CA1173106A - Onduleur a transistors ou a thyristors a recuperation d'energie - Google Patents
Onduleur a transistors ou a thyristors a recuperation d'energieInfo
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Abstract
DE DIVULGATION L'invention se rapporte à un dispositif onduleur convertisseur continu-alternatif à valves commandées, montées en pont et à diodes de récupération également montées en pont, ce dispositif étant du type dans lequel les points-milieu du pont des diodes de récupération sont reliés aux points-milieu correspondants du pont de valves. L'invention est caractérisé en ce qu'un circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie est branche à l'onduleur. La présente invention permet un dispositif onduleur avec circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie dans lequel ces pertes par dissipation sont réduites ou supprimées.
Description
~ 1731~
Onduleur à transistors ou à thyristors à récuPération d'énergie L'invention se rapporte à un dispositif onduleur à valves commandées qui sont montées en pont et avec diodes de récupération elles aussi montées en pont, ce dispositif étant du type dans lequel les points-milieu du pont de 5 diodes de récupération sont reliés aux points-milieu corres-pondants du pont de l'onduleur.
La présente invention a pour objet une amélioration des onduleurs du type précité.
Selon l'invention un tel montage e.st caractérise en ce qu'il comprend un circuit d'aide à la commutation et de récupéra-tion d'énergie branché à l'onduleur à transistors ou à
thyristors.
Le fonctionnement des transistors de puissance sur charge inductive, c'est-à-dire sur le type de charge le plus fréquemment rencontré dans les montages où les transistors :
~ouent un rôle de commutation, soumet ceux-ci à des 20 contraintes préjudiciables au rendement du montage et à la durée de vie du transistor.
En particulier, le transistor subit des pertes de commuta-tion à l'amorçage et au blocage. Les premières sont liées à
25 l'apparition d'une surintensité, les secondes à la présence simultanée de toute la tension aux bornes du transistor alors qu'il est encore~traversé par le courant de la charge.
::
., :
1 173~L06 Il est connu, pour réduire la surintensité de l'amorçage, d'insérer une inductance d'aide à la commutation en série avec la charge, avec un circuit composé d'une diode en série avec une résistance, branché en parallèle sur ladite induc-5 tance, la diode étant montée pour se trouver en polarisationdirecte lorsque le transistor est bloqué. Un inconvénient de ce montage est que, au moment du blocage du transistor, l'énergie emmagasinée dans l'inductance d'aide à la commuta-tion se trouve alors dissipée dans la résistance.
Il est également connu, pour réduire la contrainte au bloca-ge, de disposer, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un condensateur de capacité relativement faible et d'une autre diode en série. Une autre résistance est de pré-15 férence connectée, soit en parallèle sur ladite autre diode,soit en parallèle sur les deux diodes. Ladite autre diode est montée pour être en polarisation directe lorsque le transistor se bloque. Un inconvénient de ce montage est que, au moment de l'amorcage, l'énergie emmagasinée dans le 20 condensateur est dissipée dans ladite autre résistance.
Ainsi, les montages connus d'aide à la commutation des tran-sistors, s'ils réduisent les pertes de commutation proprement dites du transistor, engendrent par contre des 25 pextes par dissipation d'énergle dans les résistances qu'ils comportent. Ces pertes peuvent devenir suffisamment impor-tantes pour détruire le transistor, lorsque la fréquence de commutation et/ou la tension d'alimentation dépassent cer-taines valeurs.
31~6 La présente invention a pour objet un dispositif onduleur avec circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie dans lequel ces pertes par dissipation sont rédui-tes ou supprimées.
Le dispositif selon l'invention comporte, relié à chacune des entrées continues d'un pont de valve à thyristor respec-tivement un premier circuit série comprenant un transistor et une inductance, dont l'autre borne est reliée à la borne 10 respective de l'alimentation ; un deuxième circuit série associé à chaque premier circuit branche en parallèle entre le point commun à l'inductance et au transistor de chaque premier circuit et la borne d'alimentation respective, ledit deuxième circuit comprenant en série un condensateur réser-15 voir et une diode reliée par~ son anode au point commun àl'inductance et au transistor et par sa cathode au conden-sateur réservoir et à l'extrémité respective du pont de dio-des; un circuit convertisseur basse tension - haute tension dont les entrées sont reliées aux bornes du condensateur ré-20 servoir et dont les sorties sont reliées aux bornes du : circuit d'alimentation ; un condensateur d'aide à la commu-tation associé à chaque premier circuit dont une borne est reliée`au point commun au transistor et à l'entrée respec~
tive du pont de thyristor.
Dans un tel montage, le condensateur d'aide à la commutation forme un circuit oscillant avec l'inductance à l'amorçage du transistor et, dans un second temps, le courant qui circu-lait dans l'inductance vient charger le condensateur réser-30 voir auquel l;'énergie est ainsi restituée. De meme, aublocage du transistor, le courant qui circulait dans le con-: - 3 -~ ~73106 densateur d'aide à la commutation, à travers l'inductance d'aide à la commutation vient charger le condensateur réser-voir.
5 Suivant une particularité de l'invention, l'énergie ainsi stockée dans le condensateur réservoir est restituée à la source au moyen d'un montage convertisseur basse tension -haute tension.
10 D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'inven-tion apparaîtront clairement à l'aide de la description ci-après.
Au dessin annexé :
Les figures 1 et 2 sont des schémas de principe d'un dispo~
sitif d'aide à la commutation et de récupération d'énergie utilisable dans un convertisseur-onduleur selon l'invention.
' 20 La figure 3 représente une variante d'un dispositif d'aide à la commutation et de récupération d'énergie également ~ ~ utilisable dans un convertisseur-onduleur selon l'invention.
: :
.
La figure 4 représente un convertisseur polyphasé à transis-25 tors faisant application du dispositif de l'invention, et La fi~ure 5 représente un générateur de tension alternative variable à thyristors faisant application du dispositif de ~l'invention.
