FR2693325A1 - Procédé de commande d'interrupteurs, notamment d'interrupteurs bidirectionnels, dispositifs de commande pour la mise en Óoeuvre de ce procédé et convertisseur ainsi commandés. - Google Patents
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Abstract
Procédé de commande d'interrupteurs (26, 27), notamment d'interrupteurs bidirectionnels, dont l'amorçage et le blocage sont respectivement commandables. Il comprend une acquisition d'informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension aux bornes de l'interrupteur (26, 27) et/ou d'informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant dans ledit interrupteur (26, 27) et un traitement desdites informations acquises, en combinaison avec des informations externes de commande, pour commander l'amorçage et le blocage dudit interrupteur (26, 27) et de tout autre interrupteur associé audit interrupteur (26, 27) au sein d'une cellule de commutation, en générant des consignes de décalage et accessoirement des consignes de vitesse de commutation. Utilisation notamment pour la réalisation de convertisseurs directs d'énergie électrique.
Description
La présente invention concerne un procédé de commande d'interrupteurs, notamment d'interrupteurs bidirectionnels.
Elle vise également des dispositifs pour la mise en oeuvre de ce procédé et des convertisseurs, notamment des convertisseurs directs, commandés selon ce procédé.
Les techniques de conversion d'énergie électrique, après avoir longtemps fait appel à un stade intermédiaire continu en tension ou en courant, s'orientent actuellement vers des concepts de conversion directe pour des raisons objectives de compatibilité électromagnétique, de compacité et de rendement. Or, le développement de convertisseurs mettant en oeuvre ces nouveaux concepts nécessite la mise au point d'interrupteurs présentant de nouvelles caractéristiques de commande et éventuellement des fonctions de bidirectionnalité en courant et/ou en tension. Or, dans de nombreuses structures de convertisseur, il est essentiel, pour la sûreté de fonctionnement de ces convertisseurs, de minimiser toute surtension ou surintensité sur les interrupteurs utilisés dans lesdits convertisseurs.En outre, l'existence systématique de temps morts lors de chaque commutation conduit à une limitation évidente des fréquences d'alimentation et à une augmentation des énergies de commutation. De plus, dans le cas de la mise en oeuvre d'interrupteurs bidirectionnels bicommandables réalisés à partir de structures connues de type MOSFET, l'utilisation de techniques de commande connues actuellement ne permet pas de tirer pleinement parti de ce type d'interrupteurs pour la réalisation de convertisseurs directs, la conduction des diodes antiparallèles devant être particulièrement maîtrisée.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de commande d'interrupteurs, notamment d'interrupteurs bidirectionnels, dont l'amorçage et le blocage sont respectivement commandables.
Suivant l'invention, le procédé comprend, pour chaque interrupteur, une acquisition d'informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension aux bornes dudit interrupteur et/ou d'une fonction prédéterminée du courant dans ledit interrupteur et un traitement desdites informations acquises, en combinaison avec des informations externes de commande, notamment des informations de modulation, pour commander l'amorçage et le blocage dudit interrupteur et de tout autre interrupteur associé audit interrupteur dans une cellule de commutation.
Ainsi, avec le procédé selon l'invention, les instants d'amorçage et de blocage des interrupteurs ne sont plus nécessairement à retard fixe mais peuvent désormais être réglés en fonction d'informations relatives à l'état électrique de chaque interrupteur, par exemple des informations relatives aux valeurs crêtes de la tension et du courant ou à des dérivées de ces grandeurs.
Suivant une première forme de réalisation du procédé selon l'invention, les informations acquises représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension et/ou d'une fonction prédéterminée du courant sont directement traitées par des moyens de commande, notamment des moyens de commande rapprochée, associés à l'interrupteur commandé.
Dans cette première forme de réalisation, pour le cas où les fonctions prédéterminées sont les fonction crêtes, le traitement des mesures de tension crête et de courant crête est effectué directement au niveau de la commande rapprochée et il s'agit alors d'une commande pseudo-spontanée.
c'est l'apparition, au niveau d'un interrupteur, d'une variation de la tension (respectivement du courant) qui commande l'amorçage (respectivement le blocage) de l'interrupteur complémentaire avant qu'une surtension (respectivement une surintensité) n'ait eu le temps de se développer.
Les temps de réponse des circuits de mesure de ces variations de tension et/ou de courant doivent être très inférieurs à la durée d'une commutation; on mettra par conséquent en oeuvre pour la conception de ces circuits des composants très rapides: transistors, diodes, circuits magnétiques, condensateurs et réistances, qui devront être placés très près des interrupteurs et plus généralement des commutateurs de puissance.
Dans une seconde forme de réalisation du procédé selon l'invention, des informations acquises représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension et des informations acquises représentatives d'une fonction prédéterminée du courant sont traitées comme variables d'entrée respectives d'un premier asservissement ayant pour variable de sortie une consigne de décalage et agencé pour minimiser une première combinaison desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension et desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant, ladite seconde combinaison étant traitée à titre de contrainte globale de commande.
