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L'invention concerne un onduleur autonome a modula-
tion de largeur d'impulsions. Cet onduleur est du type statique
monophasé.
Dans la plupart des applications des onduleurs, il
est nécessaire de prevoir un filtrage et une régulation de la
tension de sortie. La qualité du filtrage et celle de la régu-
lation sont des propriét~simportantes de l'onduleur.
- Les onduleurs autonomes de moyenne puissance (0,5 à
10 kW environ) disponibles actuellement sur le marché sont conçus
selon trois types fondamentaux.
- onduleurs a thyristors avec régulation magnétique
par ferrorésonance
- onduleurs à thyristors en pont avec régulation
électronique par modulation de la durée de conduction et commu-
tation forcée par thyristors auxiliaires
- onduleurs à modulation de largeur d'impulsions à
transistors.
Dans le premier type, le filtrage et la régulation
sont assurés par le régulateur ferrorésonnant, dont la mise au
point est délicate et nécessite une longue expérience des
circuits magnetiques.
Dans le second type, le mode de régulation entraîne
une certaine complexité du circuit de puissance, dont le coût
est tel que cette technique n'est pas competitive dans la gamme
de puissance considerée.
Dans le troisième type, la puissance maximale
raisonnablement maîtrisable se situe aujourd'hui aux alentours
de deux kilowatts, ce qui est insuffisant.
Le but de l'invention est de conserver les avantages
de la modulation de largeur d'impulsions, tout en s'affranchis-
sant de la limitation en puissance des onduleurs à transistors.
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L'invention a pour objet un onduleur autonome ~
modulation de largeur d'impulsions comportant un transformateur
comprenant un enroulement primaire à point milieu et un enroule-
ment secondaire, un circuit de puissance reliant d'une part le
point milieu a une premiere borne d'entrée de courant continu
et d'autre part, les deux extrémités de l'enroulement primaire ~ -
à une seconde borne d'entrée à travers respectivement deux sou-
papes statiques, et un circuit de aommande apte à fournir des
signaux à une fréquence de découpage F, plusieurs fois supérieure
à la fréquence d'utilisation f de l'onduleur, aux électrodes
: de commande desdites soupapes, caractérisé par le fait que les
soupapes sont des thyristors et que le circuit de puissance -
comprend en outre un condensateur d'extinction branché en paral-.
lèle avec l'enroulement primaire, une inductance d'extinction
branchée en série entre la seconde borne d'entrée et les élec-
trodes correspondantes des thyristors et deux diodes branchées
chacune en parallèle avec l'ensemble formé par l'un des thyris-
tors et l'inductance et en opposition avec ce thyristor, le
circuit de commande comprenant un dispositif de synchronisation
apte à élaborer des signaux synchronisés aux fréquences F et f.
Selon l'invention on utilise donc dans un onduleur
; a modulation de largeur d'impulsions, un circuit de puissance à
thyristors d'un type déjà connu dans des onduleurs à impulsions
; de largeur constante, c'est-à-dire du type à point milieu et
" a commutation forcée par condensateur parallèle. Ce type de
'~ circuit permet de commuter des puissances relativement élevées
avec un circuit très simple pour l'extinction des thyristors.
. Il est apparu aux inventeurs que ce circuit de puissance connu
pouvait très.bien s'adapter à ce type de modulation, à condition
cependant d'adapter les él~ments de ce circuit à un mode de
fonctionnement nouveau et d'utiliser une fréquence de découpage
plus basse que les fréquences de découpage qu'il était connu
-- 2 --
., ~
~86~3
d'utiliser. C'est pourquoi, on utilise de préf~rence, selon
l'invention une fréquence de découpage comprise en cinq et
dix fois la fréquence d'utilisation qui peut être par exemple
de 50 Hz.
A l'aide des figures schématiques 1 a 9 ci-jointes,
on va décrire ci-apres, a titre non limitatif, comment l'inven-
tion peut être mise en oeuvre.
Les ~léments qui se correspondent sur plusieurs de ces
figures y sont désignes par les mêmes signes de référence. La
figure 1 représente un diagramme de variations de signaux élec-
triques au cours du temps et sera commentée pour rappeler
le principe connu des onduleurs a modulation de largeur d'impul-
sions.
