Brevet FR2004590A1 — publié le 19691128

i 2004590 L'emploi d'interrupteurs électroniques, thyristors par exemple, est connu pour le branchement ou la coupure par bonds de capacités ou d'inductances à une vitesse suffisamment élevée pour qu'elles soient utilisables pour la compensation avec une faible inertie de la chute 5 de tension ou du courant réactif d'utilisations variables. Les utilisations inductives sont généralement compensées à l'aide de capacités et les utilisations capacitives à l'aide d'inductances. L'invention concerne un montage pour la stabilisation de la ■ tension d'un réseau de distribution alimentant une utilisation dont le 10 courant réactif varie rapidement. Selon une particularité essentielle de l'invention, le courant réactif prélevé sur le réseau est réglé à une valeur sensiblement constante par des inductances en série ou en parallèle avec l'utilisation et dont la valeur est modifiée rapidement par des interrupteurs électroniques. Le courant réactif de l'utilisa-15 tion n'est donc pas compensé par un courant réactif de phase opposée, mais maintenu à une valeur sensiblement constante dans le temps. Ce résultat peut être obtenu en branchant en amont de l'utilisation induc-tive une inductance variable, réglée de façon que le courant réactif du couplage en série de l'utilisation et de l'inductance variable soit sen-20 siblement constant dans le temps. Il est également possible de brancher en parallèle avec l'utilisation une inductance, réglée de façon que son courant complète le courant réactif de l'utilisation, variable dans le temps, afin de donner un courant réactif sensiblement constant. Le procédé présente l'avantage suivant : le courant réactif prélevé sur le 25 réseau de distribution est sensiblement constant. Lorsque ce courant réactif est gênant, compte tenu des pertes ou de la charge du réseau de distribution, il est possible de le compenser totalement ou partiellement, de façon connue, par exemple à l'aide d'une batterie de condensateurs dont la variation ne doit pas être rapide car les courants réac-30 tifs à variation rapide de l'utilisation sont compensés rapidement par les inductances commutées électroniquement selon l'invention. Le procédé présente en outre l'avantage par rapport aux procédés connus d'assurer une grande résistance aux courts-circvits. Contrairement aux capacités, les inductances ne délivrent en effet aucun courant du type court-circuit 35 en cas d'annulation de la tension du réseau. 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. 08167 2 2004590 La figure 1 représente une utilisation L/R, dont la résistance R peut varier rapidement dans le temps, comme dans le cas des fours à arc par exemple. Le courant d'une telle utilisation, alimentée par une tension fixe Uq, varierait conformément au diagramme circulaire de la 5 figure 5, entre les valeurs et I £ par exemple. La grande fluctuation résultante Ai - ... du courant réactif entraînerait des chutes réactif de tension aux bornes des réactances L^ et du réseau selon la figure 1, fluctuant dans le temps et se traduisant par exemple par un papillotage de la lumière. On pourrait interdire ce phénomène à l'aide 10 d'une réactance additionnelle permettant une variation rapide de la réactance L^ du réseau. Cette solution ne déchargerait toutefois pas le réseau U du courant réactif variable, de sorte que sa tension fluctuerait par suite des chutes de tension variables aux bornes de la réactance L^. La réactance L^ variable du réseau devrait en outre être par-15 courue par le courant d'autres utilisations fonctionnant sous la tension Uq, d'où une augmentation de sa puissance nominale. Une tension élevée apparaîtrait enfin aux bornes de la réactance 1^ variable du réseau et des thyristors la faisant varier, en cas de court-circuit du réseau de tension U . o 20 Le procédé selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il maintient sensiblement constante la composante réactive .du courant 1^. La bobine Al est parcourue uniquement par le courant I. La tension à ses bornes est supprimée en cas de court-circuit du réseau de tension Uq. Son branchement en série interdit par ailleurs des courants de court-circuit 25 intenses dans 1'utilisation L/R. Le diagramme circulaire de la figure 5 ne s'applique plus