Brevet FR2008653A1 — publié le 19700123

? 15455 i 2008653 La présente invention concerne les filtres pour les systèmes de puissance en courant alternatif, et en particulier pour supprimer les harmoniques» Dans les systèmes de distribution ou d'alimentation en 5 énergie en courant alternatif, appelés aussi suivant les cas des alimentations de puissance, 'il est souvent 'utile d'éliminer ou de filtrer-les fréquences des harmoniques indésirables. Cela est d'autant plus important quand certains équipements ont tendance à accentuer les fréquences harmoniques» Ces fréquences harmoniques 10 sont indésirables car elles peuvent gêner les systèmes téléphoniques et télégraphiques voisins. De plus, la présence de ces harmoniques peut provoquer 11 endommageaient ou le fonctionnement incorrect d'un équipement électrique connecté au système d'alimentation de puissance. 15 Un système d'alimentation en courant continu haute ten sion comporte habituellement une liaison pour courant continu entre deux systèmes à courant alternatif. La conversion d'un courant alternatif en courarit continu à une extrémité et du courant continu en courant alternatif à l'autre extrémité sont habituellement 20 assurées par des équipements tels que des convertisseurs ou des commutatriceso Un convertisseur fonctionne soit en redresseur soit en commutatrice produisant du courant alternatif d'après le mode de conversion désiré. Des convertisseurs connus comprennent, par exemple, une combinaison d'un transformateur de puissance polypha-25 sée et d'un pont redresseur polyphasé constitués par des éléments redresseurs ou des lampes redresseuses d'un type classique antérieur ou du type semiconducteur. Il peut être montré que le fonctionnement du pont provoque de chaque phase du transformateur un courant alternatif représenté par une onde non sinusoïdale cons-30 tituée par une composante, sinusoïdale fondamentale ou fréquence fondamentale et un grand nombre de composantes harmoniques. Ces harmoniques comprennent tous ceux de l'ordre N = 6K + 1 expression dans laquelle K est un nombre entier positif et N représente les harmoniques de la fréquence, Ces harmoniques sont souvent 35 appelés les harmoniques caractéristiques. En dehors des harmoniques caractéristiques, d'autres harmoniques peuvent exister dans certaines circonstances. Bien que l'amplitude de ces harmoniques non caractéristiques soit bad original 69 15455 2 2008653 en général proportionnellement plus faible ..que l'amplitude des harmoniques caractéristiques, ils peuvent cependant être.trop importants pour être ignorés» Pour supprimer les harmoniques caractéristiques, il est 5 bien connu d'utiliser plusieurs circuits.filtres.shunt LC accordés individuellement pour établir des impédances faibles pour les fréquences prédéterminées èorresponçlantes à supprimer. Cependant, ces circuits filtresj peuvent provoquer, d'autres-effets, indésirables o Pour des fréquences inférieures à.celles pour, laquelle le 10 filtre est accordé, l'impédance dominante est celle de l'élément capacitif. Cette impédance peut réagir avec l'inductance inhérente du système d'énergie en produisant une résonance parallèle. Si cette résonance parallèle a lieu à une fréquence harmonique non caractéristique, une composante même relativement faible du 15 courant à cette fréquence peut provoquer une distorsion harmonique importante de la tension du système. Comme l'inductance inhérente du système de puissance varie avec la génératrice, le circuit 5'utilisation et autres circuits connectés, il n'est pas toujours possible de prévoir avec précision la fréquence harmonique réson-20 nante parallèle. Pour des raisons similaires, la tendance du système à passer à la résonance parallèle i une fréquence harmonique non caractéristique peut encore être aggravée quand des condensateurs statiques sont utilisés pour améliorer le facteur de puissance. 25 II est souvent nécessaire pour cette raison d'utiliser des condensateurs synchrones à la place de condensateurs statiques pour la correction du facteur de puissance. Cela augmente de façon appréciable le prix du système, parce que les condensateurs synchrones sont plus coûteux que les condensateurs statiques. 