La figure 2 représente un schéma synoptique d'un
onduleur selon l'invention.
Les figures 3 a 6 représentent les courants circulant
dans le circuit de puissance de l'onduleur de la figure 2, a des
instants successifs d'une période de découpage pendant laquelle
le courant conserve un même sens représenté par une flache dans
l'enroulement primaire du transformateur.
Les figures 7 et 8 représentent des diagrammes de
variations de grandeurs électriques dans le circuit de puissance
des figures 3 a 6, selon que la charge de l'onduleur est, res-
pectivement, résistive ou inductive.
La figure 9 représente un schéma du même circuit de
puissance, sur lequel des flaches montrent le sens positif des ~
grandeurs électriques des figures 7 et 8. ;
La présente invention utilise le principe connu de
la modulation de largeur d'impulsions que l'on va tout d'abord
rappeler:
Un circuit de puissance a transistors rapides donne
des impulsions de tension alternées de forme rectangulaire, se
-- 3 --
~,
' . : ' :' . . '
- ~6~
succédant à une fréquence élevée dite de découpage. Il est
possible de rendre inégales les largeurs des impulsions positives
et négatives par une commande appropriée des deux transistors.
La tension de sortie du circuit de puissance possède alors une
composante moyenne qu'il est possible de faire varier en fonction -
du temps, par une modulation appropriée de la largeur des creneaux.
Si cette variation est sinusoldale, on peut utiliser cette com-
posante moyenne variable comme tension de sortie de l'onduleur.
Le signal de commande des transistors en modulation
de largeur d'impulsions est obtenu de la maniare suivante,
illustrée par la figure 1:
Une tension auxiliaire Us en dents de scie symétri-
ques de frequence F (frequence de decoupage) ect comparee avec une
tension modulatrice Um de frequence f (fréquence d'utilisation)
dont la variation est suffisamment lente pour être negligee
durant une periode de Us. Ces deux tensions sont representees
sur la figure 1.
L'amplitude des variations de Um est au maximum la
même que celle de Us et se fait autour d'une même valeur moyenne.
Au cours de chaque période de découpage, la différence
Um-Us est alternativement positive et négative et est utilisée
pour fournir les signaux de commande des transistors du circuit
de puissance, qui delivre alors en sortie une tension Uc valant
t Uo OU - Uo~ selon que Um est sup~rieur ou inferieur a Us. La
valeur moyenne de Uc est alors proportionnelle a Um. Il suffira
donc de faire varier Um suivant une loi sinusoldale de frequence
f petite par rapport a F pour obtenir une variation sinusoldale
de cette valeur moyenne avec une amplitude proportionnelle a
celle de la variation de Um.
La tension de sortie de l'onduleur (apres filtrage)
est constituèe par cette valeur moyenne de Uc. Son amplitude
peut donc être commandée par un simple réglage de l'amplitude
de la variation de Um. L'utilisation dl principe de la modu-
' _ 4 _
lation de largeur d'impulsions permet ainsi d'obtenir une
tension de sortie alternative, de fréquence f et dont la régula-
tion est aisée.
De plus, la décomposition de la tension Uc en série
de Fourier fait apparaltre uniquement les fréquences f et F et
les harmoniques de cette dernière. Il n'existe donc pas de
fréquence comprise entre f et F et le filtrage en est simplifié,
et ceci d'autant plus que le rapport F/f est plus grand.
Conformément à la figure 2, le circuit de commande
d'un onduleur selon l'invention comporte un générateur de dents
de scies symétriques 2 qui génère un signal de fréquence F qui
est envoyé sur l'une des entrées d'un comparateur 4. Cette
fréquence F est la fréquence de découpage précédemment mentionnée.
Ce génerateur envoie d'autre part un signal de synchronisation
à caractéristique rectangulaires de même frequence F sur l'entrée
d'un diviseur logique 6. Le signal qui en ressort a une fréquence
f constituant la fréquence d'utilisation et égale à la fréquence
de decoupage divisee par huit: f = F/8.
