FR2922382A1

FR2922382A1 - Four-quadrant rectifier for rectifying three phase current in e.g. current generator, has protection units formed of control unit and diode, and protecting rectifier against short circuit formed between inlet and outlet terminals

Info

Publication number: FR2922382A1
Application number: FR0758356A
Authority: FR
Inventors: Simon Russell Jones; Sebti Hadjadji
Original assignee: Converteam SAS
Current assignee: GE Energy Power Conversion France SAS
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2009-04-17
Anticipated expiration: 2027-10-16
Also published as: FR2922382B1

Abstract

The rectifier (10) has inlet terminals (14a, 14b, 14c) connected with a three phase alternating current network (12), and outlet terminals (18a, 18b) connected with a continuous current consumer/producer (16) i.e. current generator. A rectifier stage (20) is connected between the terminals, and has a semiconductor thyristor bridge (26) to rectify three phase current received on the inlet terminals. An active filter (36) is connected between the terminals. Protection units formed of a control unit (76) and a diode (82) protects the rectifier against short circuit formed between the terminals.

Description

Convertisseur de courant bidirectionnel La présente invention concerne un redresseur quatre quadrants comportant des bornes d'entrée pour une connexion à un réseau électrique triphasé et des bornes de sortie pour une connexion à un consommateur/producteur de courant continu. Plus particulièrement, la présente invention concerne un tel redresseur comportant : - un étage redresseur connecté entre lesdites bornes d'entrée et de sortie et comprenant un pont redresseur à semi-conducteurs apte à redresser un courant triphasé reçu sur les bornes d'entrée ; et - un filtre actif connecté entre lesdites bornes d'entrée et de sortie. Un tel redresseur est connu de l'article Industrial Applications of Active Filters and Supply Conditioners de S.R. Jones et al. dans IEE Coloquium "Power Quality and EMC", mars 2000, Glasgow. The present invention relates to a four-quadrant rectifier having input terminals for connection to a three-phase electrical network and output terminals for connection to a consumer / DC generator. More particularly, the present invention relates to such a rectifier comprising: - a rectifier stage connected between said input and output terminals and comprising a semiconductor rectifier bridge adapted to rectify a three-phase current received on the input terminals; and an active filter connected between said input and output terminals. Such a rectifier is known from the article Industrial Applications of Active Filters and Supply Conditioners by S. R. Jones et al. in IEE Coloquium "Power Quality and EMC", March 2000, Glasgow.

Toutefois, de par sa structure, le redresseur décrit dans cet article est susceptible d'être irrémédiablement endommagé à tout moment par un court-circuit apparaissant à ses bornes de sortie. Le but de la présente invention est de résoudre le problème susmentionné. However, by its structure, the rectifier described in this article is likely to be irreparably damaged at any time by a short circuit appearing at its output terminals. The object of the present invention is to solve the above problem.

A cet effet, l'invention a pour objet un redresseur quatre quadrants du type précité, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens à semi-conducteur de protection du redresseur contre des courts-circuits apparaissant entre lesdites bornes de sortie. Dans un mode de réalisation particulier, le pont à semi-conducteurs de l'étage redresseur est un pont de thyristors commandable, et en ce que les moyens à semi-conducteur de protection contre les courts-circuits comportent : - des moyens de détection de court-circuit entre les bornes de sortie du redresseur; et -des moyens de commande du pont de thyristors aptes à bloquer celui- ci lorsqu'un court-circuit est détecté. Plus particulièrement, les moyens de détection de court-circuit peuvent comporter un capteur de courant sur une desdites bornes de sortie et des moyens de comparaison du courant mesuré avec une valeur de seuil prédéterminée. For this purpose, the subject of the invention is a four-quadrant rectifier of the aforementioned type, characterized in that it comprises semiconductor means for protecting the rectifier against short-circuits appearing between said output terminals. In a particular embodiment, the semiconductor bridge of the rectifier stage is a controllable thyristor bridge, and in that the semiconductor short-circuit protection means comprise: short circuit between the output terminals of the rectifier; and thyristor bridge control means able to block it when a short circuit is detected. More particularly, the short-circuit detection means may comprise a current sensor on one of said output terminals and means for comparing the measured current with a predetermined threshold value.