30 Un autre résultat indésirable des fréquences harmoniques existe quand le système de puissance comporte un convertisseur commandé par certains types de systèmes de commande. Comme le système de commande détermine le.fonctionnement du convertisseur par l'analyse du courant et de la tension, sur le coté courant 35 alternatif, toute distorsion appréciable de la tension en courant alternatif influe sur le fonctionnement du système de commande ou du système régulateur. De plus, comme le système de commande est connecté à la ligne pour courant alternatif et au convertis- BAD ORIGINAL 15455 3 2008653 seur, il fait partie d'une boucle fermée qui peut devenir régénératrice sous certaines conditions. De ce fait, la résonance parallèle aux fréquences harmoniques non caractéristiques peut être accentuée par la présence du système de commande dans le système 5 de puissance. La présente invention a pour objet le filtrage des fréquences harmoniques des systèmes de puissance et l'élimination du danger d'une résonance parallèle. L'invention a de même pour objet de réduire l'effet des conditions de résonance parallèle sans aug-10 menter appréciablement les pertes à la fréquence fondamentale du système et aussi d'assurer l'amortissement de la résonance parallèle excessive pour permettre l'utilisation de condensateurs statiques pour la correction du facteur de puissance. Conformément à l'invention, les fréquences harmoniques 15 caractéristiques sont filtrées d'une façon classique. En outre, l'invention ajoute dans le système un amortissement pour réduire. les effets de la résonance parallèle aux fréquences harmoniques non caractéristiques sans ajouter de pertes appréciables aux fréquences fondamentales du système. 20 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exem pie, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est le schéma général du circuit d'un systè me de puissance à courant alternatif suivant un mode de mise en 25 oeuvre de l'invention, et la figure 2 représente un système de puissance analogue selon l'invention couplé aux-lignes en courant alternatif par un transformateur de puissance. La figure 1 représente schématiquement un système de 30 puissance triphasé 1 et un convertisseur d'énergie électrique 3 connectés par trois conducteurs A, B et C. Ces conducteurs sont alimentés en courant alternatif ayant une fréquence fondamentale déterminée (par exemple de 50 ou 60 Hz suivant les pays), les inductances du système étant représentées symboliquement en 2 en sé-35 rie sur les conducteurs. Le convertisseur 3 est commandé par un dispositif de commande 4 qui est couplé aux conducteurs à courant alternatif par un transformateur représenté d'une façon générale en 5. Le convertisseur 3 peut être un redresseur pour fournir de 69 15455 4 2008653 l'énergie à travers une ligne de transport de courant continu à partir d'une source de courant alternatif associé au système 1 pour un dispositif d'utilisation distant, non représenté. En variante, le même convertisseur peut fonctionner en commutatrice, 5 auquel cas l'énergie est fournie par une source distante au système à courant alternatif 1 et aux lignes d'alimentation ou fee-ders associés (non représentés). Trois filtres d'harmoniques 6a, 6b et 6c sont connectés directement aux différentes phases du système de puissance pour t 10 supprimer par filtrage les fréquences harmoniques caractéristiques. Les filtres d'harmoniques 6a, 6b et 6c sont représentés connectés entre les. conducteurs A, B et C et la terre du système. Il sera noté que certaines applications peuvent nécessiter la connexion de ces filtres entre les conducteurs, c'est-à-dire de phase à 15 phase au lieu d'être connectés entre phase et terre ou neutre de la façon représentée. De plus, des dispositifs pour la correction ou l'amélioration du facteur de puissance, tels que le groupe de condensateurs statiques 7a, 7b et Je sont représentés sur la figure 1. 20 En considérant particulièrement les filtres 6a, ce fil tre comporte une série de filtres shunt LC classiques 8, 9 et 10. Ces filtres sont choisis pour supprimer des fréquences harmoniques caractéristiques particulières. Par suite, le filtre 8 peut être calculé spécifiquement pour supprimer le cinquième harmonique et 25 le filtre 9 pour supprimer le septième harmonique. Des filtres supplémentaires sont utilisés d'une façon connue pour les autres fréquences harmoniques particulières, par exemple la onzième et la treizième, la dix-septième et la dix-neuvième, et ainsi de suite. Ces filtres supplémentaires sont englobés dans le filtre 10 30 qui est représenté en tirets pour indiquer qu'il peut exister n'importe quel nombre de filtres LC individuels, d'après les besoins d'un système particulier. Finalement, le filtre harmonique 6a comporte un filtre passe-haut 11 calculé pour présenter une impédance faible pour toutes les fréquences harmoniques supérieures 35 à. la fréquence la plus élevée pour laquelle existe un filtre LC. Les filtres harmoniques considérés ci-dessus sont bien connus et ne font pas partie de la présente invention. Conformément à l'invention, un filtre supplémentaire 12 ajoute un amortissement au 69 15455 5 2008653 système pour réduire les effets des conditions de résonance parallèle» En considérant plus particulièrement le filtre shunt LC 8, ce filtre comporte un condensateur 13 en série avec une bobi-5 ne d'induction 14. La résistance représentée 15 représente la résistance en courant continu de la bobine d'induction 14 et la valeur de cette résistance est aussi faible que possible dans la bobine d'induction 14 pour minimiser le facteur de surtension Q du filtre» Comme il a été indiqué ci-dessus, le condensateur 13 10 et la bobine d'induction 14 sont choisis pour présenter une impédance faible à une fréquence harmonique caractéristique prédéterminée, par exemple le cinquième harmonique» De même, le filtre 9 comporte un condensateur 16 en série avec une bobine d'induction 17 dont la résistance est représentée en 18. Les valeurs du con-15 densateur 16 et de la bobine d'induction 17 son£ choisies pour obtenir une impédance faible pour un autre harmonique caractéristique, par exemple le septième harmonique. Le filtre 10 comprend un condensateur 19 et une bobine, d'induction 20 pour présenter une impédance faible à une fréquence harmonique caractéristique particulière. 