La présente invention se rapporte à un convertisseur de puissance de type AC/DC agencé pour améliorer le taux de distorsion harmonique (THDi) du courant prélevé sur le réseau électrique et le facteur de puissance.

De manière connue, un convertisseur de puissance comporte plusieurs phases d'entrée connectées au réseau, par exemple trois phases d'entrée s'il est connecté sur un réseau triphasé. Connecté à ses phases d'entrée, un convertisseur de puissance comporte un module redresseur permettant de transformer la tension alternative fournie par le réseau en une tension continue. Le convertisseur comporte également un bus continu d'alimentation doté d'une première ligne d'alimentation à potentiel positif et d'une seconde ligne d'alimentation à potentiel négatif sur lesquelles est appliquée la tension continue et un condensateur de bus connecté entre la première ligne d'alimentation et la seconde ligne d'alimentation et destiné à maintenir constante la tension continue sur le bus.

Lorsque le module redresseur est connecté entre un réseau à courant alternatif et une charge capacitive, telle que par exemple le bus continu d'alimentation d'un variateur de vitesse, un courant d'entrée prélevé sur le réseau est formé de pics correspondants à la recharge du condensateur de bus dès que la tension entre phases d'entrée devient supérieure à la tension du bus d'alimentation. Que le module redresseur soit monophasé ou triphasé, le courant d'entrée prélevé sur le réseau est donc loin d'être sinusoïdal car, en plus de son fondamental, il contient de nombreux harmoniques.

Les harmoniques du courant d'entrée sont caractérisés par deux indicateurs connus dénommés THDi ("Total Harmonie Distortion of Current") et PWHD ("Partial Weighted Harmonie Distortion"). Le THDi correspond au taux de distorsion harmonique en courant qui représente la valeur efficace des harmoniques rapportée à la valeur efficace du courant fondamental. Le PWHD introduit pour sa part une pondération donnant davantage de poids aux harmoniques à haute fréquence, plus particulièrement ceux des rangs 14 à 40. Une solution connue pour réduire le THDi est d'effectuer un filtrage sur le bus continu par l'ajout d'une inductance DC, qui, si sa valeur est suffisamment grande, assure une conduction continue, c'est-à-dire que le courant redresseur circulant sur le bus, en sortie du redresseur, ne retombe jamais à zéro. Plus la valeur de l'inductance employée est grande, moins le courant redresseur est ondulé. Si la valeur de l'inductance DC tend vers l'infini, le courant redresseur devient constant et la tension du bus continu n'ondule plus car elle est stabilisée à la valeur moyenne de la tension redresseur. Pour obtenir un courant redresseur le plus constant possible, la valeur de l'inductance devra donc être très élevée, ce qui engendrera des problèmes de coût et d'encombrement.

Par ailleurs, il est connu de la publication intitulée "A new circuit design and control to reduce input harmonie current for a three-phase AC machine drive System having a very small DC-link capacitor" - Auteurs : Hyunjae YOO, Seung-Ki Sul - Référence : IEEE 978- 1-4244-4783- 1/10, pages 611-618, un circuit permettant de réduire le THDi en entrée du convertisseur de puissance par l'ajout de deux sources de courant commandées connectées entre la première ligne d'alimentation et la seconde ligne d'alimentation. Les deux sources de courant sont par exemple formées par un bras de commutation comportant deux interrupteurs et une inductance connectée d'une part au point milieu situé entre les deux interrupteurs et d'autre part à chacune des phases d'entrée via des moyens de commutation, lesdits moyens de commutation permettant d'aiguiller le courant généré par chaque source de courant vers l'une ou l'autre des phases d'entrée.

Le but de l'invention est de proposer un convertisseur de puissance permettant d'obtenir un THDi réduit (<5%) et un facteur de puissance se rapprochant de 1 , en vue de minimiser le nombre de composants employés et d'optimiser le dimensionnement et le coût du transformateur présent en entrée.