à l'utilisation L/R, dont la tension n'est pas constante, car une partie de la tension constante Uq est absorbée par la bobine ÀL variable. La relation entre la résistance R considérée et 1 ' inductance L + Al nécessaire est donnée par le diagramme circulaire 30 de la figure 6 quand la bobine Al est réglée de façon à donner une composante réactive constante du courant I. En adoptant une échelle de courant telle que le diamètre du cercle d'impédance représente simultanément le courant réactif Irgact£f = constante, on lit directement sur le diagramme, pour chaque résistance R^, &2..., non seulement l'inductance L, 35 L + &L... nécessaire, mais aussi le courant 1^, ' ' et ^-e déphasage . En adoptant une inductance A^ = 0 pour la résistance R^ maximale possible, on obtient Cfy = et 1^ = 1^. Une diminution de la résistance R ne s'accompagne alors pas d'un accroissement du courant, 08167 3 2004590 comme à la figure 5, mais d'une diminution jusqu'à la valeur I par exemple. Pour R = 0, une inductance Al = Alcc serait nécessaire pour maintenir le courant réactif constant. Le courant de court-circuit I cc serait alors nettement inférieur à I de la figure 5. Il suffit tou- o cc ° 5 tefois dans de nombreuses applications pratiques de maintenir le courant réactif constant entre deux points de fonctionnement 1 et 2. L'invention exerce alors, par la suppression des courants réactifs intenses, du type court-circuit, une influence favorable sur les pertes des amenées, transformateurs, etc ; elle interdit en outre les 10 forces électrodynamiques liées à ces courants intenses. Il suffit dans de nombreux cas de maintenir le courant réactif constant à 7 % environ. Trois inductances L^, LL^, échelonnées dans le rapport 1/2/4 comme le montre la figure 3, permettent alors d'obtenir les valeurs d'inductance 1 à 7 par un allumage approprié pour le blocage 15 des thyristors, de sorte que 1/14 seulement du courant réactif n'est pas compensé. L'emploi selon l'invention de bobines au lieu de condensateurs de compensation présente en outre l'avantage suivant : une commutation synchrone et avec peu d'oscillations permet le réglage de bobines avec 20 un temps mort d'une alternance seulement, alors que des condensateurs ne permettent qu'un temps mort double. Ce point est particulièrement important pour l'élimination du papillotage à la fréquence du réseau, car l'oeil humain perçoit de très brèves chutes de tension à une fréquence de quelques Hz. Les bobines de réactance présentent en outre 25 l'avantage de produire moins d'oscillations de résonance dangereuses, notamment quand les sources d'excitation sont constituées par des fours à arc. La figure 4 indique que les soupapes commandées (thyristors) doivent être allumées à la valeur de crête de la tension aux bornes des bobines afin d'éviter dans ces dernières des composantes continues. 30 La forme de réalisation de l'invention selon la figure 1 est particulièrement avantageuse quand il est nécessaire d'interdire d'éventuelles charges du type court-circuit sur le réseau de distribution, par des fours à arc, machines à souder, etc., par exemple. Elle est toutefois applicable aussi à la limitation des courts-circuits dans les ré-35 seaux généraux et les interconnexions, en permettant en outre la régulation de la tension ou de la distribution de charge. 08167 4 2004590 Selon une autre particularité de l'invention, la bobine AL est en parallèle avec l'utilisation et, au synchronisme avec la tension du réseau, complète à tout instant son courant réactif variable à la valeur maximale, de sorte que les fluctuations de la tension du 5 réseau sont compensées. Cet inconvénient de courants relativement intenses du réseau est compensé dans certaines conditions par le fait que les bobines et leurs thyristors ne reçoivent ni surintensité, ni surtension en cas de court-circuit R = 0 de l'utilisation. Les bobines partielles L^, L^ et du montage précédemment décrit sont couplées en 10 parallèle dans ce cas les thyristors étant en série avec les bobines. La figure 7 représente une utilisation avec une résistance R fluctuant dans le temps et une inductance L en série, sous une tension réseau Uo, reliée à un réseau de distribution primaire U par un transformateur ayant une réactance de fuite L^. D'autres