Brevet FR2417408A1 — publié le 19790914

L'invention cor^erne un équipement d'alimentation et de rEcupration de courant continu pour matériel de traction électrique. Un tel dquipement se situe dans une sous-station d'alimentation qui reçoit de lténergie électrique d'un réseau alternatif haute tension et ddlivre de l'énergie électrique continue au matériel de traction électrique par l'intermédiaire des caténaires et des rails.La charge de l14quipement d'alimentation est donc constitué par un ou plusieurs moteurs électriques fonctionnant le plus souvent en récepteurs Lors d'un freinage, chaque moteur fonctionne alors en générateur et renvoie de lténergie vers l'quipement Globalement, la charge de l'quipement est soit consommatrice de courant, soit gdaératrice de courant, le changement pouvant intervenir 9 chaque instant. L'équipement doit donc être capable de passer d'un régime d'alimentation à un régime de récupération, et vice versa, aussi rapidement que possible. Habituellement, un équipement d'alimentation et de rEcu- opération comporte deux parties distinctes s Un équipement d'alimentation seule comportant un appareillage de protection haute tension, un transformateur adaptateur et un bloc redresseur qui alimentent la charge quand celle-ci consomme de l'énergie, et un équipement de récupération comportant un bloc onduleur recevant l'énergie produit. par la charge , un transformateur adaptateur et un appareillage de protection haute tension pour retourner l'énergie alternative produite vers le réseau.Le transformateur adaptateur de l'équipement de réBupération est différent de celui de l'équipement d'alixentation, de manière que, vue de la charge, la force contre-électromotrice de l'équipement de récupération soit supérieure à la force électromotrice de l'équipement d'ali tentation L'utilisation de deux transformateurs et appareillages de protection pour l'équipement complet est onéreuse et encombrante, d'autant plus que le transformateur du côté de la récupération doit avoir un rapport de transformation supérieur & celui du transformateur côté redresseur. Un objet de la présente invention est de permettre la suppression du transformateur adaptateur et de l'appareillage de protection haute tension, côté récupération. Suivant l'invention, un équipement d'alimentation et de récupération de courant continu pour matériel de traction électrique, comportant un transformateur dont le primaire est connec té à un réseau alternatif haute tension par l'intermédiaire d'un appareillage de protection, et dont le secondaire est connecté à un bloc redresseur dont les bornes de sortie sont connectées au matériel de traction, par l'intermédiaire de lignes de liaison, est caractérisé en ce qu'il comporte - un bloc onduleur dont les bornes a'entrée sont connectées aux lignes de liaison 9 par l'intermédiaire d'au moins un élé- ment inductif et au moins un élément résistif, et - un autotransformateur monté en élévateur de tension entre les bornes de sortie de l'onduleur et le secondaire du transformateur adaptateur Dans la suite de la description, les expressions "matériel de traction" ou "charge" seront utilisées indifféremment pour désigner ltensemble des moteurs de traction fonctionnant soit en moteur, soit en générateur, cet ensemble étant considéré comme une charge consommatrice ou productrice d'énergie,par l'équipement. L'obligatoire élévation de la tension alternative né- cessaire k l'onduleur par rapport à celle du redresseur est obte- nue cette fois par l'autotransformateur Cette élévation de tension est nettement plus faible que dans le cas d'un équipement de récupération distinct d'un équipement d'alimentation, grâce au fait que l'énergie d'alimentation et l'énergie de récupération empruntent le même transformateur adaptateur. L'autotransformatour, dimensionné pour une élévation de tension de quelques pourcents seulement, est un appareil d'encombrement réduit et de coût faible. L'adjonction des éléments résistifs et inductifs dans le circuit à courant continu de récupération permet de limiter les trop diminuer courants de circulation sans /le facteur de puissance.La transformation d'un équipement d'alimentation seule en équipement d'alimentation et récupération est alors une opération possible et économique. Un exemple de réalisation de l'invention est donné dans la description qui suit, illustrée par les figures qui représentent - la figure 1, un schéma d'ensemble de l'équipement, - la figure 2, un diagramme représentatir des tensions et des courants continus dans la charge, - la figure 3, un diagramme représentatif des tensions et courants alternatifs au secondaire du transformateur. L'équipement représenté sur la figurel est destiné à ali menter un ou plusieurs matériels de traction 1, à partir d'un réseau représenté par une sous-station 2; le matériel de traction 1 est relié à l'équipement par des