Brevet FR2873489A1 — publié le 20060127

SYSTEME DE CHANGEMENT DE PRISE DE TRANSFORMATEUR EN CHARGE L'invention concerne un système de changeur de prise de transformateur en charge permettant d'assurer la régulation de la tension de sortie du secondaire du transformateur par changement du rapport de transformation. En effet, dans de nombreuses applications, la charge à laquelle est soumise un transformateur peut varier et il convient néanmoins de maintenir une tension de sortie sensiblement constante. Pour cela, il est connu de faire varier le rapport de transformation du transformateur. Ces changements sont généralement effectués à l'aide de prises intermédiaires prévues au secondaire ou au primaire du transformateur et à l'aide de changeurs de prises qui permettent ainsi de modifier les rapports de transformation. Ces changeurs de prises doivent fonctionner en charge pour ne pas interrompre la circulation de courant électrique. Cependant, la commutation de ces changeurs de prises provoque des arcs électriques qui sont à l'origine de la détérioration de l'huile présente pour assurer l'isolement. Une maintenance régulière doit être effectuée pour maintenir les performances d'isolement du fluide. La Figure 1 montre un exemple de système de changement de prises d'un transformateur (OLTC) connu dans la technique. Le changeur de prise de transformateur comprend un commutateur de réglage en charge CX et un sélecteur 2873489 2 SE comportant les prises intermédiaires 1, 2 et 3 du secondaire du transformateur TR. Les prises du sélecteur fixent les rapports de transformation utilisables. Le commutateur CX est conçu pour limiter les contraintes pendant les changements de prises de charge. Le commutateur de réglage CX comporte un commutateur rotatif CR permettant de connecter une sortie d'utilisation B2 à l'un des contacts fixes A à D du commutateur rotatif. Le contact mobile du commutateur rotatif possède une surface de contact suffisante pour permettre de connecter la sortie B2 simultanément à deux contacts fixes voisins du commutateur rotatif. Sur la figure 1, le commutateur rotatif est dans une position connectant la sortie B2 à la prise 2 du secondaire du transformateur. Pour passer de la prise de transformateur 2 à la prise 1, il convient de tourner le commutateur rotatif CR. Celui-ci va tout d'abord connecter la sortie B2 en même temps aux contacts fixes A et B, puis va passer sur le contact fixe B insérant ainsi l'impédance ZA dans le circuit du secondaire du transformateur sans interrompre le circuit. Puis, le contact mobile connecte la sortie B2 aux contacts fixes B et C. Les prises de charge 1 et 2 sont toutes les deux connectées à la sortie B2 par les impédances ZA et ZB respectivement. Ensuite, le contact mobile connecte la sortie B2 au contact fixe C, c'est-à-dire à la prise de transformateur 1 par l'impédance ZB, puis aux deux contacts fixes C et D. Enfin, il connecte la sortie B2 au contact fixe D seulement connectant ainsi la sortie B2 à la prise 1. Le changement de prises de charge du transformateur (de la prise 1 vers la prise 2) s'est donc fait sans interruption du circuit du secondaire du transformateur. Tout autre changement de prises verrait apparaître des séquences similaires. Le circuit électrique n'est donc jamais ouvert au cours d'un changement de prises en prévoyant un état transitoire où une portion d'enroulement du transformateur est mise en court circuit. De plus, pour éviter un courant prohibitif, des impédances ZA et ZB sont placées en série dans le circuit. Par contre, lors des passages du contact mobile sur les contacts fixes A à c des arcs électriques peuvent apparaître sur les contacts, ce qui présente un inconvénient comme indiqué précédemment. Les figures 2a et 2b représentent un type de changeur de prise de transformateur en charge connu dans la technique et permettant d'éviter la formation d'arcs électriques lors des commutations de prises. Ce changeur utilise des circuits de commutation à semiconducteurs utilisant des thyristors à grilles de blocage (GTO) et des interrupteurs mécaniques permettant de réduire la durée d'un changement de prise en l'absence d'arc électrique. Le principe de ce sélecteur est similaire à celui précédemment décrit mais le commutateur est modifié : les résistances et le commutateur rotatif sont remplacés par des circuits de commutation à semiconducteurs IN1, IN2, IN3, un