Brevet FR2195860A1 — publié le 19740308

Le développement dans les installations industrielles d'appareils consommant une puissance réactive importante variant beaucoup et très rapidement dans le temps, tels que les fours à arc, les redresseurs, les variateurs de vitesse à semi-conducteurs, complique de plus en plus notablement le problème de la compensation de la puissance réactive appelée sur les réseaux de distribution d'énergie électrique. Jusqu'à présent, cette compensation était assurée essentiellement soit par des compensateurs synchrones, soit par des batteries de condensateurs. La solution par compensateur synchrone, très souple puisqu'elle permet une variation continue de la puissance réacti- ve produite ou absorbée, exige dans le cas où lon veut obtenir des vitesses de réponse suffisantes, une construction particuliè- re de la machine et de son dispositif d'excitation qui n'est économiquement envisageable que pour la compensation de puissances importantes, de l'ordre d'au moins dix mégavars. Cette solution reste toujours très onéreuse tant en coat dtinstallation quiet frais d' entretien. La solution par batterie de condensateurs, plus écono- mique et se prêtant bien à la réalisation d'unités de puissances très différentes, présente l'inconvénient de ne permettre qutune variation par paliers de la puissance réactive produite, du moins sous sa forme de réalisation la plus courante suivant laquelle la batterie est fractionnée en un certain nombre d'éléments mis opportunément hors ou en service au moyen de contacteurs électromé caniques ou statiques a semi-conducteurs. Le compensateur statique de puissance réactive pour installations industrielles, selon l'invention, est constitué par la combinaison - d'une batterie de condensateurs dont la puissance est égale à une fraction déterminée (pouvant titre égale à un) de la puiesan" ce réactive maximale susceptible entre absorbée par l'installa- tison à compenser, et branchée en parallèle avec celle-ci, - et d'un système absorbeur de puissance réactive constitué par trois inductances monophasées raccordées par une de leurs extré mités respectivement aux trois conducteurs de phase alimentant l'installation à compenser et par l'autrs extrémité respective ment aux trois bornes d'un assemblage de thyristors montés en triangle et orientés dans le mSme sens de parcours dudit trianee gle, chacun des thyristors étant amorcé avec un retard d'eavi- ron 1800 sur sa tension aux bornes, ce retard étant ajusté dans la zone de t20 à 1800 pour que la différence entre la puissance réactive engendrée par la batterie de condensateurs et celle absorbée par ledit système corresponde à la puissance que l'on on effet veut compenser dans l'installation. On saiv que les groupes re- dresseurs sont des consommateurs de puissance réactive lorsqutila fonctionnent avec un grand déphasage. L' assemblage de thyris tors montés en triangle utilisé dans l'invention correspond à un groupe redresseur en court-circuit. L'ajustage de l'amorçage de chaque thyristor dans la zone indiquée, et plus particulièrement dans la partie voisine de 1800, permet de faire varier la puissance réactive absorbée par le Système. Celui-ci est capable d'absorber des puissances réactives importantes en ne mettant en Jeu que des inductances de valeur très limitée, car le seul relue de ces inductances est de limiter les appels de courant au moment des amorçages des thyristors. Le fonctionnement du compensateur, obJet de l'invention sera mieux compris en se référant aux dessins annexés donnés à titre d'exemple dont : - la figure 1 représente le schéma d'un compensateur statique de puissance réactive à une seule batterie- triphasée de condensa teurs et un seul système absorbeur de puissance réactive, - la figure 2 est relative à un compensateur statique de puissan ce réactive à une seule batterie triphasée de condensateurs et deus::systimes absorbeurs de-puissance réactive, - la figure 3 montre l'allure des tensions et courants dans les systèmes de la figure 2, - la figure 4 représente le schéma dtun compensateur statique de puissance réactive dont les inductances du système absorbeur de puissance réactive sont constituées par les inductances de fui te d'un transformateur, - la figure 5 est relative à un compensateur statique de puissance réactive comportant quatre systèmes absorbeurs de puissance réac tive dont les inductances sont constituées par les inductances de fuite de transformateurs présentant des couplages différents, - la figure 6 est une variante de la figure 