Brevet FR2347818A1 — publié le 19771104

L'invention concerne un dispositif servant à faciliter le fonctionnement des onduleurs statiques présentant un couplage capacitif-réactif polyphasé à la charge, ainsi que l'application de ce dispositif. Les onduleurs statiques sont équipés de redresseurs commandés dont 11 extinction après allumage doit être imposée par inversion des piles de la tension d'alimentation à l'anode. Cette commutation est assurée par exemple, dans les onduleurs autoguidés fonctionnant en opposition, par un condensateur prévu dans le circuit oscillant qui détermine la fréquence et sert de charge. Dans les onduleurs à commande indépendante guidés par la charge, cette commutation est assurée également par la capacité de la charge et pour assurer une commutation parfaite dans toutes les conditions de charge, le circuit oscillant de charge, habituellement sous forme de circuit résonnant en série, doit dtre désaccordé capacitivement par rapport à la fréquence engendrée. Cela n'offre pas de difficultés dans bien des cas, où la charge est relativement constante.Dans le cas de charges fortement variables, surtout lorsqu'il est produit dans le plan complexe de grandes variations lors desquelles, par exemple, la charge exerce tantôt une réaction capacitive tantSt une réaction inductive, il faut, en donnant une structure appropriée au circuit résonnant de charge, faire en sorte qu'il subsiste toujours, dans toutes les conditions de charge, un désaccord capacitif relativement à la fréquence de travail. Cependant, il subsiste des difficultés dans le régime transitoire, car au début, l'angle de phase oscille dans une certaine mesure pendant quelques pé- riodes avant de se stabiliser à la valeur prescrite. Par suite de l'oscillation, l'angle capacitif de phase peut alors éventuellement devenir si petit qu'unie commutation guidée par la charge devienne impossible.En pareil cas, pour éviter des dispositifs de démarrage coûteux, il faut que le circuit résonnant de charge présente un désaccord capacitif notable afin que malgré tous ces états qui causent une réaction défavorable de- la charge sur l'onduleur, il puisse démarrer sûrement et rester en action. Mais par suite du désaccord capacitif, il se produit une chute de tension importante dans le circuit résonnant de charge entre l'onduleur et la charge. Les onduleurs à couplage polyphasé à la charge sont connus dans les alimentations en énergie à haute tension et en particulier dans la technique des commandes circulantes. Dans cette dernière, il est usuel d'utiliser des installations dans lesquelles un onduleur muni de soupapes commandées à semiconducteur est relié à des réseaux de préférence triphasés, par l'intermédiaire de circuits de couplage pour chaque phase. Dans le fonctionnement de secours, qui peut être causé par exemple par la défaillance de redresseurs commandés d'un onduleur dans une phase, on peut aussi envisager un couplage à un nombre de phases inférieur à toutes celles du réseau à alimenter. En outre, les installations de commande circulaire fonctionnent sur des charges complexes très variables.Celles-ci ont par exemple au cours de la nuit une autre impédance qu'à midi, lors de la consommation maximale d'énergie ; à ce moment, où beaucoup de circuits de chauffage peuvent être en service, elles réagissent autrement que le matin, où des impédances inductives telles que des moteurs sont branchées, ou le soir où les charges capacitives comme les tubes d'éclairage avec leurs condensateurs prédominent. Les installations de commande circulante doivent avoir un fonctionnement sûr, ctest-à-dire qu'entre autres la commutation des redresseurs commandés des onduleurs doit être efficace même quand la charge nominale dans le plan complexe varie de + 700.En outre, il faut que la mise en service et le fonctionnement des onduleurs soient assurés même lorsque par suite de circonstances quelconques les différentes phases du réseau réagissent différemment, car en particulier en pareil cas, il faut remédier par commande circulante à des états de charge désavantageux. Dans les onduleurs commandés par la charge, la commutation est assurée par les condensateurs utilisés dans les circuits résonnants de couplage, en particulier les circuits résonnants en série.La charge, c'est-à-dire le réseau électrique d'alimentation en énergie, peut, selon son impédance et selon la fréquence acoustique utilisée, être couplée aux onduleurs par des transformateurs de superposition en série avec entrefer ou avec dérivation ou par des couplages en parallèle, rigides ou non, qui constituent des circuits résonnants en série ou contiennent de tels circuits. L'invention a pour but, dans un dispositif du genre ci-des s, de faciliter l'entrée en action des onduleurs, de diminuer -e zésaccord capacitif des éléments de couplage situés du c3té de la charge et donc la chute de tension sur ces éléments, et d'améllorer tabilité de la tension de sortie. Dans un alspost f de ce genre, ce problème est résolu grâce au fait que Clans le conducteur de retour commun des circuits résonnants de couplage à la charge est intercalée, sur le parcours menant à l'onduleur, une impédance en série. Celle-ci peut être formé d'éléments purement passifs. L'invention comprend