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~080~9~
LVinvention concerne des convertisseurs statiques pour
machines a réluctance variable, notamment des convertisseurs à
fréquence variable, associés à des machines à r~luctance variable
à effet VERNIER, c'est-à dire dont la vitesse de rotation d'arbre
est un sous-multiple de la vitesse de rotation de la force magnéto-
motrice.
Bien que connues, les machines a réluctance variable
n'avaient pas trouvé d'applications industrielles importantes étant
donné leurs performances peu intéressantes lorsqu'elles sont ali-
mentées à fréquence fixe. Le développement des semi-conducteurs de
puissance permettant la réalisation de convextisseurs statiques à
fr~quence variable et llamélioration des caractéristiques dynami-
ques, obtenues par auto-pilotage des machines a réluctance variable,
permet aujourd'hui la réalisation de machines ayant des perfor-
mances excep~ionnelles et pouvant être commandées en couple ou en
vitesse dans les quatre quadrants des diagrammes couple/vitesse,
c'est-à-dire nota~ment en fonctionnement moteur aussi bien qu'en
fonctionnement genérateur9 avec9 dans ce dernier cas9 récupération
de l'énergie électrique produite par la machine~
Le but de l'invention est de créer un tel convertisseur
statique à fréquence variable pour machine à réluctance variable,
permettant d'assurer9 dans des conditions optimales de rendement
l énergétique, et sous contrôle constant de la vitesse ou du couple,
: soit llalimentation des enroulements de la machine fonctionnant en
;l 25 moteur9 soit la récupération de l'énergie électrique produite dans
les enroulements de la machine fonctionnant en générateur.
A cet effet9 l'invention concerne un convertisseur caracté-
risé en ce qulil comporte essentiellement 9 associé à une source de
:~ courant de type connu en soi9 susceptible de fonctionner aussi bien
en générateur qu~en récepteur9 en étant pilotée en fonction de la
vitesse ou du couple de la machine, au moins une paire de modules
élémentaires de commutation identiques montés en série9 un module
élémentaire comportant deux dérivations reliées en parallèle à la
source par une de leurs extrémités et reliées9 par leurs autres
extrémités, à un point commun avec les extrémités homologues de
l'autre module de commutation identique monte en série9 chacune des
dérivations alimentant respectivement un enroulement polaire élé-
mentaire de la machine à réluctance variable et comportant un
thyristor et une diode montés en série dans le sens passant vers
1'enroulement polairey les armatures d'un condensateur étant
,
., ~ . .
.
.
,
,
,;,
2 10~0'79~
respectivement raccordées sur chacune des dérivations entre les
thyristors et les diodes~ les thyristors cles deux modules élémen-
taires étant commandés par une électronique de commande pilotée
par un codeur interne et synchronisé avec 19électronique de
commande de la source de courant.
L'invention va être décrite plus en détail en se référant
à des exemples de réalisation représentés sur les dessins ci-
joints, dans lesquels ~
- La figure 1 représente schématiq~sement un premier
exemple de réalisation d9un convertisseur selon l?invention;
: - La figure 2 représente un second exemple de réalisation
d'un convertisseur selon l'invention;
- La figure 3 représente une partie des circuits de commu-
tation entrant dans la constitution des convertisseurs selon la
figure 1 ou la figure 2.
Les figures 1 et 2 représentent respectivement deux
exemples de convertisseurs statiques selon l'invention, tous deux
associés à une machine à réluctance variable 1009 qui 9 dans les
exemples choisis, est une machine comportant deux paires de pôles
complémentaires 19 3 et 29 49 soit 4 pôles élémentaires et un
. rapport Vernier de 1/4. Cette machine est très schématiquement
représentée par ses quatre enroulements polaires 19 29 3 et 4 dont
le point de jonction est référencé 101.
Le convertisseur statique se compose9 dans les deux cas, de
.~ 25 deux parties principales distinctes9 ~ sa~oir o d9une part9 une
"source de courant" 102, 102?9 unidirectionnelle9 susceptible de
fonctionner soit en générateur9 soit en récepteur d9énergie par
inversion de polarité9 et9 d9autre part9 un circuit de commutation
103 susceptible de commuter les enroulements polaires de la machine
sur la source de courant 102 ou 1029. Dans les deux exemples de
réalisation respectivement représentés sur les figures 1 et 2, les ~:
circuits de com~utation sont identiques et ils ont9 en conséquence, ~:
rec,u la même référence 103.
Par contre9 la source de courant 102 de la figure 1 est
différente de la source de courant 102 ? de la figure 20 Dans le cas
de l'exemple de réalisation selon la figure 19 la source de courant
102 comporte essentiellement un redresseur~onduleur triphasé à
thyristors 1021 et une self de lissage 1022. Une électronique de
commande 10239 recevant les signaux nécessaires ~ son fonctionne-
ment d9une boucle de courant 1024, commande les 8iX thyristors TH5
. '
: . . ., -, . . : , :. -
~~ - - , . .
