Brevet FR2219556A1 — publié le 19740920

L'invention a pour objet un système protecteur pour convertisseur capacitif de tension, comportant une charge d'amortissement commutable. I1 est dêja' connu d'utiliser une charge pour l'amortissement des oscillations de relaxation et des oscillations hyposynchrones, dues à la saturation du noyau de fer du convertisseur. Ces oscillations se produisent, à l'occasion d'augmentation aux bornes du convertisseur capacitif, de la tension, par exemple aux enclenchements, à la coupure d'un court-circuit côté secondaire, etc., mais jamais toutefois, lors d'un effondrement de la tension. Uh inconvénient de cette réalisation consiste en ce que les phénomènes transitoires en cas de court-circuit aux bornes côté primaire du convertisseur capacitif de tension, sont donnés par la caractéristique dudit convertisseur capacitif de tension et par sa charge raccordée.Pour assurer de bons phénomènes transitoires, on a jusqu'à présent recommandé de charger aussi faiblement que possible le convertisseur (voir rapport Cigre nO 318 , session de 1960, en partitulier chapitre IV, ainsi que rapport Cigre nO 31-14, session de 1968)o En conséquence de quoi, l'on ne branchait, par exemple, pas la charge d'amortissement ci-dessus mentionnée en permanence, mais elle était seulement raccordée pendant un bref instant, par un dispositif d'enclenchement dès que des oscillations de relaxation ou hyposynchrones se manifestaient.Malgré cette mesure, il se produit des hénomè- nes transitoires qui peuvent agir d'une façon très gênante sur le travail des relais de protection de réseau, en particulier des relais rapides électroniques0 Le but de l'invention est~de réduire, pour un convertisseur capacitif de tension, les phénomènes transitoires gênants, après apparition d'un court-circuit à ses bornes primaires, au moyen d'un montage de protection0 Cette réduction des phénomènes transitoires sera, d'après l'invention, résolue en ce qu'aussi rapidement que possible après un effondrement de tension aux bornes primaires du convertisseur, mais toutefois 5 milliseconnes au plus après cet effondrement de tension, une charge d'amortissement commutable, d'une valeur multiple de la charge nominale du convertisseur, sera branchée sur le transformateur intermédiaire T. I1 est prépondérant que le branchement de la charge d'amortissement sur le transformateur intermédiaire T soit déjà effectué en 1 à 3 millisecondes. Par le montage de protection suivant l'invention, la sécurité d'exploitation de réseau haute tension sera notablement augmentée , les déclenchements intempestifs et les retards à ltencienche- ment du relais de protection de réseau seront évités, I1 est recommandé d'utiliser pour la charge d'amortissement une résistance ohmique et de raccorder cette charge d'amortissement au transformateur intermédiaire T, au moyen d'un triac ou de thyristors montés en antiparallèle. Suivant des exécutions préférées, la conjonction de la charge d'amortissement peut titre déclenchée soit par la chute de tension UL2 dans une inductance auxiliaire L2 montée en série avec le diviseur C1, C2, soit par la chute de tension UR2 dans une résistance R2 montée en série avec un circuit oscillant parallèle L3 C3, accordé sur la valeur nominale de la fréquence du réseau. I1 est également avantageux que la conjonction de la charge d'amortissement soit produite par l'évaluation de la tension sur un condensateur C4 monté en série avec une résistance R3 . Ce circuit série R3 G4 est soumis à la tension Us stabilisé à une valeur constante, au moyen d'une diode Zener.La constante de temps T du circuit série R3 C4 est avantageusement donnée par l'équation Àvec le condensateur C4 est branché en parallèle un transistor d'enclenchement N P N, qui décharge ce condensateur lorsque la tension U2 atteint la valeur instantanée U'2 La tension de commande entre base et émetteur du transistor d'enclenchement est obtenue sous forme de tension continue ondulée et proportionnellement à la tension secondaire U2, par un diviseur de tension R4 R5 et un redresseur en pont, ou par un transformateur à prise médiane et deux redresseurs0 L'émetteur peut être, en plus, soumis à une tension préalable stabilisée UD .Pour diminuer l'influence des oscillations plus élevées que la fréquence du réseau sur les montages de