lignes de liaison 3 et 4, la ligne 3 étant constituée par exemple par des caténaires ou un troi- sième rail et ta ligne 4 par les rails de roulement. L'équipement comporte un transformateur adaptateur 5, dont l'enroulement primaire est relié au réseau alternatif haute tension 2, par l'intermédiaire d'un appareillage de protection 6. Son secondaire est relié d'une part, à un bloc redresseur 7 directement et d'autre part, à un bloc onduleur 8 par l'intermé diaire d'un autotransformateur 9. La berne de sortie positive di bloc redresseur 7 est connectée à la ligne de liaison 3, tandis que la borne de sortie négative est reliée à la ligne de liaison 4.La borne d'entrée positive du bloc onduleur 8 est reliée à la ligne de liaison 3 par l'intermédiaire successivement d'un disjoncteur 10, d'un élément résistif 11 et d'un élément inductif 12. La borne négative de l'onduleur 8 est reliée à la ligne de liaison 4 par l'intermédiaire également d'un élément inductif 13 et d'un élément résistait 14. L'autotransformateur 9 agit en élévateur de tension entre les sorties du bloc onduleur 8 et le secondaire du transformateur adaptateur 5. Lorsqu'un bloc onduleur est installé sur an réseau d'alimentation de rmatériel de traction électrique, cet onduleur trouve sur ses bornes, côté continu, la tension normale délivrée par le bloc redresseur voisin; il doit avoir une force centre-électromotrice supérieure à cette tension, de façon à ne pas renvoyer sur le réseau alternatif lténergie provenant du bloc redresseur voisin; il ne doit débiter que sur l'apparition de tensions supérieures provenant de moteurs en cours de récupération. Les caractéristiques tension-courant du bloc redresseur et du bloc onduleur sont représentées sur la figure 2 de manière schématique. Pour simplifier, la caractéristique du bloc redres sear est représentée du côté des courants positits,la tension d'alimentation U décrott sensiblement linéairement avec le courant I, suivant la droite Ur,à cause de jazzla résistance interne de l'ensem- ble transformateur 5 et bloc redresseur 7.La droite Ut dans le pro- longement de la droite Ur représente la caractéristique d'un onduleur idéal qui serait onnecté au secondaire du transformateur adaptateur 5, cette caractéristique fait abstraction des chutes de tensioa et des angles d'avance à l'amorçage de la commande des thyristors de l'onduleur 80 En réalité si l'onduleur était branché directement aux bornes du secondaire du transformateur adaptateur 5, sa caracté- rustique de tension devrait décrottre en fonction du courant de récupération.Le fonctionnement de l'équipement serait alors instable et un violent courant d'échange entre redresseur et onduleur pourrait s'établir0 Poar éviter cette instabilité, on était habi tellement conduit à utiliser un transformateur adaptateur diff4- rent pour l'onduleur pour obtenir une force contre-électromotrice de l' duleur supérieure à la tension normale du redresseur.Le rap pert de transtormatioR du transformateur adaptateur pour l'ondu- leur devait atre nettement supérieur à celui du transformateur adaptateur pour le redresseur D'autre part, pour compenser la dé- croissance obligatoire de la caractéristique de tension de l'onduleur, on était amené à prévoir dans la commande des thyristors un angle d'avance à l'amorçage important, angle qui se décompose en trois parties un angle de commutation qui augmente avec la charge, un angle de désamorçage et un angle de garde constant pour des raisons de sécurité Ceci conduisait à un surdimensionnement du transformateur adaptateur, côté onduleur, et à une dégradation du facteur de puissance, en particulier aux faibles charges. Selon l'invention, l'obligatoire élévation de la tension alterhatite de onduleur par rapport à celle du redresseur est obtenue par l'autotransformateur 9, mais cette fois,le transformateur adaptateur 5 et l'appareillage de protection haute tension 6 sont communs au fonctionnement en redresseur et au fonctionnement en onduleur. Cela a pour conséquence que cette obligatoire élévation de tension est inférieure à celle qui était nécessaire dans le cas de deux transformateurs adaptateurs distincts Par conséquent, l'autotransformateur dimensionné pour une élévation de tension de quelques pourcents seulement a un prix minimal.En effet, dans le cas d'un équipement comparant deux transformateurs adaptateurs distincts, le transformateur adaptateur pour le bloc redresseur fonctionnait à vide pendant que celui du bloc onduleur était en charge La tension au secondaire du transformateur fonctionnant à vide étant supérieure a la valeur mesurée au cours d'un fonctionnement en charge, ltélévation de tension nécessaire au bon fonctionnement de l'onduleur était donc importante. Dans le cas de l'invention, le transformateur adaptateur 5 est pratiquement toujours en charge, soit pour le fonctionnement du bloc redresseur, soit pour