Brevet FR2698741A1 — publié le 19940603

COMPENSATEUR STATIQUE A HYSTERESIS La présente invention concerne le rephasage des réseaux électriques par des batteries de condensateurs pilotées par un régulateur statique, ltensemble formant une entité appelée compensateur statique. Les charges que l'on connecte sur le réseau d'alimentation électrique ont le plus souvent un comportement inductif. I1 en résulte que le courant dans la charge est le plus souvent en retard sur la tension du réseau. Pour compenser ce déphasage, on utilise depuis longtemps des batteries de condensateurs que l'on connecte en parallèle sur la charge. Lorsque la charge est variable, ce qui est le cas le plus fréquent, l'obtention d'un rephasage correct nécessite de connecter en parallèle sur la charge des batteries de condensateurs dont la capacité varie en fonction de la variation de la charge. Les compensateurs traditionnels d'énergie réactive utilisent des commutateurs électromécaniques pour connecter les différents gradins ou sous-ensembles d'une batterie de condensateurs. Une telle conception conduit toutefois à des difficultés de commutation, car les commutateurs électromécaniques enclenchent et déclenchent les gradins de condensateurs de façon aléatoire par rapport à la sinusoïde de tension du réseau d'alimentation électrique. Selon l'instant de commutation, il ya génération brutale de courant dans les condensateurs, et ce courant parasite est d'autant plus violent que le point d'enclenchement est proche du zéro de tension. Lorsqu'un condensateur est brutalement coupé du réseau à un instant au cours duquel le réseau n'est pas au maximum de tension, le condensateur reste chargé, et il est déconseillé et dangereux de le reconnecter sur le réseau avant décharge complète. On a proposé une structure de compensateur statique, dans laquelle les gradins de condensateurs sont commutés par des commutateurs électroniques tels que des thyristors. Un tel commutateur électronique peut être actionné avec précision, de façon à n'enclencher et déclencher les gradins de condensateurs qu'aux instants de maximum de tension du réseau, c'est-à-dire aux instants où le courant dans le condensateur est nul. Cela supprime les inconvénients précités. Toutefois, on constate, avec les compensateurs statiques connus, que l'ensemble formé par la charge et le compensateur statique génère parfois sur le réseau un courant fortement déformé à taux d'harmoniques élevé. Cette génération n1 est pas permanente, mais produit des inconvénients graves lorsque la charge est de forte puissance. Le problème proposé par la présente invention est de supprimer ces risques de génération de courant déformé à taux d'harmoniques élevé, en modifiant la structure du compensateur statique d'énergie réactive. L'invention résulte de l'observation minutieuse des phénomènes apparaissant lors d'une telle génération de courant fortement déformé à taux d'harmoniques élevé. On constate que cette génération se produit lorsque la puissance de rephasage nécessaire correspond, approximativement, à une puissance à laquelle on doit commuter un gradin de condensateurs. Dans le cas d'une charge dont le déphasage ou dont la puissance évoluent lentement, le compensateur statique traditionnel se met alors en auto-oscillation , ce qui se traduit par l'enclenchement et le déclenchement de tout ou partie des gradins de condensateurs, ce qui génère le courant fortement déformé à taux d'harmoniques élevé. I1 est apparu que deux phénomènes peuvent se produire lorsque la charge nécessite une puissance de rephasage très voisine d'une puissance que peut fournir le compensateur, et entraîner une autooscillation génératrice d'harmoniques de courant - selon un premier phénomène, une instabilité de la charge, mne légère, modifie la puissance réactive nécessaire au rephasage ; cette modification est suivie fidèlement par le compensateur, qui commute alors les gradins de condensateurs au rythme de l'oscillation de la charge - dans un second phénomène, la commutation sur le réseau d'un gradin de condensateurs à capacité élevée génère une légère élévation de la tension du réseau ; cela se traduit généralement, pour de nombreux types de charges, par une diminution du déphasage qui entrain une diminution des gradins de condensateurs nécessaires, et réciproquement. Pour supprimer ces effets, le compensateur statique d'énergie réactive selon l'invention comprend - une batterie de condensateurs à un ou plusieurs gradins de condensateurs destinés à être connectés sur la ligne d'un réseau extérieur d'alimentation électrique alternative en parallèle sur une charge à compenser et en amont de ladite charge, - des dispositifs de commutation statique connectés en série avec les gradins de condensateurs pour établir ou interrompre à volonté la connexion des gradins de condensateurs sur le réseau en fonction de signaux électriques de commande, - un capteur de déphasage pour mesurer le déphasage entre le courant dans la charge et la tension du réseau sur la ligne, - des moyens électroniques de commande pour produire des signaux électroniques de commande assurant la commutation