FR2969419A1 - Convertisseur de puissance equipe en sortie d'un dispositif de filtrage - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un convertisseur de puissance comportant plusieurs phases de sorties (U, V, W) connectées à une charge électrique et comprenant également un dispositif de filtrage connecté sur ses phases de sortie, le dispositif de filtrage comprenant une inductance de mode commun (L ) doté d'un enroulement connecté sur chaque phase de sortie (U, V, W), des condensateurs de filtrage (C ) et une inductance de mode différentiel (L ) connectés en série entre l'inductance de mode commun (L ) et un point milieu (P1) situé entre les deux condensateurs de bus (C , C ).

Description

Convertisseur de puissance équipé en sortie d'un dispositif de filtrage

La présente invention se rapporte à un convertisseur de puissance connecté à un moteur électrique et équipé en sortie d'un dispositif de filtrage. Ce convertisseur de puissance sera par exemple inclus dans un variateur de vitesse. De façon connue, un variateur de vitesse comporte un module redresseur qui fournit une tension continue à partir d'un réseau d'alimentation alternatif extérieur. Le variateur de vitesse comporte ensuite un module onduleur (ou hacheur) doté de 1 o composants électroniques semi-conducteurs de puissance pour hacher la tension continue par Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI ou Pulse Width Modulation - PWM), de façon à fournir en sortie via un câble de puissance une tension électrique variable pulsée et une vitesse de rotation variable à un moteur électrique. Pour commander le moteur en MLI avec une tension variable appropriée, une unité de 15 commande du variateur contrôle la conduction et le blocage des composants électroniques semi-conducteurs à la fréquence de découpage. La fréquence de commutation pour la commande MLI des semi-conducteurs de puissance correspond à la fréquence de découpage du variateur. En fonction du type et du calibre du variateur, cette fréquence de commutation varie généralement 20 entre approximativement 2 et 16 kHz. La commutation des composants électroniques semi-conducteurs génère en sortie du variateur de vitesse une variation de la tension de mode commun entraînant en amont et en aval du système de conversion des perturbations électromagnétiques de même mode, au travers d'un bouclage par la terre des courants de fuite dus 25 notamment aux capacités parasites du moteur et du câble moteur. Un dispositif de filtrage est donc souvent utilisé pour atténuer les courants de mode commun et éviter leur propagation vers le réseau d'alimentation. Habituellement, afin d'atténuer les courants de mode commun, un filtre CEM est connecté en entrée du variateur entre le réseau d'alimentation alternatif et le 30 module redresseur du variateur. Il est efficace dans une zone de fréquence située entre 150 kHz et 30 MHz, ce qui permet notamment de répondre aux normes européennes actuelles en matière de compatibilité électromagnétique.

Ce filtre CEM comporte une inductance de mode commun comprenant un enroulement sur chaque ligne conductrice du réseau d'alimentation et des condensateurs de mode commun reliés entre chaque ligne et la terre, en aval de l'inductance de mode commun. Le filtre forme ainsi un circuit passif de type passe-bas avec une fréquence de coupure permettant d'obtenir l'atténuation désirée des courants de mode commun dans la zone de fréquence fixée par les normes. Cependant, la tension de mode commun due à la modulation de largeur d'impulsion est à l'origine d'un courant de mode de commun susceptible de traverser les roulements du moteur et de provoquer des phénomènes de piquage (appelé également EDM pour "Electrical Discharge Machining") influant sur la durée de vie du moteur. Le filtre CEM situé en entrée n'est pas suffisant pour lutter contre ces phénomènes de piquage. Le but de l'invention est de proposer un convertisseur de puissance agencé pour lutter contre les courants de mode commun susceptibles de réduire la durée de vie du moteur. Ce but est atteint par un convertisseur de puissance comportant plusieurs phases de sorties connectées à une charge électrique et comprenant également : un bus continu d'alimentation de puissance doté d'une première ligne d'alimentation et d'une deuxième ligne d'alimentation, deux condensateurs de bus connectés en série entre la première ligne d'alimentation et la deuxième ligne d'alimentation, un module onduleur connecté au bus continu d'alimentation et comportant des composants électroniques semi-conducteurs commandés par une unité de commande pour appliquer une tension variable à la charge électrique, un dispositif de filtrage connecté sur les phases de sortie et comportant une inductance de mode commun dotée d'un enroulement connecté sur chaque phase de sortie, le dispositif de filtrage comportant : des condensateurs de filtrage et une inductance de mode différentiel connectés en série entre l'inductance de mode commun et un point milieu situé entre les deux condensateurs de bus. 30 L'invention concerne également un variateur de vitesse comportant en entrée un module redresseur connecté à un réseau d'alimentation et destiné à fournir une tension redressée à partir d'une tension alternative délivrée par le réseau d'alimentation, le variateur comportant un convertisseur de puissance tel que défini ci- dessus, ledit convertisseur étant connecté en aval du module redresseur. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un schéma d'un variateur de vitesse existant, la figure 2 représente, de manière schématique, un convertisseur de puissance conforme à l'invention. En référence au schéma de principe simplifié de la figure 1, un variateur de vitesse est destiné à la commande d'une charge électrique telle que par exemple un moteur électrique M de type synchrone ou asynchrone. Le variateur comprend un module onduleur 10 et plusieurs phases de sortie U, V, W représentées sous la forme d'un câble puissance 19 connecté au moteur M électrique à commander. Pour chaque phase U, V, W du moteur, le module onduleur 10 comprend deux composants électroniques semi-conducteurs de puissance de type IGBT ou autres (représentés sur la figure 1 comme de simples interrupteurs pour simplifier le dessin), et une unité de commande 100 comportant un microcontrôleur permettant de commander par MLI ces composants électroniques semi-conducteurs du module onduleur 10 en vue de fournir une tension variable au moteur M.