:- . , , . : ,
- i : . : ' :
3 1 0 8 V 7 9 6
~ TH10 du redresseur-o~duleur en fo~ction des données de couple ou
de vitesse appliquées ~ une entrée 1025. Dans le cas de liexemple
de réalisation selon la figure 29 au contraire9 la source de cou-
rant 102q comporte essen~iellement une source de tension con~inue
auxiliaire constituée par une batterie d~ccu~ulateurs 1021'
susceptible d'être chargée sur le réseau par un redresseur chargeur
1022~ et associée ~ deux hacheurs 1023V et lOZ4q ainsi qu'à deux
circuits roue libre 1025q et 1026~ 9 qui per~ettent la récupération,
sur la batterie d~accumulateurs 1022V 9 de l~énergie électrique
produite par la machine à réluctance 100 fonctionnant en généra-
teur. Une électronique de commande 1027~9 recevant l~énergie
nécessaire à son fonctionnement d~une boucle de courant 1028~ 9
commande les hacheurs 1023~ et 1024q 9 en fonction des données de
couple et de vitesse appliquées à une entrée 1029 pour régler la
puissance motrice ou la puissance de freinage.
En fait 9 les sources de courant 102 et 102~ sont d'une
construction classique et sont connues en elles mêmesO Aussi est-
il inutile de les représenter et de les décrire plus en détail.
L9invention réside dans liassociation de ces sources de courant
connues en elles-mêmes avec le circuit de commutation 103, commun
aux deux exemples de réalisation représentés9 et qui va maintenant
être expliqué plus en détail en se référant tout d~abord à la
figure 3~
La figure 3 représente un circuit 103a constituant la par-
tie supérieure des circuits de commutation 1030 Ce circuit 103a
reçoit de la source un courant I ou bien restitue ce courant I à la
source. Il comprend les deux dérivations 1031 et 10329 aboutissant
I au point de jonction 101 et sur chacune desquelles sont respecti-I vement montés en série 9 dans le sens passant vers le point de
jonction 101, un thyristor THl ou TH3 9 une diode Dl ou D3 et un
enroulement 1 ou 3 de la machine à réluctance variableO Entre les
j deux dérivations 1031 et 1032 est monté un condensateur C13 dont
les bornes sont respectivement placées entre le thyristor THl et
la diode Dl et entre le thyristor TH3 et la diode D30
Le circuit 103a qui vient dqêtre décrit fonctionne de la
fac,on suivante o
Le thyristor THl étant dans l~état conducteur 9 et le conden-
sateur C13 étant chargé suivant la polarité indiquée sur la figure
39 le thyristor TH3 est amorcé. Cet amorc~age a pour résultat
d'appliquer la tension du condensateur C13 aux bornes du
., :
';
... , ............ ~
.~ :' ' .
:~ , , : . ~
.. - . - ~
.
4 108()'796
thyri~itor TH1, qui se bloque~ Le condensateur C13 se décharge
alors dans l'enroulement 1 ~ar llintermédiaire de la diode D1.
Vers la fin de cette déchar~e, la polarité s'inverse aux borne~
du condensateur C13 et le courant total I re~u ou émis par le
5 circuit va slécouler par l~intermédiaire de la diode D3 dans
l'enroulement 3y tandis que la diode Dl emp~iche le retour du
courant dans la dérivation 1031. En même temps~ le condensateur
C13 se recharge avec une polarité ir~verse de celle représentée
sur la figure 3. Ainsi~ la commutation du courant I de l'enrou-
10 lement 1 vers l~enroulement 3 est achevée et la charge du conden-
sateur C13 est établie pour permettre 9 suivant un processus
' inverse de celui qui vient d'etre décrity la commutation ulté-
rieure du courant I de 1~enroulement 3 vers 1~enroulement 19
par simple amorçage du thyristor ~H1.
On notera qu~en régime établi 7 la tension de charge obtenue
aux bornes du condensateur ne dépend que du courant I et est répé-
titive d'une commutation à la suivante.
Revenant maintenant aux figures 1 et 29 on voit qulun cir-
cuit 103b9 symétrique du circuit 103a par rapport au point de jonc-
tion 1019 est prévu pour assurer, dans des conditions analogues à
celles qui viennent d~être décrites9 la commutation du courant I
entre les enroulements 2 et 4 de la machine à réluctance variable.
Chacun des ensembles respectivement formés par les enroule-
ments polaires élémentaires (1 et 3) diune part, et (2 et 4),
d'autre part, constitue une "paire dienroulements complémentaires".
En effet, la somme des courants traversant les enroulements 1 et 3
est constanteO Il en est de même des enroulements 2 et 4. Un
circuit tel que 103a ou 103b commutant une paire d~enroulements
complémentaires est un "module élémentaire" de commutation.