En particulier, dans le cas d'un traitement de valeurs crêtes, les mesures de tension crête et de courant crête sont traitées comme variables d'entrée d'un premier asservissement ayant pour variable de sortie une consigne de décalage et prévu pour minimiser une première combinaison linéaire desdites mesures de tension crête et de courant crête à titre de contrainte globale de commande.
Dans cette seconde forme de réalisation, il s'agit alors d'une commande auto-adaptative dans laquelle les consignes de commande sont calculées au cours d'une période donnée pour la période suivante en fonction des données des périodes précédentes. En outre, l'asservissement proposé permet de satisfaire à une contrainte globale de minimisation incluant les contraintes de tension et de courant.
Selon une version avantageuse de l'invention, le procédé comprend en outre un second asservissement ayant d'une part, pour variables d'entrée respectives lesdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension et lesdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant, et d'autre part, pour variable de sortie, une consigne de vitesse de commutation, ledit second asservissement étant agencé pour minimiser une seconde combinaison desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension et desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant.
Dans le cas particulier d'un traitement des valeurs crêtes, ce second asservissement a, d'une part, pour variables d'entrée les mesures de tension crête et de courant crête, et d'autre part, pour variable de sortie, une consigne de vitesse de commutation, ledit second asservissement étant prévu pour minimiser une seconde combinaison linéaire desdites mesures de tension crête et de courant crête.
Suivant un autre aspect de l'invention, le dispositif de commande pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et son application à une cellule de commutation comprenant au moins deux interrupteurs dont l'amorçage et le blocage sont commandables, comprenant des moyens de commande, notamment de commande rapprochée, pilotant pour chaque interrupteur des moyens de commande de grille et recevant des commandes de modulation issus de moyens de modulation, est caractérisé en ce qu'il comprend en outre, pour chaque interrupteur commandé, des moyens pour acquérir des informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension et des moyens pour acquérir des informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant correspondant audit interrupteur commandé, lesdits moyens d'acquisition étant agencés pour fournir ces informations auxdits moyens de commande, et des moyens pour générer des retards réglables ou fixes à destination des moyens de commande de grille à partir du traitement' desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension et desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant par lesdits moyens de commande.
Selon encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un convertisseur d'énergie électrique comprenant des interrupteurs, notamment des interrupteurs bidirectionnels, dont l'amorçage et le blocage sont respectivement commandables, mettant en oeuvre le procédé et des dispositifs de commande selon 1' invention.
Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un fonctionnement amelioré des convertisseurs ainsi commandés du fait notamment d'une simplification de la commande des interrupteurs, d'une révérsibilité naturelle non affectée par le procédé selon l'invention, et de meilleures performances dynamiques du fait de la suppression des temps morts aux commutations et de la réduction de l'énergie dissipée lors de ces commutations. En outre, avec le procédé selon l'invention, il est possible de minimiser le nombre de capteurs et de circuits d'aide à la commutation et la compatibilité électromagnétique des convertisseurs mettant en oeuvre ce procédé est généralement améliorée.
De plus, avec le procédé selon l'invention, il n'est plus nécessaire d'effectuer des mesures de courant et de tension à des valeurs voisines de zéro qui sont particulièrement délicates et imprécises.
On dispose donc désormais de deux modes de commande: un mode de commande auto-adaptatif mettant en oeuvre une technique d'asservissement et un mode de commande pseudo-spontané ou instantané dans lequel les informations de courant (ou de courant et de tension sont directement utilisées au sein de la commande rapprochée d'une cellule de commutation.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ciaprès. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatifs:
- la figure 1 représente un exemple connu
d'interrupteur bidirectionnel bicommandable
pouvant être mis en oeuvre dans l'exemple
selon 1' invention;
- la figure 2 illustre la structure d'un bras de
convertisseur comprenant deux interrupteurs et
leurs commandes associées;
- la figure 3 représente un exemple de structure
matricielle d'un convertisseur direct;
- la figure 4A illustre un premier mode de
réalisation d'un dispositif de commande de
deux interrupteurs;
- la figure 4B est un chronogramme correspondant
a ce premier mode de réalisation;
- la figure 5A illustre un second mode de
réalisation d'un dispositif de commande de
deux interrupteurs;;
- la figure 5B est un chronogramme correspondant
à ce second mode de réalisation;
- la figure 6A illustre un troisième mode de
réalisation d'un dispositif de commande de
deux interrupteurs;
- la figure 6B est un chronogramme correspondant
à ce troisième mode de réalisation;
- la figure 7 est un ensemble de chronogrammes
A) à E) illustrant des méthodes de mesure de
valeurs crêtes de courant et de tension mises
en oeuvre dans un exemple de réalisation d'un
système selon l'invention;
- la figure 8 représente un mode particulier de
réalisation d'un dispositif de mesure de
tension crête mis en oeuvre dans le système
selon 1' invention.
