Brevet FR2588432A1 — publié le 19870410

Dispositif d'alimentation en courant continu d'au moins deux charges élec- triques ayant une polarité commune, en particulier pour l'alimentation d'arcs électriques multiples La présente invention concerne un dispositif d'alimentation en courant continu d'au moins deux charges électriques ayant une polarité commune, applicable plus particulièrement aux fours à arcs et aux générateurs de plasmas. On sait qu'il est avantageux d'alimenter en courant continu cer- taines charges électriques, et notamment les arcs qui sont utilisés dans les fours à arcs ou les générateurs de plasmas. On obtient en effet une moindre consommation d'électrodes et un fonctionnement plus stable vis-àvis du réseau. Ces charges sont souvent multiples et à fonctionnement simultané, comme dans le cas d'un four à arc à plusieurs électrodes. De plus, un point équipotentiel commun est fréquemment imposé sur une polarité, soit du fait du fonctionnement, ce qui est le cas du bain d'un four à arc, soit pour des raisons de sécurité d'emploi comme dans le cas des torches à plasmas. A l'heure actuelle, la plupart des installations de ce type sont alimentées en alternatif. Il est donc avantageux, soit de réutiliser le trans- formateur alternatif existant dans le cas d'une modernisation, soit d'utiliser un réseau ou un transformateur commun d'alimentation alternative dans le cas d'une installation neuve, tout en conservant la possibilité de réaliser une conver- sion électronique individuelle et un contr6le individuel des tensions et cou- rants appliqués à chaque charge. La présente invention a précisément pour but de répondre à ces critères et, pour ce faire, elle a pour objet un dispositif d'alimentation qui se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend un ensemble de redres- seurs contrôlés par charge, disposés en pont de GRAETZ, en parallèle sur une alimentation alternative commune, les demi-ponts situés du côté de la polarité commune ayant une tension commune de commande de déphasage, tandis que les demi-ponts situés de l'autre côté sont commandés chacun par une régulation individuelle. Il est ainsi possible, comme on le verra plus clairement par la suite, de réduire les inter-réactions entre les différents ponts et d'équi- librer statiquement et d'namiquenment les courants, tout en réalisant les protections nécessaires. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la tension commune de commandehéphasage est normalement constante et ne varie qu'au delà d'un seuil d'intensité prédéterminé. En variante, la tension commune de commande de déphasage est cal- culée à partir des tensions de commande des autres demi-ponts. Il peut s'agir de la moyenne des tensions de commande des autres demiponts, ou bien du signal issu d'un asservissement de tension dont la référence est la moitié de la tension d'arc. Bien entendu, au-delà d'un seuil limite d'intensité, le déphasage desdemiponts côté polarité commune est également augmenté, afin de maîtriser le courant de court-circuit. - Avantageusement, une self de lissage est placée en série avec chacun des demi-ponts cSté polarité commune, ce qui permet de renforcer l'équilibrage dynamique. De préférence également, une chute de tension individuelle proporticnelle à l'intensité, est prévuedans chacun des demi-ponts cSté polarité commune, afin d'accroître encore l'effet d'équilibrage dynamique. Plusieurs formes d'exécution de l'invention sont décrites ci-après à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un dispositif d'alimentation conforme à l'invention, dans son application particulière à un four à arc à trois électrodes mobiles; - la figure 2 est un schéma d'un circuit de commande de ce-dispo- sitif d'alimentation; - la figure 3 est un schéma d'une variante de ce circuit de commande; et - la figure 4 est un schéma d'une autre variante du circuit de commande. Le dispositif d'alimentation représenté sur la figure 1 est conçu pour alimenter en courant continu un four à arc électrique 1 comportant trois électrodes mobiles 2. Dans l'exemple représenté, le four 1 comporte également trois électrodes de sole 3, mais qui sont à la même polarité par l'intermédiaire du bain de fusion 4. Tout se passe donc comme s'il n'y avait qu'une seule électrode de sole. L'alimentation se fait à partir d'un transformateur alternatif triphasé dont le secondaire 5, par exemple en triangle, est relié à un jeu de brres 6. Chacune des électrodes mobiles 2 du four 1 est alimentée par un convertis- seur formé d'un ensemble ou groupe de redresseurs contr6lés, constitués ici par des thyristors 7, disposés en pont de GRAETZ, respectivement A, B et C. Il y a ainsi un demi-pcnt de trois thyristors, ou ensemble de thyristors En parallèle respec- tivement