Brevet FR2279250A1 — publié le 19760213

La présente invention concerne les installations d'alimentation à semi-conducteurs et notamment les convertisseurs à haute tension à semi-conducteurs utilisés dans des sous-stations à onduleurs ou à redresseurs des lignes d'énergie. Au cours de la dernière dizaine d'années de grands succès ont été obtenus dans la réalisation des valves à semi-conducteurs (thyristors, diodes) de puissance. A la différence des tubes ioniques les thyristors peuvent fonctionner dans une gamme des températures ambiantes plus étendue, n'exigant aucune maintenance spéciale ; ils ne sont pas affectés d'ur. allumage en retour, consomment une puissance de commande plus faible et sont toujours prêts à l'utilisation. Ces appareils à semiconducteurs supportent le transport et de fortes contraintes mécaniques. La durée de vie des appareils à semi-conducteurs atteint 500000 h et davantage. Ce sont ces propriétés des appareils à semi-conducteurs qui ont permis de les employer largement en premier lieu dans des instal- lations à tensions basse et moyenne. L'exploitation de telles installations a prouvé des qualités techniques élevées des appareils à semi-conducteurs. I1 est évident que les succès obtenus dans la technique des appareils à semi-conducteurs ont permis de les prévoir pour être utilisés dans des convertisseurs HT conçus à une tension de dizaines et de centaines de kilovolts. L'appareil semi-conducteur principal destiné à l'utilisation dans des convertisseurs à haute tension est une valve solide un thyristor. Comme les valeurs nominales des courants et des tensions des thyristors existants et en perspective (réalisables dans un proche avenir) sont notablement inférieures à celles qui sont exigées par une valve branchée sur chaque bras du pont de convertisseur, il n'est possible d'employer les thyristors dans ce but que sous forme de circuits de thyristors connectés en série-parallèle et constituant un bloc. Cependant l'exploitation des circuits à thyristors dans les convertisseurs à haute tension est liée à toute une série de diffi cultés dues aux divergences de caractéristiques dynamiques et statiques de chaque thyristor de puissance telles par exemple que la résistance des thyristors, les durées de déblocage et de blocage, etc. La divergence en caractéristiques amène une répartition irrégulière des courants et des tensions par les thyristors individuels, ce qui est inadmissible dans certains cas au point de vue d'un fonctionnement sûr de ces derniers. Les thyristors supportent de faibles surcharges en courant et en tension ce qui crée aussi des difficultés au cours de l'exploitation d'un convertisseur à semi-conducteur. La valeur de la rapidité d'accroissement du courant et de la tension peut aussi constituer des paramètres critiques d'un thyristor. L'amélioration de la fiabilité de fonctionnement des thyristors en augmentant le nombre de thyristors branchés en sérieparallèle dans un convertisseur à semi-conducteurs n'est pas une solution optimale, car cela entraîne une augmentation du poids, des encombrements, du prix de revient et des pertes de ce convertisseur ; en plus, ce n' est pas toujours qu'on arrive à un but recherché. En vue d'assurer une fiabilité élevée de fonctionnement d'un convertisseur etd'obtenir en même temps sa meilleure efficacité technique et économique on a recours à des dispositifs de protection des thyristors, ces dispositifs réalisant une égalisation ainsi qu'un écrêtage des valeurs des courants et des tensions mis en oeuvre. On connaît un dispositif de protection des thyristors contre un accroissement de tension, ce dispositif étant réalisé sous forme de diviseurs faisant usage de circuits R et RC. Une répartition régulière de la tension provenant de l'extérieur dans les thyristors en série-parallèle fonctionnant dans des régimes statiques est due à un shuntage de chacun des thyristors d'un, circuit à thyristors par des résistances R identiques. Mais cet effet n'est possible que lorsque la résistance R adoptée est inférieure d'un ordre au moins à celle des thyristors présentant la plus grande fuite ce qui provoque une augmentation considérable des pertes. Une égalisation de la tension dans des régimes dynamiques est obtenue en shuntant les thyristors en série-parallele par des circuits RC