Brevet FR2695769A1 — publié le 19940318

CIRCUIT STATIOUE VARIATEUR DE TENSION ALTERNATIVE EN CHARGE La présente invention est relative à un circuit statique variateur de tension alternative en charge. Les circuits variateurs de tension alternative actuellement utilisés à ltéchelle industrielle permettent d'adapter d'une façon satisfaisante la tension d'alimentation aux conditions d'exploitation, ou d'utilisation, lesquelles varient notamment avec la charge consommant l'énergie électrique ainsi distribuée. Les circuits actuellement mis en oeuvre pour effectuer une telle régulation en haute tension utilisent essentiellement un transformateur à tension réglable en charge, le réglage de la tension délivrée étant effectué grâce au déplacement d'un contact mobile sur les prises de contact multiples de l'enroulement primaire d'un transformateur de réglage. Les puissances régulées en haute tension, 10 à 100 kV, peuvent atteindre grâce aux techniques des circuits précités, de quelques centaines à plusieurs milliers de kVA ou plus. Ces systèmes donnent satisfaction dans leurs domaines d'application, tels que chauffage électrique, fours électriques industriels ou autres, mais ont toutefois l'inconvénient de présenter un problème d'usure mécanique des contacts mobiles. En outre, les circuits actuels, en raison même de leur mise en oeuvre d'une solution essentiellement mécanique, ne permettent pas, sauf cas exceptionnel, d'effectuer un réglage fin des niveaux de tension ou de puissance régulés, à condition d'accepter des matériels coûteux tant en investissement qu'en maintenance. Différentes tentatives ont été effectuées afin de réduire le nombre ou supprimer la sollicitation des contacts mobiles. On peut par exemple citer le commutateur décrit par la demande de brevet 2 345 848 dans laquelle une commande de la commutation est effectuée au moyen de thyristors montés en tête-bêche, ces thyristors n'étant toutefois sollicités que pendant le changement de prise de contact par l'enroulement primaire du transformateur de réglage. On peut également citer le brevet allemand 2 120 679, lequel décrit un dispositif d'aide à la commutation d'un changeur de prise de contact mobile sur l'enroulement primaire d'un transformateur de réglage. Dans le dispositif décrit par le brevet précité, des circuits à thyristors, également montés en tête-bêche, permettent de réduire la durée du court-circuit dans les résistances de liaison des circuits à thyristor aux contacts mobiles. Plus récemment, dans la demande de brevet européen 0 124 904 a été décrit un commutateur de type mécanique dans lequel, en outre, un circuit électronique à thyristors, comportant deux thyristors montés en tête-bêche, permet de déplacer en charge le curseur du contact mobile en l'absence d'arc électrique et de court-circuit entre les plots. Dans un tel type de circuit, les thyristors doivent nécessairement être commandés en parfait synchronisme avec la position mécanique et le mouvement lent du curseur mobile. Enfin, on citera, pour mémoire, le brevet publié en URSS sous le numéro 675 571 dans lequel un circuit de commutation électronique est décrit. Toutefois, ce circuit est très complexe et nécessite notamment un circuit auxiliaire de polarisation de redressement par une tension continue. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients ou limitations des dispositifs de l'art antérieur précités. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un circuit statique variateur de tension alternative dans lequel les contacts mobiles par curseur peuvent être au moins simplifiés. Un autre objet de la présente invention est également la mise en oeuvre d'un circuit statique variateur de tension alternative dans lequel, bien que des contacteurs mécaniques soient utilisés, des redresseurs contrôlés permettent d'assurer non seulement une aide à la commutation mais également un réglage fin rapide de la tension alternative et de la puissance finalement délivrée par le circuit. Un autre objet de la présente invention est enfin la mise en oeuvre d'un circuit statique variateur de tension alternative dans lequel, en l'absence de contacteurs à curseur mobile spécifiques de type classique des enroulements primaires des transformateurs de réglage de l'art antérieur, des contacteurs normalement disponibles dans le commerce sont utilisés. Le circuit statique variateur