Brevet FR2080617A1 — publié le 19711119

la présente invention concerne une sous-station, ou poste de conversion à haute tension, comprenant plusieurs convertisseurs statiques dont les côtés courant continu sont connectés en série et dont chacun comprend un pont redresseur 5 "biphasé et des dispositifs de commande. Dans les postes de conversion statiques, il est normal de prévoir des redresseurs de réserve, car les redresseurs sont l'un des éléments les plus sensibles qui doivent être surveillés périodiquement et qui ne doivent pas empêcher le fonc-10 tionnement du poste même si l'un d'eux est défectueux. De ce fait, la sous-station peut comporter un redresseur de réserve ou un groupe de redresseurs, c'est-à-dire un pont entier avec un jeu complet de redresseurs, ou-même un convertisseur complet avec un groupe de redresseurs, un transformateur-convertisseur 15 et un dispositif de commande. La présente invention concerne principalement un tel convertisseur de réserve, la mise en réserve d'un convertisseur complet augmente le prix de l'installation mais, d'autre part, ne nécessite qu'un nombre minimal de connexions lorsque l'appareil de réserve doit être mis en servi-20 ce. Cependant, pour que l'appareil de réserve puisse être branché le plus rapidement possible, il doit fonctionner d'une manière continue à vide ou en réserve, c'est-à-dire que les redresseurs d'un convertisseur doivent être réglés avec un angle de retard de 90° afin que sa tension continue soit alors nulle. Il 25 s'ensuit que les redresseurs sont maintenus à la température de fonctionnement et que le convertisseur est toujours prêt à fonctionner. D'autre-part, un angle de retard de 90° produit une consommation élevée de puissance réactive et une usure considérable des redresseurs du fait de la combinaison d'un cou-30 rant et d'une tension de commutation élevés. Par suite, ce type de réglage ne convient pas pour le fonctionnement d'un appareil mis en réserve. Au contraire, dans la présente invp-ïtion, un dispositif de commande spécial est mis en réserve de manière que 35 deux redresseurs connectés en série de l'une des phases du pont soient toujours conducteurs au même moment et que, de ce fait, le courant soit toujours commuté à une certaine fréquence des "redresseurs de l'une des phases du pont à une phase suivante de celui-ci. 40 De cette manière, le pont de redresseurs peut BAD ORIGINAL 71 05476 2 2WHT617 être connecté en permanence en série avec les autres convertisseurs de la sous-station» le courant qui passe dans le transformateur-convertisseur correspondant est sensiblement nul et du fait que le courant commute d'une phase à une autre dans le 5 pont de redresseurs, la charge est répartie régulièrerient entre les redresseurs. De ce fait, le convertisseur est prêt à être branché même pendant des perturbations temporaires. La fréquence de commutation du courant d'une phase à- une autre doit être déterminée suivant la capacité calorifique des redresseurs mais, 10 d'habitude, elle peut être un peu plus faible que la fréquence de fonctionnement normale des redresseurs aussi longtemps que la capacité calorifique de ceux-ci n'est pas extrêmement faible. Comme mentionné précédemment, le principe de la présente invention est destiné à être mis en oeuvre prin-15 cipalement pour le fonctionnement d'un convertisseur de réserve mais il peut également être utilisé d'une façon avantageuse pendant les périodes de courte durée de marche à vide au cours des connexions et des déconnexions ou lorsqu'un convertisseur est bloqué temporairement alors qu'auparavant son angle de retard 20 avait été diminué jusqu'à 90° ou encore pendant le déblocage d'un élément de découplage ou d'un trajet de shuntage permanent comprenant deux redresseurs en opposition. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté aux dessins annexés une forme de réalisation du 25 dispositif selon l'invention. Sur ces dessins, la figure 1 représente une sous-station ou poste de conversion comportant un convertisseur en réserve selon l'invention, 30 la figure 2 représente un dispositif de commande pour le fonctionnement du convertisseur mis en réserve, la figure 3 représente des courbes de tension du dispositif de commande ; et - la figure 4 représente une extension de 35 l'installation de la figure 1. la figure 1 représente une sous-station comprenant trois convertisseurs 13, 14 et 15 dont les côtés courant continu sont connectés en série entre un conducteur 