FR2892243A1 - Onduleur de tension reconfigurable a tolerence de pannes - Google Patents

Abstract

Onduleur de tension doté de quatre cellules de commutation (Q1 à Q4) à connecter aux bornes d'une source de tension continue (Vdc), comportant chacune deux interrupteurs (I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42) à semi-conducteur montés en série, ces interrupteurs ayant un point commun (A0) à connecter à une source de courant alternatif (Mac) avec trois phases (p1, p2, p3) et un neutre (n), la connexion se faisant sur une phase (p1, p2, p3) pour trois des cellules (Q1, Q2, Q3) et sur le neutre (n) pour la quatrième (Q4). Chaque cellule (Q1 à Q4) coopère avec un dispositif d'isolement électrique (S1, (S2.1 et S2.2)) à semi-conducteur à mettre dans un état bloqué en cas de défaillance de la cellule, ce dispositif d'isolement (S1, (S2.1 et S2.2)) étant disposé soit sur la connexion à la source de courant alternatif (Mac), soit sur les connexions aux bornes de la source de tension continue (Vdc).

Description

ONDULEUR DE TENSION RECONFIGURABLE A TOLERANCE DE PANNES DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention est relative à un onduleur de tension reconfigurable à tolérance de pannes. Un tel dispositif est destiné à faire une conversion d'une tension continue en une ou plusieurs tensions alternatives, réversible en puissance. Un tel onduleur est particulièrement utilisable dans des applications aéronautiques dans lesquelles la sécurité et la fiabilité sont primordiales. Un tel onduleur doit pouvoir continuer à fonctionner moyennant une reconfiguration malgré la présence d'une ou plusieurs défaillances internes à son fonctionnement. En effet, l'évolution vers des aéronefs de plus en plus électriques occasionne le développement de systèmes d'électronique de puissance pour le traitement de l'énergie électrique au sein des réseaux d'énergie embarqués. Dans le cas de l'avion A380 de la société Airbus, le réseau électrique embarqué est à fréquence variable et de nombreux actionneurs coopèrent avec des machines électriques synchrones à aimants permanents alimentées par des onduleurs de tension. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On va décrire cet art antérieur dans une configuration où l'onduleur réalise une conversion continu vers alternatif. L'inverse est également possible puisque l'onduleur est réversible en puissance. Un tel onduleur de tension conventionnel est raccordé aux bornes d'une source de tension continue ou bus continu et il transforme cette tension continue en tension alternative pour alimenter une source de courant alternatif triphasée. Cette source de courant alternatif peut être une machine triphasée à courant alternatif, tel une machine synchrone à aimants permanents ou un réseau d'alimentation triphasé. Un onduleur de tension classique comporte trois cellules de commutation électriques ou bras, chacune d'entre elles comportant deux interrupteurs à semi-conducteur connectés en série sur la source de tension continue. Pour chacune des trois cellules, le point commun des interrupteurs est connecté à une phase de la source de courant alternatif triphasée. L'interrupteur est généralement formé d'une diode et d'un transistor dans un montage antiparallèle. Pour améliorer la sûreté de fonctionnement de tels onduleurs, il est connu d'ajouter à l'onduleur une quatrième cellule de secours ayant également deux interrupteurs et le même branchement en série sur la source de tension continue. Le point commun des interrupteurs est connecté au neutre de la source de courant alternatif. La quatrième cellule peut rester inactive en fonctionnement normal. Cette quatrième cellule va être activée en cas de défaillance d'une ou de deux des trois autres cellules. Une défaillance dans une cellule peut avoir comme origine le semi-conducteur des interrupteurs ou leurs commandes.

On connaît par exemple les publications [1], [2], [3] dont les références complètes sont précisées en fin de description. Elles détaillent des onduleurs de tension qui tolèrent des défaillances et assurent une continuité de fonctionnement en cas de défaillance. Lors de la détection d'une défaillance, on isolera la cellule concernée et on rendra active la quatrième cellule de secours, si ce n'est pas elle qui est concernée par la défaillance. Dans les deux documents [1], [2], il est proposé que la connexion en série des interrupteurs sur la source de tension continue se fasse via un fusible éventuellement associé à un thyristor et à un condensateur montés en série. Chacun des deux fusibles est donc relié par une de ses extrémités à l'une des bornes de la source de tension continue et par l'autre extrémité d'une part à l'un des interrupteurs à semi-conducteur et d'autre part à l'autre borne via un des thyristors et un des condensateurs. En cas de défaillance au niveau d'un interrupteur à semi-conducteur, l'amorçage du thyristor qui lui est associé permet la fusion du fusible en série avec l'interrupteur défaillant, isolant la cellule défaillante de la source de tension continue. La quatrième cellule de secours est alors mise en mode actif.

