Brevet FR2533773A1 — publié le 19840330

L'invention concerne un montage pour protéger contre les courts-circuits le fonctionnement en génératrice, excitée par excitation indépendante et réalisant une alimentation en retour dans le réseau d'alimentation, d'une machine électrique à courant continu à excitation compound, et qui convient le mieux poutempecher l'apparition d'un arc périphérique se produisant lors de la défaillance de la tension du réseau, et d'un court-circuit au collecteur. C'est un fait bien connu que lors de l'alimentation en retour dans le réseau, la génératrice à courant continu injecte à force le courant à l'encontre de la tension du réseau, à l'aide de la bobine d'arrêt située dans le circuit. L'intensité du courant est déterminée par la différence des deux tensions. Dans le cas où la "tension antagoniste" cesse dans le réseau, le circuit reste fermé, auquel cas le courant du circuit d'induit augmente à un degré inadmissible en passant par un circuit possédant une résistance rèlativement faible. La raison en est que le courant du circuit d'excitation indépendant diminue avec une constante de temps relativement élevée fournie par le circuit d'excitation.La vitesse de rotation de la machine ne peut pas diminuer de façon importante en raison des constantes de temps mécaniques - qui dépassent de plusieurs ordres de grandeur la constante de temps électrique - ce qui a pour effet que le flux, c'està-dire la tension intérieure de la machine reste conserve. Cette tension produit alors le courant de court-circuit. Sous l'influence du courant d'induit qui augmente, la tension entre les segments du collecteur de la génératrice à courant continu augmente au-delà de la valeur admissible, ce qui a pour effet que la commutation ne peut en aucun cas se dérouler pendant la durée pendant laquelle les relais court circuitent les segments, ce qui fait apparaI- tre l'arc périphérique du collecteur. Le phénomène décrit ci-dessus peut se produire dans les cas suivants: 1. Dans le cas d'un réseau d'alimentation à courant alter natif,la-génératrice-réalise directement une alimenta tion en retour dans le réseau directement par linter médiaire d'un onduleun-commandé, ou bien par l'inter~ médiaire d'un transformateur. Alors - l'onduleur commute - en étant commandé au-delà de la limite admissible - et fournit une gamme de tensions absolues positives (avec un fonctionnement en mo teur), - l'interrupteur principal situé dans le circuit primai re du transformateur se-de'clenche(par exemple dans le cas d'un système d'entrainement ferroviaire) et la sous station du réseau d'alimentation se déconnecte égale ment. 2. Dans le cas d'un réseau d'alimentation à courant contin nu, la génératrice réalise une alimentation en retour à l'aide du vibrateur et le réseau en courant continu pas se à l'état de court-circuit à la terre. Les méthodes actuellement utilisées pour réaliser une protection contre les courts-circuits sont les suivantes: 1. Dans le circuit d'induit on installe des disjoncteurs ul tra-rapides, possédant un temps inertie faible. L'in convénient de cette solution réside dans le fait qu'el le nécessite des dispositifs possédant un encombrement et un poids élevés, ce qui entrain dans certains cas des dépenses importantes. 2. Dans le circuit d'induit dans le cas du fonctionnement en génératrice, on monte des résistancesde limitation de courant branchés en série. A nouveau oette solution est liée à un encombrement important , le rendement de l'alimenta tion en retour se détériore et également la force de frei nage électrique pouvant être exercée diminue. 3. La génératrice fonctionne dans un mode anti-compound. L'inconvénient de cette solution réside dans la force de freinage électrique réduite pouvant etre exercée. 4. Dans le circuit d'excitation indépendant on installe une unité de désexcitation constituéé par des condensa teurs, des diodes et des thyristors, et ici le besoin en composants et en espace est à nouveau trop important. L'invention a pour but de créer un montage qui, moyennant l'utilisation d'un nombre relativement faible de composants pas trop onéreux,permet que lecourant d'induit reste au-dessous de la valeur admissible et empêche ainsi l'apparition du court-circuit. La protection mentionnée ci-dessus est obtenue à l'aide d'un circuit tel que pendant le fonctionnement une contre-exctation proportionnelle à la tension intérieure est produite en permanence dans la machine électrique. Cette-contre-excitation est maintenue tant que la vitesse de rotation mécanique et l'excitation de la bobine excitatrice extérieure, montée en parallèle, diffèrent de la valeur iiulle. L'avantage du montage conforme à l'invention tient au fait que la machine électrique fonctionne en tant que génératrice avec exclusivement une excitation indépendante, dans le réseau et que ce n'est que lorsque la-machi- ne est commutée sur lem' > 'e"anti-compound" qu'il se produit un accroissement dangereux du