celui de l'onduleur. Sur la figure 2, l'adjonction de l'autotransformateur 9 se traduit par une caractéristique théorique Ua située au-dessus de la caractéristique Ut. Cette caractéristique Ua ne tient pas compte également des chutes de tension dans les circuits. La caractéristique réelle tenant compte de ces chutes de tension est alors Ub. Selon l'invention encore, la mise en série avec le bloc onduleur 8 des éléments résistifs 11 et 14 modifie cette caracté- ristique qui devient la droite UO Cette caractéristique est telle que Uo est constante pour toute valeur de lo La valeur des élémente résistifs 11 et 14 est telle que leur résistance totale R, ajoutée à la tension Ub de l'onduleur, est constante et égale à UO Il est bien évident que cette résistance affecte le rendement, mats en contrepartie, elle permet d'obtenir un meilleur facteur de puissance. L'-dJonctiou de ces éléments résistifs évite en outre l'utilisation d'un angle d'avance à l'amorçage trop important. Un angle de garde à vide, de dix à quinze degrés est alors suffisant Sur la figure 3, la tension alternative du redresseur apparat en traits interrompus Vr et la tension alternative Vo de l'onduleur apparaît en traits continus.La tension instantanée de l'onduleur est supérieure à celle du redresseur, donc tout débit est interdit du redresseur vers l'onduleur, sauf pendant le temps de commutation des thyristors représenté par l'angle électrique au cours duquel circule un courant de circulation Ic de forme pulsée. Ces impulsions de courant sont limitées par la présence des éléments inductifs 12 et 13.Ces éléments inductifs assurent d'une part,la transformation des tensions continues en tension présentant une ondulation et,d'autre part, taterviennent, selon l'invention,pour la limitation du courant de circulation Ió La figure 3 montre également que les tensions du redresseur et de l'onduleur sont rigoureusement en phase et présentent entre elles une variation de tension quasiment constant.Cela est dû au fait que l'autotransformateur 9 présente une réactance propre très faible et ne provoque aucun déphasage ,stegalement au fait que l'onduleur et le redresseur sont couplés au même transformateur adaptateur0 L'utilisation d'un autotransformateur 9 est rendue pos sible, selon l'invention, parce qutun isolement galvanique n'est pas nécessaire à cet endroit de l'équipement. Cet autotransforma teur dimensienné peur une augmentation de tension de quelques peurcents seulement est un élément économique et peu encombrant. La présente invention permet la réalisation d'équipements d'ali tentation et de récupération dans lesquels l'onduleur utilise le transformateur adaptateur du redresseur. Outre l'économie ainsi faite, onduleur présente un meilleur facteur de puissance et une excellente stabilité de fonctionnement. L'adjonction des élé- rente résistifs et inductifs permet d'ajuster la caractéristique tension-courant au mieux des conditions d'emploi, tout en limitant la valeur du courant de circulation entre le redresseur et l'onduleur. Enfin, l'équipement suivant l'invention ne nécessite aucun organe de commutation et la récupération est instantanée. Pour simplifier les figures, les moyens de commande électroniques des thyristors ne sont pas représentés Cette commande s'effectue en boucle ouverte, en prenant en considération uniquement l'intensité débitée par l'onduleur. A vide, les impul- siens de commande de l'amorçage des thyristors sent émises avec un angle de garde de l'ordre de 10 à 15 degrés. Comme l'angle d'avance à l'amorçage augmente avec la charge, cela entraîne une caractéristique descendante qui est ramenée sensiblement à l'ho risontale, en tous cas une droite de pente inférieure à celle du redresseur, au moyen des éléments résistifs. Il est bien évident que, sans sortir du cadre de l'inmention, l'autotransformateur 9 pourrait être inclus dans le trans formateur 5 de la manière suivante: le secondaire de ce transformateur serait muni d'une prise adéquate qui serait directement reliée à l'onduleur 8. L'invention s'applique à la traction ferroviaire REVENDICATION équipement d'alimentation et récupération de courant continu pour matériel de traction électrique, comportant un transformateur dont le primaire est connecté à un réseau alternatif haute tension par l'intermédiaire d'un appareillage de protection, et dont le secondaire est connecté à un bloc redresseur dont les bornes de sortie sont connectées au matériel de traction par l'intermédiaire de lignes de liaison, caractérisé en ce qu'il comporte - un bloo onduleur (8) dont les bornes d'entre sont connec téos aux lignes de liaison (3,4) par l'intermédiaire d'un élément inductif (12,13) et d'un élément résistif (11,14) respectivement, et - un autotransformateur (9) monté en élévateur de tension entre les bornes de sortie de l'onduleur et le secondaire du transformateur adaptateur(5).