Brevet FR2766635A1 — publié le 19990129

La présente invention est relative à un dispositif de compensation de fluctuations de tension aux bornes d'une charge à impédance instable, telle qu'un four à arc. Les fours à arc, et de manière générale les appareillages électriques dont l'impédance est susceptible de varier de façon rapide, sont à l'origine de perturbations se propageant sur les réseaux d'alimentation en énergie électrique qui les alimentent. Ces perturbations se présentent essentiellement sous la forme de variations rapides de tension à des fréquences allant de 1 Hz à 30 Hz. Actuellement, ces perturbations sont compensées en disposant sur la ligne d'alimentation de la charge un compensateur statique de puissance réactive (CSPR) permettant de fournir ou d'absorber de la puissance réactive. Ce type de dispositif de compensation est toutefois peu satisfaisant. En effet, la compensation effectuée est imparfaite. En outre, le dimensionnement, en terme de puissance, de ces dispositifs, est relativement important et dépasse souvent la puissance de la charge elle-même. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients et de fournir un dispositif de compensation de fluctuations de tension aux bornes d'une charge à impédance instable, d'un coût relativement faible et capable de réduire de façon efficace les perturbations engendrées par la charge, tout en augmentant les performances de cette dernière. Elle a donc pour objet un dispositif de compensation de fluctuations de tension aux bornes d'une charge à impédance instable, telle qu'un four à arc, raccordée à une ligne d'alimentation en énergie électrique polyphasée d'un réseau d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit onduleur branché sur ladite ligne et alimenté par une source de tension continue, ledit onduleur étant piloté par une unité de commande pour injecter dans ladite ligne une tension alternative de compensation des fluctuations de tensions engendrées par les variations d'impédance de la charge. Le dispositif de compensation selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - le dispositif comporte en outre, raccordés à l'unité de commande, des moyens de mesure d'au moins une grandeur caractéristique de l'énergie électrique alimentant la charge, ladite unité de commande comportant des moyens de calcul de la tension à insérer en série dans ladite ligne en vue de la compensation desdites variations, à partir des valeurs délivrées par lesdits moyens de mesure - la source de tension continue comporte un moyen de stockage d'énergie alimenté par une tension continue appliquée à ses bornes - le dispositif comporte en outre, branchée aux bornes dudit moyen de stockage d'énergie, une bobine supraconductrice à stockage inductif associée à un hacheur pour l'alimentation dudit moyen de stockage d'énergie en tension continue - le dispositif comporte des moyens de prélèvement de courant sur ladite ligne d'alimentation, raccordés à un circuit de conversion, dudit courant prélevé, en courant continu, ledit circuit de conversion étant connecté audit moyen de stockage d'énergie en vue de son alimentation - lesdits moyens de prélèvement de courant sont constitués par un transformateur dont l'enroulement primaire est branché en parallèle sur ladite ligne d'alimentation et dont l'enroulement secondaire est raccordé audit circuit de conversion - ledit circuit onduleur est raccordé à ladite ligne d'alimentation par l'intermédiaire d'un transformateur de découplage galvanique - ledit circuit onduleur comporte un ensemble de cellules de commutation pilotées par ladite unite de commande et comportant un élément de commutation commutable à l'ouverture et à la fermeture et une diode branchée en anti-parallèle sur ledit élément de commutation - le dispositif comporte en outre un circuit d'echange de puissance réactive avec ladite ligne d'alimentation en energie électrique - ledit circuit d'échange de puissance réactive comporte un circuit onduleur d'échange de puissance réactive alimente par au moins une deuxième source de tension continue et pilote par ladite unité de commande, ledit circuit onduleur étant raccordé à ladite ligne d'alimentation par l'intermédiaire d'un transformateur de decouplage galvanique - ladite au moins une deuxième source de tension continue est raccordee au moyen de stockage d'énergie du circuit onduleur de compensation des fluctuations de tension en vue de son chargement ; et - ladite au moins une deuxième source de tension continue est raccordee au moyen de stockage d'énergie par l'intermédiaire d'un transformateur de découplage galvanique. D'autres caracteristiques et avantages ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma