Brevet FR2344185A1 — publié le 19771007

L'invention concerne le domaine des dispositifs de commutation pour transformateurs, et plus particulièrement, les dispositifs pour la commutation sans contacts des prises d'un transformateur en charge. Le dispositif peut entre utilisé dans les installations électriques pour le réglage de la tension, surtout dans les cas où les exigences d'une rapidité de commutation et d'une forme déterminée de la courbe de la tension de sortie sont très sévères. I1 peut être largement appliqué pour le réglage de la tension des transformateurs industriels pour le réglage de la puissance des fours éleceWriques a arc, les fours électriques peur calciner le minerai , peur la stabilisation de la tension des lignes de soudage, des charges d'éclairage, des bancs de réglage d'appareillages radio, dans les installations d'alimentation des centres de calcul, dans les dispositifs de commande électrique, etc. La mise au peint des dispositifs commutateurs statiques peur la commutation sans contacts des prises des transformateurs est un problème estrêmement important, dont la solution est d'un intèret particulier pour divers domaines de l'industrie. Les premières tentatives pour réaliser des dispositifs de ce genre, surtout pour les transformateurs de faible et de moyenne puissance, faisaient appel à des commutateurs statiques constitues de groupes bipolaires de thyristors raccordés aux prises du transformateur. On connatt trois modes de commutation à l'aide de groupes bipolaires : la commutation à zéro de courant1, la commutation à "marche à vide" et la commutation à "court-circuit". L'inconvénient de tous les dispositifs de commutation utilisant des groupes bipolaires est leur faible fiabilité, due à la nécessité de commander en permanence le groupe bipolaire pendant le fonctionnement normal du transformateur. La faible fiabilité est également due au principe même de la commutation. Lorsqu'on fait appel au principe de commutation à "zéro du courant", la commutation est réalisée en effectuant le transfert des impulsions de commande vers le groupe bipolaire de thyristors entrant en action, lorsque le courant de la charge passe par zéro. Le dispositif exige alors un algorithme compliqué du dispositif de commande, car celui-ci doit entre asservi à la phase du courant de la charge.Une erreur d'appréciation du moment de commutation peut entrainer, soit un court-circuit de l'échelon, soit la coupure du circuit de la charge principale et par suite, des surtensions. Lorsqu'on fait appel au principe de commutation à "marche à vide", le branchement du groupe de thyristors entrant en action est réalisé grâce à l'énergie de la tension de rétablissement sur le groupe mis hors d'action, après le passage du courant par zéro. L'algorithme de commande est alors simplifié, mais dans ce dispositif de commutation, des surtensions peuvent également se produire dans le cas d'un retard du dispositif de commande. Dans les dispositifs faisant appel à la commutation par "courtcircuit", il est nécessaire de prévoir des groupes bipolaires de thyristors supplémentaires pour la mise en action et hors d'action des éléments limiteurs de courant, et une réactance ou une résistance active lorsque la commutation est terminée. Pour les transformateurs de moyenne et grande puissance, on a mis au point des dispositifs de commutation comportant un sélecteur électromécanique et un commutateur à thyristors incorporés à la prise. Le dispositif de commutation dans les dispositifs cités comporte un sélecteur de prises réalisé sous la forme d'un commutateur électromécanique. Le dispositif peut commuter les prises qui se trouvent du côté de la borne neutre du transformateur et les prises disposées au centre de l'enroulement de phase du transformateur. Le dispositif permet d'améliorer les propriétés d'extinction d'arc des contacteurs du commutateur grâce à l'utilisation de redresseurs à thyristors, inseres dans la diagonale à courant continu de redresseurs non commandés et de réaliser également une transition artificielle du courant entre les prises. L'inconvénient de la solution technique qui vient d'âtre exposé réside dans sa faible rapidité de fonctionnement et sa fiabilité insuffisante, due à la présence d'un commutateur électromécanique. La présente invention a pour but de mettre au point un dispositif pour la commutation sans contacts des prises dtun transformateur répondant aux exigences suivantes : le dispositif ne doit pas comporter