FR2820561A1

FR2820561A1 - AC/DC electrical energy conversion circuit uses a group of series and/or parallel connected transformers with controlled switched primary and rectified secondary circuits

Info

Publication number: FR2820561A1
Application number: FR0101508A
Authority: FR
Inventors: Gerard Kalvelage
Original assignee: Faiveley Transport SA
Current assignee: Faiveley Transport SA
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2002-08-09
Also published as: ES2350972T3

Abstract

The primary circuit (1) includes a current generator which feeds the input terminals (2,3) and the secondary circuit (4) includes a voltage generator connected in parallel with the output terminals (5,6). Alternatively the primary circuit (1) includes a current generator connected in parallel with the input terminals (2,3) and the secondary circuit (4) includes a current generator connected to the output terminals (5,6). Electric energy conversion circuit comprising: (a) N transformers each with primary (PN) and secondary (SN) windings; (b) a primary circuit (1) connected to input terminals (2,3) to which the transformer primary (PN) terminals are connected; (c) a secondary circuit (4) connected to the output terminals (5,6) to which the transformer secondary (SN) terminals are connected. Each primary circuit (1) and secondary circuit (4) of the converter includes a group of switches (IN) (uni-directional, bi-directional, diodes, IGBT, thyristors, triacs, field effect or bipolar transistors, contactors, contacts, or other types) connected to the N primary and secondary windings. A controller (7) controls the switches (IN) of at least one of the primary or secondary switches. The switches (IN) are connected so that they can connect the primary or secondary windings in series or parallel via the controller (7).

Description

L'invention se rapporte à un circuit électronique permettant de réaliser une connexion en série et/ou en parallèle de générateurs. Ledit circuit permet notamment de faire varier la tension de sortie tout en maintenant une puissance constante. The invention relates to an electronic circuit making it possible to make a series and / or parallel connection of generators. Said circuit makes it possible in particular to vary the output voltage while maintaining a constant power.

Il présente l'avantage d'être de réalisation simple tout en tolérant les pannes simples. It has the advantage of being simple to produce while tolerating simple breakdowns.

Le circuit selon l'invention comporte deux conducteurs entre lesquels sont connectés en parallèle N générateurs, les deux conducteurs comportant chacun en série N+1 interrupteurs situés entre les connexions des générateurs, les deux conducteurs étant reliés à chacune de leur extrémité. The circuit according to the invention comprises two conductors between which N generators are connected in parallel, the two conductors each comprising in series N + 1 switches situated between the connections of the generators, the two conductors being connected at each of their ends.

Ledit circuit est caractérisé en ce que lesdits interrupteurs sont associés à des moyens de fermeture et d'ouverture de sorte que les générateurs sont reliés entre eux en série et/ou en parallèle faisant ainsi varier la tension de sortie du circuit. Said circuit is characterized in that said switches are associated with closing and opening means so that the generators are connected together in series and / or in parallel thus varying the output voltage of the circuit.

Suivant les applications recherchées, les générateurs peuvent être des transformateurs, des inductances, des condensateurs, etc. et les interrupteurs peuvent être des diodes, des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), des thyristors, des triac, des transistors à effet de champ, des transistors bipolaires, des contacteurs, des contacts, des thyristors à grille blocable (GTO), des IGCT, des MOS etc. Depending on the applications sought, the generators can be transformers, inductors, capacitors, etc. and the switches can be diodes, insulated gate bipolar transistors (IGBT), thyristors, triacs, field effect transistors, bipolar transistors, contactors, contacts, blockable gate thyristors (GTO), IGCT, MOS etc.

Dans un mode de réalisation, les moyens de fermeture et d'ouverture dudit circuit des interrupteurs sont des onduleurs de sorte que le déphasage des onduleurs permet d'associer les N générateurs en série ou en parallèle. In one embodiment, the means for closing and opening said circuit of the switches are inverters so that the phase shift of the inverters makes it possible to associate the N generators in series or in parallel.

Dans une variante, les générateurs sont des transformateurs comportant chacun un enroulement primaire et un enroulement secondaire. In a variant, the generators are transformers each comprising a primary winding and a secondary winding.

Dans une deuxième variante, les N transformateurs sont connectés de sorte que lorsque leurs enroulements primaires sont en série, leurs enroulements secondaires sont en parallèle, et réciproquement. In a second variant, the N transformers are connected so that when their primary windings are in series, their secondary windings are in parallel, and vice versa.

