FR3129544A1 - Convertisseur d’énergie électrique apte à être connecté à deux sources d’alimentation et apte à la récupération d’énergie - Google Patents

Convertisseur d’énergie électrique apte à être connecté à deux sources d’alimentation et apte à la récupération d’énergie Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un système de conversion de puissance électrique comprenant N bras de commutation (A, B, C) et un circuit de montage (CM) d’une première source (S1), chacun des N bras de commutation (A, B, C) comprenant deux éléments de commutation en série (Ka1, Ka2, Kb1, Kb2, Kc1, Kc2) et connectés entre eux en un point milieu (Pha, Phb, Phc). Chaque point milieu (Pha, Phb, Phc) de chacun des bras de commutation (A, B,C) forme une phase pour la connexion à une charge électrique (M) et le système de conversion de puissance comprend une capacité (12) montée en parallèle des bras de commutation (A, B, C). De plus, le système de conversion de puissance comprend un module de transformation (MT) de la tension entre un point de jonction pour la connection à une borne d’une deuxième source (S2) et à chacun des N points milieux (Pha, Phb, Phc), ce module (MT) comprenant un inducteur (10) et un circuit de N branches de commutation (D, E, F) en parallèle, chacune comprenant deux organes de commutation (Km1, Km2, Km3, Kn1, Kn2, Kn3) montés en tête bêche. Figure 2 à publier

Description

Convertisseur d’énergie électrique apte à être connecté à deux sources d’alimentation et apte à la récupération d’énergie
La présente invention concerne le domaine des convertisseurs pour la conversion de l’énergie électrique, notamment pour l’alimentation des machines électriques multi-phasées.
Un convertisseur statique est un système permettant de convertir un signal électrique en un autre signal électrique possédant des caractéristiques différentes. Par exemple, un convertisseur peut permettre de convertir une tension alternative en une autre tension alternative avec une fréquence et/ou une amplitude différente, on parle alors de convertisseur alternatif/alternatif ou AC/AC. Selon un autre exemple, un convertisseur peut permettre de convertir une tension alternative en une tension continue, on parle alors de convertisseur alternatif/continu ou AC/DC (aussi appelé redresseur). Pour la conversion inverse continu/alternatif, on parle de convertisseur DC/AC, aussi appelé onduleur. Selon un dernier exemple, un convertisseur peut convertir une tension continue en une tension continue de tension différente, on parle alors de convertisseur DC/DC. Les convertisseurs peuvent être réversibles ou non réversibles. Généralement, la conversion est mise en œuvre au moyen de commutateurs (interrupteurs) commandés.
Pour piloter des machines électriques, par exemple pour des machines électriques à aimants permanents, des machines synchro réluctantes ou des machines synchrones, à partir de système(s) de stockage d’énergie électrique (par exemple une batterie), il est nécessaire de convertir l’énergie électrique continue en énergie alternative multi-phasée. Cette conversion peut être réalisée au moyen d’un convertisseur DC/AC. Pour l’exemple d’une machine électrique triphasée, un tel convertisseur doit fournir trois tensions électriques sinusoïdales déphasées de 120° les unes par rapport aux autres, et dont l’amplitude dépend directement du couple demandé (et du régime de rotation), et dont la fréquence dépend uniquement du régime de rotation de la machine électrique reliée au convertisseur.
Classiquement, un convertisseur DC/AC comprend trois bras de commutations. Chaque bras de commutation comporte deux commutateurs commandés et deux diodes placées en parallèle des commutateurs commandés, les diodes pouvant être intrinsèquement intégrés au commutateur pour des commutateurs de type MOSFET (acronyme anglais de « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » qui se traduit par transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur), par exemple des MOSFET SiC (carbure de silicium) ou GaN HEMT (HEMT pour l’acronyme anglais de « High electron mobility transistor » qui se traduit par transistor à haute mobilité électronqiue, GaN signifiant en Nitrure de Gallium). En fonction du courant de charge demandé, un bras peut être composé de plusieurs ‘sous bras’ en parallèle. Les phases de la machine électrique sont reliées au point milieu de chaque bras. On commande chaque bras séparément en pilotant l’ouverture et la fermeture des commutateurs sur des périodes de découpage, de manière à former un signal triphasé.