Ce but est atteint par un convertisseur de puissance comportant :

- plusieurs phases d'entrée connectées à un réseau d'alimentation délivrant un courant sur chaque phase d'entrée,

- un module redresseur connecté aux phases d'entrée,

- un bus continu d'alimentation connecté au module redresseur et comportant une première ligne d'alimentation et une deuxième ligne d'alimentation, - un condensateur de bus connecté à la première ligne d'alimentation et à la deuxième ligne d'alimentation,

- une première source de courant commandée formée par une inductance électronique commandée destinée à contrôler le courant circulant sur le bus continu d'alimentation et,

- une deuxième source de courant commandée et une troisième source de courant commandée connectées entre la première ligne d'alimentation et la deuxième ligne d'alimentation, en amont du condensateur de bus,

- des moyens de commutation connectés d'une part à la deuxième source de courant commandée et à la troisième source de courant commandée et d'autre part à chacune des phases d'entrée, lesdits moyens de commutation étant commandés pour aiguiller le courant généré par la deuxième source de courant commandée ou par la troisième source de courant commandée sur l'une des phases d'entrée,

- des premiers moyens de commande agencés pour commander la première source de courant commandée de manière à imposer un courant sur le bus continu d'alimentation et des seconds moyens de commande, synchronisés avec les premiers moyens de commande et agencés pour commander la deuxième source de courant et la troisième source de courant de manière à imposer un courant sur l'une des phases d'entrée sélectionnée à l'aide des moyens de commutation.

Selon une particularité de l'invention, l'inductance électronique commandée comporte une inductance et une source de tension variable.

Selon une autre particularité, la source de tension variable comporte un convertisseur électronique comportant un premier bras de commutation, un deuxième bras de commutation et un condensateur connectés en parallèle, chaque bras de commutation comportant au moins un interrupteur électronique.

Selon une autre particularité, la deuxième source de courant commandée et la troisième source de courant commandée comportent un ensemble formé d'au moins un bras de commutation connecté entre la première ligne d'alimentation et la deuxième ligne d'alimentation et d'une inductance connectée au point milieu du bras de commutation et aux moyens de commutation. Le bras de commutation comporte par exemple deux interrupteurs connectés en série, le point milieu étant situé entre les deux interrupteurs. Selon une autre particularité, les moyens de commutation comportent plusieurs interrupteurs connectés chacun à une phase d'entrée et destinés à aiguiller le courant généré par la deuxième source de courant commandée et la troisième source de courant commandée.

L'invention concerne un variateur de vitesse comportant un étage onduleur muni de bras de commutation destinés à convertir une tension continue en une tension variable destinée à alimenter une charge électrique, ce variateur de vitesse comportant un convertisseur de puissance tel que défini ci-dessus connecté en amont de son étage onduleur.

D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 illustre le principe de fonctionnement du convertisseur de puissance de l'invention,

- la figure 2 représente de manière schématique un mode de réalisation préféré du convertisseur de puissance selon l'invention,

- la figure 3 représente de manière schématique un autre mode de réalisation du convertisseur de puissance selon l'invention,

- la figure 4 représente l'algorithme de commande des moyens de commutation employés dans le convertisseur de puissance de l'invention pour aiguiller le courant sur l'une des phases d'entrée,

- les figures 5A à 5D montrent des courbes représentant les tensions simples des phases d'entrée et les courants générés par chaque source de courant commandée.

En référence à la figure 1 , de manière connue, un convertisseur de puissance de type AC/DC comporte un module redresseur 1 et un bus continu d'alimentation connecté au module redresseur 1 . Le module redresseur 1 est connecté au réseau sur deux ou trois phases d'entrée a, b, c (trois phases sur la figure 1 ). Sur cette figure 1 , le module redresseur 1 est par exemple un pont de diodes qui permet de redresser une tension alternative fournie par le réseau et d'appliquer une tension redressée sur le bus continu d'alimentation. Plus précisément, le module redresseur 1 comporte plusieurs bras composés chacun de deux diodes en série, chaque bras étant connecté à une phase d'entrée a, b, c par le point milieu situé entre les deux diodes.