20 Enfin, le filtre passe-haut 11 comprend un condensateur 22 en série avec une combinaison d'une résistance 23 et d'une bobine d'induction 24 en parallèle. Ces éléments sont choisis pour présenter une impédance faible à toutes les fréquences au-dessus d'un harmonique choisi. 25 Comme il a été indiqué ci-dessus, le filtre d'harmoniques tel que décrit ci-dessus est bien connu et ne fait pas partie de .a présente invention» La présente invention réside dans le filtre supplémentaire représenté d'une façon générale en 12» Le filtre 12 comporte un condensateur 25 en série avec une bobine d'induction 30 26 dont la résistance est représentée en 27= Le condensateur 25 et la bobine d'induction 26 sont choisis pour présenter une impédance faible à une fréquence harmonique non caractéristique spécifique à laquelle il est estimé que la résonance parallèle peut avoir lieu. Ainsi, pour une application particulière, les condi-35 tions dynamiques du système sont telles que l'apparition de la résonance parallèle peut être supposée environ à la fréquence du quatrième harmonique, et suivant cet exemple, le condensateur 25 et la bobine d'induction 26 sont choisis pour supprimer par filtra- 69 15455 6 2008653 ge cet harmonique non caractéristique» De plus, une résistance 28 en série avec un fiIre bloquant représenté d'une façon générale en 29 sont connectés en parallèle avec la bobine d'induction 26. Le filtre 29 comprend, en parallèle un condensateur 30 et une bobi-5 ne d'induction 31» La résistance 28 a pour but de diminuer les effets de la condition de résonance parallèle par amortissement de la composante de l'harmonique non caractéristique de la tension du système qui tend à résulter de l'interaction entre les composantes 10 harmoniques non caractéristiques du courant dans le conducteur associé et de l'impédance élevée résultant de la résonance entre l'inductance 2 du système et l'impédance capacitive des filtres d'harmoniques classiques» Le filtre bloquant 29 minimise les pertes dans la résistance 28 à la fréquence fondamentale du systè-15 me parce que.le condensateur 30 et la bobine d'induction 31 sont choisis pour présenter une impédance élevée à cette fréquence particulière. Il ressort de ce qui précède que l'effet principal du filtre 12 est de supprimer par shunt une fréquence de résonance 20 prévisible. De plus3 Ta résistance 28.assure un amortissement pour diminuer l'effet de la résonance parallèle sans pertes indésirables à la fréquence fondamentale du système. Bien que, dans le système de la figure 1, la résistance 28 et le filtre bloquant 29 soient connectés en parallèle avec un filtre LC classique, il doit 25 être noté, que ces éjléments peuvent être connectés directement à la ligne de transport d'énergie elle-même en permettant des résultats pratiquement semblables. Cependant, le mode de connexion représenté sur la figure 1,peut être préférable à une conhexion directe aux bornes de la ligne à courant alternatif parce que la conne-30 xion représentée améliore la sensibilité de la résistance 28 aux courants existant à la fréquence de résonance parallèle envisagée et de plus minimise l'effet de la résistance 28 à la fréquence fondamentale du système. La résistance 28 et le filtre bloquant 29 peuvent aussi 35 etre connectés aux bornes de la bobine d'induction d'un des filtres LC shunt existant déjà, par exemple le filtre 8. Cependant, cette connexion est moins désirable que celle représentée sur la figure 1, car elle réduit le rendement du filtre 8 pour la suppression de 69 15455 7 2008653 la fréquence harmonique caractéristique correspondant à ce filtre, De plus, dans ce cas l'effet de la résistance 28 aux harmoniques non caractéristiques est réduit aussi. Comme il a été indiqué ci-dessus, le système comprend 5 des dispositifs Ja} Jh et Je pour corriger et améliorer le facteur de puissance. En considérant particulièrement le dispositif d'amélioration du facteur de puissance Jas plusieurs condensateurs statiques, 32, 33>* 34 et 35 peuvent être connectés au système ou réseau au moyen de contacteurs 36, 37, 38 et 39, Comme la condi-10 tion de résonance parallèle résulte de la capacité en parallèle avec le système à inductance étdiissant par suite une impédance élevée pour certaines fréquences harmoniques non caractéristiques, il est évident que la commutation des condensateurs de facteur de puissance peut aussi provoquer le passage du système à la résonance 15 parallèle. Cependant, quand le système comporte le filtre 12, la résistance 28 assure un amortissement et par suite le filtre 12 peut aussi être utilisé pour diminuer l'effet de résonance parallèle résultant de l'utilisation des condensateurs statiques pour l'amélioration du facteur de puissance. 