FR2973606A1 - Demarrage progressif pour un convertisseur de puissance alternatif-continu a autotransformateur a dephasage - Google Patents
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Abstract
Un convertisseur de puissance alternatif-continu (40) comporte un redresseur basé sur un auto transformateur à déphasage (120) et un condensateur continu (140). Le démarrage progressif du convertisseur de puissance alternatif-continu (40) est réalisé en concevant l'autotransformateur (120) pour qu'il fonctionne avec une faible densité de flux crête à un point d'application d'échelon de tension alternative (pendant une activation initiale). L'ajout d'une impédance commandée (130) sépare une charge de condensateur d'un processus de magnétisation initiale de l'autotransformateur (120).
Description
DEMARREUR PROGRESSIF POUR UN CONVERTISSEUR DE PUISSANCE ALTERNATIF-CONTINU A AUTOTRANSFORMATEUR A DEPHASAGE Contexte La présente description concerne des convertisseurs alternatif-continu (« AC-DC converters » en anglais) incorporant un autotransformateur à déphasage pour une correction de facteur de puissance d'entrée alternatif.
Un avion électrique comprend souvent des génératrices d'énergie triphasées, qui sont utilisées pour générer l'énergie nécessaire pour mettre en oeuvre des systèmes électroniques embarqués pendant le vol. La puissance triphasée provenant des génératrices est convertie en une puissance continue en utilisant un convertisseur alternatif-continu. Un type de convertisseur alternatif-continu utilisé dans des systèmes d'avion est en un autotransformateur à déphasage avec des redresseurs intégrés. Les systèmes de convertisseur alternatif-continu basés sur un autotransformateur à déphasage nécessitent une grande entrée initiale d'énergie (appelée courant d'appel) lors du démarrage lorsqu'un échelon d'une tension nulle à une tension alternative assignée (« rated AC voltage » en anglais) est appliqué afin de magnétiser l'autotransformateur à déphasage et de charger un condensateur continu. Du fait de la spécification de courant d'appel initial, un courant jusqu'à 10 fois le courant de travail assigné du convertisseur alternatif-continu peut être appelé sur les connexions de puissance alternative.
Résumé Un convertisseur alternatif-continu est présenté, qui comprend un module d'autotransformateur à déphasage et de redresseur comportant une entrée de puissance alternative et une sortie de
puissance continue, un condensateur connecté aux bornes de la sortie de puissance continue, et un composant à impédance commandée interrompant la sortie de puissance continue, de sorte que le courant de magnétisation de l'autotransformateur soit séparé du courant de charge de condensateur. Il est également présenté un procédé pour mettre en oeuvre un convertisseur alternatif-continu basé sur un autotransformateur à déphasage comprenant un autotransformateur, comprenant les étapes consistant à commander un composant à impédance commandée pour qu'il soit dans un mode désactivé, établissant de ce fait une période de magnétisation initiale ayant un courant d'appel de magnétisation ; commander ledit composant à impédance commandée dans un mode de haute impédance, établissant de ce fait une période de charge de condensateur ayant un courant d'appel de charge de condensateur ; et commander ledit composant à impédance commandée pour qu'il soit dans un mode activé, établissant de ce fait un mode de fonctionnement de régime permanent. De préférence, un procédé pour mettre en oeuvre un convertisseur alternatif-continu basé sur un autotransformateur à déphasage consiste à séparer une magnétisation initiale de l'autotransformateur à déphasage et une charge de condensateur continue pour commander un courant d'appel délivré par une source alternative, au moyen d'un composant à impédance commandée. Le composant à impédance commandée est dans un mode désactivé lorsque la tension échelon alternative est appliquée, le composant à impédance commandée permet à l'autotransformateur d'établir une magnétisation initiale sans charger le condensateur. Après la magnétisation initiale de l'autotransformateur, le composant à impédance commandée est dans un mode de haute impédance, établissant de ce fait une charge lente du condensateur. Le composant à impédance commandée est dans un mode activé après la charge du condensateur, établissant de ce fait un mode de fonctionnement de régime permanent. Ces caractéristiques et d'autres de la présente invention peuvent être mieux comprises à partir de la spécification et des dessins qui 35 suivent, dont ce qui suit est une brève description.
