Brevet FR2124273A1 — publié le 19720922

La présente invention concerne un commutateur à gradins ou à plots pour la.commutation du courant de charge d'un transformateur d'une première prise de bobinage à une seconde prise de bobinage. 5 On sait que des mises en circuit et des interruptions peuvent être effectuées par des commutateurs à gradins équipés de soupapes semiconductrices, de préférence sous forme de.thy-ristors (IEE-Conf., 1969, part 1, p.185-192). On sait aussi que la commutation entre des prises de bobinage d'un transformateur 10 peut être exécutée, d'une part sans chevauchement lors du passage par zéro du courant de charge (Siemens Zeitschrift, 39 (1965), n°4-, p.270) et, d'autre part, en faisant appel à la "commutation naturelle" (Demande de brevet allemand publiée après examen 1 24-7 4-79)* Dans l'un et l'autre cas, on utilise 15 à titre d'éléments de commutation,- des thyristors en couplage antiparallèle. Deux paires de thyristors sont nécessaires pour chaque phase. Un sélecteur les connecte à la première ou à la seconde prise de bobinage (dans le présent texte les adjectifs "première" et "seconde" qui qualifient les prises concernées HO par la commutation indiquent l'ordre dans lequel ces prises sont connectées), et des contacts de commutation sont fermés, afin de shunter les thyristors et d'éviter ainsi les pertes de conduction. Le bref intervalle de conduction a pour conséquence que l'impédance thermique transitoire détermine la grandeur du' 25 courant de charge. La tension entre les prises de bobinage entre lesquelles s'effectue la commutation,, c'est-à-dire la tension de gradin, est déterminante pour les dimensions. En principe, on pourrait utiliser un système sans éléments mobiles, mais cela rendrait nécessaire une paire de thyristors pour cka-30 que prise de bobinage. En cas de commutation âu passage par zéro du courant de charge, on bloque le thyristor conducteur relié à la première prise au moment du passage par zéro du courant. Après une brève pause, un courant de commande est appliqué aux thyristors 35 reliés.-à la seconde prise. Pendant la pause, les thyristors sont exposés à la pleine tension du transformateur U^, qui est beaucoup plus élevée que la tension de gradin Us. Des circuits EC (résistance-capacité) assurent la protection contre les surtensions, c'est-à-dire qu'ils prennent en charge brièvement le 4-0 courant de charge. S'agissant dxi passage à un nombre de spires 72 02710 plus faible, ce qui se traduit par un abaissement de la tension à travers le côté du transformateur qui reçoit la puissance par rapport au côté du transformateur qui délivre la puissance, le thyristor relié à la première prise reçoit les tensions de 5 transformateur et de gradin qui ont changé de sens, sous la forme de tension négative. En cas de passage à un nombre de spires plus élevé, ce qui se traduit par une élévation de la tension à travers le côté du transformateur qui reçoit la puissance par rapport au côté du transformateur qui délivre la puissance, 10 la tension de gradin change de sens pour se présente^ sous forme de tension positive. La conséquence en est que la pause après le zéro du courant est critique, eu égard aù temps de déblocage du thyristor, et elle nécessite des thyristors rapides. Le pro~ cédé est applicable aussi bien en cas de charge résistive que 15 de charge induetive. Dans le cas du procédé qui fait appel à la commutation naturelle, un thyristor conduit le courant à la prémière prise. Le thyristor relié à la seconde prise a le même sens de conduction que le précédent, il a une tension, de blocage positive et il est activé. Le courant- est inversé et le pre-20 mier thyristor reçoit une tension négative. La commutation dans le sens correspondant à un nombre de spires plus élevé s'effectue pendant que le courant et la tension sont en phase, et la commutation dans le sens correspondant à un nombre de spires plus faible lorsque le courant et la tension sont en 25 opposition de phase. En cas de charge purement résistive,il n'est donc pas possible