WO1993018574A1 - Convertisseur alternatif continu pour alternateur a phases independantes - Google Patents

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/02—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • H02M7/10—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode arranged for operation in series, e.g. for multiplication of voltage

Definitions

  • the present invention relates to alternating current to direct current converters for alternators with independent armature phases.
  • the alternator must be coupled to an appropriate electronic assembly allowing with a minimum of components to regulate the energy transfer with a very good return while avoiding saturation or demagnetization linked to the armature reaction. This is why the invention relates to a converter for a alternator supplying energy at a DC voltage with an excellent return, using few components and allowing precise control of the armature current.
  • FIG. 2 shows a basic phase module, comprising at least one phase winding and four diodes.
  • the first measurement prevents the armature current from being discontinuous, as certain conversion principles imply.
  • the invention uses a so-called "BOOST" converter principle, characterized in that the current requested from the energy source is continuous, while the current in the load is chopped.
  • this converter is a voltage booster.
  • the switch 13 When the switch 13 is closed, the voltage across the inductor 11 is that supplied by the generator module 20 and the current in the inductor can increase.
  • the switch 13 is open, this current is recovered in the load, at the terminals C and D, by the diode 15 (it is of course possible to have this diode in the return branch).
  • the capacitor 14 provides local filtering, unless the load is sufficiently capacitive.
  • the value of the inductance 11 will if possible be large in front of the specific inductances of the armature phase windings.
  • the second measurement aims to take advantage of all the voltage available at the terminals of each winding of the armature. For this, it is not very advantageous to simply put the phase windings in series since one then obtains a vector sum of the voltages of each phase and not the sum of their absolute values. Also the invention proposes what will be called in next a phase rectifier module, associating with each independent phase coil of rank N a network of four diodes (N being a natural integer between 1 and P, P being the total number of rectified phases put in series). A specific configuration was preferred to that of the conventional GRAETZ bridge to reduce the number of diode thresholds in series.
  • Figure 2 shows the six connection poles of a row N rectifier module.
  • the four diodes respectively connect E (Nl) to E (N), F (Nl) to F (N), E (N) to F (N + 1) and F (N) to E (N + 1), and they are oriented in such a way that their direct current can only flow from the input poles to the central poles and from the central poles to the output poles.
  • rectifier modules are then juxtaposed to form the generator module 20, by systematically connecting their homonymous poles.
  • the input poles of the row 1 rectifier module are connected together and constitute the negative pole B of the module 20, while the output poles of the last module (of row P) are connected together to form the positive pole A .
  • Figure 3 gives the example of connection of these modules in a 5-phase configuration.
  • the breakdown voltage inverts end diodes, connected to points A and B, must exceed the maximum voltage induced in each winding.
  • the intermediate diodes must be able to support a voltage approximately twice as high. Indeed, in certain voltage configurations between two consecutive windings, these diodes can be found in parallel on two phase windings whose voltages increase. As those skilled in the art know, a large fraction of the voltage generated by each phase winding can be caused by the magnetic armature reaction. This excess voltage requires oversizing the diodes in reverse breakdown voltage, which is unfavorable to them in terms of cost and direct voltage drop.
  • FIG. 4 shows a concrete example of the embodiment of a converter according to the invention, taking care to reduce the switching losses of the chopper switch 13 associated with the recovery diode 15.
  • the assembly provides a circuit for helps with active switching at the opening and closing of this switch and with energy recovery, composed of elements 71 to 82 (without claiming in any way this circuit which has already been the subject of other publications).
  • the module 30, current control regulator superimposes two feedback loops, one (external) measuring the average current with the resistor 16, the other (internal) detecting the peak current at the terminals of the field effect transistor 13 . It is possible to add to the inductor 11 a galvanically isolated secondary 12 which allows the "prediction" of the decrease of the current without inserting an additional resistive sensor.
  • the invention is particularly applicable to converters for electrical generators supplying, or not, an electrical energy storage device.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Convertisseur alternatif-continu pour alternateur à phases d'induit indépendantes caractérisé en ce que les valeurs absolues des tensions des bobinages de phase sont additionnées par l'association de multiples modules redresseurs de phase et que la régulation est du type BOOST à élévation de tension. L'invention s'applique notamment aux convertisseurs pour générateurs électriques dotés, ou non, d'un dispositif de stockage de l'énergie électrique produite.