Brève description des dessins La figure 1 illustre un réseau électrique d'avion électrique. La figure 2 illustre un convertisseur alternatif-continu basé sur un autotransformateur à déphasage.
La figure 3 illustre un exemple d'autotransformateur. La figure 4 illustre un exemple de courbe de magnétisation d'autotransformateur.
Description détaillée La figure 1 illustre un avion électrique 10 qui comprend une génératrice d'énergie triphasée 20. L'énergie triphasée générée est répartie dans tout l'avion 10 par l'intermédiaire d'un système de distribution de puissance 30. Un convertisseur de puissance alternatif-continu basé sur un autotransformateur à déphasage 40 convertit une puissance alternative provenant du système de distribution de puissance 30 en une puissance continue pour une utilisation par les composants continus 50. La figure 2 illustre un exemple de convertisseur de puissance alternatif-continu basé sur un autotransformateur à déphasage 40.
Dans l'exemple de convertisseur de puissance alternatif-continu basé sur un autotransformateur à déphasage 40, de la puissance triphasée 110 est appliquée à un redresseur basé sur un autotransformateur à déphasage 120. Une puissance continue est délivrée par le redresseur basé sur un autotransformateur à déphasage 120 sur une paire de sorties continues 132, 134. L'une des sorties continues 132 est interrompue par un composant à impédance commandée 130, tel qu'un commutateur à semi-conducteurs/transistor, qui peut être mis en oeuvre dans un mode désactivé (circuit ouvert), un mode de haute impédance, ou un mode activé.
Le mode de haute impédance limite un courant de charge de condensateur fourni au condensateur 140. Un contrôleur 136 commande le mode du composant à impédance commandée 130. A titre d'exemple, le composant à impédance commandée 130 peut être un commutateur à semi-conducteurs commandé par le contrôleur 136.
Lorsque le convertisseur de puissance alternatif-continu basé sur un autotransformateur à déphasage 40 est alimenté initialement, le composant à impédance commandée 130 est dans le mode désactivé,
empêchant de ce fait le passage de puissance vers le condensateur 140 ou la connexion de charge continue 150. Alors que le composant à impédance commandée 130 est dans le mode désactivé, un échelon d'une tension alternative nulle à une tension alternative assignée est appliqué au redresseur basé sur un autotransformateur à déphasage 120, un courant de démarrage est délivré par la puissance triphasée 110 et magnétise la partie d'autotransformateur du redresseur basé sur un autotransformateur à déphasage 120, établissant de ce fait un flux de transformateur dans le noyau 320, illustré sur la figure 3, de la partie d'autotransformateur du redresseur basé sur un autotransformateur à déphasage 120. La figure 3 illustre un autotransformateur à déphasage 300 utilisable dans le convertisseur de puissance 40, comportant un noyau 320 autour duquel un ensemble d'enroulements de phase 310 sont enroulés. Afin de fonctionner, un flux de transformateur est établi dans le noyau 320 par l'utilisation d'un courant de magnétisation fourni aux enroulements 310 selon des principes connus. Le flux initial généré lorsque l'autotransformateur 300 est activé est appelé flux de démarrage.