Il est introduit dans un circuit de contrôle d'am-
2~ plitude 8. Ce dernier
36~3
augmente ou diminue l'amplitude des impulsions issues du diviseur 6 enajoutant à cette amplitude un signal d'erreur issu d'un circuit de
régulation de tension 10. Ce signal d'erreur représente, en grandeur et en
signe, l'écart entre l'amplitude de la tension alternati~e fournie à une
charge sur deux bornes de sortie 12 et 14 de l'onduleur, et une tension de
consigns prédéterminée et éventuellement réglable. Il en résulte que le
signal de sortie du circuit de contrôle d'amplitude 8 a toujours la
Préquence f et une amplitude variab~e qui peut être utilisée pour réguler
la tension de sortie de l'onduleur. Il est ensuite filtré à travers une
cellule de filtrage 16 et seul son fondamental, c'est-à- dire une sinusoide
de fréquence f et d'amplitude variable, est envoyé sur la deuxième entrée
du comparateur.
Le comparateur 4 compare le signal en dents de scie à fréquence F
fourni par le générateur 2 au signal sinusoidal de fréquence f et d'ampli-
tude variable fourni par la cellule 16. Le signal de sortie uc du
comparateur est de la même forme que le signal Uc décrit dans le rappel du
dlimpulsion~
principe de la modulation de largeur/(figure 1). Ce signal est envoyé dans
un circuit de mise en forme et d'amplification 18 de façon à pouvoir
commander correctement les thyristors d'un circuit de puissance CP.
Ce circuit transforme la tension continue issue d'une batterie
BT en une tension alternative dont la forme est identique au signal de
sortie du comparateur 4. Cette tension alternative est appliquée au
primaire E1, E2 d'un transformateur TR élévateur de tension qui adapte la
tension continue disponible à la tension alternative désirée. Un filtre 20
de sortie ne transmet sur les bornes 12 et 14 que la composante fondamen-
tale du signal secondaire du transformateur, cette composante étant à la
fréquence d'utilisation f désirée.
Le filtre de sortie est par exemple ~éterminé pour limiter la
distorsion du signal d'utilisation à 5 g. Sa réalisation reste simple et
économique, compte tenu du fait que la fréquence de decoupage qu'il doit
éliminer est ~u moins cinq fois superieure à la fréquence d'utilisation,
plus particulierement huit fois dans l'exemple décrit.
~ 6~3
La tension de sortie alternative sinusoidale fournie par le
filtre 20 est transformée par le cirouit de régulation de tension en une
t,ension continue, puis oomparée à une valeur de consigne.
Le signal d'erreur est ensuite envoyé sur le circuit de contrôle
d'amplitude 8 précédemment décrit pour perme~tre la régulation en tension.
On va maintenant décrire le circuit de puissance CP. On peut tout
d'abord remarquer que lorsqu'il est utilisé de façon connue ce circuit
délivre en sortie une tension rectangulaire dont les deux demi-périodes
sont symétriques, La fréquence de la tension d'utilisation est égale à
celle des impulsions de commande des thyristors et synchrone avec elle. On
a donc pour chaque thyristor une commutation par période de la tension
d'utilisation.
Dans la présente invention, où l'on utilise la modulation de
largeur d'impulsions, la tsnsion de sortie reste rectangulaire, mais les
deux demi-périodes de découpage ne sont plus symétri~ues ; chaque thyris-
tor commute 8 fois par période de la tension d'utilisation à rréquence f, F
étant la fréquence de découpage et valant 8 f.
La fréquence de la tensior. d'utilisation n'est plus égale à la
fréquence des impulsions de commande des thyristors, mais les signaux
apparaissant à ces dcux fréquences sont synchrones, afin de ma~triser le
temps de repos minima:~ laissé aux thyristors pour s'éteindre. Il est donc
néceqsaire que la fréquence F soit rigoureusement un multiple entier de la
fréquence f. Ceci ne peut être réalisé qu'en élaborant des signaux à ces
deux fréquences par un dispositif de synchronisation, constitué en l'occu
rence par le générateur 2 et le diviseur ~.