des dispositifs de commutation statique pour les mettre en ou hors conduction aux seuls instants où la tension alternative du réseau est maximale, - les moyens électroniques de commande assurant la connexion des gradins de condensateurs de façon à augmenter la capacité connectée lorsque le déphasage mesuré par le capteur de déphasage augmente et de façon à diminuer la capacité connectée lorsque ledit déphasage mesuré diminue - le capteur de déphasage est connecté sur la ligne d'alimentation de la charge entre la charge et la zone de connexion des gradins de condensateurs, - les moyens électroniques de commande comprennent un circuit électronique présentant une hystérésis, de façon que chaque seuil direct de rephasage, entrainant une commutation pour augmenter la capacité connectée entre une première et une seconde valeurs, est supérieur au seuil inverse de déphasage correspondant, entrainant la commutation inverse pour diminuer la capacité connectée de la seconde valeur à la première valeur. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles - la figure 1 est un diagramme temporel illustrant les formes d'onde de tension et de courant sur le réseau, dans la charge et dans la batterie de condensateurs, dans le cas d'une auto-oscillation de compensateur statique traditionnel - la figure 2 illustre le diagramme temporel des formes d'onde de tension et de courant total dans un compensateur statique en autooscillation - la figure 3 illustre le schéma électrique général d'un compensateur statique selon un mode de réalisation de la présente invention. Les figures 1 et 2 illustrent les problèmes que l'on rencontre avec les compensateurs statiques connus. Sur la figure 1, la sinusoïde 1 illustre la forme d'onde de tension délivrée par le réseau de distribution d'énergie électrique. La courbe 2 illustre la forme d'onde de courant dans la charge, courant déphasé en retard par rapport à la tension 1. La courbe 3 illustre la forme d'onde du courant dans la batterie de condensateurs. La batterie de condensateurs est connectée à l'instant 4, par suite d'une détection préalable de déphasage entre le courant 2 et la tension 1. Par suite de la connexion de la batterie de condensateurs, le courant dans le réseau est la somme du courant 2 dans la charge et du courant 3 dans la batterie de condensateurs. Cette somme est représentée par la courbe 5, qui est une forme d'onde en phase avec la tension 1 lorsque la compensation est correcte. Par suite de l'un des deux phénomènes mentionnés précédemment, la compensation devient excessive, et ltélectronique de commande détecte cet excès et déconnecte la batterie de condensateurs à l'instant 26. Le courant réseau devient alors égal au courant 2 dans la charge, et se trouve à nouveau déphasé en retard sur la tension 1 pendant la période entre les instants 26 et 40. A l'instant 40, par suite de la détection de ce déphasage, le compensateur connecte à nouveau la batterie de condensateurs, et le courant réseau 5 devient alors compensé et se retrouve en phase avec la tension 1 pendant la période située entre les instants 40 et 60. Le phénomène se reproduit ensuite à l'identique. Comme le représente la figure 2, le courant 5 dans le réseau, qui résulte de ces oscillations, présente une forme non sinusoïdale à amplitude variable et déphasage variable. I1 en résulte une présence d'harmoniques indésirable sur le réseau. La figure 3 illustre les principaux éléments d'un compensateur statique à hystérésis selon la présente invention. Une ligne d'alimentation triphasée 6 relie le réseau de distribution d'énergie électrique à une charge. Sur la figure, le réseau est supposé être sur la droite, comme le représente la flèche 7, et la charge est supposée être sur la gauche comme le représente la flèche 8. Entre le réseau et la charge, on vient connecter sur la ligne triphasée 6 une batterie de condensateurs à un ou plusieurs gradins, de préférence à plusieurs gradins, par exemple les trois gradins de condensateurs 9, 10 et 11, en parallèle sur la charge 8. Chaque batterie est associée à un dispositif de commutation statique respectif 12, 13, 14. Par exemple, chaque dispositif de commutation statique tel que le dispositif 12 est un pont de thyristors connecté en série avec le gradin correspondant de condensateurs 9, permettant de connecter ou de déconnecter à volonté le gradin de condensateurs sur la ligne 6. Un tel dispositif de commutation statique est couramment utilisé dans les compensateurs statiques connus, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de le décrire plus en détail. Les dispositifs de commutation statique 12, 13 et 14 sont commandés par des moyens électroniques de commande 15, qui reçoivent par une ligne de mesure 16 les signaux de mesure produits par un capteur de déphasage 17 connecté sur la ligne triphasée 6 entre la charge 8 et la zone de connexion des gradins de condensateurs 9, 10 et 11. Les moyens électroniques de commande 15 sont agencés pour produire des signaux électroniques de commande assurant la commutation des dispositifs de commutation statique 12, 13 et 14 pour les mettre en ou hors conduction