Les fusibles sont des composants passifs présentant de nombreux inconvénients qui les rendent indésirables notamment dans des applications embarquées. Leur déclenchement se fait dans une plage de courant assez large, ce qui fait que l'isolement électrique de la cellule défaillante est mal maîtrisé. Une fois qu'ils ont fondu, il faut les changer. Ils risquent d'être peu accessibles dans des 10 applications aéronautiques. Dans tous les cas, ils nécessitent une maintenance contraignante. Un arc électrique risque d'apparaître lorsqu'ils sont soumis à une surintensité, ce qui n'est pas acceptable dans un grand nombre d'applications et 15 notamment les applications aéronautiques. Le fait de faire coopérer le fusible avec un thyristor rend la gestion de l'énergie de la source de tension continue difficile. En cas de défaillance, les deux thyristors sont rendus passants et les 20 condensateurs se déchargent dans les fusibles. Une énergie importante est nécessaire pour faire fondre les fusibles et cette énergie est prélevée sur la source de tension continue. 25 EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a justement comme objectif de proposer un onduleur de tension tolérant aux pannes qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci dessus. Un but de l'invention est en particulier de proposer un tel onduleur de tension qui soit 30 susceptible de préserver sa fonctionnalité initiale, malgré la présence d'une ou plusieurs défaillances sur une ou deux de ses cellules, moyennant la reconfiguration de sa commande. Un tel onduleur de tension possède une sécurité interne et une disponibilité fonctionnelle accrues par rapport aux onduleurs de tension conventionnels. Un autre but de l'invention est de proposer un onduleur de tension qui ne nécessite qu'une maintenance réduite. Un autre but de l'invention est de proposer un onduleur de tension qui soit susceptible de détecter et d'isoler une ou plusieurs défaillances internes. Encore un autre but de l'invention est de proposer un onduleur de tension compact. Pour atteindre ces buts l'invention concerne plus précisément un onduleur de tension doté de quatre cellules de commutation à connecter aux bornes d'une source de tension continue, comportant chacune deux interrupteurs à semi-conducteur montés en série, ces interrupteurs ayant un point commun à connecter à une source de courant alternatif avec trois phases et un neutre, la connexion se faisant sur une phase pour trois des cellules et sur le neutre pour la quatrième. Chacune des quatre cellules coopère avec un dispositif d'isolement électrique à semi-conducteurs à mettre dans un état bloqué en cas de défaillance de la cellule. Ce dispositif d'isolement est disposé soit sur la connexion à la source de courant, soit sur les connexions aux bornes de la source de tension continue.

Le dispositif d'isolement électrique peut avoir une fonction d'interrupteur électronique commandable et bidirectionnel en courant et en tension. Lorsque le dispositif d'isolement électrique est disposé sur la connexion à la source de courant alternatif, ce dispositif d'isolement électrique peut comporter au moins deux parties dans un montage antiparallèle. Chaque partie peut comporter un transistor et une diode en série.

Lorsque le dispositif d'isolement électrique est disposé sur la connexion à la source de courant alternatif, en variante, chaque partie peut être formée d'un thyristor. Lorsque le dispositif d'isolement électrique est disposé sur les connexions aux bornes de la source de tension continue, le dispositif d'isolement électrique peut comporter, sur chaque connexion, au moins deux thyristors montés en antiparallèle. Il est possible d'utiliser au lieu des deux thyristors, une diode et un thyristor montés en antiparallèle. Le dispositif d'isolement peut comporter, sur chaque connexion, au moins une diode et un 25 transistor montés en antiparallèle au lieu de la diode et du thyristor montés en antiparallèle. En variante, il est possible de prévoir au moins deux ensembles avec chacun une diode et un transistors montés en série, ces deux ensembles étant 30 montés en antiparallèle.20 Il est préférable que les thyristors ou les transistors soient montés en série avec un dispositif de filtrage. Le dispositif de filtrage est de préférence de type inductif capacitif. Il est préférable qu'un dispositif de protection coopère avec le dispositif d'isolement électrique. Ce dispositif de protection peut avantageusement comporter au moins une diode transil en parallèle avec le dispositif d'isolement électrique. L'interrupteur d'une cellule peut comporter un transistor et une diode dans un montage antiparallèle.

Il est préférable que cet interrupteur soit équipé d'un dispositif de protection. Chaque cellule peut coopérer avec un dispositif de surveillance de défaillance et de commande qui lui est propre.

Lorsque le dispositif de surveillance et de commande détecte une défaillance d'une cellule prise parmi les trois cellules, il force à l'état bloqué les interrupteurs de la cellule et le dispositif d'isolement électrique qui lui est associé.

