Brevet FR2498390A1 — publié le 19820723

L'invention se rapporte au domaine de lå technique des courants forts et, plus précisément, concerne un dispositif de réglage de tension et de réactance dans des réseaux électriques. L'invention peut être utilisée lors de l'exploitation de réseaux électriques de consommateurs industriels. Un des domaines importants où l'invention trouve son application sont les systèmes d'alimentation en énergie électrique à charges alternatives brusques, par exemple les fours électriques. On sait que la nécessité du réglage de la tension dans les réseaux électriques est déterminée par les exigences des consommateurs dont les possibilités techniques limitent les valeurs des écarts de cette tension. Lors de changements relativement lents de la charge, le maintien du niveau exigé de la tension est, normalement, réalisé chez les consommateurs par des commutations par bonds de prises de transformateurs à l'aide de commutateurs électromécaniques.Néanmoins, lors d'un tel réglage, la zone d' in- sensibilité, déterminée par la valeur du palier de réglage, est fréquemment trop élevée, et pour certains consommateurs les fluctuations et les écarts de la tension dans les limites de la zone d'insensibilité peuvent dépasser les limites admissibles, Lors de la réduction de la zone d'insensibilité, on observe une augmentation du nombre des paliers de réglage, ce qui complique considérablement la construction des dispositifs pour le réglage de la tension. En outre, la présence d'une zone d'insensibilité diminue les pertes de tension admissibles dans le réseau, ce qui exige une augmentation de la section des fils pour assurer des écarts normalisés de la tension chez les consommateurs. On connait des dispositifs de réglage de tension sous charge (voir par exemple le certificat d'auteur de l'URSS nO 237233), comportant un transformateur, équipé d'un organe de réglage de tension.sous charge, et des soupapes à semi-conducteurs commandées dans le circuit du commutateur de prises. Parmi les défauts caractérisant de pareils dispositifs, il convient avant tout de souligner la présence de mécanises de commutation des branchements, le réglage par paliers de la tension et la faible vitesse d' actionnement. Ainsi, par exemple, dans les dispositifs d'alimentation de fours à arc électrique, outre le réglage de la tension de l'arc, il faut en plus limiter les courants des courts-circuits d'exploitation. Ceci est obtenu par connexion en série d'une inductance avec le transformateur, tandis que les commutations des prises du transformateur sont réalisées par paliers par l'intermédiaire d'un commutateur électro-mécanique. La présence d'une inductance connectée en série au transformateur du four entraine une baisse de la puissance de l'arc en régime de combustion, tandis que l'eff i- cacité de la limitation des courants des courts-circuits d'exploitation est insuffisante, car la plupart des courtscircuits ont lieu lors de la fusion du métal, quand on a établi une tension maximale à l'aide du commutateur. Etant donné l'absence d'un réglage rapide par phase de la tension et de la réactance du four à arc électrique, la fluctuation et le déséquilibre de la tension dans le réseau sont élevés. Dans les réseaux électriques caractérisés par des charges alternatives brusques, l'utilisation des dispositifs à commutateurs mécaniques est inefficace, car ils ne peuvent assurer un réglage rapide. C'est pourquoi la commutation des prises du transformateur de puissance est réalisée à l'aide de thyristors. Ainsi, on connait des dispositifs pour la commutation sous charge d'un transformateur ou d'une bobine d'inductance (voir, par exemple, le brevet français nO 2023988, publié le 25 Septembre 1970, dans lesquels le changement du coefficient de transformation et, par conséquent, de la tension chez le consommateur est réalisé à l'aide de soupapes commandées.Les dispositifs de ce type se différencient en général l'un de l'autre par le nombre de soupapes commandées dans le dispositif de commutation, la quantité de prises du primaire du transformateur et les schémas de commande. Cependant, dans les dispositifs cités, le réglage de la tension est réalisé par paliers. En outre, la quantité des soupapes commandées dépend du nombre de paliers de réglage et, selon la tension inverse, ces soupapes doivent correspondre à la tension nominale de l'enroulement primaire. Les dispositifs du type indiqué sont compliqués, du fait qu'outre la grande quantité de soupapes, on doit y prévoir des moyens de protection des soupapes commandées lors des courts-circuits. De la sorte, il existe un besoin urgent en ce qui concerne la mise au point de moyens efficaces à actionnement rapide pour le réglage progressif de la tension et de la réactance dans les systèmes d'alimentation en énergie électrique à charges alternatives brusques. On connait un dispositif de réglage de la tension et de la puissance réactive dans des réseaux électriques (voir le certificat d'auteur d'URSS nO 599311, publié le 25 Mars 1978, Cl. int. H 