16 de courant continu et la terre, tandis que leurs côtés courant al-40 ternatif sont connectés en parallèle sur un réseau à courant BAD ORIGINAL 71 05476 2060617 alternatif commun 17. Chaque convertisseur comprend un pont de redresseurs triphasé comportant six redresseurs 1-6 connectés au réseau alternatif par un transformateur-convertisseur 7. les bornes courant continu de chaque convertisseur sont connectées en parallèle sur un élérrent de shuntage ayant la forme d'un comru-tateur d'isolement 8 et le convertisseur peut être déconnecté du côté courant continu par des sect-ionneurs 9 et 10. Le dispositif de comrande 11 règle le fonctionnement normal des redresseurs des convertisseurs 14 et 15 avec un certain angle de retard par exemple de la manière décrite dans le brevet français n° 1 593 852. Cependant, le convertisseur 13 est destiné à être mis en réserve, et il est équipé d'un dispositif de conT.v.sàe 12 pour son fonctionnement en réserve, d'où il s'ensuit qu'?i un moment donné, les redresseurs 1 et 4 sont conducteurs et sent ti'aversés par un courant et qu'ensuite le courant commute aux redresseurs 3 et 6, puis aux redresseurs 5 et 2 et ainsi de suite. le convertisseur 13 doit également comporter un dispositif de commande 11 destiné à son fonctionnement normal et qui est branché lorsque le convertisseur est mis en activité afin de remplacer l'un des convertisseurs 14 ou 15. Le dispositif de commande supplémentaire 12 peut même être utilisé pour une commande temporaire du convertisseur pendant son branchement ou son débranchement. la figure 2 représente une partie du convertisseur 13 et du dispositif de commande 12 de réserve. Tour que le courant, par exemple dans les redresseurs 1, 4, qui sont connectés à la phase R du transformateur commute et passe aux redresseurs 3, 6 connectés à la phase S, il doit exister une tension de commutation et du fait qu'elle ne peut provenir que des phases R et 3 du transformateur, il est évident que la. commutation doit s'efi?ectuer en deux stades, des polarités différentes de la tension de commutation étant nécessaires pour passer des redresseurs 1 à 3 et de 4 à 6. De plus, les deux stades de 3.a commutation doivent s'effectuer avec un intervalle aussi court que possible afin que le courant dans le transformateur 7 soit aussi faible que possible de manière à réduire les perturbations possibles du réseau 17 dues au fonctionnement ce l'appareil de réserve. En conséquence, le convertisseur de réserve BÀD ORIGINAL 71 05476 4 2080617 doit se comporter comme s'il était complètement découplé ou shunté 'à la fois sur le côté continu et sur son côté alternatif. Il s'ensuit que les deux stades de la commutation doivent s'effectuer respectivement juste avant ou juste après le passage de 5 la tension de commutation par une valeur nulle, de la manière décrite plus loin en liaison avec la figure 3. lour les redresseurs 3 et 6, l'entrée du dispositif de commande 12 est représentée par un discriminateur 18 connecté aux phases R et S du transformateur 7 et par la phase £ D d'un générateur triphasé 20 d'impulsions de commande, comportant des phases r, s_, t qui correspondent aux phases 1, 4 ; 3, 6 ; 5, 2, respectivement, des redresseurs. le discriminateur 18 émet un signal chaque fois qu'~ la tension principale S-R passe par zéro et devient 15 positive. Bans ce but, il peut être conçu sous la forme d'un transformateur d'impulsions ou d'un circuit monostable, le signal est transmis par un élément de commutation, par exemple un relais électronique 19, à deux dispositifs temporisateurs 21 et 22, dont les retards t-^ et tg sont représentés surla figure 3. 20 le générateur 20 qui commande l'élément 19 émet des impulsions dont la durée est approximativement la même que la période du réseau 17, de sorte que pendant chaque impulsion un signal est émis par le discriminateur 18 vers le dispositif de commutation 19. 