de faire appel à" la commutation naturelle pour passer à un nombre de spires plus faible. La présente invention a pour but de fournir un procédé de commutation du courant de charge d'un transformateur d'une 30 première à une seconde prise de bobinage, procédé qui remédie entièrement aux inconvénients précités. Â cet effet l'invention prévoit un commutateur à gradins pour la commutation du courant de charge d'un transformateur d'une première prise de bobinage à une seconde -prise de 35 bobinage avec une première et une seconde paires de soupapes semiconductrices en couplage antiparallèle, chaque paire étant munie d'un organe de commande et chacune desdites paires pouvant être connectée entre n'importe laquelle desdites prises de bobinage et une borne de connexion pour-le courant de charge, carac-40 térisé par le fait qu'il comprend des unités de commande qui 72 02710 2124273 commandent et réalisent la commutation entre ladite première prise de bobinage et ladite seconde prise de bobinage par brans fert du courant de charge de la paire de soupape connectée à la première prise, à la paire de soupapes connectée à la seconde prisej d'une part selon le procédé de la commutation naturelle, sauf dans le cas où intervient une réduction du nombre ô spires et où il s'agit en aère temps d'une charge de nature résistive, et d'autre part selon le procédé de la commutation e: passage par zéro du courant de charge dans le cas où il s'agit d'une réduction du nombre de spires et où il existe en même temps une charge de nature résistive. En cas de déformation de la tension de charge à ses passages par zéro, il se peut que le premier thyristor soit exposé à une tension positive trop précoce. Selon un développement de 11 invention, on peut éliminer ce risque en prévoyant-un circxxit auxiliaire, se composant d'une résistance en série avec une autre paire de soupapes semiconductrices en couplage antiparallèle, monté en parallèle avec l'une desdites paires de soupapes. Un organe de commande peut être alors connecté aux soupapes de ce circuit auxiliaire et en cas de commutation de l'une des paires de soupapes oui n'est pas couplée au courant de charge, à l'autre paire de sc-upapes, une unité de commande active la soupape de la paire de soupapes additionnelle qui a le même sens de conduction que la soupape de la pairë de soupapes avec laquelle est monté en parallèle le circuit auxiliaire qui est agencé de façon à prendre en charge le courant de charg L'invention est ci-après décrite de façon plus détaillée en référence aux dessins cu-annexés. La figure 1 illustre un mode de réalisation connu, d'un commutateur à gradins. La figure 2 représente un commutateur à gradins avec circuit auxiliaire. La figure 5 représente un exemple de réalisation d'un commutateur à gradins selon 11 invention. Les figures 4-a à 4d représentent les organes d' exploration et de commande du montage de la figure J. La description suivante en référence à la figure 1, est'relative au procédé de commutation en cas de passage, au moyen de la commutation naturelle, à un nombre de spires plus élevé. 72 02710 4 2124273 La figure 1 représente un commutateur à gradins comportant deux paires de thyristors en couplage antiparallèle 1 et 2, 3 et 4 respectivement, avec des contacts mobiles 8, 9 établissant la connexion avec deux des prises 11 du bobinage 10 d'un c; transformateur 12. Les deux autres bornes des paires de thyristors sont connectées à une charge 7« Un organe de commande 6 délivre des impulsions de commande pour les thyristors 1, 2, 3 et 4. On supposera que le thyristor 5 est conducteur et est 10 connecté à la première prise (considérée dans l'ordre dans lequel a lieu la commutation). Le thyristor 1 qui a le même sens de conduction et qui est connecté à la seconde prise (considérée dans l'ordre dans lequel a lieu la commutation), reçoit une tension positive, Il est activé, de sorte que le courant s'in-verse et que le thyristor 3 reçoit une tension négative. La commutation dans le sens correspondant à un nombre de spires plus élevé s'effectue tandis que le courant et la tension sont en phase et la commutation dans le sens correspondant à un nombre de spires plus faible quand le courant et la tension sont en 20 opposition de phase. En cas de charge purement résistive, un passage à un nombre de spires plus faible en faisant appel à la commutation naturelle ne peut pas se produire, mais le procédé de commutation au passage du courant par zéro, qui va être décrite en référence à la figure 1, devient ^agjxLicable. 