FR2583934A1 - Circuit de commande d'accord automatique pour un amplificateur de puissance attaquant une charge inductive - Google Patents

Abstract

UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE SYNCHRONE POUR UNE CHARGE INDUCTIVE 54 COMPORTE UN ENSEMBLE D'AMPLIFICATEURS DE BRANCHE SYNCHRONES L1, L2, L3 CONNECTES A LA CHARGE. CHAQUE AMPLIFICATEUR COMPORTE UN TRANSFORMATEUR INTER-ETAGE 50 DESTINE A ELABORER DES ECHANTILLONS DU COURANT ABSORBE PAR LA CHARGE. UN ENSEMBLE DE CONDENSATEURS 60-63 PEUVENT ETRE CONNECTES EN PARALLELE AVEC LA CHARGE EN AMONT DES AMPLIFICATEURS, PAR DES INTERRUPTEURS 70-72 QUI FONCTIONNENT SOUS LA DEPENDANCE DE L'ANGLE DE PHASE ENTRE LA TENSION ET LE COURANT D'ALIMENTATION DE LA CHARGE, AFIN DE COMPENSER L'INDUCTANCE DE CETTE DERNIERE. APPLICATION AUX AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE MODULAIRES.

Description

La présente invention concerne le domaine des sys-

tèmes de transmission de signal de type synchrone, et elle

porte plus particulièrement sur un système comportant un cir-

cuit destiné à ajouter et à supprimer automatiquement des condensateurs de compensation pour accorder des charges in- ductives.

Une technique bien connue dans le domaine des sys-

tèmes de transmission d'énergie synchrones consiste à utiliser

des condensateurs d'accord de charge avec des charges inducti-

ves, pour réduire la dissipation d'énergie dans un dispositif de charge alimenté. Les condensateurs réduisent ou éliminent la composante réactive de la charge, en la faisant apparaître

résistive. Cependant, si les condensateurs d'accord sont sé-

lectionnés pour un fonctionnement optimal à une charge donnée, par exemple la pleine charge, un courant d'attaque excessif est nécessaire pour d'autres charges, plus faibles. On n'a pas disposé jusqu'à présent de moyens capables de réaliser une

compensation capacitive appropriée pour des charges variables.

La présente invention vise à surmonter les insuffi-

sances de systèmes de transmission de signal de type synchrone antérieurs employant des condensateurs d'accord de charge avec

des charges inductives, en procurant un circuit d'accord auto-

matique qui échantillonne la phase du courant de charge et qui accorde automatiquement la sortie pour optimiser la charge de

façon qu'elle soit en phase avec la tension appliquée. L'in-

vention procure en outre un circuit spécifique pour le contrô-

le du rapport cyclique et la commande de l'amplificateur de puissance par l'utilisation d'une modulation d'impulsions en largeur. Un but principal de l'invention est donc de procurer un circuit d'accord automatique destiné à échantillonner la

phase du courant et à accorder automatiquement la sortie.

Un autre but de l'invention est de procurer un en-

semble de condensateurs qui sont automatiquement commutés en

circuit conformément à la valeur d'inductance dans l'échantil-

ion qui est testé.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se

référant au dessin annexé dont la figure unique représente un schéma de circuit d'un amplificateur de puissance synchrone

comportant un circuit destiné à ajouter ou à supprimer auto-

matiquement des condensateurs de compensation à la sortie,

pendant l'attaque d'une charge inductive.

En considérant maintenant le dessin sur lequel les éléments similaires ou correspondants sont toujours désignés par les mêmes caractères de référence, on voit un système de transmission de signal comportant trois entrées de signal

alternatif synchronisées S1, S2 et S3, qui attaquent respec-

tivement trois amplificateurs de branche indépendants L1, L2

et L3. Seul l'amplificateur de branche L1 encadré en pointil-

lés est représenté en détail, du fait que les autres amplifi-

cateurs de branche L2 et L3 sont pratiquement identiques.

L'amplificateur de branche L1 comporte un diviseur de tension d'entrée comprenant des résistances 12, 14,auquel

est connecté un circuit de fixation de niveau symétrique 16.

Le circuit de fixation de niveau 16 comprend une paire de re-

dresseurs à diodes 18, 20 commandés par un générateur d'im-

pulsions de restauration 22. Le circuit de fixation de niveau 16 comprend en outre une paire de condensateurs 23, 24 et une

paire de résistances 25, 26. Un relais 30 comporte des con-

tacts fixes 32 et des contacts mobiles 34 actionnés par une bobine de relais 35 qui est connectée entre le générateur d'impulsions de restauration 22 et le commun ou la masse G. Les résistances 25 et 26 sont respectivement connectées entre

les bornes d'une alimentation continue à 8 volts et les con-

densateurs 23, 24, pour fournir un courant de charge. On no-

tera que le limiteur 16 dessert les trois amplificateurs de

branche L1, L2 et L3.