Le montage représenté à la figure l comporte un transistor de pu~issance l,~ou plusieurs transistors~ montés en parall-èle, destiné~à l'alimentation d'une charge inductlYe avec ~ : :
~ - 4 -O ~3~06 laquelle il est connecté en série et fonctionnant en commu-tation. La charge comprend une composante inductive 2, une composante résistive 3 et, éventuellement, une force électro-motrice. Une diode de rcupération 4 est, de façon 5 connue en soi, branchée en parallèle sur la charge de manière à être polarisée en sens inverse lorsque le transis-tor est conducteur. La charge peut être reliée indifférem-ment à l'émetteur (cas de la figure) ou au collecteur du transistor.
Quand le transistor est rendu conducteur par application à
sa base d'une tension de commande par des moyens non figurés, le courant délivré par la source traverse l'ensem-ble charge-transistor et retourne à la source. Quand le 15 transistor est bloqué (par les memes moyenslà le courant délivré par la source est brusquement interrompu et le courant circulant dans la composante inductive 2 se referme par la diode 4.
20 Ce phénomène de mise en conduction et de blocage se répète à
la fréquence f déterminée par les moyens de commande et en-traîne des pertes dites de commutation (les pertes de con-duction dans le transistor étant comparativement négligea-bles) qui peuvent devenir suffisamment importantes pour dé-25 tériorer le transistor.
:Les pertes de commutation à la mise en conduction du tran-sistor sont liées à la présence d'une surintensité pendant le temps de recouvrement des charges stockées dans la jonc-30 tion de la diode de récupération. Il est connu de rédulre . .
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cette surintensité en insérant, en série avec la charge, une petite inductance d'aide à la commutation, sur laquelle est branché en parallèle un circuit comprenant une diode en série avec une résistance, la diode étant branchée de 5 manière à être en polarisation directe lorsque le transistor est bloqué.
Les pertes de commutation au blocage du transistor sont liées à une croissance de la tension collecteur-émetteur 10 alors que 1~ composante inductive de la charge tend à main-tenir constant le courant dans le transistor. Il est connu de réduire cette tension en disposant, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un condensateur et d'une diode connectés en série. De préférence, une résistance est 15 connectée en parallèle sur la diode, laquelle est montée de fa,con à etre conductrice quand le transistor se bloque.
Avec ces circuits d'aide à la commutation, les pertes dans le transistor sont fortement diminuées. En contrepartie, il 20 apparait des pertes dans les résistances associées à
1'inductance et au condensateur d'aide à la commutation. Ces pertes sont:
pour l'inductance : PL = 2 L.I x f pour le condensateur : Pc = 2 C.V2 x f On voit apparaitre une limitation à l'augmentation de la puissance P = VI disponible aux bornes de la charge et à
30 celle de la fréquence de fonctionnement. En effet, rapide-~ ~73~06 ment, les pertes Pc et PL deviennent importantes et entrainent d'une part, des problèmes de dissipation et, d'autre part, une détérioration du rendement.
S Le dispositif dont la description suit permet de réduire le nombre de composants utilisés pour les circuits d'aide à la commutation et surtout d'autoriser la récupération des pertes. Avec ce moyen, les pertes sont insignifiantes et, de ce fait, la puissance du dispositif peut etre très fortement 10 augmentée, ainsi que la fréquence de fonctionnement et le rendement est sensiblement amélioré.
Dans le circuit d'aide à la commutation de la figure 1, l'inductance 5 est reliée par une de ses extrémités à une 15 borne du transistor 1 (cette borne pouvant être indifférem-ment le collecteur ou llémetteur). A ce point commun se trouve reliée une borne de la diode 6.
L'autre borne de la diode 6 est reliée à une borne du con-20 densateur 7 d'aide à la commutation et à une borne d'un con-densateur réservoir 8, ayant une valeur très supérieure à
celle du condensateur d'aide à la commutation. Ce condensa-teur réservoir pourra être par exemple un condensateur élec-trochimique basse tension de capacité telle que sa charge 25 reste sensiblement constante au cours du fonctionnement du montage. A titre d'exemple, pour une capacité de 1 ~ F du condensateur d'aide à la commutation, le condensateur 8 pourra avoir une capacité de 1000 ~ F. L'autre borne du con-densateur d'aide à la commutation est connectée à l'autre 30 borne du transistor, et l'autre borne du condensateur réser-.
` ~
t ~7310~
voir est connectée à la borne libre de l'inductance d'aide à
la commutation.
La diode 6 est branchée de telle sorte que le circuit 5 composé de ladite diode et du condensateur réservoir soit en polarisation inverse quand le transistor est conducteur.
On voit que le dispositif d'aide à la commutation qui vient d'être décrit se distingue de dispositifs connus par le fait 10 que la diode et la résistance associées- à l'inductance d'aide à la commutation sont remplacées par un condensateur réservoir. Son fonctionnement est le suivant : à la mise en conduction du transistor, le circuit formé par le condensa-teur d'aide à la commutation en serie avec le condensateur 15 réservoir se -trouve, par l'intermédiaire du transistor, con-necté en parallèle sur l'inductance d'aide à la commutation.
L'ensemble des condensateurs 7 et 8 mis en série est équiva-lent au condensateur 7 de plus faible valeur. Ainsi, le con-densteur 7 et l'inductance 8 forment un circuit oscillant.
20 Le courant qul prend naissance dans ce circuit oscillant a une allure sinusoldale. A l'instant de la mise en conduction du transistor, ce courant ~est nul ; 11 est maximum à
l'instant aorrespondant au quart de la période du circuit oscillant. Au même instant, la tension du condensateur est 25 nulle. Il en est de même pour la tension aux bornes de l'inductance. ~L'instant suivant, la tension présente aux bornes de l'inductance tend à s'inverser, entrainant la fermeture de la diode. Le courant qui circulait dans l'inductance vient alors charger le condensateur réservoir.
:
, ~ 1?73106 Quand le transistor se bloque, le courant qui y circulait est dérivé, par l'intermédiaire de la diode, dans le conden-sateur d'aide à la commutation et, quand la tension collec-teur - émetteur aura atteint la tension de la source, le 5 courant qui circulait dans l'inductance viendra à nouveau charger le condensateur réservoir.