Le dispositif de surveillance coopère avec un organe superviseur inclus dans l'onduleur qui, lorsque le dispositif de surveillance et de commande détecte une défaillance d'une cellule prise parmi les trois cellules, l'organe superviseur provoque la mise en fonctionnement de la quatrième cellule et la mise à l'état passant du dispositif d'isolement électrique associé à la quatrième cellule. Le dispositif de surveillance et de commande peut coopérer avec un dispositif de mesure de courant placé sur la connexion à la source de courant alternatif. Il est aussi possible que le dispositif de surveillance et de commande coopère avec un dispositif de mesure de température des interrupteurs. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement 15 limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1A et 1B montrent deux exemples de réalisation d'un onduleur de tension selon l'invention ; 20 les figures 2A, 2B montrent deux exemples de réalisation d'un dispositif d'isolement électrique coopérant avec une cellule de commutation de l'onduleur selon l'invention ; les figures 3A à 3D montrent quatre autres 25 exemples de réalisation d'un dispositif d'isolement électrique coopérant avec une cellule de commutation de l'onduleur selon l'invention ; les figures 4A et 4B montrent respectivement les courants délivrés par un onduleur de 30 tension triphasé d'une part en présence d'une défaillance, les courants délivrés par l'onduleur de10 tension après reconfiguration, la figure 4C représentant la commande appliquée au dispositif d'isolement électrique de la cellule de commutation défaillante de l'onduleur lors de la reconfiguration ; les figures 5A à 5D montrent les diagrammes vectoriels équivalents des différentes configurations post-défaillance de l'onduleur de tension selon l'invention ; les figures 6A à 6D montrent différentes 10 caractéristiques de l'onduleur ou de la source de courant alternatif qu'il alimente lors du passage du mode triphasé au mode de secours diphasé avec déphasage de 60 ; Des parties identiques, similaires ou 15 équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une 20 échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On va maintenant se référer aux figures 1A, 25 1B qui montrent de manière schématique des exemples d'onduleurs de tension triphasés objet de la présente invention. Ces onduleurs de tension sont destinés à moduler de l'énergie électrique échangée entre deux 30 sources d'énergie électriques dont une est une source de tension continue Vdc et l'autre une source de5 courant alternatif triphasée Mac. Des tels onduleurs peuvent être bidirectionnels en puissance. L'onduleur de tension comporte de manière classique quatre cellules de commutation Q1, Q2, Q3, Q4 formées chacune de deux interrupteurs à semi-conducteur (I11, I12), (I21, I22), (I31, I32), (I41, I42). Dans chacune de ces cellules Q1, Q2, Q3, Q4, les deux interrupteurs à semi-conducteur sont montés en série. La cellule est destinée à être connectée aux bornes de la source de tension continue Vdc. La source de tension Vdc est matérialisée par un bus de tension continue. La référence C' représente un condensateur du bus de tension continue Vdc. Les interrupteurs I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42 sont statiques et peuvent être réalisés par un montage antiparallèle avec une diode D et un transistor T. Les deux transistors T d'une part et les deux diodes D d'autre part d'une cellule sont montés dans le même sens.

Les deux interrupteurs I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42 de chacune des cellules Q1, Q2, Q3, Q4 possèdent un point commun A0 qui est destiné à être connecté à la source de courant alternatif triphasée Mac. La source de courant alternatif triphasée Mac comporte trois phases p1, p2, p3 et un neutre n. Elle est matérialisée sur les figures 1A, 1B par trois enroulements montés en étoile, le neutre n étant le point commun de l'étoile. La source de courant 30 alternatif triphasée Mac peut être réalisée par une machine triphasée à courant alternatif par exemple une25 machine synchrone à aimants permanents. L'onduleur de tension est alors capable de régler le point de fonctionnement de la machine. En variante, la source de courant alternatif triphasé Mac peut être un réseau d'alimentation triphasé. L'onduleur de tension a alors une fonction de redresseur actif. Parmi les quatre cellules de commutation de l'onduleur Q1, Q2, Q3, Q4, trois Q1, Q2, Q3 sont destinées à être reliées chacune à une des phases de la source de courant alternatif Mac soit p1, p2, p3 respectivement. La quatrième cellule Q4 est destinée à être reliée au neutre n de la source de courant alternatif Mac. La quatrième cellule Q4 joue un rôle de secours lors de la défaillance de l'une ou de deux des cellules Q1, Q2, Q3 à relier aux phases de la source de courant alternatif Mac. La quatrième cellule Q4 est inactive en fonctionnement normal de l'onduleur de tension, c'est-à-dire qu'en l'absence de panne ses interrupteurs I41, I42 ne sont pas commandés, ils sont dans un état bloqué. La quatrième cellule Q4 est en mode d'attente. Lors d'une reconfiguration après détection d'une défaillance, la cellule défaillante est isolée et la quatrième cellule de secours Q4 est ensuite mise en mode actif, ses interrupteurs I41, I42 sont commandés pour être alternativement rendus passants et bloqués pendant des durées appropriées. Selon l'invention, chacune des cellules de commutation Q1, Q2, Q3, Q4 coopère avec un dispositif d'isolement électrique à semi-conducteur S1 ou (S2.1 et S2.2) qui est mis dans un état bloqué lorsqu'une défaillance survient dans la cellule Q1 à Q4 avec laquelle il coopère et qui est dans un état passant en fonctionnement normal. En fonctionnement normal, le dispositif d'isolement électrique S1 ou (S2.1 et S2.2) de chacune des trois cellules Q1 à Q3 reliées aux phases de la source de courant alternatif triphasée Mac est maintenu à l'état passant. Le dispositif d'isolement électrique S1 ou (S2.1 et S2.2) de la quatrième cellule Q4 reliée au neutre est à l'état bloqué. L'isolement d'une cellule défaillante Q1 à Q3 est réalisé par la mise à l'état bloqué de son dispositif d'isolement électrique S1 ou (S2.1 et S2.2). Lorsque la quatrième cellule Q4 est en mode actif, son dispositif d'isolement électrique S1 ou (S2.1 et S2.2) est à l'état passant. Dans le cas où les interrupteurs I41, I42 de la quatrième cellule Q4 sont maintenus dans un état bloqué en fonctionnement normal, il est avantageux de maintenir dans un état bloqué le dispositif d'isolement électrique S1 ou (S2.1 et S2.2) qui lui est associé. Dans l'exemple de la figure 1A, le dispositif d'isolement électrique S1 est interposé entre le point commun A0 aux deux interrupteurs d'une cellule et la source de courant alternatif triphasée Mac. Dans l'exemple de la figure 1B, le dispositif d'isolement électrique se décompose en deux éléments S2.1, S2. 2 chacun inséré entre l'un des interrupteurs I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42 et l'une des bornes de la source de tension continue Vdc.