- la figure 1 représente un exemple connu
d'interrupteur bidirectionnel bicommandable
pouvant être mis en oeuvre dans l'exemple
selon 1' invention;
- la figure 2 illustre la structure d'un bras de
convertisseur comprenant deux interrupteurs et
leurs commandes associées;
- la figure 3 représente un exemple de structure
matricielle d'un convertisseur direct;
- la figure 4A illustre un premier mode de
réalisation d'un dispositif de commande de
deux interrupteurs;
- la figure 4B est un chronogramme correspondant
a ce premier mode de réalisation;
- la figure 5A illustre un second mode de
réalisation d'un dispositif de commande de
deux interrupteurs;;
- la figure 5B est un chronogramme correspondant
à ce second mode de réalisation;
- la figure 6A illustre un troisième mode de
réalisation d'un dispositif de commande de
deux interrupteurs;
- la figure 6B est un chronogramme correspondant
à ce troisième mode de réalisation;
- la figure 7 est un ensemble de chronogrammes
A) à E) illustrant des méthodes de mesure de
valeurs crêtes de courant et de tension mises
en oeuvre dans un exemple de réalisation d'un
système selon l'invention;
- la figure 8 représente un mode particulier de
réalisation d'un dispositif de mesure de
tension crête mis en oeuvre dans le système
selon 1' invention.
- la figure 9 illustre la synthèse de consignes
de temps de décalage et de vitesse de
commutation à partir d'informations de courant
crête et de tension crête;
- la figure 10 représente l'évolution attendue
du courant crête, de la tension crête, de
contraintes globale CG et différentielle CD.
de temps de décalage et de vitesse de
commutation à partir d'informations de courant
crête et de tension crête;
- la figure 10 représente l'évolution attendue
du courant crête, de la tension crête, de
contraintes globale CG et différentielle CD.
On va maintenant décrire un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention en référence aux figures 1 à 10.
En premier lieu, un exemple de structure connue d'interrupteur bidirectionnel bicommandable 1 pouvant être mis en oeuvre avec le procédé selon l'invention est rappelé en figure 1. Dans cet exemple, l'interrupteur 1 est constitué de deux commutateurs 2,3 de type MOSFET dont les grilles respectives sont reliées à une électrode de commande G de blocage et d'amorçage, et dont les sources respectives sont reliées pour constituer une masse de commande commune
O. Des diodes 4, 5 en antiparallèle sont respectivement associées aux commutateurs 2, 3. La nature intrinsèquement symétrique des composants MOSFET et la présence naturelle de diodes antiparallèles font que l'interrupteur 1 peut assurer entre ses bornes principales 6, 7 une fonction d'interrupteur bidirectionnel et bicommandable. De plus un tel interrupteur peut etre réalise de façon totalement intégrée.
O. Des diodes 4, 5 en antiparallèle sont respectivement associées aux commutateurs 2, 3. La nature intrinsèquement symétrique des composants MOSFET et la présence naturelle de diodes antiparallèles font que l'interrupteur 1 peut assurer entre ses bornes principales 6, 7 une fonction d'interrupteur bidirectionnel et bicommandable. De plus un tel interrupteur peut etre réalise de façon totalement intégrée.
En référence à la figure 2, une structure classique de bras d'onduleur ou, plus généralement, d'une cellule de commutation, 20 peut comprendre deux interrupteurs commandables 26, 27, par exemple des interrupteurs bidirectionnels bicommandables tel que celui représenté en figure 1. Cette structure comprend généralement un circuit de modulation 21 qui émet des signaux de commande à destination d'un circuit de commande rapprochée 25. Ce circuit de commande rapprochée 25 échange des informations et des commandes avec des circuits de commande de grille 23,24 associés respectivement aux interrupteurs 26, 27, et reçoit des mesures de contraintes effectuées au niveau desdits interrupteurs. Le circuit de modulation 21 est généralement commandé par des moyens de contrôle et de traitement 22, par exemple, un micro contrôleur ou un microprocesseur.
Plus généralement, des interrupteurs bidirectionnels bicommandables peuvent être disposés aux noeuds d'une structure matricielle 30 de conversion directe telle que représentée de façon schématique en figure 3. Dans une telle structure 30 les interrupteurs bidirectionnels 111,112, I 1N; I211 I22 I2N; Imlt Im2 Imn, permettent de relier l'une quelconque des phases Pl,P2 Pm à l'une quelconque des charges Ql, Q2, Qn. Il est à noter qu'une telle structure est totalement réversible.