En plus des modules élémentaires de commutation 103a et
103b9 l'ensemble de commutation 103 comporte une électronique de
commande 1033 des modules élémentaires de commutation9 pilotée par
un codeur interne 1034. L~électronique de commande 1033 est reli~e
à l'électronique de commande 1023 (figure 1) ou à 19électronique de
commande 1027~ (figure 2) par une boucle de synchronisation 104.
On remarquera que les circuits de commutation identiques
i des figures 1 et 2 sont constitués par la m;se en série de deux
modules élémentaires 103a et 103b et assurent la commutation d'une
yl machine à réluctance comportant deux paires d~enroulements complé-
mentaires 9 soit quatre enroulements élémentaires 9 avec un rapport
..,j
.,': ~.
~ :; .. . . . : .: , ,. . . . : - . :.
: :.: . . .. . . . . .
,: .. - . . .. .
: . .. : . .
108V796
VERNIER de l/4.
~ e dispositif de commutation selon 1 t invention peut ~oute-
fois être étendu à la commande d'llne ~achine a réluctance possédant
plus de deux paires d'enro~llements polaires complementaires 9 soit
(39 49 5~ 6 ~o n) pai~es cl~enroulements polaires complémentaires,
OU (69 89 10~ 12 ~0 2n) enroulements polaires élémentaires et avec
un rapport VERNIER de (6 ~ 81 9 10 9 12 ~~ 2n) par la ~ise en série
de (39 4~ 59 6 ~r n~ modules élémentaires de commutation. Le
nombre de modules élémentaires mis en série n9est limité que par la
tension maximale de la source de courant~ qui doit a tout instant
~ rester supérieure à la somme des forces contre-électromotrices de
; la machine.
Si, théoriquement9 une machine à réluctance variable à
effet VERNIER peut être constituée de deux paires d'enroulements
complémentaires 9 elle présente en pratique une symétrie radiale
d'ordre quelconqueO Chaque ensemble de 2n enroulements d~une
machine dont le rapport VERNIER est 2n est répété un certain nombre
de fois à la périphérie de la machine 9 les courants circulant dans
les 2n enroulements sont à chaque instant identiques d~un ensemble
à l'autre. Deux enroulements pris dans des ensembles différents9
mais étant à chaque instant parcourus par le même courant sont des
enroulements "homologues". Une machine de rapport VERNIER 2n et
de symétrie d'arbre p est constituée de 2n groupes comportant
chacun p enroulements homologuesO
Les enroulements homologues devant être parcourus par le
même courant peuvent être alimentés en série par une branche du
commutateur. Ainsi 9 pour une machine de rapport Vernier égal à
1/4, le schéma resterait identique a celui des figures 1 et 29
chacun des enroulements de ces fîgures étant remplacé par p enrou-
lements homologues en sérieO
Or 9 dans les machines à réluctance variable et à effet
Vernier 9 les enroulements homologues sont très faiblement couplés.
I1 est donc possible d9alimenter séparément chacun des p ensembles
de 2n enrculements. Dans cette conception9 chaque ensemble est
alimenté par n modules élémentaires de commutation 9 ceci étant
reproduit p fois. Les commutateurs sont associés en série ou en
parallèle sur la source de courant.
Une telle disposition offre les avantages sui~ants ~
Elle facilite la réalisation des enroulements de la
machine tant sous l~aspect de la section des conducteurs que de
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1080796
leur isolement~
-~ - Elle évite le recours a~K associations en série ou
parallèle de semi-conducteurs,
~. Elle permet une extension modulalre et aisée des
puissances controlables, de manière quasiment illi.mitée et en
utilisant des composants standards~
Le schéma type de la figure l convient plus particuliè-
rement à toutes les applications industrielles dans lesquelles
il est nécessaire d~obtenir de forts couples à basse vitesse et
comportant des phases de freinage diune durée non negligeable
par rapport au cycle moteurO De tels problèmes se rencontrent
en sidérurgie9 en levage et en propulsion~
Le schéma~type de la figure 2 présente les mêmes caracté-
ristiques qui le précèdent9 mais dans ce cas l1énergie de freinage
est stockée au niveau d~une batterie d~accumulateurs débitant ou
non sur le réseau~ Il est particulïèrement intéressant dans les
problèmes de propulsion a source embarqu~e ou lorsqu~il est
nécessaire de continuer à assurer le service en cas de défaillance ;:
du réseau (reprise en secours d~ascenseurs par exemple)~ :
Bien entendu9 l~invention n~est pas limitée aux exemples ;~
i de réalisation ci dessus décrits et représentés9 à partir desquels.. on pourra prévoir d~autres formes et d~autres modes de réalisation,
sans pour cela sortir du cadre de l~invention.
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