Brevet FR2241913A1 — publié le 19750321

La présente invention concerne un dispositif de commande pour l'alimentation de fours électriques de fusion pourvus d'au moins une électrode, notamment pour fours de refusion de métaux sous laitier, électroconducteur, l'alimentation se faisant à partir du réseau monophasé ou polyphasé de l'installation de distribution locale. Des fours de fusion de ce type pour l'affinage des métaux,et des dispositions prévues pour leur alimentation,sont connus par la demande de brevet R.F.B nO 1 917 494, demande qui,pour obtenir des caractéristiques métallurgiques optimales du produit métallique à fondre, prévoit d'alimenter le four à une fréquence sensiblement inférieure à celle du réseau,comprise entre 5 et 10 Hzy au moyen d1un onduleur piloté,à fréquence et temps de passage du courant variables. La présente invention part d'un dispositif convertisseur de fréquence prévu entre le réseau et Se four,dispositif dans lequel les temps de passage du courant et la formeces alternances positives et négatives du courant d'alimentation disponible pour le four,à la sortie du convertisseur,doivent d'une part être adaptés de façon optimale aux exigences métallurgiques,et dans lequel les temps de pause ou temps morts entre alternances doivent d'autre part entre adaptés- de façon otpimale aux caractéristiques des groupes de thyristors du convertissseurOLa présente invention concerne le problème fréquemment rencontré avec les alimentations de four de fusion à électrode, problème qui consiste à faciliter le démarrage du four et à assurer une protection des thyristors onéreux contre les surcharges, même si, alors qu'il est prévu une régulation de courant avec valeur de consigne donnée et comparaison avec cette dernière de la valeur réelle du courant du four, il se produit un "emballement" de la tension de sortie du régulateur,par exemple lorsque l'électrode sort du bain de fusion, ou encore lors du temps de pause nécessaire pour respecter le temps de ménagement des thyristorse Pour l'exploitation d'un four à électrode au moyen d'un convertisseur, la courbe idéale de courant correspon drait, pour une plage de fréquence réglable sans di sconti- nuité entre environ 3 Hz et 10 Hz , à peu près à la forme rectangulaire pour chaque alternance , toutefois, avec des circuits exempts de courant de circulation, il faut entre les alternances une pause de courant qui est nécessaire pour respecter le temps de ménagement des thyristors du convertisseur et qui correspond au moins au temps de désamorçage de ces derniers, çe temps de pause devant, à titre de sécurité, etre même quelque peu supérieur à ce temps de désamorçage.Les inductances non négligeables des conducteurs d'alimentation allant aux bornes du four, d'une part, et le comportement Proportionnel et Intégral (PI) du régulateur de courant prévu pour influencer le groupe de commande se trouvant en amont du convertisseur, d'autre part (le régulateur recevant la valeur réelle du courant et la valeur de consigne qui peut lui eAtre appliquée dans une plage étendue), tout cela implique un profil de courant s'écartant de la forme rectangulaire et présentant une croissance et une décroissance non linéaires dans chaque alternance.On s'efforce d'accroltre la montée initiale après chaque zéro ou valeur de pause, mais cela conduit toutefois à des difficultés, car il faut alors éviter tout dépassement au-delà de la valeur de consigne du courant, dans tous les cas, dans chaque alternance. Un accroissement de la' pente des flancs descendants de la courbe d'alternance est souhaitable et doit être recherché, et est également possible par action de 1' étage de commande prévu pour le fonctionnement du convertisseur,- commandé par horloge et agissant sur le groupe de commande du convertisseur, cet étage de commande étant conçu de façon appropriée.A cet égard, l'invention consiste, dans un dispositif de commande pour fours électriques de fusion pourvus d'au moins une électrode alimentée à partir du réseau au moyen d'un dispositif convertisseur constitué par un groupe de commande et par un régulateur de courant monté en amont et influencé par la valeur de consigne du courant et par la valeur réelle de ce courant, ce dispositif servant notamment à commander la refusion des métaux sous laitier électroconducteurs, dans le fait que le régulateur de courant, réalisé sous la forme d'un régulateur PI,est en outre influencé par une grandeur de commande qui, en fonction d'états périodiques ou non, dus au fonctionnement ou à une perturbation, ces états ayant une action néfaste sur le processus de fusion dans le four, remplace, pendant la durée de ces états, la régulation de courant par une régulation de tension qui impose une limite supérieure réglable à la tension de commande du groupe de commande pilotant le convertisseur. Les dispositions protectrices touchant à la régulation et à la commande sont ainsi, pour l'essentiel, atteintes par action