Brevet FR2123492A1 — publié le 19720908

L'invention concerne un convertisseur de courant, commandé, semi-commandé ou non commandé, à refroidissement par liquide isolant et à thyristors et/ou diodes qui sont formés de cellules en disque et que des organes mécaniques de liaison fixent entre deux et/ou trois éléments tubulaires parallèles à l1axe et balayés par un fluide de refroidissement, le montage devant assurer un bon transfert de chaleur, le circuit constituant un pont comprenant des coupe-circuit et des résistances à induction et l'un des éléments refroidisseurs formant une assise de support des cellules en disque. Les convertisseurs statiques commandés et non commandés à éléments semi-conducteurs sont réalisés pour des puissances de plus en plus grandes. La puissance des différents éléments semi-conducteurs est de plus en plus augmentée en conséquence; afin que le nombre de ces éléments en série ou en parallèle, selon le rapport courant-tension, soit réduit. L'intensité admissible des éléments individuels est actuellement de 500 A ou même légèrement davantage. n suffit donc dans de nombreux cas d'un seul élément de blocage. L'augmentation des intensités ayant pour conséquence une augmentation des puissances dissipées qui, de leur côté, sont la cause d'une augmentation du dégagement de chaleur, on a mis au point des réalisations; dont les semi-conducteurs ont la forme de disques et sont connus sous la désignation de cellules en disque. Des éléments refroidisseurs évacuent la chaleur de ces réalisations par les deux surfaces des cellulesen disque. Les éléments refroidisseurs qui évacuent la chaleur directement à l'air sont lourds et volumineux lorsqu'ils sont capables d'assumer un refroidissement suffisant. On ne peut pas éviter de diminuer l'intensité du courant des différents éléments de manière que celui qui se trouve en dernière position dans le courant d'air soit suffisamment refroidi. L'inconvénient de ce type de refroidissement est qu'il n'est pas toujours possible de conserver sa propreté à l'air nécessaire au refroidissement direct. Les différents éléments s'encrassent progressivement, de sorte qu'il faut les nettoyer pour rétablir la rigidité diélectrique. L'avantage de l'électronique dans les circuits énergétiques, à savoir l'absence d'entretien, disparaît donc. b forte adhérence de la crasse est souvent la cause de frais cons i- dérables de nettoyage. On sait qu'on peut augmenter l'intensité du courant dans les différents éléments en évacuant l'énergie de dissipation à l'aide d'un liquide au lieu d'air. Il est possible ainsi d'augmenter la puissance des éléments en parallèle en nombre égal de 30 % par rapport au refroidissement direct à l'air. Le fluide de refroidissement le plus efficace est l'eau. Même si on parvient à surmonter les difficultés du point de vue électrique dont elle est la cause; il existe des cas dans lesquels l'eau ntest pas utilisable. Par exemple, sous nos latitudes géographiques, il faut compter avec le gel dans les installations qui ne restent pas en permanence en service et qui sont exposées aux fluctuations de température de l'environnement. Certains liquides qui sont de bons isolants, tels que les hydrocarbures fluorés; permettent d'éliminer cet inconvénient. Les hydrocarbures fluors évacuent mieux la chaleur que les autres liquides isolants. Cependant, même lorsque des liquides assurent le refroidissement, il n'est pas possible d'éviter la circulation de l'air. Celle-ci est d'autant favorisée que d'autres composants électriques tels que les coupe-circuits, commutateurs et déclencheurs dégagent de la chaleur. Il ntest pas toujours possible d'enfermer le convertis- seur dans une enveloppe étanche à la poussière pour protéger de l'encrassement l'élément qui est le plus sensible du point de vue isolation, etest~à~dire le semi-conducteur. Les installations connues à cellules en disque,refroidies par liquide, soulèvent d'autres difficultés qui sont que les éléments refroidisseurs des cellules individuelles montées en parallèle doivent être séparées électriquement d'un côté, car sinon les répartitions de courant et les vitesses de montée en intensité ne peuvent pas être uniformes. La protection électrique par fusibles nécessite aussi cette séparation. Il faut; par ailleurs,les séparer pour des raisons mécaniques; car sinon les éléments semi-conducteurs ne peuvent pas reposer à plat sur les éléments de refroidissement et le mauvais transfert de chaleur en empêche la bonne évacuation voulue. Un dispositif connu de refroidissement comprend des traverses et des boulons qui fixent les différents éléments semi-conducteurs entre un élément rectangulaire,creux et porteur, de refroidissement et un autre élément de refroidissement parallèle à l'axe du précédent. Les éléments de refroidissement sont isolés électriquement des éléments semi-conducteurs. Le liquide, qui est une hui]e isolante, pénètre à l'une des extrémités de ltélément porteur, passe dans ce dernier et un flexible le dirige sur le second, dont l'axe est parallèle à celui du premier. L'huile balaye également 7.e second élément refroidisseur. Ainsi, les éléments sem-conducteurs sont refroidis sur les deux surfaces. L'inconvénient est que la poussière peut fortement encrasser chaque élément semi-conducteur et que leur isolation électrique court de grands risques. Par ai7.lcurs, la protection