de tension alternative objet de la présente invention comporte un transformateur de réglage à enroulement primaire à prises multiples. Iltest remarquable en ce qu'il comporte en outre un circuit en pont mixte comprenant une première branche à point milieu formée par deux thyristors en cascade, le point milieu recevant une tension d'alimentation d'entrée, et une pluralité de deuxièmes branches à point milieu. Chaque deuxième branche est formée par deux diodes en cascade et montée en antiparallèle sur la première branche et le point milieu de chaque deuxième branche est connecté par l'intermédiaire d'un contacteur à une des prises de l'enroulement primaire du transformateur de réglage. Le circuit statique variateur de tension alternative objet de la présente invention trouve application à l'alimentation électrique de fours verriers ou autres, ou de tubes à passage direct de courant électrique et, de manière plus générale, à l'alimentation des usagers industriels ou utilisateurs de courants de forte intensité nécessitant l'utilisation d'un transformateur. Il sera mieux compris à la lecture de la description et à l'observation des dessins ci-après dans lesquels - la figure 1 représente un schéma de principe du circuit statique variateur de tension alternative objet de la présente invention, - la figure 2 représente une variante de réalisation dans le cas d'un circuit objet de l'invention pour une tension alternative polyphasée, - la figure 3 représente une autre variante de réalisation dans laquelle à un contacteur est en outre associé un sélecteur, - la figure 4 représente une autre variante de réalisation dans laquelle à chaque contacteur est associé un sélec teur, - la figure 5a représente une autre variante de réalisation dans laquelle l'une des prises multiples du primaire du transformateur de réglage est connectée en permanence à une deuxième branche, le contacteur correspondant étant remplacé par une liaison permanente, - la figure 5b représente une variante de réalisation de la figure 5a dans laquelle une deuxième branche est égale ment formée par deux thyristors T'1, T'2 montés en cascade. - la figure 6 représente des chronogrammes de formes d'ondes remarquables des tensions ou courants en des points remarquables de tension alternative selon l'inven tion. Une description plus détaillée du circuit statique variateur de tension alternative, objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaison avec la figure 1. Selon la figure précitée, le circuit statique variateur de tension alternative objet de la présente invention comporte un transformateur de réglage TR à enroulement primaire à prise multiple. Sur la figure précitée, les prises multiples de l'enroulement primaire sont notées P1 à Pp et l'enroulement secondaire est représenté fermé sur une charge Ch à laquelle est délivrée l'énergie électrique correspondante. Le transformateur de réglage TR est un transforma teur de réglage de type classique, et à ce titre, celui-ci ne sera pas décrit en détail. Conformément à un aspect particulièrement avantageux du circuit statique variateur de tension alternative objet de la présente invention, le circuit statique variateur de tension alternative représenté en figure 1 comprend en outre un circuit en pont mixte, noté MC, jouant le rôle de module de commutation, et comprenant une première branche, notée 1, à point milieu, formée par deux thyristors, T1,T2 montés en cascade. Le point milieu de la première branche reçoit une tension d'alimentation d'entrée, notée AL sur la figure 1. Cette tension d'alimentation est par exemple celle délivrée par une ligne d'alimentation en moyenne tension, lorsque le circuit statique objet de la présente invention est destiné à alimenter par exemple des installations de fours de verrerie ou analogue. En outre, ainsi qu'on l'a représenté en figure 1, le circuit en pont mixte comprend une pluralité de deuxièmes branches, notées 21 à 2p, chaque deuxième branche comportant un point milieu, et étant formée par deux diodes, D1,D2 en cascade. Chaque deuxième branche est montée en anti-parallèle sur la deuxième branche 1, et le point milieu de chaque branche est connecté par l'intermédiaire d'un contacteur, noté C1 à Cp, à une des prises de l'enroulement primaire du transformateur de réglage TR. Le fonctionnement général du circuit statique variateur de tension alternative