L'onduleur de tension conforme à l'invention comporte de plus, coopérant avec chacune des cellules Q1, Q2, Q3, Q4, un dispositif de surveillance et de commande rapproché SO de la cellule à laquelle il est associé. Ce dispositif SO est propre à la cellule Q1, Q2, Q3, Q4 avec laquelle il coopère. Lors du fonctionnement normal, les interrupteurs I11, I12, I21, I22, I31, I32, des cellules en mode actif Q1, Q2, Q3 sont dans des états opposés, l'un étant passant et l'autre bloqué. Les interrupteurs I41, I42 de la quatrième cellule de secours sont bloqués. Lorsqu'une défaillance a été détectée dans une cellule, ses interrupteurs sont forcés dans un état bloqué. Ces commandes sont réalisées par le dispositif de surveillance et de commande SO de la cellule. Le dispositif d'isolement électrique S1, (S2.1 et S2.2) est également commandé par le dispositif de surveillance et de commande SO de la cellule pour le mettre dans l'état bloqué lors d'une défaillance de la cellule avec laquelle elle est associée. L'association d'un dispositif de surveillance et de commande SO et d'un dispositif d'isolement électrique d'une cellule a une fonction de disjoncteur électronique vis-à-vis de la cellule.

Le dispositif de surveillance et de commande SO coopère également avec un dispositif de mesure de courant Mi inséré dans la connexion à la source de courant alternatif. La mesure issue de ce dispositif de mesure de courant Mi permet au dispositif de surveillance et de commande SO d'assurer la surveillance et le contrôle du courant dans la source de courant alternatif triphasée Mac d'une part et d'autre part de synchroniser les dispositifs d'isolement électrique lors du blocage afin de minimiser les contraintes liées au blocage.

Il coopère également avec un dispositif de mesure Mv de la tension collecteur-émetteur maximale Vcesat aux bornes de chacun des interrupteurs de la cellule lorsque le transistor composant l'interrupteur est saturé. Ce dispositif de mesure Mv permet de détecter la défaillance d'un interrupteur d'une cellule ayant pour cause le semi-conducteur ou un ordre de commande non souhaité. Ce dernier dispositif Mv est visible sur la figure 2B uniquement dans un souci de clarté.

Le dispositif de surveillance et de commande SO peut coopérer également avec un dispositif de mesure Mt de la température au voisinage des interrupteurs Ill, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42 des cellules Q1 à Q4. La prise de température se fait par exemple au niveau du boîtier de protection de ces interrupteurs. Ce dispositif de mesure Mt de température est esquissé sur la figure 2A uniquement dans un souci de clarté. Le dispositif de surveillance et de commande SO peut également contrôler la tension d'alimentation +V, -V qui lui est appliquée. Le dispositif de surveillance et de commande SO avec les données qu'il reçoit des dispositifs de mesure de tension, de courant et de température détecte et diagnostique tout défaut dans la cellule avec laquelle il coopère. Le défaut peut être un défaut de type court-circuit de l'un ou des deux interrupteurs de la cellule ou au contraire un défaut de type circuit ouvert de l'un ou des deux interrupteurs de la cellule. Ces défauts peuvent être causés par une défaillance de la commande des interrupteurs par le dispositif de surveillance et de commande SO. Une autre cause de défaillance est la défaillance interne d'un ou des deux interrupteurs I11, I12 de la cellule, par exemple par dépassement de la température critique d'une jonction semi-conductrice suite à un état d'avalanche, par densité de courant excessive. Encore une autre cause de défaillance de la cellule est une surintensité prolongée dans la connexion à la source de courant alternatif triphasée.