Egalement dans un mode de réalisation particulier, les moyens de protection contre les courts-circuits comportent un commutateur statique agencé en entrée du filtre actif. Plus particulièrement, le commutateur statique peut être une diode dont une anode est connectée à l'une des bornes de sortie du redresseur et dont une cathode est connectée à une borne d'entrée du pont à semi-conducteurs du filtre actif. Egalement dans un mode de réalisation particulier, le redresseur comporte en outre des moyens aptes à réaliser un découplage galvanique entre l'étage redresseur et le filtre actif. On observera que cet agencement peut être mis en oeuvre indépendamment des autres caractéristiques de l'invention. Plus particulièrement, les moyens de découplage galvanique peuvent comporter un transformateur triphasé de courant agencé entre des bornes de sortie du pont à semi-conducteurs du filtre actif et les bornes d'entrée du redresseur. Le filtre actif peut en outre comporter un bobinage triphasé agencé en sortie du pont à semi-conducteurs de celui-ci, un enroulement secondaire du transformateur de courant étant constitué dudit bobinage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec l'unique figure annexée qui est une vue schématique d'un redresseur quatre quadrants selon l'invention. Sur la figure 1, un redresseur quatre quadrants 10 est connecté à un réseau de courant alternatif triphasé 12 au niveau de trois bornes d'entrée 14a, 14b, 14c et à un dispositif 16 consommateur, ou générateur suivant les applications, de courant monophasé au niveau de deux bornes de sortie 18a, 18b. Le terme de quatre quadrants se rapporte ici au fait que le redresseur 10 est bidirectionnel, prélevant du courant du réseau 12 lorsque le dispositif 16 est une charge consommatrice de courant et réinjectant du courant sur le réseau lorsque le dispositif 16 est un générateur de courant. Le redresseur 10 comporte un étage redresseur 20 comprenant une bobine 22a, 22b, 22c connectée à chaque borne d'entrée 14a, 14b, 14c par l'une de ses extrémités et connectée par l'autre de ses extrémités à une borne d'entrée 24a, 24b, 24c d'un pont de thyristors commandable 26 qui transforme le courant triphasé reçu au travers des bobines 22a, 22b, 22c en un courant monophasé redressé. L'étage redresseur 20 comprend enfin un filtre LC 28 connecté entre les bornes de sortie 18a, 18b du redresseur 10 et des bornes de sortie 24a, 24b du pont de thyristors 26. Le filtre LC 28 comprend une bobine 32 connectée à l'une de ses extrémités à une borne de sortie 30a du pont de thyristors 26 et à l'autre de ses extrémités à une des bornes de sortie 18a du redresseur 10. Le filtre LC 28 comprend également un condensateur 34 connecté entre les bornes de sortie 18a, 18b. Le redressement de courant réalisé par l'étage redresseur 20 est classique et ne sera donc pas expliqué plus en détail par la suite. Le redresseur 10 comporte par ailleurs un filtre actif 36 connecté en parallèle de l'étage 20 entre les bornes d'entrée 14a, 14b, 14c et de sortie 18a, 18b. Le filtre 36 comporte un pont 38 de transistors bipolaires à portes isolés (transistors plus communément connus sous le nom d ( IGBT ) comprenant deux bornes d'entrée 40a, 40b de courant monophasé et trois bornes de sortie 42a, 42b, 42c de courant triphasé. Also in a particular embodiment, the short-circuit protection means comprise a static switch arranged at the input of the active filter. More particularly, the static switch may be a diode whose anode is connected to one of the output terminals of the rectifier and a cathode of which is connected to an input terminal of the semiconductor bridge of the active filter. Also in a particular embodiment, the rectifier further comprises means capable of achieving a galvanic decoupling between the rectifier stage and the active filter. It will be observed that this arrangement can be implemented independently of the other features of the invention. More particularly, the galvanic decoupling means may comprise a three-phase current transformer arranged between output terminals of the semiconductor bridge of the active filter and the input terminals of the rectifier. The active filter may further comprise a three-phase winding arranged at the output of the semiconductor bridge thereof, a secondary winding of the current transformer being constituted by said winding. The invention will be better understood on reading the following description, given solely by way of example, and made with reference to the single appended figure which is a schematic view of a four-quadrant rectifier according to the invention. In FIG. 1, a four-quadrant rectifier 10 is connected to a three-phase alternating-current network 12 at three input terminals 14a, 14b, 14c and to a consumer device, or generator according to the applications, of single-phase current at level of two output terminals 18a, 18b. The term four quadrants here refers to the fact that the rectifier 10 is bi-directional, taking current from the network 12 when the device 16 is a current-consuming load and feeding back current to the network when the device 16 is a current generator. The rectifier 10 comprises a rectifier stage 20 comprising a coil 22a, 22b, 22c connected to each input terminal 14a, 14b, 14c by one of its ends and connected by the other of its ends to an input terminal. 24a, 24b, 24c of a controllable thyristor bridge 26 which converts the received three-phase current through the coils 22a, 22b, 22c into a rectified single-phase current. The rectifier stage 20 finally comprises an LC filter 28 connected between the output terminals 18a, 18b of the rectifier 10 and the output terminals 24a, 24b of the thyristor bridge 26. The LC filter 28 comprises a coil 32 connected to one of the from its ends to an output terminal 30a of the thyristor bridge 26 and at the other end thereof to one of the output terminals 18a of the rectifier 10. The LC filter 28 also includes a capacitor 34 connected between the output terminals 18a, 18b. The current rectification performed by the rectifier stage 20 is conventional and will therefore not be explained in more detail later. The rectifier 10 furthermore comprises an active filter 36 connected in parallel with the stage 20 between the input terminals 14a, 14b, 14c and the output terminals 18a, 18b. The filter 36 comprises a bridge 38 of insulated-gate bipolar transistors (transistors more commonly known by the name of (IGBT) comprising two input terminals 40a, 40b of single-phase current and three output terminals 42a, 42b, 42c of three-phase current .

