WO2010026060A1 - Convertisseur alternatif direct pour la variation de la puissance electrique a appliquer a une charge - Google Patents

Convertisseur alternatif direct pour la variation de la puissance electrique a appliquer a une charge Download PDF

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/293—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Definitions

  • the present invention relates to a device for varying the electrical power for varying the electric power to be applied to a load, comprising:
  • an opening / closing control generator for controlling the breaking / opening of said switching systems
  • Devices of this kind find important applications. Especially in the field of stage lighting. Requirements arise with regard to the noise that the projectors make. It is hoped that this noise will be reduced to the greatest extent possible so that the spectators are not distracted by these untimely noises.
  • the timing is impaired which can be dangerous for the device.
  • the invention proposes a device of the type mentioned in the preamble which does not have the disadvantages of the above-mentioned complications.
  • the device according to the preamble is remarkable in that the switching commands are connected directly to the pulse generator.
  • the device mentioned in the preamble is remarkable in that it comprises an anticollision circuit formed of an inductance shunted by a diode in the path comprising the transistor-switch forming part of the system of serial switching to prevent simultaneous engagement of said switching systems.
  • FIG. 1 shows an electric power variation device according to the invention
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams explaining the operation of the device of the invention.
  • the device 1 shown in FIG. 1 comprises terminals 10 and 11 to which is connected an electric power source 15.
  • a load for example a theater projector, is connected to the output terminals 20 and 21 of this device 1.
  • a first switching system 27 said series switching system.
  • Another switching system 30, called parallel switching system is connected to the output of the first switching system.
  • the terminals 11 and 21 constitute the reference voltage for the device 1.
  • the switching systems 27 and 30 are respectively provided with an opening command. closing 35 and 36. To vary the energy to be applied to the load 18, it suffices to vary the opening and closing times of the switching systems 27 and 30. uses a user-controllable variable width pulse generator 40.
  • the output of this generator is connected directly to the control 35 and the control 36 via an inverter 45.
  • the first switching system 27 is formed of a diode bridge comprising the diodes 61, 62, 63 and 64.
  • the anode of the diode 61 is connected to the cathode of the diode 64.
  • the anode of the diode 62 is connected to the cathode of the diode 63.
  • the cathodes of the diodes 61 and 62 are connected to the anodes of the diodes 63 and 64 via a switching device 81 preferably formed by a MOSFET transistor whose gate constitutes the control 35.
  • the anode of the diode 62 and the cathode 63 are connected, on the one hand, to the inductor 25 and, on the other hand, to the second switching system 30.
  • This second switching system 30 is also formed of a diode bridge comprising the diodes 71, 72, 73 and 74.
  • the anodes of the diodes 71 and 74 are interconnected and the cathodes of the diodes 72 and 73 are also interconnected. These interconnection points are interconnected via a switch device 82 also constituted by a MOSFET type transistor.
  • the anode of the diode 72 and the cathode of the diode 71 are connected to the output of the first switching system 27, while the anode of the diode 73 and the cathode of the diode 74 are connected to the terminals 11 and 21.
  • the device 1 operates in the following manner.
  • FIG. 2 shows the case where the switching system 27 is closed and the switching system 30 is open.
  • the voltage source connected to the terminals 10 and 11 supplies energy to the inductor 25, the capacitor 32 and the load 18. This is shown by the arrows F1 and F2.
  • FIG. 3 shows the case where the switching system 27 is open and the switching system 30 is closed.
  • the voltage source does not provide more energy to the load and energy accumulated in particular by the inductor 25 and the capacitor 32 will continue to feed the load 18 (arrows F3 and F4); the switching system 30 in the closed position will provide a path for the flow of stored energies. Note that the two switching systems operate in synchronism, this brings a great simplification of the circuits.
  • the device adapts to all kinds of voltage provided by AC or DC power sources.
  • the pulse generator 40 determines the output voltage which can be as alternative depending on the template of the pulses provided.
  • An important feature of the invention consists in placing an anticollision circuit formed of an inductance 90 shunted by a diode 91 in the path comprising the switch device 81 (see Fig. 1).
  • Inductance 90 guarantees unsaturation for 200 ns. It brakes the rise of the current during switching.
  • the diode 91 recovers the energy of the inductor 90 when the switch device 81 is in the open position.
  • the circuit uses only two switching poles and is therefore simpler and more economical.
  • the following specificities of the invention will be noted:
  • the components are used during the two half-cycles, which guarantees the same switching characteristics during these two half-cycles, and there is therefore no creation of continuous components.
  • the load is alternately connected to two weak impedances through the switching systems 27 and 30. This connection to low impedances is therefore repetitive, independent of the input and its polarity and permanent. It is therefore not no need to detect the zero crossing time of the current in the load (economy) which makes the dimming independent of the connected load type
  • MOSFET insulated gate bipolar transistors
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the symmetry of the two stages enables the low stage (switching system 30) to absorb the residual energy of the load received by the high stage, without additional protections.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Ce dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge comporte : - deux premiers accès (10, 11) pour se connecter à une source de puissance électrique (15), - deux deuxièmes accès (20, 21) auxquels se connecte la charge (18), - un système de commutation série (27) relié à un desdits premiers accès (10) muni d'une commande de commutation (35), - un système de commutation parallèle (30) relié en sortie du système de commutation série (27) et à l'autre premier accès (11), - un générateur de commande d ' ouverture/fermeture (40) pour commander la coupure/1' ouverture desdits systèmes de commutation (27,30). Les commandes de commutation (35, 36) desdits systèmes de commutation (27,30) sont reliées audit générateur de commande (40) et donc lesdits systèmes passent à l'état de conduction et de blocage en synchronisme. Application à l'éclairage de scène de spectacle.