transformateur auxiliaire tra et des interrupteurs mécaniques S1 à S5. Le circuit comportant le transformateur auxiliaire tra et le circuit de commutation IN2 assurent, comme cela est décrit, par exemple, dans le document EP0644562, la connexion en régime permanent de la borne de sortie B2 à une prise du secondaire du transformateur TR. Les circuits de commutation IN1 à IN3 sont réalisés comme cela est représenté en figure 2b. Chaque circuit de commutation comporte quatre diodes et un thyristor à grille de blocage. Sur la figure 2a, si on suppose que le système est tel que les contacts S2 et S4 sont fermés et le circuit de commutation IN2 conducteur, l'alimentation fournie par le transformateur TR se fait par la prise 2. Si on veut modifier le rapport de transformation et commuter le système pour que l'alimentation se fasse par la prise 1, le système de la figure 2a accomplira le processus suivant: - fermeture de l'interrupteur S1, détection du passage par zéro du courant de charge et dès que ce courant passe par zéro, ouverture du circuit de commutation IN2 et fermeture du circuit de commutation IN1. Quelques instants plus tard, l'interrupteur S4 est ouvert alors qu'il est traversé par le courant magnétisant du transformateur auxiliaire, - détection à nouveau du passage par zéro du courant de charge, fermeture du circuit de commutation IN3 et ouverture du circuit de commutation IN1, fermeture de l'interrupteur S5 alors que le courant n'est plus nul, détection à nouveau du passage par zéro du courant de charge, fermeture du circuit de commutation IN2 et ouverture du circuit de commutation IN3. Le circuit se trouve maintenant connecté à la prise 1 du transformateur. Ce fonctionnement est illustré par les diagrammes des temps de la figure 2c. Dans ces diagrammes, le fonctionnement de chaque contact et chaque circuit de commutation du système de la figure 2a est individualisé par un diagramme particulier. Pour les contacts S1 à S5 les parties hautes des diagrammes représentent les positions fermées des contacts, les parties basses représentent les positions ouvertes des contacts, et pour les circuits de commutation IN1 à IN3 les parties hautes représentent les états conducteurs de ces circuits et les parties basses, les états non conducteurs. Sur la partie inférieure de la figure 2c, on a représenté le courant qui circule dans l'enroulement secondaire du transformateur TR. Cela est nécessaire parce que la commutation des circuits de commutation IN1 à IN3 doit se faire en l'absence de circulation de courant ou éventuellement à courant très faible voire négligeable. On voit donc que ce système présente l'inconvénient de nécessiter la détection du passage par zéro du courant de charge à chaque fois que l'on veut changer l'état des circuits de commutation IN1 à IN3 pour que la commutation de ces circuits se fasse à courant aussi faible que possible. Il est à noter que la durée de commutation des interrupteurs S1 à S5 est nettement supérieure à la durée de commutation des circuits de commutation IN1 à IN3. De plus, les thyristors à grilles de blocage prévus dans les circuits de commutation IN1 à IN3 imposent une limitation des variations de la tension aux bornes de ces thyristors et des variations du courant qui les traverse lors de leurs commutations. Comme cela est représenté sur la figure 2b, il est alors prévu un circuit CN de type résistance- condensateur pour contrôler les variations de tensions aux bornes du thyristor et une inductance en série avec le thyristor réduit la vitesse d'évolution du courant. La taille de ces circuits RC et des inductances est liée à l'amplitude du courant commuté. D'autre part, le courant de gâchette appliqué à la grille G et nécessaire au contrôle du blocage du thyristor est proportionnel au courant commuté. Le système des figures 2a et 2b présente donc l'inconvénient de nécessiter des circuits associés aux thyristors pour limiter la tension et le courant de ces composants. De plus, comme on l'a décrit précédemment, il doit être prévu un circuit de détection de passage par zéro du courant de charge. L'inconvénient de cette solution est également la fiabilité de l'équipement liée au besoin d'un circuit de détection du passage par zéro du courant de charge. De plus, l'utilisation d'un tel principe de commande pour une application triphasé conduit à un déséquilibre transitoire lors des changements. En