Le pont 38 comporte trois étages d'IGBT 44, 46, 48 connectés en parallèle entre les bornes d'entrée 40a, 40b. Chacun de ces étages comprend un premier IGBT 50 dont le collecteur est connecté à une des bornes d'entrée 40a du pont 36 et un second IGBT 52 dont l'émetteur est connecté à l'autre des bornes d'entrée 40b du pont 38, l'émetteur du premier IGBT 50 étant connecté au collecteur du second 1GBT 52. Une diode de roue libre 54, 56 est par ailleurs associé à chaque IGBT du pont 38 en étant connectée par sa cathode au collecteur, et par son anode à l'émetteur, del' IGBT. Le filtre actif 36 comprend également un condensateur 58 connecté entre les bornes d'entrée 40a, 40b du pont d'IGBT 38, un filtre RLC passif 60a, 60b, 60c du second ordre connecté à chaque borne de sortie 42a, 42b, 42c du pont 38 et un transformateur de courant triphasé 62 connecté entre les filtres RLC 60a, 60b, 60c et les bornes d'entrée 14a, 14b, 14c du redresseur 10. The bridge 38 has three IGBT stages 44, 46, 48 connected in parallel between the input terminals 40a, 40b. Each of these stages comprises a first IGBT 50 whose collector is connected to one of the input terminals 40a of the bridge 36 and a second IGBT 52 whose emitter is connected to the other of the input terminals 40b of the bridge 38, the transmitter of the first IGBT 50 being connected to the collector of the second 1GBT 52. A freewheeling diode 54, 56 is furthermore associated with each IGBT of the bridge 38 while being connected by its cathode to the collector, and by its anode to the issuer, from the IGBT. The active filter 36 also comprises a capacitor 58 connected between the input terminals 40a, 40b of the IGBT bridge 38, a second-order passive RLC filter 60a, 60b, 60c connected to each output terminal 42a, 42b, 42c of the bridge 38 and a three-phase current transformer 62 connected between the RLC filters 60a, 60b, 60c and the input terminals 14a, 14b, 14c of the rectifier 10.