d'éléments électromécaniques, ctest à dire être absolument sans contacts le dispositif doit réaliser la commutation au moment opportun indépendamment du caractère de la charge lors du fonctionnement normal. du transforFateur, les thyristors d1l dispositif ne doivent pas entre commandés à partir du potentiel de la terre t la transmission de la commande de réglage doit être réalisée seulement lors de la réalisation de la commutation le dispositif doit fonctionner très rapidement le dispositif doit réaliser la commutation entre deux prises quelconques, y compris celle par laquelle une ou plusieurs prises prises sont sautées le dispositif doit possèder une fiabilité élevée et une puissance installée minimale des éléments de commutation ; le schéma du dispositif doit permettre de réaliser le branchement à un montage quelconque des prises sur les enroulements du transformateur. L'invention a donc pour objet un dispositif pour la commutation sans contacts des prises d'un transformateur, caractérisé en ce que le commutateur comporte des redresseurs en pont raccordés aux prises du transformateur et dont le nombre est égal au nombre de prises, des thyristors de commutation étant insérés dans la diagonale à courant continu do ces redresseurs, la commutation de ces thyristors étant réalisée de façen forcée au moyen dtau moins un circuit lic, raccordé aux pâles des redresseurs. Le dispositif peut être réalisé pour des transformateurs triphasés avec des prises du côté de la borne de neutre. Dans ce cas, lesdits redresseurs en pont à diodes, sont couplés selon un montage en pont triphasé, et raccordés aux enroulements correspondants des trois phases du transformateur, tandis que dans les diagonales à courant continu des redresseurs en pont sont inséré des thyristors de commutation, les pales de même nom des redresseurs en pont étant raccordés entre eux au moyen de circuits LC. Un commutateur ainsi réalisé possède donc des circuits de commutation individuels. L'invention a également pour objet un dispositif comportant un circuit de commutation commun. Dans ce cas, les redresseurs en pont sont raccordés selon un montage en pont triphasé réalisé dgalen-nt avec des diodes, tandis que dans-les diagonales à courant continu des ponts sont insérés des éléments do commutation, les pales positifs et négatifs communs de chacun des redresseurs en pont étant raccordés à des groupes de redresseurs auxiliaires, alors que les pâles négatifs et positifs des redresseurs auxiliaires sont réunis et raccordés à un circuit lic commun shunté par un thyristor supplémentaire. Dans le cas d'un dispositif des dérivations du transformateur au centre de l'enroulements le commutateur peut être réalisé selon une autre caractéristique de l'invention, sous la forme de deux groupes de redresseurs en ponts assemblés selon un montage en pont monophasé dans la diagonale à courant continu desquels sont insérés des thyristors de commutation, tandis qu'entre les pales positifs et négatifs desdits redresseurs en pont sont insérés des circuits LC chaque groupe de redresseurs en pont possèdant deux branches communes pour le transformateur entier, réalisées à l'aide de diodes et deux branches réalisées avec des thyristors, qui sont raccordés à tour de rôle aux prises du transformateur. Une telle réalisation du dispositif confère une série d'avantages au commutateur ; en particulier, le dispositif de commutation ne nécessite aucune action sur le potentiel avec des impulsions de commande pendant que le transformateur fonctionne en régime normal et, le dispositif est entièrement réalisé avec des éléments statiques et présente une fiabilité élevée. Par ailleurs, le dispositif est à fonctionnement rapide, et en particulier, il peut fonctionner à une fréquence dépassant celle du réseau, avec une plage quelconque de réglage requise. Enfin, le dispositif permet de réaliser la commutation en sautant un nombre quelconque d'chelons ou de prises, et peut être réalisé pour des enroulements ayant une disposition quelconque de prises. Tous ces avantages permettent d'obtenir un effet technique et économique important gracie à la possibilité de créer un commutateur à fonctionnement rapide et fiable, ainsi que d'utiliser ce camnutateur pour diverses installations technologiques. Un effet particulièrement avantageux peut autre obtenu dans le cas où il est nécessaire de réaliser un réglage rapide sans déformer la tension de sortie, ce qui permet d'améliorer les caractéristiques