illustrant la structure d'un dispositif de compensation selon l'invention, suivant un premier mode de réalisation ; - la figure 2 est une courbe montrant les variations de puissance active et réactive, dans un four à arc - la figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation du dispositif de compensation suivant l'invention ; - la figure 4 montre un troisième mode de réalisation du dispositif de compensation suivant l'invention ; - la figure 5 représente un quatrième mode de réalisation du dispositif de compensation suivant l'invention ; et - la figure 6 illustre un cinquième mode de réalisation du dispositif de compensation de fluctuations suivant l'invention. Sur la figure 1, on a represente la structure générale d'un dispositif de compensation de fluctuations de tension selon l'invention, selon un premier mode de réalisation. Ce dispositif, désigne par la référence numérique générale 10, est destiné à assurer la compensation de fluctuations de tension engendrées par une charge à impédance instable 12, constituee par un four à arc branché sur une ligne 14 d'alimentation en énergie électrique polyphasee d'un reseau d'alimentation. Le réseau d'alimentation est schématisé sous la forme d'une source de tension alternative 16. Son impédance est schematisee par une inductance L1 et une résistance R1. L'impédance caractéristique du four à arc 12 est schématisée par une inductance L2 et une resistance R2. Comme mentionné précédemment, le four à arc 12 et, de façon genérale, les charges ayant une impédance instable qui fluctue de façon rapide est à l'origine d'un certain nombre de perturbations au niveau du réseau 16 qui l'alimente. Ces perturbations sont de differentes natures. Tout d'abord, un four à arc genère de grandes fluctuations de tension, relativement espacées dans le temps, par exemple dues à des courts-circuits monophases ou triphasés apparaissant au début de la fusion. Ce type de perturbation présente une fréquence de répétition très basse, par exemple inferieure à 0,3 Hz. Par ailleurs, un four à arc engendre sur le reseau des fluctuations de tension de faible amplitude et dont la frequence est comprise entre environ 5 et 25 Hz. En outre, les fours à arc sont d'importants consommateurs d'énergie réactive et degradent considerablement le facteur de puissance du reseau. Pour assurer la compensation de ces différents types de perturbations, le dispositif de compensation selon l'invention, dans le mode de réalisation représente sur la figure 1 comporte un premier module de compensation de puissance active 18 raccordé à la ligne d'alimentation 14 par l'intermédiaire d'un transformateur 20 de découplage galvanique et un deuxième module de compensation de puissance réactive 22 egalement raccorde à la ligne d'alimentation 14 par l'intermédiaire d'un deuxième transformateur 24 de découplage galvanique. On notera que sur la figure 1 les modules de compensation 18 et 22 sont représentés sous la forme trifilaire alors que le réseau d'alimentation 16 et la ligne d'alimentation 14 sont representés sous une forme unifilaire. Le premier module 18 de compensation de puissance active comporte un circuit onduleur 26 constitue par un circuit convertisseur tension continue-tension alternative, dont le côté alternatif est raccorde à la ligne 14 par l'intermédiaire du transformateur 20 correspondant et dont le côté continu est relié à une source de tension continue comportant un moyen de stockage d'énergie, par exemple un condensateur C1, comme représenté sur la figure 1. Le circuit onduleur 26 comporte un ensemble de cellules de commutation dont la commutation est pilotée par une unité de commande 28. Chaque cellule de commutation comporte un élément de commutation, tel que 30, commutable à l'ouverture et à la fermeture, par exemple un GTO, aux bornes duquel est branché une diode en anti-parallèle, telle que 32. La source de tension continue, constituée par le condensateur C1, est elle-même alimenté par une tension continue appliquée à ses bornes, délivrée par une source de courant, constituée par une bobine L3 supraconductrice à stockage inductif (SMES) avec interposition d'un hacheur 34 assurant la conversion du courant délivré par la bobine L3 en une tension continue correspondante. On notera que la source de courant constitue en faite une source de puissance active destinée à être injectée dans la ligne 14 pour la compensation des fluctuations de tension de faible amplitude et de fréquence comprise entre 5 et 25 Hz. Le deuxième module 22 de compensation de puissance réactive comporte un circuit compensateur statique de puissance réactive (CSPR) désigne par la reference 36 et de type