Dans un premier mode 40 de réalisation du procédé de commande selon l'invention, en référence à la figure 4A, deux interrupteurs bicommandables R1, K2, éventuellement bidirectionnels, sont commandés en amorçage et en blocage respectivement par un premier et un second circuits de commande de grille F1, R2 qui génèrent respectivement des commandes BAl et BA2. Le premier circuit Fl est prévu pour procurer un retard fixe de commande à l'amorçage et au blocage de l'interrupteur R1, tandis que le second circuit R2 est prévu pour procurer un retard réglable à l'amorçage et au blocage de l'interrupteur K2.Il faut noter que ces retards, fixes ou réglables, sont généralement différents à l'amorçage et au blocage.Un circuit de modulation M pilote le premier circuit Fl et via un inverseur logique I, le second circuit R2. Les instants tA et tB indiquent respectivement les instants d'amorçage de référence et les instants de blocage de référence. Les chronogrammes CM, CRl et CK2 de la figure 4B illustrent à partir d'un signal de modulation, les signaux appliqués respectivement aux premier et second interrupteurs K1, R2, la commande du premier interrupteur R1 étant à retard fixe à l'amorçage Tal et au blocage Tbl, tandis que la commande du second interrupteur K2 présente des retards réglables à l'amorçage Ta2 et au blocage tub2.
Dans un second mode de réalisation 50 du procédé selon l'invention, en référence à la figure 5A, les deux interrupteurs bicommandables R1, R2 reçoivent respectivement des signaux de blocage Bl, B2 et d'amorçage Al, A2 provenant respectivement de circuits de commande de grille à retard de blocage fixe FBI, FB2 et de circuits de commande de grille à retard d'amorçage réglable RAl, RA2. Les deux circuits de commande FBl, RAl associés à l'interrupteur R1 sont directement pilotés en entrée par un circuit de modulation M, tandis que les deux circuits de commande
FB2, RA2 sont également pilotés par le circuit de modulation M mais via un inverseur logique I.Avec ce second mode de réalisation, les chronogrammes des signaux de commande illustrés en figure 5B incluent, à partir d'un signal de modulation CM, un premier signal de commande de blocage CBl à retard fixe Tbl par rapport aux fronts descendants du signal de modulation
CM, un signal de commande d'amorçage CAl à retard réglable Tal par rapport aux fronts montants du signal de commande CM, tandis que le premier signal de commande au blocage CB2 du second commutateur K2 est à retard fixe Tb2 et le second signal de commande à l'amorçage CA2 à retard réglable Ta2.
FB2, RA2 sont également pilotés par le circuit de modulation M mais via un inverseur logique I.Avec ce second mode de réalisation, les chronogrammes des signaux de commande illustrés en figure 5B incluent, à partir d'un signal de modulation CM, un premier signal de commande de blocage CBl à retard fixe Tbl par rapport aux fronts descendants du signal de modulation
CM, un signal de commande d'amorçage CAl à retard réglable Tal par rapport aux fronts montants du signal de commande CM, tandis que le premier signal de commande au blocage CB2 du second commutateur K2 est à retard fixe Tb2 et le second signal de commande à l'amorçage CA2 à retard réglable Ta2.
Dans un troisième mode de réalisation, en référence aux figures 6A et 6B, les retards respectifs à l'amorçage des premier et second interrupteurs K1, R2 sont fixes, les signaux d'amorçage Al, A2 respectifs des interrupteurs Ki, R2 étant générés par un premier et un second circuit de commande à retard d'amorçage fixe Fla1, FA2, et les retards respectifs au blocage desdits premier et second interrupteurs Rl, R2 sont réglables, les signaux de blocage Bi, B2 respectifs des interrupteurs Ki, K2 étant générés par un premier et un second circuits de commande à retard de blocage réglable RBl, RB2.Les premiers circuits de commande à retard d'amorçage fixe FAl et à retard de blocage réglable RBl sont directement commandés par le circuit de modulation M tandis que les seconds circuits de commande à retard d'amorçage fixe FA2 et à retard de blocage réglable RB2 sont commandés par le circuit de modulation M via un inverseur logique I. Les chronogrammes respectifs du signal de modulation CM, de premiers signaux de commande de blocage CBl à retard réglable Tbl et d'amorçage CAl à retard fixe Tal, de seconds signaux de commande de blocage CB2 à retard réglable Tb2 et d'amorçage CA2 à retard fixe Ta2, correspondant à ce troisième mode de réalisation, sont représentés en figure 6B.
Avec le procédé selon l'invention, la connaissance d'informations représentatives de fonctions prédéterminée de la tension et/ou du courant relatifs à chaque interrupteur est essentielle.
Ainsi, dans le cas particulier où ces fonctions prédéterminées sont les fonctions "tension crête" et "courant crête', il est nécessaire de mettre en oeuvre des techniques fiables de mesure de ces valeurs crêtes.
A ce sujet, les chronogrammes A) à E) de la figure 7 représentent les évolutions temporelles respectives de:
A) un signal issu du circuit de modulation M,
B) la tension Vkl aux bornes de l'interrupteur K1,
C) un signal VklP.H obtenu par filtrage de la
tension vk par un filtre passe-haut,
D) le courant ik2 dans l'interrupteur R2,
E) un signal ik2P.H obtenu par filtrage du courant
ik2 par un filtre passe-haut.