énergétiques des installations (soudage, ocOmande électn'ce , banc de réglage d'appareillages radio, fours électriques, etc...) D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aul dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 montre un exemple de réalisation du dispositif avec des circuits de commutation individuels, selon l'invention - la Fig. 2 est un exemple de montage d'un dispositif commutateur avec un circuit de commutation commun, selon l'invention - la Fig. 3 est un exemple de réalisation d'un dispositif pour un transformateur triphasé, ou pour l'une des phases d'un transformateur triphasé, la zone de réglage étant située dans le centre de l'enroulement, selon l'invention. La Fig. t représente un transformateur 1 dont les enroulements de phase ommortent a titre d'exemple , cinq prises 2 à 6 du côté de la borne neutre du transformateur0 Ces prises sont raccordées à cinq redresseurs à diodes 7 à 11 montés en pontet sur les diagonales à courant continu desquels sont branchés des thyristors 12 à 16. Les pôles positifs et négatifs des redresseurs sont raccordés entre eux respectivement par des circuits lic 17, t8; 19, 20; 21, 22; 23, 24t 25, 26; 27, 28; 29, 30g et 31, 32. Le dispositif fonctionne de la façon suivante. Avant de brancher le transformateur 1 sur le réseau, on envoie un signal de commande au thyristor 12, puis le transformateur est raccordé au réseau. Dans ce cas, le transformateur a une tension de sortie minimale, car la borne neutre est montée au niveau de la prise 2. Les condensateurs 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31 sont chargés à travers les ponts 8, 9, 10, 11, respectivement, par leurs circuits associés. Par exemple, les condensateurs 17, 19 sont chargés à travers le circuit s prise 3, redresseur en pont 8, réaetance 18, thyristor 12, réactance 20. De façon analogue, les autres condensateurs sont chargés avec une polarité représentée sur la Fig. 1. Le commutateur est alors prêt à fonctionner. En régime normal, le point neutre du transformateur 1 est connecté à l'un des thyristors 12 à 16 rendu conducteur qui est inséré dans le circuit à courant continu et n'exige pas de commande à partir du potentiel de la terre. Pour passer à une autre prise quelconque, par exemple à la prise 3, on envoie une seule impulsion de commande au thyristor 13. Les condensateurs 17, 19 sont déchargés à travers le circuit : réactance 18, thyristor 13, réactance 20, condensateur 19, thyristor 12, condensateur 17. Lorsque le courant du thyristor 12 devient nul, la décharge ultérieure est réalisée à travers les diedes du pont 7. Lorsque le thyristor 12 est rendu non conducteur, les condensateurs 17, 19 sont rechargés à travers le réseau et le pont redresseur 7.La polarité des condensateurs 17, 19 est alors inverse de celle représentée sur la Fig. 1 et le point neutre du transformateur est connecté au niveau de la prise 3. Pour une transition inverse vers la prise 2, il suffit d'envoyer une impulsion de commande au thyristor 12. Le schéma est de nouveau commuté de manière analogue. Le dispositif de commutation permet de réaliser une commutation entre deux prises quelconques. Par exemple, pour la transition de la prise 3 à la prise 6, il suffit d'envoyer une seule impulsion de commande au thyristor 16. Le thyristor 13 est alors bloqué par le courant de décharge des condensateurs de commutation 21, 23, 25, 27, 29, 31, qui sont branchés en série dans le circuit s condensateur 21, réactance 22, condensateur 25, réactance 26, condensateur 29, réactance 30, thyristor 16, réactance 32, condensateur 31, réactance 28, condensateur 27, réactance 24, condensateur 23, thyristor 13, condensateur 21. Puis les condensateurs 21, 23, 25, 27, 29, 31 sont rechargés à travers les redresseurs en pont 8, 9 et 10 correspondants.Les réactances 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 limitent la vitesse d'accrotssement de l'intensité du courant à travers les thyristors de commutation. De façon analogue, on peut suivre le cycle de la commutation d'une prise quelconque à une autre prise quelconque. Le temps de fonctionnement du commutateur est déterminé en premier lieu par le temps nécessaire à la recharge des condensateurs. Pour des paramètres réels des réseaux et des transformateurs, le commutateur permet de réaliser la commutation à une fréquence supérieure à la fréquence du réseau d'alimentation, et d'obtenir une rapidité de fonctionnement élevée. Le dispositif considéré peut entre