En amont du module onduleur 10, le variateur comporte également un module redresseur 20 et un bus continu d'alimentation. En référence à la figure 1, le module redresseur 20 est connecté au réseau d'alimentation 40. Le module redresseur 20 est par exemple composé d'un pont de diodes qui permet de redresser une tension alternative fournie par le réseau et d'appliquer une tension redressée sur le bus continu d'alimentation. Plus précisément, le module redresseur 20 comporte plusieurs bras composés chacun de deux diodes en série, chaque bras étant connecté à une phase d'entrée par le point milieu situé entre les deux diodes.

Le bus continu d'alimentation de puissance relie le module redresseur 20 au module onduleur 10. Il comporte une ligne d'alimentation à potentiel positif V+ et une ligne d'alimentation à potentiel négatif V-. Deux condensateurs de bus Cbus1, Cbus2 destinés à maintenir la tension du bus à une valeur constante, sont par exemple connectés en série entre les deux lignes d'alimentation du bus. La figure 1 montre un réseau d'alimentation extérieur triphasé comportant trois lignes d'alimentation a, b, c, mais l'invention s'applique de façon équivalente à un réseau d'alimentation monophasé. De même, le moteur M décrit dans la figure 1 est alimenté en triphasé mais l'invention s'applique évidemment aussi à un moteur 1 o électrique alimenté en monophasé. De même, le module onduleur 10 décrit dans la figure 1 est un onduleur deux niveaux triphasé mais l'invention s'applique évidemment aussi à un module onduleur multi-niveaux et par extension à tout type de convertisseur de topologie différente produisant un système de tension polyphasée comportant des fronts de tension et une composante homopolaire. 15 On sait que le moteur M et le câble 19 ont des capacités parasites réparties à la terre, que l'on peut modéliser par une capacité commune CM. La commutation des semi-conducteurs du module onduleur 10 entraîne des variations de tension très importantes qui provoquent la création d'un courant de mode commun noté IMC et égal à IMC = CM * dV/dt. 20 De manière connue, un dispositif de filtrage 30, composé d'un filtre CEM, est positionné entre le réseau d'alimentation 40 et le module redresseur 20. Les caractéristiques de ce filtre CEM sont calculées pour permettre au variateur de vitesse de répondre aux normes CEM dans une zone de fréquence allant au-delà de 150 kHz. Le filtre CEM 30 comporte une inductance de mode commun Lmc1 connectée en série 25 entre le réseau 40 et le module redresseur 20. Elle est composée d'un enroulement sur chaque ligne a, b, c du réseau d'alimentation, les enroulements étant magnétiquement couplés entre eux. Le filtre CEM 30 comporte également des condensateurs de mode commun CF connectés entre chaque ligne a, b, c et la terre, en aval de l'inductance de mode commun Lmc1. Le filtre CEM 30 peut en plus 30 comporter des capacités différentielles entre phases (filtrage différentiel) non représentées sur la figure 1. Le courant de mode commun généré se reboucle par la terre via la capacité moteur+câble CM en empruntant de manière préférentielle le chemin noté IMC1 sur la figure 1, via le module redresseur 20, le module onduleur 10, la capacité parasite CM, 35 les condensateurs de mode commun CF. Pour privilégier ce chemin IMC1, on utilise des valeurs d'impédances faibles pour les condensateurs de mode commun CF et des valeurs d'impédances fortes pour l'inductance de mode commun Lmci. L'emploi du filtre CEM en entrée n'est cependant pas suffisant, notamment pour lutter contre le courant de mode commun généré par les commutations de forte tension du module onduleur 10 et susceptible de dégrader les roulements du moteur M par les phénomènes de piquage. En référence à la figure 2, le principe de l'invention est donc de placer un dispositif de filtrage en sortie du module onduleur 10, sur les phases de sortie U, V, W 1 o du convertisseur de puissance formé par le bus continu d'alimentation et le module onduleur 10. L'invention est décrite ci-dessous pour un convertisseur de puissance pouvant être inclus par exemple dans un variateur de vitesse tel que décrit ci-dessus. Ce dispositif de filtrage de l'invention se compose de : une inductance de mode commun Lmc2 comportant plusieurs enroulements connectés chacun sur une phase de sortie U, V, W du convertisseur de puissance, une inductance de mode différentiel Ld et des condensateurs de filtrage CF2 connectés en série entre l'inductance de mode commun Lmc2 et un point milieu P1 situé entre les deux condensateurs de bus Cbus1, Cbus2, l'inductance de mode différentiel Ld comportant plusieurs enroulements connectés chacun à un enroulement distinct de l'inductance de mode commun Lmc2 via un condensateur de filtrage CF2 distinct. Selon l'invention, l'inductance de mode commun Lmc2 présente en sortie du convertisseur de puissance crée un chemin à haute impédance pour le courant de 25 mode commun à haute fréquence entre la sortie du convertisseur et le moteur M, entraînant une réduction de la tension crête de mode commun aux bornes du moteur M. De plus, l'inductance de mode commun Lmc2 permet de réduire la variation de tension de mode commun en fonction du temps formée par les capacités parasites du câble 19 par rapport à la terre. 30 Selon l'invention, les condensateurs de filtrage CF2 sont agencés pour court-circuiter le moteur M et rediriger le courant de mode commun directement vers les sources de tension représentées par les condensateurs de bus Cbusli Cbus2. Ainsi on évite que le courant de mode commun circule sur tout le câble puissance 19 et on 15 20 réduit les perturbations électromagnétiques générées lors du passage du courant de mode commun sur le câble 19. Le courant de mode commun se trouve alors être confiné à l'intérieur du convertisseur et ne se propage pas sur tout le câble 19. Cependant, en haute fréquence, la présence de ces condensateurs de filtrage CF2 entraîne la génération d'un court-circuit à la sortie du convertisseur de puissance. Ce problème est résolu par l'ajout de l'inductance de mode différentiel Ld en série avec les condensateurs de filtrage CF2. Cette inductance de mode différentiel Ld crée un chemin à haute impédance à la sortie du convertisseur sans affecter le filtrage de la tension de mode commun.