2 dans laquelle la batterie de condensateurs a été fractionnée en plusieurs élé ments en série avec des inductances0 Le compensateur statique représenté sur la figure 1 se compose - d'une batterie triphasée de condensateurs C couple en étoile sur une installation triphasée à compenser dont les phases sont P1 P2 P3. La puissance de cette batterie est déterminée par la puissance réactive maximale qu'est susceptible d'absorber l'ins- tallation à compenser et le facteur de compensation que l'on désire obtenir, - d'un système absorbeur de puissance réactive constitué de trois inductances monophasées R1 R2 R3 branchées entre les phases Pt P2 P3 de l'installation à compenser et un assemblage de thyris tors T1 T2 T3 montés en triangle et orientés dans le mtme sens de parcours de ce triangle. L'amorçage de chaque thyristor, commandé par une logique de type connu(non représentée sur le dessin), avec un retard d'environ 1800 sur sa tension aux bornes, provoque la circulation dans les inductances R1 R2 R3 de courants dont le fondamental est 23 en quadrature avec la tension de la phase à laquelle est raccordée chaque inductance, le désamorçage des thyristors s'effectuant spontanément par commutation naturelle. En plaçant la logique de commande de l'amorçage des thyristors sous la dépendance d'une régulation, on peut, en faisant varier l'angle de retard dans une zone de 120 à 1800, ajuster à tout moment la puissance réactive absorbée par un tel système et par suite faire compenser par l'ensemble du compensateur statique la fraction que llon désire de la puissance réactive pro ou duite/absorbée par l'installation à compenser. A titre indicatif, on peut par exemple en prévoyant la batterie de condensateurs pour une puissance réactive - Q et le système absorbeur potar une puissance réactive allant de O à + 2 Q, faire varier la compensation de - Q à + Q. Les harmoniques qui figurent dns les courants traver reactive sant le système absorbeur de puissance/peuvent avoir des répercussions gênantes sur l'installation à compenser (résonances augmentation des pertes...). Il est alors possible d'éliminer au moins les harmoniques des rangs les plus bas, qui sont en général les plus gants, en adoptant un compensateur à plusieurs systèmes absorbeurs ayant des couplages différents, tel que celui dont le schéma est donné sur la figure 2. Ce schéma comporte, comme celui de la figure t, une batterie triphasée de condensateurs montée en étoile, mais deux systèmes absorbeurs de puissance réactive constitués, l'un par les inductances R1 R2 R et les thyristors T12 T23 et T31 montés 3 T31 en triangle, l'autre par les inductances R'1 '2 et R13 et les thyristors T21 T32 et T13 montés également en triangle mais orien 32 13 tés en sens inverse des précédents. Le fonctionnement de cet ensemble qui élimine les harmoniques pairs et ceux d'ordre trois et multiples de trois est illustré par les courbes de la figure 3 qui donnent en fonction du temps t : - les trois tensions de phase de l'installation à compenser P1 P2 P3(courbe 3a), - le courant I1 dans l'inductance R1 du premier système absorbeur, courant dont les amplitudes positives et négatives correspon dent respectivement aux courants 112 et 131 dans les thyristors T12 et T31(courbe 3b), - le courant I'1 dans l'inductance R'1 du deuxième système absor beur, courant dont les amplitudes positives et négatives corres pondent respectivement aux courants 113 et I21 dans les thyris tors T13 et T21 (courbe 3c). - et le courant résultant J1 dans le conducteur de la phase P1 entre la batterie de condensateurs et les systèmes absorbeurs d'énergie réactive (courbe 3d). En pratique, pour accorder au mieux les tensions d'utilisation des semi-conducteurs aux tensions des installations à compenser, on est généralement conduit à interposer entre ces installations et les thyristors un ou plusieurs transformateurs dont les inductances de fuite peuvent être alors déterminées pour tenir lieu d'inductances de limitation d'appel de courant0 La figure 4 sur laquelle les enroulements d'un transformateur sont repercés en A montre un tel mode de réalisation0 Le primaire du transformateur A est relié aux conducteurs de phase P1 P2 Po Son secondaire est connecté aux bornes de l'assemblage de thyristors T1 T2 T3, montés en triangle. Le schéma de la figure 5 est relatif à un compensateur comportant, en parallèle sur les conducteurs de phase P1 P2 P3 plusieurs systèmes absorbeurs de puissance réactive analogues à celui de la figure 4 dont les inductances de limitation d'appel de