D'autres objets et avantages apparaîtront au cours de la description suivante, en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels :

- la figure 1 représente un schéma représentant un circuit selon l'invention ; - la figure 2 représente un schéma d'un mode de réalisation d'un circuit selon l'invention ; - la figure 3 représente un schéma d'une variante du mode de réalisation représenté sur la figure 2. Other objects and advantages will appear during the following description, with reference to the appended drawings, given by way of nonlimiting examples, in which:

- Figure 1 shows a diagram showing a circuit according to the invention; - Figure 2 shows a diagram of an embodiment of a circuit according to the invention; FIG. 3 represents a diagram of a variant of the embodiment shown in FIG. 2.

En référence à la figure 1, le circuit électronique comporte deux conducteurs 1, 2 entre lesquels sont connectés en parallèle N générateurs 3, N étant un nombre entier. With reference to FIG. 1, the electronic circuit comprises two conductors 1, 2 between which N generators 3 are connected in parallel, N being an integer.

Les deux conducteurs 1,2 comportent chacun en série N+1 interrupteurs 4 situés entre les connexions des générateurs 3. The two conductors 1,2 each comprise in series N + 1 switches 4 located between the connections of the generators 3.

Les deux conducteurs 1,2 sont reliés ensemble à chacune de leur extrémité. The two conductors 1, 2 are connected together at each of their ends.

Lesdits interrupteurs 4 sont associés à des moyens de fermeture et d'ouverture de sorte que les générateurs 3 sont reliés entre eux en série et/ou en parallèle. Said switches 4 are associated with closing and opening means so that the generators 3 are connected together in series and / or in parallel.

En fonction du nombre de générateurs 3 reliés en série et/ou en parallèle, la tension de sortie Vs du circuit va varier dans une plage de tension dépendant du nombre de générateurs 3. Depending on the number of generators 3 connected in series and / or in parallel, the output voltage Vs of the circuit will vary within a voltage range depending on the number of generators 3.

Les générateurs 3 peuvent être des générateurs de tension ou de courant, il s'agit par exemple de transformateurs, d'inductances, de condensateurs, ou similaires. The generators 3 can be voltage or current generators, for example they are transformers, inductors, capacitors, or the like.

Les interrupteurs 4 peuvent être des diodes, des IGBT, des thyristors, des triac, des transistors à effet de champ, des transistors bipolaires, des contacteurs, des contacts, des GTO, IGCT, MOS, ou similaires. The switches 4 can be diodes, IGBTs, thyristors, triacs, field effect transistors, bipolar transistors, contactors, contacts, GTO, IGCT, MOS, or the like.

Dans les modes de réalisation représentés figures 2 et 3, les générateurs 3 sont des transformateurs. In the embodiments shown in Figures 2 and 3, the generators 3 are transformers.

Le circuit électronique représenté comprend N = quatre transformateurs 3. The electronic circuit shown comprises N = four transformers 3.

Les transformateurs 3 comprennent chacun un enroulement primaire 6 et un enroulement secondaire 7. The transformers 3 each include a primary winding 6 and a secondary winding 7.

Dans la suite de la description, on désigne par circuit primaire 8, le circuit comportant les enroulements primaires 6, et par circuit secondaire 9, le circuit comportant les enroulements secondaires 7. In the following description, the term “primary circuit 8” designates the circuit comprising the primary windings 6, and “secondary circuit 9” denotes the circuit comprising the secondary windings 7.

Le mode de réalisation représenté figure 2 est maintenant décrit en détail. The embodiment shown in Figure 2 is now described in detail.

Le circuit secondaire 9 comprend deux conducteurs 1,2 entre lesquels sont connectés en parallèle les quatre enroulements secondaires 7 des générateurs 3. The secondary circuit 9 comprises two conductors 1,2 between which the four secondary windings 7 of the generators 3 are connected in parallel.

Les deux conducteurs 1,2 comportent chacun en série N+1 = cinq interrupteurs 4 situés entre les connexions des enroulements secondaires 7 des générateurs 3. The two conductors 1,2 each have in series N + 1 = five switches 4 located between the connections of the secondary windings 7 of the generators 3.

Les interrupteurs 4 utilisés sont des diodes. The switches 4 used are diodes.

Les deux conducteurs 1,2 sont par ailleurs reliés à un enroulement 16 et une capacité 17 montés en série. Ces deux éléments forment le filtre de sortie du circuit. The two conductors 1,2 are also connected to a winding 16 and a capacity 17 connected in series. These two elements form the circuit output filter.

