Brevet FR2704709A1 — publié le 19941104

Dispositif convertisseur de puissance pour l'alimentation en courant continu d'un four électrique à arc L'invention concerne un dispositif convertisseur de puissance pour l'alimentation en courant continu d'un four électrique à arc. De tels fours à arc électrique sont utilisés notamment pour fondre puis affiner des ferrailles. L'invention s'applique plus particulièrement à l'alimentation en courant continu de telles charges, dont les paramètres électriques sont susceptibles de varier fréquemment et dans des proportions importantes. La technique la plus ancienne pour l'alimentation des fours à arc est illustrée figure 1. Elle consiste à alimenter les électrodes directement en courant alternatif triphasé : un premier transformateur abaisseur 1 alimente une jeu de barres 2 distribuant le courant à un ou plusieurs transformateurs individuels ajustables 3 abaissant la tension au niveau voulu et alimentant en direct le four 4. Ce dernier est constitué d'une cuve 5 recevant dans sa partie inférieure les ferrailles 6 et pourvue de trois électrodes mobiles 7 reliés chacune à rune des phases du circuit secondaire du transformateur abaisseur 3, produisant ainsi le jaillissement d'un arc 8 entre électrodes 7 et ferrailles 6 et provoquant la fusion puis l'affinage de ces dernières. Les figures 2 et 3 illustrent les caractéristiques de fonctionnement d'un tel four à courant alternatif, respectivement la caractéristique tension (Uarc)/courant (parc) et puissance réactive (Q)/puissan- ce active (P) pour les différents points de fonctionnement (CC repérant le point de fonctionnement en court-circuit, F, le régime correspondant à la fusion des ferrailles et A, à l'affinage de celles-ci). Comme on peut le constater, un tel four alimenté en alternatif délivre une puissance sensiblement constante (AP très faible) mais présente des variations importantes de puissance réactive (AQ) et d'intensité (AI), le fonctionnement étant sensiblement à puissance active constante en dehors des situations de court-circuit. En particulier, les variations importantes de puissance réactive sont suscep tibles d'engendrer des fluctuations de tension importantes sur le réseau amont, réinjectant dans celui-ci des perturbations électriques, en particulier sous forme de "flicker", c'est-à-dire des fluctuations de tension dans la bande 0-30 Hz entraînant un "papillotement" de l'éclairage. Depuis quelques années, la tendance est à la substitution à cette alimentation en courant alternatif d'une alimentation en courant continu, avec interposition d'un convertisseur alternatif'continu entre le transformateur aval et les électrodes. L'alimentation en courant continu présente en effet deux avantages essentiels, dont découlent tous les autres, à savoir que: - le pôle positif de l'arc est constitué par la ferraille elle-même, solide ou fondue, l'électrode mobile (unique ou multiple) cons tituant le pôle négatif. La dissipation d'énergie le long de l'arc étant non linéaire et supérieure du côté du pôle positif, on chauffe plus la ferraille que l'électrode. - les surintensités dues aux court-circuits d'arcs, très fréquents en phase d'amorçage et de fusion, sont limitées par le conver tisseur. il s'ensuit une moindre consommation d'électrode, une diminution des perturbations électriques réinjectées au réseau -notam- ment du flicker -, ainsi qu'une amélioration de la productivité du four. Les convertisseurs à courant continu utilisés jusqu'à présent sont du type général illustré schématiquement figure 4. Le primaire 9 du transformateur aval alimente un ou plusieurs secondaires 10, 11, reliés chacun à un pont redresseur respectif 12 du type "pont de Graetz" classique à semiconducteurs commandés (thyristors). L'une des bornes de sortie de chaque pont est reliée à une électrode mobile commune 7 et l'autre borne est reliée, généralement par l'intermédiaire d'une inductance de lissage 13, à une électrode de sole respective 14 directement en contact avec la ferraille 6. La structure d'un pont de Graetz, schématisée en 12 sur les figures, est illustrée plus en détail figure 5. Celui-ci comporte deux séries de trois thyristors 15, 16 montés en "parallèle double" (ou "triphasé double alternance") avec, respectivement, cathode commune et anode commune et attaqués par leur autre électrode à un même système (étoile ou triangle) de tensions polyphasées ; les séries de thyristors 15, 16 sont déclenchés chacune avec un angle d'amorçage respectif commun 0:1 ou a2. Généralement, pour limiter les harmoniques injectés au réseau, on utilise une pluralité de ponts de Graetz à six pulsations, alimentés chacun par des secondaires déphasés. Sur la figure 4 on a ainsi représenté deux secondaires 10, 11 déphasés de 30 par un couplage étoile-triangle alimentant deux ponts de Graetz, mais la solution est généralisable à trois ponts de Graetz (déphasages de -20 , 0 , +20 ), quatre ponts de Graetz (déphasages de 0 , +15 , +30 et +450), etc., chaque pont de Graetz constituant un convertisseur élémentaire à six pulsations. À cet égard, bien que dans la suite on ne considérera qu'un ensemble à deux redresseurs, par exemple à deux ponts de Graetz, on comprendra que l'invention est parfaitement généralisable à un nombre plus important de redresseurs, alimentés par des secondaires déphasés. Les figures 6 et 7 sont homologues des figures 2 et 3, dans le cas d'un dispositif à courant continu. Comme on peut le voir, le dispositif fonctionne à courant constant mais avec une puissance active très variable, à la différence de la technique à courant alternatif. On constate des variations plus faibles, mais encore notables, de puissance réactive Q et, en outre, en valeur moyenne, la consommation d'énergie réactive reste élevée, ce qui implique généralement la présence d'un régleur en charge 17 pour le transformateur aval et celle d'une batterie de compensation 18 relativement importante. Sur ce point, le dispositif à courant continu n'apporte guère d'améliorations notables par rapport à un dispositif à courant alternatif. Les variations de puissance réactive d'un régime de fonctionnement à l'autre sont toutefois moindres que dans le cas d'une alimentation en courant alternatif, d'où des fluctuations de tension plus faibles en amont sur le réseau et une diminution du flicker. Mais, dans le cas de réseaux d'alimentation insuffisamment dimensionnés, ces variations de tension, qui sont proportionnelles à la puissance réactive consommée et inversement proportionnelles à la puissance de court-circuit du réseau, demeurent souvent excessives, en particulier à cause du flicker, et obligent à disposer de moyens de correction additionnels très coûteux (dispositifs dits "antiflicker" ou "TCRs", Thyristor Control Reactors, comme la plupart du temps pour une solution en courant alternatif). En revanche, si l'on considère les valeurs instantanées des puissances réactives consommées, on note des valeurs crête nettement plus faibles en courant continu, car la régulation de courant permise par le convertisseur est en général suffisamment rapide pour limiter la surintensité en situation de court-circuit à une valeur pratiquement négligeable. L'un des buts de l'invention est de remédier aux inconvénients respectifs rencontrés tant avec les solutions à courant alternatif qu'à courant continu, en proposant une nouvelle structure de convertisseur à courant continu qui permette une réduction importante de la consommation de puissance réactive et une amélioration notable de la caractéristique tension/courant fournie à l'arc continu, tout en réduisant le coût global du convertisseur, par simplification du transformateur aval (le régleur n'étant plus nécessaire) et une forte réduction du dimensionnement de la batterie de compensation, typiquement de moitié. On verra en particulier que le convertisseur à courant continu de l'invention permet de fonctionner à puissance active sensiblement constante, comme dans le cas d'un four alimenté directement en courant alternatif, mais avec une faible puissance réactive consommée, et sans surdimensionnement du convertisseur ni de son transformateur associé. Le dispositif que propose l'invention est du type général précité, c'est-à-dire comportant comportant au moins un transformateur alimenté à son primaire par un courant alternatif triphasé et délivrant sur au moins un secondaire un courant triphasé appliqué à des moyens redresseurs délivrant en sortie à la charge une tension et un courant redressés, ces moyens redresseurs étant du type comportant, pour chaque secondaire, des semiconducteurs commandés. Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que en ce que les moyens redresseurs comprennent un circuit de roue libre, lesdits semiconducteurs commandés étant déclenchés avec des angles d'amorçage essentiellement variables, modifiés de manière à augmenter la durée de conduction dans le circuit de roue libre tout en diminuant la durée de conduction dans les semiconducteurs déclenchés, et inversement, permettant ainsi de délivrer à la charge une puissance active sensiblement constante en dépit des variations d'impédance de la charge. Avantageusement, le circuit de roue libre est un circuit à diodes, de manière à rendre non réversible le dispositif convertisseur. Dans un mode de réalisation avantageux, le transformateur comporte au moins deux secondaires et les moyens redresseurs respectifs alimentés par ces secondaires sont associés entre eux selon un montage en "décalage parallèle". I1 est alors de préférence prévu des moyens pour permuter cycliquement les sens de décalage des deux moyens redresseurs respectifs, et/ou des moyens pour réguler les courants des deux moyens redresseurs respectifs de manière à les rendre essentiellement égaux. Dans une forme de réalisation avantageuse, lesdits semiconducteurs commandés des moyens redresseurs sont, pour chaque secondaire, montés en pont de Graetz, l'une des bornes de sortie de ce pont étant reliée à une électrode négative de la charge, notamment une électrode mobile de four, et l'autre borne étant reliée à une électrode positive correspondante, notamment une électrode de sole, le circuit de roue libre étant intercalé entre les bornes de sortie du secondaire respectif du transformateur et le pont de Graetz correspondant. On peut également grouper en un même ensemble une pluralité de dispositifs redresseurs tels qu'exposés, dont les transformateurs respectifs sont alimentés avec déphasage. 0 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un exemple détaillé de mise en oeuvre, donné en référence aux dessins annexés sur lesquels les mêmes références désignent des éléments semblables. La figure 1, précitée, montre de façon schématique la configuration d'un four à arc à alimentation directe en courant alternatif de l'art antérieur. Les figures 2 et 3, précitées, illustrent, respectivement, les caractéristiques tension/courant et puissance réactive/puissance active d'un tel four de l'art antérieur alimenté en courant alternatif. La figure 4, précitée, montre de façon schématique la configuration d'un four à arc à alimentation en courant continu par convertisseur de l'art antérieur. La figure 5 illustre plus en détail la structure, en elle-même connue, d'un pont de Graetz. Les figures 6 et 7, précitées, illustrent, respectivement, les caractéristiques tension/courant et puissance réactive/puissance active d'un tel four de l'art antérieur alimenté en courant continu. La figure 8 montre de façon schématique la configuration d'un four d'un four à arc à alimentation en courant continu par un convertisseur réalisé selon les enseignements de l'invention. Les figures 9 à 10 montrent des configurations, en elles-mêmes connues, d'associations avec décalage de plusieurs convertisseurs de même structure. Les figures 12 et 13 illustrent, respectivement, les caractéristiques tension/courant et puissance réactive/puissance active d'un four alimenté en courant continu par un convertisseur réalisé selon les enseignements de l'invention, la loi de variation des angles d'amorçage des ponts de Graetz ayant en outre été indiquée au bas de la figure 13. 