courant sont également constituées par les inductances de fuite de transformateurs A1 A2 A3 A4 dont les couplages des enroulements ont été choisis, en association avec les assemblages de thyristors Th1 Th2 Th3 Th4 montés en triangle, de façon à élimi- 3 ner les harmoniques pairs, ceux d'ordre trois et multiples de trois et ceux d'ordre cinq et sept, En effet, cet ensemble constitue un système absorbeur dodécaphasé. Enfin selon un mode de réalisation représenté à la figure 6, la batterie de condensateurs est fractionnée en trois éléments C1 C2 C3 chacun de ces éléments étant monté en série avec des inductances de faible valeur déterminées de façon à constituer des filtres f1 f2 f en parallèle permettant dtélimi- ner respectivement les trois harmoniques résiduels les plus importants dbs au compensateur lui-meme ainsi que ceux éventuellement dûs aux installations à compenser. En outre selon un mode de fonctionnement propre au compensateur statique décrit ci-dessus, les semi-conducteurs qui commutent naturellement ont leur amorçage commandé de façon à être toujours maintenus en zone de conduction discontinue pour conférer au système une très grande rapidité de réponse, rapidité qui sera d'autant plus grande que le nombre des phases des sys- tèmes absorbeurs est plus élevés Pour un système dodécaphasé tel que celui de la figure 5, le délai de réponse est déjà inférieur à 3,3 ms. En plaçant la commande de l'amorçage des- thyristors- des systèmes absorbeurs sous la dépendance d'une régulation appropriée, un tel compensateur statique de puissance réactive est susceptible de maintenir à une valeur déterminée, soit le facteur de puissance, soit la tensions soit la production ou la cOnsomma- tion de puissance réactive de toute installation industrielle, même lorsque cette installation est soumise à des variations d régime fréquentes et rapides. On peut appliquer les compensateurs selon l'invention en particulier aux fours à arc, aux équipements redresseurs et aux variateurs de vitesse à semi-conducteurs. REVENDICATIONS 1.- Compensateur statique de puissance réactive pour installations industrielles, constitué par la combinaison: - d'une batterie de condensateurs dont la puissance est égale à une fraction déterminée (pouvant titre égale à un) de la puis- sance réactive maximale susceptible d'strie absorbée par lutins tallation à-compenser, et branchee en parallèle avec celle-ci, - et d'un système absorbeur de puissance réactive constitué par trois inductances monophasées raccordées par une de leurs extré- mités respectivement aux trois conducteurs de phase alimentant l'installation à compenser et par l'autre extrémité respective ment aux trois bornes d'un assemblage de thyristors montés en triangle et orientés dans le eme sens de parcours dudit trian gale, chacun des thyristors étant amorcé avec un retard d'envi ron 1800 sur sa tension aux bornes, ce retard étant ajusté dans la zone de 120 à 1800 pour que la différence entre la puissance réactive engendrée par la batterie de eondensateurs et celle absorbée par ledit système corresponde à la puissance que l'on veat compenser dans I'installation. Compensateur statique suivant la revendication 1, dans lequel on adjoint au système absorbeur de puissance réactive un second système identique à celui-ci embranché en parallèle avec lui sur les conducteurs de phase alimentant 11 installation à com- penser, mais dont les thyristors sont orientés en sens inverse. 3.- Compensateur suivant la revendication 1, dans lequel les inductances du système absorbeur de puissance réactive sont constituées par les inductances de fuite d'un transformateur, le primaire dudit transformateur étant raccordé aux conducteurs de phase alimentant l'installation à compenser et son secondaire étant connecté à l'assemblage de thyristors montés en triangle0 4.- Compensateur suivant la revendication 3, dans lequel on associe au système absorbeur de puissance réactive, plusieurs systèmes identiques à celui-ci et branchés en parallèle avec lui sur les conducteurs de phase alimentant l'installation à compenser, les enroulements des divers transformateurs étant couplés de manière à constituer un ensemble polyphasé dont le nombre de phases est multiple de trois. 5.- Compensateur suivant l'une des revendications précédez tes, dans lequel la batterie de condensateurs est scindée en plusieurs éléments couplés en série avec de faiblies inductances pour constituer plusieurs-filtres en parallèle destinés à éliminer respectivement les divers harmoniques les plus importants.