Le bus continu d'alimentation de puissance est connecté en aval du module redresseur 1 . Il comporte une première ligne d'alimentation V+ à potentiel positif et une deuxième ligne d'alimentation V- à potentiel négatif. Au moins un condensateur de bus C _bus est connecté à chacune des deux lignes d'alimentation du bus et permet de maintenir la tension du bus à une valeur constante.

Ce convertisseur de puissance peut par exemple être inclus dans un variateur de vitesse comportant un module onduleur (non représenté) connecté à son bus continu d'alimentation et doté de plusieurs bras de commutation commandés permettant de hacher la tension continue et d'obtenir une tension variable destinée à alimenter une charge électrique.

Selon l'invention, le convertisseur de puissance emploie une première source de courant Si1 commandée destinée à contrôler le courant circulant sur le bus continu d'alimentation en sortie du module redresseur 1 , ce courant l _re d _p étant désigné ci- après courant redresseur.

Cette première source de courant Si1 commandée peut avoir des configurations différentes et des emplacements différents dans le convertisseur de puissance.

Selon un premier mode de réalisation préféré représenté sur la figure 2, la première source de courant Si1 se présente sous la forme d'une inductance électronique commandée. Elle est alors connectée en série sur la première ligne d'alimentation V+ ou la deuxième ligne d'alimentation V- et comporte :

- une inductance DC (L) de faible valeur,

- une source de tension variable commandée prenant la forme d'un convertisseur électronique 2 composé de deux bras de commutation distincts en parallèle et d'un condensateur Ci connecté en parallèle des deux bras de commutation.

Selon un autre mode de réalisation non représenté, la première source de courant Si1 commandée décrite ci-dessus peut être remplacée par un convertisseur bien connu de type "boost" connecté en série sur la première ligne d'alimentation V+ ou la deuxième ligne d'alimentation V- du convertisseur de puissance.

Selon un autre mode de réalisation représenté sur la figure 3, la première source de courant Si1 commandée peut prendre la forme d'un triple "boost" redresseur. Elle se compose alors des inductances d'entrée L _in connectées sur les phases d'entrée a, b, c et d'un étage actif de commutation (T _red ) réalisé sur le module redresseur 1 . Les diodes basses ou hautes du module redresseur sont alors remplacées par des interrupteurs électroniques bidirectionnels par exemple de type IGBT.

Dans la suite de la description, nous nous intéresserons plus particulièrement au mode de réalisation préféré dans lequel la première source de courant Si1 commandée prend la forme d'une inductance électronique commandée telle que représentée sur la figure 2. On choisit par exemple de placer cette inductance électronique commandée sur la première ligne d'alimentation V+ du bus. Le courant redresseur l _recLp généré sera alors positif. Bien entendu, on peut choisir de positionner cette inductance électronique sur la deuxième ligne d'alimentation V-. Dans ce cas, le courant redresseur (l _red _ _n non représenté) généré sera alors négatif.

Selon ce mode de réalisation, les bras de commutation du convertisseur électronique 2 comportent par exemple chacun un interrupteur électronique T1 , T2 connecté en série avec une diode D1 , D2. Chaque bras de commutation comporte un point milieu de connexion P1 , P2 situé entre son interrupteur électronique T1 , T2 et sa diode D1 , D2. Le point milieu de connexion P1 du premier bras de commutation est connecté à l'inductance L et le point milieu de connexion P2 du deuxième bras de commutation est connecté au condensateur de bus C _bus - Sur un bras de commutation du convertisseur électronique 2, l'agencement en série de l'interrupteur électronique et de la diode est décalé par rapport à celui de l'autre bras de commutation.

Les interrupteurs électroniques T1 , T2 employés dans le convertisseur électronique 2 sont par exemple des transistors de type MOSFET commandés par des moyens de commande 3 adaptés, employant par exemple une commande MLI (Modulation de largeur d'impulsion). D'autres composants aptes à remplir la même fonction peuvent bien entendu être employés. La commande des deux interrupteurs par MLI consiste à comparer deux signaux en forme de dents de scie synchronisés et en opposition de phase avec un signal de commande constant (communément appelé modulante) en vue de déduire les instants et durées de commutation de chacun des interrupteurs du convertisseur électronique. La commande des interrupteurs électroniques T1 , Τ2 permet d'obtenir une valeur de tension V _aux aux bornes du convertisseur électronique 2 comprise dans l'intervalle [-V _c , V _c ].