Lorsqu'une impulsion de restauration est appliquée à la bobine de relais 35 sur une ligne 36, les contacts 34 et 32 se ferment et les condensateurs 23, 24 se chargent par

l'intermédiaire des résistances 25, 26 respectives, ce qui per-

met aux amplitudes des signaux d'entrée alternatifs S1, S2 et S3 d'augmenter vers leur valeur finale, avec une constante de temps (par exemple d'une seconde) qui est déterminée par les valeurs de résistance et de capacité du circuit de fixation de niveau 16. Chacune des résistances 25, 26 peut avoir une valeur de 1000 ohms, et chacun des condensateurs 23, 24 peut avoir une

valeur de 1000 microfarads, pour donner par exemple une cons-

tante de temps d'une seconde. Bien que le circuit de fixation de niveau 16 utilise le relais 30 comportant des contacts 32,

34, il est possible de remplacer le relais 30 par des transis-

tors bipolaires ou d'autres composants électroniques à semi-

conducteurs, pour remplir la fonction de limitation.

A la mise sous tension, un signal est présent sur une

entrée 38 d'une porte 40 dont la sortie est connectée au géné-

rateur d'impulsions de restauration 22. Le générateur 22 génère une impulsion de restauration sur la ligne 36 au moment de la mise sous tension ou lorsqu'une condition de surintensité en sortie se produit. La durée de l'impulsion de restauration peut aller jusqu'à dix secondes. Lorsque l'impulsion de restauration

est appliquée au limiteur 16, les trois amplificateurs de bran-

che Ll, L2 et L3 voient tous une tension commandée égale à zéro.

Un transformateur inter-étage audiofréquence 50 com-

porte un enroulement primaire 51 connecté entre un amplifica-

teur local 52 et une charge inductive 54, par l'intermédiaire d'un fusible 53. Une résistance 49 est connectée aux bornes de l'enroulement 51 qui a une résistance faible, d'environ 0,5 ohm. Un enroulement secondaire 55 est connecté à une paire de redresseurs 56 avec une configuration symétrique. Un circuit

de condensateurs 58 comprend quatre condensateurs de compensa-

tion de charge 60-63 et il est connecté à la charge 54 pour lui appliquer un courant de compensation. Le transformateur 50 prélève un échantillon du courant absorbé par la charge 54. Du fait que les condensateurs de compensation 60-63 sont connectés

à la charge 54 en amont du transformateur 50, ce dernier échan-

tillonne uniquement le courant de la charge, et non le courant total de la charge et de compensation. Chaque amplificateur de branche Li, L2 et L3 comporte son propre transformateur inter- étage d'échantillonnage de courant 50. Le courant échantillonné

est redressé dans les redresseurs 56. Les échantillons de cou-

rant provenant des trois amplificateurs de branche Li, L2 etL3 sont appliqués à des redresseurs à diodes respectifs 56, 56' et 56" qui sont respectivement connectés en une configuration en anneau. Le redressement à double alternance des courants d'échantillons et leur combinaison dans l'anneau produit une représentation à double alternance du courant de charge le plus élevé des trois branches. Un filtre comprenant une résistance

64 et un condensateur 66 est connecté à l'anneau des redres-

seurs 56, pour produire un courant continu dont on utilise la valeur pour sélectionner un condensateur approprié parmi les condensateurs de compensation 61-63, uniquement sur la base du

courant maximal de branche échantillonné.

Le condensateur 60 du circuit de condensateurs de compensation 58 peut avoir une valeur de cinq microfarads

(5 F),etil est toujours en circuit pour compenser une induc-

tance minimale de la charge. Chacun des autres condensateurs de compensation 61-63 qui peut être introduit sélectivement dans le circuit est associé à un interrupteur à triac respectif

, 71 ou 72. Les condensateurs 61-63 peuvent avoir respective-

ment des valeurs de capacité de cinq, dix et quinze microfa-

rads. Si on le désire, on peut employer plus de trois condensa-

teurs pouvant être introduits sélectivement (par exemple avec

des écarts de valeur de 5 PF), ayant chacun leur propre inter-

rupteur à triac. On ajoute une capacité au circuit de charge 54 lorsque le courant de branche échantillonné maximal dépasse un

niveau de seuil déterminé.