Chacun de ces filtres RLC 60a, 60b, 60c comporte une bobine 64a, 64b, 64c connectée à l'une de ses extrémités à l'une des bornes de sortie 42a, 42b, 42c du pont à IGBT 38 et à l'autre de ses sorties à une entrée de phase du transformateur 62. Each of these RLC filters 60a, 60b, 60c comprises a coil 64a, 64b, 64c connected at one of its ends to one of the output terminals 42a, 42b, 42c of the IGBT bridge 38 and to the other of its outputs to a phase input of the transformer 62.

Le filtre actif 36 comprend enfin un capteur de courant 66 mesurant l'intensité du courant triphasé aux bornes 14a, 14b, 14c du redresseur, un capteur de tension 68 mesurant la tension continue aux bornes 40a, 40b du filtre actif 38 et une unité de traitement d'informations 70. Cette unité 70 est connectée aux capteurs de courant 66, 68 et au pont d'IGBT 38 dont elle commande la commutation des transistors IGBT en fonction du courants et de la tension mesurés. Plus particulièrement, le courant triphasé du réseau 12, lorsqu'il n'est pas perturbé, est sensiblement sinusoïdal. Or, lorsque du courant est prélevé du réseau 12 et redressé par l'étage redresseur, on observe qu'en l'absence du filtre actif 36 la commutation des thyristors du pont 36 a pour effet de perturber le courant prélevé. Ce dernier comporte alors, outre la partie fondamentale, c'est-à-dire le courant sinusoïdal, une partie harmonique générée par la commutation du pont de thyristor 26. L'unité de traitement d'information 70 commande la commutation du pont d'IGBT 38 en fonction du courant triphasé mesuré par le capteur 66 pour que le filtre actif 36 délivre sur les bornes d'entrée 14a, 14b, 14c du redresseur 10 un courant triphasé annulant cette partie harmonique. Le courant triphasé ainsi prélevé sur le réseau 12 est sensiblement égal au courant fondamental de celui-ci. Par ailleurs, lorsqu'un producteur de courant continu est connecté aux bornes de sortie 18a, 18b, l'unité de traitement d'informations 70 commande la commutation du pont d'IGBT 38 en fonction de la tension continue mesurée par le capteur 68 pour que le filtre actif 36 transforme ce courant continu en un courant triphasé qui est réinjecté sur le réseau 12. Pour de plus amples détails sur le fonctionnement du filtre actif 36, on 30 pourra se reporter à l'article Industrial Applications of Active Filters and Supply Conditioners mentionné précédemment. The active filter 36 finally comprises a current sensor 66 measuring the intensity of the three-phase current at the terminals 14a, 14b, 14c of the rectifier, a voltage sensor 68 measuring the DC voltage across the terminals 40a, 40b of the active filter 38 and a control unit. information processing 70. This unit 70 is connected to the current sensors 66, 68 and the IGBT bridge 38 which it controls the switching of the IGBT transistors according to the measured currents and voltage. More particularly, the three-phase current of the network 12, when it is not disturbed, is substantially sinusoidal. However, when current is taken from the network 12 and rectified by the rectifier stage, it is observed that in the absence of the active filter 36 switching thyristors of the bridge 36 has the effect of disturbing the current drawn. The latter then comprises, in addition to the fundamental part, that is to say the sinusoidal current, a harmonic part generated by the switching of the thyristor bridge 26. The information processing unit 70 controls the switching of the bridge. IGBT 38 as a function of the three-phase current measured by the sensor 66 so that the active filter 36 delivers on the input terminals 14a, 14b, 14c of the rectifier 10 a three-phase current canceling this harmonic portion. The three-phase current thus taken from the network 12 is substantially equal to the fundamental current thereof. On the other hand, when a DC producer is connected to the output terminals 18a, 18b, the information processing unit 70 controls the switching of the IGBT bridge 38 according to the DC voltage measured by the sensor 68 to that the active filter 36 converts this direct current into a three-phase current which is fed back to the network 12. For further details on the operation of the active filter 36, reference may be made to the article Industrial Applications of Active Filters and Supply Conditioners mentioned above.