Le circuit CP comporte :
- deux thyristors Th1 et Th2 associés au transformateur à point milieu TR.
Les thyristors Th1 et Th2 assurent le découpage de la tension continue
~ournie par la batterie BT ; le transformateur TR adapte cette tension à la
tension de sortie desirée,
- deux diodeq D1 et D2 qui assurent le passage de courant quand ~es deux
thyristors sont bloqués.
-- 6 --
.. .. ..
- et un circuit d'extinction des thyristors composé d'un condensateur C et
d'une inductance L.
La batterie BT fournit une tension continue E appliquée entre une
première et une deuxième bornes d'entrée B1 et B2, cette dernière étant
connectée à la borne médiane-Bm de l'enroulement primaire du transforma-
teur TR. Cet enroulement comporte un premier et un deuxième demi enroule-
ments E1 et E2 entre la borne Bm et, respectivement une première et une
deuxième bornes de sortie du circuit de puissance S1 et S2. Le condensa-
teur C et connecté entre les bornes S1 et S2. Les thyristors Th1 ct Th2 sont
connectés entre ces bornes S1 et S2 et une borne interne BI. L'inductance
L est connectée entre cette borne interne et la borne d'entrée B1. Les
diodes D1 et D2 sont connectées entre la borne B1 et respectivement les
bornes S1 et S2, tête-bêche par rapport aux thyristors Th1 et Til2.
On va maintenant décrire à l'aide des ~igures 3 à 6, le ~onction-
nement du circuit CP pendant une période complète du découpage oui est
située à l'intérieur d'une arche du courant d'utilisation, c'est-à-dire
que le courant fourni par l'onduleur à la fréquence d'utillsation ne chan6e
pas de sens pendant cette période de découpage.
A l'instant initial t = O, les courants de charges primaire et
secondaire du transformateur TR sont positifs (voir figure 3). Le thyristor
Th2 est conducteur et le condensateur C est chargé à la tension f 2E. La
tension I E est alors appliquée au demi enroulement E2.
- Le courant de charge primaire suit le circuit en trait fort sur la fi~ure 3.
- Lorsqu'une impulsion de commande arrive sur la gachette du thyristor Th1,
celui-ci s'amorce. Sa tension anode cathode tombe approximativement à 1
volt. Comme la charge du condensateur C ne peut varier instantanément, le
thyristor Th2 est soumis à une tension inverse de 2E et recouvre son
aptitude à bloquer une tension directe. Les valeurs des éléments L et C
sont en effet déterminées de telle sorte que la tension inverse ne s'annule
3~ et ne change de sens qu'après une durée supérieure au temps d'extinction du
thyristor (TV~N OFF). La constante de temps du circuit LC doit cependant
rester petite par rapport à ~ne période de découpaee. Donc Th2 se bloque.
Le condsnsateur ~ se ch~rge n~gatiYement jusqulà - 2E, cettc ten3ion,
~3
double de celle de la batterie BT, étant due à l'effet d~autotransformateur
des demi enroulements primaires E1 et E2 du transformateur TR. La
circulation des courants est alors celle indiquée en trait fort sur la
figure 4.
Lorsque le condensateur C a terminé sa charge à -2E, Ie potentiel
d'anode de Th1 est nul. L'inductance T, qui avait emmagasiné de l'énergie
pendant la phase de recharge du condensateur C à -2E, libère cette énergie
à travers Th1 et D1. (Traits pointillés figure 5).
Q~nd l'inductance L a libéré toute son énergie, la diode D1
assure le passage du courant de charge primaire. Le circuit du courant
primaire e~t alor~ celui représenté en trait fort sur la fig~re 5. La diode
D1 impose alors une tension d'anode négative à Th1. Th1 se bloque. La diode
D1 a~isurera le passage du courant de charge primaire jusqu'à l'amorçage de
Th2, tandis qu'une tension négative -E restera appliquée au demi enroule-
mcnt E2.
- Lorsqu'une impulsion de commande arrive sur la gachette du thyristor Th2,
celui-ci s'amorce. Sa tension anode cathode tombe approximativement à 1
volt. L~ condens~teur C se recharge à + 2E. La circulation des courants est
alorQ celle de la fieure 6 (trait fort).