Ce montage permet donc de transférer l'énergie du condensa-teur d'aide à la commutation dans l'inductance d'aide à la 10 commutation, cette énergie étant ensuite transférée dans le condensateur réservoir. Il en est de même pour l'énergie stockée dans l'inductance d'aide à la commutation (cette énergie étant due au courant traversant la charge).
15 Ainsi doncl les énergies:
1 L I2 et 12 C VA
(I étant le courant dans la charge, VA la tension d'alimen-tation, L et C les valeurs de l'inductance et du condensa-20 teur d'aide à la commutation) sont stockées sous forme de tension dans le condensateurréservoir. La tension Vr aux bornes de celui-ci sera donc telle que :
Vr2 = 1 ~L:E:2. + CVA) (Cr étant la valeur du condensateur réservoir).
~ 1~3~06 En fonction de l'énergie ainsi stockée, il sera possible, soit de dissiper celle-ci dans une résistance 9 connectée en parallèle sur le condensateur réservoir, soit de récupérer cette énergie pour la restituer à la source. A cet effet, la 5 résistance 9 sera alors remplacée, par exemple, par un transformateur élévateur de tension fonctionnant à haute fre~uence, ou par un montage utilisant un transistor à haute tension et une inductance. De tels montages de restitution de l'énergie à la source sont bien connus en soi. un circuit 10 de ce genre a été symbolisé en 10 à la figure 2.
Le montage qui vient d'être décrit apporte, en plus de la possibilité de récupérer l'énergie, les avantages suivants:
15 La tension aux bornes de la charge est égale à la différence entre la tension d'alimentation (qui est une tension cont-inue constante) et la tension présente aux bornes de l'inductance 5. Cette dernière tension étant en forme d'arche de sinusolde, à la mise en conduction du transistor, 20 il en est donc de même pour la tension aux bornes de la char-ge qui sera de la forme:
V = VA sin ~ t La valeur maximum de la dérivée de la tension aux bornes de la charge est donc :
dv d max = ~ VA
avec ~ = ~
Pour cette raison, il est possible sans adjonction de maté-riel, de limiter la valeur maximum de la dérivée. Cette pro-priété permet de limiter la pointe de courant dans la diode .
~ ~73106 de récupération connectée en parallèle sur la charge. Dans certaines applications où la charge sera un autre transistor ~cas d'un montage en pont : figure 4~, on réduira également la pointe de courant dans ledit transistor de charge.
Dans d'autres applications, comme on le verra dans la suite tfigure 5), la charge est constituée par un thyristor dont on réduit alors-les riques d'amorçage intempestifs par dV.
10 Si le condensateur réservoir 8 est associé à un circuit auxiliaire q~i maintient constante la tension à ses bornes (ce circuit auxiliaire pouvant être le circuit de récupéra-tion lui-meme), le transistor 1 ne supporte plus que la ten-sion de source augmentee de la tension du condensateur 15 réservoir et ce, quel que soit le courant qui circulait dans l'inductance d'aide à la commutation. Dans le montage connu, où cette inductance était fermée par un circuit diode résis-tance, la tension que subissait le transistor était égale à
la tension de source, augmentée du produit du courant circu-20 lant dans l'inductance par la valeur de la résistance d'aideà la commutation, ce qui pouvait occasionner une surtension dangereuse.
On notera que le fonctionnement du montage aboutit à
25 précharger le condensateur d'aide à la commutation.
En effet, après la phase de mise en conduction, quand Ie transistor 1 est saturé, le condensateur d'aide à la commu-tation se charge à la tension du condensateur réservoir.
' :
,. ; :, ~ 173106 ~insi, le blocage du transistor s'effectue sous une tension préexistante ; ce mo~en permet de réduire notablement le temps de décroissance du courant de collecteur.
5 Le montage muni du circuit d'aide à la commutation décrit permet en définitive de réduire les contraintes subies par le transistor en offrant la possibilité de maltriser parfai-tement les phénomènes de commutation~ Le transistor n'est ]amais le siège d'une tension et d'un courant simultanés. Le 10 montage permet de récupérer la quasi totalité des pertes qui sont habituellement dissipées dans les autres montages et de limiter la valeur dV appliquée à la charge, ce qui est un dt très grand avantage dans les montages en pont. I:l permet encore de limiter la surtension subie par le transistor et 15 alnsi, de réduire les marges de sécurité prises habituelle-ment. Ce type de clrcuit est particulièrement avantageux pour les montages à haute tension ou les transistors fonctionnent en polarisation inverse de base (fonctionne-ment dit en "V C E X"). Il est ainsi possible d'étendre le 20 fonctionnement de certains transistors aux réseaux 380 V
redressés.
A la figure 3, on a représenté une variante du montage de la figure 2, dans laquelle le condensateur d'aide à la commuta-25 tion 7 a est connecté entre le collecteur du transistor 1 etla borne du condensateur réservoir 8 reliée à la source. Le circuit de la figure 3 constitue une amélioration du montage de la figure 2 qui permet ainsi de diminuer le courant cir-culant dans le condensateur réservoir 8.
~: ' .,............. , . :
A la figure 4, on a représenté l'application d'un tel montage à un dispositif comportant plusieurs transistors 11 à 16 montés en pont pour constituer un convertisseur poly-phasé destiné à l'alimentation d'un moteur asynchrone. Les 5 numéros de référence 11 a à 16 a désignent les diodes de récupération associées aux transistors.
Le circuit d'aide à la commutation comprend une seule inductance (respectivement 17, 18) une seule diode 10 trespectivement 19 - 20), un seul condensateur réservoir (respectivement 21 - 22) et un seul circuit de récupération (respectivement 23 - 24) pour chaque groupe de trois transistors, tandis qu'il y a autant de condensateurs d'aide à la commutation (25 à 30) qu'il y a de transistors. Le 15 montage de la Eigure 4 ayant une forme itérative, le nombre de transistors n'est donc pas limitatif et peut etre augmente pour permettre l'application de ce circuit à
l'alimentation d'un moteur pas à pas par une augmentation du nombre de branches des ponts de diode et de transistor. De 20 plus l'entrelacement qui résulte du fonctionnement des transistors fait que le courant dans les inductances peut être quasiment continu. La seule énergie qui soit à
récupérer est celle des condensateurs d'aide à la commutation et de la variation du courant dans la charge, de 25 ce fait le système de récupération d'énergie peut être sous dimensionné.