A) un signal issu du circuit de modulation M,
B) la tension Vkl aux bornes de l'interrupteur K1,
C) un signal VklP.H obtenu par filtrage de la
tension vk par un filtre passe-haut,
D) le courant ik2 dans l'interrupteur R2,
E) un signal ik2P.H obtenu par filtrage du courant
ik2 par un filtre passe-haut.
Si on note respectivement par I et U le courant commuté supposé sensiblement constant et la tension sensiblement constante aux bornes du bras, on observe communément lors des commutations passant/bloqué et bloqué/passant d'un interrupteur, des surtensions qu'il est nécessaire d'estimer afin d'affiner la commande ultérieure des interrupteurs. Ainsi, la tension Uk2 aux bornes de l'interrupteur K2 présente à l'amorçage de ce dernier un pic de tension comprenant une première composante sensiblement égale à la tension d'alimentation à laquelle s'ajoute une seconde composante ûA de crête généralement induite par l'ouverture simultanée des deux interrupteurs sur une source de courant. De même, au blocage de l'interrupteur K2, la tension aux bornes de ce dernier présente une première composante positive crête ûB puis une seconde composante négative d'amplitude U.
Un exemple de dispositif 70 de mesure de courant crête est donné en figure 8, avec pour exemple la mesure du courant crête ik2 parcourant l'interrupteur
K2. Un tel dispositif utilise la mesure d'une tension aux bornes d'une inductance parasite L en série avec l'interrupteur concerné K2 et qui doit être éventuellement augmentée si besoin est.La tension aux bornes de l'inductance L est ensuite intégrée ou filtrée à travers un filtre passe-bas constitué par une résistance 71 et un condensateur 79 qui délivre alors une image de ik2; Deux sous-ensembles de détection de crête constitués respectivement d'une première diode rapide 86 et d'un premier condensateur 80 pour la détection de crête positive, et d'une seconde diode rapide 85 et d'un second condensateur 81 pour la détection de crête négative, fournissent respectivement une image du courant crête positif et une image du courant crête négatif. Deux résistances de tirage 72, 73 relient respectivement les sorties des détecteurs de crête positive et négative à des sources de tension continue respectivement négative -V et positive +V.Les sorties des détecteurs de crête sont également reliées respectivement à travers des résistances d'entrée 75, 74, aux entrées positive et négative d'un amplificateur opérationnel A dont la sortie est reliée d'une part, à l'entrée négative à travers une résistance 84 pour assurer une contre-réaction, et d'autre part, à deux premier et second interrupteurs analogiques d'échantillonnage 77, 78 reliés respectivement à deux premier et second condensateurs d'échantillonnage 82, 83 prévus pour stocker respectivement une image de la somme du courant crête î et du courant I à l'instant tA et une image de la somme du courant crête î et du courant I à l'instant tB.
K2. Un tel dispositif utilise la mesure d'une tension aux bornes d'une inductance parasite L en série avec l'interrupteur concerné K2 et qui doit être éventuellement augmentée si besoin est.La tension aux bornes de l'inductance L est ensuite intégrée ou filtrée à travers un filtre passe-bas constitué par une résistance 71 et un condensateur 79 qui délivre alors une image de ik2; Deux sous-ensembles de détection de crête constitués respectivement d'une première diode rapide 86 et d'un premier condensateur 80 pour la détection de crête positive, et d'une seconde diode rapide 85 et d'un second condensateur 81 pour la détection de crête négative, fournissent respectivement une image du courant crête positif et une image du courant crête négatif. Deux résistances de tirage 72, 73 relient respectivement les sorties des détecteurs de crête positive et négative à des sources de tension continue respectivement négative -V et positive +V.Les sorties des détecteurs de crête sont également reliées respectivement à travers des résistances d'entrée 75, 74, aux entrées positive et négative d'un amplificateur opérationnel A dont la sortie est reliée d'une part, à l'entrée négative à travers une résistance 84 pour assurer une contre-réaction, et d'autre part, à deux premier et second interrupteurs analogiques d'échantillonnage 77, 78 reliés respectivement à deux premier et second condensateurs d'échantillonnage 82, 83 prévus pour stocker respectivement une image de la somme du courant crête î et du courant I à l'instant tA et une image de la somme du courant crête î et du courant I à l'instant tB.
Les tensions aux bornes de ces deux condensateurs 82, 83 sont combinées pour obtenir la différence entre la crête supérieure et la crête inférieure. Par ailleurs, si un isolement galvanique est nécessaire, on peut remplacer l'inductance L représentée en figure 8 par une inductance comportant deux enroulements séparés.
La mesure du courant crête peut également être effectuée en utilisant un transformateur d'intensité dont l'enroulement secondaire doit présenter un faible nombre de spires afin de minimiser les inductances de fuite et les capacités parasites et dont le matériau constitutif doit présenter une caractéristique magnétique sensiblement linéaire afin de procurer des mesures linéaires.
La génération des temps de retard à la commutation peut être réalisée à partir de techniques classiques mettant en oeuvre par exemple des bascules de type RS.