utilisations Z, 15 absorbant un courant I , peuvent être reliées au réseau U . ù o Dans le cas d'une résistance R fluctuante et d'une inductance L constante, le courant fluctue selon un diagramme circulaire tel que celui représenté dans le bas de la figure 8, entre les valeurs Ig^ et Ig^ et les déphasages Cpg^ à Cfg^ par exemple. Des fluctuations de la tension ïï 20 du réseau résultent essentiellement de la composante réactive fluctuante de ces courants. Ces fluctuations sont éliminées au moyen de soupapes synchrones, en couplage antiparallèle et qui branchent ou coupent les inductances L^ à L^ sous la tension Uq du réseau de façon que le courant des in-25 ductances complète le courant fluctuant de l'utilisation pour donner un courant sensiblement constant, et notamment un courant réactif constant. Ce complément est effectué avec un retard d'une période ou d'une alternance seulement. Pour obtenir ce résultat, le courant Ig^ à Ig^ de l'utilisation et la tension à doivent être interrogés au cours de 30 chaque période ou de chaque alternance et un calculateur électronique rapide doit déterminer la valeur des inductances à L^ à brancher pour que la tension Uq du réseau soit aussi constante que possible. Lorsque l'utilisation charge symétriquement les trois phases du réseau, les inductances L^ à L^ doivent compléter, au cours de chaque période 35 ou de chaque alternance, le courant réactif de l'utilisation à une valeur constante, à savoir la valeur maximale dans l'utilisation. Lorsque cette dernière produit une charge dissymétrique des trois phases du réseau, c'est-à-dire quand les résistances de phase R'^ à R'^ sont différentes, le choix d'inductances appropriées permet de façon connue de transformer la charge dissymétrique en une charge symétrique par 08167 5 2004590 10 l'utilisation, grâce au montage de Steinmetz. L'invention prévoit dans ce but un calculateur à R^ distinct pour chacune des trois phases et attaquant les soupapes par l'intermédiaire d'une des commandes à S31- La partie supérieure de la figure 8 illustre cette réalisation. Une variation symétrique de Ig^ à Ig^ est représentée par raison de simplicité. Dans chacun dés intervalles de temps hachurés, les valeurs instantanées du courant et de la tension d'utilisation sont interrogées par un élément de mesure M et les calculateurs R^ à R^ convertissent les mesures en inductances L^ ^ ^31 ^ commuter, séparément pour chaque phase et selon la formule de Steinmetz. La commutation des inductances doit toujours s'effectuer à la valeur de crête des tensions Uq-^ ^ ^031 pour éviter des composantes continues. L'interrogation des tensions et courants de phase doit dans la mesure du possible s'effectuer juste avant 15 ces instants, afin de pouvoir adapter les inductances aussi rapidement que possible à la charge, en cas de variations rapides de cette dernière. A la partie supérieure de la figure 8 par exemple, la plage d'interrogation hachurée ne précède que d'environ 60° les instants de commutation des inductances L^ à L^. La partie inférieure de la figure 8 illustre 20 l'invention dans le cas où les trois courants de l'utilisation diffèrent en amplitude et en déphasage. La phase 1 par exemple est parcourue par le courant minimal Ig^ d'utilisation et la phase 3 par le courant maximal Ig^ ; aucun courant additionnel ^1 n'est alors nécessaire dans la phase 3. Un choix approprié des inductances L^ à L^ permet par contre de 25 compléter le courant l'g-^ de la phase 1 par un courant réactif Ig^ additionnel, de façon à obtenir un courant Ig^ ayant pratiquement la même composante réactive que le courant Igg* H en est de même dans la phase 2, parcourue par un courant moyen l'g£ d'utilisation. Par suite des chutes de tension produites par la composante active du courant sur les 30 résistances des amenées du réseau, la compensation ne s'effectue pas à des courants réactifs rigoureusement égaux, afin de stabiliser simultanément les chutes de tension ohmiques. Trois inductances partielles, de valeurs échelonnées dans le rapport 1/2/4 par exemple, sont représentées pour chaque phase à la 35 figure 1. Leur combinaison permet d'ajuster sept inductances différentes. Lorsque la réactance L^ du réseau d'alimentation primaire U est relativement grande par rapport à l'inductance