0 L'idée-mère de l'invention consiste à associer une structure clas sique de convertisseur à thyristors à un dispositif de roue libre et à prévoir une loi de commande correspondant sensiblement à une puissance active constante, dont la valeur est adaptée d'une part aux caractéristiques de l'arc (pour améliorer l'efficacité du four), et d'autre part aux possibilités propres du convertisseur. Un dispositif de roue libre est, comme on le sait, un dispositif bloquant dans un sens et passant dans l'autre, polarisé de manière à permettre à l'énergie électrique accumulée dans des éléments inductifs pendant la période de conduction des thyristors du convertisseur de s'écouler dans la charge pendant la période de blocage qui suit cette période de conduction. Le dispositif de roue libre utilisé par l'invention est du type qui autorise une variation du rapport cyclique de conduction des thyristors principaux (en fonction de l'angle d'amorçage), la durée de conduction dans le dispositif de roue libre augmentant au fur et à mesure que diminue celle dans les thyristors principaux. Selon l'invention, on utilise un dispositif de roue libre de ce type pour augmenter l'amplitude du courant continu quand diminue la tension continue (ou inversement), l'angle d'amorçage des thyristors augmentant et le rapport cyclique de conduction des thyristors diminuant alors de façon corrélative (et réciproquement). On obtient ainsi un fonctionnement à puissance active sensiblement constante sans surdimensionnement des thyristors ni du transformateur. Dans l'exemple illustré, qui concerne un four à arc, le dispositif de roue libre est de préférence, comme illustré en 19 sur la figure 8, réalisé avec des diodes 20 montées entre le point milieu du secondaire 10 du transformateur et chaque borne de sortie du pont de Graetz 12, la diode étant bien évidemment polarisée en sens inverse par rapport au sens de passage du courant dans les diodes du pont de Graetz. Le choix de diodes, plutôt que de thyristors, pour le dispositif de roue libre rend le convertisseur non réversible en puissance. Cette caractéristique pourrait à première vue apparaître comme un inconvénient mais, dans l'application considérée, elle constitue en réalité un avantage remarquable. En effet, dans le solution du pont de Graetz classique, le convertisseur est un convertisseur "réversible deux quadrants" (courant continu unidirectionnel, mais tension continue bidirectionnelle), ce qui permet à la régulation de courant d'être particulièrement efficace en cas de court-circuit d'arc, en maintenant la surintensité à une valeur négligeable; ceci est certes avantageux pour le réseau amont, mais ne l'est pas pour le court-circuit d'arc, qu'on souhaite voir disparaître le plus vite possible par fusion de la ferraille cause de ce court-circuit (dans la solution avec alimentation directe en courant alternatif, la surintensité consécutive à un court-circuit d'arc permettait au contraire de fondre cette ferraille plus vite mais cependant au prix d'une pointe de puissance réactive très pénalisante). L'invention permet, en rendant le convertisseur non réversible en puissance, de concilier heureusement ces deux aspects : en effet, au moment d'un court-circuit d'arc, la surintensité due au caractère non réversible de la structure permet de fondre plus rapidement la ferraille cause de ce court-circuit, sans pour autant entraîner de pointe de puissance réactive sur le réseau amont, car la surintensité en question ne sera supportée que par les diodes de roue libre. Mieux encore, cette surintensité peut être contrôlée et optimisée en fonction des caractéristiques propres des électrodes afin d'en limiter l'usure. Selon un autre aspect de l'invention, il est avantageux de prévoir pour le transformateur une pluralité de secondaires tels que 10 et Il combinées selon un montage dit "décalé", notamment du type "décalé parallèle", la combinaison des effets de la roue libre et du décalage permettant d'obtenir une diminution très importante de la puissance réactive consommée. Plus précisément, la technique du décalage, en elle-même connue et illustrée par les schémas des figures 9 à 11, consiste à associer au moins deux convertisseurs de même structure et à différencier leurs commandes d'amorçage de façon à diminuer la puissance réactive globale consommée ; ont parle alors de "commande décalée" ou de "commande séquentielle". Cette technique est habituellement utili sée avec une association en série, côté continu, des deux ponts, comme illustré figure 9 (montage dit "décalé série"). Dans le cas présent, la tension continue à fournir à l'arc étant relativement faible par rapport aux possibilités des thyristors de forte puissance, un montage en "décalé série" conduirait à une mauvaise utilisation technologique des thyristors. On préfère donc un montage de type "décalé parallèle" dont les figures 10 et 11 illustrent deux variantes possibles. Dans le montage "décalé parallèle" des figures 10 et 11, on associe deux ponts de Graetz constitués en réalité chacun de deux demiponts décalés, engendrant donc des harmoniques pairs (contrairement au pont de Graetz classique), mais avec croisement du décalage interne des deux ponts de manière à éliminer globalement en sortie les harmoniques pairs. Toutefois, un montage "décalé parallèle" classique (donc sans roue libre) tel que celui des figures 10 ou 11 présente le grave inconvénient de créer un risque de "recommutation" des thyristors, particulièrement au voisinage d'une tension continue nulle. Pour limiter ce risque, on était jusqu'à présent conduit à limiter la plage d'excursion des angles d'amorçage, réduisant ainsi considérablement le gain de puissance réactive. Un avantage remarquable de la combinaison, proposée par l'invention, d'un décalage et d'une roue libre est la suppression complète de ce risque de recommutation, dès lors que la roue libre est du type, spécifié plus haut, permettant un rapport cyclique de conduction variable pour les thyristors principaux. On bénéficie alors pleinement des gains cumulés de puissance réactive, avec une très grande sécurité de fonctionnement. La figure 8 illustre le schéma complet proposé ainsi obtenu, avec un circuit de roue libre avec neutre à diodes et montage en "décalé parallèle". Les figures 12 et 13 illustrent les caractéristiques de fonctionnement obtenues avec ce schéma. La figure 12 montre la caractéristique tension/courant, qui est très proche de celle obtenue avec une alimentation directe en cou rant alternatif, c'est-à-dire un fonctionnement à puissance constante (la zone hachurée illustrant l'amélioration des performances par rapport à un convertisseur continu de type classique). La figure 13, qui donne la caractéristique puissance réactive/puissance active, montre que la puissance réactive consommée reste inférieure au tiers environ de la puissance active maximale, ce qui constitue une amélioration considérable par rapport à la situation antérieure, que l'alimentation soit en alternatif ou en continu (comparer avec les figures 3 et 7); on a en outre porté, en bas de la figure 13, les lois de variation des angles d'amorçage al et a2 en fonction de la puissance délivrée. Les avantages procurés par l'invention grâce à un tel schéma sont très importants, à savoir: - suppression du régleur (en charge ou à vide) du transforma teur du convertisseur, - diminution très importante de la puissance de la batterie de compensation-filtrage (division par deux environ), - amélioration sensible de la productivité, en durée et en quan tité, - diminution des fluctuations de tension sur le réseau amont, - diminution du flicker, - suppression de tout dispositif de protection du type "TCR" ou "antiflicker", - diminution des pertes du convertisseur, et - diminution des harmoniques et des perturbations hautes fré quences produites par le convertisseur. La seule contrepartie, pour l'obtention de ces avantages, en est l'adjonction d'un dispositif de roue libre à diodes et le dimensionnement approprié des liaisons (inductances de lissage, câbles, électrodes) en aval du convertisseur pour les dimensionner aux surintensités permises par l'invention. Ceci, en pratique, conduit à la diminution du coût d'investissement du four électrique à arc. Divers perfectionnements peuvent être apportés au schéma général que l'on vient de décrire. En premier lieu, il peut être avantageux de prévoir une permuta tion cyclique des sens de décalage des deux ponts (aval pour un pont et a2+a1 pour l'autre), en vue d'équilibrer l'échauffement des semiconducteurs et de limiter les risques d'apparition d'une composante continue nuisible pour l'induction magnétique du transformateur. La période de cette permutation cyclique pourra être calculée en fonction de la constante de temps thermique des semiconducteurs et de la composante continue limite admissible pour le transformateur. Quant à l'instant de permutation dans la période, il devra être