supplémentaires, (voir par exemple les brevets anglais nO 1 155 749, 1 160 920, 1 176 923, 1 205 693, des Etats-Unis d'Amérique n" 3 423 664, 3 508 135, français nO 496 049, de la République Fédérale d'Allemagne nO 1 095 384, 1 245 501, 1 263 173, suisse au 397 059, suédois nO 217 954, 227 622, 309 805, 321 290, 322 285, japonais nO 9925 publié en 1969). La résistance R (dans le circuit RC) est nécessaire pour limiter la valeur du courant de décharge de la capacité d'un condensateur à travers le thyristor au moment de l'amorçage de celui-ci. La capacité de condensateur est à choisir notablement supérieure à la capacité propre du thyristor. Les circuits RC ne protègent pas cependant les thyristors contre une élévation de tension prohibitive, lorsque l'amorçage et le blocage des thyristors ne se passent pas simultanément, car après le branchement d'un circuit la tension amenée se répartit dans une par-tie de thyristors en série ayant la plus grande durée d'amorçage, et après le désamorçage dans les parties de ceux-ci ayant la plus petite durée de restitution de la rigidité diélectrique. De ce fait, l'application des circuits RC n'exclut pas la nécessité d'une sélection des thyristors ayant une durée de commutation identique. Les circuits RC n'assurent pas non plus une protection des thyristors en cas de surtensions extérieures dans un convertissueur, puisqu'ils ne limitent pas l'accroissement de la tension dans le circuit à thyristors en entier, ni dans des thyristors séparés. La protection est alors réalisée à l'aide d'un éclateur de convertisseur. Les dispersions des durées et des tensions relatives au fonctionnement des éclateurs à haute tension obligent d'appliquer des circuits à thyristors présentant une marge de tension, c'est-à-dire d'appliquer un plus grand- nombre de thyristors en série ce qui amène une augmentation du prix de revient, des encombrements du convertisseur ainsi que des pertes dans ce dernier. On connaît aussi un dispositif à thyristors en série parallèle limitant la tension au moyen de circuits supplémentaires formés par des diodes à avalanche en tête-bêche-série, (voir par exemple les brevets de Crande-Bretagne nO 1 179 605, France nO 1 541 367, Suisse nO 492 334. On connais aussi un convertisseur à semi-conducteurs des firmes AEG, Siemens, BBC (voir Brown Boveri Mitteilungen)l969, 56 nO 2 "Thyristorstromrichter iBr 100 kV Brückengleich spannung" où un circuit à cellules de thyristors composées de deux thyristors en parallèle est protégé à-l'aide d'un circuit supplémentaire constitué par des diodes à avalanche connectées en tête-beche-série. Le convertisseur susindiqué est adopté pour l'art antérieur relativement à la présente invention. Dans ce convertisseur des circuits formés par des diodes à avalanche n'assurent pas une répartition régulière de la tension entre les thyristors en série, mais ils limitent seulement l'irregularité de cette répartition. Les diodes à avalanche en tête-bêche constituant 1 éléments connectés en parallèle avec les thyristors à protéger limitent les tensions de ceux-ci à la valeur de la tension de claquage d'une diode à avalanche, cette valeur étant choisie inférieure à la tension de coude sur la caractéristique courant-tension des thyristors. Grâce à cette connexion en tête-bêche-série des diodes à avalanche une limitation est réalisable pour les deux polarités de tension dans un circuit à thyristor. La tension dans les thyristors se trouve aussi liudtée lors des commutations des bras du pont triphasé du convertisseur Il est à noter que l'application des diodes à avalanche au lieu des circuits RC diminue la probabilité de détérioration des ttyris- tors étant donné une variation éventuelle de leur résistance au raire de l'exploitation. Ainsi, les diodes à avalanche réalisent une limitation de la tension des thyristors dans les conditions d'exploitation normales des régimes statiques lorsque les tensions directe et inverse sont appliquées au circuit à thyristors et que du fait de résistancesdiffi- rentes des thyristors (à l'état désamorcé) cette tension ne se répartit pas régulièrement sur le circuit : après l'amorçage du circuit à thyristors, du fait d'une dispersion des durées d'amorçage, une tension directe s'applique aux thyristors en retard ; après le désamorçage di circuit à thyristors, du