25 Le thyristor conducteur 1 de la première de thyristors (c'est-à-dire celle reliée à la première prise considérée dans l'ordre dans lequel a lieu la commutation) est activé lors du passage par zéro du courant de charge i^. Après une courte pause, un courant de commande est appliqué au thyristor 4 de 50 la seconde paire de thyristors (c'est-à-dire celle reliée àla seconde prise). Pendant la pause, il se produit un changement de sens de la tension totale du transformateur qui est beaucoup plus élevée que la tension de gradin Us« Le cas échéant, un circuit R0, monté en parallèle avec les thyristors, peut 55 prendre en charge brièvement le courant de charge,- c'est-à-dire assurer une jjrotection contre la surtension. Lors de la commutation dans le sens correspondant à un nombre.de s]~ires plus faible, la tension du transformateur et de gradin c. .-i chanp;ent de sens servent de tension négative de blocage \:;r 40 3-e premier thyristor 1. Cela signifie que seul le rota: BAD 72 02710 J 2124273 l'allumage détermine la longueur de la pause. En eas de commutation dans le sens correspondant à un nombre de spires plus élevé par ce procédé, la tension du transformateur change de sens pour se présenter sous forme de tension négative, tandis 5 que la tension de gradin II change de sens pour se présenter sous forme de tension positive. La conséquence en est que la pause est critique, eu égard au temps de déblocage des thyristors. Le procédé ne convient donc pas pour la commutation dans le sens correspondant à un nombre de spires plus élevé, car il 10 exige des thyristors très rapides. Lorsque la tension est déformée au passage par zéro, le premier thyristor peut être exposé à une tension positive trop précoce. Cela n'entraîne aucun problème en cas de commutation selon le procédé faisant appel à la commutation naturelle, mais 15 du reste, on peut appliquer le procédé utilisant le montage représenté sur la figure 2, sur laquelle un circuit auxiliaire se composant d'une résistance 13 en série avec un thyristor 5» est monté en parallèle sur la seconde paire de thyristors et est utilisé pour la commutation dans le sens correspondant à 20 un nombre de spires plus faible, en présence d'une charge purement résistive. Le procédé de commutation peut être décrit commesuit. On supposera que le thyristor 1 est conducteur. Peu avant le passage du courant par zéro, le thyristor 5 est activé et, 25 dans ces conditions, la résistance 13 est parcourue par le courant de court-circuit Us/R, R étant la valeur de la résistance. Le courant à travers le thyristor 1 est alors i^ + Ug/R. Peu après le passage par zéro, le thyristor 4 est activé et, dans ces conditions, le circuit auxiliaire est court-circuité et la 30 commutation est achevée. La tension aux bornes de la résistance 13 donne lieu à un supplément de tension négative de blocage appliquée au thyristor 1 et, en même temps, le courant de charge i^ est pris en charge par le thyristor 5i avant que le thyristor 4 ne soit activé. 35 La figure 3 représente une partie d'un enroulement 10 du transformateur 12, avec les prises de bobinage 111-115» Les contacts mobiles 8 et 9 clu commutateur à gradins sont connectés à une même prise de bobinage 113- Le commutateur à gradins comprend trois paires de thyristors en montage antiparallèle 31 et 40 32, 33 et 34, 35 et 36 respectivement. La paire de thyristors 31 72 02710 2124273 32 est connectée, entre l'un des contacts mobile 9 du commutateur à gradins et une unité de commutation 29, au contact 43 de cette unité. Partant du contact mobile 9, un conducteur 37 sô dirige vers le contact. 