aussi l'applicatIon de ce dispositif dans le couplage d'onduleurs à une charge à alimentation polyphasée, er particulier à une charge qui donne lieu, par nature, à des réactions très variables pour les onduleurs On expliquera l'invention à titre d'exemple à propos de la figure unique du dessin, montrant une installation de commande circulante à couplage triphasé en série au réseau d'énergie électrique qu'il s'agit d'alimenter par une tension à fréquence acoustique. La figure montre schématiquement un générateur de fréquence acoustique 1.Celui-ci contient pour chaque phase deux redresseurs commandés, Il et 12, 21 et 22, 31 et 32 respectivement, branchés en série entre les conducteurs d'alimentation à tension continue appelés "+" et plan et qui font partie d'un on duleur guidé par la charge, par exemple selon les figures 1 et 3 du brevet suisse n 432 626. Dans cet onduleur, les redresseurs commandés, à chacun desquels est adjointe une diode antiparallèle, sont branchés à la façon d'une demi-cellule en T, dans une branche longitudinale et dans une branche transversale parallèle au filtre de charge. Sur le dessin, les diodes antiparallèles sot appelées respectivement 13 et 14, 23 et 24, 33 et 34. Les jonctions respectives 15,25,35 de chaque groupe de soupapes de chaque phase sont reliées à une sortie correspondante PI, P2, P3 du générateur de fréquence acoustique 1, ces sorties étant reliées à la partie de filtre 3. Celle-ci contient pour chaque phase un circuit résonnant en série, composé d'une capacité respective 16,26,36 et d'une bobine respective- 17,27,37 ainsi q'un circuit résonnant en parallèle formé d'une capacité facultative respective 18,28,38 et d'une bobine respective correspondante 19,29,39. Les circuits résonnants de chaque phase ont un désac cord capacitif relativement à la fréquence acoustique à introduire, de façon connue, pour faciliter la commutation de l'on- duleur dans le générateur 1.La jonction commune 3 des trois circuits résonnants en parallèle est reliée à la sortie R du générateur acoustique 1 par l'intermédiaire d'une impédance en série 4. La sortie R est reliée à la borne négative du conducteur d'alimentation à tension continue des redresseurs commandés 11,12,21 31,32. Les bobines respectives 19,21,39 forment les primaires d'un transformateur d'intensité triphasé 5 dont les secondaires sont branchés par exemple en triangle sur les conducteurs de réseau 6, 7 et 8, pour le couplage en série du générateur acoustique 1 au réseau qui doit être alimenté par la fréquence acoustique de commande circulante. Bien entendu, le dispositif décrit peut s'appliquer aussi dans le cas d'une alimentation sur un autre nombre de phases, par exemple d'une alimentation biphasée. En outre, il est utilisable aussi dans le cas du couplage en parallèle de onduleur à l'aide de circuits résonnants en série. Cela suppose que les circuits résonnants de charge présentent un conducteur de retour commun à l'onduleur. Le dispositif a aussi des effets avantageux dans le cas d'onduleurs alimentant des moteurs-car dans ceux-ci, la pointe des courants transitoires, prononcée par ailleurs au démarrage, peut être limitée grâce à l'impédance en série 4. C'est en particulier le cas pour des moteurs qui jouent le rôle de circuits oscillants antirésonnants pour la fréquence introduite. Le générateur acoustique 1 est conçu comme un onduleur guidé par la charge. L'extinction des redresseurs commandés dépend donc du fait que les jonctions 15,25 et 35 entre les redresseurs commandés branchés en série, Il et 12, 21 et 22, 31 et 32, soient capacitives pour la fréquence acoustique choisie. En ces points, il apparatt des impulsions rectangulaires qui sont transformées en forme sinusoîdale par la partie filtre 2 et le transformateur d'intensité 5. Le transformateur d'intensité a pour fonction d'élever au niveau correct les impulsions à fréquence acoustiques dans les conducteurs de réseau 6,7 et 8. On supposera que le générateur acoustique 1 doit appliquer au démarrage une impulsion de courant notable. A chaque phase de démarrage, l'un des redresseurs commandés 11, 21 et 31, par exemple le redresseur 11, s'allume. Le courant passe donc à ce moment du ple positif au pôle négatif de la tension continue d'alimentation en passant par l'élément redresseur allumé 11, le condensateur 16, les bobines 17 et 19, la jonction 3, l'impédance 4 et le point R. L'impédance 4 limite l'intensité. Au bout de 1200 électriques, le redresseur 21 s'allume, et à nouveau 1200 plus tard, le redresseur 31.Ainsi, au deuxième tiers de période, le courant passe par le redresseur 21, la capacité 26, les bobines 27 et 29, le point 3 et l'impédance 4 pour arriver au point 4, l'impédance 4 exerçant à nouveau une action de limitation de courant, et au troisième tiers, le courant passe par le redresseur 31, la capacité 36, les bobines 37 et 39, le point 3 et l'impédance 4, pour arriver à nouveau au point R, l'impédance 4 limitant à nouveau l'intensité. Au deuxième sixième de chaque tiers de période, le courant s'inverse donc et passe en sens inverse et les redresseurs commandés parallèles à la charge 12,22 et 32 conduisent. Ainsi, au premier sixième de chaque tiers de période, le redresseur commandé de la branche longitudinale