Pour la protection du redresseur 10 contre des courts-circuits qui pourraient apparaître à ses bornes de sortie 18a, 18b, il est prévu un mécanisme de protection. Une première partie de ce mécanisme prévue pour la protection de l'étage redresseur 20 consiste à choisir pour celui-ci un pont de thyristors 26 commandable et, associé à ce pont de thyristors 26, un dispositif 72 de détection de courts-circuits en sortie de l'étage redresseur 20. Le dispositif 72 de détection comporte un capteur de courant 74 agencé entre la bobine 32 et le condensateur 34 de l'étage redresseur 20 ainsi qu'une unité 76 de commande du pont de thyristor 38. Cette unité 76 comporte un comparateur 78 connecté au capteur 74 et comparant l'intensité du courant mesuré par celui-ci à une valeur de seuil prédéterminée, un court-circuit étant détecté lorsque le courant mesuré est supérieur à la valeur de seuil. Le dispositif 72 comporte également une unité 80 connectée au 15 comparateur 78 et commandant le blocage du pont de thyristors 26 lorsque qu'un court-circuit est détecté. Une seconde partie du mécanisme de protection prévue pour la protection du filtre actif 36 contre les courts-circuits comprend un commutateur statique agencé entre les bornes de sortie 18a, 18b du redresseur 10 et les 20 bornes d'entrée du pont d'IGBT 38 du filtre actif 36. Ce commutateur est préférentiellement une diode 82 connectée par son anode à l'une des bornes de sortie 18a du redresseur et par sa cathode à la borne d'entrée 40a correspondante du pont d'IGBT 38. Ainsi, comme il est possible de le constater, la protection contre les 25 courts-circuits est réalisée à l'aide de semi-conducteurs de conception simple et peu onéreux. Le transformateur de courant 62 du filtre actif 36 a pour fonction de transformer la tension triphasée générée par le pont d'IGBT 38 en une tension compatible avec le réseau 12.For the protection of the rectifier against short circuits which might appear at its output terminals 18a, 18b, a protection mechanism is provided. A first part of this mechanism provided for the protection of the rectifier stage 20 consists of selecting for it a controllable thyristor bridge 26 and, associated with this thyristor bridge 26, a device 72 for detecting short circuits on the output side. of the rectifier stage 20. The detection device 72 comprises a current sensor 74 arranged between the coil 32 and the capacitor 34 of the rectifier stage 20 and a control unit 76 for the thyristor bridge 38. This unit 76 comprises a comparator 78 connected to the sensor 74 and comparing the intensity of the current measured by it to a predetermined threshold value, a short circuit being detected when the measured current is greater than the threshold value. The device 72 also includes a unit 80 connected to the comparator 78 and controlling the blocking of the thyristor bridge 26 when a short circuit is detected. A second part of the protection mechanism provided for the protection of the active filter 36 against short circuits comprises a static switch arranged between the output terminals 18a, 18b of the rectifier 10 and the input terminals of the IGBT bridge 38 of the active filter 36. This switch is preferably a diode 82 connected by its anode to one of the output terminals 18a of the rectifier and by its cathode to the corresponding input terminal 40a of the IGBT bridge 38. Thus, as it is As can be seen, protection against short-circuits is achieved by using simple and inexpensive semiconductors. The current transformer 62 of the active filter 36 has the function of transforming the three-phase voltage generated by the IGBT bridge 38 into a voltage compatible with the network 12.