Le montage représenté à la figure 5 est un montage en pont de thyristors (Thl ~ Th6).
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~ ~73106 Un tel montage peut être destiné à l'alimentation d'un moteur asynchrone M ou d'un moteur synchrone à vitesse variable et comporte un pont de diodes de redressement Dl à
D6 en amont des circuits d~aide à la commutation, des 5 transistors Tl à T2 et des diodes D7 à D12 de récupération.
Ces circuits comprennent chacun une inductance ~Ll, respec-tivement L2) en série avec le transistor et, en parallèle sur celui-ci, une diode (D13, respectivement D14) et un 10 condensateur d'aide à la commutation (C5, respectivement C4~
en série. Entre la borne commune aux diodes Dl, D2, D3 (res-pectivement D4, D5, D6) et le point commun à la diode et au condensateur d'aide à la commutation est connecté un conden-sateur réservoir (Cl, respectivement C3) aux bornes duquel 15 est branché un circuit de récupération de l'énergier tel que décrit plus haut (REl, respectivement RE2). Ces circuits de récupération renvoient l'énergie des condensateurs Cl et C3 à un condensateur réservoir C2. Des résistances Rl et R2 marquées en pointillé permettent d'évacuer les courants de 20 fuite des transistors Tl et T2.
On considérera~, pour expliquer le fonctionnement du dispo-sitif, une configuration où le transistor T2 est cvnducteur et où le courant circule à travers T2, un thyristor du 25 groupe inférieur (par exemple Th4), une phase du moteur (par exemple II - III) et une diode ~par exemple D11). La commande de l'amor~age du transistor Tl, en série avec le thyristor Th2, pour effectuer une commutation, entraine le phénomène suivant : D11 ne se bloquant pas immédiatement, il 30 en résulte un courant de récupération des charges qui sont .~ 17310~
stockées dans la jonction de cette diode Dll, courant qui circule à travers Ll, Tl, Th2 et Dll et un courant de décharge du condensateur C5, qui s'additionne avec le précé~
dent dans Tl et Ll. Ce phénomène est toutefois de très 5 courte durée et n'entraine pas de pertes importantes dans le transistor.
A la fin de ce phénomène de commutation, le courant qui cir-cule dans Ll ne peut s'interrompre brutalement et il doit 10 obligatoirement se refermer. Le courant qui circule dans Ll se referme, à la fin du phénomène de commutation, par D13 et Cl (voie de plus faible impédance que la voie Tl, Th2, D8 et Cl). L'inconvénient d'allonger la durée de la surintensite résultant du phénomène de commutation se trouve ainsi 15 éliminé.
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Pour que le montage de la figure 5 fonctionne dans de bonnes conditions, il faut que Cl et C3 soient choisis très grands devant C2, afin de limiter leur charge due au courant cir-20 culant du moteur à travers les diodes D7 à D12.
Un autre mode de réal1sation des applications peut être obtenu par l'utilisation du schéma de la figure 3 en rempla~
cement du circuit représenté à la figure 2 utilisé pour les 25 montages des circuits des figures 4 et 5.
, Il va de soi que diverses autres applications du dispositif pourront etre imag1nées par l'homme du métier sans sortir du cadre de l'invention.
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Onduleur à transistors ou à thyristors à récuPération d'énergie L'invention se rapporte à un dispositif onduleur à valves commandées qui sont montées en pont et avec diodes de récupération elles aussi montées en pont, ce dispositif étant du type dans lequel les points-milieu du pont de 5 diodes de récupération sont reliés aux points-milieu corres-pondants du pont de l'onduleur.
La présente invention a pour objet une amélioration des onduleurs du type précité.
Selon l'invention un tel montage e.st caractérise en ce qu'il comprend un circuit d'aide à la commutation et de récupéra-tion d'énergie branché à l'onduleur à transistors ou à
thyristors.
Le fonctionnement des transistors de puissance sur charge inductive, c'est-à-dire sur le type de charge le plus fréquemment rencontré dans les montages où les transistors :
~ouent un rôle de commutation, soumet ceux-ci à des 20 contraintes préjudiciables au rendement du montage et à la durée de vie du transistor.
En particulier, le transistor subit des pertes de commuta-tion à l'amorçage et au blocage. Les premières sont liées à
25 l'apparition d'une surintensité, les secondes à la présence simultanée de toute la tension aux bornes du transistor alors qu'il est encore~traversé par le courant de la charge.
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1 173~L06 Il est connu, pour réduire la surintensité de l'amorçage, d'insérer une inductance d'aide à la commutation en série avec la charge, avec un circuit composé d'une diode en série avec une résistance, branché en parallèle sur ladite induc-5 tance, la diode étant montée pour se trouver en polarisationdirecte lorsque le transistor est bloqué. Un inconvénient de ce montage est que, au moment du blocage du transistor, l'énergie emmagasinée dans l'inductance d'aide à la commuta-tion se trouve alors dissipée dans la résistance.
Il est également connu, pour réduire la contrainte au bloca-ge, de disposer, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un condensateur de capacité relativement faible et d'une autre diode en série. Une autre résistance est de pré-15 férence connectée, soit en parallèle sur ladite autre diode,soit en parallèle sur les deux diodes. Ladite autre diode est montée pour être en polarisation directe lorsque le transistor se bloque. Un inconvénient de ce montage est que, au moment de l'amorcage, l'énergie emmagasinée dans le 20 condensateur est dissipée dans ladite autre résistance.