des é]é- ments semi-conducteurs nécessite leur isolation électrique des éléments de refroidissement, de sorte que le transfert de chaleur n'est pas bon. L'invention a pour objet un convertisseur refroidi par liquide et qui n'a pas les inconvénients mentionnés des réalisations connues. En particulier, les éléments semi-conducteurs sont bien refroidis, sont a à de la poussière et sont bien accessibles. Par ailleurs, les canaux de circulation du liquide de refroidissement sont à l'abri des fuites et favorisent L'écou7.ement. Selon une particularité essentielle du convertisseur de l'invention, l'élément refroidisseur formant l'assise porteuse constitue la cathode ou l'anode et les autres refroidisseurs sont formés de plusieurs éléments étanches, isolés électriquement et reliés par des tubes flexibles, chacun d'eux formant L'anode ou la cathode d'une cellule en disque, ces éléments étant alignés axialement et les éléments mécaniques de liaison comprimant les uns contre les autres les éléments refroidisseurs et les cellules en disque sont réalisés de manière à les envelopper de manière étanche à la poussière, des passages obturables étant prévus au niveau des cellules à disque. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, les éléments mécaniques de liaison comprennens deux plaques de matière plastique appliquées à droite et à gauche contre chacun des éléments refroidisseurs et comportant chacune deux traverses passant sur et sous les éléments refroidisseurs, des vis situées dans les traverses comprimant avantageusement les éléments refroidisseurs sur les différentes cellules en disque par l'intermédiaire dtorganes élastiques. Chaque élément refroidisseur a le même profil, de préférence creux à ailettes intérieures, ses extrémités comportant des raccords tubulaires sur lesquels les flexibles sont montés. Les nervures intérieures du profilé creux augmentent la surface de refroidissement. Un collet métallique fixé, par exemple par vulcanisa- tion, sur le flexible et monté sur le raccord est fixé corps à corps sur ce dernier, par exemple par collage. D'autres composants électriques tels que des fusibles ou des résistances à induction peuvent être placés sur l'élément refroidisseur lui-même. L'invention a l'avantage que les éléments semi-conducteurs individuels sont efficacement refroidis et donc qu'ils peuvent subir une forte intensité de courant. Par ailleurs, ils ne risquent pas de s'encrasser. L'invention a, par ailleurs, l'avantage de permettre le montage cote à côte d'autant d'éléments refroidisseurs qu'on le désire. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur Lesquels la figure 1 est un schéma de principe d'un convertisseur semi-commandé en pont à deux éléments semi-conducteurs dans chaque branche la figure 2 est une élévation schématique du convertisseur de l'invention la figure 3 est un diagramme de la courbe de température en fonction de la circulation du fluide de refroidissement 7.a figure 4 est une élévation latérale du convertisseur selon L'invention ; la figure 5 est une coupe selon la ligne A - A de la figure 4 la figure 6 est une élévation avec arrachement partiel d'un élément de refroidissement; et la figure 7 est une coupe selon la ligne B - B de la figure 6. Un convertisseur (figure 1) se compose de deux thyristors 7 et de deux diodes 5 montés en pont. La branche qui comporte les diodes 5 comprend des fusibles 6. Des fusibles 8 protègent également les thytistors 7. Des résistances 9 à induction montées dans les branches des thyristors 7 sont destinées à limiter le courant et la vitesse de montée en intensité. Le courant alternatif arrive aux points 1 et 2 et le courant continu est prélevé aux points 3 et 4. La figure 2 représente schématiquement le dispositif de refroidissement. Les diodes 5 et les thyristors (non représentés) 7 se trouvent entre des éléments refroidisseurs 1, 2 et 10 dans lesquels le fluide réfrigérant circule dans le sens des flèches. Les éléments refroidisseurs allongés 1 et 2,dans lesquels le fluide circule,forment également les connexions du courant alternatif. Le fluide de refroidissement absorbe une partie, environ la moitié de la chaleur de dissipation dégagée par les diodes et les thyristors. Le liquide passe ensuite dans les électrodes 10 formant des éléments refroidisseurs et que des flexibles i2 relient de manière étanche, mais qui sont isolés électri quement. La température du réfrigérant continue de monter selon la courbe représentée sur la figure 3. Cette courbe de température a pour conséquence que tous les éléments semi-conducteurs s'échauffent uniformement. n est possible d'obtenir cette courbe de température à l'aide d'éléments refroidisseurs i, 2 et 10 de même profil intérieur à condition que la vitesse de circulation du liquide soit calculée de manière qu'il prélève et évacue dans les éléments refroidisseurs 1 ou 2 le double de la chaleur qutil évacue d'une branche des éléments refroidisseurs 10 montés en série. Un liquide isolant peut satisfaire sans difficulté à cette condition au niveau correspondant de température. Les coupe-circuit 6 et 8 sont fixés sur les barres omnibus 3 et 4 (figures 4 et 5). Des liaisons électriques souples 15 connectent les thyristors 7 par l'intermédiaire de résistances 9 à induction, qui peuvent être par exemple des noyaux de ferrite; et une autre liaison électrique également