Description

CONVERTISSEUR ALTERNATIF CONTINU POUR ALTERNATEUR A PHASES
INDEPENDANTES
La présente invention concerne les convertisseurs de courant al- ternatif en courant continu pour alternateurs à phases d'induit indépen¬ dantes.
L'homme de l'art connaît de nombreux montages assurant la conversion de l'énergie -mécanique en énergie électrique, celle-ci le plus souvent sous forme alternative. Cependant, les convertisseurs alimentant une tension continue prennent une importance croissante, par exemple dans les alternateurs de véhicule classique ou dans les véhicules élec¬ triques dits "hybrides" embarquant un groupe électrogène. Quelques prospectives actuelles prévoient par ailleurs une extension des généra¬ teurs électriques domestiques qui permettra de diminuer les pertes et les nuisances dues au transport à grande distance de l'énergie électrique. Dans tous ces cas, il est primordial que la conversion d'énergie se fasse avec le meilleur rendement possible pour un poids minimal afin de dimi¬ nuer la consommation de carburant et les problèmes de dissipation de la chaleur produite par les pertes. Les procédés adéquats sont multiples: augmentation de la vitesse relative entre induit et inducteur (limitée par la force centrifuge), augmentation de l'induction dans l'entrefer (limitée par la saturation du circuit magnétique), amélioration du profil du champ inducteur (profils quasi-rectangulaires), augmentation du nombre de phases (bande passante supérieure), etc ... Pour exploiter au mieux ces améliorations l'alternateur doit être couplé à un montage électronique approprié permettant avec un minimum de composants de réguler le transfert d'énergie avec un très bon rende¬ ment tout en évitant les saturations ou démagnétisations liées à la réac¬ tion d'induit. C'est pourquoi l'invention a pour objet un convertisseur pour al¬ ternateur fournissant de l'énergie à une tension continue avec un rende¬ ment excellent, utilisant peu de composants et permettant un contrôle précis du courant d'induit.
Ce problème est résolu en utilisant un unique circuit électronique pour contrôler simultanément le courant dans plusieurs phases indépen¬ dantes de l'induit, ces phases étant mises en série pour bénéficier à tout moment de toute la tension disponible à leurs bornes. La fiabilité de l'ensemble est renforcée par le faible nombre de composants utilisés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limi¬ tatifs, en référence aux dessins ci-annexés sur lesquels: - La figure 1 rappelle le principe du convertisseur dit "BOOST" utilisé dans l'invention.
- La figure 2 représente un module de phase de base, comprenant au minimum un bobinage de phase et quatre diodes.
- La figure 3 montre la façon de juxtaposer les modules précédents, pour mettre par exemple cinq phases en série.
- La figure 4 donne un exemple concret de convertisseur à contrôle du courant avec circuit d'aide à la commutation.
Deux mesures se complètent dans l'invention pour élever le rendement global du convertisseur qui est fonction princi- paiement des pertes dans les bobinages d'induit et des pertes dans l'électronique de puissance.
Ainsi, la première mesure évite que le courant de l'induit soit discontinu, comme certains principes de conver¬ sion l'impliquent. L'invention utilise un principe de conver- tisseur dit "BOOST", caractérisé en ce que le courant demandé à la source d'énergie est continu, alors que le courant dans la charge est haché. Dans sa structure la plus simple, dé¬ taillée en figure 1, ce convertisseur est élévateur de ten¬ sion. Lorsque l'interrupteur 13 est fermé, la tension aux bornes de l'inductance 11 est celle fournie par le module gé¬ nérateur 20 et le courant dans l'inductance peut croître. Lorsque l'interrupteur 13 est ouvert, ce courant est récupéré dans la charge, aux bornes C et D, par la diode 15 (il est bien sûr possible de disposer cette diode dans la branche de retour). Le condensateur 14 assure un filtrage local, à moins que la charge soit suffisamment capacitive. La valeur de l'inductance 11 sera si possible grande devant les induc¬ tances propres des bobinages de phase d'induit.
La deuxième mesure vise à profiter de toute la tension disponible aux bornes de chaque bobinage de l'induit. Pour cela, il est peu avantageux de mettre simplement en série les bobinages de phase car on obtient alors une somme vectorielle des tensions de chaque phase et non le cumul de leurs valeurs absolues. Aussi l'invention propose ce qui sera appelé dans la suite un module redresseur de phases, associant à chaque bobine de phase indépendante de rang N un réseau de quatre diodes (N étant un entier naturel compris entre 1 et P, P étant le nombre total de phases redressées mises en série). Une configuration spécifique a été préférée à celle du pont de GRAETZ classique pour diminuer le nombre de seuils de diodes en série.
La figure 2 présente les six pôles de connexion d'un module redresseur de rang N. On distinguera les pôles dits d'entrée E(N-l) et F(N-l), les pôles centraux E(N) et F(N), connectés aux extrémités du bobinage de phase PN de rang N, et les pôles de sortie E(N+1) et F(N+1). Les quatre diodes relient respectivement E(N-l) à E(N), F(N-l) à F(N), E(N) à F(N+1) et F(N) à E(N+1), et elles sont orientées de telle fa- çon que leur courant direct ne puisse circuler que des pôles d'entrée vers les pôles centraux et des pôles centraux vers les pôles de sortie. Ces modules redresseurs sont ensuite juxtaposés pour former le module générateur 20, en reliant systématiquement leur pôles homonymes. Les pôles d'entrée du module redresseur de rang 1 sont reliés ensemble et consti¬ tuent le pôle négatif B du module 20, alors que les pôles de sortie du dernier module (de rang P) sont reliés ensemble pour en constituer le pôle positif A.
La figure 3 donne l'exemple de connexion de ces modules dans une configuration à 5 phases. La tension de claquage in¬ verse des diodes d'extrémité, reliées aux points A et B, de¬ vra excéder la tension maximale induite dans chaque bobinage. Par contre, les diodes intermédiaires devront pouvoir suppor¬ ter une tension deux fois supérieure environ. En effet, dans certaines configurations de tension entre deux bobinages consécutifs, ces diodes peuvent se retrouver en parallèle sur deux bobinages de phase dont les tensions se renforcent. Comme l'homme de l'art le connaît, une fraction impor¬ tante de la tension générée par chaque bobinage de phase peut être causée par la réaction magnétique d'induit. Cette sur¬ tension nécessite un surdimensionnement des diodes en tension de claquage inverse, ce qui leur est défavorable en termes de coût et de chute de tension directe. Ce handicap peut être éliminé en insérant entre les pôles E(N) et F(N), en série avec chaque bobinage de phase PN, un réseau de compensation des inductances mutuelles de couplage entre phases de l'induit. La tension de claquage des diodes ne dépend plus alors strictement que de la tension induite par le déplace- ment des phases d'induit dans le champ inducteur.
Dans les machines simples un seul convertisseur "BOOST" suffit, régulant simultanément le courant de toutes les phases de l'induit de l'alternateur. Mais un montage à plu¬ sieurs convertisseurs, chacun associé à une partition des phases de l'induit, peut se révéler judicieux (par exemple lorsque l'on préférera pour des raisons de fiabilité la mise en parallèle de convertisseurs redondants, ou pour obtenir une tension de sortie plus faible). Il sera alors avantageux de répartir de façon équilibrée les phases d'une même parti- tion parmi l'ensemble des phases de l'induit.
Quand l'induit de l'alternateur est conçu pour minimi¬ ser les inductances propres des bobinages de phase, le décou¬ page peut s'effectuer à haute fréquence, ce qui favorise le rendement et la miniaturisation des composants inductîfs et capacitifs. La figure 4 présente un exemple concret de réali¬ sation d'un convertisseur selon l'invention, veillant à dimi¬ nuer les pertes de commutation de 1'interrupteur hacheur 13 associé à la diode de récupération 15. Le montage propose un circuit d'aide à la commutation actif à l'ouverture et à la fermeture de cet interrupteur et à récupération d'énergie, composé des éléments 71 à 82 (sans revendiquer aucunement ce circuit qui a déjà fait l'objet d'autres publications). Le module 30, régulateur à contrôle du courant, superpose deux boucles de réaction, l'une (externe) mesurant le courant moyen avec la résistance 16, l'autre (interne) détectant le courant crête aux bornes du transistor 13 à effet de champ. On peut rajouter sur l'inductance 11 un secondaire 12 isolé galvaniquement qui permette la "prédiction" de la décrois¬ sance du courant sans insérer un capteur résistif supplémen- taire.
L'invention s'applique particulièrement aux convertis¬ seurs pour générateurs électriques alimentant, ou non, un dispositif de stockage de l'énergie électrique.