Ainsi, les montages connus d'aide à la commutation des tran-sistors, s'ils réduisent les pertes de commutation proprement dites du transistor, engendrent par contre des 25 pextes par dissipation d'énergle dans les résistances qu'ils comportent. Ces pertes peuvent devenir suffisamment impor-tantes pour détruire le transistor, lorsque la fréquence de commutation et/ou la tension d'alimentation dépassent cer-taines valeurs.
31~6 La présente invention a pour objet un dispositif onduleur avec circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie dans lequel ces pertes par dissipation sont rédui-tes ou supprimées.
Le dispositif selon l'invention comporte, relié à chacune des entrées continues d'un pont de valve à thyristor respec-tivement un premier circuit série comprenant un transistor et une inductance, dont l'autre borne est reliée à la borne 10 respective de l'alimentation ; un deuxième circuit série associé à chaque premier circuit branche en parallèle entre le point commun à l'inductance et au transistor de chaque premier circuit et la borne d'alimentation respective, ledit deuxième circuit comprenant en série un condensateur réser-15 voir et une diode reliée par~ son anode au point commun àl'inductance et au transistor et par sa cathode au conden-sateur réservoir et à l'extrémité respective du pont de dio-des; un circuit convertisseur basse tension - haute tension dont les entrées sont reliées aux bornes du condensateur ré-20 servoir et dont les sorties sont reliées aux bornes du : circuit d'alimentation ; un condensateur d'aide à la commu-tation associé à chaque premier circuit dont une borne est reliée`au point commun au transistor et à l'entrée respec~
tive du pont de thyristor.
Dans un tel montage, le condensateur d'aide à la commutation forme un circuit oscillant avec l'inductance à l'amorçage du transistor et, dans un second temps, le courant qui circu-lait dans l'inductance vient charger le condensateur réser-30 voir auquel l;'énergie est ainsi restituée. De meme, aublocage du transistor, le courant qui circulait dans le con-: - 3 -~ ~73106 densateur d'aide à la commutation, à travers l'inductance d'aide à la commutation vient charger le condensateur réser-voir.
5 Suivant une particularité de l'invention, l'énergie ainsi stockée dans le condensateur réservoir est restituée à la source au moyen d'un montage convertisseur basse tension -haute tension.
10 D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'inven-tion apparaîtront clairement à l'aide de la description ci-après.
Au dessin annexé :
Les figures 1 et 2 sont des schémas de principe d'un dispo~
sitif d'aide à la commutation et de récupération d'énergie utilisable dans un convertisseur-onduleur selon l'invention.
' 20 La figure 3 représente une variante d'un dispositif d'aide à la commutation et de récupération d'énergie également ~ ~ utilisable dans un convertisseur-onduleur selon l'invention.
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La figure 4 représente un convertisseur polyphasé à transis-25 tors faisant application du dispositif de l'invention, et La fi~ure 5 représente un générateur de tension alternative variable à thyristors faisant application du dispositif de ~l'invention.
Le montage représenté à la figure l comporte un transistor de pu~issance l,~ou plusieurs transistors~ montés en parall-èle, destiné~à l'alimentation d'une charge inductlYe avec ~ : :
~ - 4 -O ~3~06 laquelle il est connecté en série et fonctionnant en commu-tation. La charge comprend une composante inductive 2, une composante résistive 3 et, éventuellement, une force électro-motrice. Une diode de rcupération 4 est, de façon 5 connue en soi, branchée en parallèle sur la charge de manière à être polarisée en sens inverse lorsque le transis-tor est conducteur. La charge peut être reliée indifférem-ment à l'émetteur (cas de la figure) ou au collecteur du transistor.
Quand le transistor est rendu conducteur par application à
sa base d'une tension de commande par des moyens non figurés, le courant délivré par la source traverse l'ensem-ble charge-transistor et retourne à la source. Quand le 15 transistor est bloqué (par les memes moyenslà le courant délivré par la source est brusquement interrompu et le courant circulant dans la composante inductive 2 se referme par la diode 4.
20 Ce phénomène de mise en conduction et de blocage se répète à
la fréquence f déterminée par les moyens de commande et en-traîne des pertes dites de commutation (les pertes de con-duction dans le transistor étant comparativement négligea-bles) qui peuvent devenir suffisamment importantes pour dé-25 tériorer le transistor.
:Les pertes de commutation à la mise en conduction du tran-sistor sont liées à la présence d'une surintensité pendant le temps de recouvrement des charges stockées dans la jonc-30 tion de la diode de récupération. Il est connu de rédulre . .
-.
. .
~ ~73~0~
cette surintensité en insérant, en série avec la charge, une petite inductance d'aide à la commutation, sur laquelle est branché en parallèle un circuit comprenant une diode en série avec une résistance, la diode étant branchée de 5 manière à être en polarisation directe lorsque le transistor est bloqué.
Les pertes de commutation au blocage du transistor sont liées à une croissance de la tension collecteur-émetteur 10 alors que 1~ composante inductive de la charge tend à main-tenir constant le courant dans le transistor. Il est connu de réduire cette tension en disposant, en parallèle sur le transistor, un circuit composé d'un condensateur et d'une diode connectés en série. De préférence, une résistance est 15 connectée en parallèle sur la diode, laquelle est montée de fa,con à etre conductrice quand le transistor se bloque.
Avec ces circuits d'aide à la commutation, les pertes dans le transistor sont fortement diminuées. En contrepartie, il 20 apparait des pertes dans les résistances associées à
1'inductance et au condensateur d'aide à la commutation. Ces pertes sont:
pour l'inductance : PL = 2 L.I x f pour le condensateur : Pc = 2 C.V2 x f On voit apparaitre une limitation à l'augmentation de la puissance P = VI disponible aux bornes de la charge et à
30 celle de la fréquence de fonctionnement. En effet, rapide-~ ~73~06 ment, les pertes Pc et PL deviennent importantes et entrainent d'une part, des problèmes de dissipation et, d'autre part, une détérioration du rendement.
S Le dispositif dont la description suit permet de réduire le nombre de composants utilisés pour les circuits d'aide à la commutation et surtout d'autoriser la récupération des pertes. Avec ce moyen, les pertes sont insignifiantes et, de ce fait, la puissance du dispositif peut etre très fortement 10 augmentée, ainsi que la fréquence de fonctionnement et le rendement est sensiblement amélioré.