fait d'une dispersion des durées de désamorçage des thyristors, une tension inverse s'applique tout d'abord aux thyristors ayant la moindre durée de désamorçage.Cependant la protection des thyristors faisant partie d'un convertisseur, contre une surtension, est possible en utilisant des éclateurs et en adoptant un nombre de thyris- tors en série conformément à la plus grande tension de claquage de l'Ecla- tueur, cela veut dire que la fiabilité du convertisseur est obtenue En augmentant ses prix. de revient, poids, encombrements, ainsi que ses pertes de puissance. La présente invention vise à réaliser une protection contre une surtension des thyristors d'un convertisseur à haute tension commandé permettant d'assurer un fonctionnement fiable des thyristors dans des régimes de surtension sans augmenter leur nombre. L'invention est basée sur un nouveau montage du dispositif de protection des thyristors dans un convertisseur à haute tension coandé, contre des surtensions, ce montage permettant d'étendre le domaine de son application sur des lignes à haute tension à courant continu. Cela est assuré par le fait que dans ce dispositif de protection des thyristors à haute tension.d'un convertisseur à haute tension commandé, contre des surtensions, constitué au moins par deux circuits identiques comprenant des thyristors en série dont chacun est en parallèle avec un circuit supplémentaire comprenant au moins un élément constitué de deux diodes à avalanche en tête-bêche-s8rie, I'écla- teur est commandé par des signaux à partir d'un transmetteur de courant, l'entrée de celui-ci étant en série avec le circuit supplémentaire mentionné. I1 est avantageux de doter le bloc de commande dudit éclateur d'un organe d'intégration du courant à l'entrée duquel est connectee la sortie du transmetteur de courant. Il est aussi avantageux de brancher, en série avec le circuit de ltéclateur commandé, au moins un éclateur non commandé, chaque paire d'électrodes adjacentes et reliées électriquement des éclateurs, commandés et non commandés, étant branchée par une résistance de couplage sur deux anodes (cathodes) liées électriquement des diodes à avalanche faisant partie de deux au moins éléments adjacents du circuit supplé dentaire Il est aussi avantageux d'insérer au moins une seule diode à avalanche dans le circuit d'une seule cellule à thyristors et dans un seul élément respectif du circuit supplémentaire. Le dispositif permet de limiter les amplitudes des surtensions dans un circuit formé par des cellules à thyristors en série à des valeurs de tensions admises et assure un fonctionnement sélectif de l'éclateur commandé suivant la valeur de la surtension qui agit. Dans le dispositif selon l'invention le choix du nombre nécessaire des cellules de thyristors se fait suivant l'amplitude de la tension de service agissant sur le circuit de cellules de thyristors et non pas suivant le niveau de surtensions admises ce qui donne la posai- bilité de réduire le nombre de cellules de thyristors dans le circuit et donc le prix de revient, le poids, les encoEbrenents d'un convertissueur, ainsi que les pertes en puissance dans ce dernier. Le dispositif selon la présente invention a subi avec succès des essais dans l'industrie, où il a assuré une protection efficace contre les surtensions des thyristors d'un convertisseur à haute tension commandé installé dans une ligne d'énergie à haute tension à courant continu de 100 kV, 150 A. Le dispositif a assuré un fonctionnement sûr des thyristors du convertisseur triphasé en pont, à des régimes transitoires et d'avarie, en cas de surtensions dont l'amplitude était deux et trois fois supérieure à celle de la tension de service. L'invention est expliquée à l'aide de la description détaillée qui va suivre en se référant aux dessins annexEs, où s'utilise une terminologie spécifique concrète ; l'invention n'est pas cependant limitée aux termes adoptés, puisque chaque terme couvre tous les éléments fonctionnant de la même façon et utilisés en vue de résoudre les mêmes problèmes, que ceux résolus par l'invention. Ainsi,par par exemple, on entend par un thyristor, celui à amorçage commandé ainsi que celui à amorçage et à désamorçage commandés, c 'est-à-dire un thyristor complètement commandé. I1 faut entendre par une cellule un seul thyristor ou