classique. Il est constitue de trois inductances, respectivement L4,L5 et L6, chaque inductance etant mise en serie avec deux thyristors, tels que 38, montés en têtebêche, ces thyristors étant pilotes par une deuxième unité de commande 40. On notera que les inductances L4, L5 et L6 sont couples en triangle afin de permettre l'amorçage des thyristors à tout instant de la demi periode de la tension d'alimentation. On notera que la puissance réactive absorbee par les bobines est contrôlée en agissant sur l'angle d'amorçage des thyristors pour que la puissance réactive absorbée par l'ensemble du four et les inductances soit sensiblement constante. Cette puissance réactive est ensuite compensee par une batterie de condensateur C2 raccordée entre le point de connexion du transformateur 24 et du CSPR 36 et la terre. Le dispositif representé sur la figure 1 est complété par des capteurs 42 et 44 de mesure d'au moins une grandeur caractéristique de l'énergie électrique alimentant le four 12 branchés sur la ligne 14 et raccordes aux unites de commande 28 et 40. Ces capteurs de mesure sont de type classique et ne seront donc pas décrits en détail par la suite. Ils permettent de mesurer la tension, l'intensité ou la phase de l'énergie électrique délivrée par le réseau en vue du pilotage, par les unités de commande 28 et 40, des éléments de commutation de l'onduleur 26 et du CSPR 36, par exemple par comparaison avec des valeurs de référence fournies en entrée des unites de commande. Comme mentionné précédemment, le premier module 18 de compensation assure la compensation des fluctuations de puissance active absorbée par le four 12 pour contrer les fluctuations rapides et de faibles amplitudes de la tension présente à ses bornes et compenser ainsi les fluctuations de la valeur des sa résistance. Le deuxième module 22 de compensation assure principalement la compensation des fluctuations de puissance réactive échangee entre le reseau et le four 12. Il permet en outre d'équilibrer la charge, par exemple dans le cas de la cassure d'une des electrodes pendant la phase de fusion, et de corriger le facteur de puissance du reseau susceptible d'être dégradé par le four 12. Sur la figure 2, on a représenté la variation de puissance active P, en fonction de la puissance réactive Q échangée entre le four à arc 12 et le reseau d'alimentation 16. Sur cette figure, An correspond au point de fonctionnement nominal du four, Acc correspond au point de fonctionnement en court-circuit et Aoe correspond au point de fonctionnement pour un arc très long. Lors du fonctionnement normal du four, le point de fonctionnement du four se deplace entre les deux points Aln et A2n. On peut constater que, pour ce deplacement, la variation de puissance réactive AQ est plus importante que celle de la puissance active AP. Cette variation de puissance active P et réactive Q se traduit par une fluctuation de la tension aux bornes du four à arc. Cette fluctuation de tension, engendrée par une fluctuation correspondante de la valeur de la resistance du four est compensée par le premier module 18 de compensation qui injecte dans la ligne d'alimentation 14 une puissance active P permettant de compenser la puissance active absorbee par le four, afin de maintenir constante l'amplitude de la composante active du courant absorbe par celui-ci. Pour ce faire, le premier module 18 injecte une tension en opposition de phase avec la tension d'alimentation du four 12, de telle sorte que la somme algébrique de ces deux tensions donnent lieu à une tension d'amplitude fixe. On notera que ce type de compensation peut être purement une compensation de puissance active si la cause principale de la fluctuation de tension est une variation de la résistance du four. Elle peut aussi être une compensation d'actif et de réactif si la fluctuation de la tension est due à une variation d'impédance du four. Comme mentionné précédemment, pour effectuer cette compensation de puissance active, l'onduleur 26 est pilote par l'unité de commande 28 dans laquelle est stocké un algorithme de calcul classique permettant la détermination de l'amplitude des fluctuations de tension à compenser en fonction de leur fréquence, à partir des valeurs des grandeurs caractéristiques délivrées par le capteur de mesure 42 correspondant. La tension injectee en serie dans le ligne 14 permet ainsi de compenser les fluctuations de tension presentes aux bornes du four à arc 12 pour d'une part réduire les perturbations engendrées sur le réseau électrique 16 et, d'autre part, augmenter le rendement du four. Par ailleurs, le deuxième module 22 de compensation de puissance réactive assure la compensation des