courant d'induit. De cette manière ni le rendement de l'alimentation en retour n'est affectée, ni la force de freinage électrique pouvant etre exercée n'est diminuée. Le montage conforme à l'invention est développé pour protéger contre les courts-circuits le fonctionnement en génératrice, excitée selon une excitation indépendante et réalisant une alimentation en retour dans le réseau d'alimentation, d'une machine électrique à courant continu à excitation compound, moyennant l'utilisation d'un enroulement d'exctation série et d'éléments de commutation commandés. Le montage conforme à l'invention consiste essentiellement en ce que les éléments de commutation commandés et l'enroulement d'excitation série sont branchés en série et que ce circuit série est raccordé aux bornes de l'induit de telle manière que lors du raccordement du ou des éléments de commutation commandés à l'enroulement d'excitation série, la. tension intérieure Ub produit un courant dans un sens tel qu'il produit, dans le circuit de l'enrou- lement série, une excitation dont le sens est opposé au sens de l'excitation de l'enroulement d'excitation indépendant, le ou les éléments commandés étant commandés par des capteurs connus en soi. Une forme de réalisation avantqgeuse du montage conforme à l'invention peut être caractérisée par le fait que le ou les éléments de commutation commandés sont formés par un ou plusieurs thyristors. Dans une autre forme de réalisation avantageuse du montage conforme à l'invention, le ou les éléments de commutation sont formés par un ou plusieurs transistors. Une autre forme de réalisation avantageuse peut être caractérisée par le fait que l'élément de commutation commandé est formé par un thyristor à coupure par la gâchette (GTo). Une autre forme de réalisation avantageuse de la solution conforme à l'invention peut être caractérisée par le fait qu'il est prévu, comme capteur, un transformateur de courant branché en série avec l'induit et dont la sortie est raccordée par l'intermédiaire d'un transformateur de signaux à ou dux entrées du ou des éléments de commutation commandés. Une autre forme de réalisation avantageuse peut être caractérisée par le fait que le capteur est agencé de manière à détecter la tension du réseau et que la sortie est reliée par l'intermédiaire d'un transformateur de signaux correspondant à ou aux entrées du ou des éléments de commutation commandés. Une autre forme de réalisation du montage conforme à l'invention peut être caractérisée par le fait que la première borne d l'induit est raccordée directement à une sortie de la tension du réseau tandis que l'autre sortie est raccordée d'une part par l'intermédiaire d'un contacteur de freinage et d'autre part par l'intermédiaire d'un enroulement d'excitation série et d'un contact de marche à l'autre borne de la tension d'alimentation, et que le ou les éléments -de commutation commandés sont branchés entre le point commun de l'enroulement d'excitatión série et du contact de marche et la première borne de ce dernier. D'autres caractéristique et avantages de-la présente invention ressortiront de la description donnée ciaprès prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un exemple de réalisation du montage conforme à l'invention, qui illustre le principe de l'invention; la figure 2 présente un autre exemple de réalisation du montage conforme à l'invention. L'essentiel du montage conforme à l'invention est visible de façon nette sur la figure l. L'enroulement d'excitation série 2 branché en série et l'élément de commutation 1 sont reliés à l'tnduit 4 de la machine à courant continu à excitation compound de manière que la tension intérieun Ub apparaissant dans l'induit 4 lors de la fermeture de l'élément de commutation 1 sur l'enroulement d'excitation série2 produit un courant 13 tel que l'excitation apparaissante agit à l'encontre de lexcitation produite par le courant 13 de l'enroulement d'excitation indépendant 3.Une réaction fortement négative s'exerce sur la machine électrique sous l'effet de l'influence de la contre-excitation apparaissant de cette manière et agissant dans l'enroulement d'excitation série 2, ce qui entraine une réduction du flux de la machine et par conséquent de la tension intérieure Ub. Tant que l'excitation de l'enroulement d'excitation indépendant 3 et la vitesse de rotation mécanique "n" de la machine diffèrent de la valeur nulle, l'excitation de l'enroulement d'excitation série 2 exerce également une influence.La sortie du capteur 6 est raccordé à l'entrée de l'élément de commutation commandé 1, le capteur 6 étant agence de telle sorte qu'il détecte aussi bien la surintensité que la défaillance de la tension du réseau, et ce de n'importe quelle manière connue en soi, et, dans le cas où l'intensité du courant dépasse une valeur prédéterminée ou bien que la tension du réseau tombe au dessous d'une valeur prédéterminée, l'élément de commutation 1 commandé est branché. L'avantage