Du fait que la capacité (5 pF) du condensateur 60 est

toujours présente, il n'est pas nécessaire d'ajouter une capa-

cité supplémentaire sauf si la charge 54 a une inductance suf-

fisante pour faire apparaître inductive la combinaison en pa-

rallèle des 5 pF du condensateur 60 et de la charge 54. Ceci se produit pour une valeur d'inductance supérieure à la valeur qui résonne avec 5 pF à 60 Hz. Une capacité supplémentaire

sera nécessaire lorsque le courant de branche maximal attein-

dra l'un des trois niveaux de seuil correspondant par exemple

aux valeurs efficaces suivantes: 98 mA, 196 mA et 392 mA.

Les entrées respectives 77 de trois comparateurs 74, 75 et 76 sont connectées au filtre 64, 66, et on utilise ces

comparateurs pour déterminer chaque seuil. Des courants de ni-

veau de référence ayant chaque valeur de seuil sont appliqués à une entrée 78 de chacun des comparateurs 74, 75 et 76 par l'intermédiaire d'une résistance respective 80. La sortie du

comparateur 74 est connectée à une entrée 81 d'une porte 84.

La sortie du comparateur 75 est connectée à une entrée 79 d'une porte 82. La sortie de la porte 82 est connectée à une

entrée 90 d'une porte 85. La sortie du comparateur 76 est con-

nectée à une entrée 79' d'une porte 83. La sortie de la porte

83 est connectée à une entrée 91 d'une porte 86. Par l'inter-

médiaire des portes 82-86, les comparateurs 74, 75 et 76 transmettent sélectivement les impulsions de passage par zéro relatives aux interrupteurs à triac sélectionnés 70, 71 et 72, à chaque passage par zéro de la fréquence de référence de 60 Hz qui est appliquée à une entree 87 d'un détecteur de passage par zéro 88, dont la sortie est connectée à une entrée 89 de

chacune des portes 84, 85 et 86. Le passage par zéro est dé-

terminé par le détecteur 88, qui peut être un redresseur à double alternance, et par l'un des comparateurs de seuil 74, 75 et 76. Lorsqu'une impulsion de restauration est appliquée par l'intermédiaire d'une ligne 36a à la bobine 68 du relais 69, les contacts de relais 69' et les contacts fixes 69" se ferment et court-circuitent les courants de référence qui sont

appliqués aux condensateurs 74, 75 et 76.

Un autre facteur qu'on doit considérer dans la sé-

lection des pas de capacité au-delà du premier seuil, consiste dans l'angle de phase tension/courant de la charge. On doit tenir compte de l'angle de phase pour éviter de surcharger les

différents amplificateurs de branche L1, L2 et L3 avec une ca-

pacité de compensation inutile, lorsque la charge a une compo- sante résistive réelle élevée. Un diviseur résistif comprenant les résistances 92 et 93 est connecté entre l'amplificateur 52 et le transformateur 50, et on l'utilise pour obtenir un

échantillon de la tension de sortie provenant de l'amplifica-

teur de branche. L'échantillon de tension est appliqué à une entrée 94' d'un comparateur 94, pour produire des impulsions de tension carrées. L'échantillon de courant obtenu par le

transformateur 50 est appliqué à une entrée 95' d'un compara-

teur 95, pour obtenir des impulsions de courant carrées. Les impulsions carrées provenant des comparateurs 94 et 95 sont appliquées à des entrées respectives d'une porte OU 96. La porte 96 produit sur sa sortie un train d'impulsions ayant un rapport cyclique qui est proportionnel à la différence entre

les angles de phase des signaux carrés de tension et de cou-

rant. Chacun des trois amplificateurs de branche L1, L2, L3 produit un tel train d'impulsions. Pour éviter des ambiguïtés susceptibles d'apparaître lorsque la tension de sortie ou le

courant de charge d'un amplificateur de branche a une ampli-

tude nulle, on utilise une logique de décision majoritaire.

La logique de décision majoritaire est constituée par trois portes 97a, 97b et 97c qui sont connectées à la porte OU 96 dans l'amplificateur de branche respectif. Les trois portes 97a, 97b et 97c sont connectées en couplage

croisé pour faire en sorte que deux des trois branches doi-

vent concorder pour garantir une mesure de phase correcte.

Les sorties des trois portes sont connectées à l'entrée d'une parte 98 pour produire à la sortie de la porte 98 le signal

de mesure de phase correspondant au rapport cyclique. Le gé-

nérateur d'impulsions de restauration 22 est également con-

necté par la ligne 98' à une entrée de la porte 98, pour exercer une action prioritaire sur la décision majoritaire,

et pour forcer la sortie de la porte 98 à l'état "1".

