Brevet FR2251943A1 — publié le 19750613

- La présente invention concerne les ensembles transformateurs-redresseurs organisés pour éliminer ltondulation résiduelle de la tension redressée et les harmoniques de courant renvoyés sur le réseau triphasé d'alimentation par les diodes et les thyristors, ou pour eliminer les harmoniques de la tension alternative triphasée lorsqu'ils fonctionnent en onduleurs autonomes. - Dans les dispositifs connus de ce genre, les transformateurs de tension associés aux redresseurs ou aux onduleurs sont de constitution symétrique, ltélimination des harmoniques créés sur le réseau à courant alternatif étant effectuée en multipliant, au niveau du transformateur, le nombre des phases en présence.Ainsi pour obtenir une tension redressée d'ordre 12 et simultanément éliminer jusqu'au rang Il les harmoniques de courant réinjectés sur le réseau par un ensemble redresseur, on utilise en général un montage dodécaphasé cons titubé d'un transformateur à 2 secondaires, l'un couplé en étoilez et l'autre en "triangle", chacun d'eux alimentant un pont de diodes triphasé ; ou on peut utiliser encore, pour les fortes intensités redressées, deux transformateurs distincts alimentant chacun un montage "double étoile avec un décalage approprié des phases des tensions en présence.L'un et ltautre de ces dispositifs ont l2inconvénient de de nécessiter en aval des redresseurs, la mise en oeuvre de "bobines d'absorption, désignes également sous le vocable de "transformateurs interphases", pour assurer le débit simultané des différentes voies de redressement disposées en parallèle. De la même manière, les transformateurs associés aux onduleurs autonomes triphasés sont en général de constitution symétrique, l'élimination des harmoniques 5 et T de la composante alternative sinusoidale de la tension étant opérée par la mise en oeuvre de filtres importants ou de montages plus complexes où sont associés plusieurs enroulements secondaires suivant des rapports de transformation appropriés. - Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients il permet en effet d'aboutir à des résultats analogues (ondulation résiduelle d'ordre 12 de la tension redressée, absence d1harmoniques de rangs 5 et 7 dans le courant alternatif triphasé d'alimentation) en évitant l'emploi de filtres pour l'élimination des harmoniques 5 et 7 du courant alternatif et en évitant par ailleurs, dans la plupart des cas, la mise en oeuvre de "bobine d'absorp tion". - Le dispositif objet de l'invention met en oeuvre un montage comprenant un transformateur et un redresseur considéré par exemple dans le cas où il est constitué de diodes. Le transformateur comporte, conformement à la figure n 1, des enroulements primaires symétriques, couplés indifféremment par exemple en "triangle" ou en nétoile", et des enroulements secondaires ayant une extrémité reliée à une borne commune O et dont les autres extrémités -soit A, B, C, D, E, F- délivrent un système de 6 tensions alternatives sinusoldales qui, rapportées au point neutre 0 du secondaire du transformateur, s'expriment en valeurs instantanées comme suit, en fonction de la pulsation tordu courant d'alimentation du système, du temps t et de l'amplitude V de la tension en A VA = V cos # t VC = V cos (wt - 21T) 3 VE = V cos (bt - 41r) 3 il faut remarquer que ces tensions constituent deux sous-systèmes de tensions triphasées symétriques, l'un d'amplitude V, l'autre d'amplitude V ( - 1), en opposition de phase l'un par rapport à l'autre. Si les extrémités A, 3, C, D, E, F des enroulements secondaires du transformateur sont, conformément à la figure n 1, reliées à un ensemble redresseur à double voie (pont de Graetz), on recueille une tension redressée qui est la différence à chaque instant entre la tension la plus positive et la tension la plus négative, rapportées au point 0. A partir de la figure nô 2, sur laquelle est portée la variation en fonction du temps de chacune des tensions exprimées ci-dessus, on peut vérifier que la tension redressée délivre par le montage est constituée d'une composante continue et d'une ondulation résiduelle d'ordre 12 dont le taux d'ondulation est voisin de 1,7 %.La composante continue de la tension redressée, soit U peut stexprimer comme suit en fonction de la tension V: Ces caractéristiques sont obtenues sans mettre en oeuvre de "bobine d'ab sorption" . Compte tenu de ce qui précède, le courant I débité par le système peut outre considéré comme constant, à une faible ondulation résiduelle près, négligeable ; ainsi chacun des enroulements secondaires précités débite le courant continu I pendant un intervalle de temps qui peut outre déterminé à partir du diagramme de la figure n0 2. La circulation du courant I dans les différents enroulements secondaires en présence entratne dans chacun des noyaux magnétiques du transformateur la création d'Ampères-tours variant dans le temps Suivant la représentation de la figure no 3, et qui est dépourvuede composantes harmoniques de rangs 5 et 7 ainsi qui apparaît après un développement en série de Fourrier. Ainsi les enroulements primaires symétriques qui embrassent de tels flux ne sont-ils eux-mêmes le siège d'aucune tension