commande assurant l'enclenchement de la charge d'amortissement, sont prévus des moyens, de préférence des circuits de filtres des circuits de blocage ou analogues. On pourra ainsi obtenir les temps les plus courts pour la conjonction de la charge d'amortissement. On divise opportunément la charge d'a- mortissement en plusieurs charges partielles, I1 devient ainsi possible, premièrement de n'obtenir qu'un amortissement correspondant au besoin, et deuxièmement, d'utiliser la mtme charge d'amortissement pour l'amortissement des oscillations de relaxation et hyposynchrone en mettant les charges partielles hors circuit par échelons, et l'on peut ainsi éviter l'amorce de nouveaux phénomènes transistoires indésirables-dus à la coupure de charges d'amortissement trop grandes.On obtxant- une mise hors circuit de la charge d'amortissement particulièrement douce lorsque la dernière charge partielle est constituée par une résistance R7 en série avec un circuit oscil lant parallèle 14 C5, accordé sur la fréquence du réseau0 I1 est recommandé que le condensateur du circuit oscillant parallèle 1405 présente, au moins, la valeur suivante de capacité: Pour la mise hors circuit -des charges partielles, on utilise, d'une façon connue, un ou plusieurs systèmes temporisés, les circuits de charge partielle s'automaintenant fermés jusqu'à ce que les ordres d'ouverture des systèmes temporisés soient donnés.Pour le maintien de l'état enclenché, des éléments d'enclenchement, on utilisera la chute de tension sur une ou plusieurs charges partielles. Suivant une autre configuration , il est avantageux de disposer, comme élément accumulateur pour la première demi-onde, un condensateur C6 et la valeur instantanée de la demi-onde suivante sera retranchée de la tension du condensateur C6 . On formera ainsi la différence des valeurs de crête de deux demi-ondes successives de la tension secondaire U2, et cette différence sera utilisée pour déclencher la conjonction de la charge d'amortissement, de telle fa çon qu'un ordre soit donné dès qu'une demi-onde dépassera, de plus d'une valeur fixée à l'avance, la demi-onde précédente. Un cirait identique est disposé pour chacune des delolarités. Une protection contre les surtensions pour la partie de tension moyenne du convertisseur capacitif de tension peut Titre combinée, Par exemple le condensateur accumulateur C6 peut, lorsqu'apparaissent des surtensions, titre déchargé par un thyristor commandé par la tension U2 . Le courant primaire du transformateur intermédiaire T peut strie combiné avec le montage de telle sorte que la charge d'amortissement est branchée des que ce courant dépasse une valeur donnée.Ceci sera par exemple obtenu en ce que le gondensateur accumulateur C6 sera déchargé par un thyristor lorsqu'on atteindra une valeur fixée à l'avance du courant primaire du transformateur intermédiaire 2. Les dessins représentent des exemples de réalisation du montage suivant l'invention. On voit Fige 1, 2 et 3 - Convertisseurs capacitifs de tension Fig. 4 Une représentation schématique du temps de charge de condensateur C4, de la tension sinusoSdale secondaire U2, et des valeurs limites + U21 du convertis seur capacitif de tension suivant fig.5 Fig. 5 Un circuit de déclenchement du mon tage de protection Fig. 6 Une commande du circuit de protection Fig. 7 Une tension préalable UD, stabilisée par une diode Zener, pour le transistor d'enclenchement S suivant figure 6. NPN Fig. 8 Une partie de la charge d'amortissemeit Fig. 9 Un montage de protection avec conden sateur accumulateur0 Le mode de fonctionnement de l'invention sera expliqué plus en détail dans huit cas d'utilisation, a l'aide des figures 1 à 90 Exemple 1 (voir figure 1) Un convertisseur capacitif de tension, comportant le diviseur capacitif C1, C2 , la bobine de self principale Li , le transformateur intermédiaire T, et sur le~ quel sera, après effondrement de la tension à ses bornes primaires, branchée la charge d'amortissement R1 au moyen du dispositif d'enclenchement X, de préférence un triac. Exemple 2 (voir figure 2) Un convertisseur capacitif de tension, dans lequel la conjonction de la charge dtamortissement ré- sulte de l'évaluation de la chute de tension UL2 dans l'inductance auxiliaire L2 , se trouvant en série avec le diviseur capacitif C1 , C2. Exemple 3 (voir figure 3) Un