44 de l'unité de commutation 29- Un ^ organe d'exploration 50 qui est représenté sur la figure 4a_ est connecté aux bornes de la paire de thyristors 31, 32, par l'intermédiaire d'un enroulement 21. Ledit organe 50 est connecté entre la paire de thyristors 31, 32 et le contact 43 au moyen d'un enroulement 25. Les thyristors 31 et 32 sont comman-"10 * dés par tin organe de commande 14. La paire de thyristors 33» 34 est montée entre le contact mobile 8 et le contact 42 de l'unité de commutation 29-Du contact mobile 8 part un autre conducteur 38 qui va vers le contact 41 de l'unité 29- Un organe d'exploration 60, qui est représenté sur la figure 4^b est connecté aux bornes de la paire de thyristors 33» 34, au moyen d'un enroulement 23. Ledit organe 60 est monté, par l'intermédiaire d'un enroulement 27, entre la paire de thyristors 33, 34 et le contact 42. En outre, un circuit auxiliaire, qui se compose d'une résistance 13 en série 20 ^ avec une paire de thyristors 35» 36 en couplage antiparallèle, est connecté aux bornes de la paire de thyristors 33, 34. Les thyristors 33 et 34 sont commandé? par un organe de commande 15 et les thyristors 35 et 36 par un organe de commande 16. Partant des unités de commande 45, 46 et 47, des conducteurs aboutissent aux organes de commande 14, 15 et 16 selon ce qui est indiqué sur les figures 4£ et 4d. Les bornes d'entrée a-f et â-ï des unités de commande 45, 46 et 47 correspondent aux bornes de sorties desdits organes d'exploration 50 et 60 qui sont représentés respectivement sur les figures 4a. et 4b_. Les organes 50 d'exploration 50 et 60 sont couplés, par l'intermédiaire de leurs enroulements 22, 26, 24, 28, aux enroulements 21, 25, 23, 27 qui sont indiqués sur la figure 3- Les contacts 17, 18 19, 20 peuvent être constitués par des microinterrupteurs qui sont actionnés par le contact 20. Le contact 20 est une butée qui est fixée au contact mobile 30 de l'unité de commutation 29, laquelle est reliée à la charge 7- Les sorties des organes d' exploration 50 et 60 fournissent les informations suivantes, a: le thyristor 31 est conducteur, b: aucun des thyristors 31 et 32 n'est conducteur, 40 c: }.e thyristor 32 est conducteur, 72 02710 7 2124273 d: le thyristor 31 reçoit une tension positive et le thyristor 32 une tension négative, e: aucune tension aux "bornes des thyristors 31 et 32, f: le thyristor 31 reçoit une tension négative et le thyristor 5 32 une tension positive, â: le thyristor 33 est conducteur S: aucun des thyristors 33 et 34- n'est conducteur c: le thyristor 34- est conducteur 5: le thyristor 33 reçoit une tension positive et le thyristor 10 34- une tension négative, ë: aucune tension aux bornes des thyristors 33 et 34 f: le thyristor 33 reçoit une tension négative et le thyristor 34- une tension positive. La description suivante se rapporte à un commutateur à 15 gradins selon l'invention, sous la forme de réalisation de la figure 3, avec des organes d'exploration et de commande s'y rapportant selon les figures 4a. à 4d, d'une part en cas de commutation à un nombre de spires plus élevé et, d'autre part, à un nombre de spires plus faible, avec et sans circuit auxiliaire 20 intercalé, . Commutation sur un nombre de spires plus élevé : En position initiale, le contact 30 touche les contacts 41 et 44, comme le montre la figure 3* Les contacts mobiles 8 et 9 du commutateur à gradins sont reliés à la même prise de 25 bobinage 113- En cas de commutation sur un nombre de spires plus élevé, le contact 30 subit une rotation autour de son axe 39 dans le sens positif (senx inverse des aiguilles d'une montre) Lorsque la liaison entre le contact 30 et le contact 44 est interrompue, le contact mobile 9 ne conduit plus le courant, 30 étant donné que la totalité du courant de charge i^ passe désormais par les contacts 41 et 30 vers la charge 7- Le contact mobile 9 peut alors être connecté sans courant à la prise de bobinage voulue, par exemple 114. Après une rotation de 90° dans le cens