Le procédé selon l'invention permet une commutation auto-adaptative avec pour objectifs:
- l'obtention d'un décalage temporel optimal entre l'ordre de blocage d'un interrupteur et l'ordre d'amorçage de l'interrupteur associé, ainsi que
- l'obtention d'une vitesse de commutation optimale afin de minimiser les contraintes sur les composants.
- l'obtention d'un décalage temporel optimal entre l'ordre de blocage d'un interrupteur et l'ordre d'amorçage de l'interrupteur associé, ainsi que
- l'obtention d'une vitesse de commutation optimale afin de minimiser les contraintes sur les composants.
Pour cela, on peut à titre d'exemple considérer, en référence à la figure 9, deux variables d'entrée: le courant crête î et la tension crête û, et deux variables de sortie: une consigne de temps de décalage
CT et une consigne de vitesse de commutation CV qui sont appliquées aux moyens de contrôle et de traitement associés au convertisseur commandé.
CT et une consigne de vitesse de commutation CV qui sont appliquées aux moyens de contrôle et de traitement associés au convertisseur commandé.
Le schéma-bloc 80 de la figure 9 illustre à titre d'exemple non limitatif des fonctions de transfert Pû,
P'û et Pî, P'î appliquées respectivement aux valeurs crêtes û et î, qui sont issues de fonctions prédéterminées Fu, Fi des grandeurs instantanées de tension u et de courant i. Les variables de sortie intermédiaires issues des fonctions de transfert précitées sont combinées et traitées pour générer, au sein de blocs de traitement 81, 82 des variables intermédiaires CG, C'G à titre de contraintes globales, puis au travers de correcteurs C(p), C' (p), une consigne de temps de décalage CT et une consigne de vitesse de commutation CV.
P'û et Pî, P'î appliquées respectivement aux valeurs crêtes û et î, qui sont issues de fonctions prédéterminées Fu, Fi des grandeurs instantanées de tension u et de courant i. Les variables de sortie intermédiaires issues des fonctions de transfert précitées sont combinées et traitées pour générer, au sein de blocs de traitement 81, 82 des variables intermédiaires CG, C'G à titre de contraintes globales, puis au travers de correcteurs C(p), C' (p), une consigne de temps de décalage CT et une consigne de vitesse de commutation CV.
D'autres fonctions prédéterminées peuvent être envisagées, par exemple des valeurs moyennes sur un intervalle de temps donné, ou des fonctions temporelles complexes. De même, on peut prévoir d'autres lois pour les blocs de traitement par exemple des lois multiplicatives telles que le produit u.i pour minimiser les pertes par commutation dans les interrupteurs.
Ce mode de traitement peut être appliqué à toutes les commutations tA et tB, en référence aux figures 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B et 7.
L'asservissement de la consigne de temps de décalage CT en fonction des variables d'entrée û et î doit être réglé de sorte que le système de commande se stabilise en fonction d'une contrainte globale minimale
CG(û, î), définie, par exemple, comme une combinaison linéaire de û et de î: (kv.û + ki.î), où ku et ki sont des coefficients de pondération. Bien d'autres lois de contrainte peuvent être envisagées, mettant en oeuvre des fonctions de dérivation, d'intégration, de moyenne, etc.
CG(û, î), définie, par exemple, comme une combinaison linéaire de û et de î: (kv.û + ki.î), où ku et ki sont des coefficients de pondération. Bien d'autres lois de contrainte peuvent être envisagées, mettant en oeuvre des fonctions de dérivation, d'intégration, de moyenne, etc.
Une telle contrainte minimale globale dépend de la nature des interrupteurs, notamment de leur aptitude à supporter une surtension, une surintensité, etc.., de leurs tensions et courants maximaux, et de la fréquence de découpage. On peut également définir une contrainte différentielle CD(û, î) = ku.û - ki.î dont il est aisé de montrer que son annulation coïncide avec la minimisation de la consigne globale CG.
L'asservissement mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention agit sur la consigne de temps de décalage
CT afin d'obtenir une contrainte différentielle nulle
CD de façon à minimiser la contrainte globale CG, en référence à la figure 10. Par ailleurs, l'expérience a montré que la fonction CD(û, î) peut être considérée comme sensiblement linéaire autour du point (kU.U=ki.î).
CT afin d'obtenir une contrainte différentielle nulle
CD de façon à minimiser la contrainte globale CG, en référence à la figure 10. Par ailleurs, l'expérience a montré que la fonction CD(û, î) peut être considérée comme sensiblement linéaire autour du point (kU.U=ki.î).
En référence à la figure 9, les variables î et û qui sont mesurées au niveau de la cellule de commutation, sont traitées pour générer une consigne de temps de décalage CT qui est alors appliquée à un générateur de temps de décalage associé à ladite cellule de commutation. Des perturbations apparaissent généralement au niveau du générateur de temps de décalage, de la cellule de commutation sur les circuits de commande, les composants de puissance, en fonction de la température, de la dispersion des composants, de la tension d'alimentation U et du courant nominal I.