plusieurs thyristors en parallèle. Par un transmetteur de courant on doit entendre un transformateur de courant ou un autre type de réalisation du transmetteur de courant. D'autres objets et avantages de la présente invention ressortent de la description et des dessins dans lesquels - la figure 1 représente le schéma structurel électrique du dispositif de protection contre des surtensions du circuit de cellules à thyristors d'un convertisseur à haute tension commandé, ces cellules étant formées dans cette version. de réalisation par un seul thyristor associé à l'utilisation d'un seul éclateur commandé ; - la figure 2 représente le schéma structurel électrique du dispositif de protection contre des surtensions conformément à la figure 1, mais faisant usage d'un éclateur à électrodes multiples commandé - la figure 3 représente le schéma structurel électrique du dispositif de protection contre des surtensions conformément à la figure 1; dans les cellules à thyristors et dans les éléments de circuit formés de diodes à avalanche connectées en tête-bêche-série sont branchées des diodes à avalanche complémentaires. Le dispositif de protection contre des surtensions des thyristors d'un convertisseur à haute tension selon l'invention est branché sur chaque bras du convertisseur triphasé et comprend un circuit 1 (figure 1) de cellules à thyristors en série 2a-2n; en parallèle sur chaque-cellule de thyristors 2a-2n est branché un circuit supplémentaire 3 constitué des éléments dont chacun est composé de deux diodes à avalanche 4a-5n,5a-5n connectées en tête-bêche-sé Un éclateur commandé 8 est branché par ses bornes 6,7 en parallèle avec les circuits 1,3. En série avec le circuit 3 est connectée l'entrée d'un transsetteur de courant 9 représentant le primaire d'un trangforeateur de courant dont le secondaire est relié à l'entrée d'un organe intégrateur 10 de courant du bloc de commande Il de l'éclateur 8. L'organe intégrateur 10 est constitué par un redressuer 12 à diodes 13-16. La sortie du redresseur 12 est reliée à un condensateur de charge 17 par une résistance -18. Une résistance 19 est en parallèle avec le condensateur 17. La sortie de l'organe intégrateur 10 est reliée à I'électrode de commande d'un thyristor 20 à travers une diode 21 de découplage,un dynistor 22 et une résistance de limitation 23, ainsi qu'à la cathode du thyristor 20. Â la cathode de La diode 21 et à l'anode de dynistor 22 est branchée la cathode d'une diode 24, et à l'anode de la diode 24 est relié un circuit constitué par un condensateur 25 et un stabilovoît 26, branchés en parallèle, l'anode de celui-ci et l'armature libre du condensateur 25 étant reliées à la cathode du thyristor 20, une source de tension continue 27 étant branchée en parallèle avec le stabilovolt 26. Le thyristor 20 est inséré dans un circuit composé d'un primaire 28, d'un transformateur d'impulsions 29 et d'un condensateur 30, auquel, par une résistance 31,est connectée une source de tension continue 32. Un secondaire 33 du transformateur d'impulsions 29 est branché sur la sortie principale 17 et sur l'électrode d'allumage de 1'éclateur commandé 8. Dans les conditions de fonctionnewent noria les du convertisseur la tension dans le circuit 1 à thyristors ne dépasse pas la valeur de la tension totale du claquage par avalanche des diodes conduisant dans le même sens 4a-4n ou 5a-5n (suivant la polarité de tension agissant sur le circuit) et par conséquent il est impossible que toutes les diodes conduisant dans ie même sens soient amenées à un tat correspondant à la portion d'avalanche de leurs caractéristiques. Le courant circulant dansle primaire du transformateur (transmetteur 9) est alors un courant de fuite des diodes à avalanche et il est insuffisant pour asservir dans le bloc îl le signal d'amorçage de l'éc:la- teur 8. Des surtensions surgissant dans le convertisseur, la tension dans le circuit à thyristors s'accroît jusqu'à la valeur de la tension totale du claquage par avalanche des diodes 4a-4n ou 5a-5n, après quoi le fonctionnement de toutes les diodes conduisant dans le même sens amenées à l'état correspondant à la portion d'avalanche de leurs caractéristiques et la tension dans le circuit 1 cesse de s'accrottre. ?ar le circuit 3 à diodes à avalanche commence à passer un courant d'avarie dont l'amplitude