positif, le contact 30 vient toucher les contacts 41 et 35 42, et la butée 20 fixée au contact 50 agit sur le rnicrointerrup-teur 17. Par le &icrointerrupteur 17 » la bascule 100 et 11 organe de commande 15, on obtient un courant d'amorçage pour les thy-^ ristors 33 et 54. Si la rotation du contact 30 dans le sens positif se poursuit, la totalité du courant de charge passe par 40 lescontacts 42 et 30. Lorsque le contact 30 a effectué une rota 72 02710 8 2124273 tion de 180°, il touche les contacts 42 et 43 et la butée 20 agit sur le microinterrupteur 18. Par la bascule 100, 1s micro-interrupteur 18 coupe le courant de commande vers les thyristors 33 et 34. L'élément 101 (ou 102) est commuté lorsque les 5 conditions requises poiir cela sont remplies, c'est-à-dire lorsque le courant de commande pour les thyristors 33 et 34 est coupé et que le thyristor 33 (ou 34) est conducteur, le thyristor 31 (ou 32) recevant une tension positive et le thyristor 32 (ou 31) une tension négative. Une commutation naturelle peuc 10 alors être effectuée. La bascule 103 (ou 104) active le thyi'is-tor 31 (ou 32) et, dans ces conditions, la commutation est effectuée. Le passage à un nombre de spires plus élevé est alors réalisé avec l'élément 105 (ou 106). Puis le contact 30 est ramené en position de départ par rotation dans le sens positif 15 et, dans ces conditions, le contact mobile peut être connecté sans courant à la prise de bobinage 114. Commutation sur un nombre de spires plus faible : Le contact 30 se trouve dans la position de départ de la figure 3 et les contacts mobiles 8 et 9 touchent la même 20 prise de bobinage 113. Le contact 30 subit une rotation dans le sens négatif (dans le sens des aiguilles d'une montre). Lorsque le contact entre les contacts 30 et 41 est interrompu, le contact mobile 8 peut être raccordé sans courant à une prise de bobinage voulue, par exemple 112. Le courant de charge i^ passe 25 alors par les contacts 44 et 30. Après avoir effectué 'une rotation de 90°, le contact 30 touche les contacts 44 et 43. La butée 20 agit alors sur le microinterrupteur 19» Par le micro-, interrupteur 19, la bascule 128 et l'organe de commande 14, on obtient un courant d'amorçage pour les thyristors 31 et 32. 30 Si la charge 7 n'est pas purement résistive, c'est-à-dire lorsque les conditions requises pour la commutation de l'élément 120 ne sont pas remplies, la commutation s'effectue par commutation naturelle, conformément à ce qui a été décrit à propos de la commutation sur un nombre de spires plus élevé au moyen 35 des éléments 130, 131» 134, 135 ainsi que des bascules 132 et 133- Les conditions requises pour activer l'élément 120 sont que les impulsions de commande pour les thyristors 31 et 32 soient bloquées, qu'aucune tension ne soit présente aux bornes des thyristors 31 et 32 et qu'aucun des thyristors 32 et 34 ne 40 soit à l'état conducteur. Si ces conditions sont remplies, cela 72 0271Ô 2124273 signifie qu'on a un passage par zéro à la fois pour le courant de charge i^ et la tension de charge tr^. La tension détectée par l'organe d*exploration 60 correspond à la tension de gradin U . La tension de gradin U est en phase avec la tension de S s 5 transformateur U^. Gela signifie qu'il s'agit d'une charge résistive puisque le courant de charge et la tension de transformateur, c'est-à-dire la .tension de charge, sont mutuellement en phase. Lorsque l'élément 120 est activé, un signal d'entrée est envoyé à l'unité de commande 47, et ce par l'intermédiaire 10 du conducteur 129. La paire de thyristors 31, 32 est réactivée par l'intermédiaire de la bascule 122 et de l'organe de commande 14. Peu avant le passage par zéro suivant, les thyristors 35 et 36 reçoivent une impulsion d'amorçage par l'intermédiaire du circuit de retard 125, de la bascule 124 et de l'organe de com-15 mande 16. Le retard d'amorçage est un peu plus court qu'une demi-période. En même temps le courant de commande vers les thyristors 31 et 32 est coupé, et ce par la bascule 122. Peu après ledit passage par zéro, les