Lorsque le potentiel de cathode de D1 devient positif, D1 se
bloque. L'énergie emmagasinée par l'inductance L durant la phase de
recharge de C à + 2E se libère à travers Th2 et décrit le circuit
représenté en pointillés sur la figure 3. Quand l'inductance L a libéré
toute son énergie, le thyristor Th2 assure le passage du courant de charge
primaire dont le circuit est représenté en trait fort sur la figure 3.
On vient de décrire un cycle complet de découpage. Le processus
décrit ci-dessus se reproduit durant toute l'alternance positive du cou-
rant de charge primaire.
Durant l'alternance négative du courant de charge primaire, le
processus décrit reste le meme mais les fonctions des composants sont
;n~r~rsées. Ainsi Thl ~e comportera comme précédemment Th2 et D1 se compor-
tera comme précedem~ent D2.
~ _
~t36~
Les diagrammes des figures 7 et 8 donnent les différantes phases
d'allumage et d'extinction des diodes et des thyristors, selon
l'invention. La ~igure 7 correspond au cas où la charge de l'onduleur est
rési.stive, et, la figure 8, au cas où la char~e de l'onduleur est
inductive.
Sur ces figures uc représente le signal de sortie du comparateur
4, dont la forme est la meme que celle de la tension ~c aux bornes du
condensateur C, c'est-à-dire la tension de sortie du circuit CP. Le signal
u¢ est compté positivement lorsqu'un si~nal d'amorçage est appliqué au
thyristor Th 1, ce qui correspond à une valeur positive de Uc, et
négativement lorsqu'une impulsion d'amorçage e~t en~oyé a~ thyristor Th 2
(Uc négative). ic est l'intensité du courant traversant le condensateur C.
I désigne l'intensité 3t U la ten~ion en sort~e de l'onduleur. ITh1, ID2,
ITh2, et ID1 désignent les courants traversant les éléments Th1, D2, Th2 et
D1. U Th1 désigne la tensior au~ bornes du thyristor Th1. Des flèches
tracées sur la figure 9 indiquent le sens positif choisi pour Uc, ic, ITh1,
ID2, ITh2, ID1 e~ UTh1. Le sens positif des grandeurs I et U correspond au
sens positif' du courant primaire i -ndiqllé sur la figure g.
Comme on l'a expliqué plus haut. l'invention trouve une applica-
tion particulièrement avantageuse dans la réaJisation d'onduleurs munis
d'un dispositi~ de reOulation et d'un ~iltre, les fonctions régulation et
filtrage étant facilitées par la modulation de largeur d'impulsions.
Néanmoins rien n'empêche d'utiliser l'invention dans un onduleur sans
régulation, notamment lorsque les caractéristiques de la source et de la
charge sont suffisamment constantes, et/ou sans ~iltrage, lorsque la
charge s'accomode de la présence d'harmoniques.
D'autres changements peuvent être apportés à la réalisation
décrite sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi le circuit de puissance
peut être modi~ié tout en respectant le schéma de principe du circuit à
3~ point milieu et à commutation forcée par condensateur parallèle. Les
anodes des thyristors peuvent être reliée~ à la borne d'entrée positive par
l'inductance d'extinction, leurs cathodes étant reliées aux eYtrémités cle
l'enroulemenr prlr~ irc~ d~ tr~n3foim2teur et la horne d'entree negative au
_ g ~-
6~3
point milieu. Des composants tels que des diodes peuvent être ajouté.s pour
améliorer la forme des signaux. Par ailleurs l'amplitude du signal de
modulation peut être réglée par tous moyens connus dans la technique de la
régulation.
La limitation à 10 du rapport F/f est valable pour une fréquence
d'utilisation de 50 Hz, qui est la valeur la plus oourante. En effet la
technique actuelle des thyristors de puissance ne permet pas de les faire
travailler dans des conditions satisfaisantes à des fréquences supérieures
à 500 Hz. Il va de soi que ce raprort 10 peut être dépassé si la fréquence
f descend au-dessous de 50 Hz.
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- 10 ~