Le convertisseur électronique 2 se comporte ainsi comme une source de tension variable commandée permettant de moduler la tension V _c aux bornes du condensateur C1 du convertisseur électronique 2 et ainsi d'obtenir la tension V _aux aux bornes de ce convertisseur électronique 2.

On obtient ainsi la relation suivante entre la tension V _bus du bus continu d'alimentation, la tension V _L aux bornes de l'inductance L la tension V _aux aux bornes du convertisseur électronique 2 commandé et la tension V _red du module redresseur 1 : V _L1 = V _red - V _bus - V _aux (1 )

En contrôlant la tension V _aux aux bornes du convertisseur électronique 2, il est ainsi possible de faire varier la tension V _u et ainsi de contrôler le courant redresseur IrecLp et de lui imposer un profil particulier.

Selon l'invention, en plus de la première source de courant Si1 formée par l'inductance électronique décrite ci-dessus, le convertisseur de puissance de l'invention comporte deux autres sources de courant Si2, Si3 commandées de manière identique, c'est-à-dire avec la même consigne en entrée, par des moyens de commande 30. En référence à la figure 1 , la deuxième source de courant Si2 et la troisième source de courant Si3 sont connectées en série entre la première ligne d'alimentation et la deuxième ligne d'alimentation, en amont du condensateur de bus C _bus et en aval par rapport au module redresseur 1 . Le convertisseur de puissance comporte également des moyens de commutation connectés d'un côté au point milieu M1 situé entre la deuxième source de courant Si2 et la troisième source de courant Si3 et à chacune des phases d'entrée a, b, c du convertisseur.

En référence à la figure 2, ces deux sources de courant Si2, Si3 sont par exemple formées par un ensemble comportant au moins un bras de commutation doté d'au moins deux interrupteurs électroniques Q Q ₂ et d'une inductance L ₂ commune connectée au point milieu situé entre les deux interrupteurs d , Q ₂ . Les moyens de commutation sont connectés à l'inductance L ₂ et à chacune des phases d'entrée a, b, c du convertisseur. Ces moyens de commutation sont employés pour aiguiller le courant généré par la deuxième source de courant Si2 et la troisième source de courant Si3 vers l'une des trois phases d'entrée a, b, c. Pour cela les moyens de commutation comportent trois interrupteurs S _a , S _b , S _c bidirectionnels connectés en parallèle, chacun de ces interrupteurs S _a , S _b , S _c connectant l'inductance L ₂ à une phase d'entrée distincte a, b, c. Selon l'invention, les deux sources de courant Si2, Si3 sont commandées de manière identique en actionnant les interrupteurs Q1 , Q2. Ces deux sources de courant Si2, Si3 sont commandées pour imposer le courant I, sur une phase d'entrée a, b, c sélectionnée grâce aux moyens de commutation.

Le principe de fonctionnement de l'invention est de mettre en forme le courant redresseur l _{red p} à l'aide de la première source de courant Si1 et de mettre en forme le courant l _t à l'aide de la deuxième source de courant Si2 et de la troisième source de courant Si3 en vue d'obtenir des courants d'entrée i _a , i _b , i _c de forme sinusoïdale (THDi<5%). Pour cela, les moyens de commandes 3, 30 des trois sources de courant Si 1 , Si2, Si3 employées sont synchronisés entre eux de manière à ce que l _{red p} obtenu grâce à la première source de courant Si1 corresponde aux valeurs maximales des courants d'entrée i _a , i _b i _c et à ce que le courant I, obtenu grâce à la deuxième et la troisième source de courant Si2, Si3 corresponde à la composante harmonique d'ordre 3 (à 150Hz si la fréquence du réseau est de 50Hz) des courants d'entrée i _a , i _b , i _c . En imposant ces deux courants l _{red p} , l _t , on obtient automatiquement les valeurs minimales des courants d'entrée i _a , i _b , i _c .

