Brevet FR2344942A1 — publié le 19771014

La présente invention concerne un dispositif d'inversion de charge pour transformateurs, comportant des chemins de commutation formée de contacts principaux et de contacts de résistance ces chemins de commutation étant subdivisés en plusieurs chemins de commutation partiels et chaque point de commutation étant constitué par au moins deux chemins de commutation partiels individuels montés en parallèle ou en série et qui sont couplés avec des diodes de telle manière que, sur chacun de ces chemins de commutation individuels, la duree d'arc atteigne au plus une demi période de la fréquence de réseau du courant A commuter et de telle manière que les diodes, & l'état de repos du dispositif de commutation, ne soient pas sous tension. Pour augmenter la puissance de commutation dans les dispositifs d'inversion de charge, il est dé3 connu de subdiviser les chemins de commutation formés par des contacts principaux et des contacts de résistance en plusieurs chemins de commutation partiels et de monter des diodes en parallèle avec les chemins de commutation partiels individuels. Par exemple, dans les dispositifs d'inversion décrits dans la demande de brevet allemand publiée avant examen, nO 23 55 514 et représentés sur les figures 2, 35 4 et 7-9, lors de l'ouverture des contacts du cbté gauche du dispositif d'inversion, pour une phase défavorable du moment de l'ouverture, un courant d'arc peut passer pendant deux demi~ périodes sur l'un des deux chemins de commutation 3 et 4 (et lors de l'ouver- ture des contacts du cOté droit du dispositif d'inversion sur l'un des chemins de commutation 5 et 6) et provoquer un fort dégagement de gaz correspondant et une forte consommation des électrodes. Dans les dispositifs d'inversion des figures 5 et 6, par contre, une diode est montée en parallèle avec chacun des chemins de commutation 3, 4 et 5, 6 moyennant quoi, dans ce cas, un arc ne peut subsister sur chaque chemin de commutation que pendant une demi-onde. Ces dispositifs d'inversion des figures 5 et 6 sont en conséquence plus avantageux, au point de vue durée d'arc, que les autres solutions. Toutefois, un inconvEnlent des dispositifs d'inversion des figures'5 et 6 réside en ce que les diodes situées sur le côt des contacta ouvertes sont en permanence sous tension et, par conséquent, en raison des surtensions de commutation ou dues è la foudre qui peuvent se produire en service, doivent être dimensionnées très largement au point de vue tension. L'invention a pour objet de créer un dispositif d'inversion qui, pour une puissance de commutation maximale, ne donne lieu qu'a un dégagement de gaz minimal et à une consommation aussi faible que possible des électrodes et qui évite les inconvénients mentionnés ci-dessus. A cet effet, suivant l'invention, chaque point de commutation est constitué par au moins deux chemins de commutation individuels montés en parallèle ou en série et qui sont couplés avec des diodes, de telle manière que sur chacun de ces chemins de commutation individuels la durée d'arc atteigne au plus une demi-période de la fréquence de reseau du courant à commuter et de telle manière que les diodes, à l'état de repos du dispositif d'inversion, ne soient pas sous tension. D'autres caractéristiques de l'invention seront mieux comprises à la lecture de la description détaillée qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - les figures 1 et 2 représentent des exemples de montage en parallèle de chemins de commutation partiels individuels; - la figure 3 représente un exemple de séquences de commutation possibles et de disposition des inverseurs auxiliaires; - la figure 4 représente un autre exemple d'execution de l'invention; - la figure 5 représente une variante permettant de réduire le nombre'de diodes; - la figure 6 représente une autre simplification permettant de réduire encore le nombre de diodes; - la figure 7 représente une autre variante du montage de la figure 4;; - la figure 8 représente une variante dans laquelle des résistances sensibles à la tension sont directement montées en parallèle avec les diodes; et - la figure 9 montre la protection des deux diodes de chaque point de commutation contre les surtensions au moyen d'un dispositif commun monté entre ces diodes. Des exemples de montage en parallèle de chemins de co uta- tion partiels individuels sont représentés sur les figures 1 et 2. Sur la figure 1, chaque contact principal est constitué par deux contacts partiels montés en parallèle, respectivement 1, 2 et 3, 4, et chaque contact de résistance est également constitué par deux contacts partiels ou chemins