objet de la présente invention tel que représenté en figure 1 est le suivant la première branche, formée par les thyristors T1 et T2, fonctionne à partir de signaux de commande CT1, CT2, lesquels seront explicités ultérieurement dans la description, comme gradateur de tension. Les signaux de commande, CT1,CT2, permettent de faire varier l'angle de conduction des thyristors T1 et T2 précités. Le circuit en pont permet alors d'assurer la conduction à chaque alternance de la tension d'alimentation AL par l'intermédiaire des diodes D1, D2, respectivement. L'angle de conduction de chaque thyristor T1, T2 est légèrement inférieur à 180 degrés, en l'absence de recouvrement de leur angle de conduction respectif.L'intervalle de temps, ou angle pendant lequel les deux thyristors T1 et T2 sont bloqués, est utilisé pour assurer la commutation des contacteurs C1 à Cp, ce qui permet ainsi de faire varier le rapport de transformation du transformateur de réglage TR sur commande par un signal de commutation, noté CO. En outre, on constate que pendant la commutation, c'est-à-dire le passage d'un plot à l'autre, les contacteurs C1 et C2 sont temporairement et simultanément fermés sans toutefois provoquer de court-circuit entre les prises P1 et P2 correspondantes grâce aux diodes et à la commande appropriée des thyristors. Cf. fig. 6. Ainsi qu'on l'a représenté en outre en figure 2, on comprend que le circuit statique variateur de tension alternative objet de la présente invention n'est pas limité à un mode de réalisation monophasé. Au contraire, le transformateur de réglage TR peut être constitué par un transformateur polyphasé à n phase, et sur la figure 2, on a représenté un cas particulier non limitatif où le transformateur de réglage TR est un transformateur triphasé. A ce titre, et à seul titre d'exemple, le secondaire du transformateur de réglage peut être monté en étoile, la charge étant subdivisée en une charge triphasée, notée Ch1 à Ch3 également montée en étoile.Les enroulements primaires sont représentés sur la figure 2, et peuvent être montés en étoile à neutre sorti, noté N, le dispositif objet de la présente invention comportant alors trois modules, MC, ou circuits en pont mixte sensiblement identiques à celui représenté en figure 1. Chaque module MC est alors alimenté par une des phases, notées Ph1 à Ph3, du réseau alternatif polyphasé ou triphasé. Les contacteurs sont alors notés en référence à l'ordre des phases correspondantes C11 à Clip, C21 à C2p, respectivement C31 à C3p, une ou deux phases seulement pouvant être équipées du circuit selon l'invention. Selon une variante de réalisation telle que représentée en figure 3, il peut être avantageux d'intercaler entre les prises multiples de l'enroulement primaire du transformateur de réglage TR et le point milieu de chaque deuxième branche, plus particulièrement entre un contacteur donné, noté C à titre de simplification sur la figure 3, et l'enroulement primaire précité, un sélecteur, noté S, permettant de jouer le rôle ou de compléter le contacteur C correspondant. On comprend bien sûr que l'utilisation d'un sélecteur S permet de multiplier pour un contacteur donné le nombre de prises sur l'enroulement primaire du transformateur de réglage TR, ceci afin d'afiner la valeur du rapport de transformation de ce dernier, et finalement le niveau d'énergie transmise à la charge.On comprend bien sûr que dans un tel cas, la manoeuvre du sélecteur S peut alors être effectuée au moyen d'un moteur de manoeuvre du sélecteur MS, lequel permet de modifier la position du sélecteur S d'une prise, Pl à P5, telle que représentée sur la figure 3, au moyen d'un signal de commande de commutation COS du sélecteur, cette commutation étant bien entendu effectuée pendant que le contacteur C est ouvert au moyen du signal de commutation du contacteur CO, lorsque le contacteur C n'a pas été supprimé. Bien entendu, on comprend également que le contacteur C peut être supprimé, le sélecteur S pouvant alors jouer le rôle à la fois de sélecteur et de contacteur C, et la commutation du sélecteur pouvant éventuellement être effectuée pendant l'angle d'extinction des thyristors T1 et T2 précédemment cités. Sur la figure 4, on a représenté une variante particulièrement avantageuse d'un mode de réalisation du circuit statique variateur de tension alternative objet de la présente invention dans lequel chaque contacteur C1 à Cp étant maintenu, le sélecteur S permet, en liaison avec chaque contacteur, un sélecteur étant associé à chaque contacteur et portant une référence correspondante, S1 pour le contacteur C1, respectivement S2 pour le contacteur C2, ces sélecteurs permettant en fait d'effectuer un réglage de tension délivré par le transformateur de réglage TR selon un réglage grossier par l'intermédiaire des seuls contacteurs C1, C2, un réglage fin par l'intermédiaire des sélecteurs S ou Sz, et un réglage très fin par l'intermédiaire des contacteurs C1,C2, et des sélecteurs S1,S2. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux tel que représenté en figure 5a, l'un des points milieu d'une deuxième branche, la branche 21 sur la figure précitée, est en liaison électrique directe avec l'une des prises multiples de l'enroulement du transformateur de réglage TR. On comprend dans ce cas que le contacteur C1 a donc été supprimé et remplacé par une liaison électrique permanente. De préférence, le point milieu considéré est' en liaison avec une prise déterminée, la prise notée Pl sur la figure 5a, cette prise correspondant à une puissance délivrée maximale ou, le cas échéant, minimale, par le transformateur de réglage TR. Sur la figure 5a, on note en outre la présence d'une unité de commande, notée 3, laquelle permet d'engendrer les différents signaux de commande précédemment mentionnés, CTl et CT2 pour la commande des thyristors T1 et T2, la commande de commutation CO pour les commutateurs Cl, C2 ou C3, ce signal de commande de commutation pouvant consister en un simple échelon de tension permettant de commander la bobine d'un relais de commande des différents contacteurs précités et, enfin, le signal de commande de commutation du sélecteur, COS, par l'intermédiaire du moteur MS.On notera que le moteur MS peut être constitué par un moteur pas à pas, lequel peut etre commandé alors de manière classique par voie numérique avec transformation en signal analogique permettant de commander de manière précise le déplacement du moteur MS par pas, permettant le passage d'un contacteur au suivant, par exemple. Ce type de commande ne sera pas décrit en détail, car il est parfaitement connu de l'homme du métier. On notera en outre sur la figure 5a la présence d'un circuit à résistance capacité, RC, lequel peut être connecté en permanence par exemple sur le contacteur C2 en parallèle sur celui-ci, de façon à diminuer les transitoires de commutation éventuels. Enfin, sur le mode de réalisation de la figure 5b, on a représenté une variante de réalisation avantageuse dans laquelle l'une au moins des deuxièmes branches, la branche 21 par exemple, est remplacée par une pseudo-première branche à point milieu formée par deux thyristors en cascade T'1 et T'2. La deuxième branche est bien entendu montée en anti-parallèle avec la première branche pour réaliser à la fois la fonction de deuxième branche du circuit en pont mixte MC lors de la conduction des thyristors T'1,T'2 de la pseudo-première branche et la fonction de commutation du contacteur, le contacteur C1, lequel en l'occurence peut être supprimé, ainsi que représenté en figure 5b, lors de l'extinction des thyristors T'1 et T'2. La commutation précitée correspond alors à une commutation quasi-discrète ou en train d'onde de puissance entre deux niveaux de puissance correspondant aux prises P1 et P2. Le fonctionnement de l'ensemble des modes de réalisation ou variantes du circuit statique variateur de tension alternative objet de la présente invention représenté en figures 1 à 5b peut être illustré au moyen des chronogrammes représentés en figure 6, dans lesquels on a représenté successivement la tension d'alimentation ou la tension de chaque phase Ph1,Ph2,Ph3 en fonction du temps, A désignant l'amplitude, puis les signaux de commande des thyristors T1 respectivement T2 en fonction du temps, ou, le cas échéant, des thyristors T'1,T'2, les intervalles de temps At représentés correspondant aux intervalles de temps pendant lesquels les thyristors T1 et T2 respectivement T'1,T'2 sont non conducteurs, puis enfin, le courant dans la charge, IC, ou dans chaque charge triphasée, IC1,IC2,IC3, les angles de conduction sont étant respectivement Oc et les angles d'extinction étant notés 6e et correspondant aux intervalles de temps AT précédemment mentionnés. On comprend