25 la fréquence du générateur 20 doit être plus faible que celle du réseau 17 afin de limiter le nombre de commutations du pont de redresseurs pendant son fonctionnement en réserve et par suite le nombre des perturbations inévitables qui sont produites, la valeur de la faible fréquence du générateur 30 20 peut et doit être déterminée par la durée des périodes de fonctionnement permises pour chaque paire' de redresseurs, laquelle est déterminée à son tour par leur capacité calorifique. - On voit sur la figure 3a qui représente la tension de commutation S-R que celle-ci .doit être positive pour 35 que le courant puisse commuter du redresseur 1 au redresseur 3, tandis qu'elle doit être négative si le courant doit commuter du redresseur 4 au redresseur 6„ A l'instant tQ, lorsque S-R. devient positif, le discriminateur 18 émet un signal..et si-, en même temps, 1'élément -19 est maintenu à la conduction par une 40 impulsion de commande 20 £ du générateur 20 (voir figure _3b)., BAD ORIGINAL 71 05476 5 2000617 ce signal est transmis aux éléments temporisateurs 21 et 22 qui, après des intervalles de t^ et t^» respectivement, transmettent des impulsions de commande aux redresseurs 3 et 6. On voit clairement sur la figure 3a les durées 5 de t^ et de 12. A la fin de t-^, le redresseur 3 est amorcé et, pendant l'intervalle u qui s'écoule jusqu'à l'instant t ^, le courant continu commute du redresseur 1 au redresseur 3. Ensuite, il faut un certain laps de temps g pour que le redresseur 1 se rétablisse avant que la tension de commutation change de polari-10 té. On voit que cette commutation correspond au fonctionnement d'un inverseur, de sorte que la durée du laps de temps u + g qui doit être aussi faible que possible peut être déterminée d'une manière appropriée par un élément de réglage de la marge de commutation d'un dispositif de commande, par exemple suivant le 15 brevet suédois n° 151 636. Dans ce cas, t^ ='180° - (u + g). t£ doit être égal à 180° + g, de sorte que l'impulsion de tension alternative qui est représentée sur la figure 3a par une ligne plus épaisse entre t^ et t^ et qui apparaît sur le côté continu du. convertisseur 13 est symétrique et est, de ce fait, une pure 20 tension alternative. La figure 3c représente l'impulsion de courant I (SR) qui se produit dans le transformateur 17 pendant la commutation, c'est-à-dire depuis le début de 1a. commutation du redresseur 1 au redresseur 3 jusqu'à la fin de la commutation du 25 redresseur 4 au redresseur 6. Le processus représenté est celui d'une commande d'inversion pour le groupe 1, 3, 5 qui commute , et une commande de redressement pour le groupe 2, 4, 6. Si la commutation s'effectue pour le passage à zéro de gauche sur la courbe S-R 30 de la figure 3a, la situation est inversée d'où il s'en suit que les changements de polarité du discrimina.teur 18 de la figure 2 sont interchangés au~- instants t-^ et t p. Le dispositif de commande 12 de la figure 2 peut être considéré autrement comme un schéma de principe purement 35 symbolique qui représente le principe du fonctionnement du dispositif de commande de réserve. Gomme mention:é précédemment, il est également possible d'utiliser un tel dispositif de commande à la mise en marche d'un convertisseur et avant qu'il ne soit branché. Pendant le passage d'une commande de réserve à un 40 fonctionnement normal, il suffit de connecter un dispositif de BAD ORIGINAL 71 05476 6 2080617 commande normal 11 en parallèle sur le dispositif de commande 12, puis le générateur 20 est déconnecté de sorte que les signaux du discriminateur 18 disparaissent et que le dispositif de commande ordinaire fonctionne. 5 le démarrage d'un convertisseur signifie d'abord que ce dernier est shunté.par l'élément de shuntage 8 correspondant qui est fermé. Auparavant, le convertisseur était démarré par l'ouverture de l'élément de shuntage et par l'ouverture simultanée d'un élément de découplage séparé ou par une 10 impulsion de commande transmise à deux redresseurs en fonctionnement et connectés en série. De cette manière, un arc éclatait du fait de la tension aux bornes de l'élément de shuntage et il était utilisé pour allumer ou amorcer les redresseurs. Cependant, l'amorçage d'un arc impose une charge lourde à l'élément de 15 shuntage, en particulier du fait que la différence de tension qui amorce l'arc est souvent à la valeur minimale absolue qui est nécessaire pour un allumage ou amorçage rapide et certain des redresseurs. Au contraire, avant l'ouverture de l'élément de 20 shuntage, les redresseurs peuvent être amorcés à l'aide du dispositif de commande supplémentaire 12 de la figure 2, qui permet l'utilisation.de la tension du transformateur pour l'amorçage des redresseurs, l'impulsion de'courant représentée sur la figure 3c suit alors le trajet- de moindre résistance, c'est-à-25 dire qu'elle passe par l'élément de shuntage correspondant. les éléments temporisateurs 21 et 22 sont conçus de manière que leur retard soit variable et que t^ soit raccourci, tandis que t2 est allongé et, de ce fait, l'impulsion de courant de la figure 3c est allongée et son amplitude est augmentée. Il 50 s'ensuit que son amplitude est supérieure, à un certain moment, au courant de charge du convertisseur. De ce fait, le courant passant par l'élément de shuntage passe plusieurs fois par zéro et ces passages peuvent être utilisés pour ouvrir l'élément de shuntage qui peut alors être conçu comme, un disjoncteur. 