souple 16 connecte les diodes 5. les coupe-circuit 6 et 8 sont fixés sur 7.es barres omnibus 3 et 4 de manière que le courant électrique d'une part, et que la chaleur, d'autre part, puissent bien passer dans les éléments refroidisseurs. Des vis 20, des plaquettes 21 et des ressorts 22 fixent les thyristors 7 et les diodes 5 entre les éléments refroidisseurs 1 et 2 en forme de barres constituant les éléments porteurs et les éléments refroidisseurs parallélépipèdiques 10, tous ces éléments étant formés de mêmes profilés. Ces profilés comportent, par ailleurs, des méplats 17 contre lesquels des plaques ou pièces: 25 moulées à la presse peuvent être appliquées et vissées sur les éléments refroidisseurs 1, 2. Les pièces moulées 25, dont la largeur correspond à la distance séparant les deux thyristors 5, comportent des consoles 26 sur lesquelles les organes de branchement des éléments semi-conducteurs peuvent être montés. Par exemple, un déclencheur 27 et un dispositif 28 de câblage des diodes 5 et thyristors 7, ainsi qu'un dispositif de contre des coupe-circuit 6 et 8 peuvent être montés sur ces consoles. Les pièces 25 forment avec les éléments refroidisseurs eux-memes un caisson 30 étanche à la poussière et à la crasse. Les pièces 25 comportent des fen8tres 29 permettant d'accéder facilement aux éléments semi-conducteurs 5 et 7. Ces fenêtres 29 peuvent être elles-memes par exemple obturées. Par ailleurs, un couvercle isolant les éléments semi-conducteurs 5 et 7 de la poussière peut être placé sur les pièces moulées 25. Un soufflet 12 (figure 6) en matière résistant aux températures élevées et électriquement bien isolante relie les deux élé ments refroidisseurs de manière étanche. Le soufflet 12 est monté et fixé par vulcanisation- de chaque c8té sur des collets métalliques 13. Les soufflets sont montés avec les collets sur les extrémités fraisées 11 des éléments refroidisseurs sur lesquels ils sont fixés corps à corps, par exemple par collage. Les soufflets souples 12 permettent aux éléments refroidisseurs 10 d'être facilement mobiles les uns par rapport aux autres. Ainsi, les éléments semi-conducteurs 5 et 7 sont fixés sur des éléments refroidisseurs 1, 2 et 10 avec une bonne conductivité électrique et un bon transfert de chaleur. Le profil de l'élément re & roidisseur comporte avantageusement des ailettes extérieures (non représentées) et intérieures 32 (figure 7) destinées à améliorer le rayonnement et l'absorption de chaleur. Les extrémités fraisées Il des éléments refroidisseurs 10 constituent des raccords. Les conduits d'arrivée du liquide ne sont pas représentés. Ils sont montés et reliés corps à corps sur les raccords 11 des différents éléments refroidisseurs de la même manière que les soufflets 12. Ils sont réalisés de manière que les caissons 30 restent fermés de manière étanche à la poussière. n va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté,sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Convertisseur commandé, semi-commandé ou non commandé de courant, à refroidissement par liquide isolant et à thyristors et/ou diodes qui sont constitués de cellules en disque et que des organes mécaniques de liaison fixent entre deux etZou trois éléments refroidisseurs tubulaires d'axes parallèles et dans lesquels le fluide de refroidissement circule, la fixation assurant un bon transfert de chaleur et les thyristors et/ou diodes étant montés en pont avec des coupe-circuit et des résistances à induction, un des éléments refroidisseur formant une assise porteuse des cellules en disque, ledit convertisseur étant caractérisé en ce que 11 élément refroidisseur (1, 2) constituant l'assise porteuse forme la cathode ou l'anode et les autres éléments refroidisseurs (10) sont formés de plusieurs pièces tubu)ires électriquement isolées et reliées de manière étanche par des flexibles, chacune d'elles formant l'anode ou la cathode d'une cellule à disque et leurs axes étant alignés, et les organes mécaniques de liaison comprimant les éléments refroidisseurs et les cellules à disques les uns contre les autres sont réalisés de manière qu'ils enveloppent ces dernières de manière étanche à la poussière, des passages obturables étant prévus au niveau des cellules en disque. 2. Convertisseur selon la revendication l, caractérisé en ce que les organes mécaniques de liaison comprennent deux plaques de matière plastique appliquées à gauche et à droite sur chacun des éléments refroidisseurs et comportant chacune deux traverses (21) passant sur et sous les éléments refroidisseurs, des vis logées dans ces traverses comprimant les éléments refroidisseurs sur les différentes cellules en disque, de préférence par l'intermédiaire d'organes élastiques. 3. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément refroidisseur a le même profil creux à ailettes intérieures et dont les extrémités constituent des raccords sur lesquels les flexibles sont montés. 4. Convertisseur selon les revendications 1 et 3 prises ensemble , caractérisé en ce qu'un collet métallique monté et fixé par exemple par vulcanisation sur le flexible est monté et fixé corps à corps , par exemple par collage, sur ledit raccord. 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisé en ce que d'autres composants électriques tels que des résistances à induction ou des fusibles sont montés sur chacun des éléments refroidisseurs.