Ces perturbations sont normalement corrigées par l'asservissement mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention qui ne requiert qu'une mesure précise et stable de la tension crête û et du courant crête î.
Dans un autre mode de réalisation, l'asservissement peut être de type extrémal, c'est à dire, cherchant à minimiser une seule contrainte, ce cas s'applique particulièrement à la minimisation de la surintensité dans le pilotage d'un bras d'onduleur commandé avec le procédé selon l'invention.
Les perturbations précitées varient généralement très lentement par rapport aux commutations. A titre d'exemple, la tension continue U et le courant I peuvent varier dans une bande de fréquence de O à 200
Hz dans le cas de l'alimentation d'un moteur électrique. En outre, le fonctionnement échantillonné introduit un retard constant qui doit évidemment être pris en compte dans la définition des correcteurs. Les exemples ci-dessus, explicités dans un mode de réalisation analogique, peuvent bien sûr être réalisés avec des techniques numériques.
Hz dans le cas de l'alimentation d'un moteur électrique. En outre, le fonctionnement échantillonné introduit un retard constant qui doit évidemment être pris en compte dans la définition des correcteurs. Les exemples ci-dessus, explicités dans un mode de réalisation analogique, peuvent bien sûr être réalisés avec des techniques numériques.
Les dispositifs de commande mettant en oeuvre le procédé selon l'invention peuvent être réalisés en technique discrète, en mode hybride, ou en technique intégrée multipuce ou monopuce.
Le procédé selon l'invention peut être appliqué à de nombreux types de convertisseurs dont les applications principales sont mentionnées ci-dessous, notamment:
- alternatif/alternatif:
* monophasé:monophasé:
éclairage, chauffage, moteurs universels
alimentation alternative stabilisée
mise en forme de tension sinusoïdale
régulation de tension
remplacement d'ensembles redresseur
onduleur
dépollution de réseau, parallèle ou série
conservation d'un fil commun
entrée/sortie,
* monophasé: triphasé
* triphasé:monophasé
* triphasé : triphasé,
* et plus généralement, n-phasé:q-phasé
- alternatif/continu:
* monophasé: continu:
* triphasé: continu
obtention de la réversibilité
alimentation de machines à courant
continu
chargeur de batterie
dépollution de réseau
- continu/alternatif et continu/continu:
hacheur 2 quadrants
hacheur 4 quadrants
onduleurs
notamment pour l'alimentation de moteurs
électriques: à courant continu,
asynchrones, synchrones, à réluctance
variable.
- alternatif/alternatif:
* monophasé:monophasé:
éclairage, chauffage, moteurs universels
alimentation alternative stabilisée
mise en forme de tension sinusoïdale
régulation de tension
remplacement d'ensembles redresseur
onduleur
dépollution de réseau, parallèle ou série
conservation d'un fil commun
entrée/sortie,
* monophasé: triphasé
* triphasé:monophasé
* triphasé : triphasé,
* et plus généralement, n-phasé:q-phasé
- alternatif/continu:
* monophasé: continu:
* triphasé: continu
obtention de la réversibilité
alimentation de machines à courant
continu
chargeur de batterie
dépollution de réseau
- continu/alternatif et continu/continu:
hacheur 2 quadrants
hacheur 4 quadrants
onduleurs
notamment pour l'alimentation de moteurs
électriques: à courant continu,
asynchrones, synchrones, à réluctance
variable.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, le procédé selon l'invention peut être appliqué à la commande de tout type d'interrupteur commandable, notamment bipolaire, MOS, GTO, IGBT, MCT, et quel que soit le type de convertisseur dans lequel cet interrupteur est inclus. De plus, les interrupteurs, notamment bidirectionnels, visés par la présente invention peuvent être obtenus par synthèse de plusieurs composants élémentaires. En outre, on peut envisager l'implémentation de dispositifs de commande selon l'invention au sein de circuits intégrés distincts ou sur le même substrat que le composant interrupteur commandé. De plus, l'invention peut être appliquée à tout type de commande de convertisseur, qu'elle soit à découpage ou en pleine onde.
Claims (13)
- 2. Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que les informations acquises représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension (u) et/ou d'une fonction prédéterminée du courant (i) sont directement traitées par des moyens de commande (25), notamment de commande rapprochée, associés à l'interrupteur commandé (26, 27).
- 3. Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que des informations acquises représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension (u) et des informations acquises représentatives d'une fonction prédéterminée du courant (i) sont traitées comme variables d'entrée respectives d'un premier asservissement ayant pour variable de sortie une consigne de décalage (CT) et agencé pour minimiser une première combinaison desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension (u) et desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant (i), ladite s première combinaison étant traitée à titre de contrainte globale de commande (CG).
- 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second asservissement ayant d'une part, pour variables d'entrée respectives lesdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension (u) et lesdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant (i), et d'autre part, pour variable de sortie, une consigne de vitesse de commutation (CV), ledit second asservissement étant agencé pour minimiser une seconde combinaison desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension (u) et desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant (i).