A1, B1 et C1, du côté des électrodes mobiles, et un demi-pont de trois thyristors ou ensemble de thyristors en parallèle respectivemnt A2, B2 et C2 du c8té des électrodes de sole. Les trois ponts de thyristors A, B, C, sont connectés en parallèle sur le jeu de barres 6 de l'alimentation alternative commune par l'intermé- diaire de selfs de découplage 8. De façon connue en soi, une self de lissage 9 est placée en série entre chacun des demi-ponts A1, B1, C1 et l'électrode mobile 2 correspondante. Par ailleurs, une self de lissage additionnelle 10 est avantageusement placée en série entre chacun des demi-ponts A2, B2, C2 et l'électrode de sole 3 correspondante. Conformément à l'invention, le déphasage et la commande des thy- ristors des demi-ponts A1, B1, C1 sont dissociés de ceux des demi-ponts A2 B2, C2. Les demi-ponts A1, B1, C1 ont des angles de déphasage indépendants et sont commandés chacun par une régulation individuelle, tandis que les dm-ot demi-ponts A2, B2, C2 ont une tension commune de commande de déphasage. Ainsi, les demi-ponts A1, B1, C1 ont un fonctionnement indépendant et sont en régime redresseur ou onduleur selon les variations de la tension d'arc. En régime onduleur, leur angle de déphasage limite est réglé par une butée "marker" variable en fonction du courant. Cet angle de déphasage limite sera par exemple égal à 155 C, de manière que la commutation du courant de court-circuit éventuel soit toujours possible. Au contraire, les demi-ponts A2, B2, C2 ont une commande commune donnant à vide un déphasage pratiquement identique, adapté au point de fonc- tionnement du four à arc. En effet, ces trois demi-ponts se trouvent connectés en parallèle et la répartition des courants impose qu'ils aient la même ten- sion redressée, donc le même angle de déphasage. L'angle d'allumage retard sera supérieur à une valeur limite de 250 par exemple, ce qui permet d'at- teindre une tension résultante nulle, sans imposer aux demi-ponts A1, B1, C un déphasage supérieur à l'angle limite choisi de 155 , ce qui ferait appa- raittre un risque de défaut de commutation. Les selfs de découplage 8, nécessaires pour conserver, même en cas de simultanéité d'allumage, une tension alternative commune suffisante pour amorcer, donnent également à la caractéristique individuelle tension/ courant une pente qui assure déjà un équilibrage naturel des courants. Les selfs de lissage additionnelles 10 renforcent cet équilibrage dynamique. De plus, cet effet peut encore être accru en provcçiant sur chacul des demi-ponts A2, B2, C2 une chute de tension supplémentaire, par un déphasage complé- mentaire de la commande, fonction du courant débité par chaque groupe. Le schéma de la figure 2 représente un exemple de réalisation d'un circuit de commande des différents convertisseurs A, B, C répondant aux exi- gences exposées ci-dessus. Dans cet exemple de réalisation, chacun des demi-ponts A1, B1, C1 est associé à un ensemble de commande, respectivement CAl, CB1, CCl, compor- tant un déphaseur et générateur d'impulsion d'allumage individuel tel que 10, dont la tension de commande est issue d'un régulateur, par exemple de courant 11. Le signal de courant est mesuré sur chacune des barres de sortie alimen- tant les charges par un capteur tel que 12 associé à une sonde 13. Ce signal de courant est comparé au courant de référence IRA1 de l'électrode correspon- dante par un comparateur 14 et l'écart est amplifié par le régulateur 11 afin de commander en conséquence le déphaseur 10. Le réglage en régime normal du courant individuel issu des demi- ponts A1, 31, C1 est donc sous la seule dépendance de ces ensembles de commande CAl, CB1 et CC1. Quant aux demi-ponts A2, B2, C2, ils sont égale- ment associés chacun à un ensemble de commande, respectivement CA2, CB2 et CC2, comportant un déphaseur et générateur d'impulsion d'allumage individuel tel que 15. Toutefois, les trois déphaseurs sont, conformément à l'invention, soumis à une commande issue d'un mmme amplificateur de limitation de courant 16. Le plus grand des courants 1A1' I'1 IC1 de toutes les charges est sélectionné au niveau des trois ensembles de commande CA1, CB1, Cc1 au moyen d'un dispositif tel que 17, pouvant être constitué d'ailleurs par une simple diode, et il est comoarc dans un comparateur 18 à une valeur limite préaffi- chée dite courant de défaut YD' L'écart est ensuite corrigé par l'amplifica- teur 16 qui retarde simultanément l'allumage des trois demi-ponts A2, B2, C2 par l'intermédiaire des déphaseurs 15. Par ailleurs, un amplificateur de correction tel que 19 peut avantageusement être placé en amont de chacun des déphaseurs 15, afin d'introduire une chute d tension fonction du courant débité par chaque groupe, grâce à un capteur de courant tel que 20 