effet, le courant n'est pas nul simultanément dans les trois phases. La commutation des composants de chacune des phases n'est donc pas simultanée et un circuit de détection par phase doit être utilisé. L'invention concerne un système permettant de résoudre ces inconvénients. L'invention concerne donc un système de changement de prise d'un transformateur en charge dans lequel le secondaire ou le primaire comporte au moins une première et une deuxième prises. Ce système comporte un circuit de connexion principal permettant de connecter de façon permanente ou quasi permanente la première prise ou la deuxième prise à une borne de sortie du secondaire ou du primaire du transformateur. Un premier circuit de connexion secondaire permet de connecter la première prise temporairement et directement à ladite borne de sortie du secondaire ou du primaire du transformateur. Un deuxième circuit de connexion secondaire permet de connecter la deuxième prise temporairement et directement à ladite borne de sortie. Chacun desdits circuits de connexion comporte un ou plusieurs transistors bipolaires à grille isolée. De plus, il est prévu un circuit de commande central commandant le fonctionnement desdits circuits de connexion. Ce circuit de commande central ne comporte pas de dispositif de détection de passage par zéro du courant de secondaire. Par ailleurs, on prévoit que le circuit de connexion principal comporte un transformateur auxiliaire d'isolement dont l'enroulement primaire permet de connecter une prise dudit transformateur à ladite borne de sortie et dont l'enroulement secondaire peut être mis en court circuit par la conduction d'un circuit de commutation. La première prise étant connectée à la borne de sortie par le premier circuit de commutation, le circuit de commande central comporte un séquentiel permettant, de préférence, le fonctionnement des différentes étapes suivantes indépendamment de la valeur du courant de charge du transformateur: - conduction du premier circuit de connexion secondaire pour réaliser une connexion temporaire en parallèle de la première prise à la borne de sortie, - conduction du deuxième circuit de connexion secondaire pour réaliser une connexion temporaire de la deuxième prise à la borne de sortie, - connexion du circuit de connexion principal à la deuxième prise, - non conduction du premier circuit de connexion secondaire, - conduction du circuit de connexion principal, - non conduction du deuxième circuit de connexion secondaire. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - les figures 1 à 2c, des changeurs de charge pour transformateurs connus dans la technique, - les figures 3a et 3b, un exemple de réalisation d'un changeur de prise de transformateur en charge conforme à l'invention, - les figures 4a à 4j, différents états des circuits de la figure 3a au cours d'un changement de prise d'un transformateur en charge, - la figure 5, des diagrammes des temps illustrant les différents états du système de l'invention illustrés par les figures 4a à 4j. En se reportant aux figures 3a et 3b, on va donc décrire un exemple de changeur de prise de transformateur en charge selon l'invention. Selon cet exemple de réalisation, les prises de charge sont prévues sur l'enroulement secondaire du transformateur, mais le système serait le même si les prises de charge étaient prévues sur l'enroulement primaire du transformateur. On trouve sur la figure 3a le transformateur TR avec son enroulement primaire connecté au réseau ou à une alimentation électrique ALIM et avec son enroulement secondaire aux bornes de sortie bl et b2 duquel peut être connecté un circuit d'utilisation UTIL. L'enroulement secondaire possède des prises p0, p1, et p2, qu'on appellera prises de charge, permettant d'adapter le rapport de transformation du transformateur en fonction de la charge du circuit d'utilisation UTIL. Un circuit de commutation CX permet de connecter la borne de sortie b2 à l'une des prises de charges p0 à p2. Ce circuit de commutation comporte principalement: un circuit de transformateur fonctionnement sortie à une secondaire du fonctionnement d'utilisation commutation principal I2 associé à un auxiliaire tra qui permet en normal, la connexion de la borne de prise de transformateur p0 à p2 du transformateur et qui permet donc, en normal, l'alimentation du circuit par le courant fourni par le secondaire du transformateur. - deux