- 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite contrainte globale de commande (CG) est exprimée sous la forme:CG = ki.î+ku.ûoù û et î représentent respectivement, à titre de fonctions prédéterminées respectivement de la tension u et du courant i, la tension crête et le courant crête, et en ce que la minimisation de ladite contrainte globale (CG) est réalisée par le contrôle de l'annulation d'une grandeur, dite contrainte différentielle (CD), exprimable sous la forme:CD = ki.î-ku.û6.Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, appliqué à une cellule de commutation (K1, K2) comprenant deux premier (K1) et second (K2) interrupteurs bicommandables reliés en série, caractérisé en ce que pour ledit premier interrupteur (K1), le retard à l'amorçage (Tal) et le retard au blocage (Tbl) sont fixes. et en ce que pour ledit second interrupteur (K2), le retard à l'amorçage (Ta2) et le retard au blocage (tub2) sont réglables.
- 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, appliqué à une cellule de commutation (K1, K2) comprenant deux premier (K1) et second (K2) interrupteurs bicommandables reliés en série, caractérisé en ce que les retards respectifs à l'amorçage (val, Ta2) des premier et second interrupteurs sont réglables et en ce que les retards respectifs au blocage (Tbl, Tb2) desdits premier et second interrupteurs sont fixes.
- 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, appliqué à une cellule de commutation (K1, R2) comprenant deux premier (K1) et second (K2) interrupteurs bicommandables reliés en série, caractérisé en ce que les retards respectifs à l'amorçage (Tal, Ta2) des premier et second interrupteurs sont fixes et en ce que les retards respectifs au blocage (zbl, tub2) desdits premier et second interrupteurs sont réglables.
- 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque retard réglable d'amorçage ou de blocage, une génération d'une consigne de décalage (CT) à partir des informations acquises représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension (u) et des informations acquises représentatives d'une fonction prédéterminée du courant (i) correspondant à l'interrupteur concerné par lesdits retards.
- 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les informations acquises relatives au courant (i) sont représentatives de la valeur crête () dudit courant.il. Procedé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les informations acquises relatives à la tension (u) sont représentatives de la valeur crête (û) de ladite tension.
- 12. Dispositif de commande (20) pour l'application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes à une cellule de commutation comprenant au moins deux interrupteurs (R1, K2) dont l'amorçage et le blocage sont commandables, comprenant des moyens de commande (25), notamment de commande rapprochée, pilotant pour chaque interrupteur (26, 27) des moyens de commande de grille (23, 24) et recevant des commandes de modulation issus de moyens de modulation (21), caractérisé en ce qu'il comprend en outre, pour chaque interrupteur commandé, des moyens pour acquérir des informations représentatives d'une fonction prédéterminée de la tension (u) et des moyens (70) pour acquérir des informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant (i) correspondant audit interrupteur commandé, lesdits moyens d'acquisition étant agencés pour fournir ces informations auxdits moyens de commande, et des moyens pour générer des retards réglables ou fixes à destination des moyens de commande de grille (23, 24) à partir du traitement des dites informations représentatives d'une fonction prédeterminée de la tension (u) et desdites informations représentatives d'une fonction prédéterminée du courant (i) par lesdits moyens de commande (25).
- 13. Dispositif (40) selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de commande (F1, R2) sont agencés pour produire une première consigne de retard fixe à l'amorçage et une première consigne de retard fixe au blocage pour un premier interrupteur (K1), et une seconde consigne de retard réglable à l'amorçage et une seconde consigne de retard réglable au blocage pour un second interrupteur (K2).
- 14. Dispositif (50) selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de commande (FB1, RA1,FB2, RA2) sont agencés pour produire respectivement des première et seconde consignes de retard réglables à l'amorçage (Al, A2) respectivement pour les premier (K1) et second (K2) interrupteurs et respectivement des première et seconde consignes de retard fixes au blocage (B1, B2) respectivement pour les premier (R1) et second (K2) interrupteurs.
- 15. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de commande sont agencés pour produire des consignes de retard au blocage réglables respectivement pour les premier et second interrupteurs et des consignes de retard à l'amorçage fixes respectivement pour les premier et second interrupteurs.
- 16. Convertisseur d'énergie électrique (30) comprenant des interrupteurs (ici, I12fIlN; I21r I22I2N; Imlr Im2r Imn), notamment des interrupteurs bidirectionnels, dont l'amorçage et le blocage sont respectivement commandables, mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 et des dispositifs de commande selon l'une des revendications précédentes 12 à 15.
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|---|---|---|---|
| FR9208262A FR2693325B1 (fr) | 1992-07-03 | 1992-07-03 | Procédé de commande d'interrupteurs, notamment d'interrupteurs bidirectionnels, dispositifs de commande pour la mise en Óoeuvre de ce procédé et convertisseur ainsi commandés. |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2693325A1 true FR2693325A1 (fr) | 1994-01-07 |
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Cited By (3)
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Also Published As
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|---|---|
| FR2693325B1 (fr) | 1994-08-26 |
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