sur le régulateur de courant et peuvent, selon nécessité, titre appliquées individuellement ou ensemble. Des exemples de réalisation à cet égard sont expliqués plus -en détail en se référant aux deux figures du dessin annexé. Sur la figure la le four de fusion 0 à électrode est représenté schématiquement par un creuset T, la charge de laitier Sch, et l'électrode immergée E . L'élec- trode E et le creuset L sont raccordés à la sortie d'un convertisseur statique SR qui, côté primaire , est alimenté par le réseau triphasé et qui est influencé de façon classique, par l'intermédiaire d'un groupe de commande St, par un régulateur de courant IR réalisé sous la forme d' un régulateur PI, ce convertisseur SR étant amené, par ce régulateur, à fournir , pour l'alimentation du four, un courant alternatif de par exemple,0 à 10 Hz, ayant des alternances d'une forme particulière qui est constituée pour l'essentiel d'une partie croissante courbe, d'une partie médiane approximativement horizontale et d'une partie décroissante courbe. Chacune de ces alternances, tour à tour positive puis négative, est séparée par un temps mort pendant lequel il n'y a pas de cou- rant, ce temps mort étant maintenu à rure valeur au moins égale ou supérieure à celle du temps de désamorçage des thyristors prévus dans le convertisseur SR. Aux entrées du régulateur de courant IR sont appliquées la valeur de consigne i5 qui est ajustable, et la valeur réelle du courant ii qui est fournie par le transformateur de courant W associé au circuit d'alimentation du four. Un étage de commande, non représenté, piloté par une horloge détermine, en coopération avec le régulateur de courant et le groupe de commande, la succession des alternances du courant alternatif fourni au four à la sortie du convertisseur SR, et détermine la forme de courbe et la fréquence de ce courant, tandis que la valeur efficace de ce courant alternatif est donnée par le régulateur de courant IR agissant en se basant sur la valeur de consigne i5 qui peut être donnée à l'avance et qui peut être comparée à la valeur réelle i du courant Comme le régulateur IR est un amplificateur shunté par un élément série RC, il en résulte qu'il a un comportement PI (Proportionnel et Intégral), ctest-à-dire que sa tension de sortie ust appliquée au groupe de commande St peut contre (jusqu'à un maximum) si, et aussi longtemps que, la valeur réelle ii est inférieure à la valeur de consigne is e I1 en résulte que la valeur réelle du courant est constamment assuJettie à la valeur de consigne prédéterminée. Lors de l'utilisation d'un four de fusion à électrode, il peut se présenter, plus particulièrement lors de la mise en marche, mais aussi en cours de fusion, des conditions de fonctionnement, ou des états dus à des pannes qui interrompent brièvement le passage du courant entre l'élec- trode, le bain de fusion et le creuset, par exemple lorsque l'électrode sort du bain de fusion LorsquDune telle interruption survient, la valeur réelle du courant ii manque à l'entrée du régulateur de courant IR pendant la durée de cette interruption, et le circuit de régulation n'est plus fermé, Du fait de son comportement PI, il en résulte que la tension de commande u5t à la sortie du régulateur de courant IR croit jusqu'à sa valeur maximale, et par conséquent aussi la tension de sortie Ud à la sortie du convertisseur. Lorsque l'é- lectrode E est à nouveau immergée dans le bain de fusion Sch, il se produit alors dans un tel cas des surintensités inadmissibles susceptibles de détériorer la partie électrique de l'installation de fusion 0, et même aussi le produit en fusion. Il peut en être de même lors de la mise en marche du four : en dépit d'une forte tension appliquée à l'électrode, le courant peut fort bien n'être que relativement faible du fait de la résistance de passage éventuellement forte. En cas de "percée" subite, il y aurait cependant des courants momentanés beaucoup trop intenses.C'est pourquoi l'invention prévoit d'introduire dans le régulateur une grandeur supplémentaire de commande remplaçant la régulation de courant par une régulation de tension. L'emballement doit ainsi être rendu impossible, et la tension de sortie u5t du régulateur IR doit entre maintenue à une valeur ne provoquant dans le four qu'un courant de, par exemple, 1/10 à la moitié du courant nominal.Pour appliquer cette -mesure de protection, il est prévu, comme le montre la figure la, un élément GE à seuil ou indicateur de valeur limite qui assure la surveillance de la valeur réelle du courant et qui, lorsque celui-ci passe au-dessus ou au-dessous d'un seuil ou valeur limite fixé au moyen du potentiomètreRG, émet un signel et influence le régulateur IR (par l'intermédiaire d'un étage à bascule Z temporisé et d'un interrupteur électronique S),dans le sens d'une limitation de la tension de sortie. Dès que la valeur réelle i du courant passe en dessous de la valeur i g (qui, sur l'élément à seuil GM