Le circuit primaire 8 est maintenant décrit en détail. The primary circuit 8 is now described in detail.

Les moyens de fermeture et d'ouverture des interrupteurs 4 du circuit primaire sont des circuits onduleurs 5. Ce sont en effet les commutations commandées des onduleurs 5 qui entraînent les commutations spontanées des diodes 4. The means for closing and opening the switches 4 of the primary circuit are inverter circuits 5. It is in fact the controlled switches of the inverters 5 which cause the spontaneous switches of the diodes 4.

Dans le mode de réalisation représenté, chaque enroulement primaire 6 d'un transformateur 3 est relié à un circuit onduleur 5, ledit circuit onduleur alimentant le transformateur 3 associé. In the embodiment shown, each primary winding 6 of a transformer 3 is connected to an inverter circuit 5, said inverter circuit supplying the associated transformer 3.

De façon classique, les circuits onduleurs 5 utilisés sont des onduleurs monophasés comprenant des générateurs de signaux de commande 11, des commutateurs 10, et une capacité 12. In conventional manner, the inverter circuits 5 used are single-phase inverters comprising control signal generators 11, switches 10, and a capacitor 12.

Dans le mode de réalisation représenté figure 2, les quatre circuits onduleurs 5 sont identiques. Pour plus de clarté, les références ne sont indiquées que sur le premier circuit onduleur 5 de la figure 2. In the embodiment shown in FIG. 2, the four inverter circuits 5 are identical. For clarity, the references are only indicated on the first inverter circuit 5 of FIG. 2.

Chaque extrémité d'un enroulement primaire 6 d'un transformateur 3 est connectée à deux conducteurs comportant chacun un commutateur 10. Chaque commutateur 10 est relié à un générateur de signaux de commande 11. Chaque commutateur 10 connecté à une extrémité dudit enroulement primaire 6 est par ailleurs relié au commutateur 10 connecté à l'autre extrémité dudit enroulement 6 par un conducteur 14. Each end of a primary winding 6 of a transformer 3 is connected to two conductors, each comprising a switch 10. Each switch 10 is connected to a generator of control signals 11. Each switch 10 connected to one end of said primary winding 6 is also connected to the switch 10 connected to the other end of said winding 6 by a conductor 14.

Ces deux conducteurs 14 sont montés en parallèle avec la capacité 12 et en série avec d'une part un enroulement 15 et le générateur de tension 13 d'entrée du circuit et d'autre part le circuit onduleur 5 suivant. These two conductors 14 are mounted in parallel with the capacitor 12 and in series with on the one hand a winding 15 and the voltage generator 13 input of the circuit and on the other hand the following inverter circuit 5.

Les circuits onduleurs 5 sont donc montés en série au générateur de tension d'entrée 13. The inverter circuits 5 are therefore connected in series to the input voltage generator 13.

L'ensemble des capacités 12 et de l'enroulement 15 constitue un filtre d'entrée du circuit électronique. All of the capacitors 12 and the winding 15 constitute an input filter of the electronic circuit.

La figure 3 décrit une variante du mode de réalisation de la figure 2. Sur ces figures, les mêmes références désignent les mêmes composants.

FIG. 3 describes a variant of the embodiment of FIG. 2. In these figures, the same references designate the same components.

Dans cette variante, le circuit secondaire 9 est identique au circuit secondaire décrit dans le mode de réalisation précédent. Seul le circuit primaire 8 est différent, il est décrit ci-après. In this variant, the secondary circuit 9 is identical to the secondary circuit described in the previous embodiment. Only the primary circuit 8 is different, it is described below.

Le circuit primaire 8 comprend deux conducteurs 18,19 entre lesquels sont connectés en parallèle N = quatre enroulements primaires 6 des générateurs 3. The primary circuit 8 comprises two conductors 18, 19 between which are connected in parallel N = four primary windings 6 of the generators 3.

Les deux conducteurs 18,19 comportent chacun en série N+1 = cinq interrupteurs 4 situés entre les connexions des enroulements primaires 6 des générateurs 3. Ces interrupteurs 4 sont les moyens de fermeture et d'ouverture des interrupteurs 4 du circuit secondaire 9. The two conductors 18, 19 each comprise in series N + 1 = five switches 4 located between the connections of the primary windings 6 of the generators 3. These switches 4 are the means for closing and opening the switches 4 of the secondary circuit 9.