s'allume d'abord, puis, au deuxième sixième, celui de la branche transversale, selon le brevet suisse nO 432 626 déjà cité. Dans chacune de ces fractions de période, le courant passe selon la figure par l'impédance 4 pour revenir à la connexion R de l'onduleur* Au bout d'une période complète, le régime transitoire se stabilise et les impulsions de courant passent alors avec un déphasage capacitif constant relativement à la fréquence acoustique commandée.Etant donné que dans un système équilibré polyphasé le courant dans le conducteur neutre est nul pour la fréquence de consigne, le courant passant par l'impédance 4 disparatt à ce moment pour la fréquence acoustique désirée. L'impédance 4 perd ainsi son influence à la fréquence de base, comme si elle n'existait pas. Par contre, si elle est convenablement conçue, elle a une influence sur les harmoniques indésirables. Etant donné que comme on le sait les onduleurs fournissent une tension de sortie à laquelle se superposent en particulier des harmoniques impairs de la fréquence de base désirée, on peut, en calculant l'impédance 4 de marnière 'à inhiber les harmoniques impairs, obtenir une tension de sortie très pure du générateur acoustique avec la fréquence de base désirée. Ce système convient donc particulièrement à un générateur acoustique triphasé. L'impédance 4 peut être formée d'éléments passifs simples, peu croûteux et conçu pour de bas niveaux d'énergie, car ils ne subissent une grande fatigue qu'à la phase transitoire ou en cas de réactions particulières du niveau. Elle peut dtre formée d'une capacité, d'une inductance, d'une résistance ohmique ou d'une combinaison oecelles-ci. Dans le cas d'un onduleur guidé par la charge, elle peut par exemple être constituée par le montage en parallèle d'une inductance et d'une résistance ohmique et dans un mode d'exécution particulièrement simple, la partie ohmique de la bobine joue le rôle de résistance ohmique. Grâce à l'impédance 4, les oscillations de l'angle capacitif de phase sont limitées à tout moment, pendant le processus transitoire, de telle sorte que cet angle est toujours assez grand pour une commutation satisfaisante. Par suite, on peut rendre plus petit le désaccord capacitif prescrit des éléments résonnants de charge, en particulier des circuits résonnants en série. Il s'ensuit que d'une part la chute de la tension de sortie sur ces éléments est moindre et qu'en ou-tre ils sont plus stables, de sorte que l'on peut se passer d'autres mesures de stabilisation coûteuses, en principe connues. L'impédance 4 du conducteur de retour des circuits résonnants de charge peut en outre être utilisée comme élément de surveillance en cas de grandes asymétries de phase, par exemple en cas de défaillance d'une phase. En pareil cas, l'impédance 4 peut servir à brancher en parallèle, avec un retard suffisant, un relais de seuil qui peut actionner des indicateurs et des disjoncteurs et protège ainsi l'onduleur dans le cas de perturbations de ce genre. Mais sans éléments de retard, on peut aussi l'utiliser pour la coupure automatique. Enfin, si l'impédance est convenablement calculée, elle peut contribuer à limiter les harmoniques de la fréquence de base de la tension de sortie. Le montage de protection convient à l'utilisation dans les onduleurs à sortie polyphasée pour installations d'alimentation, fours à induction etc. et tout particulièrement, pour des installations qui alimentent des charges dont le mode de charge varie fortement, par exemple des moteurs, et principalement pour la commande circulante de réseaux d'alimentation en énergie électrique. REVENDICATIONS 1. Dispositif servant à faciliter le fonctionnement des onduleurs statiques présentant un couplage capacitif-réactif polyphasé à la charge, dispositif caractérisé par le fait que dans le conducteur de retour commun des circuits résonnants de couplage à la charge est intercalée, sur le parcours menant à l'onduleur, une impédance en série. 2. Application du dispositif selon la revendication 1, au couplage d'onduIeurs à une charge alimentée sur plusieurs phases. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'impédance en série est formée d'éléments purement passifs. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'impédance en série est formée d'éléments limitant l'intensité. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'impédance en série est formée d'une capacité, d'une inductance, d'une résistance ohmique ou de combinaisons de celles-ci. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 5, caractérisé par le fait que l'impédance en série, pour un onduleur guidé par la charge, est formée par le montage en parallèle d'une inductance et d'une résistance ohmique. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que pour un onduleur guidé par la charge, l'impédance en série est conçue de telle sorte qu'elle inhibe préférentiellement les harmoniques les plus forts de la fréquence de sortie. 8. Application du dispositif selon la revendication 2 au couplage des onduleurs à une charge présentant des réactions très variables pour les onduleurs. 9. Application du dispositif selon l'une des revendications 2 et 8 à des installations de commande circulante de réseaux d'alimentation en énergie électrique.