est réglable par R, ltélément à seuil GM réagit, ainsi qu'un étage temporisé Z éventuellement branché à la sortie de celui-ci. Après écoulement d'un temps d'attente-réglable sur cet élément temporisé, celui-ci commande l'interrupteur S qui impose une limite supérieure à la valeur maximale de la tension de sortie u5t du régulateur. Cette intervention est éliminée dès que la valeur réelle redevient supérieure au seuil réglé i g l'élément à seuil revient alors à son état initial, ce qui a pour effet d'ouvrir de nouveau l'interrup- teur S.Alors, au lieu de la régulation de tension durégu- lateur 'R, c'est de nouveau la régulation de courant qui agit. L'étage temporisé prévu entre l'élément à seuil GM et l'interrupteur S empêche l'établissement d'un régime de mise en et hors circuit en cas de passage très bref de la valeur réelle en dessous du seuil. L'intervention dans le régulateur IR peut être provoquée par élimination de la charge du condensateur de contre réaction C avec la constante de temps déterminé par la résistance Rb, par le transistor de commutation à effet de champ BES dont la conduction est commandée (figure lb) ou encore en établissant une tension de polarisation au moyen de la résistance Rç à l'entrée de limitation de l'amplificateur V, cette tension de polarisation étant appliquée au moyen du transistor de commutation BES dans l'interrupteur S (figure lc). Comme l'interrupteur S, on prévoit de préférence un transistor à effet de champ PET. Une intèrruption du courant traversant le four peut survenir non seulement à l'occasion d'une sortie de l'électrode hors du bain, ou à l'occasion d'une mise en marche, mais existe toujours à chaque fois que le courant alternatif fourni par le convertisseur SR passe par zéro, puisque l'utilisation des thyristors prévua dans le convertisseur SR implique le respect d'un temps de ménagement des thyristors lorsque le courant passe par zéro, ce temps étant au moins égal au temps de désamorçage, et étant de préférence légèrement supérieur.Comme ce temps mort pendant lequel la valeur du courant est nulle nVest pas négligeable devant la durée d'une alternance, il en résulte que des dispositions préventives doivent être prises pour empêcher, pendant ce temps mort, un "emballement" de l'amplificateur contenu dans le régulateur IR et monte en contre réaction par l'élément série RC. Par ailleurs, du fait même de l'existance de la régulation de courant, la tension d'électrode, et par conséquent le courant dans le four, seraient trop importants au déb but de l'alternance suivante, ce qui pourrait présenter des inconvénients pour la charge du four, ou pourrait même déclencher les sécurités contre les surintensités, à la suite de quoi la charge du four pourrait être gâchée si la défaillance de courant se prolongeait. Le comportement esquissé pourrait aussi conduire à une perturbation inadmissible de l'exploitation, mme en cas de fonctionnement du convertisseur de courant. Pour éviter cela, il faut, peu avant les pauses de courant ou au commencement et pendant celles-ci, s'efforcer d'obtenir une décharge (court-circuit) du condensateui C placé dans la branche de contre réaction de l'amplificateur du régulateur IR, ce qui a pour effet que le flanc arrière de chaque alternance décroît avantageusement très rapidement, qu'aucun emballement de l'amplificateur n'est plus possible (par suite d'une telle commande de tension) lors du zéro du courant, et que la recharge du condensateur, au début de l-'alternance- suivante, se fait depuis une tension de charge nulle de ce condensateur, dès que le court-circuit du condensateur est supprimé, la régulation de courant étant alors de nouveau opérante. Cette mesure touchant la commutation et la commande peut être prise e: charge, voire même être introduite, par l'étage de commande qui, de toute façon, doit être présent (voir la figure 2a). L'étage de commande K est , comme cela est recommandé pour de telles installations, commandé par une horloge Ut dont la fréquence peut etre réglée entre 0 et 10 Hz, par exemple au moyen d'ùn potentiel sur le sélecteur de fréquence FW. Une sortie de l'étage de commande E influence le groupe de commande St du convertisseur SR, et indique à celuici, directement ou, comme représenté, par l'intermédiaire d'un amplificateur, IV d'impulsions au moyen des lignes de commande pH et tE, si et quand le groupe de thyristors considéré doit être commandé pour former l'alternance positive ou encore négative du convertisseur SR, et à quels instants et pendant combien de temps doit avoir lieu la pause de courant entre deux alternances conssécutives. Comme les lignes de sortie pH (alternancepositive) et nE (alternance négative) ne peuvent présenter que tour à tour une tension de commande, et comme en outre elles ne fournissent aucune tension de signal pendant la durée des pauses de courant, il en résulte que le critère de commande pour la commutation du régulateur IR à la régulation de