Brevet FR2098442A1 — publié le 19720310

La présente invention se rapporte à des dispositifs commutables du type interrupteur statique et à leurs circuits de protection et elle a trait plus particulièrement à une combinaison d'un interrupteur à l'état solide ( thyristor ) qui a pour fonction 5 d'assurer sélectivement le passage ou l'arrêt d'un courant électrique entre une source et une charge et d'un circuit pour isoler la charge de la source dans le cas anormal où le thyristor est empêché de fonctionner. Dans le domaine de la distribution et de l'utilisation du 10 courant, il est d'une pratique courante d'utiliser des interrupteurs ou des coupe-circuits pour établir ou arrêter sur commande l'écoulement d'un courant de charge. Ces interrupteurs peuvent avantageusement être constitués par des dispositifs commutables à l'état solide tels que des thyristors. Puisque de tels dispositifs 15 commutables n'utilisent pas de parties mobiles pour fermer ou ouvrir un circuit, ils sont appelés " interrupteurs statiques Des interrupteurs statiques peuvent être pourvus de circuits de protection contre les surintensités afin de leur permettre de couper un courant de charge en réponse à la détection d'une surin-20 tensité de grandeur présélectionnée. Comme cela est bien connu, les thyristors sont des semiconducteurs comportant plusieurs couches alternées de matière semi-conductrice de type P et N qui forment plusieurs jonctions de redressement» les couches alternées de matière de type P et de 25 type N sont placées entre deux électrodes principales ( une électrode étant appelée l'anode et l'autre la cathode ). les thyristors comportent en outre des moyens de commande ( par exemple une électrode de commande ou gâchette ) qui agissent de manière à établir une conduction de courant entre l'anode et la cathode. 30 Lorsqu'un thyristor est relié à une source de tension et à une charge, il empêche normalement le passage d'un courant entre son anode et sa cathode jusqu'à ce qu'il soit déclenché ou amorcé par l'électrode de commande à un moment où l'anode est rendue positive par rapport à la cathode, ce qui assure sa commutation brutale 35 dans un état conducteur où sa résistance est relativement faible. Une fois conducteur, un thyristor continue à conduire un courant de charge, même en l'absence d'autre déclenchement, tant que la grandeur du courant est supérieure à vin niveau de maintien prédéterminé 71 25812 2 2098442 Lorsque la grandeur du courant tombe en dessous de ce niveau, le thyristor passe à un état d'impédance relativement élevée de sorte que le courant de charge est arrêté jusqu'à ce que le thyristor soit ultérieurement réamorcé. 5 Des interrupteurs statiques peuvent être utilisés dans des systèmes à courant continu ou à courant alternatif. Dans un système à courant alternatif, des thyristors appariés, par exemple des redresseurs commandés au silicium, sont normalement branchés suivant un mode anti-parallèle de manière que les demi-périodes posi-10 tives et négatives de la tension appliquée puissent être fournies à la charge» Bien que des thyristors soient des dispositifs à l'état solide et aient par conséquent une fiabilité relativement bonne et une longue durée de service, ils_peuvent cependant être parfois sujets 15 à des pannes. Lorsqu'un thyristor tombe en panne, il perd sa capacité de blocage de courant et il fonctionne alors en court-circuit. En conséquence, il est possible qu'un ou plusieurs thyristors endommagés dans un interrupteur statique permettent la transmission d'un courant à la charge à un moment où l'interrupteur doit arrê-20 ter ce courant. Les moyens de protection contre les surintensités qui sont normalement prévus ne peuvent pas détecter ce courant du fait que son intensité est inférieure au niveau prédéterminé de déclenchement du système de protection. Le passage d'un courant dans la charge à un moment où on suppose qu'il n'en existe pas 25 peut altérer fortement les conditions de sécurité et est toujours indésirable* En outre, lorsqu'un thyristor d'un interrupteur est endommagé ( fonctionne en court-circuit ), l'interrupteur est incapable d'interrompre le passage d'un courant intempestif lorsqu'il se 30 produit un fonctionnement anormal au moment où le thyristor est conducteur. En conséquence, l'invention a pour but de fournir un circuit de protection d'un interrupteur statique permettant d'isoler la source de courant de la charge dans le cas où un thyristor de 35 l'interrupteur statique n'arrête pas le courant de charge lorsqu'il est supposé le faire. Suivant l'invention, il est prévu un circuit de protection d'un interrupteur statique d'un réseau de puissance, l'interrup 71 25812 3 2098442 teur comportant un interrupteur à thyristors agencé pour conduire un courant de charge