convertisseur capacitif de tension, dans lequel la conjonction de a charge d'amortissement ré- sulte ae l'évaluation de la chute de tension UR2 dans une résistance R2 en série avec un circuit oscillant parallèle accordé sur la valeur nominale de la fréquence du réseau. Exemple 4 (voir figures 4 et 5) Montre un circuit de déclenchement du montage de protection pour la conjonction de la charge d'amortissement, comportant un condensateur C4 chargé à la tension Uc4 , à partir des bornes de tension d'alimentation continue U5 et d'une résistance R3, à travers laquelle le condensateur C4' ne peut se charger avec la constante de temps T " R3 C4 , que pour autant que la valeur instanta- née de la tension secondaire U2 se trouve entre les valeurs limites + Ut2 , alors que le dépassement de ces limites provoque une décharge immédiate, La figure 4 représente le temps de charge t du condensateur C4, la tension secondaire sinusoEdale U2, et les valeurs limites + Ua du convertisseur capacitif de tension0 Exemple 5 (voir ligure 6) Montre comment le condensateur C4 de l'exemple 4 peut, au moyen d'un transistor d'enclenche- ment PN' et -en fonction de la valeur instantanée de la tension secondaire U2, titre immédiatement déchargé, par l'intermédiaire par exemple, d'un diviseur de tensIon R4 R5 et des redresseurs montés en pont. Exemple 6 (voir figure 7) A partir de l'exemple 5, une tension préalable stabilisée UD est, en supplément, branchée sur l'émetteur du transistor d'enclenchement 8NPN . Cette tension préalable peut, par exemple, être créée à partir de la tension secondaire U2, par l'intermédiaire d'un transformateur auxiliaire T4, d'un montage en pont de redresseurs, et d'une résistance en tête R6,sur une diode Zener D. Exemple 7 (voir figure 8) Représente la partie de la charge d'amortissement composée du circuit oscillant parallèle L4C5 et de la résistance montée en série R7, et qui sera opportunément coupée comme dernier étage. I1 est possible pour ceci d'utiliser des composants identiques à ceux de la figure 3. Exemple 8 (voir figure 9) Explique un montage de protection avec condensateur accumulateur pour la première demi-onde de la tension secondaire U2. La demi-onde suivante crée alors une chute de tension dans la résistance ohmique R8. La tension différentielleU(6 - R8) entre la tension au condensateur C6 et la valeur instantanée de la tension, sur-la résistance R6, sera utilisée pour le déclenchement de la conjonction de la charge d'amortissement. L'objet de l'invention s'applique à tous les convertisseurs de tension capacitifs indépendamment du diviseur capacitif C1 C2 ou du condensateur haute tension ou C1. Pour le diviseur de tension C1 C2, / pour le condensateur haute tension C1. On peut employer par exemple des condensateurs de liaison des cables, des convertisseurs de courant, des barres, etc. Liste des repères utilisés U1 tension primaire du convertisseur capacitif U2 Tension secondaire du convertisseur capacitif U'2 Valeur limite de U2, pour laquelle la charge du conden sateur C4 sera commencée ou terminée Tension stabilisée appliquée au préalable, à l'émetteur d'un transistor Us Tension stabilisée d'alimentation du circuit série R3C4 UL2 Chute de tension dans l'inductance auxiliaire L2 ULmin Tension minimale de charge du condensateur C4 permettant le déclenchement du circuit d'enclenchement. UR2 Chute de tension dans la résistance R2 Mc4 Chute de tension au condensateur C4 a Facteur de sécurité b M2 Plus petite tension secondaire pour laquelle le montage doit encore être efficace valeur nominale de la fréquence du réseau C - C1 + C2 Capacité équivalente C1 Condensateur de surtension du diviseur capacitif de tension C2 Condensateur de tension moyenne du diviseur capacitif de tension C3 Condensateur du circuit oscillant parallèle L3C3 C4 Condensateur du circuit série R3C4 5 Condensateur du circuit oscillant parallèle L4C5 de la charge d'amortissement C6 Condensateur accumulateur C1 C2 Diviseur capacitif D Diode mener L Inductance de magnétisation côté primaire du transformateur intermédiaire g L1 Bobine de self principale du convertisseur capacitif de tension L2 Inductance auxiliaire L3 Inductance du circuit oscillant parallèle L3C3 L4 Inductance du circuit oscillant parallèle L4C5 de la charge d'amortissement L3C3 Circuit oscillant parallèle L4C5 