Description

CONVERTISSEUR ALTERNATIF DIRECT POUR LA VARIATION DE LA PUISSANCE ELECTRIQUE A APPLIQUER A UNE CHARGE
La présente invention concerne un dispositif de variation de la puissance électrique pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge, dispositif comportant :
- deux premiers accès pour se connecter à une source de puissance électrique, - de deux deuxièmes accès auxquels se connecte la charge,
- un système de commutation série relié à un desdits premiers accès muni d'une commande de commutation,
- un système de commutation parallèle relié en sortie du système de commutation série et à l'autre premier accès, - un générateur de commande d'ouverture/fermeture pour commander la coupure/1' ouverture desdits systèmes de commutation,
Les dispositifs de ce genre trouvent d'importantes applications. Notamment dans le domaine de l'éclairage de scènes de spectacle. Des exigences surgissent en ce qui concerne le bruit que font les projecteurs. On souhaite que ce bruit soit réduit dans la plus large mesure possible afin que les spectateurs ne soient pas distraits par ces bruits intempestifs.
Un tel dispositif est décrit dans le document de brevet du Canada 2 107 490 et aussi dans le document de brevet PCT WO 99/38248.
Pour remédier aux impulsions qui surgissent à haut niveau, il est proposé des systèmes de commutation présentant plusieurs pôles de commutation qui peuvent être considérés comme étant trop nombreux. Ceci amène à une commande plutôt compliquée et des problèmes pour gérer leur synchronisme. Tout ceci crée des coûts élevés de ces dispositifs. Il est à noter que dans le document de brevet PCT WO
99/38248, les deux étages parallèles, qui alimentent la charge, sont synchronisés sur le courant qui traverse cette charge présentant souvent des comportements variables.
La synchronisation en est altérée ce qui peut être dangereux pour le dispositif.
L'invention propose un dispositif du genre mentionné dans le préambule qui ne présente pas les inconvénients de complications précités. Conformément à l'invention, le dispositif selon le préambule est remarquable en ce que les commandes de commutation sont reliées directement au générateur d'impulsions.
Grâce à cette mesure préconisée par l'invention il est possible d'agir à grande vitesse (de l'ordre de 25 KHz) sur les commandes de commutation, ce qui provoque un bruit inaudible.
Selon une caractéristique importante de l'invention, le dispositif mentionné dans le préambule est remarquable en ce qu'il comporte un circuit d' anticollision formé d'une inductance shuntée par une diode dans le trajet comprenant le transistor- interrupteur faisant partie du système de commutation série pour éviter l'enclenchement simultané desdits systèmes de commutation.
On obtient ainsi l'avantage que l'on crée une protection des circuits lors des enclenchements simultanés des systèmes de commutation.
La description suivante accompagnée des dessins ci-annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Dans les dessins, les figures représentent : la figure 1 montre un dispositif de variation de puissance électrique conforme à l'invention, les figures 2 et 3 sont des schémas explicitant le fonctionnement du dispositif de 1 ' invention.
Le dispositif 1 montré à la figure 1, comporte des bornes 10 et 11 sur lesquelles est connectée une source de puissance électrique 15. Une charge 18, par exemple un projecteur de salle de spectacle, est connectée aux bornes de sortie 20 et 21 de ce dispositif 1. Entre la borne 10 et la borne 20, est relié, via une bobine d'induction 25, un premier système de commutations 27 dit système de commutation série. Un autre système de commutation 30, dit système de commutation parallèle, est relié à la sortie du premier système de commutation. Les bornes 11 et 21 constituent la tension de référence pour le dispositif 1. Il est prévu également un condensateur de filtrage 32 aux bornes de sortie 20 et 21. Les systèmes de commutations 27 et 30 sont munis respectivement d'une commande d'ouverture/fermeture 35 et 36. Pour faire varier l'énergie à appliquer à la charge 18, il suffit de faire varier les temps d'ouverture et de fermeture des systèmes de commutations 27 et 30. Pour cela on utilise un générateur d'impulsions à largeur variable 40 manœuvrable par l'utilisateur. La sortie de ce générateur est reliée directement à la commande 35 et à la commande 36 via un inverseur 45. Ainsi quand un système de commutation est ouvert l'autre est fermé et réciproquement. Le premier système de commutation 27 est formé d'un pont à diodes comportant les diodes 61 , 62, 63 et 64. L'anode de la diode 61 est connectée à la cathode de la diode 64. De même l'anode de la diode 62 est reliée à la cathode de la diode 63. Les cathodes des diodes 61 et 62 sont connectées aux anodes des diodes 63 et 64 via un dispositif interrupteur 81 formé de préférence par un transistor de type MOSFET dont la grille constitue la commande 35. L'anode et la cathode des diodes