entre une source de tension et une charge et un circuit de commande comportant un premier et un second état et conçu de manière à rendre l'interrupteur à thyristors conducteur 5 dans son premier état mais à ne pas pouvoir le rendre conducteur dans son second état, caractérisé en ce qu'un interrupteur auxiliaire normalement conducteur est relié en série à l'interrupteur à thyristors et en ce qu'il est prévu des moyens reliés au circuit de commande et au réseau de puissance pour commander l'interrup-10 teur auxiliaire en réponse à la présence d'tin courant de charge dans le réseau de puissance lorsque le dit circuit de commande se trouve dans le second état, de telle manière que le passage du courant de charge soit interrompu lors de la commande du dit interrupteur auxiliaire. 15 Le circuit de commande fournit un signal de déclenchement à l'interrupteur à thyristors et les moyens de commande de l'interrupteur auxiliaire comprennent des éléments de détection de cou -rant et une porte ET dont une première entrée est reliée au circuit de commande et une seconde entrée à un élément de détection de 20 courant, la porte ET commandant l'interrupteur auxiliaire en réponse à la coïncidence d'un premier signal produit par le circuit de commande et indiquant que l'interrupteur à thyristors devrait empêcher le passage du courant de charge avec un second signal produit par l'élément de détection de courant et indiquant 25 le passage d'un courant de charge. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : 30 la Fig. 1 est un schéma synoptique fonctionnel du circuit de protection suivant l'invention utilisé avec un interrupteur statique dans un réseau de puissance ; la Fig. 2 est un schéma d'une partie du circuit de la Fig. 1. Comme le montre la Fig. 1, une source de tension alternative 35 triphasée 1 est agencée de manière à alimenter une charge 3 en courant- Pour établir ou arrêter le passage du courant vers la charge, il est prévu un coupe-circuit 2 entre la source et la charge, ce coupe-circuit comprenant un interrupteur statique ou à 71 25812 4 2098442 l'état solide 4. Pour commander la conduction de l'interrupteur statique, c'est à dire pour établir ou arrêter la conduction du courant dans celui-ci, le coupe-circuit comprend également un circuit de commande 6 5 présentant deux états ou modes, à savoir un état de " marche " et un état dnarrêt ". Le circuit de commande 6 est agencé pour être commuté de son état " marche " dans son état " arrêt " ( en obligeant ainsi l'interrupteur statique 4 à interrompre le passage du courant de charge ) soit manuellement soit par des moyens automa-10 tiques appropriés réagissant à la détection d'une panne. En outre le coupe-circuit 2 peut comprendre des moyens de commutation ( non représentés ) pour faire commuter l'interrupteur statique rapidement en réponse à une excitation par les moyens de détection automatique de panne. 15 L'interrupteur statique 4 comporte un interrupteur à thyris tors 5 pour chaque phase du système de puissance. Pour établir un passage bidirectionnel du courant de charge, chaque interrupteur de phase 5 comprend deux branches à thyristors 5a et 5b disposées suivant le mode anti-parallèle. 20 Les branches à thyristors 5a et 5b sont représentées comme comportant une double électrode de commande afin d'indiquer symboliquement que chaque branche peut comprendre un groupe de thyristors de puissance de polarités similaires branchés en parallèle. Le nombre de thyristors utilisés dans chaque branche est fonction 25 de la capacité de conduction de courant de l'interrupteur statique. Il est évident que les branches 5a et 5b peuvent chacune comprendre un seul thyristor le cas échéant. Pour former un interrupteur de tension nominale supérieure, des thyristors supplémentaires peuvent être reliés en série à ceux représentés. 30 Le circuit de commande 6 produit dans son état " marche " des signaux de commande appropriés qui sont appliqués aux thyristors constituant l'interrupteur 4 afin de le rendre conducteur, ce qui permet le passage d'un courant de puissance entre la source 1 et la charge 3« Dans l'état " arrêt ", aucun signal de commande n'est 35 fourni par le circuit 6 aux thyristors de l'interrupteur. En conséquence, lorsque le circuit de commande 6 se trouve dans cet état, l'interrupteur statique 4 arrête le passage du courant de charge. 