Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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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.
- 1 -
::
.,
:
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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. .
-.
. .
~ ~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-
- 6 -
~ ~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-
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.
` ~
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.
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:
,
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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).
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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
- 1 0
.
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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.
'
:
,. ; :,
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~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.
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~: '
.,............. , . :
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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
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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.
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