de commutation partiels, montés en parallèle, respectivement 5, 6 et 7, 8. Devant chacun de ces chemins de commutation partiels est montée une diode, les deux diodes associées à chaque paire de chemins de commutation partiels étant "polarisées en opposition" (dans la présente description, cette expression appliquée à deux diodes signifie que les pâles de l'une de ces diodes sont orientés en sens inverse des piles de l'autre). Chaque fois que les deux chemins de commutation partiels d'une paire donnée, par exemple 1 et 2, sont coupés ou ouverts simulta dément, quelle que soit la phase du courant à commuter, l'un des deux chemins commutation partiels associés est privé de courant par la diode montée devant lui et, par conséquent, se coupe sans arc. Dans le second chemin de commutation, qui commute le courant, celui-ci ne peut passer au plus que pendant une demi-période, c'est-à-dire jusqu'au passage suivant du courant par zéro car, ensuite, la diode associée bloque également le courant à cet emplacement. Par suite, avec ce principe, la durée d'arc maximale est d'une demi-période. Toutefois, l'exemple de la figure 1 a l'inconvénient d'exiger un grand nombre de chemins de commutation partiels et de diodes.Pour réduire la complexité et, par conséquent, le prix de revient, il est prévu, suivant l'invention, comme représenté sur la figure 2, de n'utiliser que deux paires de chemins de commutation partiels précédés de diodes et de commuter chaque paire, pendant le processus d'inversion, au moyen de deux inverseurs auxiliaires 9 et 10, à partir de l'un des côtés du dispositif d'inversion, par exemple 11, sur l'autre côté, par exemple 12, ouvice versa. Sur la figure 2, on obtiendrait alors la séquence de commutation suivante. Initialement, 1, 2, 3 et 4 sont fermés et les inverseurs 9 et 10 sont reliés à Il. Tout d'abord, 1 et 2 'ouvrent simultanément Après la coupure du courant dans 1 et 2, c'est- -dire au plus tôt après une demi-période, 9 est commuté de 11 sur 12. L-dessus, 1 et 2 se referment immédiatement. Ensuite 3 et 4 s'ouvrent à leur tour et, également, au plus tdt une demi-période apures, 10 est commute de 11 sur 12. Enfin, 3 et 4 se referment, Lors de cette séquence de commutation, les inverseurs 9 et 10 sont commutés en l'absence de courant. En raison du prix élevé des diodes à grande puissance, il peut également être avantageux, au point de vue économique, de recourir à la solution selon l'invention représentée sur la figure 3, qui ne comporte qu'une unique paire de contacts 1, 2 commutant le courant et deux diodes seulement qui, au moyen d'inverseurs auxiliaires fonctionnant en l'absence de courant, sont commutées successivement entre les points auxquels le courant doit Btre interrompu. Pour la coupure du courant, le dispositif d'inversion de la figure 3 conprend donc uniquement les deux chemins de commutation 1 et 2, respectivement précédés de diodes polarisées en opposition. Dans cette variante, le processus de commutation est le suivant. Initialement, 1, 2, 13, 15, 17 et 19 sont fermés. Lors du processus d'inversion, tout d'abord 1 et 2 s'ouvrent et, au plus tôt une demi-période après, 13 s'ouvre et 14 se ferme. Simultanément la fermeture de 14, ou un court instant après cette fermeture, 1 et 2 se referment, puis 15 s'ouvre et 16 se ferme. Ensuite, 1 et 2 se rouvrent et, au plus tbt une demi-période après, 19 s'ouvre à son tour, puis 20 se ferme. Ensuite 17 s'ouvre et 18 se ferme, après quoi 1 et 2 se referment. Ainsi se termine le processus d'inversion. La fissure 3 ne représente qu'un exemple des diverses séquences de commutation et des divers montages des inverseurs auxiliaires qui peuvent etre envisagés. D'autres variantes sont possibles, mais elles dérivent toutes du principe de base décrit. Une autre solution suivant l'invention pour atteindre le but mentionné dans le préambule consiste à monter en série trois chemins de commutation partiels pour chaque point de commuSation, c'est-8-dire pour chaque contact principal et pour chaque contact de résistance. Dans cette variante, deux diodes sont respectivement montées en parallèle avec deux des chemins de commutation de chaque point de commutation, ces deux diodes étant polarisées en opposition. Un exemple d'exécution d'un tel montage est représenté sur la figure 4. Sur cette figure, par exemple, Ie contact principal situé sur le côté 11 du dispositif d'inversion est constitué par les chemins de commutation 1, 2 et-9 qui sont montées en série. Avec les chemins de commutation 1 et 2 sont respectivement montées en parallèle deux diodes polarisées en opposition. Le contact principal de l'autre cOté du