La illustre un tel convertisseur classique DC/AC. La tension continue du moyen de stockage d’énergie électrique est indiquée Udc. Le moteur triphasé M est représenté schématiquement par trois bobines, alimentées respectivement par les courants Ia, Ib et Ic. Le convertisseur comporte trois bras de commutation A, B, C, chaque bras de commutation A, B, C est relié à une phase de la machine électrique M. Chaque bras de commutation comporte deux commutateurs 1 et deux diodes 2. Les bras de commutation A, B, C sont disposés en parallèle, entre les deux bornes d’entrée continues du convertisseur de tension Udc. Les phases de sortie des bras de commutation A, B, C sont reliées au point milieu (entre les deux commutateurs) des bras de commutation.
On connait également la demande de brevet US2014/0117 770 A1 qui permet de connecter plusieurs sources électriques à un même convertisseur. Toutefois, pour cette solution, il n’y a pas deux sources indépendantes mais deux niveaux de tension issus d’une même source. En outre, la conversion DC/DC pour passer d’une source à l’autre est indépendante du convertisseur et de ce fait, le rendement de l’ensemble est relativement bas.
On connait également la demande de brevet US2011/115 294 AA qui concerne un convertisseur pour connecter plusieurs sources. Toutefois, l’architecture proposée ne permet pas la récupération d’énergie pour recharger au moins une source et elle ne permet pas le pilotage de connexion/déconnexion des différentes sources
Ainsi, l’objet de l’invention consiste à concevoir un système de conversion d’énergie électrique apte à être connecté à deux sources alternativement ou simultanément, à augmenter le rendement du système et à permettre la recharge d’au moins une des sources et de préférence de permettre la recharge des deux sources.
Pour se faire, l’invention concerne un système de conversion de puissance électrique comprenant N bras de commutation en parallèle d’un circuit de montage d’une première source d’alimentation électrique, N étant supérieur ou égal à trois et de préférence égal à trois, chacun des N bras de commutation comprenant au moins deux éléments de commutation en série et connectés entre eux en un point milieu, les éléments de commutation étant pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles, chaque point milieu de chacun des N bras de commutation formant une phase pour la connexion à une charge électrique multi-phasée, le système de conversion de puissance comprenant une capacité montée en parallèle desdits N bras de commutation. De plus, le système de conversion de puissance comprend un module de transformation de la tension entre un point de jonction destiné à être connecté à une borne d’une deuxième source d’alimentation électrique et à chacun des N points milieux, le module de transformation comprenant un premier inducteur connecté audit point de jonction et à un circuit comprenant N branches de commutation en parallèle, chaque branche de commutation comprenant deux organes de commutation en série et étant connectée à un point milieu distinct d’un des N bras de commutation, chacun desdits organes de commutation étant pilotable en ouverture et en fermeture et réversible, les deux organes de commutation d’une même branche étant montés en tête bêche.
De préférence, les éléments de commutation des N bras de commutation comprennent chacun un transistor et une diode montés en parallèle.
Préférentiellement, chaque organe de commutation comprend un transistor et une diode montés en parallèle.
Avantageusement, le circuit de montage comprend la première source d’alimentation électrique, de préférence de tension continue.
De manière avantageuse, le système de conversion comprend ladite deuxième source d’alimentation électrique, de préférence de tension continue, connectée entre ledit premier inducteur et la masse.
Selon une configuration de l’invention, la première source d’alimentation électrique et la deuxième source d’alimentation électrique sont de nature différente et/ou de tension différente.
