Brevet FR2008729A1 — publié le 19700123

On sait que les alternateurs asynchrones exigent une fourniture de courant réactif car ils ne sont pas à même de fournir leur propre puissance réactive magnétisante, contrairement aux alternateurs synchrones. Quand un moteur asynchrone est~alimenté-par un réseau existant, il prélève sur ce dernier le courant réactif nécessaire. Quand l'alternateur asynchrone doit alimenter seul un réseau aLternatif, ce dernier doitçomporterdes condensateurs lui fournissant le courant réactif nécessaire et délivrant en outre le courant réactif requis par les utilisations. Dans le cas d'une charge à fluctuations rapides, la valeur des capacités'doit être adaptée rapidement aux conditions instantanées de charge, faute de quoi, il existe un risque de décrochage ou de fluctuations gênantes de la tension et de la fréquence réseau, dans la mesure où il s'agit d'un réseau alimenté par le seul alternateur asynchrone. I1 a été proposé d'adapter les capacités aux besoins instantanés en les branchant en parallèle avec des bobines à saturati4nt dont le courant varie fortement avec la tension. Ce montage présente l'inconvénient de produire des harmoniques du courant. L'invention concerne un alternateur asynchrone avec capacités en parallèle. Selon une particularité essentielle de- l'invention, des soupapes semi-conductrices en couplage antiparallèle, allumées ou éteintes au synchronisme avec la tension- par un régulateur commandé par la tension de l'alternateur, le courant de l'alternateur ou le courant -réactif de l'utilisation, adaptent la valeur de la capacité aux conditions de charge instantantes avec un retard temporel d'une période au maximum. Les capacités sont ainsi adaptées aux besoins en bonds plus ou moins fins, par des soupapes semi-conductrices en couplage antiparallèle.Contrairement aux commutateurs mécaniques, des soupapes en couplage antiparallèle permettent de commuter des condensateurs sans oscillation, rapidement et à une fréquence de répé- tition très élevée, comme l'exige le fonctionnement d'un alternateur asynchrone, chargé par des utilisations à variation rapide. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et des dessins sur lesquels la figure 1 est le schéma d'une commande et la figure 2 le diagramme circulaire de l'alternateur asynchrone. Une commande 1, turbine hydraulique par exemple, entratne l'alternateur asynchrone 2 à la vitesse désirée, de sorte que la tension U est à la fréquence f. I1 est nécessaire dans ce but que les soupapes en couplage antiparallèle connectent les capacités 3 à 5 à la tension U en fonction de la charge 6'et 7 branchée. Trois capacités partielles seulement sont représentées à la figure 1, mais il est possible en pratique d'utiliser un nombre plus élevé de capacités ou de prévoir un échelonnement binaire, de façon à obtenir une adaptation fine de la capacité totale aux conditions de charge instantanées. On voit sur le diagramme de la figure 2 que le courant réactif Ig absorbé par l'alternateur asynchrone dépend du courant actif i qu'il doit fournir. Les condensateurs doivent être commutés de façon qu'à tout instant le courant capacitif total soit égal à la somme du courant réactif Ig exigé par le moteur et de la composante réactive du courant de charge i. Dans le cas contraire, la tension U ou la fréquence f varierait avec la charge, ou le fonctionnement de l'alternateur asynchrone deviendrait instable pour des fluctuations de charge importantes et soudaines. Afin d'éviter ces phénomènes, les soupapes en couplage antiparallèle doivent assurer une commutation extrêmement rapide. La commutation ne peut steffectuer-que pour les valeurs de crête de la tension, U, afin de ne pas produire d'oscillations Les diodes 13, 14, 15 de la figure 1 maintiennent en effet aux bornes des condensateurs la charge permanente sous la valeur de crête de la tension U, représentée à la figure 1, quand les soupapes commandées 10, 11, 1,2 sont bloquées.Les soupapes commandées sont allumées par la commande, 8 aux instants où la tension U atteint la valeur de crête de même sens, de sorte qu'aucune tension n'existe aux bornes des soupapes en couplage antlparal- lèl~e et qu'un branchement sans oscillation est par suite possible. De petits selfs bL sont en série avec les condensateurs pour assurer la protection contre de légers écarts par rapport à cet instant de commutation et interdisent simultanément des courants de décharge trop intenses des condensateurs en cas de court-circuit du réseau. Lorsque l'adaptation de la capacité à l'état ,de fonctionnement instantané s'effectue avec un retard d'une ou deux alternances seulement, l'alternateur asynchrone doit délivrer ou absorber le courant réactif différentiel nécessaire pendant ce temps mort, en cas- de variations de charge soudaines. Cela est possible car un alternateur asynchrone peut fonctionner brièvement comme un alternateur excité, c'est-à-dire pendant une durée du meme ordre que sa constante de temps. La commande des soupapes en couplage antiparallèle peut s'effectuer par la tension U, la fréquence f, le courant I de l'alternateur