aux seuls instants où la tension alternative sur la ligne triphasée 6 est maximale. Les moyens électroniques de commande 15 sont également agencés pour assurer la connexion des gradins de condensateurs 9, 10 et 11 de façon à augmenter la capacité connectée lorsque le déphasage mesuré par le capteur de déphasage 17 augmente, et de façon à diminuer la capacité connectée lorsque ledit déphasage mesuré diminue. Pour cela, les moyens électroniques de commande assurent une commutation pour augmenter la capacité totale connectée des gradins de condensateurs dès que le déphasage atteint un seuil d'augmentation ou seuil direct de rephasage. A l'inverse, les moyens électroniques de commande 15 entrainent une commutation pour diminuer la capacité totale connectée des gradins de condensateurs dès que le déphasage redescend au-dessous d'un seuil de diminution ou seuil inverse de déphasage. Selon l'invention, les moyens électroniques de commande 15 comprennent un circuit électronique 18 présentant une hystérésis, de façon que chaque seuil direct de rephasage, entrainant une commutation pour augmenter la capacité connectée entre une première et une seconde valeur de capacités, soit supérieur au seuil inverse de déphasage correspondant, entrainant la commutation inverse pour diminuer la capacité connectée de la seconde valeur à la première valeur de capacité. On supprime ainsi tout risque d'oscillation et de génération d'harmoniques de courant sur le réseau. De préférence, les seuils direct de rephasage et inverse de déphasage sont tels que la différence entre le seuil direct de rephasage et le seuil inverse de déphasage est inférieure au déphasage introduit par la plus petite variation de déphasage que l'on peut obtenir par la plus petite variation de capacité commutée. Cette plus petite variation de capacité commutée est obtenue par commutation du gradin à capacité la plus faible entre les gradins 9, 10 et 11. Selon une réalisation préférée, le dispositif selon l'invention comprend plusieurs gradins de condensateurs 9, 10 et 11 associés chacun à un circuit de commutation distinct 12, 13 et 14 permettant de commuter séparément les gradins sur le réseau. En outre, les gradins 9, 10 et 11 ont des capacités différentes dont les valeurs forment une suite géométrique de raison 2. Ainsi, le gradin 13 a par exemple une capacité double du gradin 12, et le gradin 14 a une capacité double du gradin 13. On réalise ainsi un compensateur BCD à hystérésis. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Compensateur statique d'énergie réactive, comprenant - des gradins de condensateurs (9,10,11) destinés à être connectés sur la ligne (6) d'un réseau (7) extérieur d'alimentation électrique alternative en parallèle sur une charge (8) à compenser et en amont de ladite charge, - des dispositifs de commutation statique (12,13,14) connectés en série avec les gradins de condensateurs (9,10,11) pour établir ou interrompre à volonté la connexion des gradins de condensateurs (9,10,11) sur le réseau en fonction de signaux électriques de commande, - un capteur de déphasage (17) pour mesurer le déphasage entre le courant dans la charge (8) et la tension du réseau (7) sur la ligne (6), - des moyens électroniques de commande (15) pour produire des signaux électroniques de commande assurant la commutation des dispositifs de commutation statique (12,13,14) pour les mettre en ou hors conduction aux seuls instants où la tension alternative du réseau est maximale, - les moyens électroniques de commande (15) assurant la connexion des gradins de condensateurs (9,10,11) de façon à augmenter la capacité connectée lorsque le déphasage mesuré par le capteur de déphasage (17) augmente et de façon à diminuer la capacité connectée lorsque ledit déphasage mesuré diminue, caractérisé en ce que - le capteur de déphasage (17) est connecté sur la ligne d'alimentation (6) entre la charge (8) et la zone de connexion des gradins de condensateurs (9,10,11), - les moyens électroniques de commande (15) comprennent un circuit électronique (18) présentant une hystérésis, de façon que chaque seuil direct de rephasage, entraînant une commutation pour augmenter la capacité connectée entre une première et une seconde valeur, est supérieur au seuil inverse de déphasage correspondant entrainant la commutation inverse pour diminuer la capacité connectée de la seconde valeur à la première valeur. 2 - Compensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les seuils direct de rephasage et inverse de déphasage sont tels que la différence entre le seuil direct de rephasage et le seuil inverse de déphasage est inférieure au déphasage introduit par la plus petite variation de déphasage que l'on peut obtenir par commutation du plus petit des gradins de condensateurs (9,10,11). 3 - Compensateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs gradins de condensateurs (9,10,11) associés chacun à un circuit de commutation distinct (12,13, 14) permettant de le connecter séparément sur le réseau, les gradins de condensateurs (9,10,11) ayant des capacités différentes dont les valeurs forment une suite géométrique de raison 2.