Dans le circuit d'aide à la commutation de la figure 1, l'inductance 5 est reliée par une de ses extrémités à une 15 borne du transistor 1 (cette borne pouvant être indifférem-ment le collecteur ou llémetteur). A ce point commun se trouve reliée une borne de la diode 6.
L'autre borne de la diode 6 est reliée à une borne du con-20 densateur 7 d'aide à la commutation et à une borne d'un con-densateur réservoir 8, ayant une valeur très supérieure à
celle du condensateur d'aide à la commutation. Ce condensa-teur réservoir pourra être par exemple un condensateur élec-trochimique basse tension de capacité telle que sa charge 25 reste sensiblement constante au cours du fonctionnement du montage. A titre d'exemple, pour une capacité de 1 ~ F du condensateur d'aide à la commutation, le condensateur 8 pourra avoir une capacité de 1000 ~ F. L'autre borne du con-densateur d'aide à la commutation est connectée à l'autre 30 borne du transistor, et l'autre borne du condensateur réser-.
` ~
t ~7310~
voir est connectée à la borne libre de l'inductance d'aide à
la commutation.
La diode 6 est branchée de telle sorte que le circuit 5 composé de ladite diode et du condensateur réservoir soit en polarisation inverse quand le transistor est conducteur.
On voit que le dispositif d'aide à la commutation qui vient d'être décrit se distingue de dispositifs connus par le fait 10 que la diode et la résistance associées- à l'inductance d'aide à la commutation sont remplacées par un condensateur réservoir. Son fonctionnement est le suivant : à la mise en conduction du transistor, le circuit formé par le condensa-teur d'aide à la commutation en serie avec le condensateur 15 réservoir se -trouve, par l'intermédiaire du transistor, con-necté en parallèle sur l'inductance d'aide à la commutation.
L'ensemble des condensateurs 7 et 8 mis en série est équiva-lent au condensateur 7 de plus faible valeur. Ainsi, le con-densteur 7 et l'inductance 8 forment un circuit oscillant.
20 Le courant qul prend naissance dans ce circuit oscillant a une allure sinusoldale. A l'instant de la mise en conduction du transistor, ce courant ~est nul ; 11 est maximum à
l'instant aorrespondant au quart de la période du circuit oscillant. Au même instant, la tension du condensateur est 25 nulle. Il en est de même pour la tension aux bornes de l'inductance. ~L'instant suivant, la tension présente aux bornes de l'inductance tend à s'inverser, entrainant la fermeture de la diode. Le courant qui circulait dans l'inductance vient alors charger le condensateur réservoir.
:
, ~ 1?73106 Quand le transistor se bloque, le courant qui y circulait est dérivé, par l'intermédiaire de la diode, dans le conden-sateur d'aide à la commutation et, quand la tension collec-teur - émetteur aura atteint la tension de la source, le 5 courant qui circulait dans l'inductance viendra à nouveau charger le condensateur réservoir.
Ce montage permet donc de transférer l'énergie du condensa-teur d'aide à la commutation dans l'inductance d'aide à la 10 commutation, cette énergie étant ensuite transférée dans le condensateur réservoir. Il en est de même pour l'énergie stockée dans l'inductance d'aide à la commutation (cette énergie étant due au courant traversant la charge).
15 Ainsi doncl les énergies:
1 L I2 et 12 C VA
(I étant le courant dans la charge, VA la tension d'alimen-tation, L et C les valeurs de l'inductance et du condensa-20 teur d'aide à la commutation) sont stockées sous forme de tension dans le condensateurréservoir. La tension Vr aux bornes de celui-ci sera donc telle que :
Vr2 = 1 ~L:E:2. + CVA) (Cr étant la valeur du condensateur réservoir).
~ 1~3~06 En fonction de l'énergie ainsi stockée, il sera possible, soit de dissiper celle-ci dans une résistance 9 connectée en parallèle sur le condensateur réservoir, soit de récupérer cette énergie pour la restituer à la source. A cet effet, la 5 résistance 9 sera alors remplacée, par exemple, par un transformateur élévateur de tension fonctionnant à haute fre~uence, ou par un montage utilisant un transistor à haute tension et une inductance. De tels montages de restitution de l'énergie à la source sont bien connus en soi. un circuit 10 de ce genre a été symbolisé en 10 à la figure 2.
Le montage qui vient d'être décrit apporte, en plus de la possibilité de récupérer l'énergie, les avantages suivants:
15 La tension aux bornes de la charge est égale à la différence entre la tension d'alimentation (qui est une tension cont-inue constante) et la tension présente aux bornes de l'inductance 5. Cette dernière tension étant en forme d'arche de sinusolde, à la mise en conduction du transistor, 20 il en est donc de même pour la tension aux bornes de la char-ge qui sera de la forme:
V = VA sin ~ t La valeur maximum de la dérivée de la tension aux bornes de la charge est donc :
dv d max = ~ VA
avec ~ = ~
Pour cette raison, il est possible sans adjonction de maté-riel, de limiter la valeur maximum de la dérivée. Cette pro-priété permet de limiter la pointe de courant dans la diode .
~ ~73106 de récupération connectée en parallèle sur la charge. Dans certaines applications où la charge sera un autre transistor ~cas d'un montage en pont : figure 4~, on réduira également la pointe de courant dans ledit transistor de charge.
Dans d'autres applications, comme on le verra dans la suite tfigure 5), la charge est constituée par un thyristor dont on réduit alors-les riques d'amorçage intempestifs par dV.
10 Si le condensateur réservoir 8 est associé à un circuit auxiliaire q~i maintient constante la tension à ses bornes (ce circuit auxiliaire pouvant être le circuit de récupéra-tion lui-meme), le transistor 1 ne supporte plus que la ten-sion de source augmentee de la tension du condensateur 15 réservoir et ce, quel que soit le courant qui circulait dans l'inductance d'aide à la commutation. Dans le montage connu, où cette inductance était fermée par un circuit diode résis-tance, la tension que subissait le transistor était égale à
la tension de source, augmentée du produit du courant circu-20 lant dans l'inductance par la valeur de la résistance d'aideà la commutation, ce qui pouvait occasionner une surtension dangereuse.