Lorsqu'un dispositif de surveillance et de commande SO a détecté et diagnostiqué une défaillance dans la cellule qui lui est associée, par exemple Q1, il force ses interrupteurs I11, I12 à l'état bloqué et il force à l'état bloqué le dispositif d'isolement électrique associé S1, (S2.1 et S2.2). Il envoie également un signal d'état à un organe superviseur OS (visible sur la figure 1A) avec lequel il communique. Cet organe superviseur OS est une partie de l'onduleur. Les résultats des mesures sont aussi envoyés à l'organe superviseur OS. Tous les dispositifs de surveillance et de commande SO communiquent avec cet organe superviseur OS qui va gérer notamment la reconfiguration de l'onduleur de tension en envoyant des ordres de commande logiques aux dispositifs de surveillance et de commande SO des autres cellules sans défaut et notamment au dispositif de surveillance et de commande SO de la quatrième cellule Q4, celle de secours, pour la faire passer de l'état d'attente à l'état actif. Chaque dispositif de surveillance et de commande SO gère donc localement la sécurité et les reconfigurations dans l'onduleur objet de la présente invention. Par reconfiguration de l'onduleur en cas de défaillance, on entend un fonctionnement différent de celui ayant cours en mode normal, en l'absence de défaillance. Ce fonctionnement en mode de secours est dégradé mais acceptable comme on le verra ultérieurement. En résumé, lorsque le dispositif de surveillance et de commande détecte une défaillance d'une cellule prise parmi les trois cellules Q1, Q2, Q3, l'organe superviseur OS provoque la mise en fonctionnement de la quatrième cellule Q4 et la mise à l'état passant du dispositif d'isolement électrique S1, (S2.1 et S2.2) associé à la quatrième cellule Q4.

Au niveau d'une cellule, Q1 par exemple, la coopération du dispositif d'isolement électrique S1, (S2.1 et S2.2) et du dispositif de surveillance et de commande SO permet de confiner le défaut et de bloquer la cellule associée complète Q1 qui est défaillante.

Il est préférable de prévoir des dispositifs de protection Pi, Pi', Pi" de chacun des interrupteurs I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42, de chacun des dispositifs d'isolement électrique S1 reliés à la source de courant alternatif triphasée Mac et de chacun des dispositifs d'isolement électrique S2.1 et S23.2 reliés à la source de tension continue Vdc. Ces dispositifs de protection Pi, Pi', Pi" évacuent l'énergie dissipée lors du passage de l'état passant à l'état bloqué des interrupteurs ou des dispositifs d'isolement.