bien sûr que le module de commande 3 permet en fait de faire varier l'angle de conduction effectif Oc, cet angle de conduction pouvant être quelconque en régime transitoire, et particulièrement l'angle d'extinction 6e pouvant être augmenté pendant les périodes de commutation des commutateurs ou des sélecteurs, l'angle d'extinction 6e étant au contraire très faible, de quelques degrés, en régime permanent, mais jamais nul. On comprend ainsi que le règlage très fin précédemment mentionné peut être effectué par l'intermédiaire des thyristors, lesquels fonctionnent en gradateur. On a ainsi décrit un circuit statique variateur de tension alternative en charge particulièrment performant, lequel peut être utilisé dans les circuits d'alimentation en énergie électrique de forte puissance dans des applications dans lesquelles les perturbations permanentes associées à l'électronique de puissance ne sont pas acceptables, les générations d'harmoniques et oscillations parasites étant supprimées, les risques de court-circuit et de surtension sont négligeables, et dans lesquels la régulation des transitoires de puissance doit être rapide et couvrir une large dynamique, seules des perturbations de courte durée pouvant être tolérées. En outre, on comprend qu'une régulation fine permanente et de petite amplitude du rapport de transformation du transformateur de réglage peut être obtenue, et corrélativement, du niveau d'énergie électrique ainsi transmis à la charge. En outre, une régulation lente de grande amplitude et sans perturbation peut également être obtenue en raison de la souplesse du circuit et en particulier du module de commutation MC précédemment défini. REVENDICATIONS 1) Circuit statique variateur de tension alternative en charge, comportant un transformateur de réglage (TR) à enroulement primaire à prises multiples, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit (MC) en pont mixte comprenant - une première branche (1) à point milieu formée par deux thyristors (Tl,T2) en cascade, le point milieu recevant une tension d'alimentation d'entrée, - une pluralité de deuxièmes branches (21 à 2p) à point milieu, chaque deuxième branche étant formée par deux diodes (D1, D2) en cascade et montée en anti-parallèle sur ladite première branche, le point milieu de chaque deuxième branche étant connecté par l'intermédiaire d'un contacteur (C1 à Cp) à une des prises de l'enroulement primaire dudit transformateur de réglage. 2) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit transformateur de réglage (TR) est un transformateur monophasé ou polyphasé à n phases, ledit circuit comportant un circuit en pont mixte par phase considérée. 3) Circuit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que celui-ci comporte, intercalé entre lesdites prises et lesdits points milieux, un sélecteur permettant de jouer le rôle ou de compléter les contacteurs. 4) Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque contacteur (Cl à Cp) étant maintenu, ledit sélecteur permet, en liaison avec chaque contacteur, d'effectuer un réglage de tension délivrée par ledit transformateur de réglage (TR) selon un réglage grossier, par l'intermédiaire des seuls contacteurs, fin, par l'intermédiaire du sélecteur, et, très fin, par l'intermédiaire des contacteurs et du sélecteur, le réglage très fin étant ajusté par l'intermédiaire des thyristors. 5) Circuit selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'un des points milieux est en liaison électrique directe avec l'une des prises multiples de l'enroulement dudit transformateur de réglage (TR), ladite prise correspondante à une puissance délivrée maximale ou minimale par le transformateur de réglage (TR). 6) Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'une au moins desdites deuxièmes branches est remplacée par une pseudo-première branche à point milieu formée par deux thyristors en cascade, ladite pseudo première branche étant montée en anti-parallèle avec ladite première branche pour réaliser à la fois la fonction de deuxième branche du circuit en pont mixte lors de la conduction des thyristors de ladite pseudo-première branche et la fonction de commutation du contacteur associé à ladite deuxième branche lors de l'extinction desdits thyristors, cette commutation s' analysant en une commutation quasi- discrète de puissance entre deux niveaux de puissance distincts.