On notera que le fonctionnement du montage aboutit à
25 précharger le condensateur d'aide à la commutation.
En effet, après la phase de mise en conduction, quand Ie transistor 1 est saturé, le condensateur d'aide à la commu-tation se charge à la tension du condensateur réservoir.
' :
,. ; :, ~ 173106 ~insi, le blocage du transistor s'effectue sous une tension préexistante ; ce mo~en permet de réduire notablement le temps de décroissance du courant de collecteur.
5 Le montage muni du circuit d'aide à la commutation décrit permet en définitive de réduire les contraintes subies par le transistor en offrant la possibilité de maltriser parfai-tement les phénomènes de commutation~ Le transistor n'est ]amais le siège d'une tension et d'un courant simultanés. Le 10 montage permet de récupérer la quasi totalité des pertes qui sont habituellement dissipées dans les autres montages et de limiter la valeur dV appliquée à la charge, ce qui est un dt très grand avantage dans les montages en pont. I:l permet encore de limiter la surtension subie par le transistor et 15 alnsi, de réduire les marges de sécurité prises habituelle-ment. Ce type de clrcuit est particulièrement avantageux pour les montages à haute tension ou les transistors fonctionnent en polarisation inverse de base (fonctionne-ment dit en "V C E X"). Il est ainsi possible d'étendre le 20 fonctionnement de certains transistors aux réseaux 380 V
redressés.
A la figure 3, on a représenté une variante du montage de la figure 2, dans laquelle le condensateur d'aide à la commuta-25 tion 7 a est connecté entre le collecteur du transistor 1 etla borne du condensateur réservoir 8 reliée à la source. Le circuit de la figure 3 constitue une amélioration du montage de la figure 2 qui permet ainsi de diminuer le courant cir-culant dans le condensateur réservoir 8.
~: ' .,............. , . :
A la figure 4, on a représenté l'application d'un tel montage à un dispositif comportant plusieurs transistors 11 à 16 montés en pont pour constituer un convertisseur poly-phasé destiné à l'alimentation d'un moteur asynchrone. Les 5 numéros de référence 11 a à 16 a désignent les diodes de récupération associées aux transistors.
Le circuit d'aide à la commutation comprend une seule inductance (respectivement 17, 18) une seule diode 10 trespectivement 19 - 20), un seul condensateur réservoir (respectivement 21 - 22) et un seul circuit de récupération (respectivement 23 - 24) pour chaque groupe de trois transistors, tandis qu'il y a autant de condensateurs d'aide à la commutation (25 à 30) qu'il y a de transistors. Le 15 montage de la Eigure 4 ayant une forme itérative, le nombre de transistors n'est donc pas limitatif et peut etre augmente pour permettre l'application de ce circuit à
l'alimentation d'un moteur pas à pas par une augmentation du nombre de branches des ponts de diode et de transistor. De 20 plus l'entrelacement qui résulte du fonctionnement des transistors fait que le courant dans les inductances peut être quasiment continu. La seule énergie qui soit à
récupérer est celle des condensateurs d'aide à la commutation et de la variation du courant dans la charge, de 25 ce fait le système de récupération d'énergie peut être sous dimensionné.
Le montage représenté à la figure 5 est un montage en pont de thyristors (Thl ~ Th6).
.
.
~ ~73106 Un tel montage peut être destiné à l'alimentation d'un moteur asynchrone M ou d'un moteur synchrone à vitesse variable et comporte un pont de diodes de redressement Dl à
D6 en amont des circuits d~aide à la commutation, des 5 transistors Tl à T2 et des diodes D7 à D12 de récupération.
Ces circuits comprennent chacun une inductance ~Ll, respec-tivement L2) en série avec le transistor et, en parallèle sur celui-ci, une diode (D13, respectivement D14) et un 10 condensateur d'aide à la commutation (C5, respectivement C4~
en série. Entre la borne commune aux diodes Dl, D2, D3 (res-pectivement D4, D5, D6) et le point commun à la diode et au condensateur d'aide à la commutation est connecté un conden-sateur réservoir (Cl, respectivement C3) aux bornes duquel 15 est branché un circuit de récupération de l'énergier tel que décrit plus haut (REl, respectivement RE2). Ces circuits de récupération renvoient l'énergie des condensateurs Cl et C3 à un condensateur réservoir C2. Des résistances Rl et R2 marquées en pointillé permettent d'évacuer les courants de 20 fuite des transistors Tl et T2.
On considérera~, pour expliquer le fonctionnement du dispo-sitif, une configuration où le transistor T2 est cvnducteur et où le courant circule à travers T2, un thyristor du 25 groupe inférieur (par exemple Th4), une phase du moteur (par exemple II - III) et une diode ~par exemple D11). La commande de l'amor~age du transistor Tl, en série avec le thyristor Th2, pour effectuer une commutation, entraine le phénomène suivant : D11 ne se bloquant pas immédiatement, il 30 en résulte un courant de récupération des charges qui sont .~ 17310~
stockées dans la jonction de cette diode Dll, courant qui circule à travers Ll, Tl, Th2 et Dll et un courant de décharge du condensateur C5, qui s'additionne avec le précé~
dent dans Tl et Ll. Ce phénomène est toutefois de très 5 courte durée et n'entraine pas de pertes importantes dans le transistor.
A la fin de ce phénomène de commutation, le courant qui cir-cule dans Ll ne peut s'interrompre brutalement et il doit 10 obligatoirement se refermer. Le courant qui circule dans Ll se referme, à la fin du phénomène de commutation, par D13 et Cl (voie de plus faible impédance que la voie Tl, Th2, D8 et Cl). L'inconvénient d'allonger la durée de la surintensite résultant du phénomène de commutation se trouve ainsi 15 éliminé.