Chaque dispositif de protection Pi des interrupteurs Ill, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42 est formé par exemple d'un ensemble série formé d'une diode transil bidirectionnelle DT et d'une résistance R, l'ensemble étant monté en parallèle aux bornes de l'interrupteur qu'il protège ; le point commun entre la diode transil DT et la résistance R est relié à la commande de l'interrupteur. Dans les exemples illustrés, il s'agit de la grille du transistor IGBT T. Les diodes transil sont connues pour leur rôle de protection anti-surtension. Deux de ces dispositifs de protection Pi sont visibles sur les figures 2A, 2B et 3. Les dispositifs de protection Pi' des dispositifs d'isolement électrique S1, lorsqu'ils sont reliés à la source de courant alternatif triphasée Mac, seront décrits par la suite en même temps que les dispositifs d'isolement électrique S1. Il en est de même pour les dispositif de protection Pi" reliés aux dispositifs d'isolement S2.1 et S2.2 reliés à la source de courant continue Vdc. On va maintenant voir en détail deux configurations possibles pour le dispositif d'isolement électrique S1 à relier à la source de courant alternatif triphasée Mac. On peut se référer aux figures 2A, 2B.30 Le dispositif d'isolement électrique comporte deux parties I'11, I'12 de type interrupteur à semi-conducteur. Sur la figure 2A, les deux interrupteurs I'11, I'12, sont montés en antiparallèle. Les interrupteurs sont formés chacun d'un montage série avec une diode et un transistor. Il s'agit de la diode D2' et du transistor T1' pour l'interrupteur I'll et de la diode D'1 et du transistor T'2 pour l'interrupteur I'12. Les cathodes des transistors T'1, T'2 sont avantageusement reliées. L'électrode de commande de chaque transistor T'1, T'2 est reliée au dispositif de surveillance et de commande SO associé à la cellule concernée. Le dispositif de protection Pi' est formé, pour chaque interrupteur I'11, I'12 du couple, d'une diode transil DT' bidirectionnelle montée en parallèle avec le transistor T'1, T'2 de l'interrupteur I'11, I'12 qu'elle protège. Cette configuration permet une isolation électrique de la cellule Q1 même si le courant de défaut qui circule dans la source de courant alternatif triphasée est considéré comme continu, c'est-à-dire qu'il ne s'annule pas. Cette configuration se 25 caractérise toutefois par des pertes de conduction non négligeables à cause de l'emploi des transistors T'. En variante illustrée sur la figure 2B, les interrupteurs sont des thyristors Thl, Th2 montés en antiparallèle. La gâchette de chaque thyristor Thl, Th2 30 est reliée au dispositif de surveillance et de commande SO associé à la cellule Q1. Le dispositif de protection 20 Pi' est formé par une diode transil DT' bidirectionnelle montée en parallèle avec le dispositif d'isolement électrique S1. Cette configuration ne peut être employée que si le courant de défaut circulant entre la source de tension et la source de courant alternatif triphasée est intermittent, c'est-à-dire qu'il s'annule. Sinon, une commande adaptée des autres cellules de commutation permet de satisfaire cette condition. Ce cas est tout à fait réaliste en présence d'un source de courant alternatif. Les pertes par conduction sont nettement plus faibles que dans le cas précédent à cause de l'emploi des thyristors. Cependant l'immunité de la commande vis-à-vis de variations rapides de potentiel sur l'électrode de commande est inférieure à celle existant dans la variante avec transistors compte tenu de la structure physique du thyristor qui est un composant à effet mémoire. On va maintenant voir en détails un mode de réalisation d'un dispositif d'isolement S2.1, S2.2 à relier à la source de tension continue en se référant aux figures 3A à 3D. Le dispositif de d'isolement se décompose en deux éléments d'isolement S2.1, S2.2, l'un S2.1 étant inséré entre l'un des interrupteurs I11 et l'une des bornes de la source de tension continue Vdc et l'autre S2.2 entre l'autre interrupteur I12 et l'autre borne de la source de tension continue Vdc. Chacun des éléments d'isolement S2.1, S2.2 comporte deux thyristors Th1', Th2' qui coopèrent dans un montage anti-parallèle sur la figure 3A. Chacun des éléments d'isolement S2.1, S2.2 comporte un thyristor Th1", Th2" et une diode Dl", D2" qui coopèrent dans un montage anti-parallèle sur la figure 3B. Le thyristor pourrait être remplacé par un transistor T10, T20 comme sur la figure 3D. En variante, chacun des éléments d'isolement S2.1, S2.2 comporte deux ensembles formés chacun d'un transistor T1, T2, et d'une diode Dl, D2, les deux ensembles étant montés en antiparallèle. Il est préférable de monter un dispositif de filtrage LC de type inductif capacitif en série avec chacun des éléments d'isolement S2.1, S2.2. Dans les deux configurations des figures 3A à 3D il y a une inductance L par élément d'isolement S2.1, S2.2 et un condensateur C commun pour chacun desdeux éléments d'isolement S2.1, S2.2. Le condensateur C est monté en parallèle avec le couple d'interrupteurs de chaque cellule Q1 à Q4. Le dispositif de protection Pi" peut être une ou plusieurs diodes transil DT" bidirectionnelles montées en parallèle avec les composants de chaque élément d'isolement S2.1, S2.2. Cette configuration permet d'obtenir une meilleure immunité de commande que dans le cas de la figure 2B car une des deux électrodes des interrupteurs S2.1, S2.2 est reliée à un potentiel peu variable qui est celui de la source de tension continue. On a représenté sur les figures 4A, 4B, les trois courants I1, I2, I3, en ampères, délivrés par l'onduleur de tension de l'invention, et circulant dans les connexions à la source de courant alternatif triphasée lors de l'apparition, à l'instant t = 15 ms, d'un court-circuit asymétrique dans l'une des cellules de commutation. On suppose que c'est celle qui délivre I1 et que l'asymétrie vient du fait que l'un des interrupteurs est en court-circuit et que simultanément l'autre est ouvert. La figure 4A donne la signature libre du défaut sous la forme d'un régime de courtcicuit intermittent mono alternance avec un rapport d'intensités maximale et nominale Imax/Inom de 15. La figure 4B donne la signature du même défaut suivi de l'activation de la quatrième cellule et de l'isolement de la cellule en défaut, et donc de la phase concernée, à l'aide d'un dispositif d'isolement à thyristors, que le dispositif d'isolement soit relié à la source de courant alternatif triphasée ou à la source de tension continue. Cet isolement a lieu dès la première annulation du courant (instant t = 17 ms). Le graphique de la figure 4C, illustre la commande de blocage appliquée aux thyristors du dispositif d'isolement. On observe que le rapport des intensités maximale et nominale Imax/Inom n'est plus que de 6. Plusieurs types de reconfigurations sont possibles après la détection d'une défaillance au niveau d'une ou de deux cellules de commutation. Les figures 5A, 5B, 5C illustrent les diagrammes vectoriels équivalents de configurations adoptées après la survenue d'une défaillance d'une ou deux cellules de commutation. Une des cellules défaillantes peut être la cellule de secours. Lors de la défaillance de l'une des cellules de commutation, autre que la cellule de secours, le fonctionnement de l'onduleur, après défaillance, peut être un fonctionnement diphasé avec un déphasage entre les deux phases de 120 comme sur la figure 5A, ou de 60 comme sur la figure 5B. La première configuration permet de maximiser la puissance moyenne aux dépens d'une puissance fluctuante importante. Inversement la seconde configuration offre une puissance fluctuante nulle aux dépens d'une puissance moyenne réduite. Dans les deux cas, la cellule de secours assure le retour des courants de phase diphasés par le neutre de la source de courant alternatif sous une tension moyenne proche de la demi tension de la source de tension continue. Une légère modulation du courant dans cette cellule de secours peut être envisagée.