61 et 64 respectivement sont connectées à la borne 10. L'anode de la diode 62 et la cathode 63 sont connectées, d'une part, à l'inductance 25 et, d'autre part, au deuxième système de commutation 30.
Ce second système de commutation 30 est formé aussi d'un pont à diodes comportant les diodes 71 , 72, 73 et 74. Les anodes des diodes 71 et 74 sont interconnectées et les cathodes des diodes 72 et 73 sont aussi interconnectées. Ces points d'interconnexions sont reliés entre eux via un dispositif interrupteur 82 constitué, lui aussi, par un transistor de type MOSFET de préférence. L'anode de la diode 72 et la cathode de la diode 71 sont reliées à la sortie du premier système de commutation 27, tandis que l'anode de la diode 73 et la cathode de la diode 74 sont reliées aux bornes 11 et 21.
Le dispositif 1 fonctionne de la manière suivante.
On se reporte aux figures 2 et 3 qui montrent d'une façon schématique le dispositif de l'invention. Les éléments communs avec ceux explicités à la figure 1 portent les mêmes références.
La figure 2 montre le cas où le système de commutation 27 est fermé et le système de commutation 30 est ouvert.
Dans ce cas la source de tension branchée aux bornes 10 et 1 1 fournit de l'énergie à l'inductance 25, au condensateur 32 et à la charge 18. Ceci est montré par les flèches Fl et F2.
La figure 3 montre le cas où le système de commutation 27 est ouvert et le système de commutation 30 est fermé. Dans ce cas, la source de tension ne fournit plus d'énergie à la charge et l'énergie accumulée notamment par l'inductance 25 et le condensateur 32 vont continuer d'alimenter la charge 18 (flèches F3 et F4) ; le système de commutation 30 en position fermée va fournir un trajet pour l'écoulement des énergies emmagasinées. On notera que les deux systèmes de commutation fonctionnent en synchronisme, ceci apporte une grande simplification des circuits.
Le dispositif s'adapte à toutes sortes de tension fournies par des sources de puissance 15 alternative ou continue. Le générateur d'impulsions 40 détermine la tension de sortie qui peut être aussi alternative en fonction du gabarit des impulsions fournies.
Une caractéristique importante de l'invention consiste à placer un circuit anticollision formé d'une inductance 90 shuntée par une diode 91 dans le trajet comprenant le dispositif-interrupteur 81 (voir fîg.l). L'inductance 90 garantit la non saturation pendant 200 ns. Elle freine la montée du courant pendant la commutation. La diode 91 récupère l'énergie de l'inductance 90 lorsque le dispositif interrupteur 81 est en position ouverte.
On notera aussi dans ce même trajet la présence d'une résistance 95 qui permet d'avoir une indication sur le courant qui traverse le dispositif 1 et de là qui traverse la charge 18. II est à remarquer qu'aucun système de régulation de la tension de sortie n'a été prévu dû au fait de la grande stabilité qu'offre le dispositif de l'invention
Le circuit utilise seulement deux pôles de commutation et est donc plus simple et économique. On notera les spécificités de l'invention suivantes :
- Les composants (pôles de commutation) sont utilisés pendant les deux demi- alternances, ce qui garantit les mêmes caractéristiques de commutation pendant ces deux demi-alternances, et il n'y a donc pas création de composantes continues. Ceci est un avantage par rapport à une topologie à 3 pôles de commutation de l'art antérieur dans laquelle les pôles utilisés diffèrent dans les deux demi-alternances. Il y a donc forcément création de composantes continues. - La charge est alternativement connectée à deux impédances faibles au travers des systèmes de commutation 27 et 30. Cette connexion à des impédances faibles est donc répétitive, indépendante de l'entrée et de sa polarité et permanente. Il n'est donc pas nécessaire de détecter l'instant de passage par zéro du courant dans la charge (économie) ce qui rend la gradation indépendante du type de charge connectée
- Il n'est donc pas nécessaire non plus de faire usage de plages mortes pendant le passage par zéro: la tension fournie à la charge est exempte de déformations autour du passage par zéro.
- L'usage de MOSFET diminue la dissipation par rapport aux transistors bipolaires à grille isolée (IGBT, de l'anglais Insulated Gâte Bipolar Transistor) usuellement utilisé dans l'art antérieur pour ce le genre d'application aux gradateurs de forte puissance. - Le circuit anticollision (90, 91) de l'étage haut (système de commutation 27) protège le circuit lors des collisions (enclenchement simultané) entre étages des systèmes de commutation.
- La symétrie des deux étages permet à l ' étage bas (système de commutation 30) d'absorber l'énergie résiduelle de la charge reçue par l'étage haut, sans protections supplémentaires.

