'alimentation +, - et ltélectronique 10 afin de fournir une image basse tension de la tension continue de la source. Le calculateur 11 est isolé galvaniquement de la tension de la source et a pour caractéristique d'etre à l'abri des oscillations du filtre d'entrée 1, 2. Le calculateur 11 lisant la tension d'entrée définit rigoureusement à l'électronique de commande 10, d'une façon instantanée, la valeur de l'angle d'ouverture à appliquer aux interrupteurs. According to the invention, a computer 11 is arranged between the power source +, - and the electronics 10 in order to provide a low voltage image of the DC voltage of the source. The computer 11 is galvanically isolated from the source voltage and has the characteristic of being sheltered from the oscillations of the input filter 1, 2. The computer 11 reading the input voltage rigorously defines the electronics of command 10, instantaneously, the value of the opening angle to be applied to the switches.

Cette lecture de tension est exécutée en amont du filtre 1, 2 à un endroit où la source est à faible impédance et le comportement dynamique du filtre est sans effet ; il en résulte que puisque la boucle de régulation est ouverte il ne peut y avoir d'oscillation entre la source d'entrée et la tension de sortie. Lesconditions d'un fonctionnement correct du convertisseur 3 sont réalisées étant donné qu'il y a une relation directe entre la tension d'entrée et l'angle d'ouverture. This voltage reading is performed upstream of the filter 1, 2 at a place where the source is at low impedance and the dynamic behavior of the filter has no effect; it follows that since the regulation loop is open there can be no oscillation between the input source and the output voltage. The conditions for correct operation of the converter 3 are achieved since there is a direct relationship between the input voltage and the opening angle.

Toutefois les variations de la charge ainsi que les conditions de température pouvant produire une tension de sortie aux bornes 9 qui ne soit pas celle désirée, une légère correction de l'angle d'ouverture est réalisée grâce à un dispositif de régulation de l'art antérieur modifié pour les besoins de la cause. Ce dispositif de régulation comporte un comparateur 12 comparant la tension de sortie du secondaire du transformateur 8 à une tension de consigne délivrée par un organe 13 tel qu'un potentiomètre, la tension du comparateur 12 agissant également sur l'électronique de commande 11 afin d'assurer une légère correction de l'angle d'ouverture s'ajoutant à l'action principale du calculateur 11. However, the variations in the load as well as the temperature conditions being able to produce an output voltage at the terminals 9 which is not that desired, a slight correction of the opening angle is carried out thanks to a device for regulating the art. modified for the needs of the case. This regulation device comprises a comparator 12 comparing the output voltage of the secondary of the transformer 8 with a reference voltage delivered by a member 13 such as a potentiometer, the voltage of the comparator 12 also acting on the control electronics 11 in order to d '' provide a slight correction of the opening angle in addition to the main action of the computer 11.

La boucle de régulation entre le secondaire du transformateur 8 et la commande des interrupteurs 4, 5, 6, 7 comporte contrairement à celui de l'art antérieur un gain faible. De plus la constante de temps d'asservissement est inférieure à celle correspondant à la fréquence de coupure du filtre puisque l'action strictement limitée à un faible ajustage peut être lente. Il en resulte que cette boucle ne provoque pas d'oscillation.The regulation loop between the secondary of the transformer 8 and the control of the switches 4, 5, 6, 7 has, unlike that of the prior art, a low gain. In addition, the servo time constant is less than that corresponding to the cut-off frequency of the filter since the action strictly limited to a small adjustment can be slow. As a result, this loop does not cause oscillation.

Le dispositif de régulation offre donc des propriétés de stabilité nécessaire à son bon fonctionnement tout en assurant un asservissement rapide. The regulating device therefore offers the stability properties necessary for its proper functioning while ensuring rapid control.

Les applications peuvent être du domaine de l'électrotechnique ferroviaire.  Applications can be in the field of railway electrical engineering.

Claims (1)

REVENDICATIONCLAIM Dispositif de régulation pour convertisseur d'énergie à grande stabilité, ledit convertisseur étant constitué d'interrupteurs électroniques alimentés par une source d'alimentation continue de haute tension à travers un filtre passe-bas et fournissant une tension alternative au secondaire d'un transformateur dont le primaire est relié auxdits interrupteurs, lesdits interrupteurs étant commandés par une électronique de commande actionnée par un comparateur comparant la tension dudit secondaire à une tension de consigne et réalisant ainsi une boucle d'asservissement, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un calculateur disposé en amont dudit filtre et fournissant une image de la tension de la source d'alimentation ladite tension image commandant ladite électronique de commande et en ce que le gain de ladite boucle d'asservissement est faible et que la constante de temps du système est très faible, largement inférieure à la constante de temps correspondant à la fréquence de coupure du filtre. Regulation device for a highly stable energy converter, said converter consisting of electronic switches supplied by a high voltage DC power source through a low-pass filter and supplying an AC voltage to the secondary of a transformer, the primary is connected to said switches, said switches being controlled by control electronics actuated by a comparator comparing the voltage of said secondary with a reference voltage and thus producing a control loop, characterized in that it further comprises a computer disposed upstream of said filter and providing an image of the voltage of the power source, said image voltage controlling said control electronics and in that the gain of said control loop is low and that the time constant of the system is very low, much lower than the time constant corresponding to the cut-off frequency of the filter.
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