La densité de flux de démarrage dans la partie d'autotransformateur du redresseur basé sur un autotransformateur à déphasage 120 atteint une valeur élevée avant de diminuer vers une densité de flux de régime permanent après que le noyau de l'autotransformateur a été totalement magnétisé. Le courant de démarrage de la puissance triphasée 110 atteint une valeur élevée avant de s'établir dans un état permanent. Ce courant est appelé courant d'appel. Une fois que la partie d'autotransformateur du redresseur basé sur un autotransformateur à déphasage 120 est totalement magnétisée, le contrôleur 136 commute le composant à impédance commandée 130 dans le mode de haute impédance, chargeant de ce fait lentement le condensateur 140. Lorsque le condensateur 140 est chargé, le contrôleur 136 commute le composant à impédance commandée 130 dans le mode activé, et une puissance redressée est autorisée à passer à travers la connexion de charge continue 150 dans une charge connectée. Un démarrage dans lequel le courant d'appel dépasse le courant assigné du convertisseur alternatif-continu est appelé démarrage brutal, et
provoque une instabilité et une contrainte dans le système électrique de l'avion. Par contre, un démarrage dans lequel le courant d'appel est inférieur à un courant d'entrée alternatif assigné total est appelé démarrage progressif. Des contraintes résultant des courants d'appel de démarrage brutal sont ajoutées par les convertisseurs de puissance supplémentaires 40 dans le réseau électrique subissant simultanément un démarrage brutal. Afin de permettre l'exécution d'un « démarrage progressif » décrit ci-dessus, la magnétisation de la partie d'autotransformateur du redresseur basé sur un autotransformateur à déphasage 120 est conçue pour avoir une densité de flux de démarrage crête qui tombe soit dans une région linéaire, soit dans une région de saturation peu profonde de la courbe de magnétisation. La figure 4 illustre une courbe de magnétisation 200 d'un exemple d'un autotransformateur. La courbe de magnétisation 200 comprend une région linéaire 240 et une région de saturation 250. La région de saturation 250 est divisée en deux régions secondaires, une région de saturation peu profonde 252 (entre B1 et B2) et une région de saturation profonde 254 (au-dessus de B2). Dans un exemple de conception d'autotransformateur, la densité de flux de noyau d'autotransformateur tombe entièrement dans la région linéaire 240. Par conséquent, la densité de flux crête pendant un démarrage est inférieure à B1, où B1 est le point de transition entre la région linéaire 240 et la région de saturation 250. De préférence, la densité de flux d'autotransformateur pendant des opérations normales est égale à une moitié de la densité de flux maximum de la région linéaire. Dans l'exemple ci-dessus, l'autotransformateur consomme généralement un courant de magnétisation d'état permanent (Imag) inférieur à 10 % d'un courant d'entrée alternatif assigné total afin de maintenir une magnétisation d'autotransformateur pendant des opérations de régime permanent. Le courant de magnétisation est délivré par la puissance triphasée 110. Pendant le démarrage initial du système d'autotransformateur 40, le courant d'appel est égal à 2 x Imag ou < 20 % du courant d'entrée alternatif assigné total et dure pendant un temps égal à trois fois la constante de temps d'inductance de magnétisation (t) de l'autotransformateur. Le courant initial de 2 x Imag résulte en une densité de flux d'autotransformateur qui est proche de,
mais inférieure à B1. Ainsi, la densité de flux de démarrage crête tombe dans la région linéaire 240. La constante de temps d'inductance de magnétisation est i = L/R, où L est l'inductance de l'autotransformateur et R est la résistance de l'enroulement de magnétisation de l'autotransformateur. Après 3i, la densité de flux d'autotransformateur diminue à 1/2 B1, où elle reste stable pendant des opérations de mode de haute impédance et de mode activé. Un autotransformateur conçu selon les principes ci-dessus peut être grand et, ainsi, inapproprié pour certaines applications.
En variante, l'autotransformateur peut être conçu de sorte que la densité de flux de démarrage crête tombe dans une région de saturation peu profonde 252 entre B2 et B1. Dans une telle conception, le courant d'appel peut varier de 2 x Imag au courant d'entrée alternatif assigné total, et est fonction de la densité de flux crête pendant le démarrage.