Selon l'invention, en référence à la figure 2, le courant de mode commun emprunte donc de manière préférentielle le chemin noté IMC2 via le module onduleur 10, l'inductance de mode commun Lmc2, les condensateurs de filtrage CF2, l'inductance de mode différentiel Ld et le point milieu P, du bus continu d'alimentation. Le dispositif de filtrage employé dans l'invention présente donc de nombreux avantages puisqu'il permet de fournir au courant de mode commun un chemin préférentiel plus court entraînant moins de perturbations électromagnétiques. De plus, il permet de réduire l'intensité du courant de mode commun et de réduire la tension de mode commun, évitant ainsi de détériorer les roulements du moteur par les phénomènes de piquage.

Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.

Claims (2)

1. REVENDICATIONS1. Convertisseur de puissance comportant plusieurs phases de sorties (U, V, W) connectées à une charge électrique et comprenant également : un bus continu d'alimentation de puissance doté d'une première ligne d'alimentation (V+) et d'une deuxième ligne d'alimentation (V-), deux condensateurs de bus (Cbus1, Cbus2) connectés en série entre la première ligne d'alimentation et la deuxième ligne d'alimentation, un module onduleur (10) connecté au bus continu d'alimentation et comportant des composants électroniques semi-conducteurs commandés par une unité de commande pour appliquer une tension variable à la charge électrique, un dispositif de filtrage connecté sur les phases de sortie et comportant une inductance de mode commun (Lmc2) dotée d'un enroulement connecté sur chaque phase de sortie (U, V, W), le convertisseur étant caractérisé en ce que le dispositif de filtrage comporte : des condensateurs de filtrage (CF2) et une inductance de mode différentiel (Ld) connectés en série entre l'inductance de mode commun (Lmc2) et un point milieu (Ml) situé entre les deux condensateurs de bus (Cbus1, Cbus2). 20
2. 2. Variateur de vitesse comportant en entrée un module redresseur (20) connecté à un réseau d'alimentation (40) et destiné à fournir une tension redressée à partir d'une tension alternative délivrée par le réseau d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de puissance tel que défini dans la revendication 1, ledit convertisseur étant connecté en aval du module 25 redresseur. 15