réalisé en utilisant un circuit commutateur commun pour toutes les prises. La Fig. 2 représente le schéma d'un tel dispositif. A titre d'exemple, le schéma est représenté pour un transformateur triphasé comportant trois prises du cSté de la borne neutre. Le schéma peut être réalisé pour un nombre quelconque de prises. Le dispositif comporte un transformateur 33 dont les enroulements de phase comportent des prises 34, 35 et 36 raccordées à des redresseurs à diodes en pont 36, 37 et 38 dans les diagonales à courant continu desquels sont insérés des thyristors de commutation 39, 40 et 41. Les piles positifs des redresseurs à diodes sont raccordés aux thyristors auxiliaires 42, 43 et 44 , tandis que les pôles négatifs sont raccordés aux diodes 45, 46 et 47. Les pales positifs et négatifs des diodes auxiliaires sont connectés à un circuit commun LC 48, 49 shunté par un thyristor auxiliaire 50. Le dispositif fonctionne de la façon suivante. Pour raccorder le transformateur 33 au réseau, l'un des thyristors 39, 40 ou 41 doit être commandé. Simultanément, on envoie des signaux de commande aux thyristors auxiliaires 42, 43 et 44. Le condensateur 49 se charge à travers un circuit qui est par exemple formé à partir du pole positif du redresseur 36, par le thyristor 42 la réactance 48, le condensateur 49, la diode 47 et la prise 34 do l'autre phase. La charge se fait jusqu'8 atteindre une tension égale à la valeur maximale de la tension de phase de toute la zone de réglage, lorsque la tension de phase de la zone de réglage est supérieure à la tension composée de toutes les prises non utilisées. Si la tension de phase (tension simple) de la zone de réglage est inférieure à la tension composée de la prise, la charge se produit à travers le circuit : prise 34 de l'une des phases, thyristor 44, réactance 48, condensateur 49, diode 47, prise 34 de l'autre phase. Pour réaliser la recharge du condensateur 49, on rend conducteur le thyristor 50. Le condensateur 49 est rechargé à travers le circuit s condensateur 49, réactance 48 et thyristor 50, jusquta la tension initiale moins les pertes dans son propre circuit. Aprbs sa recharge le condensateur 49 est prét à réaliser la commutation d'une prise quelconque. Pour réaliser la commutation, par exemple, de la prise 35 à la prise 36, on envoie une impulsion de commande au thyristor 39 et à tons les thyristors auxiliaires pour la durée de la recharge du condensateur 49 à travers le circuit s condensateur 49, diode 46, thyristor 40, thyristor 43, réactance toc8, condensateur 49, jusqu'au moment où le courant du thyristor 40 devient zéro. Ensuite le thyristor i0 est bloqué à travers le circuit : condensateur 49, diode 46, diodes du redresseur en pont 37, thyristor 43, réactance 48 et condensateur 49, le condensateur se charge jusqu'à atteindre la tension composée maximale de toute la zone de réglage et enfin le transformateur est branché sur la prise 36 ; les autres commutations sont réalisées de façon analogue.Ainsi dans le schéma examiné de commutation du transformateur, pour passer d'une prise à une autre, la commutation est réalisée à l'aide du circuit commutateur commun LC 48, 49, pendant un intervalle de temps égal à la durée de la recharge du condensateur 49, la puissance installée des élé monts de commutation stavérant alors n-l fois inférieure à celle d'un schéma avec des condensateurs de commutation individuels. Lorsqu'on utilise le dispositif pour la commutation des prises de transformateurs monophasés ou de transformateurs triphasés dont la zone de réglage se situe au centre de l'enroulement le dispositif peut entre réalisé selon la Fig. 3. Celle-ci représente la zone de réglage de l'enroulement d'un transformateur comportant un nombre quelconque de prises, dans le cas représenté, cinq prises 51 à 55. Des thyristors 55, 57 ou 58, 59 forment avec des diodes 60 et 61 un redresseur en point monophasé dans la diagonale à courant continu duquel est inséré un thyristor 62. Un second redresseur en pont formé par des thyristors 63, 64 ou 65, 66 et des diodes 67 et 68, comporte dans sa diagonale à courant continu un thyristor 69. Les piles positifs et négatifs des deux ponts sont raccordés les uns aux autres respectivement par des circuits LC 70, 71 et 72, 73. Ainsi, le commutateur comporte deux groupes de redresseurs en pont, chaque groupe comportant deux bras avec des diodes, communs au transformateur entier et deux bras avec des thyristors, qui sont raccordés à tour de rOle