associé à une sonde 21. Plus précisément, cet amplificateur de correction 19 rajoute, par la variation de la commande du déphaseur 15 correspondant, une chute de tension complémentaire proportion- nelle au courant débité par le groupe considéré. Avec un tel circuit de commande, les demi-ponts A2, B2, C2 déli- vrent une tension positive commune constante, dont la limite est fixée par l'angle retard minimum défini plus haut. La tension redressée appliquée à chaque électrode est ainsi la somme d'une tension positive commune et d'une tension positive ou négative. Elle peut donc varier de zéro à la tension maximum à tous les régimes d'intensité sans risque de défaut de commutation. Au voisinage de la tension nulle ou de la tension moyenne, la con- sommation d'énergie réactive se trouve réduite, du fait du décalage des allu- mages. De plus, au voisinage de la tension nulle, la capacité nominale du transformateur est fortement accrue, du fait du passage diamétral du courant. On notera en outre que l'association d'un deuxième dispositif d'alimentation analogue, alimentant d'autres charges au mâme point de fonc- tionnement, mais avec un couplage différent du transformateur apportant un décalage de 60 sur les tensions alternatives d'alimentation, permet de façon connue en soi une neutralisation des harmoniques de rang pair qui peuvent subsister avec un tel mode de commande. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 3, il y a en plus un opérateur de calcul 22 alimenté par les trois tensions de commande ECAI' ECB1 et ECc1 des trois demi-ponts A1, B1 et Ci. Cet opérateur réalise une certaine fonction des trois tensions, par exemple leur moyenne arithmé- tique, et le signal ainsi obtenu est après filtrage appliqué simultanément aux trois ensembles de commande CA2, CB2, CC2 par l'intermédiaire d'un sélecteur 23. Dans l'autre variante de réalisation représentée sur la figure 4, l'opérateur de calcul 22 est remplacé par un régulateur 24 asservi en ten- sion. La tension redressée issue des demi-ponts A2, B C est mesurée par 2' 2, 2 rapport au neutre réel du réseau d'alimentation secondaire ou par rapport au neutre reconstitué, comme ici lorsqu'il s'agit d'un secondaire en triangle, au moyen d'un capteur de tension 25, pour être comparée à la demi-référence de tension d'arc U/2 dans un comparateur 26. L'écart éventuel est ensuite corrigé par le régulateur de tension 24 qui délivre ainsi un signal de commande commune aux différents déphaseurs 15 par l'intermédiaire du sélec- teur 23. Dans ces deux derniers modes de réalisation, les demi-ponts A2, B2, C2 ont une tension redressée commune, asservie pour être identique à la moyenne de la tension redressée des demi-ponts A1, B1, C1. Le fonctionnement est alors quasi-hexaphasé en régime non perturbé, surtout si l'on tient compte des effets d'addition statistiques des harmoniques. On notera par ailleurs que dans les trois modes de réalisation décrits, le fonctionnement en régime de défaut est identique. En régime de courtcircuit sur la charge, l'action de la régulation sur le demi-pont A1, B1 ou C1 de l'électrode en cause maintient le courant dans les limites nor- males et cette action est complétée au-delà d'un certain seuil de courant par un déphasage complémentaire des demi-ponts A2, B2, C2, avec répercussion inévitable sur les trois alimentations. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation en courant continu d'au moins deux charges électriques ayant une polarité commune, notamment pour l'alimentation d'un four à arc à plusieurs électrodes ou de générateurs de plasmas, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de redresseurs contrôlés (7) par charge (2), disposés en pont de GRAETZ (A, B, C), en parallèle sur une alimentation alternative commune (5, 6), les demi-ponts (A2, B2, C2) situés du côté de la polarité commune ayant une tension commune de commande de déphasage, tandis que les demi-ponts (A1, B1, C1) situés de l'autre côté sont commandés chacun par une régulation individuelle. 2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension commune de commande de déphasage est normalement cons- tante et ne varie qu'au-delà d'un seuil d'intensité prédéterminé. 3. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension commune de commande de déphasage est calculée à partir des tensions de commande des autres demi-ponts (A1, B1, C1). 4. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce qu'une self de lissage (10) est placée en série avec chacun des demi-ponts (A2, B2, C2) cté polarité commune. 5. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'une chute de tension individuelle, pro- portionnelle à l'intensité, est prévue dans chacun des demi-ponts (A2, B2, C2) côSté polarit2' commune.2 c6te polarité commune.