Ces interrupteurs 4 peuvent être des diodes, des IGBT, des thyristors, des triac, des transistors à effet de champ, des transistors bipolaires, des contacteurs, des contacts, des GTO, IGCT, MOS, ou similaires. These switches 4 can be diodes, IGBTs, thyristors, triacs, field effect transistors, bipolar transistors, contactors, contacts, GTO, IGCT, MOS, or the like.

Les deux conducteurs 18,19 sont par ailleurs montés en parallèle avec une capacité 12 et en série avec un enroulement 15 et le générateur de tension 13. The two conductors 18, 19 are also mounted in parallel with a capacitor 12 and in series with a winding 15 and the voltage generator 13.

Le fonctionnement de l'ensemble du circuit représenté figure 2 est maintenant décrit en détail. The operation of the entire circuit shown in Figure 2 is now described in detail.

Le déphasage de chacun des circuits onduleurs 5 va permettre d'associer les enroulements secondaires 7 des transformateurs 3 en série ou en parallèle. The phase shift of each of the inverter circuits 5 will make it possible to associate the secondary windings 7 of the transformers 3 in series or in parallel.

Le montage est tel, que lorsque tous les circuits onduleurs 5 sont en phase, les enroulements secondaires 7 des transformateurs 3 sont alors en parallèle. The assembly is such that when all the inverter circuits 5 are in phase, the secondary windings 7 of the transformers 3 are then in parallel.

Lorsque les circuits onduleurs 5 sont en opposition de phase deux à deux, les enroulements secondaires 7 des transformateurs 3 sont alors en série. When the inverter circuits 5 are in phase opposition two by two, the secondary windings 7 of the transformers 3 are then in series.

En ajustant la phase entre ces deux valeurs extrêmes, il est ainsi possible de régler le coefficient Vane.

By adjusting the phase between these two extreme values, it is thus possible to adjust the Vane coefficient.

Dans ce mode de réalisation, avec N circuits onduleurs en série, on obtient une dynamique de N du circuit électronique. In this embodiment, with N inverter circuits in series, a dynamic range of N of the electronic circuit is obtained.

Ce circuit électronique présente l'avantage d'être tolérant à une panne simple : quel que soit le mode de panne d'un interrupteur, d'un générateur 11 ou 3, il est possible de fonctionner en mode dégradé. This electronic circuit has the advantage of being tolerant of a single fault: whatever the fault mode of a switch, of a generator 11 or 3, it is possible to operate in degraded mode.

On isole alors l'étage en panne en appliquant une commande appropriée sur les interrupteurs. Cela a pour conséquence de limiter les capacités de l'ensemble du circuit (la plage de variation des tensions est réduite) sans que ce dernier cesse de fonctionner. The faulty floor is then isolated by applying an appropriate command to the switches. This has the consequence of limiting the capacities of the entire circuit (the range of variation of the voltages is reduced) without the latter ceasing to function.

Dans une variante représentée figure 3 de ce mode de réalisation, les enroulements secondaires 7 des transformateurs 3 sont câblés pour être reliés en série lorsque les enroulements primaires 6 sont en parallèle, et réciproquement. In a variant shown in Figure 3 of this embodiment, the secondary windings 7 of the transformers 3 are wired to be connected in series when the primary windings 6 are in parallel, and vice versa.

De sorte que, si l'on considère que les transformateurs 3 présentent des rapports de transformation égaux à 1, il est possible de faire varier la tension de

2 sortie entre Ve/N et N. Ve. La dynamique du circuit électronique est alors de N2. So that, if we consider that the transformers 3 have transformation ratios equal to 1, it is possible to vary the voltage of

2 output between Ve / N and N. Ve. The dynamics of the electronic circuit is then N2.

En effet, lorsque les enroulements primaires 6 sont en série, les enroulements secondaires 7 sont en parallèle et leur tension de sortie est égale à la tension de sortie des enroulements primaires 6, à savoir, Ve/N. Indeed, when the primary windings 6 are in series, the secondary windings 7 are in parallel and their output voltage is equal to the output voltage of the primary windings 6, namely, Ve / N.

Lorsque les enroulements primaires 6 sont en parallèle, leur tension d'entrée est Ve, et les enroulements secondaires 7 sont en série de sorte que leur tension de sortie est égale à N. Ve. When the primary windings 6 are in parallel, their input voltage is Ve, and the secondary windings 7 are in series so that their output voltage is equal to N. Ve.