71 25812 5 2098442 Un transformateur de courant 10 est prévu pour détecter l'intensité du courant passant dans chacune des phases de l'interrupteur. Suivant l'invention, il est prévu un circuit 9 de détection de thyristors en court-circuit relié au circuit de commande 6 5 et au transformateur de courant 10 et dont la sortie est connectée à un interrupteur auxiliaire 7 normalement fermé dont les contacts principaux 8 sont branchés en série avec les interrupteurs à thyristors 5 du coupe-circuit 2. L'interrupteur auxiliaire 7 est agencé de manière à ouvrir ses contacts 8, en isolant ainsi la 10 charge 3 de la source 1, lorsqu'il est commandé par le circuit de détection 9 en réponse à une incapacité de blocage du courant de charge par l'interrupteur statique 4. La Fig. 2 est un schéma d'une partie du circuit de la Fig. 1 qui montre en détail le circuit 9 de détection de thyristors en 15 court-circuit . Des résistances RI et R2 forment un diviseur de tension qui assure une polarisation correcte de la base d'un transistor Q2. Le transformateur de courant 10 est branché de manière à alimenter en courant continu le diviseur de tension Rl- R2 lorsqu'un courant de charge passe dans l'interrupteur statique. Un 20 élément commutable semiconducteur ou transistor Q3 est branché en cascade avec le transistor Q2 ( l'émetteur de Q2 étant relié à l'électrode de commande ou base de Q3 )• L'émetteur de Q3 est relié à un fil commun, connecté à la masse, d'une source de courant de commande- Les collecteurs des deux transistors Q2 et Q3 sont 25 reliés par l'intermédiaire d'une diode CRI de suppression de tension transitoire au collecteur du transistor Ql. Les collecteurs des transistors Q2 et Q3 sont également reliés à une borne d'une bobine TC qui assure la commande de l'interrupteur auxiliaire 7. L'autre borne de la bobine TC est reliée a.u collecteur de l'élément 30 commutable semiconducteur ou transistor Ql. LJémetteur du transistor Ql est relié à une borne B de la source de courant de commande qui lui fournit une tension de polarisation positive. La base du transistor Ql est reliée par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation R3 à l'émetteur du transistor Q4. L'émetteur de Q4 35 est relié au point de tension de polarisation positive par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation R5- L'anode d'une diode d'isolement 0R2 est reliée au collecteur du transistor Q4 tandis que sa cathode est reliée à la cathode d'une diode Zener ZI. 71 25812 6 2098442 L'anode de la diode CR2 est également reliée à l'émetteur du transistor Q5- L'anode de la diode Zener Zl est reliée à la masse-La résistance R4 est branchée entre le point de tension de polarisation positive et la cathode de la diode Zener ZI. La résistance 5 R4 et la diode Zener Zl appliquent une tension de polarisation à l'émetteur du transistor Q5 tandis que la diode CR2 impose que la tension inverse base-émetteur du transistor Q5 ne soit pas inférieure à la tension Zener. Le collecteur du transistor Q5 est relié à la base du transistor Q4. Un condensateur Cl est 10 branché entre la base du transistor Q5 et la masse et il sert de filtre de suppression de parasites pour le signal arrivant du point P. La résistance R6 est reliée à la base du transistor Q5 et elle limite le courant passant dans celui-ci lorsqu'un signal positif d'entrée est appliqué au point P. 15 Les transistors Ql et Q3 forment une porte ET à deux entrées pour commander l'excitation ( c'est à dire l'ouverture ) de l'interrupteur auxiliaire 7 par l'intermédiaire de sa bobine TC. Le premier signal d'entrée appliqué à la porte ET indique que le circuit de commande 6 du coupe-circuit statique se trouve dans son 20 état 11 arrêt "( c'est à dire que chaque interrupteur à thyristors est supposé arrêter le passage du courant )• Le premier signal d'entrée résulte d'un signal fourni par le circuit de commande 6 et il est appliqué au transistor Ql. Le second signal d'entrée appliqué à la porte ET indique que le courant de charge passe 25 effectivement. Le second signal d'entrée résulte d'un signal fourni par le transformateur de courant 10 et il est appliqué au transistor Q3. Lors de la coïncidence du premier et du second signal d'entrée à la porte ET, les trois transistors Ql, Q2 et Q3 sont conducteurs 30 et la bobine de commande TC est excitée par la tension positive de polarisation B. Il en résulte une excitation de l'interrupteur auxiliaire 7 de sorte que le courant de charge est automatiquement interrompu par l'ouverture des contacts 8. On va décrire dans la suite le fonctionnement du circuit de 35 l'invention. Un signal d'entrée positif est fourni au point P par le circuit de commande 6 à chaque fois que ce circuit se trouve dans son état " arrêt ", c'est à dire lorsque les thyristors 5 sont supposés arrêter le passage du courant de charge. A chaque fois 71 25812 7 2098442 que le signal au point P dépasse la tension de polarisation établie par la résistance R4 et la diode Zener Zl, c'est à dire lorsque le signal positif est fourni par le circuit de commande 6, le transistor Q5 devient conducteur. Une fois ce transistor Q5 5 conducteur, le transistor Q4 branché en cascade