Selon une variante de l’invention, l’une desdites première et deuxième sources d’alimentation électrique est un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique tel qu’une batterie, et pour lequel l’autre desdites première et deuxième sources d’alimentation électrique est une pile à combustible.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la première source d’alimentation électrique est directement connectée en parallèle desdits N bras de commutation.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le circuit de montage comprend un bras de commutation supplémentaire en parallèle desdits N bras de commutation, ledit bras de commutation supplémentaire comprenant au moins deux dispositifs de commutation en série et connectés entre eux par un point intermédiaire, les dispositifs de commutation étant pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles, un deuxième inducteur étant connecté entre le point intermédiaire et un point de connexion destiné à être connecté à une borne de la première source d’alimentation électrique.
Avantageusement, ladite première source d’alimentation électrique, de préférence de tension continue, est connectée entre le point de connexion et la masse.
Selon une configuration avantageuse, le système de conversion comprend un système de commande pour piloter les ouvertures/fermetures des éléments de commutations et pour piloter les ouvertures/fermetures des organes de commutation en fonction des états des éléments de commutation.
Préférentiellement, le système de commande est configuré pour commander la fermeture des organes de commutation des branches de commutation reliés à un point milieu d’un des bras de commutation lorsque l’élément de commutation de ce bras de commutation connecté à la masse est fermé ou lorsque les éléments de commutation des Ns bras de commutation connectés à la masse sont ouverts.
Selon une mise en œuvre, le système de commande est configuré pour commander les éléments de commutation de chacun des N bras de commutation de manière opposée, l’ouverture d’un des deux éléments de commutation en série de chaque bras de commutation impliquant la fermeture de l’autre desdits deux éléments de commutation en série de ce bras de commutation.
L’invention concerne également un système d’entraînement comprenant au moins un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique tel qu’une batterie, une pile à combustible et une machine électrique multi-phasée, de préférence triphasée, le système d’entraînement comprenant un système de conversion de puissance électrique tel que décrit précédemment pour convertir l’énergie électrique dudit moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique et/ou de ladite pile à combustible en énergie électrique alternative multi-phasée pour ladite machine électrique multi-phasée ou inversement.
En outre, l’invention concerne aussi un véhicule comprenant un système d’entraînement tel que décrit ou un système de conversion de puissance tel que décrit.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et/ou du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
[Fig 1]
La , déjà décrite, représente un convertisseur DC/AC classique selon l’art antérieur.
[Fig 2]
La représente un premier mode de réalisation d’un système de conversion de puissance électrique selon l’invention.
[Fig 3]
La représente un deuxième mode de réalisation d’un système de conversion de puissance électrique selon l’invention.
[Fig 4]
La représente quatre états possibles du système de conversion de la selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig 5]
La représente les quatre autres états possibles du système de conversion de la selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig 6]
La représente des courbes donnant les états des éléments de commutation et les états des organes de commutation en fonction des états des éléments de commutation.
[Fig 7]
La représente les courbes des états des éléments de commutation, des états des organes de commutation en fonction des états des éléments de commutation, ainsi que le courant dans le premier inducteur.
[Fig 8]
La représente un exemple de gestion d’énergie des première et deuxième source d’alimentation électrique pour entraîner une machine électrique au moyen du système selon un mode de réalisation de l’invention.

Claims (15)

  1. Système de conversion de puissance électrique comprenant N bras de commutation (A, B, C) en parallèle d’un circuit de montage (CM) d’une première source d’alimentation électrique (S1), N étant supérieur ou égal à trois, de préférence N est égal à trois, chacun des N bras de commutation (A, B, C) comprenant au moins deux éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) en série et connectés entre eux en un point milieu (Pha, Phb, Phc), les éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) étant pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles, chaque point milieu (Pha, Phb, Phc) de chacun des N bras de commutation (A, B, C) formant une phase pour la connexion à une charge électrique multi-phasée (M), le système de conversion de puissance comprenant une capacité (12) montée en parallèle desdits N bras de commutation (A, B, C), caractérisé en ce que le système de conversion de puissance comprend un module de transformation (MT) de la tension entre un point de jonction destiné à être connecté à une borne d’une deuxième source d’alimentation électrique (S2) et chacun des N points milieux (Pha, Phb, Phc), le module de transformation (MT) comprenant un premier inducteur (10) connecté audit point de jonction et à un circuit comprenant N branches de commutation (D, E, F) en parallèle, chaque branche de commutation (D, E, F) comprenant deux organes de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) en série et étant connectée à un point milieu distinct (Pha, Phb, Phc) d’un des N bras de commutation (A, B, C), chacun desdits organes de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) étant pilotable en ouverture et en fermeture et réversible, les deux organes de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) d’une même branche étant montés en tête bêche.