circuits de commutation secondaires Il et 13 permettant le changement de prises de charge sans interrompre le circuit du secondaire du transformateur. Notamment, le circuit de commutation Il permettra de connecter de façon transitoire la prise p1 directement à la borne de sortie b2, et le circuit de commutation I3 permettra de connecter de façon transitoire la prise p2 à la borne de sortie b2. Les trois circuits de commutation I1 à I3 sont conçus de la même façon. La figure 3b représente, à titre d'exemple, un circuit de commutation. Ce circuit comporte un pont de quatre diodes Dil à Di4. Un transistor bipolaire à grille isolée IGBT (IGBT pour "Insulated Gate Bipolar Transistor") relie les deux branches du pont et permet la conduction du courant dans les deux sens de telle façon que lors d'une alternance le circuit Dit-IGBT-Di4 est conducteur et lors de l'alternance suivante, le circuit Di2-IGBT-Di3 est conducteur. Ce circuit de commutation peut aussi comporter plusieurs transistors bipolaires à grilles isolées IGBT avec ou sans diodes. Le transistor IGBT est rendu conducteur par application sur sa grille, d'une impulsion de commande +Vdc fournie par un circuit central de commande CC sur un fil cil à ci3. Il reste ensuite conducteur tant que le potentiel de commande +Vdc est appliqué à sa grille. Il est bloqué par application d'une autre impulsion de commande de polarité -Vdc. Le transistor IGBT est prévu pour permettre la commutation de courants. Sur la figure 3a on voit que les trois circuits de commutation I1 à 13 sont commandables individuellement par le circuit central de commande CC par des fils de commande cil à ci3. Les contacts Cl à C5 appartiennent à des relais non représentés qui sont également commandés par le circuit central de commande. En se reportant aux figures 4a à 4j, on va décrire le fonctionnement des circuits de la figure 3a. On suppose que la borne de sortie b2 est connectée à la prise pl du secondaire du transformateur. Le système est dans la situation représentée par la figure 4a avec: - les contacts C2 et C4 fermés, - le circuit de commutation I2 conducteur, - un courant circule dans les parties de circuits indiquées par des doubles flèches. Par suite d'une modification de la charge du circuit d'utilisation, on désire changer le rapport de transformation du transformateur TR. Pour cela, on désire, par exemple, effectuer une connexion de la borne de sortie b2 à la prise p2 (au lieu de pl). Le circuit de commande central CC va donc commander les différentes étapes suivantes - étape 1 (figure 4b) le contact Cl est fermé pour préparer la connexion à la prise de transformateur p2. Le courant circule par les mêmes circuits que précédemment comme cela est indiqué sur la figure 4b; - étape 2 (figure 4c) : dès que le contact Cl est fermé, on commute le circuit Il pour le rendre conducteur; - étape '3 (figure 4d) quasiment simultanément avec l'étape 2 ou après l'étape 2, on commute le circuit I2 pour le rendre non conducteur; - étape 4 (figure 4e) : ensuite, on ouvre le contact C4 ce qui prépare l'interruption de la connexion vers la prise de transformateur p1; - étape 5 (figure 4f) : après l'ouverture du contact C4, on commute le circuit I3 de façon à le rendre conducteur et préparer la connexion à la prise de transformateur p2; - étape 6 (figure 4g) : le circuit Il est alors commuté pour le rendre non conducteur ce qui interrompt la connexion à la prise de transformateur p1; - étape 7 (figure 4h) : à peu près dans le même temps que l'étape 6 ou après cette étape, on ferme le contact C5 pour préparer la connexion permanente à la prise de transformateur p2; étape 8 (figure 4i) : ensuite, on commute le circuit I2 pour établir la connexion à la prise p2 par le transformateur auxiliaire tra; - étape 9 (figure 4j) : enfin, on commute le circuit I3 pour interrompre sa conduction. Le circuit I3 a donc été rendu conducteur uniquement le temps nécessaire à la non conduction du circuit I1 et à la conduction du circuit I2. La prise de transformateur p2 est maintenant connectée à la borne de sortie b2 par les contacts Cl et C5 et le transformateur tra; - étape 10: ouverture du contact C2 (figure 4j). Ce fonctionnement est géré par le circuit de commande central CC (figure 3a). Dans ce fonctionnement, les contacts Cl à C5 sont commandés en l'absence de courant. Ils ne commutent donc pas de courant; il ne peut donc pas