02 J 3/18, délivré à L.V. Yarnykh et V.G. Rudnitsky, auteurs de la présente invention), assurant le réglage progressif de la tension et l'élimination automatique des fluctuations de la tension. Ce dispositif comporte un transformateur, dont l'enroulement primaire et l'enroulement de réglage sont connectés en série, ainsi qu'un élément réactif (un condensateur) et un bloc de soupapes commandées. Les soupapes commandées sont raccordées par l'une de leurs sorties à l'extrémité de l'enroulement de réglage, et par l'autre, à la sortie du réseau à laquelle est connectée simultanément une des sorties du condensateur dont la deuxième sortie est connectée à la sortie commune de l'enroulement primaire et de l'enroulement de réglage. Lors de charges faibles, le transformateur fonctionne avec un rapport de transformation minimal, du fait que les soupapes commandées sont complètement ouvertes, le condensateur se trouvant connecté en série avec l'enroule- ment de réglage dont toutes les spires sont mises en circuit. Avec l'augmentation de la charge et la baisse de la tension sur le secondaire du transformateur, l'angle de connexion des soupapes commandées diminue, ce qui fait que, pour un cas limite lors d'une charge maximale, les soupapes sont complètement fermées et l'enroulement de réglage est mis hors circuit, tandis que le condensateur se trouve connecté en série à l'enroulement primaire du transformateur. De ce fait, la hausse de la tension secondaire est due non seulement à l'augmentation du rapport de transformation, mais aussi à la compensation de la chute de tension sur le condensateur longitudinalement connecté. Les régimes intermédiaires sont assurés par un changement par phases progressif de l'angle de connexion des soupapes commandées de Oo à 1800.L'élimination des fluctuations de la tension sur l'enroulement secondaire du transformateur lors de charge alternative brusque est obtenue par un changement du degré de la compensation capacitive longitudinale et par un réglage rapide de l'angle de connexion des soupapes commandées. Les principaux défauts du dispositif précité sont la nécessité de la commutation forcée des soupapes commandées dans les régimes intermédiaires pour éliminer les surtensions de commutation, de même que la possibilité d'apparition de régimes d'auto-excitation et de résonances sur les harmoniques supérieurs. De plus, la limitation des courants de court-circuit est impossible, tandis que lors d'une connexion longitudinale du condensateur a lieu même, une augmentation importante de ceux-ci due à la compensation capacitive de la réactance du réseau. L'invention vise à fournir un dispositif de réglage de la tension et de la réactance dans les réseaux électriques qui, grâce à une utilisation plus efficace de son élément réactif, assure une amélioration des régimes nominaux et troublés du réseau électrique et du consommateur, et notamment la hausse de la qualité du réglage progressif de la tension et la limitation des courants de court-circuit. Ce problème est résolu du fait que le dispositif de réglage de la tension et de la réactance dans le réseau électrique, comprenant un transformateur dont 1' enroule- ment primaire comporte une prise, un élément bipolaire réactif connecté à la source d'alimentation et électriquement relié à l'enroulement primaire du transformateur, un groupe de soupapes commandées connectées tête-bêche dont une sortie commune est connectée avec l'élément bipolaire réactif, à la source d'alimentation, tandis que l'autre sortie commune est électriquement reliée à l'enroulement primaire du transformateur, est caractérisé, suivant l'invention, en ce qu'en qualité d'élément bipolaire réactif, on utilise une inductance dont la liaison électrique avec l'enroulement primaire du transformateur est réalisée par connexion de sa sortie à l'une des extrémités de l'enrou- lement primaire, tandis que la liaison électrique entre le groupe de soupapes commandées connectées tete-bêche et l'enroulement primaire du transformateur est obtenue en connectant l'autre sortie commune à la prise de l'enroulement primaire du transformateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaltront à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de sa réalisation avec référence à la figure unique du dessin annexé, où est représenté le schéma de principe du dispositif suivant l'invention. Comme cela est indiqué sur le dessin, le dispositif revendiqué comporte un transformateur 1 avec un enroulement primaire 2 et un enroulement secondaire 3. Le chiffre 4 indique la charge dans sa forme générale. L'enroulement primaire 2 a une prise 5. La source d'alimentation est indiquée par 6. A la source 6 d'alimentation est connectée, par l'une de ses sorties, une inductance 7 dont l'autre sortie est connectée à l'extrémité de l'enroulement primaire 2. A la source 6 d'alimentation est aussi connectée une des sorties communes d'un groupe de soupapes commandées 8, 9 connectées tete-beche, l'autre sortie commune de celles-ci étant connectée à la prise 5 