35 le procédé peut être rendu automatique car l'ou verture de l'élément de shuntage dépend du courant qui passe par celui-ci. De plus, la fréquence du générateur 20 qui peut être variable doit être réglée à la valeur de la fréquence du 40 -réseau 1? pendant çp&e le eo&vertisseiïr est reconnecté de BAD ORIGINAL 71 05476 2080617 manière que l'ouverture de l'élément de shuntage soit plus rapide. Lorsque l'élément S a été ouvert, la fréquence des él'ments 20, 21, 22 du. dispositif de commande 12 peut être diminuée jusqu'à la fréquence de commande normale pour le fonctionnement en réserve, ou bien un ci-positif de comr.ande normal 11 peut être connecté afin ce connander le- fonctionnement normal du convertisseur. Les transformateurs 7 des convertisseurs actifs 14 et 15 de la figure 1 sont montés en étoile/étoile et étoile/triangle, respectivement, afin d'obtenir douze impulsions pour ces deux convertisseurs, soit six impulsions pour chacun. On supprime ainsi les harmoniques d'ordres peu élevés, en particulier le cinquième et le septième harmoniques. Si le convertisseur de réserve 13 prend la charge du convertisseur 14, le nombre d'impulsions n'est pas modifié, mais si le convertisseur 15 est remplacé par le convertisseur 13, le nombre d'impulsions du poste tombe à six, le nombre d'harmoniques est doublé et le cinquième et le septième harmoniques se manifestent. On voit ainsi que l'utilisation, d'un convertisseur complet comme réserve présente des inconvénients, car un transformateur commutable est coûteux et la période de durée relativement longue qui est nécessaire pour la commutation fait perdre l'avantage d'un, convertisseur de réserve pouvant être branché rapidement. Cependant, il peut être intéressant de prévoir des convertisseurs complets en réserve dans un équipa-ent extrêmement important où les exigences de qualité et de fonctionnement continu priment les questions de prix de l'équipement; dans une telle installation, un poste de conversion conforme à celui représenté sur la figure 4 peut comporter des convertisseurs complets mis en réserve et qui ne soulèvent aucune difficulté en ce qui concerne le nombre des impulsions et les harmoniques. La figure 4 représente un poste de conversion comprenant deux chaînes en parallèle de convertisseurs 1 à 5 et 6 à 10, respectivement, connectés en série entre une li^ne de courant continu 20 et la terre. Les côtés alternatifs des convertisseurs sont connectés en parallèle sur un réseau à courant alternatif 21. Les deux chaînes de redresseurs sont connectées BAD ORIGINAL 71 05476 8 2000617 à la ligne à courant continu par des selfs de filtrage 23, 24. On suppose que dans chaque chaîne, quatre convertisseurs seulement, c'est-à-dire les convertisseurs 1 - 4 ou 6 - 9> respectivement, sont actifs, tandis que les convertisseurs 5 et 10 sont mis en réserve et comportent un dispositif de commande de 'réserve conformément à l'invention. De ce fait, la. tension de la ligne 20 est égale à quatre fois la tension d'un convertisseur, tandis que le nombre de convertisseurs connectés en série est de cinq. Les convertisseurs ont été représentés d'une manière purement symbolique sur la figiire 4 et ils comprennent chacun un pont redresseur 11, un transformateur 12, un section-near 13 destiné à les connecter au réseau à courant alternatif 21 et un dispositif d'isolement et de shuntage 14 monté sur le côté courant continu. les :-ansformateurs 12 sont montés alternativement en étoile/étoile et étoile/triangle dans les deux chaînes et dans celles-ci, les connexions diffèrent par paires. De plus, les éléments de connexion 13 et 14 des-convertisseurs de la même couche sont montés de manière que les convertisseurs de chaque paire soient connectés ou déconnectés en même temps. Cette disposition est avantageuse, car le branchement ou le débranchement d'un convertisseur d'une chaîne doit entraîner la même précaution dans l'autre chaîne, afin que le nombre de convertisseurs actifs montés en série et la tension en courant continu de chaque chaîne soient toujours