Lors de la défaillance de deux cellules de commutation, autres que la cellule de secours, le fonctionnement de l'onduleur est un fonctionnement monophasé entre une phase et le neutre de la source de courant alternatif (figure 5C). Le courant de phase dans la source de courant alternatif circule dans le neutre et passe dans la cellule de secours. Lors de la défaillance de deux cellules de commutation dont la cellule de secours, seul un fonctionnement monophasé inter-phase (entre les deux phases restantes) ou bi-phasé est possible. On peut se référer à la figure 5D. Les éléments précédents mettent en relief l'intérêt d'une configuration en mode diphasé avec déphasage de 60 à puissance fluctuante nulle ou quasi nulle dans le cadre d'une continuité de mission après la défaillance et l'isolement d'une cellule de l'onduleur. Plusieurs possibilités de fonctionnement après la défaillance sont envisageables. Le fonctionnement à puissance moyenne réduite se traduit par une diminution des performances statiques ou 5 dynamiques de la source de courant alternatif. Si au contraire le maintien des performances dynamiques est souhaité, l'intensité des courants statoriques en mode diphasé avec déphasage de 60 doit être majorée par rapport au fonctionnement en mode triphasé. La simulation d'un passage du mode triphasé au mode de secours diphasé avec déphasage de 60 apparaît sur les figures 6A à 6D. La figure 6A montre les courants délivrés par l'onduleur objet de l'invention à la source de 15 courant alternatif que l'on suppose être un moteur synchrone à aimants permanents. En fonctionnement normal ces courants sont des courants triphasés. Dès l'apparition d'une défaillance dans une seule des cellules de commutation, l'onduleur passe en mode de 20 secours et délivre des courants diphasés qui sont déphasés entre eux de 60 . Sur la figure 6B, on a représenté la signature de modulation de deux cellules actives de l'onduleur et de la cellule de secours avant 25 l'apparition de la défaillance de la troisième cellule et après cette apparition alors que la reconfiguration a eu lieu. Les deux cellules concernées sont celles qui restent actives après l'apparition de la défaillance. La figure 6C représente la puissance 30 instantanée fournie à la source de courant alternatif par l'onduleur. Cette puissance est réduite après la 10 reconfiguration lorsque l'amplitude des courants de phase reste similaire. La figure 6D illustre le courant circulant dans la cellule de secours pendant la même plage de temps. Avant l'apparition de la défaillance, la cellule de secours est en attente, elle devient active après la reconfiguration. En conclusion, l'onduleur de tension selon l'invention est tolérant aux défaillances, il est apte à détecter et à isoler une ou plusieurs défaillances internes. Il peut préserver sa fonctionnalité initiale malgré la présence de ces défaillances moyennant la reconfiguration du branchement vis-à-vis des sources d'énergie avec lesquelles il coopère et de la commande de ses cellules de commutation. Un tel onduleur de tension triphasé possède une sécurité interne et une disponibilité fonctionnelle accrues par rapport aux onduleurs de tension conventionnels. Bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention.

DOCUMENTS CITÉS

[1] "Fault Tolerant Three-phase Ac Motor Drive Topologies : A Comparison of Features, Cost and Limitations", Brian A. Welchko et al., IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 19, N 4, July 2004, pages 1108-1116.

[2] "Experimental Fault-Tolerant Control of a PMSM Drive", Silverio Bolognani et al. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 47, N 5, October 2000, pages 1134-1141.

[3] "A Strategy for Improving Reliability of motor Drive Systems Using a Four-leg Three-Phase Converter", R. L.A Ribeiro , Applied Power Electronics Conference (APEC 2001), Vol 1, 4-8 March 2001, pages 385-391.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Onduleur de tension doté de quatre cellules de commutation (Q1 à Q4) à connecter aux bornes d'une source de tension continue (Vdc), comportant chacune deux interrupteurs (I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42) à semi-conducteur montés en série, ces interrupteurs ayant un point commun (AO) à connecter à une source de courant alternatif (Mac) avec trois phases (p1, p2, p3) et un neutre (n), la connexion se faisant sur une phase (p1, p2, p3) pour trois des cellules (Q1, Q2, Q3) et sur le neutre (n) pour la quatrième (Q4), caractérisé en ce que chacune des quatre cellules (Q1 à Q4) coopère avec un dispositif d'isolement électrique (Si, (S2.1 et S2.2)) à semi-conducteur à mettre dans un état bloqué en cas de défaillance de la cellule, ce dispositif d'isolement (Si, (S2.1 et S2.2)) étant disposé soit sur la connexion à la source de courant alternatif (Mac), soit sur les connexions aux bornes de la source de tension continue (Vdc).