20 La figure 2 représente un système de distribution d'é nergie similaire comportant un système à courant alternatif 1, les inductances 2, un convertisseur 3 et des filtres d'harmoniques 6a, 6b et 6c. Ces différentes parties correspondent à celles désignées par des références similaires sur la figure 1. Le convertisseur 3 25 représenté sur la figure 2 comprend un transformateur 40 et un pont redresseur 44. Le transformateur 40 comporte un primaire triphasé 41 connecté aux conducteurs B, C du circuit à courant alternatif, des secondaires 42 connectés au pont 44 et un bobinage tertiaire 43, Suivant ce'mode de mise en oeuvre, les filtres 6a, 30 6b et 6c ne sont pas connectés directement aux différentes phases du réseau comme dans le cas de la figure 1, mais sont couplés aux conducteurs de courant alternatif par les enroulements tertiaires 43a, 43b et 43c du transformateur 40, Dans certains cas, il peut être désirable de connecter le système de filtrage de puissance à 35 un transformateur de ce type, parce que les enroulements tertiaires peuvent fonctionner sous une tension plus basse, ce qui permet l'utilisation d'organes moins coûteux dans les filtres. Cependant, cet avantage est en partie compensé par le prix supplémentaire du 15455 8 2008653 transformateur» De plus , l'efficacité du filtrage peut être réduite en raison du couplage plus fable résultant de la connexion des filtres à travers le transformateur 40 au lieu de leur connexion directe comme dans le cas de la figure 1» Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre» 69 15455 9 2008653 REVENDICATIONS 1 - Système de distribution d'énergie polyphasé comprenant plusieurs conducteurs ayant une certaine inductance alimenté en courant alternatif pouvant avoir à la fois des composantes d'harmoniques caractéristiques et non caractéristiques, et compor- 5 tant plusieurs filtres d'harmoniques caractéristiques couplés aux conducteurs, caractérisé par un filtre supplémentaire comportant un élément d'impédance couplé aux conducteurs et établi pour amortir la composante harmonique non caractéristique de la tension du système résultant de l'interaction entre la composante harmonique 10 non caractéristique du courant et une impédance élevée résultant d'une condition pour laquelle cette inductance et l'impédance des filtres d'harmoniques entrent en résonance„ 2 - Système de distribution d'énergie selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément d'impédance du filtre 15 supplémentaire comporte une résistance. 3 - Système de distribution d'énergie selon la revendication 2 caractérisé.par un filtre bloquant accordé à la fréquence fondamentale du courant en série avec la résistance. 4 - Système de distribution d'énergie selon la revendi-20 cation 3 caractérisé en ce que le filtre bloquant comprend une bobi ne d'induction et un condensateur en parallèle. 5 - Filtre d'harmoniques pour les lignes d'un système de distribution d'énergie polyphasé, ces lignes ayant une inductance inhérente et étant alimentées par une source de courant ayant à 25 la fois des composantes caractéristiques et non caractéristiques, le filtre d'harmoniques comprenant plusieurs filtres shunt accordés individuellement pour supprimer certaines fréquences harmoniques prédéterminées, caractérisé par un filtre shunt supplémentaire couplé aux lignes de puissance pour assurer un amortissement aux 30 fréquences harmoniques de résonance autres que les fréquences harmoniques prédéterminées des autres filtres shunt. 6 -Filtre d'harmoniques selon la revendication 5 caractérisé en ce que lé filtre .shunt supplémentaire comprend un condensateur et une bobine d'induction en série et un élément d'impédance 35 supplémentaire en parallèle avec la bobine d'induction. 7 ?" Filtre d'harmoniques selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'élément d'impédance supplémentaire est une résis tance. 69 15455 10 2008653 8 - Filtre d'harmoniques selon la revendication 7 caractérisé en ce que le filtre bloquant accordé à la fréquence i > fondamentale du courant est connecté en série avec la résistance. 9 - Filtrre d'harmoniques selon l'une des revendications 5 5 à 8 caractérisé en ce qu'il est couplé au circuit de distribution de courant alternatif par l'intermédiaire d'un enroulement tertiaire d'un transformateur de la ligne de distribution. BAD OR!G!Nal