  2. Système de conversion de puissance électrique selon la revendication 1, pour lequel les éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) des N bras de commutation (A, B, C) comprennent chacun un transistor et une diode montés en parallèle.
  3. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel chaque organe de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) comprend un transistor et une diode montés en parallèle.
  4. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le circuit de montage (CM) comprend la première source d’alimentation électrique (S1) , de préférence de tension continue.
  5. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le système de conversion comprend ladite deuxième source d’alimentation électrique (S2), de préférence de tension continue, connectée entre ledit premier inducteur (10) et la masse.
  6. Système de conversion de puissance électrique selon les revendications 4 et 5, pour lequel la première source d’alimentation électrique (S1) et la deuxième source d’alimentation électrique (S2) sont de nature différente et/ou de tension différente.
  7. Système de conversion de puissance électrique selon la revendication 6, pour lequel l’une desdites première et deuxième sources d’alimentation électrique (S1, S2) est un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique tel qu’une batterie, et pour lequel l’autre desdites première et deuxième sources d’alimentation électrique est une pile à combustible.
  8. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendication 4 à 7, pour lequel la première source d’alimentation électrique (S1) est directement connectée en parallèle desdits N bras de commutation (A, B, C).
  9. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications 1 à 7, pour lequel le circuit de montage (CM) comprend un bras de commutation supplémentaire (G) en parallèle desdits N bras de commutation (A, B, C), ledit bras de commutation supplémentaire (G) comprenant au moins deux dispositifs de commutation (Kx 1, Kx 2) en série et connectés entre eux par un point intermédiaire (Phd), les dispositifs de commutation (Kx 1, Kx 2) étant pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles, un deuxième inducteur (11) étant connecté entre le point intermédiaire (Phd) et un point de connexion (22) destiné à être connecté à une borne de la première source d’alimentation électrique (S1).
  10. Système de conversion de puissance électrique selon la revendication 9, pour lequel ladite première source d’alimentation électrique (S1) , de préférence de tension continue, est connectée entre le point de connexion (22) et la masse.
  11. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le système de conversion comprend un système de commande pour piloter les ouvertures/fermetures des éléments de commutations (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) et pour piloter les ouvertures/fermetures des organes de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) en fonction des états des éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2).
  12. Système de conversion de puissance électrique selon la revendication 11, pour lequel le système de commande est configuré pour commander la fermeture des organes de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) des branches de commutation (D, E, F) reliés à un point milieu d’un des bras de commutation (A, B, C) lorsque l’élément de commutation (de ce bras de commutation connecté à la masse est fermé ou lorsque les éléments de commutation des N bras de commutation connectés à la masse sont ouverts.
  13. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications 11 ou 12, pour lequel le système de commande est configuré pour commander les éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) de chacun des N bras de commutation de manière opposée, l’ouverture d’un des deux éléments de commutation en série de chaque bras de commutation impliquant la fermeture de l’autre desdits deux éléments de commutation en série de ce bras de commutation.
  14. Système d’entraînement comprenant au moins un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique tel qu’une batterie, une pile à combustible et une machine électrique multi-phasée, de préférence triphasée, le système d’entraînement comprenant un système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes pour convertir l’énergie électrique dudit moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique et/ou de ladite pile à combustible en énergie électrique alternative multi-phasée pour ladite machine électrique multi-phasée ou inversement.
  15. Véhicule comprenant un système d’entraînement selon la revendication 14 ou un système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications 1 à 13.
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