tension est ainsi à chaque fois réalisé lorsque la tension de signal disparate sur l'une des deux lignes. Comme représenté, cette condition est contrée par un dispositif indicateur de valeur limite et/ou par un dispositif à porte Ni, qui ne fournit un signal à un interrupteur S que si, et seulement Si le signal de sqrtie disparate sur l'une des deux lignes pH ou nH.Pen- dant ce temps, du fait des conditions imposées susmentionnées, l'autre ligne est à coup sdr exempte de signal. Sous effet de la réponse de l'interrupteur S, le condensateur C dans la branche de contre-réaction de l'amplificateur V du régulateur IR est court-circuité, comme on peut le voir en examinant la figure 2b.Ce court-circuit n'est supprimé que si, après la fin de la pause de courant, il apparat de nouveau, afin de former l'alternance suivante, un signal de commande sur l'au- tre des deux lignes de sortie pH, nE de l'étage de commande K. L' interrupteur S devrait, comme représenté sur la figure 2b, être réalisé sous la forme d'un transistor à effet de champ PET, car le -trajet de conduction de ce type de transistor, lorsqu'il est commandé pour être à l'état passant,est particulièrement peu résistant, exempt de tension de seuil, et indépendant du sens du courant. Les autres modules de la figure 2a correspondent, quant à leur structure et à leur branchement, à ceux de la figure la, le four de fusion 0 étant simplement symbolisé sur la figure 2a, par une charge inductive L et une charge ohmique R. REVEND I CAT IONS 1. Dispositif de commande pour fours électriques de fusion pourvus d'au moins une électrode alimentée à partir du réseau au moyen d'un dispositif convertisseur, constitué e un groupe de commande et un régulateur de cou- monte en amoni; rant,/influencé par la valeur de consigne du courant et par la valeur réelle de ce courant, ce dispositif servant notamment à commander la refusion électrique des métaux sous laitiei électroconducteur et- étant caractérisé par le fait que le régulateur ue courant, réalisé sous la forme d'un régulateur à action proportionnelle et intégrale, est en outre influencé par une grandeur. de coinmane qui, en fonction d'états périodiques ou non, dus au fonctionnement ou à une perturbation, ces états ayant une action néfaste sur le processus de fusion dans le four, remplace, pendant la durée de ces états, la régulation de courant par une régulation de tension qui impose une limite supérieure réglable à la tension de commande du groupe de commande pilotant le convertisseur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la valeur réelle du courant passant dans le four est contrôlée par un dispositif de mesure qui1 en présence de fluctuations de la valeur réelle, déclenche une opération de commutation d'un mode à 11 autre dans le régulateur de courant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la valeur réelle est comparée à une tension de référence au moyen dlun indicateur de valeur limite ou élément à seuil, et par le fait que lorsque la valeur réelle est en dessous du seuil, l'indicateur de valeur de limite commande, éventuellement par l'intermédiaire d'un élément temporisé, un interrupteur'qui fait passer la régulation de courant du régulateur à une régulation de tension. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la grandeur de commande influence des circuits dans le régulateur, cela par l'intermédiaire d'un interrumpteur. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que la grandeur de commande influence des composants se trouvant dans la branche de contre-réaction du régulateur. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'interrupteur est un transistor à effet de champ. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les décroissances périodiques de la valeur réelle (décroissances liées au fonctionnement) qui ont lieu pendant les pauses de courant, sont contrôlées par un dispositif d'interprétation qui, avant, au commencement et pendant la pause de courant shunte le condensateur prévu dans la branche de contre-réaction du régulateur. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le court-circuit du condensateur de contre-réaction se fait au moyen d'un interrupteur qui est commandé par le signal de sortie d'une porte électronique interprétant des tensions de signal pour la commande de la conversion de courant. 9. Dispositif selon la revendiction 8, caractérisé par le fait que la porte électronique est une porte Ni dont les entrées sont raccordées aux lignes de sortie - déterminant la polarité-des alternances du courant de sortie - d'un étage de commande qui, en fonction d'une horloge, détermine la fréquence et la forme du courant, la polarité et la durée des alternances, ainsi que la durée du temps mort entre les alternances du courant d'alimentation du four, et qui influence le groupe de commande du convertisseur,ainsi qu'éventuellement un amplificateur d'impulsions intercalé entre ledit groupe et le convertisseur.