de l'enroulement primaire. Les électrodes de commande des soupapes 8, 9 peuvent être connectées au dispositif de commande (par exemple par impulsions à déplacement dans le temps) qui, en fonction du courant, de la tension ou de la résistance de l'arc, change l'angle de connexion des soupapes commandées. dans les limites de O à 1800 degrés électriques. En régime de charges minimales, le transformateur 2 fonctionne avec un rapport de transformation minimal, car les soupapes commandées 8, 9 sont complètement fermées et toutes les spires de l'enroulement primaire 2 sont branchées. En outre, sur l'inductance 7 connectée en série avec l'enroulement primaire 2, apparat une perte de tension supplémentaire, ce qui provoque une baisse supplémentaire de la tension sur l'enroulement secondaire 3 du transfor mateur - Avec une augmentation de la charge et une baisse de la tension sur l'enroulement secondaire 3 du transformateur, l'angle de connexion des soupapes commandées 8, 9, augmente, ce qui engendre une hausse du rapport de transformation 1 et une réduction des pertes de tension sur l'inductance 7. En régime de charges maximales, les soupapes commandées 8, 9 sont complètement ouvertes et le transformateur 1 fonctionne avec un rapport de transformation maximal. Le dispositif suivant l'invention peut etre utilisé avec le plus d'efficacité dans les réseaux électriques d'alimentation de fours à arc électrique d'aciérie d'une capacité de 3 à 40 tonnes. C'est pourquoi le fonctionnement du dispositif est ultérieurement décrit pour un exemple d'application dans ce domaine. Ainsi, en régime de combustion de l'arc, les sou papes commandées 8, 9 sont complètement ou partiellement (selon la tension exigée de l'arc) ouvertes, ce qui permet d'atteindre la puissance maximale de l'arc lors de la fusion du métal, grâce à l'élimination de la connexion longitudinale de l'inductance 7 et de sa mise en régime de connexion parallèle avec une partie de l'enroulement primaire. Lors de l'apparition d'un court-circuit dans le circuit secondaire du transformateur 1, la commande des soupapes, réalisée par exemple en fonction de la résistance de l'arc, se trouve immédiatement bloquée, les soupapes 8, 9 se ferment dès le premier passage du courant à zéro, et l'inductance 7 est mise en régime de connexion longitudinale.Avec cela, le courant de court-circuit est diminué, non seulement grâce à la connexion longitudinale de l'inductance, mais aussi grâce à la réduction de la tension secondaire obtenue par l'augmentation du nombre de spires de l'enroulement primaire 2. Etant donné qu'une connexion longitudinale de longue durée de l'inductance 7 n'est possible que lors du raffinage du métal, quand le courant de l'arc ne dépasse pas 0,5-0,7 de la valeur nominale, le degré de réaction de l'inductance peut être fortement augmenté par comparaison avec les solutions connues.Ceci permet d'effectuer une réduction supplémentaire des courants de court-circuit jusqu'à une grandeur ne dépassant pas 1,5-2 de la valeur multiple du courant nominal du transformateur et, par conséquent, d'augmenter considérablement la puissance de l'équipement du four, notamment du transformateur, selon les conditions de stabilité thermique. Les conditions du choix selon la tension des soupapes commandées sont facilitées, du fait que la tension maximale possible sur les soupapes commandées ne dépasse pas la chute de tension sur l'inductance 7 en régime de court-circuit, qui est de beaucoup inférieure au nominal. L'utilisation de la présente invention lors de l'exploitation de systèmes d'alimentation en énergie électrique de consommateurs industriels permet de réaliser un réglage progressif de la tension coté secondaire du trans formateur, de limiter le courant de court-circuit et, dans le cas d'une charge deséquilibrée lors d'un réglage par phase de la tension à l'aide de soupapes commandées, d'obtenir l'équilibrage de la tension sur l'enroulement secondaire du transformateur. REVENDICATION Dispositif de réglage de tension et de réactance dans des réseaux électriques, comportant un transformateur (1), dont l'enroulement primaire (2) comporte une prise (5), un élément bipolaire réactif, connecté à la source d'alimentation et électriquement relié à l'enroulement primaire (2) du transformateur, un groupe de soupapes commandées (8, 9) connectées tête-bêche, dont une sortie commune est connectée, avec l'élément bipolaire réactif, à la source d'alimentation, tandis que l'autre sortie commune est électriquement reliée à l'enroulement primaire (2) du transformateur, caractérisé en ce qu'en qualité d'élément bipolaire réactif, on utilise une inductance (7) dont la liaison électrique avec l'enroulement primaire (2) du transformateur est réalisée par connexion de sa sortie à l'une des extrémités de cet enroulement, tandis que la liaison électrique entre le groupe de soupapes commandées (8, 9) connectées tete-bêche et l'enroulement primaire (2) du transformateur est réaliséeen connectant l'autre sortie commune à la prise (5) de cet enroulement.