et la-durée sont fonction des paramètres électriques du convertisseur, et du genre de panne, et dont la valeur peut valoir des dizaines et des centdlnes d'ampères. Le dispositif de protection est capable de limiter la tension dans le circuit 1 à thyristors et dans chacun des thyristors 2a-2n dans des régimes de surtensions jusqu'à ce que l'énergie fournie par les diodes à avalanche 4a-4n ou 5a-5n ne dépasse les valeurs admises ou que le courant parcourant les diodes à avalanche n'atteigne les valeurs prohibitives. Le bloc 11 asservit alors un signal commaiidant le fonctionnement de l'éclateur 8, celui-ci supprimant complètement ou en partie la tension dans le circuit 1 à thyristors. Comme la tension de claquage des diodes à avalanche du circuit 3 peut etre considérée inchangée en première approximation, l'énergie fournie par une diode sur la caractéristique correspondant à son claquage par ava lanche est proportionnelle à l'intégrale de courant circulant dans ces dior" clest-à-dire à la quantité d'électricité passant par le circuit 3. Le bloc 11 compare régulièrement l'énergie délivréc par le circuit 3 avec la valeur admise. Dans ce but le bloc 11 est doté d'un organe 10 réalisant périodiquement une intégrazion du courant dans le circuit 3. Cette intégration s'effectue à l'aide du condensateur de charge 17 qui se charge à travers un redresseur en pont 12 à diodes 13-16 par le courant issu du circuit 3 et amené à l'entrée de l'organe 10 d'intégration à partir du secondaire du transformateur de courant (transmetteur 9). La tension dans le condensateur 17 est proportionnelle à l'énergie fournie par le circuit 3. La tension de réglage est déterminée par la vaLeur de la tension de commutation du dynistor 22. La tension dans le condensateur. et la résistance 18 atteignant la valeur de la tension de commutation du dynistor 22, celui-ci se débloque et constitue un circuit de décharge pour le condensateur auxiliaire 25, préalablement chargé à partir de la source 27. Les circuits des condensateurs 17 et 25 sont isolés par les diodes 21 et 24. La tension dans le condensateur 25 est stabilisée par le stabilovolt 26, la valeur de cette tension étant notablement inférieure à la tension de comrmtation du dynistor 22. La décharge du condensateur 25 forme une impulsion qui amorce le thyristor 20 à travers la diode de découplage 22 et la résistance de limitation 23. L'amorçage -du thyristor 20 provoque une décharge du condensateur 30 préalablement chargé à partir de la source 32 par la résistance 31.La décharge du condensateur 30 passe par le primaire 28 du transformateur d'impulsions élévateur 29 dont le secondaire 33 est raccordé à l'electrode d'allumage 34 et à la sortie prlncipale 7 de ltéclateur 8. Le bloc de commande 11 est accordé de façon à assurer la commutation du dynistor 22 ou bien en cas de débit d'une énergie maximale admise dans le circuit 3, ou bien en cas d'un dépassement de courte durée par le courant circulant dans les diodes à avalanche du circuit 3 d'une certaine valeur fixe ce qui permettra d'empêcher une détérioration des diodes à avalanche par suite de courants excessifs. La résistance 18 dans le circuit intégrateur 10 sert à établir un régime de coupure de courant et la résistance 19 à effectuer une décharge périodique du condensateur 17. Lorsqu'en cas de surtensions dans le convertisseur l'énergie dissipée par les diodes du circuit 3 ne dépasse pas la valeur admise et que le courant reste inférieur à h valeur de "coupure", l'éclateur 8 ne fonctionne pas. L'effet protecteur du dispositif se réduit alors à une limitation de la surtension dans le circuit 1 à thyristors à la valeur admise de la tension de claquage totale des diodes à avalanche du circuit -3. En effet, de telles surtensions concernent pratiquement toutes les surtensions dues à des défauts affectant le convertisseur lui-rpêate. Cependant les surtensions n'apparaissant pas toujours par suite de défauts des lignes d'énergie (lorsqu'un redresseur, par exemple, se trouve mis en circuit avec un onduleur bloqué) ou par suite de surtensions dans le système à courant alternatif (les transformateurs de puissance fonctionnant par exemple, dans un régime à vide) peuvent être limitées au moyen du dispositif décrit, car l'énergie d'une source de surtensions peut dépasser celle dissipée