Un filtre passe-bas comprenant une résistance 99 et un condensateur 100 est connecté à la sortie de la porte 98 pour produire un niveau de tension continue proportionnel à l'angle de phase de la charge. Ce niveau de tension continue est appliqué à un condensateur 102 en compagnie d'une tension de référence qui correspond à un angle de phase de 17 degrés de la charge. Le comparateur 102 produit une indication de

continuation qui est appliquée aux portes 82 et 83 pour obte-

nir des valeurs supplémentaires de capacité de compensation

lorsque c'est nécessaire.

Pendant la période de restauration, tous les seuils

de sélection des condensateurs sont fixés à zéro par le re-

lais 69. Les constantes de temps RC de ces niveaux de réfé-

rence font en sorte que tous les condensateurs soient en fonction (35 pF au total) lorsque ces fixations de niveau et

les fixationsde niveau à l'entrée des amplificateurs de bran-

che sont supprimées. On choisit les constantes de temps de référence de façon qu'elles soient très inférieures à la constante de temps d'une seconde qui est utilisée pour les

amplificateurs de branche. Grace à ces précautions, les am-

plificateurs de branche n'auront pas à alimenter une charge

qui apparaît inductive, et la valeur de capacité de compensa-

tion appropriée peut être choisie avant que les niveaux de

sortie des amplificateurs atteignent leurs valeurs finales.

Le nombre de pas de capacité à utiliser dépend du

degré de compensation désiré pour la charge de l'amplifica-

teur. Les accroissements de capacité doivent toujours être

effectués avant que la charge composite ne devienne inductive.

On peut obtenir une commande plus fine en employant davantage de condensateurs avec des pas plus serrés, par exemple de OF, au lieu des pas de 10 pF et 15 pF. Un circuit de contrôle de surintensité comprenant une résistance 104, un condensateur 106, les condensateurs 62

et 63 et un comparateur 108 est prévu pour examiner et surveil-

ler la valeur absolue du courant de la charge. La résistance 104 est connectée aux redresseurs 56, 56' et 56" pour appliquer à une entrée 109 du comparateur 108 une tension proportionnelle au courant de branche le plus élevé. Un condensateur 106 est connecté au commun ou à la masse G. Une tension de référence de

courant de crête est appliquée à l'autre entrée 110 du compara-

teur 108. Si le courant de crête admissible est dépassé pendant une durée supérieure à la durée permise par la résistance 104 et le condensateur 106 (quelques millisecondes), une tension de

redéclenchement de restauration apparatt sur une ligne de sor-

tie 112 du comparateur 108. Cette tension de restauration est appliquée à une entrée 114 de la porte 40, pour redéclencher le

cycle de restauration.

Une varistance à oxyde métallique 115, connectée à

une ligne de sortie 116, limite un courant de charge excessif.

Une varistance 117 connectée aux bornes de l'enroulement 55 du transformateur accomplit une fonction de limitation de courant similaire. Ce qui précède permet de voir qu'indépendamment de la valeur de l'inductance de la charge 54, l'ajout d'une capacité de compensation minimise l'angle de phase entre

la tension et le courant, ce qui fait que la puissance apparen-

te absorbée est approximativement égale à la puissance active.

La capacité de compensation est automatiquement introduite sous la dépendance de variations de l'angle de phase tension/courant, et chaque fois que la combinaison en parallèle de l'inductance de la charge et de la capacité ajoutée apparaît inductive aux

amplificateurs de branche.

Il faut noter que ce qui précède ne porte que sur un mode de réalisation préféré de l'invention, qui a été présenté

uniquement à titre d'exemple, et qu'on peut y apporter de nom-

breuses modifications sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Circuit de commande d'amplificateur de puissance

pour une charge inductive (54) attaquée par un ensemble d'en-

trées alternatives synchrones (Si, S2, S3), caractérisé en ce qu'il comprend: un ensemble d'amplificateurs de branche (L1, L2, L3), respectivement connectés entre les entrées alterna-

tives et la charge (54), chacun de ces amplificateurs compor-

tant un circuit (50) destiné à élaborer des échantillons du

courant absorbé uniquement par la charge à partir des ampli-

ficateurs (Ll, L2, L3); un ensemble de condensateurs (60-63) pouvant respectivement être connectés en parallèle avec la

charge en amont des amplificateurs (L1, L2, L3); et un ensem-

ble d'interrupteurs (70-72) connectés respectivement en cir-

cuit avec les condensateurs pour sélectionner l'un de ces condensateurs conformément à l'échantillon de courant élaboré, et pour connecter le condensateur sélectionné en parallèle sur

la charge, afin de compenser l'inductance de la charge (54).