De manière connue, les courants d'entrée à obtenir doivent suivre relations suivantes :

Dans lesquelles U représente la tension efficace entre phases du réseau électrique et P _out correspond à la puissance de sortie délivrée en sortie du convertisseur.

La forme du courant l _{red P} généré par la première source de courant Si1 et la forme du courant I, généré par la deuxième et la troisième source de courant Si2, Si3 doivent donc être les suivantes : I _red _ _p (t) = max(i _a (t),i _b (t),i _c (t))

I _t (t) = -[max(i _a (t),i _b (t),i _c (t)) + min(i _a (t),i _b (t),i _c (t))]

Les tensions simples d'entrée V _a , V _b , V _c s'expriment par les relations suivantes : v _a (t) = Vsin(axt)

v _b (t) = Vsin(cat -2ji 3)

Dans lesquelles V correspond à la tension crête fournie par le réseau.

Les mises en forme des courants l _{red p} et I, sont synchronisées par rapport aux valeurs mesurées des tensions simples d'entrée V _a , V _b , V _c .

La forme du courant l _re d _P s'exprime ainsi par la relation suivante :

y _M _ max(v _a (t),v _b (t),v _c (t))

^A red_p W ^{— ' L} L

La forme du courant I, est définie par la relation suivante : î _t f _t \ ₌ min(v _a (t), v _b (t), v _c (t))+ max(v _a (t), v _b (t), v _c (t)) _χ

l _L correspond au courant de charge fourni à la charge électrique connectée en aval du convertisseur de puissance.

La figure 4 montre l'algorithme de commande des moyens de commutation employés pour aiguiller le courant l _t vers une phase d'entrée a, b, c du réseau. Selon cet algorithme de commande, l'un des interrupteurs S _a , S _b , S _c des moyens de commutation est actionné selon l'état des tensions simples d'entrée V _a , V _b , V _c .

Cet algorithme peut être traduit de la manière suivante :

L'interrupteur S _a est actionné si : V _a <V _b et V _a >V _c ou

V _a <V _c et V _a >V _b

L'interrupteur S _b est actionné si :

V _b <V _a et V _b >V _c ou

V _b <V _c et V _b >V _a

L'interrupteur S _c est actionné si :

V _c <V _a et V _c >V _b ou

V _c <V _b et V _c >V _a

Un seul interrupteur S _a , S _b , S _c , à la fois est actionné à la fermeture, les autres restant ouverts. Lorsque l'un des interrupteurs est fermé, le courant I, généré grâce à la deuxième source de courant Si2 et à la troisième source de courant Si3 est aiguillé vers la phase d'entrée a, b, c correspondante et imposé sur cette phase d'entrée a, b,

Les courbes représentées sur les figures 5A à 5D illustrent le principe de fonctionnement de l'invention.

La figure 5A montre les tensions simples d'entrée V _a , V _b , V _c . La figure 5B montre les courbes de courants d'entrée i _a , i _b , i _c que l'on souhaite obtenir. La figure 5C montre la forme du courant l _re d _p imposé par la première source de courant Si1 et la forme du courant I, imposé par la deuxième source de courant Si2 et la troisième source de courant Si3. On peut voir sur cette figure 5C que le courant l _re d _p est formé par la commande de la première source de courant Si1 de manière à lui faire suivre les valeurs maximales des courants i _a , i _b , i _c et que le courant l _t est formé par la commande de la deuxième source de courant Si2 et de la troisième source de courant Si3 de manière à lui faire suivre la composante d'ordre 3 des courants d'entrée i _a , i _b , i _c . En imposant les deux courants l _{red p} et l _t , les valeurs minimales des courants d'entrée i _a , i _b , i _c sont obtenues automatiquement comme représenté sur la figure 5D (correspondrait à l _red _ _n si la première source de courant Si1 était positionnée sur la deuxième ligne d'alimentation V- du bus continu d'alimentation).

Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.