L de l'utilisation variable, il peut être utile d'adopter pour chaque phase quatre inductances par 08167 6 2004590 tielles dont les valeurs sont échelonnées par exemple dans le rapport 1/2/4/8. Dix-sept valeurs différentes d'inductance sont alors possibles. Il peut être utile dans certaines conditions de ne pas brancher les inductances exactement à la valeur de crête de la tension, 5 mais légèrement plus tôt ou plus tard. Le fonctionnement du montage n'est alors pas perturbé par l'apparition de composantes continues, qui ne décroissent que légèrement au cours d'une alternance. Par ailleurs, on obtient toutefois ainsi une marge supplémentaire pour la compensation plus rapide de fluctuations soudaines de courant d'uti-10 lisation. Les inductances branchées selon l'invention complètent sensiblement le courant d'utilisation fluctuant à sa valeur maximale transitoire. Il en résulte que le réseau Uq est toujours chargé par un courant réactif accru ; afin de le compenser, il est possible de brancher sous 15 la tension ou U des condensateurs C qui constituent le cas échéant des circuits résonnants avec des inductances. 08167 7 2004590 REVENDICATIONS 1 - Montage pour la stabilisation de la tension d'un réseau 5 de distribution alimentant une utilisation dont le courant réactif varie rapidement, ledit montage étant caractérisé en ce que le courant réactif prélevé sur le réseau est réglé à une valeur sensiblement constante par des inductances en série ou en parallèle avec 1'utilisation et dont la valeur est modifiée rapidement par des interrupteurs élec-10 troniques. 2 - Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant total prélevé sur le réseau de distribution est réglé par les inductances commutées électroniquement, de façon à produire une chute de tension sensiblement constante aux bornes des résistances et 15 inductances dudit réseau. 3 - Montage selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les inductances sont constituées par plusieurs inductances partielles en série ou en parallèle, que des interrupteurs électroniques en couplage antiparallèle commutent rapidement et au synchronisme avec 20 la tension. 4 - Montage selon la revendication 3, caractérisé par l'emploi de trois bobines partielles dont les inductances sont échelonnées dans le rapport 1/2/4. 5 - Montage selon les revendications 1 à 4, comportant notam-25 ment le branchement en série de l'inductance et de l'utilisation pour la compensation de la chute de tension produite aux bornes des résistances internes du réseau de distribution par le courant de fours à arc ou autres utilisations fonctionnant pratiquement en court-circuit de temps à autre. 6 - Montage selon la revendication 1, avec branchement en série 30 d'une inductance et de l'utilisation pour la limitation du courant induc- tif de court-circuit de parties du réseau ou pour la commande de tension ou de charge dans les interconnexions. 7 - Montage selon les revendications 1 à 3 pour la stabilisation rapide de la tension de réseaux de distribution alimentant des fours à arc 35 de fusion ou d'autres utilisations semblables, partiellement inductives et produisant des fluctuations rapides et irrégulières de la tension du réseau, ledit montage étant caractérisé en ce que l'utilisation est en parallèle avec des inductances variables, dont la valeur est commandée 08167 8 2004590 au cours de chaque période ou alternance de la tension du réseau par des soupapes fonctionnant au synchronisme avec cette dernière, de façon à compléter le courant inductif fluctuant d'utilisation pour donner un courant sensiblement constant dans le temps, afin de compenser prati-5 quement les fluctuations de la tension du réseau. 8 - Montage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la commande des inductances est assurée par un calculateur électronique rapide, qui interroge au cours de chaque période ou alternance de la tension du réseau les valeurs instantanées du courant et de la tension 10 d'utilisation, pour calculer la valeur de l'inductance nécessaire pour compléter le courant d'utilisation. 9 - Montage selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le calculateur commande séparément les inductances pour chaque phase dans le cas d'une charge dissymétrique du réseau par l'utilisation.