Ce montage présente l'avantage de pouvoir être utilisé avec une tension d'entrée fortement variable (par exemple de 100 Volts à 1600 Volts) et de réguler la tension de sortie à une valeur fixe. This arrangement has the advantage of being able to be used with a highly variable input voltage (for example from 100 Volts to 1600 Volts) and of regulating the output voltage to a fixed value.

Plus le nombre N de générateurs est élevé, plus on augmente la plage de variation des tensions. The higher the number N of generators, the more the range of variation of the voltages is increased.

Il permet également de garantir l'équilibrage des tensions des générateurs, étant donné que lorsque les enroulements primaires sont en parallèle, les enroulements secondaires sont en série et réciproquement. It also makes it possible to guarantee the balancing of the generator voltages, since when the primary windings are in parallel, the secondary windings are in series and vice versa.

Le circuit électronique présente d'autres avantages. The electronic circuit has other advantages.

Notamment, la fréquence apparente en sortie et en entrée dudit circuit est supérieure aux fréquences des générateurs utilisés, de sorte qu'un filtre utilisé en sortie et en entrée du circuit sera de taille réduite par rapport à un circuit classique. In particular, the apparent frequency at the output and at the input of said circuit is higher than the frequencies of the generators used, so that a filter used at the output and at the input of the circuit will be of reduced size compared to a conventional circuit.

Sur les figures 2 et 3, le filtre en sortie du circuit est représenté par l'enroulement 16 et la capacité 17, tandis que le filtre en entrée du circuit est représenté par l'enroulement 15 et la ou les capacités 12. In FIGS. 2 and 3, the filter leaving the circuit is represented by the winding 16 and the capacitor 17, while the filter entering the circuit is represented by the winding 15 and the capacitor (s) 12.

Par ailleurs, le courant circulant en permanence dans le circuit selon l'invention, les filtres en entrée et en sortie du circuit seront moins sollicités que dans un circuit classique présentant un courant pulsé important. Furthermore, the current flowing continuously in the circuit according to the invention, the filters at the input and output of the circuit will be less stressed than in a conventional circuit having a high pulsed current.

Le circuit électronique selon l'invention présente un domaine d'application vaste en électronique. Il peut par exemple être utilisé auto configurateur série parallèle. The electronic circuit according to the invention has a wide field of application in electronics. It can for example be used auto configurator parallel series.

L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits, et notamment à la valeur de N employée. Cette dernière peut être très variable. The invention is not limited to the embodiments described, and in particular to the value of N used. The latter can be very variable.

On peut notamment envisager toutes les associations en parallèle et/ou en série des générateurs 3 sans sortir du cadre de l'invention. One can in particular envisage all the associations in parallel and / or in series of the generators 3 without departing from the scope of the invention.

La totalité ou une partie des éléments du circuit électronique peut par ailleurs être pilotée par ordinateur pour obtenir l'association voulue de générateurs 3.All or part of the elements of the electronic circuit can also be controlled by computer to obtain the desired combination of generators 3.

Claims

CLAIMS 1. Electronic circuit comprising two conductors (1, 2) between which N generators (3) are connected in parallel, the two conductors (1,2) each comprising in series N + 1 switches (4) located between the connections of the generators (3), the two conductors (1,2) being interconnected at each of their ends, characterized in that said switches (4) are associated with closing and opening means so that the generators are connected between them in series and / or in parallel thus varying the output voltage (Vs) of the circuit.

2. Electronic circuit according to claim 1, characterized in that the generators (3) are voltage or current generators.

3. Electronic circuit according to claims 1 or 2, characterized in that the switches (4) are diodes, or IGBTs, or thyristors, or triacs, or field effect transistors, or bipolar transistors, or contactors, or contacts, or GTO, or IGCT, or MOS.

4. Electronic circuit according to claims 1 to 3, characterized in that the means for closing and opening the switches (4) are inverters (5) so that the phase shift of the inverters makes it possible to associate the N generators (3 ) in series and / or in parallel.

5. Electronic circuit according to claim 4, characterized in that the circuit comprises N inverters (5).

6. Electronic circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that the generators (3) are transformers (3) each comprising a primary winding (6) and a secondary winding (7).

7. Electronic circuit according to claim 6, characterized in that the N transformers (3) are connected so that when the windings

primary (6) are in series, the secondary windings (7) are in parallel, and vice versa.