asynchrone ou le courant de charge i, voire par plusieurs de ces grandeurs simultanément. Lorsque l'alternateur asynchrone doit délivrer une puissance active dans un réseau existant, les condensateurs doivent être adaptés aux conditions de fonctionnement variables, de façon que ce réseau fournisse toujours à l'alternateur le courant réactif nécessaire d'après le diagramme circulaire. Dans ce cas seulement, l'alternateur asynchrone délivre le courant actif désiré et son fonctionnement est stable en cas de charge variable du réseau. Grâce à l'invention, l'alternateur asynchrone présente une dynamique aussi étendue qu'un alternateur synchrone à tension constante. Des capacités de valeur différente permettent, en montage de Steinmetz, de compenser des charges dissymétriques dans les diverses phases. I1 est en outre possible d'obtenir un fonctionnement stable de l'alternateur asynchrone en parallèle avec d'autres alternateurs asynchrones ou synchrones.Les alternateurs asynchrones ne comportant pas de bague et la commutation des condensateurs étant en outre électronique selon l'invention, le montage se prête au fonctionnement sans entretien dans des conditions sévères et présentant un risque d'explosion, pour les puissances comprises entre 10 kW et plusieurs NW. Une réalisation appropriée de l'alternateur asynchrone permet d'obtenir un cos T et un rendement relativement élevés, en renonçant au démarrage automatique. Le rendement d'un alternateur asynchrone Judicieusement construit est supérieur à celui d'un alternateur synchrone et son prix est en outre plus faible. I1 est par ailleurs plus facile de le synchroniser que des alternateurs synchrones. Un autre avantage réside dans le courant de courtcircuit nettement inférieur à celui des alternateurs synchrones. Le courant maximal asymétrique de court-circuit d'un alternateur asynchrone décroît très rapidement, le courant de court-circuit permanent est nul. Des alternateurs asynchrones selon l'invention permettent ainsi, dans le cas de puissances élevées pour lesquelles le courant de court-circuit de la centrale ne doit pas devenir trop intense, de réduire ce courant en produisant une partie de la puissance totale par des alternateurs asynchrones et non des alternateurs synchrones. La dépense pour les condensateurs commandés selon I'invention par des soupapes en couplage antiparallèle diminue quand la fréquence augmente, car les courants absorbent un courant croissant avec la fréquence. L'invention convient par suite aussi aux fréquences nettement supérieures à 50 Hz. Afin de réduire le temps mort de la commutation des condensateurs, il est possible de prévoir, outre les groupes de condensateurs représentés à la figure 1 et présentant la polarité indiquée quand ils sont coupés, des groupes présentant la polarité inverse quand ils sont coupés. Ce résultat peut être obtenu en inversant la polarité des soupapes commandée et non commandée. Dans certaines conditions, il est également possible de déplacer provisoirement l'instant d'allumage lors de fluctuations de charge particulièrement critiques, c'est-à-dire de brancher certaines tensions par les soupapes commandées. L'oscillation résultante est acceptable dans des cas particuliers. Les pertes étant extrêmement faibles dans les condensateurs et les commutateurs à semi-conducteurs, le rendement du montage selon l'invention est nettement supérieur à celui du montage connu, avec sels à saturation en parallèle avec les condensateurs. Le couplage de soupapes semiconductrices en série permet d'appliquer aussi l'invention en haute tension. Lorsqu'un réseau à fréquence variable doit être réalisé, par exemple pour le démarrage de moteurs synchrones ou asynchrones par variation de fréquence, la vitesse de rotation de la commande mécanique 1 et la commande 8 permettent de maintenir une tension donnée pendant la variation de fréquence et d'obtenir un fonctionnement stable de l'alternateur asynchrone. R E V E N n I C A T I O N--S 1. Alternateur asynchrone avec capacités en parallèle, caractérisé en ce que des soupapes semi-conductrices-en couplage antiparatlèle, allumées et éteintes au -synchronisme avec la tension par un régulateur commandé par la tension de l'alternateur, le courant de l'alternateur ou le courant réactif de l'utilisation, adaptent la valeur de la capacité aux conditions de fonctionnement instantanées, avec un retard temporel d'une période au maximum. 2. Montage selon la revendication 1 pour l'alimentation d'un réseau indépendant sous une tension et à une fréquence constantes. 3. Montage selon la revendicationlpour l'alimentation d'un réseau existant en puissance active, la capacité étant commandée lors de variations des conditions de fonctionnement, de façon que le réseau fournisse toujours à l'alternateur le courant réactif nécessaire à son bon fonctionnement 4. Montage selon les revendications 1 à 3 pour, des fréquences nettement supérieures à'50 Hz. 5. Montage selon la revendication 1, caractérisé par l'utilisation de l'alternateur asynchrone en charge dynamométrique (frein pendulaire), notamment sur les plates-formes d'essais.