devient également conducteur puis le transistor Ql, normalement bloqué, est polarisé dans le sens direct et par conséquent rendu conducteur. Une fois Ql conducteur, la tension positive de polarisation provenant du point B est appliquée à une borne de la bobine de commande TC de 10 manière à la préparer pour l'excitation. A chaque fois qu'un courant de charge passe, le transformateur 10 le détecte et produit un signal indiquant sa présence* Comme indiqué précédemment, un courant de charge peut passer du fait du court-circuitage d'un thyristor même lorsque le circuit 15 de commande 6 se trouve dans son état " arrêt ". Dans le cas d'un réseau de puissance non mis à la masse et lorsqu'au moins deux branches de polarités similaires contenant des interrupteurs de phase perdent leur capacité de blocage, le courant passant entre les phases court-circuitées est détecté par le transformateur 10 20 qui produit alors un signal positif. Ce signal est appliqué comme signal d'entrée à la base du transistor Q2 par l'intermédiaire du diviseur de tension formé par les résistances RI et R2 et il rend Q2 conducteur. Le transistor Q3 est rendu conducteur en réponse à la conduction du transistor Q2- Une fois que Q3 est conducteur, la 25 bobine TC est excitée par le courant passant entre le point de tension de polarisation positive B et la masse par l'intermédiaire des transistors conducteurs Ql et Q3» Une fois excitée, la bobine TC assure l'ouverture des contacts principaux 8 de l'interrupteur auxiliaire 7 normalement fermé, ce qui arrête le passage du courant 30 dans l'interrupteur statique 4. La diode CRI est prévue pour supprimer une tension transitoire produite lorsque le courant passant dans la bobine d'actionnement TC disparait par suite du blocage de l'un ou bien des deux transistors Ql et Q3. 71 25812 8 2098442 REVENDICATIONS 1. Circuit de protection d'un interrupteur statique dans un réseau de puissance, comportant un interrupteur à thyristors, agencé pour conduire un courant de charge entre une source de tension 5 et une charge, et un circuit de commande présentant un premier et un second état et conçu de manière à rendre l'interrupteur à thyristors conducteur dans son premier état et à ne pas pouvoir le rendre conducteur dans son second état, caractérisé en ce qu'un interrupteur auxiliaire, normalement conducteur, est branché en 10 série avec 1'interrupteur à thyristors et en ce que des moyens reliés au circuit de commande et au réseau de puissance sont prévus pour commander l'interrupteur auxiliaire en réponse à la présence d'un courant de charge dans le réseau de puissance lorsque le circuit de commande se trouve dans le second état de telle manière 15 que le passage du courant de charge soit interrompu lors de la commande de l'interrupteur auxiliaire. 2. Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dit circuit de commande fournit un signal d'enclenchement au dit interrupteur à thyristors et en ce que les dits moyens de 20 commande du dit interrupteur auxiliaire comprennent des éléments de détection de courant et une porte ET dont une première entrée est reliée au dit circuit de commande et une seconde entrée à un élément de détection de courant, la dite porte ET commandant l'interrupteur auxiliaire en réponse à la coïncidence d'un premier 25 signal produit par le circuit de commande et indiquant que l'interrupteur à thyristors devrait empêcher le passage du courant de charge avec un second signal produit par le dit élément de détection de courant et indiquant le passage d'un courant de charge. 3. Circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que 30 l'interrupteur auxiliaire comprend une bobine pour rendre cet interrupteur auxiliaire non conducteur , en ce que les moyens d'excitation de la bobine pour interrompre le passage du courant de charge dans le cas où. l'interrupteur à thyristors devient conducteur en l'absence d'un signal d'enclenchement comprennent 35 le dit élément de détection de courant et une source de tension de polarisation, en ce que la porte ET est reliée à la bobine et à la source de tension de polarisation et comprend un premier et un second élément semiconducteur commutable comportant respective 71 25812 9 2098442 ment une première et une seconde électrode de commande, la dite première électrode de commande étant reliée au circuit de commande de manière à recevoir un premier signal indiquant que l'interrupteur à thyristors devrait arrêter le passage du courant tandis que la seconde électrode de commande est reliée au dit élément de détection de courant de façon à recevoir un second signal indiquant le passage d'un courant de charge, et en ce que la dite bobine est excitée par la source de polarisation lors d'une coïndidence entre le premier et le second signal.