Claims

REVENDICATIONS 1- Convertisseur de courant alternatif à courant continu pour alternateur à phases d'induit indépendantes ca¬ ractérisé par la combinaison des moyens suivants: - La conversion d'énergie utilise la configuration dite de "BOOST" à élévation de tension comprenant une première boucle série composée d'un générateur 20 de pôles positif A et négatif B, d'une inductance 11 et d'un interrupteur ha- cheur 13, lequel est en parallèle sur une seconde boucle com- posée d'une diode 15 récupérant le courant de l'inductance dans la charge parallélisée avec un éventuel condensateur 14.
- Le générateur 20 est constitué de la juxtaposition de P modules de rang N à six pôles dits modules redresseurs de phase connectés les uns aux autres par leurs pôles homonymes, N étant un entier naturel variant de 1 à P, P étant le nombre total de bobinages de phase associés dans le générateur 20.
- Les six pôles d'un module redresseur de phase de rang N étant nommés les pôles d'entrée E(N-l) et F(N-l), les pôles centraux E(N) et F(N) connectés aux extrémités du bobinage de phase PN de rang N, et les pôles de sortie E(N+1) et F(N+1), quatre diodes relient respectivement E(N-l) à E(N), F(N-l) à F(N), E(N) à F(N+1) et F(N) à E(N+1) dans un sens tel que leur courant direct ne puisse circuler que des pôles d'entrée vers les pôles centraux et des pôles centraux vers les pôles de sortie.
- Les pôles E(0) et F(0) sont reliés ensemble pour constituer le pôle négatif B du générateur 20 et les pôles E(P+1) et F(P+1) sont reliés ensemble pour constituer le pôle positif A du générateur 20. 2- Circuit selon la revendication précédente, un réseau de compensation des inductances mutuelles entre les bobinages de phase de l'induit étant inséré entre les pôles E(N) et F(N) en série avec chaque bobinage PN.
3- Utilisation du circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, soit dans un montage unique qui n'utilise qu'un seul convertisseur BOOST régulant simultané¬ ment le courant de toutes les phases de l'induit de l'alternateur, soit dans un montage à plusieurs convertis¬ seurs, chacun associé à une partition des phases de l'induit.
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