Une augmentation de la densité de flux initiale augmente la consommation de courant. La région de saturation peu profonde 252 empêche un courant d'appel crête d'atteindre des niveaux qui dépassent le courant alternatif assigné total de l'autotransformateur, évitant de ce fait un démarrage brutal. La conception de l'autotransformateur de sorte que la densité de flux de démarrage crête soit dans la région de saturation peu profonde 252 permet l'exécution d'un démarrage progressif et réduit la taille physique de l'autotransformateur. Bien qu'un exemple ait été présenté, un homme du métier reconnaîtra que certaines modifications seront dans l'étendue de la présente invention, qui est définie par les revendications. Pour cette raison, les revendications qui suivent devraient être étudiées pour déterminer l'étendue et le contenu vrais de cette description.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Convertisseur alternatif-continu (40) comprenant : un module d'autotransformateur à déphasage et de redresseur 5 (120) ayant une entrée de puissance alternative (110) et une sortie de puissance continue (132 ; 134) ; un condensateur (140) connecté aux bornes de ladite sortie de puissance continue ; et un composant à impédance commandée (130) interrompant ladite 10 sortie de puissance continue, de sorte qu'un courant de magnétisation de l'autotransformateur soit séparé d'un courant de charge de condensateur.
- 2. Convertisseur alternatif-continu (40) selon la revendication 1, dans lequel ledit composant à impédance commandée (130) a au moins 15 un mode désactivé, un mode de haute impédance et un mode activé.
- 3. Convertisseur alternatif-continu (40) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit composant à impédance commandée (130) est un commutateur à semi-conducteurs.
- 4. Convertisseur alternatif-continu (40) selon la revendication 1, 2 20 ou 3, comprenant en outre un contrôleur (136), couplé électriquement audit composant à impédance commandée (130).
- 5. Convertisseur alternatif-continu (40) selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, dans lequel une densité de flux magnétique du module d'autotransformateur à déphasage et de redresseur (120) a une densité 25 de flux de démarrage crête dans une région linéaire d'une courbe de magnétisation d'autotransformateur dudit module d'autotransformateur à déphasage et de redresseur (120).
- 6. Convertisseur alternatif-continu selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, dans lequel une densité de flux magnétique du module 30 d'autotransformateur à déphasage et de redresseur (120) a une densité de flux de démarrage crête dans une région de saturation peu profonde d'une courbe de magnétisation d'autotransformateur dudit module d'autotransformateur à déphasage et de redresseur (120).
- 7. Procédé pour mettre en oeuvre un convertisseur alternatif-35 continu basé sur un autotransformateur (40) comprenant un autotransformateur (120), comprenant les étapes consistant à : commander un composant à impédance commandée (130) pour qu'il soit dans un mode désactivé, établissant de ce fait une période de magnétisation initiale ayant un courant d'appel de magnétisation ; commander ledit composant à impédance commandée (130) dans un mode de haute impédance, établissant de ce fait une période de charge de condensateur ayant un courant d'appel de charge de condensateur ; et commander ledit composant à impédance commandée (130) pour qu'il soit dans un mode activé, établissant de ce fait un mode de 10 fonctionnement de régime permanent.
- 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel une densité de flux de démarrage crête pendant ladite période de magnétisation initiale est dans une région de saturation peu profonde d'une courbe de magnétisation pour ledit autotransformateur (120). 15
- 9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel une densité de flux de démarrage crête dudit autotransformateur (120) pendant ladite période de magnétisation initiale tombe dans une région linéaire d'une courbe de magnétisation dudit autotransformateur (120).
- 10. Procédé selon la revendication 7, 8 ou 9, dans lequel un 20 courant d'appel crête dudit convertisseur alternatif-continu basé sur un autotransformateur est inférieur à un courant d'entrée alternatif assigné total dudit autotransformateur (120).
- 11. Procédé selon la revendication 7, 8, 9 ou 10, dans lequel ledit autotransformateur (120) consomme un courant de magnétisation 25 inférieur à 10 % d'un courant d'entrée alternatif assigné total de l'autotransformateur pendant des opérations normales.
- 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel ledit autotransformateur (120) a une densité de flux égale à une moitié de la densité de flux maximum de la région linéaire pendant 30 des opérations normales.
- 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, dans lequel un courant de magnétisation crête pendant ladite période de magnétisation initiale est égal à environ deux fois un courant de magnétisation crête dudit autotransformateur (120) pendant un 35 fonctionnement normal.
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