dysfonctionnements s'accompagnant de variations de tension de grande amplitude, pour lesquels le point de fonctionnement An du four se déplace entre Acc et Aoe. On notera que pour ce regime de fonctionnement, la variation de puissance réactive est, dans ce cas, de même ordre que celle de la puissance active. Le deuxième module 22 de compensation compense alors directement les fluctuations de puissance réactive Q afin de contrôler la tension au point de connexion du four 12. Comme mentionne précédemment, ce deuxième module de compensation 22 est un module de compensation de type classique, equipant généralement les fours à arc. Il ne sera donc pas décrit plus en détail. On notera toutefois qu'il est associe à une batterie de condensateur C2 permettant la correction du facteur de puissance du réseau. On notera en outre que le dimensionnement du premier module 18 de compensation, en terme de puissance, est près de 10 fois inférieur à celui du deuxième module 22 de compensation de puissance. Ce dimensionnement reduit permet d'utiliser une technologie de composants plus rapides à la commutation, tels que des IGBT (transistors bipolaires à grille isolée), ce qui permet de réduire les temps de réponse du dispositif de compensation. Par ailleurs, le premier module 18 étant relativement rapide, il peut servir comme filtre actif des harmoniques circulant sur le réseau d'alimentation électrique 16. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la source de tension, constituée par le condensateur C1 est alimentée par la bobine L3. Il est toutefois possible, comme représenté sur la figure 3, d'alimenter ce moyen de stockage d'énergie à partir d'un courant prelevé à partir de la ligne d'alimentation 14. Sur cette figure 3, les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes numéros de référence. On voit sur cette figure que le condensateur C1 est raccorde à un redresseur triphasé constitué par un convertisseur courant alternatif-courant continu, designe par la référence numérique 46, de type classique, et piloté par l'unité de commande 28, ce convertisseur étant relié à la ligne d'alimentation 14, par l'intermédiaire d'un transformateur 48 assurant le prélèvement de courant et dont l'enroulement primaire est branché en parallèle sur la ligne d'alimentation et dont l'enroulement secondaire est raccorde au convertisseur 46. On conçoit que le premier module de compensation 18 constitue en fait un convertisseur courant alternatifcourant alternatif. La puissance active nécessaire pour contrer les variations de la résistance de l'arc est acheminée au condensateur C1 par l'intermédiaire du redresseur triphase 46 assurant la conversion du courant prélevé en courant continu. On a represente sur la figure 4 un troisième mode de réalisation du dispositif de compensation de fluctuations de tension aux bornes du four à arc 12 selon l'invention. On voit sur cette figure que, dans ce mode de réalisation, le deuxième module 22 de compensation de puissance réactive est constitue par un onduleur triphase à thyristors GTO (interrupteurs commandables en ouverture et en fermeture) pilote par l'unité de commande 28, et alimente par une source de tension continue, constituée par un condensateur C3 et par des inductances de découplage, constituées par les inductances de fuites du transformateur 24 qui relie l'onduleur à la ligne 14. On voit en outre que le moyen de stockage d'énergie C1 du premier module 18 de compensation d'énergie active est alimenté par le condensateur C3, par l'intermédiaire d'un pont courant continu-courant continu constitué par une transformateur impulsionnel 49 de type classique. Ce pont de conversion réalise un découplage galvanique entre la tension du condensateur C1 du premier module 18 et la tension du condensateur C3 du deuxième module 22, ce qui permet de réduire le dimensionnement du premier module 18. Dans ce mode de réalisation, le deuxième module 22, qui effectue une compensation de la puissance réactive, assure en outre la fonction de prélèvement de la puissance active nécessaire pour le fonctionnement du premier module 18. Ce dernier comporte dès lors un nombre de composants réduit. La présence du transformateur de découplage galvanique 49 permet donc de faciliter la commande du premier module 18. On notera toutefois que ce transformateur 49 est facultatif et qu'il peut être supprimé en cas de besoin. On a représenté sur la figure 5 un autre mode de réalisation, dans lequel les moyens de découplage galvanique entre les premier 18 et deuxième 22 modules de compensation ont éte supprimes. Dans les modes de réalisation décrits en référence aux figures 1,3,4 et 5, le dispositif de compensation de fluctuations