Circuit oscillant parallèle de la charge d'amortissment R1 Charge d'amortissement R2 Résistance en série avec le circuit oscillant parallèle L3C3 K3 Résistance en série avec le condensateur C4 ss4R5 Diviseur ohmique de tension R6 Résistance en tête, en série avec la diode Zener R7 Résistance en série avec le circuit oscillant parallèle L4C5 de la charge d'amortissement R8 Résistance ohmique = R3C4 Constante de temps T Transformateur intermédiaire T4 Transformateur auxiliaire üT Rapport de transformation du transformateur intermé diaire T S Système d'enclenchement de la charge d'amortissement, de préférence triac SNPN Transistor d'enclenchement. R n 1-4 D I C T I O N S lo Montage de protection pour convertisseur capacitif de tension comportant une charge commutable d'amortissement, caractérisé en ce qu'aussi rapidement nue possible après un effondrement de tension aux bornes primaires du convertisseur - mais au plus tard 5 millisecondes après cet effondrement de tension - une charge commutable d'amortissement,ayant plusieurs fois la valeur de la charge nominale du convertisseur peut eAtre branchée sur le transformateur intermédiaire T. 2. Montage de protection- selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la charge d'amortissement présente une résistance ohmique de où üT est le rapport de transformation du transformateur inde ce transformateur maire; la capacité équivalente C1 + C2 du diviseur. 3. pontage de protection suivant l'ensem- ble des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la charge d'amortissement est branchée au moyen d'un triae ou de thyristors montés en antiparallèle. 4. Pontage de protection selon l'ensemble des revendications 1 à 3, caractérisé-en ce qu'une inductance auxiliaire L2 est montée en série avec le diviseur capacitif C1 C2, et en ce que la chute de tension U2 dans l'inductance auxiliaire sert d'ordre de déclenchement pour la conjonction de la charge d'amortissement. 5. Montage de protection selon l'ensemble des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour la conjonction-de la charge d'amortissement, un circuit oscillant 13 C3 parallèle, accordé sur la valeur nominale de la fréquence du réseau, présente une résistance R2 montée en série, la chute de tension UR2 dans cette résistance servant au déclenchement. 6. Hontage de protection selon l'ensemble des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un condensateur C4 est monté, dont la tension est prévue pour la conjonction de la charre d'amortissement, la charge du condensataur C4 ayant lieu par l'intermédiaire d'une résistance R3 avec une constante de temps t = R3 C4, tant que la valeur instantanée de la tension secondaire U2 se trouve entre les limites de valeurs ± U'@ 7o Montage de protection suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la tension Us d'alimentation du circuit R3 C4 est stabilisée à une valeur constante, au moydn d'une diode Zener. 8. Montage de protection selon l'ensemble des revendiaations 6 et 7, caractérisé en ce que se produit une décharge immédiate du condensateur C4 , lors du dépassement des limites de valeur + U'2 9. Montage de protection selon l'ensemble des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la constante de temps ) du circuit série R3 C4 , peut entre représentée par l'équation dans laquelle on a a le facteur de sécurité, b U2 la plus petite tension secondaire, pour laquelle le montage doit être effìzace, U2 La valeur nominale de la tension sxcondaire du con vertisseur, U'2 la valeur limite de la valeur instantanée de la tension secondaire U2, pour laquelle la charge du condensateur C8 est commencée ou terminée, Us La tension stabilisée d'alimentation du circuit série R3 C4 min La tension minimale de charge du condensateur C4 rendant possible le déclenchement du circuit d'enclenchement, et f n la valeur nominale de la fréqudnce de réseau du con vertisseur. 10. Montage de protection selon l'ensemble des revendications 6 à 9 caractérisé en ce que, pour la décharge du condensateur C4 lorsqu'est atteinte la valeur instantanée v a tension U, est ont un transistor d'enclenchement r P N N monté e parallèle avec le condensateur C4. 