thyristors 33 et 34 reçoivent le courant d'amorçage, au moyen du circuit de retard 123, de la 20 bascule 126 et de l'organe de commande 15. En même temps, .le courant de commande pour les thyristors 35 et 36 est coupé par la bascule 124. Le retard d'amorçage2, es^ 1111 Peu P-*-us long qu'une demi-période. Ainsi est effectuée la commutation sur la prise de bobinage 112. En l'absence de circuit auxiliaire 25 la commutation au passagepar zéro est effectuée par l'élément 120, le conducteur 127 et la bascule 121 qui est connectée à l'organe de commande 15- La manoeuvre des contacts mobiles 8 et 9 peut être effectuée à la main ou, de préférence, au moyen d'un dispositif 30 qui est commandé par la position du contact 30° Grâce à l'invention, on dispose d'un commutateur à gradins, au moyen duquel on peut procéder à des commutations rapides et sûres, dans toutes les circonstances de commutation, au'il s'agisse d'un passage à un nombre de spires plus élevé 35 ou plus faible, et indépendamment de la nature de la charge. 72 02710 l i 24Z/Ô BEVENDIC ATI ONS 1 - Commutateur à gradins pour la commutation du courant de charge (i^) d'un transformateur (12) d'une première prise de "bobinage (113) à une seconde prise de bobinage (112, 114) avec une première et une seconde paires de soupapes semi-- 5 conductrices en couplage antiparallèle (31» 32 et 33» 34), chaque paire (31, 32 et 33, 34) étant munie d'un organe de commande (14, 15) et chacune desdites paires (31, 32 et 33, 34) pouvant être connectée entre n'importe laquelle desdites prir;e?; de bobinage (112, 113, 114) et une borne de connexion pour le 10 courant de charge (i/j), caractérisé par le fait qu'il comprend des unités de commande (45, 46) qui commandent et réalisent la commutation entre ladite première prise de bobinage (113) et ladite seconde prise de bobinage (112, 114) par transfert du courant de charge (i,j) de la paire de soupapes (31, 32 ou 15 33, 34) connectée à la première prise (113) à la prise de soupapes (33, 34 ou 31, 32) connectée à la seconde prise (112, 114) d'une part selon le procédé de la commutation naturelle, sauf dans le cas où intervient une réduction du nombre de spires et où il s'agit en même temps d'une chargé (?) de nature résistive, 20 et d'autre part selon le procédé de la commutation au passage par zéro du courant de charge (i^) dans le cas où il s'agit d'u>-ne réduction du nombre de spires et où il existe en même temps une charge (7) de nature résistive. 2 - Commutateur à gradins selon la revendication 1 25 caractérisé par le fait qu'il est prévu des organes d'exploration (50, 60) qui détectent le coursait et la tension dans ' chaque paire (31, 32 et 33, 34) de soupapes semiconductrices en couplage antiparallèle. 3- Commutateur à gradins selon la revendication 2 30 caractérisé par le fait qu'un circuit auxiliaire, se composant d'une résistance (13) en série avec une autre paire de soupapes semiconductrices (35, 36) en couplage antiparallèle, est monté en parallèle avec l'une desdites paires de soupapes (31, 32 ou 33, 34). 35 4 - Commutateur à gradins selon la revendication 3 avec un organe de commande (16) qui est connecté aux soupapes (35, 36) appartenant au circuit auxiliaire, caractérisé par le fait qu'en cas de commutation de l'une des paires de soupapes 72 02710 il 2124273 (31, 32 ou 33» 34) qui n'est pas couplée au courant de charge (i^), à l'autre paire de soupapes. (33» 34 ou 31, 32), une unité de commande (4-7) active la soupape (35 ou 36) de la paire de soupapes additionnelle (35» 36) qui a le même sens de conduction que la soupape (31 ou 33» 32 ou 34) de la paire de soupapes (31» 32 ou 33» 34-) avec laquelle est monté en parallèle le circuit qui est agencé de façon à prendre en charge le courant de charge (i^). 5 - Commutateur à gradins selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un circuit auxiliaire, se composant d'une résistance (13) en série avec une soupape semiconductrice (5), est monté en parallèle avec l'une desdites paires de soupapes (1, 2; 31» 32) ou (3, 4; 33» 34).