aux prises du transformateur. En régime normal, le transformateur est branché par l'une des prises 51 à 55 et le courant alternatif passe, par exemple, lors du fonctionnement par la prise 53 par le circuit (alternance positive): prise 53, thyristor 63, thyristor 69, diode 68 et (alternance négative) t diode 67, thyristor 69, thyristor 64, prise 53. En régime normal, les condensateurs 70 et 72 sont chargés jusqu'à la valeur de l'amplitude de la force électromotrice de la prise 53 avec la polarité indiquée sur la Fig. 3. La commutation de la prise 54 vers la prise 53 est réalisée de la façon suivante s les impulsions de commande sont envoyées aux thyristors 56, 57 et 62. Le thyristor 69 reçoit alors une tension inverse assurée par la charge des condensateurs 70 et 72. Le thyristor 69 est mis hors circuit et la décharge ultérieure des condensateurs se produit à travers le circuit t condensateur 70 réactance 71, thyristor 62, condensateur 72, réactance 73, thyristors débloqués 63 et 64. Les réactances 70, 73 limitent la vitesse d'accrots- sement du courant direct et permettent d'obtenir une constante de temps de décharge des condensateurs de commutation suffisante pour le blocage du thyristor 69 pour la mise hors circuit. Les impulsions de commande provenant des thyristors 63 et 64, c'est à dire des thyristors de la prise 53 qui est parcourue par le courant, ne disparaissent pas au cours de la période de la tension d'alimentation, les condensateurs 70 et 72 peuvent alors entre chargés jusqu'à la valeur maximale de la force électromotrice de la prise 53 avec la polarité nécessaire pour une commutation ultérieure. Donc, le condensateur 70 est rechargé au court d'une alternance à travers le circuit : prise 53, thyristor 63, condensateur 70, réactance 71, thyristor 62, thyristor 57, réactance 54. Au cours de l'autre alternance, le condensateur 72 est recharge par le circuit s prise 54, thyristor 57, thyristor 62, condensateur 72, réactance 73, thyristor 64, prise 53. Après la charge des condensateurs et lorsque les impulsions de commande disparaissent, les thyristors 63 et 64 sont bloqués. Ceci termine le processus de la commutation. Les condensateurs restent chargés pour la commutation suivante, La commutation sur autres prises est réalisée de façon analogue. - REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la commutation sans contact des prises de transformateurs en charge, comprenant un commutateur réalisé avec dés éléments semiconducteurs commandés et non commandés, raccordés auxdites prises du transformateur, caractérisé en ce que le commutateur comporte des redresseurs en pont réalisés à l'aide desdits éléments semiconducteurs et raccordés aux prises du transformateur, le nombre de redresseurs en pont étant égal au nombre de prises, des thyristors de commutation étant montés dans la diagonale à courant continu desdits redresseurs en pont, tandis qu'au moins un circuit LC est raccordé aux piles des redresseurs en pont. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le commutateur, lesdits redresseurs en pont sont connectés selon un montage triphasé avec des diodes, en ce que dans la diagonale à courant continu des redresseurs en pont sont insérés des thyristors de commutation, et en ce que les p8les de même nom des redresseurs en pont sont raccordés entre eux à travers des circuits LC. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le commutateur, lesdits redresseurs en pont sont connectés selon un montage triphasé avec des diodes, en ce que dans les diagonales à courant continu de ces redresseurs en pont sont insérés des thyristors de commutation, et en ce que les piles négatifs et positifs communs de chaque redresseur en pont sont raccordés à des groupes de thyristors auxiliaires, dont les pôles positifs et négatifs sont connectés entre eux et à un circuit LC commun auquel est branché en parallèle un thyristor supplémentaire. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur comporte deux groupes de redresseurs en pont couplés selon un montage en pont monophasé dans les diagonales à courant continu desquels sont insérés des thyristors de commutation, en ce que entre les piles positifs et négatifs des redresseurs en pont sont insérés des circuits LC et en ce que chaque groupe de redresseurs en pont comporte deux bras communs pour l tranarmateqr entier constitués par des thyristors, et deux bras constitués par des diodes et qui sont raccordés à tour de rôle aux prises du transformateur.