11. montage de protection selon la revendication 10, aractris en ce e pour oDtenir une tension de commande sous orme ce tension continue ondulée et proportionelle à la tension secondaire U2, entre la base et l'émetteur du transistor d'enclenchement, sont montés un diviseur de tension R4 R@ et un redresseur en ont, ou un transformateur à prise médiane avec dieux redresseurs. 12. montage de protection suivant la revendication 11 caractérisé en ce cue l'émetteur est soumis à une tension préalable stabilisée 13 Montage de protection selon ltensem- ble des revendications o à 12, caractérisé en ce que pour af faiolir l'influence des oscillations supérieures à la fréquence du réseau, sur les montages de commande d'enclenchement ae la charte d'amortissement, sont prévus des moyens, de préférence des circuits de filtras, des circuits de blocage et analogues. 14. Montage de protection selon l'ensemble des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que pour l'amortissement des oscillations de relaxations et hyposynchrones du convertisseur se présentant par exemple lors de l'enclenchement de la tension primaire U1 du convertisseur, et/ou lors de l'interruption d'un court-circuit au secondaire, on utilise la même charge d'amortissement. 15. montage de protection selon la revendication 14, caractérisé en ce cue la charge d'amortissement est divisée, d'une façon connue, en plusieurs charges partielles aui seront branchées toutes ensemble lors de l'apparition d'indésirables oscillations de relaxation ou hypersynchrone, et à nouveau coupées avec un échelonnement dans le temps, la dernitre charte partielle tant constituée par un circuit oscillant parallèle L4 5, accordé sur la valeur nominale de la fréquence du réseau. 16. Montage de protection selon la revendication 15 caractérisé en ce qu'une résistance ohmique 7, est branchée en tête du circuit oscillant parallèle L4 C5. 17. Montage de protection selon l'ensem- ble tes revendications 15 et lo, caractérisé en ce que le condensateur C5 du circuit oscillant parallèle L4 C présente au moins la valeur de capacité suivante où üT représente le rapport de transformations du transforma teur intermédiaire T, et O la capacité équivalente C1 + C2 du diviseur. 18. pontage de protection selon l'ensem- ble des revendications 16 et 17 , caractérisé en ce que, pour mettre hors-circuit les charges partielles, sont montées d'une façon connue, un ou plusieurs systèmes temporisés, les circuits de charges partielles s'automaintenant enclenchés, jusqu'à ce l'ordre de mise hors-circuit soit donné par le système temporisé. 19. Nontage de protection selon la revendication 18, caractérisé en coque pour le maintien de l'état d'enclenchement des éléments d'enclenchement, on utilise la chute de tension sur une ou plusieurs charges partielles. 20. Montage de protection selon l'ensemble des revendications 14 à 19, caractérisé en ce qu'on forme la différence des valeurs de crête de deux demi-ondes successives de la tension secondaire U2 , de préférence en montant comme élément d'emmagasinage de la première demi-onde un condensateur C5, la valeur instantanée de la demi-onde suivante étant retranchée de la tension du condensateur C6 et en ce que cette tension différentielle est utilisée pour le déclenchement de la conjonction des charges d'amortissement de telle sorte qu'un ordre de déclenchement soit donné dès qu'une demi-onde dépasse la demi-onde précédente de plus qu'une valeur fixée à l'avance. 21. Montage de protection selon la revendication 20 caradtérisé en ce qu'un circuit identique est prévu pour chacune des deux polarités. 22. pontage de protection selon l'ensemble des revendications 20 et 21 caractérisé en ce qu'une protection contre les suttensions pour la partie moyenne tension du convertisseur capacitif de tension est combinée avec le montage de protection. 23. Montage de protection, suivant la revendication 22, caractérisé en ce qu'on dispose un thyristor commencé par la tension U2, pour décharger le condensateur accumulateur C6. 24. Montage de protection selon l'ensemble des revendications 20 à 23, caractérisé en ce que lors du dépas@ ment d'une valeur, fixée à l'avance, du courant primaire du transformateur intermédiaire T les charges d'amortissement ont mises en circuit. 25. Montage de protection, suivant la revendication 24 caractérisé en ce que pour la décharge du condensateur accumulateur C6, est monté un thyriston commandé par le courant primaire du transformateur intermédiaire T.