Claims

REVENDICATIONS
1 Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge, dispositif (1) comportant :
- deux premiers accès (10, 11) pour se connecter à une source de puissance électrique (15), - de deux deuxièmes accès (20, 21) auxquels se connecte la charge (18),
- un système de commutation série (27) relié à un desdits premiers accès (10), muni d'une commande de commutation (35),
- un système de commutation parallèle (30) relié en sortie du système de commutation série (27) et à l'autre premier accès (11), muni d'une commande de commutation (36), - un générateur de commande d'ouverture/fermeture (40) pour commander la coupure/1' ouverture desdits systèmes de commutation (27, 30), caractérisé en ce que les commandes de commutation (35 , 36) desdits systèmes de commutation (27, 30) sont reliées audit générateur de commande (40).
2- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon la revendication 1 destiné à une source de puissance électrique (15) fournissant une tension alternative, caractérisé en ce que lesdits systèmes de commutation (27, 30) sont formés de diodes (61, 62, 63, 64, 71, 72, 73 et 74) montés en ponts pour laisser passer les alternances de courant dus à ladite source et d'un transistor-interrupteur (81, 82) monté sur une diagonale du pont pour commander la conduction desdites diodes. 3- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit anticollision (90, 91) inséré dans le système de commutation série pour éviter l'enclenchement simultané desdits systèmes de commutation.
4- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est prévu une inductance (25) insérée entre la sortie du système de commutation série (27) et la charge (18).
5- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte un condensateur de filtrage (32) relié auxdits deuxièmes accès (20, 21). 6- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte une résistance de mesure (95), située dans un système de commutation, pour mesurer le courant débité dans la charge.
7- Dispositif pour faire varier la puissance électrique à appliquer à une charge selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que le circuit anticollision (90-91) est formé d'une inductance (90) shuntée par une diode (91) dans le trajet comprenant le dispositif- interrupteur (81) faisant partie du système de commutation série (27).
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