les mêmes. Du fait que les montages des transformateurs des convertisseurs de chaque paire sont différents, le nombre d'impulsions résultant de l'une de ces paires est de douze et, de ce fait, le branchement et le débranchement d'une paire de convertisseurs ne modifient pas le nombre d'impulsions du poste, le nombre d'impulsions n'est pas modifié non plus par le branchement et le débranchement des convertisseurs de réserve ou plutôt le passage de leur fonctionnement en réserve à leur mise en activité et vice-versa. De ce fait, la mise en réserve de convertisseurs complets ne présente aucun inconvénient de fonctionnement pour un équipement de ce type. BAD ORIGINAL 71 05476 s 2080617 - aâ¥L.::;icj.ijc;;s - 1. Poste de conversion haute tension comprenant plusieurs convertisseurs statiques dont les côtés courant continu sont connectés en série et dont chacun comprend un pont 5 redresseur biphasé équipé de dispositifs de commande, caractérisé en ce que l'un des convertisseurs est équipé d'un dispositif de commande supplémentaire destiné à commander son fonctionnement lorsqu'il est en réserve, le dispositif de commande étant agencé de manière à commander deux groupes de redresseurs connec-10 tés en série du pont avec des angles de retard différents dont l'un est supérieur à 90° et dont l'autre est inférieur à 90°, de manière que les deux redresseurs connectés en série de ]'une des phases du pont soient simultanément conducteurs et que 1g courant soit commuté à une certaine fréquence des redresseurs 5 d'une première phase du pont redresseur à une-phase suivante de celui-ci. 2. Poste de conversion suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moment de la commutation d'une phase à une autre du convertisseur statique de réserve, un re- 20 dres-eur de la phase en cours d'amorçage est amorcé juste avant le passage par zéro de la tension de commutation entre les deux phases, tandis que l'autre redresseur de la même phase est amorcé juste après le passage par zéro. 3. Poste de conversion suivant la revèndica- 25 tion 1, dans lequel les divers convertisseurs statiques sont connectés en parallèle sur un élément de shuntage, caractérisé en ce que pour reconnecter ou retrancher un convertisseur shunté, le dispositif de commande et de réglage supplémentaire le règle avec des angles de retard variables pour les deux groupes de 3C redresseurs connectés en série afin d'augmenter le courant du redresseur. 4. Poste de conversion suivant la revendication 1, comportant des éléments destinés à la mesure du courant passant dans un él'nient de shuntage, caractérisé en ce que ce 35 dernier est comr'ia.ndé par l'élément de mesure en fonction du passage du courant par zéro. 5. Poste de conversion suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de convertisseurs qui sont réglés ensemble d'une manière classique correspond à la 40 tension en courant continu de régime du poste, tandis que le BAD ORIGINAL 71 05476 10 2080617 premier convertisseur constitue une réserve pour les autres appareils. 6. Poste de conversion suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les différents convertisseurs sont montés de manière à être connectés alternativement au dispositif de commande de réserve et à fonctionner alternativement en réserve. 7. Poste de conversion suivant la revendication 5, comprenant deux chaînes en parallèle de convertisseurs en série contenant chacune un convertisseur de réserve, caractérisé en ce que les deux convertisseurs de réserve sont équipe's de transformateurs dont les phases sont connectées différemment. 8. Poste de conversion suivant la revendication 5, dans lequel les connexions des phases de transformateurs des autres convertisseurs sont différentes, -caractérisé en ce que les éléments de connexion des convertisseurs des deux chaînes sont connectés par paires, de sorte que lorsqu'un convertisseur de la première chaîne dans lequel les phases sont connectées d'une première manière est déconnecté, un convertisseur correspondant dans lequel les phases sont connectées différemment est déconnecté dans l'autre chaîne. -9-. Poste de conversion suivant, la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du dispositif de commande pour le fonctionnement eh réserve est plus"faible que la fréquence des dispositifs de commande classiques « 10, Posté de conversion suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du dispositif de commande supplémentaire est variable. BAD ORIGINAL