y avoir de risque de création d'arc électrique. La figure 5 illustre ce fonctionnement par des diagrammes de temps. Dans ces diagrammes, le fonctionnement de chaque contact Cl à C4 et de chaque circuit de commutation Il à I3 est individualisé par un diagramme particulier. Pour les contacts Cl à C5 les parties hautes des diagrammes représentent les positions fermées des contacts et les parties basses des diagrammes représentent les positions ouvertes des contacts. En ce qui concerne les circuits de commutation I1 à I3, les parties hautes représentent les états conducteurs de ces circuits et les parties basses, les états non conducteurs. Comme on peut le voir sur ces diagrammes, le fonctionnement du système est indépendant de la valeur du courant qui circule dans le secondaire du transformateur (absence de détection de passages par zéro du courant dans le circuit secondaire du transformateur). Ce fonctionnement est donc plus simple que dans les systèmes connus dans la technique et notamment celui des figures 2a à 2c. De plus, les circuits de commutation I1 à 13 sont également plus simples car ils ne nécessitent pas de circuits RC ni d'inductances pour limiter les courants et les tensions. L'utilisation de transistors IGBT évite donc la présence de circuit RC et la puissance nécessaire à son contrôle est indépendante du courant commuté. La commutation au passage par zéro du courant n'est plus un impératif ce qui supprime le circuit de détection et améliore la fiabilité du système. Dans une application triphasée, la commutation des trois phases est effectuée simultanément puisque cette commutation est indépendante des valeurs des courants sur les trois phases, et le déséquilibre transitoire est supprimé. REVENDICATIONS 1. Système de changement de prise de transformateur en charge dans lequel le secondaire ou le primaire du transformateur comporte au moins une première et une deuxième prises (p1, p2), ledit système comportant un circuit de connexion principal (tra-I2) permettant de connecter, en régime permanent, la première prise (pl) ou la deuxième prise (p2) à une borne de sortie (b2) du secondaire ou du primaire du transformateur, un premier circuit de connexion secondaire (I1) permettant de connecter ladite première prise (p1) temporairement et directement à ladite borne de sortie (b2) du secondaire ou du primaire du transformateur, un deuxième circuit de connexion secondaire (I3) permettant de connecter ladite deuxième prise (p2) temporairement et directement à ladite borne de sortie (b2), caractérisé en ce que chacun desdits circuits de connexion (Il, tra-I2, I3) comporte un ou plusieurs transistors bipolaires à grilles isolées. 2. Système de changement de prise de transformateur en charge selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande central (CC) commandant le fonctionnement desdits circuits de connexion, ce circuit de commande central ne comportant pas de dispositif de détection de passage par zéro du courant de secondaire. 3. Système de changement de prise de transformateur en charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de connexion principal comporte un transformateur auxiliaire d'isolement dont l'enroulement primaire permet de connecter une prise de transformateur (p1, p2) à ladite borne de sortie (b2) et dont l'enroulement secondaire peut être mis en court circuit par la conduction d'un circuit de commutation (12). 4. Système de changement de prise de transformateur en charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la première prise (p1) étant connectée à ladite borne de sortie (b2) par le premier circuit de commutation, le circuit de commande central (CC) comporte un séquentiel permettant le fonctionnement des différentes étapes suivantes indépendamment de la valeur du courant de charge du transformateur: conduction du premier circuit de connexion secondaire (Il) pour réaliser une connexion temporaire en parallèle de la première prise (pl) à la borne de sortie (b2), - conduction du deuxième circuit de connexion secondaire (I2) pour réaliser une connexion temporaire de la deuxième prise (p2) à la borne de sortie (b2), - connexion du circuit de connexion principal (tra-I2) à la deuxième prise (p2), - non conduction du premier circuit de connexion secondaire (Il), - conduction du circuit de connexion principal (tra-I2), - non conduction du deuxième circuit de connexion secondaire (I3).