du montage conforme à l'invention apparait parfaitement sur le schéma, lorsque l'an compare l'inventioni1à la génératrice à excitation anti-compound. Le courant désiré d'induit est gêné dans les deux cas par une contre-excitation, mais cette contre-excitation exerce, dans le cas de la génératrice anti-coumpound, une action continue qui entrai ne une réduction extrême de la force de freinage, et simultanément, dans le montage conforme à ltinvention, la contre-excitation n'est produite que lorsque la protection vis-à-vis d'un court-circuit entre en action. Cette fonction peutetre bien observée dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2 du montage conforme à l'invention. Dans cette forme de réalisation, l'enroulement d'excitation série a une fonction double.Dans le cas du fonctionnement en moteur, lorsque l'élément de commutation 1 commandé, à savoir le thyristor dans le cas représenté, se situe dans un état débranché et que simultanément le contacteur de marche 9 est branché, l'enroulement d'excitation série 2 est raccordé, ain si que l'induit 4, par l'intermédiaire de l'inverseur IRA, en série à la tension d'alimentation U1 de la machine.L'enroulement d'excitation indépendant 3 est placé par l'intermédiaire de l'inverseur IRG- à la tension d'excitation Uc; Dans le fonctionnement endgénér-atrice,lorsque le contact de marche 9 est à l'état ouvert et que le contacteur de freinage 10 se situe à l'état fermé, la valeur réelle du courant détecté par le transformateur de courant 7 dépasse la valeur de consigne réglée par avants dans le transformateur de signaux 8, ce qui a pour effet que le signal apparaissant à la sortie du transformateur de signaux 8 branche le thyristor et que le thyristor branché établitun circuit parallèle entre l'enroulement d'excitation série 2 et l'induit 4. L'excitation se produit comme cela -a été décrit précédemment. Dans le cas de la réalisation représentée sur la figure 2 à titre d'exemple, l'élément de commutation commandé 1 est constitué par un thyristor; l'avantage du thyristor réside d'une part dans son branchement rapide et d'autre part dans le débranchement automatique lors de l'annulation du courant. A la place d'un thyristor on peut utiliser n'importe quel disjoncteur ultra-rapide mécanique commandé, un thyristor à coupure par la gSchette ou un transistor de puissance correspondante. REVENDICATIONS 1. Montage pour protéger contre les courts-cir- cuits le fonctionnement en génératrice, excitée avec une excitation indépendante et réalisant une alimentation en retour dans le réseau d'alimentation, de machines é3eet ques à courant continu à excitation compound, comportant un enroulement d'excitation série et un ou plusieurs éléments de commutation commandés, caractérisé en ce que le ou les éléments de commutation commandés (1) et l'enroulement d'excitation série (2) sont raccordés aux bornes de l'induit (4) de telle sorte que, lors du raccordement du ou des éléments (1) à l'enroulement d'excitation série (2), la tension intérieure (Ub) de l'induit (4) produit un courant d'un sens tel qu'il produit dans l'enroulement d'excitation série (t une excitation dont le sens est opposé à l'excitation de l'enroulement d'excitation indépendant le ou les éléments commandés (1) étant commandés à l'aide capteurs (6) connus en soi. 2. Montage selon la revendication 1,- caractérisé en ce que le ou les éléments commandés (1) sont constitués par des thyristors. 3. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les éléments commandés sont constitués par un ou plusieurs thyristors à coupure par la gRchette (GTo). 4. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les éléments commandés (1) sont constitués par un ou plusieurs transistors. 5. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu comme capteur (6) un transformateur de courant (7) branché en série avec l'induit (4) et dont la sortie est reliée par l'intermédiaire du transformateur de signaux (8) à ou aux entrées de commande du ou des éléments de commutation commandés. 6. Montage selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur (6) est agencé de manière à détecter la tension-du réseau et/ou le courant de l'induit et que sa sortie est reliée par l'intermédiaire du transformateur de signaux à la ou aux entrées de commande du ou des éléments de commutation commandés. 7. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6e caractérisé en ce que la première borné de l'induit (4) est raccordée directement à une sortie de la tension d'alimentation, tandis que l'autre- borne est raccordée d'une part par l'intermédiaire d'un contacteur de freinage (10) et d'autre part par l'intermédiaire de llen roulement d'excitation série (2) et du contacteur de marche (9), à l'autre borne de la tension d'alimentation; et que le ou les éléments commandés (1) sont branchés entre le point commun de l'enroulement d'excitation série (2) et le contact de marche (9) et la première borne de l'induit (4).