dispositif ainsi que les contacts de résistance sont réalisés d'une manière analogue. La séquence de commutation et le mode de fonctionnement de chacun des contacts principaux et, d'une manière analogue, de chacun des contacts de rdsistance, sont alors les suivant 1 et 2 s'ouvrent simultanément. En raison de la présence des diodes montés en parallèle mais polarisées en opposition, lors de cette ouverture, l'un des deux chemins de commutation est coupé en l'absence de courant, tandis que l'autre est coupé en présence de courant.Sur le chemin de commutation coupé en présence de courant, l'arc stéteint au plus tard après une demi-période car, ensuite, la diode montée en parallèle avec ce chemin de commutatien est attaquée dans le sens passant et, par conséquent, dérive le courant. A partir de cet instant, les deux chemins de commutation 1 et 2 sont sans courant. Ainsi, dans cette variante également, comme dans la solution de l'invention représentée sur la figure un arc ne peut subsister au plus que pendant une demi-période. Au plus tOt une demi-période après l'ouverture de 1 et 2, 9 s'ouvre également pour déconnecter les diodes de façon que celles-ci, dans la position de repos du dispositif d'inversion, ne soient pas sous tension. le contact 9 s'ouvre pratiquement en l'absence de courant-et peut donc Entre réalisé d'une manière simple.La séquence de commutation et le fonctionnement sont sensiblement les mêmes en ce qui concerne les autres chemins de commutation. L'ensemble du processus d'inversion, dans la variante de la figure 4, est donc le suivant. Initialement, 1, 2, 5, 6, 9 et 10 sont fermés, tandis que tous les autres points de commutation sont ouverts. Tout d'abord I et 2 ouvrent et, au plus tbt une demi-période après, 9 s'ouvre à son tour après quoi, 7, 8 et 13 se ferment. Ensuite, 5 et 6 s'ouvrent et, au plus tôt une demi-période après, 10 s'ouvre à son tour, après quoi 3, 4 et 14 se ferment. La variante de la.figure-5 montre comment on peut économiser des diodes sans modifier pour autant cette séquence de commutation et ce mode de fonctionnement.Au lieu des deux diodes respectivement montées on parallèle avec les contacts 2 et 4 de la figure 4, dans cette variante, les points 21 et 22 de la figure 5 sont interconnectés et ne sont reliée au point 25 du dispositif d'inversion que par I'intermédiaire d'une diode commune En outre, au lieu des deux diodes respectivement montées en parallèle avec 6 et 8 de la figure 4, une seule diode est interposée entre 23 et 24. Avec une méme séquence de commutation des chemins de colsmu- tation partiels individuels, on obtient alors le me^me fonctionnement que sur la figure 4. Une autre simplification permettant d'économiser encore plus de diodes est constituée par le montage de la figure 6. Dans cette variante, seule les quatre chemins de cormutation partiels 1 b 4 sont commutés en présence de courant et seules sont alors nécessaires quatre diodes respectivement montées en parallèle avec ces chemins de couta- tion partiels. Le dispositif d'inversion de charge ne comporte plus, dans cette variante, que deux commutateurs de puissance proprement dits dont le premier est constitué par les chemins de commutation 1 et 2 et le second par les chemins de commutation 3 et 4.Ces deux commutateurs de charge sont branchés successivement au moyen des inverseurs 26 et 27 entre les points auxquels le courant doit etre coupé ou établai. On obtient alors pour l'ensemble la séquence de commutation suivante. Initialement, 1, 2, 3 et 4 sont fermés et les inverseurs auxiliaires 26 et 27 sont reliés à 11. Lors de l'inversion du courant de 11 sur 12, 1 et 2 s'ouvrent tout d'abord simultanément et, au plus tot une demi-période après, 26 est inversé après quoi 1 et 2 se referment. Ensuite, 3 et 4 s'ouvrent et, au plus tbt une demi-période après, 27 est inversé; enfin, 3 et 4 se referment, ce qui termine le processus d'inversion. Dans cette solution, également, chacun des inverseurs auxiliaires 26 et 27 est commuté en l'absence de courant. En outre, les diodes ne sont pas sous tension dans la position de repos du dispositif d'inversion. Une autre variante du principe suivant l'invention décrit à propos de la figure 4 est représentée sur la figure 7. Ici, sur chacun des côtés du dispositif d'inversion sont montés en série trois chemins de commutation, a savoir 28, 29, 30 d'un côté et 31, 32, 33 de l'autre cOté. Deux diodes sont respectivement montées en parallèle avec deux des chemins de commutation de chacune de Ces séries de trois chemins de commutation, ces deux diodes étant polarisées en opposition. Avec l'un des deux chemins da commutation, montés