de tension peut être disposé dans un four à arc déjà équipe du module de compensation de puissance réactive 22. Ainsi, le premier module de compensation de puissance active vient renforcer la compensation effectuée par le deuxième module 22, en particulier pour réaliser la compensation des fluctuations de tension de faible amplitude et de fréquence variant entre environ 5 et 25 Hz. L'invention permet toutefois la réalisation d'un dispositif de compensation de fluctuations de tension formant un ensemble unitaire pour la compensation de la puissance active, comme representé sur la figure 6. Ce mode de réalisation ne diffère du mode de réalisation décrit en référence à la figure 1 que par l'absence du deuxième module de compensation de puissance réactive 22. Comme pour les modes de réalisation décrits en référence aux figures 1 et 3, ce module de compensation 18 est tout à fait autonome et son contrôle par l'unité de commande 28 et donc considérablement simplifié. REVENDICATIONS 1. Dispositif de compensation de fluctuations de tension aux bornes d'une charge (12) à impédance instable, telle qu'un four à arc, raccordée à une ligne (14) d'alimentation en énergie électrique polyphasee d'un réseau (16) d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit onduleur (26) branché sur ladite ligne (14) et alimenté par une source de tension continue (C1), ledit onduleur (26) étant piloté par une unité de commande (28) pour injecter dans ladite ligne (14) une tension alternative de compensation des fluctuations de tension engendrées par les variations d'impédance de la charge (12). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, raccordes à l'unité de commande, des moyens de mesure (42) d'au moins une grandeur caracteristique de l'énergie électrique alimentant la charge (12), ladite unité de commande (28) comportant des moyens de calcul de la tension à inserer en serie dans ladite ligne (14) en vue de la compensation desdites variations, à partir des valeurs délivrées par lesdits moyens de mesure (42). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la source de tension continue comporte un moyen de stockage d'énergie (C1) alimente par une tension continue appliquée à ses bornes. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, branché aux bornes dudit moyen de stockage d'énergie (C1), une bobine (L3) supraconductrice à stockage inductif associée à un hacheur (34) pour l'alimentation dudit moyen de stockage d'energie (C1) en tension continue. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (48;24) de prelèvement de courant sur ladite ligne d'alimentation, raccordes à un circuit (46;22) de conversion, dudit courant prélevé, en courant continu, ledit circuit de conversion étant connecté audit moyen de stockage d'énergie (C1) en vue de son alimentation. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement de courant sont constitués par un transformateur (48;24) dont l'enroulement primaire est branché en parallèle sur ladite ligne d'alimentation (14) et dont l'enroulement secondaire est raccordé audit circuit (46;22) de conversion. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit circuit onduleur (26) est raccordé à ladite ligne d'alimentation par l'intermédiaire d'un transformateur (20) de découplage galvanique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit circuit onduleur (26) comporte un ensemble de cellules de commutation pilotées par ladite unite de commande (28) et comportant un élement de commutation (30) commutable à l'ouverture et à la fermeture et une diode (32) branchée en anti-parallèle sur ledit élément de commutation (30). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit (22) d'échange de puissance réactive avec ladite ligne d'alimentation (14) en énergie électrique. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit circuit (22) d'échange de puissance réactive comporte un circuit onduleur d'échange de puissance réactive alimenté par au moins une deuxième source (C3) de tension continue et piloté par ladite unité de commande, ledit circuit onduleur étant raccordé à ladite ligne d'alimentation par l'intermédiaire d'un transformateur (24) de découplage galvanique. 11. Dispositif selon les revendications 3 et 10, caractérisé en ce que ladite au moins une deuxième source de tension continue (C3) est raccordée au moyen de stockage d'énergie (C1) du circuit onduleur (26) de compensation des fluctuations de tension en vue de son chargement. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite au moins une deuxième source de tension continue est raccordée au moyen de stockage d'énergie par l'intermédiaire d'un transformateur (49) de decouplage galvanique.