2. Circuit de commande d'amplificateur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque circuit

d'échantillonnage de courant comprend un transformateur inter-

étage (50).

3. Circuit de commande d'amplificateur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un générateur d'impulsions de restauration (22) conçu de façon à générer un cycle d'impulsions de restauration d'une durée prédéterminée; et des moyens de fixation de niveau

(16) connectés entre le générateur d'impulsions de restaura-

tion (22) et chaque entrée (Si, S2, S3) de chacun des amplifi-

cateurs de branche (Ll, L2, L3), et capables d'imposer une tension nulle à chacun des amplificateurs de branche pendant la durée prédéterminée au cours de laquelle l'impulsion de

restauration est appliquée à ces derniers.

4. Circuit de commande d'amplificateur de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en

outre des moyens redresseurs (56, 56', 56") connectés au cir-

cuit d'échantillonnage dans le but de redresser les échantil-

lons de courant (50); un ensemble de comparateurs (74, 75, 76) ayant des premières et des secondes entrées, avec les

moyens redresseurs (56, 56', 56") connectés aux premières en-

trées (77) de ces comparateurs; un ensemble de sources de courant de référence ayant des niveaux de courant différents,

respectivement connectées aux secondes entrées (78) des com-

parateurs (74, 75, 76), ces comparateurs ayant pour fonction

de comparer le plus élevé des échantillons de courant redres-

sé avec les courants de référence; et des portes (82-86)

connectées entre les comparateurs (74, 75, 76) et les inter-

rupteurs (70, 71, 72), pour connecter l'un des condensateurs

(61, 62, 63) en parallèle avec la charge (54), afin de com-

penser l'inductance de la charge.

5. Circuit de commande d'amplificateur de puissance selon la revendication.4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un autre comparateur (108) ayant deux entrées et une sortie; un filtre résistancecondensateur (104-106) ayant une constante de temps prédéterminée et connecté en circuit avec les moyens redresseurs (56, 56', 56") et avec une entrée (109) de cet autre comparateur (108), pour appliquer à ce dernier une tension de crête proportionnelle au courant le plus élevé transmis par l'un quelconque des amplificateurs de branche (L1, L2, L3); et une source de tension de référence connectée à l'autre entrée (110) de cet autre comparateur, de façon que ce dernier compare la tension de référence avec la tension de crête, la sortie de cet autre comparateur (108) étant connectée au générateur d'impulsions de restauration

(22), pour lui appliquer une impulsion de tension de redéclen-

chement de restauration si la tension de crête dépasse la ten-

sion de référence pendant une courte durée déterminée par la

constante de temps, afin de redéclencher le cycle de restaura-

tion.

6. Circuit de commande d'amplificateur de puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des premiers moyens de génération d'impulsions carrées (95) connectés au circuit d'échantillonnage. (50), pour générer des premières impulsions carrées correspondant aux échantillons

de courant; des seconds moyens de génération d'impulsions car-

rées (94) connectés aux entrées alternatives (Si, S2, S3) pour générer des secondes impulsions carrées correspondant à des tensions que les amplificateurs appliquent à la charge (54);

et des portes de sélection d'impulsions (96, 97a-97c, 98) con-

nectées aux premiers et seconds moyens de génération d'impul-

sions carrées (94, 95) pour mesurer des angles de phase entre

le courant et la tension appliqués à la charge (54).

7. Circuit de commande d'amplificateur de puissance selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens comparateurs de tension (102) connectés entre les portes de sélection d'impulsions (96-98) et les portes mentionnées en premier (82-86) pour appliquer un signal de

continuation aux portes mentionnées en premier, afin d'action-

ner l'un sélectionné des interrupteurs (70, 71, 72).

8. Circuit de commande d'amplificateur de puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en

outre un relais (68) connecté aux sources de courant de réfé-

rence et au générateur d'impulsions de restauration (22), pour interrompre les courants de référence pendant la génération de

l'impulsion de restauration.

9. Circuit de commande d'amplificateur de puissance selon la revendication 7, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions de restauration (22) est connecté aux portes de

sélection d'impulsions (96-98), pour leur appliquer une im-

pulsion prioritaire destinée à empêcher l'application du signal de continuation aux portes mentionnées en premier (82-86),

pendant le cycle d'impulsions. de restauration.