2. Onduleur de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'isolement électrique a une fonction d'interrupteur électronique commandable, bidirectionnel en courant et en tension.

3. Onduleur de tension selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel, lorsque le dispositif d'isolement électrique (Si) est disposé surla connexion à la source de courant alternatif (Mac), ce dispositif d'isolement électrique (Si) comporte au moins deux parties (I'11, I'12) dans un montage antiparallèle.

4. Onduleur de tension selon la revendication 3, dans lequel chaque partie comporte une diode (D1', D2') et un transistor (T2', T1') en un montage série.

5. Onduleur de tension selon la revendication 3, dans lequel chaque partie comporte un thyristor (Th1, Th2). 15

6. Onduleur de tension selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel, lorsque le dispositif d'isolement électrique (52.1 et S2.2) est disposé sur les connexions aux bornes de la source de tension continue (Vdc), le dispositif d'isolement 20 électrique (52.1, S2.2) comporte, sur chaque connexion, au moins deux thyristors (Th1', Th2') montés en antiparallèle.

7. Onduleur de tension selon l'une des 25 revendications 1 ou 2, dans lequel lorsque le dispositif d'isolement électrique (52.1 et S2.2) est disposé sur les connexions aux bornes de la source de tension continue (Vdc), le dispositif d'isolement électrique (52.1, S2.2) comporte, sur chaque connexion, 30 au moins une diode (Dl", D2") et un thyristor (Th1", Th2") montés en antiparallèle. 10

8. Onduleur de tension selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel lorsque le dispositif d'isolement électrique (S2.1 et S2.2) est disposé sur les connexions aux bornes de la source de tension continue (Vdc), le dispositif d'isolement électrique (S2.1, S2.2) comporte, sur chaque connexion, au moins une diode (Dl", D2") et un transistor (T1, T2) montés en antiparallèle.

9. Onduleur de tension selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel lorsque le dispositif d'isolement électrique (S2.1 et S2.2) est disposé sur les connexions aux bornes de la source de tension continue (Vdc), le dispositif d'isolement électrique (S2.1, S2.2) comporte, sur chaque connexion, au moins deux ensembles avec chacun une diode (D1, D2) et un transistor (T1, T2) en série, ces deux ensembles étant montés en antiparallèle.

10. Onduleur de tension selon l'une des revendications précédentes dans lequel un dispositif de protection (Pi', Pi") coopère avec le dispositif d'isolement électrique (Si, (S2.1 et S2.2)).

11. Onduleur de tension selon la revendication 10, dans lequel le dispositif de protection (Pi') comporte au moins une diode transil (DT') en parallèle avec le dispositif d'isolement 30 électrique (S1).

12. Onduleur de tension selon l'une des revendications 6 ou 9, dans lequel un thyristor (Thl', Th2',Th1", Th2") ou un transistor (T10, T1) du dispositif d'isolement électrique (S2.1, S2.2) est en série avec un dispositif de filtrage (L C).

13. Onduleur de tension selon la revendication 12, dans lequel le dispositif de filtrage (LC) est inductif capacitif.

14. Onduleur de tension selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'interrupteur (I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42) comporte un transistor (T) et une diode (D) dans un montage antiparallèle.

15. Onduleur de tension selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'interrupteur (I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42) est équipé 20 d'un dispositif de protection (Pi).

16. Onduleur de tension selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque cellule de commutation (Q1 à Q4) coopère avec un dispositif de 25 surveillance de défaillance et de commande (SO) qui lui est propre.

17. Onduleur de tension selon la revendication 16, dans lequel lorsque le dispositif de 30 surveillance et de commande (SO) détecte une défaillance d'une cellule (Q1, Q2, Q3) prise parmi lestrois cellules (Q1 à Q3), il force à l'état bloqué les interrupteurs (I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42) de la cellule et le dispositif d'isolement électrique (Si, S2.1, S2.2) qui lui est associé.

18. Onduleur de tension selon la revendication 17, comportant un organe superviseur (OS), dans lequel lorsque le dispositif de surveillance et de commande (SO) détecte une défaillance d'une 10 cellule (Q1, Q2, Q3) prise parmi les trois cellules (Q1 à Q3), l'organe superviseur (OS) provoque la mise en fonctionnement de la quatrième cellule (Q4) et la mise à l'état passant du dispositif d'isolement électrique (S1, (S2.1, S2.2)) associé à la quatrième cellule (Q4). 15

19. Onduleur de tension selon l'une des revendications 16 à 18, dans lequel le dispositif de surveillance et de commande (SO) coopère avec un dispositif de mesure de courant (Mi) placé sur la 20 connexion à la source de courant alternatif (Mac).

20. Onduleur de tension selon l'une des revendications 16 à 19, dans lequel le dispositif de surveillance et de commande (SO) coopère avec un 25 dispositif de mesure de la température des interrupteurs (I11, I12, I21, I22, I31, I32, I41, I42).5