30 Cependant, contrairement à un autotransformateur, le transformateur 62 réalise également un découplage galvanique entre l'étage redresseur 20 et le filtre actif 36. Un tel découplage permet au filtre actif 36 de fonctionner avec une efficacité accrue lorsqu'il est utilisé pour transformer un courant continu et réinjecter le courant transformé sur le réseau 12. En effet, dans une telle application, l'étage redresseur 20 et le filtre actif 36 sont électriquement indépendants de par la présence du transformateur 62. Dans un autre mode de réalisation du filtre actif 36, le transformateur 62 de courant triphasé est agencé en sortie du pont d'IGBT 38 à la place des bobines 64a, 64b, 64c. Le secondaire du transformateur 62 joue alors le rôle de ces dernières dans les filtres RLC, 60a, 60b, 60c. Bien qu'il ait été décrit un redresseur quatre quadrants comportant à la fois des moyens à semi-conducteur de protection contre les courts-circuits et des moyens de découplage galvanique, ces moyens peuvent être intégrés indépendamment les uns des autres dans un redresseur quatre quadrants. However, unlike an autotransformer, the transformer 62 also performs a galvanic decoupling between the rectifier stage 20 and the active filter 36. Such decoupling allows the active filter 36 to operate with increased efficiency when used to transform a transformer. direct current and reinject the transformed current on the network 12. Indeed, in such an application, the rectifier stage 20 and the active filter 36 are electrically independent of the presence of the transformer 62. In another embodiment of the active filter 36, the three-phase current transformer 62 is arranged at the output of the IGBT bridge 38 in place of the coils 64a, 64b, 64c. The secondary of the transformer 62 then plays the role of the latter in the RLC filters, 60a, 60b, 60c. Although a four-quadrant rectifier having both semiconductor short-circuit protection means and galvanic decoupling means has been described, these means can be integrated independently of one another in a four-quadrant rectifier. .

Claims

A four-quadrant rectifier (10) having input terminals (14a, 14b, 14c) for connection to a three-phase power grid (12) and output terminals (18a, 18b) for connection to a consumer / producer direct current device (16), said rectifier (16) comprising: - a rectifier stage (20) connected between said input (14a, 14b, 14c) and output (18a, 18b) terminals and comprising a semi rectifier bridge -conductors (26) adapted to rectify a three-phase current received on the input terminals (14a, 14b, 14c); and an active filter (36) connected between said input (14a, 14b, 14c) and output (18a, 18b) terminals, characterized in that it comprises means (26, 76, 82) at half protective conductor of the rectifier against short circuits occurring between said output terminals (18a, 18b).

Rectifier according to claim 1, characterized in that the semiconductor bridge of the rectifier stage (20) is a controllable thyristor bridge (26), and that the semiconductor means for protecting against short circuits comprise: - short-circuit detection means (74, 78) between the output terminals (18a, 18b) of the rectifier (10); and control means (80) for the thyristor bridge (26) able to block it when a short circuit is detected.

3. Rectifier according to claim 2, characterized in that the short-circuit detection means comprise a current sensor (74) on one of said output terminals (18a) and means (78) for comparing the current measured with a predetermined threshold value.

4. Rectifier according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the short-circuit protection means comprise a static switch (82) arranged at the input of the active filter (36).

5. Rectifier according to claim 3, characterized in that the static switch is a diode (82) of which an anode is connected to one of the output terminals (18a) of the rectifier (10) and a cathode is connected to a input terminal (40a) of the semiconductor bridge (38) of the active filter (36).

6. Rectifier according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises means (62) adapted to achieve a galvanic decoupling between the rectifier stage (20) and the active filter (36).

7. Rectifier according to claim 6, characterized in that the galvanic decoupling means comprises a three-phase current transformer (62) arranged between output terminals (42a, 42b, 42c) of the semiconductor bridge (38) of the filter active (36) and the input terminals (14a, 14b, 14c) of the rectifier (10).

8. Rectifier according to claim 7, characterized in that the active filter comprises a three-phase winding arranged at the output of the semiconductor bridge (38) thereof, and in that a secondary winding of the current transformer (62) consists of said winding.