harmonique induite de rang 5 ou de rang 7, en conséquence de quoi aucun courant harmonique de rang 5 ou de rang 7 nlest-il réinjecté sur le réseau primaire d'alimentation ; ceci constitue une autre propriété remarquable de cet ensemble trensformeteur-redrasseur par rapport aux montages conventionnels. Les dispositifs décrits ci-dessus mettent en oeuvre, au secondaire du Transformateur, des enroulements disposés en "étoile" à partir d'un point commun 0 : ltévaluation du du "coefficient d'utilisation de ces enroulements, c'est-à-dire de la puissance électrique du courant redressé rapportée à la puissance du courant efficace pour lequel ils sont dimensionnés, conduit à un coefficient de 0,80. Afin d'améliorer le coefficient d'utilisation des enroulements secondaires du transformateur on peut rechercher d'autres dispositions de bobinages, toutes choses égales d'ailleurs pour les valeurs des tensions délivrées au redresseur telles qu'elles ont été exprimées ci-dessus. Ces variantes sont caractérisées essentiellement par la mise'en oeuvre d'enroulements secondaires disposés électriquement en série de manière à constituer un couplage polygonal fermé slap- puyant sur les points A, B, C, D, E, F déjà définis ci-dessus. Dans une première variante, conformément à la figure n0 4, le contour hexagonal ABCDEF est équilatéral et ses angles internes -exprimés en radianssont égaux alternativement à TI et 5Tr . Une telle disposition peut être obtenue par la mise en oeuvre de 2 transformateurs distincts, dont les enroulements primaires sont respectivement couplés en "étoile" pour l'un et "triangle" pour l'autre, et dont les enroulements secondaires de l'un, soit AB, Cfi, EF, sont raccordés aux extrémités des enroulements secondaires BC, DE, FA de l'autre, afin de constituer le couplage hexagonal ABCDEF sus-désigné ; les bornes A, B, C, D, E, F sont, par ailleurs, reliées au redresseur à double voie comme décrit antérieurement. Ce dispositif, qui met en oeuvre 2 transformateurs triphasés associés au même redresseur mais ne nécessite pas de bobine d'absorption", se caracterise par un coefficient d'utilisation des enroulements secondaires égal à 0,93. Dans une seconde variante, un seul transformateur triphasé est mis en oeuvre, les tensions BC, fiE, FA, en quadrature respectivement avec les tensions AB, CD, EF, étant obtenues par l'appoint d'enroulements complémentaires bobinés sur les noyaux magnétiques appropriés du transformateur conformément à la figure nu 5, soit successivement BB' et B'C pour réaliser la liaison BC SD' et D'E pour réaliser la liaison DE WFt et 'h pour réaliser la liaison FB, Ces enroulements complémentaires ont des nombres de spires identiques et yui dans le rapport de 1 à 6 avec les nombres de spires des enroulements AB, CD et gF avec lesquels ils sont couplés électriquement en série, conformément aux dispositions de la figure nO 5 ; sur celle-ci apparaissent les bornes A, BX C, D, E, F à partir desquelles est alimenté le redresseur à double voie dans les mimes conditions que celles qui ont été définies antérieurement. Le coefficient d'utilisation des enroulements secondaires du transformateur dans cette variante de construction est sensiblement de 0,87. Dans les deux variantes du dispositif présentées ci-dessus il faut remarquer à nouveau l'absence de "bobine d'absorption" : alors que celle-ci s'avère nécessaire dans les montages conventionnels permettant d'obtenir une tension redressée avec ondulation résiduelle d'ordre 12, les dispositifs décrits cidessus en sont dépourvus, ce qui constitue une de leurs propriétés remarqua- bles et rend tout à fait admissibles les valeurs des coefficients d'utilisation obtenues en comparaison des caractéristiques propres aux montages classiques, du type "tri-hexaphasé parallèle" par exemple. La tension redressée délivrée par les montages décrits ci-dessus peut outre rendue ajustable à condition que les éléments redresseurs utilisés soient des thyristors au lieu des diodes. Si les durées de conduction des thyristors sont identiques à celles des diodes des montages décrits pr8cédemment, les mises en conduction se succédant également dans le meme ordre, on recueille en aval du redresseur une tension redressée dont la valeur moyenne est variable en fonction de l'instant d'allumage des thyristors ; la tension redressée comporte en outre une ondulation résidielle d'ordre 12, comme indiqué par exemple sur la figure n 6 représentée dans le cas où l'allumage des thyristors s'effectue avec un retard de 1/12ième de période par rapport à la mise en conduction naturelle des diodes précitées. Les mimes montages peuvent être utilisés en onduleurs si à l'inverse ils sont alimentés sous une tension continue au niveau des enroulements secondaires au travers d'un ensemble redresseur constitué également de thyristors. Si la mise en conduction et l'extinction de ces thyristors est réalisée suivant un cycle approprié, on peut recueillir une tension triphasée équilibrée aux bornes des enroulements primaires symétriques du transformateur. L'analyse des flux en présence dans chacune des colonnes du transformateur montre que l'onde de tension alternative triphasée délivrée au niveau