:
Pour que le montage de la figure 5 fonctionne dans de bonnes conditions, il faut que Cl et C3 soient choisis très grands devant C2, afin de limiter leur charge due au courant cir-20 culant du moteur à travers les diodes D7 à D12.
Un autre mode de réal1sation des applications peut être obtenu par l'utilisation du schéma de la figure 3 en rempla~
cement du circuit représenté à la figure 2 utilisé pour les 25 montages des circuits des figures 4 et 5.
, Il va de soi que diverses autres applications du dispositif pourront etre imag1nées par l'homme du métier sans sortir du cadre de l'invention.
: : .
~ ~ - 15 -::
, ~:
Claims (5)
1- Dispositif onduleur convertisseur continu-alternatif destiné à convertir une tension continue produite entre les deux bornes d'une alimentation, en une tension alternative appliquée à la charge, au moyen d'un pont de valves comman-dées, dont les points extrêmes reçoivent la tension continue de l'alimentation et dont les points médians sont reliés aux bornes de la charge, ce dispositif comprenant un pont de diodes de récupération destiné à assurer le retour à la source de l'énergie inductive de la charge quand les valves sont fermées et dont les points médians sont reliés aux points médians du pont de valves, caractérisé en ce que les circuits reliant les bornes de l'alimentation aux bornes de la charge et passant à travers le pont de valve comprennent deux circuits d'aide à la commutation et de récupération d'énergie comportant chacun au moins un transistor connecté, par son émetteur ou son collecteur à une inductance d'aide à la commutation et, en parallèle avec cette inductance, une diode en série avec un condensateur de stockage dont les bornes sont reliées aux entrées d'un convertisseur haute tension/basse tension connecté par ses sorties aux bornes de l'alimentation, et un circuit d'aide à la commutation monté entre l'émetteur et le collecteur dudit transistor, ce circuit comprenant en série un condensateur d'aide à la commutation et ladite diode, de sorte que quand le transitor se bloque, l'énergie de l'in-ductance d'aide à la commutation est transférée dans le con-densateur de stockage et est ensuite restituée à l'alimenta-tion par ledit conve rtisseur basse tension - haute tension.
2- Dispositif onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie comprend:
- relié à chacune des entrées continues d'un pont de valves à thyristor respectivement un premier circuit série, compre-nant un transistor et une inductance, dont l'autre borne est reliée à la borne respective de l'alimentation.
- un deuxième circuit série associé à chaque premier circuit branché en parallèle entre le point commun à l'inductance et au transistor de chaque premier circuit et la borne d'alimentation respective, ledit deuxième circuit compre-nant en série un condensateur réservoir et une diode reliée par son anode au point commun à l'inductance et au transis-tor et par sa cathode au condensateur réservoir et à
l'extrémité respective du pont de diodes.
un circuit convertisseur basse tension-haute tension dont les entrées sont reliées aux bornes du condensateur réser-voir et dont les sorties sont reliées aux bornes du circuit d'alimentation.
- un condensateur d'aide à la commutation associé à chaque premier circuit dont une borne est reliée au point commun au transistor et à l'entrée respective du pont de thyristor.
- relié à chacune des entrées continues d'un pont de valves à thyristor respectivement un premier circuit série, compre-nant un transistor et une inductance, dont l'autre borne est reliée à la borne respective de l'alimentation.
- un deuxième circuit série associé à chaque premier circuit branché en parallèle entre le point commun à l'inductance et au transistor de chaque premier circuit et la borne d'alimentation respective, ledit deuxième circuit compre-nant en série un condensateur réservoir et une diode reliée par son anode au point commun à l'inductance et au transis-tor et par sa cathode au condensateur réservoir et à
l'extrémité respective du pont de diodes.
un circuit convertisseur basse tension-haute tension dont les entrées sont reliées aux bornes du condensateur réser-voir et dont les sorties sont reliées aux bornes du circuit d'alimentation.
- un condensateur d'aide à la commutation associé à chaque premier circuit dont une borne est reliée au point commun au transistor et à l'entrée respective du pont de thyristor.
3- Dispositif onduleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'autre borne de chaque condensateur d'aide à la commutation est reliée au point commun à la diode et au condensateur réservoir respectif du second circuit.
4- Dispositif onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'aide à la commutation et de récupération d'énergie comprend:
- associé à chaque entrée d'un pont de valves à transistors un premier circuit reliant les entrées du pont de transis-tors aux entrées respectives du pont de diodes, ledit premier circuit comprenant en parallèle sur une inductance, un condensateur réservoir et une diode, dont l'anode est reliée à l'entrée respective du pont à transistors et dont la cathode est reliée au condensateur.
- un circuit convertisseur basse tension-haute tension associé à chaque premier circuit respectif et dont les entrées sont branchées en parallèle sur le condensateur réservoir et dont les sorties sont reliées aux bornes de la source d'alimentation.
- associé à chaque demi-branche du pont de transistors un condensateur d'aide à la commutation relié au point-milieu respectif de chaque demi-branche.
- associé à chaque entrée d'un pont de valves à transistors un premier circuit reliant les entrées du pont de transis-tors aux entrées respectives du pont de diodes, ledit premier circuit comprenant en parallèle sur une inductance, un condensateur réservoir et une diode, dont l'anode est reliée à l'entrée respective du pont à transistors et dont la cathode est reliée au condensateur.
- un circuit convertisseur basse tension-haute tension associé à chaque premier circuit respectif et dont les entrées sont branchées en parallèle sur le condensateur réservoir et dont les sorties sont reliées aux bornes de la source d'alimentation.
- associé à chaque demi-branche du pont de transistors un condensateur d'aide à la commutation relié au point-milieu respectif de chaque demi-branche.
5- Dispositif onduleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la deuxième borne de chaque condensa-teur d'aide à la commutation d'une demi-branche d'un pont est reliée au point commun à la diode et au condensateur réservoir associé à ce demi-pont.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CA000382416A CA1173106A (fr) | 1981-07-23 | 1981-07-23 | Onduleur a transistors ou a thyristors a recuperation d'energie |
Applications Claiming Priority (1)
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