par le circuit 3 à diodes. Le bloc 11 élabore alors un signal commandant le fonctionnement de l'éclateur 8. Le fonctionnement de l'éclateur commandé prouve dans ce cas un bon fonctionnement du dispositif de protection. il est recommandé d'utiliser le dispositif proposé (figure 1) dans les convertisseurs délivrant une tension de l'ordre de 100 kV avec l'amplitude identique des tensions des deux polarités appliquées aux circuits à thyristors. Dans les convertisseurs débitant une tension supérieure à 100 kV, il est avantageux d'appliquer un dispositif de protection utilisant un éclateur à électrodes multiples commandé 35 (figure 2) composé de l'éclateur commandé 8, en série avec un ou plusieurs (suivant la valeur de la tension du convertisseur) éclateurs non commandés 36 (la figure 2 ne représente qu'un seul éclateur non commandé), chaque paire d'électrodes adjacentes, liées électriquement, des éclateurs 8 et 36 étant connectée par une résistance de couplage 37 à deux anodes (cathodes), électriquement liées, des diodes à avalanche d'au moins deux éléments consécutifs du circuit 3. La valeur de la tension de claquage des diodes à avalanche, conduisant dans le même sens et shuntant l'intervalle de décharge, doit être inférieure à la tension de claquage relative à cet intervalle en l'absence d'allumage de l'éclateur 8. Une fixation précise de la tension maximale dans les intervalles de décharge, réalisée en connectant en parallèle les circuits à diodes à avalanche, contribue à un accroissement du facteur de multiplicité du fonctionnement de l'éclateur suivant la tension. Un claquage alternatif des intervalles interélectrodes d'un éclateur, après un claquage des électrodes d'allumage, réduit le temps de réponse et améliore la sécurité du fonctionnement. Pour des convertisseurs ou L'amplitude de la tension inverse dans les circuits à thyristors dépasse celle de la tension directe (par exemple, pour des convertisseurs à un seul pont de faible puissance) il est avantageux de compléter les circuits 1,3 à thyristors et à diodes à avalanche protectrices de diodes à avalanche 38a-38m et 39a-39m (figure 3). Une telle disposition permet de réduire le nombre nécessaire de cellules à thyristors en série dans le circuit à thyristors. Le nombre de cellules à thyristors avec desdiodes à avalanche supplémentaires est fonction du rapport d'amplitude des tensions directe et inverse à l'entrée desdits circuits. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection contre une surtension des tnyriStuts d'un convertisseur à haute tension, commandé, destiné par exemple à l'usage dans des lignes d'énergie à courant continu, comprenant au moins deux circuits identiques composés de cellules à thyristors en série, chacune de celles-ci ayant en parallèle au moins un circuit supplémentaire limitant la tension dans les cellules à thyristors et constituée au moins par un seul élément à deux diodes à avalanche en tete-beche-série et au moins un éclateur, ce dispositif étant caractérisé en ce que l'éclateur est commandé par les signaux e provenance d'un transmetteur de courant, l'entrée de celui-ci étant branchée su-r ledit circuit supplémentaire. 2. Dispositif de protection contre une surtension des thyristors d'un convertisseur à haute tension commandé, selon la revendication I, caractérisé en ce que le bloc de commande dudit éclateur est: muni d'un organe d'in tégration de courant à l'entrée duquel est branchée la sortie du transmetteur de courant. 3. Dispositif de protection contre une surtension des thyristors d'un convertisseur à haute tension commandé, selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que le circuit de l'éclateur commandé comprend au moins un éclateur non commandé en série, chaque paire d'électrodes adjacentes, électro quement liées des deux éclateurs, étant connectée par une résistance de cou~ plage à deux anodes (cathodes), électriquement liées des diodes à avalanche de deux au moins éléments consécutifs du circuit. 4. Dispositif de protection contre une surtension des thyris t~irB d'un convertisseur à haute tension commandé selon les revendications I ou 2, caractérisé en ce que le circuit formé au moins par une seule cellule à thyristors et par un élément respectif d'un circuit supplémentaire comprend au moins une seule diode à avalanche.