en parallèle avec une diode de chaque sórie,est en outre montée en parallèle une résistance comme indiqué respectivement en 34 et 35. Dans la variante de la figure 7, le processus d'inversion est le suivant. Initialement, 28, 29, 30 sont fermés et 31, 32, 33 sont ouverts. Tout d'abord 28 s'ouvre et, au plus tôt une demi-période après, 32 et 33 se ferment. Afin que, dans cette position du dispositif d'inver sion, aucun court-circuit ne soit possible par l'intermédiaire des diodes 36 et 37, ces deux diodes doivent être commutées alternativement. Tout d'abord 29 s'ouvre et au plus tOt une demi-période après 31 se ferme et, en dernier lieu, 30 s'ouvre à son tour. Grâce à la diode 36 montée en parallèle avec le chemin de commutation 28, il est possible de choisir la résistance de protection de contact 34 d'une valeur ohmique relativement grande car, en dépit de la contre-tension élevée qui apparait au point de commutation 28 avec une résistance de protection de contact d'une grande valeur ohmique, cette contre-tension peut etre absorbée d'une manière sûre par l'action de la diode 36. Il en résulte que le point de commutation 30, pour un dimensionnement correspondant de la résistance 34, n'a à commuter qu'une fraction du courant nominal du dispositif d'inversion. Dans la séquence de commutation choisie, cela est valable également pour des inversions en présence d'une surintensité. En principe, dans la variante de la figure 7, les chemins de commutation de chaque série peuvent aussi hêtre disposés dans un ordre différent, par exemple 30 en haut, 29 au milieu, 28 en bas, etc etc. Ceci est également valable, par exemple pour la figure 4. En ce qui concerne le dimensionnement des diodes au point de vue tension, les crêtes de tension apparaissant sur ces diodes sont déterminantes. Dans les montages décrits, les diode8 ne sont sous tension qu'un court instant pendant le processus d'inversion, à savoir tout au plus pendant quelques périodes de la tension du roseau En consequence, suivant l'invention, des résistances sensibles å la tension sont montées directement en parallèle avec les diodes (figure 8). En raison du temps court pendant lequel elles sont chargeesJ Ces résistances peuvent alors supporter une tension de service relativement élevée, ce qui assure un facteur de protection favorable.Dans le principe de commutation des figures 1 à 3, on peut également protéger les deux diodes associées à chaque point de commutation au moyen d'un unique dispositif de protection contre les surtensions, en montant celui-ci entre les diodes, course représenté sur la figure 9. Un certain inconvénient des résistances sensibles à la tension,monte̲s directement en parallèle avec les diodes, réside en ce que, dans le sens de blocage des diodes, un courant peut passer par l'inter mediaire de ces résistances et rendre plus difficile la coupure du chemin de commutation associé, Pour éviter cet inconvEnient, des éclateurs sont montes en série avec les résistances sensibles à la tension.Pour assurer de faibles valeurs de réponse des éclateurs, on utilise à cet effet des éclateurs dont le milieu d'extinction est un gas,tei que par exemple ceux qui sont usuels dans les dérivations de surtension, Ces éclateurs doivent être disposés, pour permettre leur fonctionnement sous huile, dans un bottier étanche à l'huile Les résistances de protection de contact 34 et 35 des dispositifs d'inversion de charge pour transformateurs sont de valeur ohmique relativement faible.Il en résulte que seules de faibles surtensions peuvent apparaître aux bornes de ces resistances elles-mdmes Cela implique que les diodes qui, pendant le petit nombre de demi-périodes pendant lesquelles elles sont sous tension au cours du processus de commutation, sont constam ent en parallèle avec l'une des résistances de protection de contact 34 ou 35, sont déjà suffisamment protégées contre les surtensions par celles-ci. Pour réduire le prix de revient, on ne monte en conséquence en parallèle des dispositifs de protection contre les sur'tensions spéciaux qu'avec les diodes avec lesquclles, tant qu'elles sont sous tension, aucune résistance de protection de contact n'est montée en parallèle. Par exemple, sur la figure 1, seules les diodes associées aux chemins de commutation 5 à 8 sont à protéger et il en est de zaïre sur la figure 4. Sur la figure 7, ce sont les diodes associées aux chemins de commutation 29 et 32 qui sont à protéger. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples sans sortir du cadre de l'invention. R E VEND I CATI ON S 1 - Dispositif d'inversion de charge pour transformateurs, comportant des chemins de comrputation formés de contacts principaux et de contacts de résistance ces chemins de commutation étant subdivisés en plusieurs chemins de commutation partiels et des diodes étant respectivement montées en parallèle avec les points de commutation individuels de ces chemins de commutation partiels, ledit dispositif d'inversion de charge étant caractérisé en ce que chaque point de commutation est constitué par au moins deux chemins de commutation partiels individuels montés en paral lèle ou en série et qui sont couplés avec des diodes, de telle manière que, sur chacun de ces chemins de couuutation partiels individuels, la durée d'arc atteigne au plus une demi-période de la fréquence de réseau du courant å computer et de telle manière que les diodes, à l'état de repos du dispositif d'inversion,ne ne soient pas sous tension. 2 - Dispositif d'inversion de charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que seules deux paires de chemins de commutation partiels sont munies de diodes qui les précèdent et on ce que ces diodes sont commutées au moyen de deux inverseurs auxiliaires, pendant le processus d'inversion, de la borne 11 à la borne 12 ou vice versa. 3 - Dispositif d'inversion de charge selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que deux contacts commutant le courant, précédés de diodes respectives polarisées en opposition, sont commutés successivement, au moyen d'inverseurs auxiliaires fonctionnant en l'absence de courant, entre les points auxquels le courant doit être interrompu, 4 - Dispositif d'inversion de charge selon l'une quelconque des revendications 1 3, caractérisé en ce que chaque contact principal et chaque contact de résistance sont constitués par le montage en série de trois chemins de coemutation partiels avec deux desquels sont respectivement montées en parallèle deux diodes polarises en opposition et en ce que les chemins de commutation couplés avec des diodes s'ouvrent au moins une demipériode avant le troisième chemin de commutation. 5 - Dispositif d'inversion de charge selon l'une quelconque des revendications 1 å 3 caractérisé en ce que chaque contact principal et chaque contact de résistance sont constitués par le montage en série de trois chemins de commutation partiels, parmi lesquels le chemin de corpmu- tation partiel médian est monté en parallèle avec une diode et en ce qu'en outre log deux points de connexion 21 et 22 sont directement reliés entre eux et ne sont reliés au point de connexion 2S que par l'intermédiaire d'une diode commune tandis qu'une diode unique est interposée entre les points de connexion 23 et 24. 6 - Dispositif d'inversion de charge selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que les contacts principaux et les contacts de résistance sont constitués chacun par deux chemins de commutation formés chacun du montage en série d'un inverseur ét de deux chemins de commutation partiels avec lesquels sont respectivement montées en parallèle deux diodes polarisées en opposition. 7 - Dispositif d'inversion de charge selon l'une quelconque des revendications 1 å 3, caractérisé en ce que chacun de ses deux cOtés 11, 12 est constitué par le montage en série de trois chemins de commutation par tiols dont deux sont montés en parallèle avec des diodes respectives polarisées en opposition, une résistance étant en outre montée en parallèle avec l'un des deux chemins de commutation partiels montés en parallèle avec une diode. 8 - Dispositif d'inversion de charge selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des résistances sensibles à la tension sont directement montées en parallèle avec les diodes 9 - Dispositif d'inversion de charge selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux diodes associées à chaque point de commutation sont reliées à un dispositif de protection contre les surtensions. 10 - Dispositif d'inversion da charge selon la revendication 8, caractérisé en ce que des éclateurs sont montés en série avec les résistances sensibles à la tension. ll - Dispositif d'inversion de charge selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on utilise des éclateurs comportant un gaz comme milieu d'extinction 12 - Dispositif d'inversion de charge selon la revendication , caractérisé en ce que les éclateurs sont logés dans un bottier étanche à l'huile. 13 - Dispositif d'inversion de charge selon la revendication 11, caractérisé en ce que des dispositifs de protection contre les surtensions spéciaux ne sont montés en parallèle qu'avec les diodes avec lesquelles, tant qu'elles sont sous tension, aucune résistance de protection de contact n'est branchée en parallèle.