choisi de façon à minimiser l'amplitude du transitoire de commutation résultant, côté réseau ou côté continu, ce transitoire ne devant pas être plus important que ceux qui résultent des fluctuations naturelles de l'arc. En second lieu, on peut prévoir par ailleurs une double régulation en courant, à savoir une régulation séparée des courants de chacun des deux ponts de Graetz en parallèle ou, mieux, une régulation simultanée de la somme des deux courants et de leur égalité (régulation du type dit "multivariable diagonalisable"). En cas de déséquilibre entre les deux ponts, une mauvaise compensation des harmoniques pairs apparaît, et il pourra être nécessaire de limiter ce déséquilibre (limitation de a1-o:'1 et de -o:'2 de façon à limiter les harmoniques pairs à un niveau acceptable. Un tel risque peut notamment se présenter lorsque les deux ponts de Graetz ne sont pas parfaitement connectés en parallèle, notamment lorsque la connexion est réalisée non pas au niveau des bornes aval des inductances de lissage, mais au niveau des deux électrodes de sole, censées être reliées électriquement par le "pied de bain". En troisième lieu, on peut associer entre eux plusieurs sousensembles de même type, tels que ceux décrits à la figure 9, en les alimentant par des transformateurs déphasés afin de réduire les harmoniques. Le déphasage des transformateurs s'effectue de préférence au niveau des primaires, par exemple avec des enroulements de type "triangle zigzag" ou "triangle à prise intermédiaire". REVENDICATIONS 1. Un dispositif convertisseur de puissance pour l'alimentation en courant continu d'un four électrique à arc (4), ce dispositif étant du type comportant au moins un transformateur (9, 10, 11) alimenté à son primaire (9) par un courant alternatif triphasé et délivrant sur au moins un secondaire (10, 11) un courant triphasé appliqué à des moyens redresseurs délivrant en sortie à la charge une tension (Uarc) et un courant (parc) redressés, ces moyens redresseurs étant du type comportant, pour chaque secondaire, des semiconducteurs commandés (15, 16), dispositif caractérisé en ce que les moyens redresseurs comprennent un circuit de roue libre (19), lesdits semiconducteurs commandés étant déclenchés avec des angles d'amorçage (al, oc2) essentiellement variables, modifiés de manière à augmenter la durée de conduction dans le circuit de roue libre tout en diminuant la durée de conduction dans les semiconducteurs déclenchés, et inversement, permettant ainsi de délivrer à la charge une puissance active (P) sensiblement constante en dépit des variations d'impédance de la charge. 2. Le dispositif convertisseur de la revendication 1, dans lequel le circuit de roue libre (19) est un circuit à diodes (20), de manière à rendre non réversible le dispositif convertisseur. 3. Le dispositif convertisseur de la revendication 1, dans lequel, le transformateur comportant au moins deux secondaires (10, 11), les moyens redresseurs respectifs alimentés par ces secondaires sont associés entre eux selon un montage en "décalage parallèle". 4. Le dispositif convertisseur de la revendication 3, dans lequel il est prévu des moyens pour permuter cycliquement les sens de décalage des deux moyens redresseurs respectifs. 5. Le dispositif convertisseur de la revendication 3, dans lequel il est prévu des moyens pour réguler les courants des deux moyens redresseurs respectifs de manière à les rendre essentiellement égaux. 6. Le dispositif convertisseur de la revendication 1, dans lequel lesdits semiconducteurs commandés des moyens redresseurs sont, pour chaque secondaire, montés en pont de Graetz (12), l'une des bornes de sortie de ce pont étant reliée à une électrode négative (7) de la charge, notamment une électrode mobile de four, et l'autre borne étant reliée à une électrode positive (14) correspondante, notamment une électrode de sole, le circuit de roue libre (19) étant intercalé entre les bornes de sortie du secondaire respectif du transformateur et le pont de Graetz correspondant. 7. Un ensemble convertisseur de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de dispositifs redresseurs selon la revendication 1, dont les transformateurs respectifs sont alimentés avec déphasage.