des enroulements primaires du transformateur est dépourvue de composantes harmoniques de rangs 5 et 7.Le système, fonctionnant en onduleur autonome, présente ainsi un faible taux d'harmoniques résiduels de la tension fondamentale, qui ne se manifestent qu'à partir du rang 11 seulement avec des taux, négligeables. Les dispositifs décrits ci-dessus ne sont pas applicables lorsque ltinten- sité du courant au travers des redresseurs est élevée ; en effet, les pertes dans les semi-conducteurs étant importantes, on peut outre conduit, par analogie avec les montages conventionnels et pour améliorer le rendement global du dispositif, à réaliser le rwedressement du courant par plusieurs voies en parallèle. Le montage décrit initialement peut outre organisé en conséquence, suivant les dispositions de la figure nO 7. Sur cette figure, les enroulements secondaires du transformateur constituent 2 sous-ensembles d'enroulements secondaires tels que ceux qui font l'objet du dispositif de la figure nO 1 ; chaque sousensemble d'enroulements est associé à une voie de redressement ; la figure no 7 fait apparaître 2 voies de redressement montées en parallèle par l'intermédiaire d'une "bobine d'absorption". Cet ensemble de redressement à simples voies ne renvoie vers le réseau triphasé d'alimentation aucun harmonique d'ordre 5 ou 7, comme la montre l'analyse harmonique des flux qui embrassent chacun des noyaux magnétiques du transformateur. En outre la tension délivrée par les deux voies de redressement dis posées en parallèle ne présente qu'unie ondulation résiduelle d'ordre 12, dont le taux est inférieur à 2 46. La tension redressée moyenne exprimée en fonction du module V de la tension aux bornes de ltenroulement DA a pour valeur 3 VV7 (3 2tr En définitive Itepplication du dispositif, objet de l'invention, aux ensembles de redressement à simple voie permet de réaliser des ensembles aux performances au moins égales à celles des dispositifs conventionnels (ensembles de 2 transformateurs alimentant chacun un montage "double étoile" par exemple) en faisant ltéconomie d'un transformateur et au moins d'une des "bobines d2absorp- tion" associées. - Les dispositifs, objet de l'invention, peuvent etre utilisés dans tous les cas où la conversion statique d'un courant alternatif en courant continu ou d'un courant continu en courant alternatif doit être effectuée avec une ondulation résiduelle minimum de la tension redressée et un faible taux dtharmoniquee sur le réseau alternatif. Les coefficients d'utilisation des enroulements des transformateurs associés aux redresseurs sont du meme ordre de grandeur que ceux des transformateurs symétriques utilisés dans les montages conventionnels ; en outre la suppression des bobines d1absorptionpeut stavérer particulièrement avantageuse. Des applications intéressantes du dispositif peuvent outre trouvées dans ltélectrométallurgie7 l'éleetrolyse, la traction électrique et plus géné- ralement dans la conversion statique de l'énergieélectrique. REVENDICATIONS 1) Ensemble Transformateur-Redresseur à diodes ou à thyristors pour la conversion d'un courant alternatif sinusoldal triphasé en courant continu ou d'un courant continu en courant alternatif triphasé, avec une ondulation résiduelle tordre 12 de la tension redressée et pas d'harmoniques de rangs 5 et 7 injectés sur le réseau alternatif, Caractérisé par la mise en oeuvre d'un Redresseur de courant comportant deux voies de redressement séparées et d'un ensemble Transformateur dont les enroulements primaires sont reliés au réseau alternatif et dont les enroulements secondaires sont reliés au Redresseur, chaque voie de redressement étant alimentée par des tensions constituant deux systèmes symétriques de tensions triphasées, en opposition de phase l'un par rapport à l'autre et dont les amplitudes respectives des tensions sont dans un rapport donné, égal à Ys - 1. 2) Dispositif selon la revendication 1), caractérisé par la mise en oeuvre d'ùn Redresseur à double voie et d'un ensemble Transformateur constitué de deux transformateurs triphasés indépendants dont les enroulements primaires sont disposés en parallèle sur le réseau alternatif et couplés respectivement en "étoile" pour l'un et en "triangle" pour l'autre, et dont les enroulements secondaires sont couplés suivant un montage hexagonal fermé dont les extrémités sont reliées au Redresseur. 3) Dispositif selon la revendication 1), caractérisé par la mise en oeuvre d'un Redresseur à double voie de redressement et d'un ensemble Transformateur constitué d'un unique transformateur triphasé comportant plusieurs enroulements secondaires par phase, constituant un montage polygonal fermé relié au Redresseur. 4) Dispositif selon revendication 1), caractérisé par la mise en oeuvre d'un Redresseur comportant deux voies de redressement du courant2 disposées en parallèle par ltintermédiaire d'une bobine d'absorption, et par la mise en oeuvre d'un ensemble Transformateur constitué d'un transformateur triphasé dont les enroulements secondaires comportent un point commun et délivrent vers chacune des voies de redressement des tensions constituant deux systèmes symétriques triphasés selon la revendication 1).